DNA on üks väheseid teadusdistsipliini keskmes olevaid tähekombinatsioone, mis näib tekitavat a märkimisväärne mõistmise tase isegi inimestel, kelle eluaeg on bioloogia või loodusteadused vähe kokku puutunud üldine. Enamik täiskasvanuid, kes kuulevad fraasi "See on tema DNA-s", mõistavad kohe, et konkreetne omadus on kirjeldatavast lahutamatu; et omadus on kuidagi sündinud, ei kao kunagi ja on võimeline kandma selle inimese lastele ja kaugemale. See paistab paika pidavat ka nende meelest, kellel pole aimugi, mida "DNA" üldse tähendab - desoksüribonukleiinhape.
Inimesed on mõistetavalt lummatud vanematelt tunnuste pärimise ja nende enda järeltulijatele edasi andmise ideest. On loomulik, et inimesed mõtisklevad omaenda biokeemilise pärandi üle, isegi kui vähesed suudavad seda nii ametlikult ette kujutada. Tõdemus, et pisikesed nähtamatud tegurid, mis meie kõigi sees valitsevad, kuidas inimeste lapsed välja näevad ja isegi käituvad, on kindlasti olnud sadu aastaid. Kuid alles 20. sajandi keskpaigas ei avaldanud kaasaegne teadus hiilgavalt üksikasjalikult mitte ainult pärilikkuse eest vastutavaid molekule, vaid ka nende välimust.
Deoksüribonukleiinhape on tõepoolest geneetiline plaan, mida kõik elusolendid oma rakkudes säilitavad, ainulaadne mikroskoopiline sõrmejälg, mis mitte ainult ei pane iga inimest sõna otseses mõttes ainulaadne üksikisik (identsed kaksikud, välja arvatud praegusel eesmärgil), kuid paljastab iga inimese kohta palju olulist teavet tõenäosus olla seotud mõne teise konkreetse isikuga võimalusega haigestuda hilisemas elus või levitada sellist haigust tulevikus põlvkondi. DNA-st pole saanud mitte ainult molekulaarbioloogia ja kogu bioteaduse loomulik keskpunkt, vaid ka kohtuekspertiisi ja bioloogiatehnika lahutamatu komponent.
DNA avastamine
James Watson ja Francis Crick (ja harvemini Rosalind Franklin ja Maurice Wilkins) on laialdaselt tunnustatud DNA avastamise eest 1953. aastal. See arusaam on aga ekslik. Kriitiliselt tõestasid need teadlased, et DNA eksisteerib kolmemõõtmelises vormis a kujul topeltheeliks, mis on sisuliselt spiraali loomiseks mõlemast otsast eri suundades keeratud redel kuju. Kuid need sihikindlad ja sageli tähistatud teadlased tuginesid "ainult" bioloogide hoolsale tööle, kes vaevlesid sama üldise teabe otsimisel juba 1860-ndatel aastatel olid katsed, mis olid II maailmasõja järgsetes uuringutes sama iseseisvad kui Watsoni, Cricki jt. ajastu.
1869. aastal, 100 aastat enne inimeste kuule rännamist, püüdis Šveitsi keemik nimega Friedrich Miescher ekstraheerida valgu komponendid leukotsüütidest (valged verelibled), et määrata nende koostis ja funktsioon. Selle, mille ta välja võttis, nimetas ta "nukleiiniks" ja kuigi tal puudusid vajalikud vahendid, et teada saada, millised on tulevased biokeemikud õppida, sai ta kiiresti aru, et see "nukleiin" oli seotud valkudega, kuid ei olnud ise valk, et see sisaldas ebatavalist fosforisisaldus ja see aine oli vastupidav lagunemisele samade keemiliste ja füüsikaliste tegurite mõjul, mis lagundasid valgud.
Miescheri loomingu tegeliku tähtsuse esilekutsumiseks kulub üle 50 aasta. 1900. aastate teisel kümnendil tegi esimese ettepaneku Venemaa biokeemik Phoebus Levene see, mida me täna nimetame nukleotiidideks, koosnes suhkruosast, fosfaadiosast ja alusest portsjon; et suhkur oli riboos; ja et nukleotiidide vahelised erinevused olid tingitud nende aluste erinevustest. Tema "polünukleotiidi" mudelil olid mõned vead, kuid selle aja standardite kohaselt oli see märkimisväärselt sihtmärk.
1944. aastal olid Oswald Avery ja tema kolleegid Rockefelleri ülikoolist esimesed teadaolevad teadlased, kes väitsid ametlikult, et DNA koosnes pärilikest üksustest ehk geenidest. Nii nende kui ka Levene töö järel tegi Austria teadlane Erwin Chargaff kaks peamist avastust: üks, et DNA nukleotiidide järjestus on organismiliikide lõikes erinev, erinevalt Levene omast välja pakutud; ja kaks, et mis tahes organismis on lämmastikaluste adeniini (A) ja guaniini (G) üldkogus kombineeritud, olenemata liigist, oli praktiliselt alati sama kui tsütosiini (C) ja tümiin (T). See ei viinud Chargaffi järeldusele, et A paarid T-ga ja C paarivad kogu DNA-s G-ga, kuid hiljem aitas see toetada teiste järeldust.
Lõpuks, 1953. aastal panid Watson ja tema kolleegid kolmemõõtmeliste keemiliste struktuuride kiiresti paremaks muutmise viisidest kasu saades kõik need leiud koos kasutasid papimudeleid, et teha kindlaks, et topeltheeliks sobib kõigega, mis DNA kohta teada oli, muul viisil võiks.
DNA ja päritavad omadused
DNA tuvastati elavate asjade päriliku materjalina juba enne selle struktuuri selgitamist ja nii eksperimentaalteaduses sageli oli see oluline avastus teadlaste peamise jaoks juhuslik eesmärk.
Enne antibiootikumravi ilmumist 1930. aastate lõpus nõudsid nakkushaigused palju rohkem inimelusid kui nemad seda täna teha ja vastutavate organismide saladuste avamine oli mikrobioloogia uurimise kriitiline eesmärk. 1913. aastal alustas ülalmainitud Oswald Avery tööd, mis näitas lõpuks kõrge polüsahhariidi (suhkru) sisaldus kopsupõletikust eraldatud pneumokoki bakteriliikide kapslites patsiendid. Avery väitis, et need stimuleerivad nakatunud inimeste antikehade tootmist. Vahepeal tegi Inglismaal William Griffiths tööd, mis näitasid, et ühte tüüpi haigusi põhjustavad surnud komponendid pneumokokk võiks olla segatud kahjutu pneumokoki elukomponentidega ja tekitada varem põhjustatud haigust kahjutu liik; see tõestas, et kõik, mis surnutelt elusbakteritele kolis, oli päritav.
Kui Avery Griffithi tulemustest teada sai, asus ta puhastuskatseid läbi viima, püüdes selle isoleerida pneumokokkide täpne materjal, mis oli pärilik ja sisaldus nukleiinhapetes või täpsemalt nukleotiidid. DNA-d kahtlustati juba tugevalt selles, mida siis rahvasuus "transformeeriti" põhimõtted ", nii et Avery ja teised testisid seda hüpoteesi, paljastades päriliku materjali a mitmesuguseid aineid. Need olid teadaolevalt DNA terviklikkust hävitavad, kuid valkudele või DNA-le kahjutud, mida nimetatakse DNAaasideks - piisav suurtes kogustes, et takistada tunnuste edasikandumist ühelt bakteripõlvkonnalt järgmine. Vahepeal proteiine lahti harutavad proteaasid ei teinud sellist kahju.
Avery ja Griffithi töö koju kaasa võtmise sõnum on see, et jällegi, kuigi selliseid inimesi nagu Watson ja Crick on kaastöö eest õigustatult kiidetud molekulaargeneetika osas oli DNA struktuuri loomine tegelikult üsna hiline panus selle suurejoonelise molekuli tundmaõppimisse.
DNA struktuur
Chargaff, ehkki ta ilmselgelt ei kirjeldanud täielikult DNA struktuuri, näitas seda aastal Lisaks (A + G) = (C + T) olid kaks DNA-sse teadaolevalt sisalduvat ahelat alati sama kaugusega peale. See viis postulaadini, et puriinid (sealhulgas A ja G) alati seotud pürimidiinid (kaasa arvatud C ja T) DNA-s. Sellel oli kolmemõõtmeline tähendus, sest puriinid on pürimidiinidest tunduvalt suuremad, samas kui kõik puriinid on põhimõtteliselt sama suurusega ja kõik pürimidiinid on põhimõtteliselt sama suurusega. See tähendab, et kaks omavahel seotud puriini võtaksid DNA-ahelate vahel oluliselt rohkem ruumi kui kaks pürimidiini ja et puriini-pürimidiini paaristamine tarbiks sama palju ruumi. Kogu selle teabe esitamine eeldas, et A seonduks T-ga ja ainult temaga ning et C ja G puhul oleks sama suhe, kui see mudel peaks osutuma edukaks. Ja on.
Alused (rohkem neist hiljem) seonduvad üksteisega DNA molekuli sisemuses nagu redelipulgad. Aga kuidas on lood kiududega või "külgedega" endaga? Watsoni ja Crickiga töötav Rosalind Franklin eeldas, et see "selgroog" on valmistatud suhkrust (täpsemalt pentoossuhkur või viie aatomilise tsükliga struktuur) ja fosfaatrühm, mis ühendab neid suhkrud. Äsja selgitatud idee baaside sidumisest teadvustasid Franklin ja teised, et need kaks DNA-ahelat ühes molekulis olid "komplementaarsed" või tegelikult üksteise peegelpildid nende tasemel nukleotiidid. See võimaldas neil ennustada tahke täpsusega DNA keerdunud vormi ligikaudset raadiust ja röntgendifraktsioonanalüüs kinnitas spiraalset struktuuri. Idee, et heeliks oli topeltheeliks, oli viimane oluline detail DNA struktuuri kohta, mis 1953. aastal paika loksus.
Nukleotiidid ja lämmastikalused
Nukleotiidid on DNA korduvad alaühikud, mis on vastupidine väide, et DNA on nukleotiidide polümeer. Iga nukleotiid koosneb suhkrust, mida nimetatakse desoksüriboosiks ja mis sisaldab ühe hapniku ja nelja süsiniku molekuliga viisnurkset tsüklistruktuuri. See suhkur on seotud fosfaatrühmaga ja sellest kohast kaks ringi mööda rõngast on see seotud ka lämmastikuga. Fosfaatrühmad ühendavad suhkrud omavahel, moodustades DNA selgroo, mille kaks ahelat keerlevad ümber seotud lämmastikuga raskete aluste kahekordse heeliksi keskel. Spiraal teeb ühe täieliku 360-kraadise keerdumise umbes iga 10 aluspaari kohta.
Ainult lämmastikualusega seotud suhkrut nimetatakse a nukleosiid.
RNA (ribonukleiinhape) erineb DNA-st kolmel põhilisel viisil: Esiteks asendatakse tümiin pürimidiinuratsiiliga. Teiseks, pentoosisuhkur on pigem riboos kui desoksüriboos. Ja kolm, RNA on peaaegu alati üheahelaline ja mitmel kujul, mille arutelu jääb selle artikli raamidest välja.
DNA replikatsioon
Kui koopiate tegemise aeg saabub, on DNA lahti ühendatud kahes täiendavas ahelas. Kui see juhtub, moodustatakse tütarahelad üksikvanemate kiudude ääres. Üks selline tütarahel moodustub ensüümi toimel pidevalt üksikute nukleotiidide lisamise teel DNA polümeraas. See süntees toimub lihtsalt DNA algahelate eraldamise suunas. Teine tütarahel moodustub väikestest polünukleotiididest, mida nimetatakse Okazaki killud mis moodustuvad tegelikult vanemahelate lahtihakkamise vastassuunas ja ühendatakse seejärel ensüümi abil DNA ligaas.
Kuna kaks tütarahelat on ka teineteist täiendavad, ühenduvad nende alused lõpuks, moodustades kaheahelalise DNA molekuli, mis on identne vanemaga.
Bakterites, mis on üherakulised ja mida nimetatakse prokarüootideks, istub bakteri DNA (nimetatakse ka selle genoomiks) üks koopia tsütoplasmas; tuuma pole. Mitmerakulistes eukarüootsetes organismides leidub DNA tuumas kromosoomide kujul, mis on väga keerdunud, poolitud ja ruumiliselt kondenseerunud DNA molekulid, mille pikkus on vaid miljonid meetrid, ja valgud helistas histoonid. Mikroskoopilisel uurimisel on kromosoomiosad, millel on vahelduvad histooni "poolid" ja lihtsad DNA ahelaid (sellel organisatsiooni tasemel nimetatakse kromatiiniks) võrreldakse sageli helmestega a string. Osa eukarüootset DNA-d leidub ka nn rakkude organellides mitokondrid.