דנ"א הוא אחד משילובי האותיות הבודדים שביסוד הדיסציפלינה המדעית שנדמה כי הם מעוררים א רמת הבנה משמעותית גם בקרב אנשים עם מעט חשיפה לכל החיים לביולוגיה או למדעים כללי. רוב המבוגרים ששומעים את הביטוי "זה בדנ"א שלה" מזהים מיד שתכונה מסוימת אינה נפרדת מהמתואר; שהמאפיין איכשהו נולד, לעולם אינו נעלם ומסוגל להיות מועבר לילדי אותו אדם ומעבר לו. נראה כי הדבר נכון גם במוחם של אלו שאין להם מושג עבור מה בכלל "DNA" מייצג, שהוא "חומצה דאוקסיריבונוקלאית".
בני אדם מרתקים באופן מובן מהתפיסה של בירושה תכונות מהוריהם והעברת התכונות שלהם לצאצאיהם. זה טבעי רק שאנשים יהרהרו על המורשת הביוכימית שלהם, גם אם מעטים יכולים לדמיין זאת במונחים רשמיים כאלה. ההכרה שגורמים זעירים שלא נראים בתוך כל אחד מאיתנו שולטים כיצד ילדיהם נראים ואף מתנהגים קיימת בוודאי זה מאות רבות של שנים. אך רק באמצע המאה העשרים המדע המודרני גילה בפירוט מפואר לא רק מה היו המולקולות האחראיות לירושה, אלא גם איך הן נראות.
חומצה דאוקסיריב-גרעינית היא אכן התוכנית הגנטית שכל היצורים החיים שומרים בתאים שלהם, טביעת אצבע מיקרוסקופית ייחודית שלא רק הופכת כל אדם אדם מיוחד במינו מילולי (תאומים זהים למעט היעדים הנוכחיים) אך חושף מידע רב וחיוני על כל אדם, הסבירות להיות קשורה לאדם ספציפי אחר לסיכוי לפתח מחלה נתונה בשלב מאוחר יותר בחיים או להעביר מחלה כזו לעתיד דורות. דנ"א הפך לא רק לנקודה המרכזית הטבעית של הביולוגיה המולקולרית ושל מדעי החיים בכללותם, אלא גם למרכיב בלתי נפרד ממדע פלילי והנדסה ביולוגית.
גילוי ה- DNA
ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק (ופחות נפוץ, רוזלינד פרנקלין ומוריס וילקינס) זוכים לרבים לגילוי ה- DNA בשנת 1953. תפיסה זו, לעומת זאת, שגויה. באופן קריטי, חוקרים אלה אכן קבעו כי ה- DNA קיים בצורה תלת מימדית בצורת a סליל כפול, שהוא למעשה סולם המעוות בכיוונים שונים בשני קצותיו כדי ליצור ספירלה צוּרָה. אך המדענים הנחושים והנחגגים הללו בונים "רק" על עבודתם המאומצת של ביולוגים שעמלו בחיפוש אחר אותו מידע כללי. עוד בשנות ה -60 של המאה ה -20 ניסויים שהיו פורצי דרך בדיוק בפני עצמם כמו של ווטסון, קריק ואחרים במחקר שלאחר מלחמת העולם השנייה. תְקוּפָה.
בשנת 1869, 100 שנה לפני שבני האדם היו נוסעים לירח, ביקש כימאי שוויצרי בשם פרידריך מישר לחלץ את רכיבי החלבון מלויקוציטים (תאי דם לבנים) כדי לקבוע את הרכבם פוּנקצִיָה. את מה שהוא חילץ במקום כינה "נוקליין", ולמרות שהיה חסר לו המכשירים הדרושים כדי ללמוד מה יהיו ביוכימאים עתידיים מסוגל ללמוד, הוא הבחין במהירות ש"נוקלין "זה קשור לחלבונים אך אינו בעצמו חלבון, שהוא מכיל חומר יוצא דופן כמות הזרחן, וכי חומר זה עמיד בפני פירוק על ידי אותם גורמים כימיים ופיזיקליים שהתפרקו חלבונים.
יעברו למעלה מ -50 שנה עד שתתגלה לראשונה החשיבות האמיתית של עבודתו של מישר. בעשור השני של המאה העשרים היה ביוכימאי רוסי, פיבוס לבנה, הראשון שהציע זה, מה שאנו מכנים נוקליאוטידים בימינו, כלל חלק סוכר, חלק פוספט ובסיס חֵלֶק; שהסוכר היה ריבוז; וכי ההבדלים בין נוקלאוטידים היו חייבים להבדלים בין בסיסיהם. במודל ה"פולינוקלאוטיד "שלו היו כמה פגמים, אבל בסטנדרטים של היום, זה היה מטרה מדהימה.
בשנת 1944, אוסוולד אייברי ועמיתיו מאוניברסיטת רוקפלר היו החוקרים הידועים הראשונים שהציעו רשמית ש- DNA מורכב מיחידות תורשתיות, או גנים. במעקב אחר עבודתם כמו גם של לבנה, המדען האוסטרי ארווין צ'רגף גילה שתי תגליות מרכזיות: האחת, שרצף הנוקליאוטידים ב- DNA משתנה בין מיני אורגניזמים, בניגוד למה שהיה לוויין מוּצָע; ושניים, שבכל אורגניזם, הכמות הכוללת של בסיסי החנקן אדנין (A) וגואנין (G) משולב, ללא קשר למינים, היה כמעט תמיד זהה לכמות הכוללת של ציטוזין (C) ו- תימין (T). זה לא ממש הביא את צ'רגף למסקנה שזוגות A עם T ו- C זוגות עם G בכל ה- DNA, אך מאוחר יותר זה עזר לחזק את המסקנה אליה הגיעו אחרים.
לבסוף, בשנת 1953, ווטסון ועמיתיו, שנהנו משיפור מהיר בדרכי הדמיה של מבנים כימיים תלת מימדיים, הציבו את כל ממצאים אלה יחד והשתמשו במודלים מקרטון כדי לקבוע כי סליל כפול מתאים לכל מה שהיה ידוע על ה- DNA בצורה אחרת הָיָה יָכוֹל.
DNA ותכונות תורשתיות
DNA זוהה כחומר התורשתי בדברים חיים הרבה לפני שהתברר מבנהו, וכמו לעתים קרובות המקרה במדע הניסוי, גילוי חיוני זה היה אגב העיקרי של החוקרים מַטָרָה.
לפני שהופיע טיפול אנטיביוטי בסוף שנות השלושים, מחלות זיהומיות גבו הרבה יותר ממנה לעשות היום, ולגלות את המסתורין של האורגניזמים האחראים הייתה מטרה קריטית במחקר המיקרוביולוגיה. בשנת 1913 החל אוסוולד אייברי הנ"ל לעבוד בעבודה שחשפה בסופו של דבר רב סוכר גבוה תוכן (סוכר) בכמוסות של מינים חיידקיים פנאומוקוקיים, אשר בודדו מדלקת ריאות חולים. תיאוריית Avery כי אלה מגרים ייצור נוגדנים אצל אנשים נגועים. בינתיים, באנגליה, ויליאם גריפיתס ביצע עבודות שהראו כי רכיבים מתים מסוג אחד של גורם למחלות ניתן לשלב פנאומוקוקוס עם המרכיבים החיים של פנאומוקוקוס בלתי מזיק ולייצר צורה גורמת למחלה של בעבר סוג לא מזיק; זה הוכיח שכל מה שעבר מהמתים לחיידקים החיים היה תורשתי.
כאשר נודע לאברי על תוצאותיו של גריפית ', הוא ניהל ניסויי טיהור במטרה לבודד את ה חומר מדויק בפנאומוקוקים שהיה תורשתי, ובו חומצות גרעין, או ליתר דיוק, נוקלאוטידים. דנ"א כבר היה חשוד מאוד שיש במה שנקרא אז פופולרי "טרנספורמציה עקרונות ", כך שאברי ואחרים בדקו השערה זו על ידי חשיפת החומר התורשתי ל מגוון סוכנים. אלה שנודעו כהרסניים לשלמות ה- DNA אך אינם מזיקים לחלבונים או ל- DNA, הנקראים DNAases, היו מספיק בכמויות גבוהות כדי למנוע העברת תכונות מדור חיידקים אחד ל הַבָּא. בינתיים, פרוטאזות, המפרקות חלבונים, לא גרמו נזק כזה.
המסר מהבית של עבודתם של אייברי וגריפית 'הוא ששוב, בעוד אנשים כמו ווטסון וקריק שיבחו בצדק על תרומתם. לגנטיקה מולקולרית, ביסוס מבנה ה- DNA היה תרומה די מאוחרת לתהליך הלמידה על מולקולה מרהיבה זו.
מבנה ה- DNA
צ'רגף, למרות שברור שהוא לא תיאר את מבנה ה- DNA במלואו, אכן הראה כי ב בנוסף ל- (A + G) = (C + T), שני הגדילים הידועים כלולים ב- DNA היו תמיד באותו מרחק מלבד. זה הוביל להנחה פורינים (כולל A ו- G) קשורים תמיד ל פירימידינים (כולל C ו- T) ב- DNA. זה היה הגיוני בתלת מימד, מכיוון שפורינים גדולים במידה ניכרת מפירמידינים, בעוד שכל הפורינים הם באותו גודל ובעצם כל אותם פירמידינים. זה מרמז על כך ששני פורינים הקשורים זה לזה יתפסו מקום רב יותר בין גדילי ה- DNA משני פירימידינים, וגם כי כל זיווג פורין-פירימידין נתון ייצרך את אותה כמות של מֶרחָב. לשם הצבת כל המידע הזה נדרש ש- A ייקשר ל- T, ורק ל- T, ושאותה מערכת יחסים תחול על C ו- G אם מודל זה יוכיח הצלחה. וזה היה.
הבסיסים (על כך בהמשך) נקשרים זה לזה בחלק הפנימי של מולקולת ה- DNA, כמו שלבים בסולם. אבל מה לגבי הגדילים, או ה"צדדים ", עצמם? רוזלינד פרנקלין, בעבודה עם ווטסון וקריק, הניחה ש"עמוד השדרה "הזה עשוי סוכר (במיוחד סוכר פנטוז, או אחד עם מבנה טבעת של חמישה אטומים) וקבוצת פוספט המקשרת בין סוכרים. בגלל הרעיון שהובהר לאחרונה של זיווג בסיסים, פרנקלין והאחרים התוודעו לשני גדילי ה- DNA במולקולה אחת היו "משלימים", או למעשה תמונות ראי זו של זו ברמה שלהן נוקלאוטידים. זה אפשר להם לחזות את הרדיוס המשוער של צורת ה- DNA המעוותת ברמת דיוק מוצקה, וניתוח עקיפה של רנטגן אישר את המבנה הסלילי. הרעיון שהסליל היה סליל כפול היה הפרט העיקרי האחרון לגבי מבנה ה- DNA שנפל על מקומו, בשנת 1953.
נוקליאוטידים ובסיסים חנקתיים
נוקליאוטידים הם יחידות המשנה החוזרות של ה- DNA, המהווה ההיפך באומרו כי ה- DNA הוא פולימר של נוקליאוטידים. כל נוקלאוטיד מורכב מסוכר הנקרא דאוקסיריבוז המכיל מבנה טבעתי מחומש עם חמצן אחד וארבע מולקולות פחמן. סוכר זה קשור לקבוצת פוספט, ושני נקודות לאורך הטבעת ממצב זה, הוא קשור גם לבסיס חנקני. קבוצות הפוספט קושרות את הסוכרים יחד ליצירת עמוד השדרה של ה- DNA, ששתי גדיליו מתפתלות סביב הבסיסים הכבדים של חנקן הנמצאים באמצע הסליל הכפול. הסליל עושה סיבוב שלם של 360 מעלות בערך פעם ב -10 זוגות בסיס.
סוכר הקשור רק לבסיס חנקני נקרא a נוקלאוזיד.
RNA (חומצה ריבונוקלאית) שונה מדנ"א בשלוש דרכים עיקריות: האחת, הפירימידין אורציל מוחלפת לתימין. שתיים, סוכר הפנטוז הוא ריבוז ולא דוקסיריבוז. ושלושה, RNA הוא כמעט תמיד חד-גדילי ומגיע במספר צורות, שהדיון בהן מעבר לתחום מאמר זה.
שכפול הדנ"א
דנ"א "נשלח" משני קווצותיו המשלימות כשמגיע זמן להכנת עותקים. כשזה קורה, נוצרים קווצות בת לאורך קווצות ההורה החד הוריות. קווצת בת כזו נוצרת ברציפות באמצעות תוספת של נוקלאוטידים בודדים, תחת פעולת האנזים פולימראז DNA. סינתזה זו פשוט עוקבת אחר כיוון ההפרדה של גדילי ה- DNA האב. קווצת הבת השנייה נוצרת מפולינוקליאוטידים קטנים הנקראים שברי אוקאזאקי שנוצרים למעשה בכיוון ההפוך של רוכסן של גדילי האב, ואז הם מחוברים יחד על ידי האנזים ליגאז DNA.
מכיוון ששתי גדילי הבת גם משלימים זה את זה, בסיסיהם נקשרים בסופו של דבר ויוצרים מולקולת DNA דו-גדילית זהה לזו ההורה.
בחיידקים, שהם תאים חד-תאיים ונקראים פרוקריוטים, עותק יחיד של ה- DNA של החיידק (הנקרא גם הגנום שלו) יושב בציטופלסמה; אין גרעין. באורגניזמים אוקריוטים רב-תאיים, ה- DNA נמצא בגרעין בצורה של כרומוזומים, שהם מולקולות DNA מפותלות, סלולות ומרוכזות במרחב, וחלבונים באורך מיליוניות בלבד שקוראים לו היסטונים. בבדיקה מיקרוסקופית, חלקי הכרומוזום המציגים היסטונים מתחלפים הם "סלילים" ופשוטים גדילי DNA (הנקראים כרומטין ברמה זו של ארגון) משווים לעיתים קרובות לחרוזים על חוּט. חלק מה- DNA האאוקריוטי נמצא גם באברונים של תאים הנקראים מיטוכונדריה.