DNR molekulių svarba

DNR yra viena iš nedaugelio raidžių kombinacijų, esančių mokslo disciplinoje, kuri, atrodo, sukelia a reikšmingas supratimo lygis net žmonėms, turintiems mažai biologijos ar gamtos mokslų generolas. Dauguma suaugusiųjų, išgirdę frazę „Tai jos DNR“, iš karto pripažįsta, kad tam tikras bruožas neatsiejamas nuo aprašomo asmens; kad savybė kažkaip įgimta, niekada neišnyksta ir gali būti perkelta to asmens vaikams ir už jos ribų. Panašu, kad tai galioja net tų, kurie neįsivaizduoja, ką reiškia „DNR“, tai yra „dezoksiribonukleino rūgštis“.

Žmonės suprantamai žavi savybių paveldėjimo iš tėvų samprata ir palikuonimis perduoda savo bruožus. Natūralu, kad žmonės apmąsto savo pačių biocheminį palikimą, net jei nedaugelis gali įsivaizduoti jį tokiais oficialiais terminais. Pripažinimas, kad mažyčiai nematyti veiksniai kiekviename iš mūsų lemia tai, kaip žmonių vaikai atrodo ir netgi elgiasi, tikrai egzistuoja daugelį šimtų metų. Tačiau tik 20 amžiaus viduryje šiuolaikinis mokslas šlovingai išsamiai atskleidė ne tik tai, kokios molekulės buvo atsakingos už paveldėjimą, bet ir kaip jos atrodė.

Dezoksiribonukleino rūgštis iš tikrųjų yra genetinis projektas, kurį visi gyviai palaiko savo ląstelėse, unikalus mikroskopinis pirštų atspaudas, kuris ne tik priverčia kiekvieną žmogų pažodinis vienintelis asmuo (identiški dvyniai, išskyrus dabartinius tikslus), tačiau atskleidžia daug gyvybinės informacijos apie kiekvieną asmenį, tikimybė būti susijusiam su kitu konkrečiu asmeniu su tikimybe susirgti tam tikra liga vėliau gyvenime arba perduoti tokią ligą ateityje kartos. DNR tapo ne tik natūraliu centriniu molekulinės biologijos ir viso gyvenimo mokslo tašku, bet ir neatsiejama teismo medicinos bei biologinės inžinerijos dalimi.

Jamesui Watsonui ir Francisui Crickui (o rečiau - Rosalindui Franklinui ir Maurice'ui Wilkinsui) plačiai priskiriama DNR atradimas 1953 m. Tačiau šis suvokimas yra klaidingas. Kritiniu požiūriu, šie tyrėjai iš tikrųjų nustatė, kad DNR egzistuoja trimatėje formoje a pavidalu dviguba spiralė, kuri iš esmės yra kopėčios, susuktos skirtingomis kryptimis abiejuose galuose, kad būtų sukurta spiralė figūra. Tačiau šie ryžtingi ir dažnai švenčiami mokslininkai „tik“ rėmėsi kruopščiu biologų darbu, kurie triūsė ieškodami tos pačios bendros informacijos dar 1860-aisiais eksperimentai, kurie buvo tokie patys novatoriški kaip Watsono, Cricko ir kitų po Antrojo pasaulinio karo tyrimai erą.

1869 m., Praėjus 100 metų prieš žmonėms keliaujant į mėnulį, to siekė šveicarų chemikas Friedrichas Miescheris išskirti baltymų komponentus iš leukocitų (baltųjų kraujo kūnelių), kad būtų nustatyta jų sudėtis ir funkcija. Tai, ką jis ištraukė, jis pavadino „nukleinu“ ir, nors jam trūko priemonių, reikalingų norint sužinoti, kokie bus būsimi biochemikai galėdamas išmokti, jis greitai suprato, kad šis „nukleinas“ buvo susijęs su baltymais, bet pats nebuvo baltymas, kad jame buvo neįprastas fosforo kiekį ir kad ši medžiaga buvo atspari skaidymui dėl tų pačių cheminių ir fizinių veiksnių, kurie baltymai.

Praėjo daugiau nei 50 metų, kol pirmą kartą paaiškėjo tikroji Miescherio kūrybos svarba. Antrame 1900-ųjų dešimtmetyje pirmasis Rusijos biochemikas Phoebus Levene pasiūlė tai, ką šiandien vadiname nukleotidais, sudarė cukraus dalis, fosfato dalis ir bazė porcija; kad cukrus buvo ribozė; ir kad nukleotidų skirtumus nulėmė jų bazių skirtumai. Jo „polinukleotidų“ modelis turėjo keletą trūkumų, tačiau pagal tos dienos standartus jis buvo nepaprastai tikslus.

1944 m. Oswaldas Avery ir jo kolegos Rokfelerio universitete buvo pirmieji žinomi tyrėjai, oficialiai teigę, kad DNR susideda iš paveldimų vienetų arba genų. Austrijos mokslininkas Erwinas Chargaffas, atlikęs jų, kaip ir Levene, darbą, padarė du pagrindinius atradimus: viena, kad DNR nukleotidų seka skiriasi nuo skirtingų organizmų rūšių, priešingai nei turėjo Levene pasiūlė; ir du, kad bet kuriame organizme bendras azoto bazių adenino (A) ir guanino (G) kiekis kartu, nepriklausomai nuo rūšies, praktiškai visada buvo toks pats kaip visas citozino (C) ir timinas (T). Tai neleido Chargaffui padaryti išvados, kad A poros su T ir C poros su G visoje DNR, tačiau vėliau tai padėjo paremti kitų padarytą išvadą.

Galiausiai 1953 m. Watsonas ir jo kolegos, naudodamiesi sparčiai tobulėjančiais trimačių cheminių struktūrų vizualizavimo būdais, Šios išvados kartu ir kartono modeliai buvo naudojami siekiant nustatyti, kad dviguba spiralė niekuo labiau tinka viskam, kas žinoma apie DNR galėjo.

DNR buvo nustatyta kaip paveldima medžiaga gyvuose daiktuose gerokai prieš patikslinant jos struktūrą ir kaip dažnai eksperimentiniame moksle šis gyvybiškai svarbus atradimas iš tikrųjų buvo atsitiktinis pagrindiniam tyrinėtojui tikslas.
Prieš pradedant gydyti antibiotikais 1930-ųjų pabaigoje, infekcinės ligos nusinešė kur kas daugiau žmonių gyvybių nei jie šiandien, o atsakingų organizmų paslapčių atskleidimas buvo lemiamas tikslas atliekant mikrobiologijos tyrimus. 1913 m. Minėtas Oswaldas Avery pradėjo darbą, kuris galų gale atskleidė aukštą polisacharidą (cukraus) kiekis pneumokokų bakterijų rūšių kapsulėse, kurios buvo izoliuotos nuo plaučių uždegimo pacientai. Avery teigė, kad tai skatina infekuotų žmonių antikūnų gamybą. Tuo tarpu Anglijoje Williamas Griffithsas atliko darbą, kuris parodė, kad negyvi vienos rūšies ligų sukėlėjai pneumokokas gali būti sumaišytas su gyvais nekenksmingo pneumokoko komponentais ir sukelti ligą sukeliančią ankstesnio nekenksmingas natūra; tai įrodė, kad viskas, kas perėjo iš mirusiųjų į gyvąsias bakterijas, buvo paveldima.

Kai Avery sužinojo apie Griffitho rezultatus, jis ėmėsi gryninimo eksperimentų, norėdamas izoliuoti tiksli pneumokokų medžiaga, kuri buvo paveldima ir talpinama nukleorūgštyse, arba, tiksliau, nukleotidai. Jau buvo įtariama, kad DNR turi tai, kas tada buvo liaudyje vadinama „transformuojančia“ principai ", taigi Avery ir kiti išbandė šią hipotezę, palikdami paveldimą medžiagą a agentų įvairovė. Tie, kurie, kaip žinia, yra žalingi DNR vientisumui, bet nekenksmingi baltymams ar DNR, vadinami DNRazėmis, buvo pakankamas dideliais kiekiais, kad būtų išvengta vienos bakterijos kartos pernešimo į ŽIV Kitas. Tuo tarpu baltymai išardančios proteazės tokios žalos nepadarė.

Avery ir Griffith kūrybos pranešimas apie tai, kad vėlgi, nors tokie žmonės kaip Watsonas ir Crickas buvo teisingai pagirti už jų indėlį į molekulinę genetiką DNR struktūros nustatymas iš tikrųjų buvo gana vėlai įneštas į šios įspūdingos molekulės pažinimo procesą.

Chargaffas, nors akivaizdu, kad jis ne visiškai apibūdino DNR struktūrą, tačiau tai parodė pridėjus (A + G) = (C + T), dvi sruogos, žinomos kaip įtrauktos į DNR, visada buvo vienodo atstumo atskirai. Tai lėmė postulatą purinai (įskaitant A ir G) visada susieta su pirimidinai (įskaitant C ir T) DNR. Tai padarė trimatę prasmę, nes purinai yra žymiai didesni nei pirimidinai, o visi purinai iš esmės yra vienodo dydžio ir visi pirimidinai yra iš esmės vienodo dydžio. Tai reiškia, kad dvi sujungtos purinos užimtų žymiai daugiau vietos tarp DNR grandinių nei du pirimidinai, taip pat kad bet kuris purino ir pirimidino poravimas suvartotų tą patį kiekį vietos. Pateikus visą šią informaciją reikėjo, kad A prisijungtų prie T ir tik prie jo ir kad tas pats ryšys galioja ir C bei G, jei šis modelis turėtų būti sėkmingas. Ir turi.

Pagrindai (daugiau apie tai vėliau) jungiasi vienas su kitu DNR molekulės viduje, kaip laipteliai laipteliuose. Bet ką daryti su pačiomis sruogomis ar „šonais“? Rosalindas Franklinas, dirbdamas su Watsonu ir Cricku, manė, kad šis „stuburas“ pagamintas iš cukraus (konkrečiai pentozės cukrus arba vienas su penkių atomų žiedo struktūra) ir fosfatų grupė, jungianti cukrus. Dėl naujai patikslintos bazės poravimo idėjos Franklinas ir kiti suprato, kad abi DNR grandinės vienoje molekulėje buvo „vienas kitą papildantys“ arba faktiškai vienas kito veidrodiniai vaizdai jų lygiu nukleotidai. Tai leido jiems tiksliai nuspėti apytikslį susuktos DNR formos spindulį tvirtu tikslumo laipsniu, o rentgeno difrakcijos analizė patvirtino spiralinę struktūrą. Idėja, kad spiralė buvo dviguba spiralė, buvo paskutinė svarbiausia DNR struktūros detalė, kuri 1953 m.

Nukleotidai yra besikartojantys DNR subvienetai, o tai yra atvirkščiai, sakant, kad DNR yra nukleotidų polimeras. Kiekvienas nukleotidas susideda iš cukraus, vadinamo dezoksiriboze, turinčio penkiakampę žiedo struktūrą su viena deguonies ir keturiomis anglies molekulėmis. Šis cukrus yra susietas su fosfatų grupe, o dvi dėmės išilgai žiedo iš šios padėties taip pat jungiasi su azoto baze. Fosfatų grupės sujungia cukrus ir sudaro DNR pagrindą, kurio dvi sruogos sukasi aplink susietas azoto sunkias bazes dvigubos spiralės viduryje. Spiralė daro vieną pilną 360 laipsnių kampą maždaug kartą per 10 bazinių porų.

Cukrus, susietas tik su azoto pagrindu, vadinamas a nukleozidas.

RNR (ribonukleino rūgštis) skiriasi nuo DNR trimis pagrindiniais būdais: Pirma, pirimidino uracilas pakeičia timiną. Antra, pentozės cukrus yra ribozė, o ne dezoksiribozė. Ir trys, RNR beveik visada yra viengrandis ir būna įvairių formų, kurių aptarimas nepatenka į šio straipsnio taikymo sritį.

Kai ateis laikas daryti kopijas, DNR „atsegama“ į dvi papildomas grandines. Kai tai vyksta, dukterinės sruogos formuojamos palei vieno tėvo sruogas. Viena tokia dukterinė grandinė, veikiant fermentui, susidaro nuolat pridedant pavienių nukleotidų DNR polimerazė. Ši sintezė vyksta tiesiog pagal pirminių DNR grandinių atskyrimo kryptį. Kita dukros grandinė susidaro iš mažų polinukleotidų, vadinamų Okazaki fragmentai kurios iš tikrųjų formuojasi priešinga tėvų sruogų atsegimo kryptimi, o vėliau sujungiamos fermento pagalba DNR ligazė.

Kadangi dvi dukterinės sruogos taip pat viena kitą papildo, jų pagrindai galiausiai susijungia ir sudaro dvigubos grandinės DNR molekulę, identišką pagrindinei.

Bakterijose, kurios yra vienaląsčios ir vadinamos prokariotais, viena bakterijos DNR kopija (dar vadinama jos genomu) sėdi citoplazmoje; nėra branduolio. Daugialąsčiuose eukariotų organizmuose DNR randama branduolyje chromosomų pavidalu, kurios yra labai susivyniojusios, susuktos ir erdvėje kondensuotos DNR molekulės, kurių ilgis siekia vos milijonąsias metro, ir baltymai paskambino histonai. Atliekant mikroskopinį tyrimą, chromosomų dalys, kuriose rodomos kintamos histono „ritės“ ir paprastos DNR sruogos (šiame organizacijos lygyje vadinamos chromatinu) dažnai prilyginamos karoliukams ant a stygos. Kai kurios eukariotinės DNR taip pat yra ląstelių organeliuose, vadinamuose mitochondrijos.