DNA-molekyylien merkitys

DNA on yksi harvoista kirjainyhdistelmistä tieteellisen tieteenalan ytimessä, joka näyttää herättävän a merkittävä ymmärrysaste myös ihmisillä, joilla on vähän elinikäistä altistumista biologialle tai tieteille yleinen. Useimmat aikuiset, jotka kuulevat lauseen "Se on hänen DNA: ssaan", tunnistavat heti, että tietty ominaisuus on erottamaton kuvattavasta; että ominaisuus on jotenkin synnynnäinen, ei koskaan katoa ja että se voidaan siirtää kyseisen henkilön lapsille ja muualle. Tämä näyttää paikkansa jopa niiden mielessä, joilla ei ole aavistustakaan, mitä "DNA" edes tarkoittaa, mikä on "deoksiribonukleiinihappo".

Ihmisiä on ymmärrettävästi kiehtonut ajatus periä piirteet vanhemmiltaan ja siirtää omat piirteensä jälkeläisilleen. On luonnollista, että ihmiset pohtivat omaa biokemiallista perintöään, vaikka vain harvat voisivat kuvitella sitä niin muodollisesti. Tunnustamista siitä, että jokaisen meistä sisällä olevat pienet näkymättömät tekijät hallitsevat ihmisten lasten ulkonäköä ja jopa käyttäytymistä, on ollut läsnä satoja vuosia. Mutta vasta 1900-luvun puolivälissä nykyaikainen tiede paljasti loistavasti yksityiskohtaisesti paitsi mitä perinnöstä vastaavat molekyylit olivat myös, miltä ne näyttivät.

Deoksiribonukleiinihappo on todellakin geneettinen suunnitelma, jota kaikki elävät olennot soluissaan, ainutlaatuinen mikroskooppinen sormenjälki, joka ei vain tee jokaisesta ihmisestä kirjaimellinen ainutlaatuinen yksilö (identtiset kaksoset lukuun ottamatta nykyisiä tarkoituksia), mutta paljastaa paljon elintärkeää tietoa jokaisesta ihmisestä, todennäköisyys olla yhteydessä toiseen tiettyyn henkilöön mahdollisuuteen kehittää tietty sairaus myöhemmin elämässä tai välittää tällainen tauti tulevaisuuteen sukupolvien ajan. DNA: sta on tullut paitsi molekyylibiologian ja koko biotieteen luonnollinen keskipiste, myös olennainen osa rikosteknistä tiedettä ja biologista tekniikkaa.

James Watsonille ja Francis Crickille (ja harvemmin Rosalind Franklinille ja Maurice Wilkinsille) on myönnetty laajalti DNA: n löytäminen vuonna 1953. Tämä käsitys on kuitenkin virheellinen. Kriittisesti nämä tutkijat todellakin todistivat, että DNA on kolmiulotteisessa muodossa a: n muodossa kaksoiskierre, joka on olennaisesti tikkaat, jotka on kierretty eri suuntiin molemmista päistä spiraalin luomiseksi muoto. Mutta nämä päättäväiset ja usein juhlistetut tiedemiehet rakensivat "vain" biologien huolellista työtä, joka ponnisteli etsimään samaa yleistä tietoa jo 1860-luvulla, kokeita, jotka olivat aivan yhtä uraauurtavia itsessään kuin Watson, Crick ja muut toisen maailmansodan jälkeisessä tutkimuksessa aikakausi.

Vuonna 1869, 100 vuotta ennen ihmisten matkustamista kuuhun, sveitsiläinen kemisti nimeltä Friedrich Miescher yritti uutetaan proteiinikomponentit leukosyyteistä (valkosoluista) niiden koostumuksen ja toiminto. Mitä hän sen sijaan poimi, hän kutsui "nukleiiniksi", ja vaikka häneltä puuttui tarvittavat välineet oppiakseen, mitä tulevat biokemistit olisivat oppiakseen hän havaitsi nopeasti, että tämä "nukleiini" liittyi proteiineihin, mutta ei itse ollut proteiini, että se sisälsi epätavallista fosfori ja että tämä aine oli vastustuskykyinen hajoamiselle samojen kemiallisten ja fysikaalisten tekijöiden proteiineja.

Voi kulua yli 50 vuotta, ennen kuin Miescherin työn todellinen merkitys alkoi ilmetä. 1900-luvun toisella vuosikymmenellä venäläinen biokemisti Phoebus Levene ehdotti ensimmäisenä se, mitä me kutsumme nykyään nukleotideiksi, koostui sokeriosasta, fosfaattiosasta ja emäksestä osa; että sokeri oli riboosi; ja että nukleotidien väliset erot johtuivat niiden emästen välisistä eroista. Hänen "polynukleotidimallissa" oli joitain puutteita, mutta päivän mittapuiden mukaan se oli huomattavasti tavoiteltu.

Vuonna 1944 Oswald Avery ja hänen kollegansa Rockefellerin yliopistossa olivat ensimmäisiä tunnettuja tutkijoita, jotka ehdottivat virallisesti, että DNA koostui perinnöllisistä yksiköistä tai geeneistä. Itävallan tiedemies Erwin Chargaff teki heidän ja Levene-työn seurannassa kaksi keskeistä löytöä: yksi, että DNA: n nukleotidien sekvenssi vaihtelee organismilajien välillä, toisin kuin Leveneellä oli ehdotettu; ja kaksi, että missä tahansa organismissa typpiemästen adeniinin (A) ja guaniinin (G) kokonaismäärä Yhdistetty lajeista riippumatta oli käytännössä aina sama kuin sytosiinin (C) ja tymiini (T). Tämä ei johtanut Chargaffiin johtopäätökseen, että A-parit T: n ja C: n kanssa parit G: n kanssa kaikissa DNA: ssa, mutta se auttoi myöhemmin tukemaan muiden tekemää johtopäätöstä.

Lopuksi, vuonna 1953 Watson ja hänen kollegansa, jotka hyötyivät kolmiulotteisten kemiallisten rakenteiden nopeasti parantavista tavoista, asettivat kaikki Nämä havainnot yhdessä ja kartonkimallit osoittivat, että kaksoiskierre sopii kaikkeen, mikä tiedettiin DNA: sta, millään tavalla voisi.

DNA tunnistettiin perinnölliseksi aineeksi elävissä asioissa hyvissä ajoin ennen sen rakenteen selkeyttämistä ja usein kokeellisessa tieteessä, tämä tärkeä löytö oli tosiasiallisesti satunnainen tutkijoiden päähenkilölle tarkoitus.
Ennen antibioottihoidon syntymistä 1930-luvun lopulla tartuntataudit vaativat paljon enemmän ihmishenkiä kuin he tehdä tänään, ja vastuussa olevien organismien mysteerien selvittäminen oli kriittinen tavoite mikrobiologisessa tutkimuksessa. Vuonna 1913 edellä mainittu Oswald Avery aloitti työn, joka paljasti lopulta korkean polysakkaridin (sokeri) pitoisuus pneumokokkiryhmän bakteerilajeissa, jotka oli eristetty keuhkokuumeesta potilaille. Avery esitti, että nämä stimuloivat vasta-ainetuotantoa tartunnan saaneilla ihmisillä. Samaan aikaan Englannissa William Griffiths suoritti työtä, joka osoitti, että yhden tyyppisiä sairauksia aiheuttavat kuolleet komponentit pneumokokki voitaisiin sekoittaa vaarattoman pneumokokin elävien komponenttien kanssa ja tuottaa aikaisemmin vaaraton laji; tämä osoitti, että kaikki, mikä siirtyi kuolleista eläviin bakteereihin, oli perinnöllistä.

Kun Avery sai tietää Griffithin tuloksista, hän ryhtyi suorittamaan puhdistuskokeita pyrkien eristämään tarkka materiaali pneumokokkeissa, joka oli perinnöllistä ja sisälsi nukleiinihappoja, tai tarkemmin sanottuna nukleotidit. DNA: ta epäiltiin jo voimakkaasti siitä, että sillä oli niin sanottuja "transformaatioita" periaatteet ", joten Avery ja muut testasivat tätä hypoteesia altistamalla perinnöllisen materiaalin a erilaisia ​​aineita. Ne, joiden tiedetään olevan tuhoavia DNA: n eheydelle, mutta vaarattomia proteiineille tai DNA: lle, kutsutaan DNAaaseiksi - riittävät suurina määrinä estämään ominaisuuksien siirtymisen yhdestä bakteerisukupolvesta Seuraava. Samaan aikaan proteiinit hajottavat proteaasit eivät aiheuttaneet tällaista vahinkoa.

Averyn ja Griffithin työn kotiin viemisen viesti on jälleen, että vaikka Watsonin ja Crickin kaltaisia ​​ihmisiä on ylistetty oikeutetusti heidän panoksestaan molekyyligenetiikkaan DNA: n rakenteen luominen oli itse asiassa melko myöhäinen panos tämän upean molekyylin oppimisprosessiin.

Vaikka hän ei ilmeisesti kuvannut DNA: n rakennetta kokonaisuudessaan, Chargaff osoitti sen vuonna (A + G) = (C + T): n lisäksi DNA: n tiedetään sisältävän kaksi säiettä aina samalla etäisyydellä toisistaan. Tämä johti siihen postulaattiin puriinit (mukaan lukien A ja G) aina sidottu pyrimidiinit (mukaan lukien C ja T) DNA: ssa. Tällä oli kolmiulotteinen merkitys, koska puriinit ovat huomattavasti suurempia kuin pyrimidiinit, kun taas kaikki puriinit ovat olennaisesti samankokoisia ja kaikki pyrimidiinit ovat olennaisesti samankokoisia. Tämä tarkoittaa, että kaksi toisiinsa sitoutunutta puriinia vievät huomattavasti enemmän tilaa DNA-säikeiden välillä kuin kaksi pyrimidiiniä, ja myös se, että mikä tahansa puriini-pyrimidiinipari kuluttaa saman määrän tilaa. Kaikkien näiden tietojen asettaminen vaati, että A sitoutuu T: hen ja vain siihen ja että sama suhde pätee myös C: lle ja G: lle, jos tämän mallin pitäisi osoittautua onnistuneeksi. Ja sillä on.

Emäkset (enemmän näistä myöhemmin) sitoutuvat toisiinsa DNA-molekyylin sisäpuolella, kuten tikkaat. Mutta entä säikeet tai "sivut" itse? Watsonin ja Crickin kanssa työskentelevä Rosalind Franklin oletti, että tämä "selkäranka" on valmistettu sokerista (erityisesti pentoosisokeri tai yksi, jossa on viiden atomin rengasrakenne) ja fosfaattiryhmä, joka yhdistää sokereita. Äskettäin selkeytetyn ajatuksen perusteella pariliitoksen muodostamisesta Franklin ja muut saivat tietää, että nämä kaksi DNA-säiettä yksittäisessä molekyylissä olivat "komplementaarisia" tai itse asiassa peilikuvia toisistaan ​​niiden tasolla nukleotidit. Tämä antoi heille mahdollisuuden ennustaa DNA: n kiertyneen muodon likimääräinen säde kiinteällä tarkkuudella, ja röntgendiffraktioanalyysi vahvisti kierukkarakenteen. Ajatus siitä, että kierukka oli kaksinkertainen kierre, oli viimeinen tärkeä yksityiskohta DNA: n rakenteesta, joka putosi paikalleen vuonna 1953.

Nukleotidit ovat DNA: n toistuvia alayksiköitä, mikä päinvastoin sanoo DNA: n olevan nukleotidien polymeeri. Jokainen nukleotidi koostuu sokerista, jota kutsutaan deoksiriboosiksi, joka sisältää viisikulmaisen rengasrakenteen, jossa on yksi happi- ja neljä hiilimolekyyliä. Tämä sokeri on sitoutunut fosfaattiryhmään, ja kaksi paikkaa rengasta pitkin tästä asennosta, se on myös sitoutunut typpipitoiseen emäkseen. Fosfaattiryhmät yhdistävät sokerit yhteen muodostaen DNA-rungon, jonka kaksi säiettä kiertyvät sitoutuneiden typpipitoisten emästen ympärillä kaksoiskierteen keskellä. Kierukka tekee yhden täydellisen 360 asteen kierteen noin kerran 10 emäsparin kohdalla.

Sokeria, joka on sitoutunut vain typpipohjaiseen emäkseen, kutsutaan a nukleosidia.

RNA (ribonukleiinihappo) eroaa DNA: sta kolmella avaintavalla: Yksi, pyrimidiiniurasiili korvataan tymiinillä. Kaksi, pentoosisokeri on riboosi eikä deoksiriboosi. Ja kolme, RNA on melkein aina yksisäikeinen ja sitä on useita muotoja, joista keskustelu on tämän artikkelin ulkopuolella.

DNA "puretaan" kahteen komplementaariseen säikeeseen, kun on aika tehdä kopioita. Kun näin tapahtuu, tytärjuovat muodostuvat yksinhuoltajanauhojen varrelle. Yksi tällainen tytärjuoste muodostuu jatkuvasti lisäämällä yksittäisiä nukleotideja entsyymin vaikutuksesta DNA-polymeraasi. Tämä synteesi seuraa yksinkertaisesti emo-DNA-juosteiden erottamisen suuntaan. Toinen tytärjuoste muodostuu pienistä polynukleotideista, joita kutsutaan Okazaki-fragmentit jotka tosiasiallisesti muodostuvat vastakkaiseen suuntaan vanhempien säikeiden purkamiseen ja entsyymi yhdistää ne sitten toisiinsa DNA-ligaasi.

Koska kaksi tytärsäikeä ovat myös toisiaan täydentäviä, niiden emäkset sitoutuvat lopulta muodostamaan kaksijuosteinen DNA-molekyyli, joka on identtinen emomolekyylin kanssa.

Bakteereissa, jotka ovat yksisoluisia ja joita kutsutaan prokaryooteiksi, yksi kopio bakteerin DNA: sta (jota kutsutaan myös sen genomiksi) istuu sytoplasmassa; ydintä ei ole läsnä. Monisoluisissa eukaryoottisissa organismeissa DNA löytyy ytimestä kromosomien muodossa, jotka ovat erittäin kelatut, puolatut ja avaruuteen tiivistetyt DNA-molekyylit, jotka ovat vain miljoonasosaa metriä, ja proteiinit olla nimeltään histonit. Mikroskooppisessa tutkimuksessa kromosomiosat, jotka osoittavat histonin "keloja" ja yksinkertaisia DNA-säikeitä (kutsutaan kromatiiniksi tällä organisaation tasolla) verrataan usein helmiin a merkkijono. Joitakin eukaryoottisia DNA: ta löytyy myös nimettyjen solujen organelleista mitokondrioita.