Betydningen af ​​DNA-molekyler

DNA er en af ​​de få kombinationer af bogstaver i kernen af ​​en videnskabelig disciplin, der ser ud til at udløse en betydelig grad af forståelse selv hos mennesker med ringe levetid eksponering for biologi eller videnskab i generel. De fleste voksne, der hører sætningen "Det er i hendes DNA", genkender straks, at et bestemt træk er uadskilleligt fra den person, der beskrives; at karakteristikken på en eller anden måde er medfødt, aldrig går væk og er i stand til at blive overført til personens børn og derover. Dette ser ud til at være tilfældet, selv i dem, der ikke har nogen idé om, hvad "DNA" overhovedet står for, hvilket er "deoxyribonukleinsyre."

Mennesker er forståeligt nok fascineret af konceptet med at arve træk fra deres forældre og videregive deres egne træk til deres afkom. Det er kun naturligt for folk at overveje deres egen biokemiske arv, selvom kun få kan forestille sig det i sådanne formelle termer. Anerkendelse af, at små usynlige faktorer inde i os hver især styrer, hvordan folks børn ser ud og endda opfører sig, har helt sikkert været til stede i mange hundrede år. Men først i midten af ​​det 20. århundrede afslørede moderne videnskab i herlige detaljer ikke kun, hvad molekylerne, der var ansvarlige for arv, var, men også hvordan de så ud.

Deoxyribonukleinsyre er faktisk den genetiske plan, som alle levende ting opretholder i deres celler, et unikt mikroskopisk fingeraftryk, der ikke kun gør hvert menneske en bogstavelig enestående person (identiske tvillinger undtagen til nuværende formål) men afslører en hel del vigtig information om enhver person fra sandsynligheden for at være relateret til en anden specifik person med chancerne for at udvikle en given sygdom senere i livet eller overføre en sådan sygdom til fremtiden generationer. DNA er ikke kun blevet det naturlige centrale punkt i molekylærbiologi og livsvidenskab som helhed, men også en integreret komponent i retsmedicinsk videnskab og biologisk teknik.

James Watson og Francis Crick (og sjældnere Rosalind Franklin og Maurice Wilkins) er bredt krediteret med opdagelsen af ​​DNA i 1953. Denne opfattelse er imidlertid fejlagtig. Kritisk har disse forskere faktisk fastslået, at DNA findes i tredimensionel form i form af a dobbelt helix, som i det væsentlige er en stige snoet i forskellige retninger i begge ender for at skabe en spiral form. Men disse målrettede og hyldest videnskabelige videnskabsmænd byggede "kun" på det omhyggelige arbejde fra biologer, der arbejdede på jagt efter de samme generelle oplysninger så langt tilbage som i 1860'erne eksperimenter, der var lige så banebrydende i sig selv som Watson, Crick og andre i forskningen efter Anden Verdenskrig æra.

I 1869, 100 år før mennesker rejste til månen, søgte en schweizisk kemiker ved navn Friedrich Miescher at ekstraher proteinkomponenterne fra leukocytter (hvide blodlegemer) for at bestemme deres sammensætning og fungere. Hvad han i stedet ekstraherede kaldte han "nuclein", og selvom han manglede de nødvendige instrumenter til at lære, hvad fremtidige biokemikere ville være i stand til at lære, opdagede han hurtigt, at dette "nuklein" var relateret til proteiner, men ikke i sig selv var protein, at det indeholdt en usædvanlig mængden af ​​fosfor, og at dette stof var modstandsdygtigt over for nedbrydning af de samme kemiske og fysiske faktorer, som nedbrydes proteiner.

Det ville gå over 50 år, før den sande betydning af Mieschers arbejde først blev tydelig. I det andet årti af 1900'erne var en russisk biokemiker, Phoebus Levene, den første til at foreslå det, hvad vi kalder nukleotider i dag, bestod af en sukkerdel, en fosfatdel og en base del; at sukkeret var ribose; og at forskellene mellem nukleotider skyldtes forskellene mellem deres baser. Hans "polynukleotid" -model havde nogle fejl, men efter dagens standard var den bemærkelsesværdigt på målet.

I 1944 var Oswald Avery og hans kolleger ved Rockefeller University de første kendte forskere, der formelt antydede, at DNA bestod af arvelige enheder eller gener. Som opfølgning på deres arbejde såvel som Levene gjorde den østrigske videnskabsmand Erwin Chargaff to vigtige opdagelser: det ene, at nukleotidsekvensen i DNA varierer mellem organismer, i modsætning til hvad Levene havde foreslog; og to, at i enhver organisme er den samlede mængde af de nitrogenholdige baser adenin (A) og guanin (G) kombineret, uanset art, var næsten altid den samme som den totale mængde cytosin (C) og thymin (T). Dette førte ikke helt til, at Chargaff konkluderede, at A-par med T- og C-par med G i alt DNA, men det hjalp senere til at understøtte den konklusion, som andre nåede frem til.

Endelig i 1953 satte Watson og hans kolleger fordel af hurtigt forbedrede måder at visualisere tredimensionelle kemiske strukturer på, disse fund sammen og brugte papmodeller til at fastslå, at en dobbelt helix passede alt, hvad der var kendt om DNA, på en måde intet andet kunne.

DNA blev identificeret som det arvelige materiale i levende ting i god tid før dets struktur blev afklaret, og som ofte tilfældet inden for eksperimentel videnskab, var denne vitale opdagelse faktisk tilfældig med forskernes vigtigste formål.
Før antibiotikabehandling opstod i slutningen af ​​1930'erne, krævede smitsomme sygdomme langt flere menneskeliv end de gør det i dag, og at afsløre mysterierne hos de ansvarlige organismer var et kritisk mål i mikrobiologisk forskning. I 1913 begyndte ovennævnte Oswald Avery arbejde, der i sidste ende afslørede et højt polysaccharid (sukker) indhold i kapsler af pneumokok bakteriearter, som var blevet isoleret fra lungebetændelse patienter. Avery teoretiserede, at disse stimulerede antistofproduktion hos inficerede mennesker. I mellemtiden udførte William Griffiths i England arbejde, der viste, at døde komponenter af en slags sygdomsfremkaldende pneumokokker kan blandes med de levende komponenter i en harmløs pneumokok og producere en sygdomsfremkaldende form af den tidligere harmløs slags; dette beviste, at alt, hvad der flyttede fra de døde til de levende bakterier, var arveligt.

Da Avery hørte om Griffiths resultater, satte han i gang med at gennemføre rensningseksperimenter i et forsøg på at isolere præcist materiale i pneumokokkerne, der var arveligt, og indlemmet i nukleinsyrer, eller mere specifikt, nukleotider. DNA var allerede stærkt mistænkt for at have det, der så populært blev kaldt "transformation principper, "så Avery og andre testede denne hypotese ved at udsætte det arvelige materiale for en forskellige agenter. De, der vides at være ødelæggende for DNA-integritet, men uskadelige for proteiner eller DNA, kaldet DNAaser, var tilstrækkelig i store mængder til at forhindre transmission af træk fra en bakteriel generation til Næste. I mellemtiden gjorde proteaser, der løser proteiner, ikke sådan skade.

Hjemmebeskeden fra Averys og Griffiths arbejde er, at mens folk som Watson og Crick med rette har fået ros for deres bidrag for molekylær genetik var oprettelse af DNA-strukturen faktisk et ret sent bidrag til processen med at lære om dette spektakulære molekyle.

Chargaff viste, selvom han tydeligvis ikke beskriver strukturen i DNA fuldt ud, det i ud over (A + G) = (C + T) var de to strenge, der vides at være inkluderet i DNA, altid den samme afstand en del. Dette førte til postulatet om det puriner (inklusive A og G) altid bundet til pyrimidiner (inklusive C og T) i DNA. Dette gav tredimensionel mening, fordi puriner er betydeligt større end pyrimidiner, mens alle puriner i det væsentlige har samme størrelse, og alle pyrimidiner er i det væsentlige samme størrelse. Dette indebærer, at to puriner bundet sammen ville tage betydeligt mere plads mellem DNA-tråde end to pyrimidiner, og også at enhver given purin-pyrimidin-parring vil forbruge den samme mængde plads. At sætte al denne information krævede, at A binder til og kun til T, og at det samme forhold gælder for C og G, hvis denne model skulle vise sig at være vellykket. Og det har det.

Baserne (mere om disse senere) binder sig til hinanden på det indre af DNA-molekylet, som trin i en stige. Men hvad med trådene eller "siderne" selv? Rosalind Franklin arbejdede sammen med Watson og Crick og antog, at denne "rygrad" var lavet af sukker (specifikt et pentosesukker eller en med en fematom-ringstruktur) og en phosphatgruppe, der forbinder sukker. På grund af den nyopklarede idé om baseparring blev Franklin og de andre opmærksomme på, at de to DNA-tråde i et enkelt molekyle var "komplementære" eller i virkeligheden spejlbilleder af hinanden på niveauet for deres nukleotider. Dette tillod dem at forudsige den omtrentlige radius af den snoede DNA-form inden for en solid grad af nøjagtighed, og røntgendiffraktionsanalyse bekræftede den spiralformede struktur. Ideen om, at helixen var en dobbelt helix, var den sidste store detalje om DNA's struktur, der faldt på plads i 1953.

Nukleotider er de gentagne underenheder af DNA, hvilket er det modsatte af at sige, at DNA er en polymer af nukleotider. Hvert nukleotid består af et sukker kaldet deoxyribose, der indeholder en femkantet ringstruktur med et ilt og fire carbonmolekyler. Dette sukker er bundet til en fosfatgruppe, og to pletter langs ringen fra denne position er det også bundet til en nitrogenholdig base. Fosfatgrupperne forbinder sukkeret sammen for at danne DNA-rygraden, hvis to tråde vrides omkring de bundne kvælstunge baser i midten af ​​den dobbelte spiral. Helixen gør et komplet 360-graders twist cirka en gang hver 10. basepar.

Et sukker, der kun er bundet til en nitrogenholdig base, kaldes a nukleosid.

RNA (ribonukleinsyre) adskiller sig fra DNA på tre vigtige måder: Den ene er pyrimidin uracil erstattet af thymin. To, pentosesukkeret er ribose snarere end deoxyribose. Og tre, RNA er næsten altid enkeltstrenget og kommer i flere former, hvis diskussion ligger uden for denne artikels anvendelsesområde.

DNA "pakkes" ud i sine to komplementære tråde, når det er tid til kopier. Da dette sker, dannes datterstrenge langs eneforældrenes tråde. En sådan datterstreng dannes kontinuerligt via tilsætning af enkeltnukleotider under enzymets virkning DNA-polymerase. Denne syntese følger simpelthen i retning af adskillelsen af ​​forælder-DNA-strengene. Den anden datterstreng dannes af små polynukleotider kaldet Okazaki fragmenter der faktisk dannes i den modsatte retning af udpakningen af ​​forældrestrenge og derefter forbindes sammen af ​​enzymet DNA ligase.

Fordi de to datterstrenge også er komplementære til hinanden, binder deres baser sig til sidst for at gøre et dobbeltstrenget DNA-molekyle identisk med det forældre.

I bakterier, som er encellede og kaldes prokaryoter, sidder en enkelt kopi af bakteriens DNA (også kaldet dets genom) i cytoplasmaet; ingen kerne er til stede. I multicellulære eukaryote organismer findes DNA'et i kernen i form af kromosomer, som er stærkt oprullede, spolede og rumligt kondenserede DNA-molekyler, blot milliontedele af en meter lange, og proteiner hedder histoner. Ved mikroskopisk undersøgelse er kromosomdelene, der viser skiftevis histon, "spoler" og enkle DNA-tråde (kaldet kromatin på dette organisationsniveau) sammenlignes ofte med perler på en snor. Noget eukaryot DNA findes også i organeller i celler kaldet mitokondrier.