Η σημασία των μορίων DNA

Το DNA είναι ένας από τους λίγους συνδυασμούς γραμμάτων στον πυρήνα μιας επιστημονικής πειθαρχίας που φαίνεται να προκαλεί α σημαντικό επίπεδο κατανόησης ακόμη και σε άτομα με μικρή έκθεση στη βιολογία ή τις επιστήμες σε όλη τη ζωή γενικός. Οι περισσότεροι ενήλικες που ακούνε τη φράση "Είναι στο DNA της" αμέσως αναγνωρίζουν ότι ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό είναι αδιαχώριστο από το άτομο που περιγράφεται. ότι το χαρακτηριστικό είναι κάπως εγγενές, δεν πηγαίνει ποτέ μακριά και είναι ικανό να μεταφερθεί στα παιδιά αυτού του ατόμου και πέραν αυτού. Αυτό φαίνεται να ισχύει ακόμη και στο μυαλό εκείνων που δεν έχουν ιδέα τι σημαίνει "DNA", το οποίο είναι "δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ".

Οι άνθρωποι είναι κατανοητά γοητευμένοι με την έννοια της κληρονομιάς των χαρακτηριστικών από τους γονείς τους και τη μετάδοση των δικών τους χαρακτηριστικών στους απογόνους τους. Είναι φυσικό για τους ανθρώπους να σκέφτονται τη δική τους βιοχημική κληρονομιά, ακόμα κι αν λίγοι μπορούν να το φανταστούν με τόσο επίσημους όρους. Η αναγνώριση ότι μικροσκοπικοί αόρατοι παράγοντες μέσα στον καθένα μας διέπουν τον τρόπο εμφάνισης και συμπεριφοράς των παιδιών των ανθρώπων σίγουρα υπήρχε εδώ και πολλές εκατοντάδες χρόνια. Όμως, μέχρι τα μέσα του 20ού αιώνα, η σύγχρονη επιστήμη αποκάλυψε με ένδοξη λεπτομέρεια όχι μόνο ποια ήταν τα μόρια που ήταν υπεύθυνα για την κληρονομιά, αλλά και πώς φαινόταν.

Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ είναι πράγματι το γενετικό σχεδιάγραμμα που διατηρούν όλα τα έμβια όντα στα κύτταρα τους, ένα μοναδικό μικροσκοπικό δακτυλικό αποτύπωμα που όχι μόνο κάνει κάθε άνθρωπο ένα κυριολεκτικό μοναδικό άτομο (πανομοιότυπα δίδυμα εξαιρουμένων των παρόντων σκοπών), αλλά αποκαλύπτει πολλές ζωτικές πληροφορίες για κάθε άτομο, από το πιθανότητα να συσχετιστεί με άλλο συγκεκριμένο άτομο με τις πιθανότητες ανάπτυξης μιας δεδομένης ασθένειας αργότερα στη ζωή ή μετάδοσης μιας τέτοιας ασθένειας στο μέλλον γενιές. Το DNA έχει γίνει όχι μόνο το φυσικό κεντρικό σημείο της μοριακής βιολογίας και της επιστήμης της ζωής στο σύνολό της, αλλά αποτελεί αναπόσπαστο συστατικό της εγκληματολογικής επιστήμης και της βιολογικής μηχανικής.

Ο James Watson και ο Francis Crick (και λιγότερο συχνά, οι Rosalind Franklin και Maurice Wilkins) πιστώνονται ευρέως με την ανακάλυψη του DNA το 1953. Αυτή η αντίληψη, ωστόσο, είναι λανθασμένη. Κρίσιμα, αυτοί οι ερευνητές απέδειξαν ότι το DNA υπάρχει σε τρισδιάστατη μορφή σε σχήμα α διπλή έλικα, η οποία είναι ουσιαστικά μια σκάλα που περιστρέφεται σε διαφορετικές κατευθύνσεις και στα δύο άκρα για να δημιουργήσει μια σπείρα σχήμα. Όμως αυτοί οι αποφασισμένοι και συχνά διάσημοι επιστήμονες «βασίζονταν» στο επίπονο έργο των βιολόγων που δούλεψαν αναζητώντας τις ίδιες γενικές πληροφορίες ήδη από τη δεκαετία του 1860, πειράματα που ήταν εξίσου πρωτοποριακά με αυτά των Watson, Crick και άλλων στην έρευνα μετά τον Β 'Παγκόσμιο Πόλεμο εποχή.

Το 1869, 100 χρόνια πριν οι άνθρωποι ταξίδευαν στο φεγγάρι, ένας Ελβετός χημικός με το όνομα Φρίντριχ Μίσερ προσπάθησε εξαγάγετε τα πρωτεϊνικά συστατικά από λευκοκύτταρα (λευκά αιμοσφαίρια) για να προσδιορίσετε τη σύνθεσή τους και λειτουργία. Αυτό που αντ 'αυτού εξήγαγε ονόμασε «νουκλεΐνη» και παρόλο που δεν είχε τα απαραίτητα μέσα για να μάθει ποιοι θα ήταν οι μελλοντικοί βιοχημικοί ικανός να μάθει, διαπίστωσε γρήγορα ότι αυτή η «νουκλεΐνη» σχετίζεται με πρωτεΐνες, αλλά δεν ήταν η ίδια πρωτεΐνη, ότι περιείχε μια ασυνήθιστη ποσότητα φωσφόρου και ότι αυτή η ουσία ήταν ανθεκτική στην αποικοδόμηση από τους ίδιους χημικούς και φυσικούς παράγοντες που αποικοδομήθηκαν πρωτεΐνες.

Θα ήταν πάνω από 50 χρόνια πριν να γίνει εμφανής η πραγματική σημασία του έργου του Miescher. Στη δεύτερη δεκαετία του 1900, ένας Ρώσος βιοχημικός, ο Phoebus Levene, ήταν ο πρώτος που πρότεινε ότι, αυτό που ονομάζουμε νουκλεοτίδια σήμερα, αποτελούνταν από ένα τμήμα σακχάρου, ένα φωσφορικό τμήμα και μια βάση τμήμα; ότι η ζάχαρη ήταν ριβόζη. και ότι οι διαφορές μεταξύ των νουκλεοτιδίων οφείλονταν στις διαφορές μεταξύ των βάσεών τους. Το μοντέλο του «πολυνουκλεοτιδίου» είχε κάποια ελαττώματα, αλλά από τα πρότυπα της ημέρας, ήταν αξιοσημείωτα στοχευμένο.

Το 1944, ο Oswald Avery και οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο Rockefeller ήταν οι πρώτοι γνωστοί ερευνητές που προτείνουν επίσημα ότι το DNA αποτελείται από κληρονομικές μονάδες ή γονίδια. Παρακολουθώντας το έργο τους καθώς και το έργο του Levene, ο Αυστριακός επιστήμονας Erwin Chargaff έκανε δύο βασικές ανακαλύψεις: ένα, ότι η αλληλουχία νουκλεοτιδίων στο DNA ποικίλλει μεταξύ ειδών οργανισμών, σε αντίθεση με αυτό που είχε ο Levene προτείνεται και δύο, ότι σε οποιονδήποτε οργανισμό, η συνολική ποσότητα των αζωτούχων βάσεων αδενίνη (Α) και γουανίνη (G) συνδυασμένο, ανεξάρτητα από το είδος, ήταν σχεδόν πάντα το ίδιο με τη συνολική ποσότητα κυτοσίνης (C) και θυμίνη (Τ). Αυτό δεν οδήγησε τον Chargaff να συμπεράνει ότι τα A ζευγάρια με T και C ζεύγη με G σε όλο το DNA, αλλά βοήθησαν αργότερα να υποστηρίξουν το συμπέρασμα που κατέληξαν σε άλλους.

Τέλος, το 1953, ο Watson και οι συνάδελφοί του, επωφελούμενοι από τα γρήγορα βελτιωμένους τρόπους οπτικοποίησης τρισδιάστατων χημικών δομών, έβαλαν όλα αυτά τα ευρήματα μαζί και χρησιμοποίησαν μοντέλα χαρτονιού για να αποδείξουν ότι μια διπλή έλικα ταιριάζει σε όλα όσα ήταν γνωστά για το DNA με κανέναν τρόπο θα μπορούσε.

Το DNA αναγνωρίστηκε ως το κληρονομικό υλικό των ζωντανών πραγμάτων πολύ πριν αποσαφηνιστεί η δομή του και ως Συχνά στην πειραματική επιστήμη, αυτή η ζωτική ανακάλυψη ήταν στην πραγματικότητα παρεπόμενη στον κύριο των ερευνητών σκοπός.
Πριν εμφανιστεί η αντιβιοτική θεραπεία στα τέλη της δεκαετίας του 1930, οι μολυσματικές ασθένειες διεκδικούσαν πολύ περισσότερες ανθρώπινες ζωές από αυτές κάνουμε σήμερα, και η αποκάλυψη των μυστηρίων των υπεύθυνων οργανισμών ήταν ένας κρίσιμος στόχος στην έρευνα μικροβιολογίας. Το 1913, ο προαναφερθείς Oswald Avery άρχισε να εργάζεται που τελικά αποκάλυψε έναν υψηλό πολυσακχαρίτη (ζάχαρη) περιεκτικότητα σε κάψουλες πνευμονοκοκκικών βακτηριακών ειδών, τα οποία είχαν απομονωθεί από πνευμονία ασθενείς. Ο Avery θεωρούσε ότι αυτά διεγείρουν την παραγωγή αντισωμάτων σε μολυσμένα άτομα. Εν τω μεταξύ, στην Αγγλία, ο William Griffiths έπαιζε δουλειά που έδειξαν ότι νεκρά συστατικά ενός είδους προκαλούν ασθένειες Ο πνευμονιόκοκκος θα μπορούσε να αναμειχθεί με τα ζωντανά συστατικά ενός αβλαβούς πνευμονιόκοκκου και να παράγει μια μορφή που προκαλεί ασθένειες του πρώην ακίνδυνο είδος Αυτό απέδειξε ότι ό, τι μετακινήθηκε από τους νεκρούς στα ζωντανά βακτήρια ήταν κληρονομικό.

Όταν ο Avery έμαθε για τα αποτελέσματα του Griffith, άρχισε να διεξάγει πειράματα καθαρισμού σε μια προσπάθεια να απομονώσει το ακριβές υλικό στους πνευμονιόκοκκους που ήταν κληρονομικό και φιλοξενήθηκε σε νουκλεϊκά οξέα ή πιο συγκεκριμένα, νουκλεοτίδια. Το DNA είχε ήδη υποψιαστεί ότι είχε αυτό που τότε ονομάζονταν «μετασχηματισμός» αρχές, "έτσι ο Avery και άλλοι δοκίμασαν αυτήν την υπόθεση εκθέτοντας το κληρονομικό υλικό σε ένα ποικιλία παραγόντων. Εκείνοι που ήταν γνωστό ότι είναι καταστροφικοί για την ακεραιότητα του DNA, αλλά ακίνδυνοι για τις πρωτεΐνες ή το DNA, που ονομάζονται DNAases, ήταν επαρκείς σε υψηλές ποσότητες για την αποτροπή μετάδοσης χαρακτηριστικών από μια γενιά βακτηριδίων στο Επόμενο. Εν τω μεταξύ, οι πρωτεάσες, οι οποίες ξεδιπλώνουν τις πρωτεΐνες, δεν υπέστησαν τέτοια ζημιά.

Το μήνυμα της δουλειάς του Avery's και του Griffith είναι ότι, πάλι, ενώ άνθρωποι όπως ο Watson και ο Crick έχουν εγκωμιασθεί σωστά για τις συνεισφορές τους στη μοριακή γενετική, η καθιέρωση της δομής του DNA ήταν στην πραγματικότητα μια αρκετά καθυστερημένη συμβολή στη διαδικασία εκμάθησης αυτού του θεαματικού μορίου.

Ο Chargaff, παρόλο που προφανώς δεν περιέγραψε πλήρως τη δομή του DNA, το έδειξε αυτό εκτός από το (A + G) = (C + T), οι δύο κλώνοι που είναι γνωστό ότι περιλαμβάνονται στο DNA ήταν πάντα η ίδια απόσταση χώρια. Αυτό οδήγησε στο αξίωμα ότι πουρίνες (συμπεριλαμβανομένων των A και G) συνδέονται πάντα με πυριμιδίνες (συμπεριλαμβανομένων των C και T) στο DNA. Αυτό είχε την τρισδιάστατη έννοια, επειδή οι πουρίνες είναι σημαντικά μεγαλύτερες από τις πυριμιδίνες, ενώ όλες οι πουρίνες έχουν ουσιαστικά το ίδιο μέγεθος και όλες οι πυριμιδίνες έχουν ουσιαστικά το ίδιο μέγεθος. Αυτό σημαίνει ότι δύο πουρίνες που συνδέονται μεταξύ τους θα καταλαμβάνουν πολύ περισσότερο χώρο μεταξύ των κλώνων DNA από δύο πυριμιδίνες, και επίσης ότι κάθε ζεύγος πουρίνης-πυριμιδίνης θα καταναλώνει την ίδια ποσότητα χώρος. Η τοποθέτηση όλων αυτών των πληροφοριών απαιτούσε το A να συνδέεται και μόνο με το T και ότι η ίδια σχέση ισχύει για το C και το G εάν αυτό το μοντέλο αποδειχθεί επιτυχημένο. Και έχει.

Οι βάσεις (περισσότερες από αυτές αργότερα) συνδέονται μεταξύ τους στο εσωτερικό του μορίου DNA, όπως τα σκαλοπάτια σε μια σκάλα. Τι γίνεται όμως με τα σκέλη ή τις «πλευρές»; Ο Rosalind Franklin, σε συνεργασία με τον Watson και τον Crick, υπέθεσε ότι αυτός ο «κορμός» ήταν φτιαγμένος από ζάχαρη (συγκεκριμένα ένα σάκχαρο πεντόζης, ή ένα με δομή δακτυλίου πέντε ατόμων) και μια φωσφορική ομάδα που συνδέει το σάκχαρα Λόγω της πρόσφατα διευκρινισμένης ιδέας του ζευγαρώματος βάσης, ο Φράνκλιν και οι άλλοι συνειδητοποίησαν ότι τα δύο DNA κλώνουν σε ένα μόνο μόριο ήταν «συμπληρωματικά», ή στην πραγματικότητα καθρέφτες-εικόνες του άλλου στο επίπεδο των νουκλεοτίδια. Αυτό τους επέτρεψε να προβλέψουν την κατά προσέγγιση ακτίνα της στριμμένης μορφής του DNA εντός ενός στερεού βαθμού ακρίβειας, και η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ επιβεβαίωσε την ελικοειδή δομή. Η ιδέα ότι η έλικα ήταν διπλή έλικα ήταν η τελευταία σημαντική λεπτομέρεια για τη δομή του DNA που έφτασε στη θέση της, το 1953.

Τα νουκλεοτίδια είναι οι επαναλαμβανόμενες υπομονάδες του DNA, το οποίο είναι το αντίθετο ότι το DNA είναι ένα πολυμερές νουκλεοτιδίων. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από ένα σάκχαρο που ονομάζεται δεοξυριβόζη και περιέχει μια πενταγωνική δομή δακτυλίου με ένα οξυγόνο και τέσσερα μόρια άνθρακα. Αυτή η ζάχαρη συνδέεται με μια ομάδα φωσφορικών, και δύο κηλίδες κατά μήκος του δακτυλίου από αυτήν τη θέση, συνδέεται επίσης με μια αζωτούχο βάση. Οι φωσφορικές ομάδες συνδέουν τα σάκχαρα μεταξύ τους για να σχηματίσουν τη ραχοκοκαλιά του DNA, οι δύο κλώνοι των οποίων περιστρέφονται γύρω από τις δεσμευμένες βάσεις αζώτου με βάση στη μέση της διπλής έλικας. Η έλικα κάνει μια πλήρη περιστροφή 360 μοιρών περίπου μία φορά κάθε 10 ζεύγη βάσεων.

Μια ζάχαρη που συνδέεται μόνο με μια άζωτο βάση ονομάζεται α νουκλεοζίτη.

Το RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ) διαφέρει από το DNA με τρεις βασικούς τρόπους: Ένας, η πυριμιδίνη ουρακίλη αντικαθιστά τη θυμίνη. Δεύτερον, το σάκχαρο πεντόζης είναι ριβόζη και όχι δεοξυριβόζη. Και τρία, το RNA είναι σχεδόν πάντα μονόκλωνο και έρχεται σε πολλές μορφές, η συζήτηση των οποίων είναι πέρα ​​από το πεδίο αυτού του άρθρου.

Το DNA είναι «αποσυμπιεσμένο» στα δύο συμπληρωματικά κλώνους του όταν έρθει η ώρα για την παραγωγή αντιγράφων. Καθώς αυτό συμβαίνει, τα σκέλη θυγατρικών σχηματίζονται κατά μήκος των μονών κλώνων γονέα. Ένας τέτοιος θυγατρικός κλώνος σχηματίζεται συνεχώς μέσω της προσθήκης μεμονωμένων νουκλεοτιδίων, υπό τη δράση του ενζύμου Πολυμεράση DNA. Αυτή η σύνθεση ακολουθεί απλώς την κατεύθυνση του διαχωρισμού των μητρικών κλώνων DNA. Ο άλλος θυγατρικός κλώνος σχηματίζεται από μικρά πολυνουκλεοτίδια που ονομάζονται Θραύσματα Οκαζάκι που σχηματίζονται στην αντίθετη κατεύθυνση της αποσυμπίεσης των μητρικών κλώνων, και στη συνέχεια ενώνονται μαζί με το ένζυμο Λιγάση DNA.

Επειδή οι δύο θυγατρικές κλώνοι είναι επίσης συμπληρωματικές μεταξύ τους, οι βάσεις τους τελικά συνδέονται μεταξύ τους για να κάνουν ένα μόριο DNA δίκλωνου όμοιο με το γονικό.

Στα βακτήρια, τα οποία είναι μονοκύτταρα και ονομάζονται προκαρυωτικά, ένα μόνο αντίγραφο του DNA των βακτηρίων (που ονομάζεται επίσης γονιδίωμά του) βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα. δεν υπάρχει πυρήνας. Σε πολυκυτταρικούς ευκαρυωτικούς οργανισμούς, το DNA βρίσκεται στον πυρήνα με τη μορφή χρωμοσωμάτων, τα οποία είναι μόρια DNA με πολύ κουλουριασμένα, τυλιγμένα και συμπυκνωμένα χωρικά μήκους μόλις εκατομμυρίου μέτρων και πρωτεϊνών που ονομάζεται ιστόνες. Κατά τη μικροσκοπική εξέταση, τα μέρη χρωμοσώματος που δείχνουν εναλλασσόμενα "πηνία" ιστόνης και απλά κλώνοι του DNA (που ονομάζεται χρωματίνη σε αυτό το επίπεδο οργάνωσης) συχνά παρομοιάζονται με χάντρες σε ένα σειρά. Κάποιο ευκαρυωτικό DNA βρίσκεται επίσης σε οργανίδια κυττάρων που ονομάζονται μιτοχόνδρια.