Važnost molekula DNA

DNA je jedna od rijetkih kombinacija slova u jezgri znanstvene discipline koja kao da pokreće značajna razina razumijevanja čak i kod ljudi s malo životne izloženosti biologiji ili znanostima u Hrvatskoj Općenito. Većina odraslih koji čuju frazu "U njezinoj je DNK" odmah prepoznaju da je određena osobina neodvojiva od osobe koja se opisuje; da je karakteristika nekako urođena, da nikada ne nestaje i da je sposobna prenijeti se na djecu te osobe i šire. Čini se da ovo vrijedi čak i u umovima onih koji nemaju pojma što uopće znači "DNA", a to je "deoksiribonukleinska kiselina".

Ljudi su razumljivo fascinirani konceptom nasljeđivanja osobina od roditelja i prenošenja vlastitih osobina na svoje potomstvo. Prirodno je da ljudi razmišljaju o vlastitom biokemijskom nasljeđu, čak iako to malo tko može zamisliti u takvim formalnim uvjetima. Prepoznavanje da sitni nevidljivi čimbenici u svakome od nas upravljaju načinom na koji djeca ljudi izgledaju i čak se ponašaju sigurno je prisutno već stotinama godina. No tek sredinom 20. stoljeća moderna je znanost sjajno detaljno otkrila ne samo kakve su molekule odgovorne za nasljeđivanje, već i kako su izgledale.

Deoksiribonukleinska kiselina doista je genetski nacrt koji sva živa bića održavaju u svojim stanicama, jedinstveni mikroskopski otisak prsta koji ne čini samo svakog čovjeka doslovna jedinstvena osoba (jednojajčani blizanci izuzeti za sadašnje svrhe), ali otkrivaju puno vitalnih podataka o svakoj osobi, od vjerojatnost povezanosti s drugom određenom osobom i šanse za razvoj određene bolesti kasnije u životu ili prenošenje takve bolesti u budućnost generacije. DNA je postala ne samo prirodna središnja točka molekularne biologije i znanosti o životu u cjelini, već i sastavni dio forenzičke znanosti i biološkog inženjerstva.

James Watson i Francis Crick (a rjeđe Rosalind Franklin i Maurice Wilkins) široko su zaslužni za otkriće DNA 1953. godine. Ta je percepcija, međutim, pogrešna. Kritično je da su ovi istraživači zapravo utvrdili da DNA postoji u trodimenzionalnom obliku u obliku dvostruka zavojnica, koja je u osnovi ljestve uvijene u različitim smjerovima na oba kraja kako bi se stvorila spirala oblik. Ali ovi odlučni i često proslavljeni znanstvenici "samo" su se nadovezali na mukotrpan rad biologa koji su se mučili u potrazi za istim općim informacijama još davne 1860-ih, eksperimenti koji su bili sami po sebi jednako revolucionarni kao i Watson, Crick i drugi u istraživanjima nakon Drugog svjetskog rata doba.

1869. godine, 100 godina prije nego što će ljudi otputovati na Mjesec, švicarski kemičar po imenu Friedrich Miescher to je želio ekstrahirati proteinske komponente iz leukocita (bijelih krvnih stanica) kako bi se odredio njihov sastav i funkcija. Ono što je umjesto toga izvadio nazvao je "nuklein", i premda mu je nedostajalo instrumenata potrebnih da bi naučio što će biti budući biokemičari uspio naučiti, brzo je shvatio da je ovaj "nuklein" povezan s proteinima, ali sam po sebi nije protein, da sadrži neobičan količinu fosfora i da je ta tvar otporna na razgradnju istim kemijskim i fizikalnim čimbenicima koji su razgradili bjelančevine.

Prošlo je više od 50 godina prije nego što se prva važnost Miescherovog djela pokazala. U drugom desetljeću 1900-ih, ruski biokemičar, Phoebus Levene, prvi je predložio ono što danas nazivamo nukleotidima sastojalo se od dijela šećera, dijela fosfata i baze dio; da je šećer bio riboza; te da su razlike između nukleotida dugovane razlikama između njihovih baza. Njegov model "polinukleotida" imao je nekoliko nedostataka, ali po tadašnjim standardima bio je izvanredno na meti.

1944. Oswald Avery i njegovi kolege sa Sveučilišta Rockefeller bili su prvi poznati istraživači koji su formalno sugerirali da se DNK sastoji od nasljednih jedinica ili gena. Prateći njihov rad, kao i Leveneov, austrijski znanstvenik Erwin Chargaff napravio je dva ključna otkrića: jedan, da se slijed nukleotida u DNA razlikuje između vrsta organizama, suprotno onome što je Levene imao zaprosio; i dva, da u bilo kojem organizmu ukupna količina dušičnih baza adenin (A) i gvanin (G) kombinirano, bez obzira na vrstu, bilo je gotovo uvijek jednako ukupnoj količini citozina (C) i timin (T). To Chargaffa nije baš navelo da zaključi da se A parovi s T i C pare s G u cijeloj DNA, ali je kasnije pomoglo potkrijepiti zaključak do kojeg su došli drugi.

Napokon, 1953. Watson i njegovi kolege, koji su imali koristi od brzog poboljšanja načina vizualizacije trodimenzionalnih kemijskih struktura, stavili su sve ta su otkrića zajedno koristila kartonske modele kako bi ustanovila da dvostruka zavojnica pristaje svemu što se o DNK znalo na neki način mogli.

DNA je identificirana kao nasljedni materijal u stvarima koje žive prije nego što je razjašnjena njegova struktura, i kao često slučaj u eksperimentalnoj znanosti, ovo je vitalno otkriće zapravo bilo sporedno glavnom istraživaču Svrha.
Prije nego što se krajem 1930-ih pojavila antibiotska terapija, zarazne su bolesti odnijele mnogo više ljudskih života od njih danas, a razotkrivanje tajni odgovornih organizama bio je presudan cilj u mikrobiološkim istraživanjima. 1913. spomenuti Oswald Avery započeo je rad koji je u konačnici otkrio visok polisaharid Sadržaj (šećera) u kapsulama pneumokoknih bakterijskih vrsta, koje su izolirane od upale pluća bolesnika. Avery je teoretizirao da su ona stimulirala proizvodnju antitijela u zaraženih ljudi. U međuvremenu je u Engleskoj William Griffiths izvodio posao koji je pokazao da mrtve komponente jedne vrste uzrokuju bolesti pneumokok se mogao miješati sa živim komponentama neškodljivog pneumokoka i stvoriti nekadašnji oblik koji uzrokuje bolest bezazlena vrsta; to je dokazalo da je ono što se premjestilo iz mrtvih u žive bakterije nasljeđivalo.

Kad je Avery saznao za Griffithove rezultate, počeo je provoditi eksperimente pročišćavanja nastojeći izolirati precizan materijal u pneumokocima koji je bio nasljedan i smješten na nukleinske kiseline, ili preciznije, nukleotidi. Za DNK se već sumnjalo da ima ono što se tada popularno nazivalo "transformiranjem" principa ", pa su Avery i drugi testirali ovu hipotezu izlažući nasljedni materijal a raznolikost sredstava. Oni za koje se zna da su razorni za integritet DNA, ali bezopasni za proteine ​​ili DNA, zvani DNAaze, bili su dovoljno u velikim količinama da spriječi prijenos svojstava s jedne generacije bakterija na Sljedeći. U međuvremenu, proteaze, koje raspetljavaju proteine, nisu nanijele takvu štetu.

Poruka Averyjeva i Griffithova djela za uzimanje kuće je ta da su, opet, dok su ljudi kao što su Watson i Crick s pravom pohvaljeni za njihov doprinos molekularnoj genetici, uspostavljanje strukture DNA zapravo je bio prilično kasni doprinos procesu učenja o ovoj spektakularnoj molekuli.

Chargaff, iako očito nije u potpunosti opisao strukturu DNA, pokazao je da je to u uz (A + G) = (C + T), dva lanca za koja se zna da su uključeni u DNA uvijek su bila na istoj udaljenosti odvojeno. To je dovelo do postulata da purini (uključujući A i G) uvijek vezani za pirimidini (uključujući C i T) u DNA. To je imalo trodimenzionalni smisao, jer su purini znatno veći od pirimidina, dok su svi purini u osnovi iste veličine, a svi pirimidini u osnovi iste veličine. To implicira da bi dvije purine povezane zajedno zauzimale znatno više prostora između DNA lanaca nego dva pirimidina, a također da bi bilo koje dano udruživanje purin-pirimidin pojelo istu količinu prostor. Stavljanje svih ovih podataka zahtijevalo je da se A veže i samo za T i da isti odnos vrijedi za C i G ako se ovaj model pokaže uspješnim. I jeste.

Baze (o njima više kasnije) međusobno se vežu u unutrašnjosti molekule DNA, poput prečnika u ljestvama. Ali što je sa samim nitima ili "stranama"? Rosalind Franklin, surađujući s Watsonom i Crickom, pretpostavila je da je ta "okosnica" napravljena od šećera (posebno pentozni šećer ili onaj s petomatomnom prstenastom strukturom) i fosfatna skupina koja povezuje šećera. Zbog novorazjašnjene ideje o uparivanju baza, Franklin i ostali postali su svjesni da su ta dva lanca DNA u jednoj molekuli bili su "komplementarni" ili su zapravo međusobno zrcalne slike na razini njihovih molekula nukleotidi. To im je omogućilo predviđanje približnog radijusa uvijenog oblika DNA unutar solidnog stupnja točnosti, a analiza difrakcije X-zraka potvrdila je spiralnu strukturu. Ideja da je spirala dvostruka bila je posljednji glavni detalj o strukturi DNA koji je sjeo na svoje mjesto, 1953. godine.

Nukleotidi su ponavljajuće podjedinice DNA, što je suprotno od toga da se kaže da je DNA polimer nukleotida. Svaki se nukleotid sastoji od šećera nazvanog deoksiriboza koji sadrži petougaonu prstenastu strukturu s jednom molekulom kisika i četiri molekule ugljika. Ovaj šećer vezan je za fosfatnu skupinu, a dva mjesta duž prstena iz ovog položaja vezan je i za dušičnu bazu. Fosfatne skupine povezuju šećere zajedno tvoreći DNA okosnicu, čija se dva lanca uvijaju oko vezanih baza teških dušikom u sredini dvostruke zavojnice. Zavojnica čini jedan potpuni zaokret od 360 stupnjeva otprilike jednom na 10 osnovnih parova.

Šećer vezan samo za dušikovu bazu naziva se a nukleozid.

RNA (ribonukleinska kiselina) razlikuje se od DNA na tri ključna načina: Jedan, pirimidin uracil zamijenjen je s timinom. Drugo, pentozni šećer je riboza, a ne deoksiriboza. I treće, RNA je gotovo uvijek jednolančana i dolazi u više oblika, o čemu rasprava izvan opsega ovog članka.

DNA se "raspakira" u svoja dva komplementarna lanca kada dođe vrijeme za izradu kopija. Kako se to događa, kćerke se stvaraju duž samohranih roditelja. Jedan takav kćerni lanac kontinuirano nastaje dodavanjem pojedinačnih nukleotida, pod djelovanjem enzima DNA polimeraza. Ova sinteza jednostavno slijedi smjer razdvajanja matičnih DNA lanaca. Drugi kćerni lanac formira se iz malih polinukleotida tzv Okazaki ulomci koji se zapravo stvaraju u suprotnom smjeru od otvaranja matičnih niti, a zatim ih enzim spaja DNA ligaza.

Budući da su dvije kćerne niti međusobno komplementarne, njihove baze se na kraju povezuju da bi stvorile dvolančanu molekulu DNA identičnu matičnoj.

U bakterijama, koje su jednoćelijske i nazivaju se prokarioti, jedna kopija DNA bakterije (koja se naziva i njezin genom) nalazi se u citoplazmi; nije prisutna jezgra. U višećelijskim eukariotskim organizmima DNA se nalazi u jezgri u obliku kromosoma koji su visoko smotane, namotane i prostorno zgusnute molekule DNA duge samo milijunti dijelovi metra i proteini pozvao histoni. Pri mikroskopskom pregledu dijelovi kromosoma koji pokazuju izmjenične histonske "kaleme" i jednostavni lanci DNA (na ovoj razini organizacije nazvani kromatin) često se uspoređuju s kuglicama na niz. Dio eukariotske DNA nalazi se i u organelama stanica tzv mitohondrije.