DNS molekulu nozīme

DNS ir viena no nedaudzajām burtu kombinācijām zinātniskās disciplīnas pamatā, kas, šķiet, izraisa a ievērojams izpratnes līmenis pat cilvēkiem, kuru dzīves laikā bioloģija vai zinātnes ir maz pakļauti vispārīgi. Lielākā daļa pieaugušo, kas dzird frāzi "Tas ir viņas DNS", uzreiz atzīst, ka kāda īpašība nav atdalāma no aprakstītās personas; ka īpašība ir kaut kā iedzimta, nekad nepazūd un to var pārnest uz šīs personas bērniem un ārpus tās. Šķiet, ka tas ir taisnība pat to cilvēku prātos, kuriem nav ne jausmas, ko vispār apzīmē "DNS", kas ir "dezoksiribonukleīnskābe".

Cilvēki saprotami aizrauj jēdzienu mantot īpašības no vecākiem un nodot savas pazīmes saviem pēcnācējiem. Ir tikai dabiski, ka cilvēki apdomā savu bioķīmisko mantojumu, pat ja maz to var iedomāties tik oficiālā izteiksmē. Atzīšana, ka sīki neredzēti faktori ikvienā no mums nosaka to, kā cilvēku bērni izskatās un pat uzvedas, noteikti pastāv jau daudzus simtus gadu. Bet tikai 20. gadsimta vidū mūsdienu zinātne krāšņi detalizēti atklāja ne tikai to, kādas molekulas bija atbildīgas par mantojumu, bet arī to, kā tās izskatījās.

Dezoksiribonukleīnskābe patiešām ir ģenētiskais projekts, ko visas dzīvās būtnes uztur šūnās, unikāls mikroskopisks pirkstu nospiedums, kas ne tikai liek katram cilvēkam burtiski vienreizējs indivīds (identiski dvīņi, izņemot pašreizējos mērķus), bet atklāj daudz svarīgas informācijas par katru cilvēku, sākot no varbūtība būt saistītam ar citu konkrētu personu ar izredzēm attīstīt konkrētu slimību vēlāk dzīvē vai pārnest šādu slimību nākotnē paaudzēm. DNS ir kļuvis ne tikai par molekulārās bioloģijas un dzīvības zinātnes dabisko centrālo punktu, bet arī par neatņemamu tiesu medicīnas un bioloģiskās inženierijas sastāvdaļu.

Džeimsam Vatsonam un Frensiskam Krikam (un retāk Rosalindam Franklinam un Morisam Vilkinsam) ir plašs atzinums par DNS atklāšanu 1953. gadā. Šī uztvere tomēr ir kļūdaina. Kritiski šie pētnieki faktiski konstatēja, ka DNS pastāv trīsdimensiju formā a formā dubultā spirāle, kas būtībā ir kāpnes, kas abos galos savītas dažādos virzienos, lai izveidotu spirāli forma. Bet šie apņēmīgie un bieži svinētie zinātnieki "tikai" balstījās uz rūpīgu biologu darbu, kuri strādāja, meklējot to pašu vispārīgo informāciju jau 1860. gados eksperimenti, kas bija patstāvīgi tikpat revolucionāri kā Vatsons, Kriks un citi pēc Otrā pasaules kara veiktajos pētījumos laikmets.

1869. gadā, 100 gadus pirms cilvēku došanās uz Mēnesi, centās Šveices ķīmiķis Frīdrihs Mīsers ekstrahē olbaltumvielu komponentus no leikocītiem (leikocītiem), lai noteiktu to sastāvu un funkciju. To, ko viņš ieguva, viņš sauca par "nukleīnu", un, kaut arī viņam trūka instrumentu, kas vajadzīgi, lai uzzinātu, kādi būs nākotnes bioķīmiķi mācoties, viņš ātri saprata, ka šis "nukleīns" bija saistīts ar olbaltumvielām, bet pats par sevi nebija olbaltumviela, ka tajā bija neparasts fosfora daudzumu un ka šī viela bija izturīga pret to, ka to noārda tie paši ķīmiskie un fizikālie faktori, kas noārdījās olbaltumvielas.

Būtu pagājuši vairāk nekā 50 gadi, pirms Mīzera darba patiesā nozīme pirmo reizi izpaudās. 1900. gadu otrajā desmitgadē pirmais krievu bioķīmiķis Fēebuss Levene ierosināja tas, ko mēs šodien saucam par nukleotīdiem, sastāvēja no cukura daļas, fosfāta daļas un bāzes porcija; ka cukurs bija riboze; un ka atšķirības starp nukleotīdiem bija saistītas ar atšķirībām starp to bāzēm. Viņa "polinukleotīdu" modelim bija daži trūkumi, taču pēc dienas standartiem tas bija ļoti mērķtiecīgs.

1944. gadā Osvalds Eiverijs un viņa kolēģi Rokfellera universitātē bija pirmie zināmie pētnieki, kas oficiāli ieteica, ka DNS sastāvēja no iedzimtām vienībām jeb gēniem. Pēc Austrijas zinātnieka Ervina Chargafa, kā arī ar Levene darbu, tika izdarīti divi galvenie atklājumi: viens, ka DNS nukleotīdu secība dažādās organismu sugās atšķiras, pretēji tam, kas bija Levene ierosināts; un divi, ka jebkurā organismā slāpekļa bāzu adenīna (A) un guanīna (G) kopējais daudzums kopā, neatkarīgi no sugas, praktiski vienmēr bija tāds pats kā kopējais citozīna (C) un timīns (T). Tas neļāva Chargaffam secināt, ka A pāri ar T un C pāri ar G visā DNS, bet vēlāk tas palīdzēja atbalstīt citu secinājumu.

Visbeidzot, 1953. gadā Vatsons un viņa kolēģi, gūstot labumu no ātri uzlabojamiem trīsdimensiju ķīmisko struktūru vizualizācijas veidiem, visus Šie atklājumi kopā un izmantoja kartona modeļus, lai noteiktu, ka dubultā spirāle der visam, kas bija zināms par DNS, savā ziņā nekas cits varēja.

DNS tika identificēts kā iedzimts materiāls dzīvojamās lietās krietni pirms tā struktūras noskaidrošanas un kā bieži vien eksperimentālajā zinātnē šis būtiskais atklājums faktiski bija nejaušs pētnieku galvenajam mērķim.
Pirms antibiotiku terapijas parādīšanās 1930. gadu beigās infekcijas slimības prasīja daudz vairāk cilvēku dzīvību nekā viņi darīt šodien, un atbildīgo organismu noslēpumu atklāšana bija kritisks mērķis mikrobioloģijas pētījumos. 1913. gadā iepriekšminētais Osvalds Eiverijs uzsāka darbu, kas galu galā atklāja augstu polisaharīdu (cukura) saturs pneimokoku baktēriju sugu kapsulās, kas izolētas no pneimonijas pacientiem. Eiverijs apgalvoja, ka šie stimulē inficēto cilvēku antivielu ražošanu. Tikmēr Anglijā Viljams Grifitss veica darbu, kas parādīja, ka viena veida slimību izraisītāji ir miruši pneimokoku varētu sajaukt ar nekaitīgā pneimokoka dzīvajām sastāvdaļām, un tas varētu izraisīt agrāk nekaitīgs veids; tas pierādīja, ka viss, kas no mirušajiem pārcēlās uz dzīvajām baktērijām, bija pārmantojams.

Kad Eiverijs uzzināja par Grifita rezultātiem, viņš sāka veikt attīrīšanas eksperimentus, cenšoties to izolēt precīzs materiāls pneimokokos, kas bija pārmantojams un atradās nukleīnskābēs, vai precīzāk, nukleotīdi. DNS jau bija nopietnas aizdomas par to, ko toreiz tautā sauca par "pārveidošanu" principi, "tāpēc Eiverijs un citi pārbaudīja šo hipotēzi, pakļaujot iedzimto materiālu a aģentu dažādība. Tie, par kuriem zināms, ka tie ir destruktīvi DNS integritātei, bet nekaitīgi olbaltumvielām vai DNS, ko sauc par DNSāzēm, bija pietiek ar lielu daudzumu, lai novērstu pazīmju pārnešanu no vienas baktērijas paaudzes uz Nākamais. Tikmēr proteāzes, kas atdala olbaltumvielas, šādus postījumus nav nodarījušas.

Avery un Griffith darba pārņemšanas vēstījums ir tāds, ka atkal, lai gan tādi cilvēki kā Watson un Crick ir pamatoti slavēti par viņu ieguldījumu molekulārās ģenētikas jomā DNS struktūras izveidošana faktiski bija diezgan novēlots ieguldījums šīs iespaidīgās molekulas apguves procesā.

Lai arī viņš acīmredzami pilnībā neaprakstīja DNS struktūru, Čārfs to tomēr parādīja pievienojot (A + G) = (C + T), abi pavedieni, kas, kā zināms, ir iekļauti DNS, vienmēr bija vienādā attālumā atsevišķi. Tas noveda pie tā postulāta purīni (ieskaitot A un G) vienmēr ir piesaistīti pirimidīni (ieskaitot C un T) DNS. Tam bija trīsdimensiju jēga, jo purīni ir ievērojami lielāki par pirimidīniem, savukārt visi purīni būtībā ir vienāda izmēra un visi pirimidīni būtībā ir vienāda lieluma. Tas nozīmē, ka divi sasaistīti purīni starp DNS virknēm aizņemtu ievērojami vairāk vietas nekā divi pirimidīni, un arī tas, ka jebkura attiecīgā purīna-pirimidīna pārī patērētu tādu pašu daudzumu telpa. Lai ievietotu visu šo informāciju, A saistījās ar T un tikai ar to un ka C un G ir tādas pašas attiecības, ja šim modelim vajadzētu izrādīties veiksmīgam. Un tā ir.

Bāzes (vairāk par tām vēlāk) saistās viena ar otru DNS molekulas iekšpusē, tāpat kā kāpnes kāpnēs. Bet kā ir ar pašiem pavedieniem jeb "sāniem"? Rozalinda Franklina, strādājot ar Vatsonu un Kriku, pieņēma, ka šis "mugurkauls" ir izgatavots no cukura (konkrēti pentozes cukurs vai viens ar piecu atomu gredzena struktūru) un fosfātu grupa, kas savieno cukuri. Nesen noskaidrotās bāzes savienošanas idejas dēļ Franklins un citi uzzināja, ka abi DNS pavedieni vienā molekulā bija "komplementāri" vai faktiski viens otra spoguļattēli to līmenī nukleotīdi. Tas ļāva viņiem prognozēt aptuveno DNS savītās formas rādiusu ar stingru precizitāti, un rentgena difrakcijas analīze apstiprināja spirālveida struktūru. Ideja, ka spirāle ir dubultā spirāle, bija pēdējā būtiskā detaļa par DNS struktūru, kas nonāca vietā 1953. gadā.

Nukleotīdi ir atkārtotas DNS apakšvienības, kas ir otrādi, sakot, ka DNS ir nukleotīdu polimērs. Katrs nukleotīds sastāv no cukura, ko sauc par dezoksiribozu, kas satur piecstūru gredzena struktūru ar vienu skābekļa un četrām oglekļa molekulām. Šis cukurs ir saistīts ar fosfātu grupu, un divi plankumi gar gredzenu no šīs pozīcijas ir saistīti arī ar slāpekļa bāzi. Fosfātu grupas savieno cukurus kopā, veidojot DNS mugurkaulu, kura divi pavedieni savērpjas ap saistītās slāpekļa smagās bāzes dubultās spirāles vidū. Spirāle veic vienu pilnīgu 360 grādu vērpšanu apmēram reizi 10 bāzes pāros.

Cukuru, kas saistīts tikai ar slāpekļa bāzi, sauc par a nukleozīds.

RNS (ribonukleīnskābe) no DNS atšķiras trīs galvenajos veidos: Pirmkārt, pirimidīna uracilu aizstāj ar timīnu. Otrkārt, pentozes cukurs drīzāk ir riboze, nevis dezoksiriboze. Un trīs, RNS gandrīz vienmēr ir vienpavediena un ir vairākās formās, kuru apspriešana ir ārpus šī raksta darbības jomas.

Kad pienāks laiks kopiju izgatavošanai, DNS tiek “izspiests” divos savstarpēji papildinošos virzienos. Kad tas notiek, meitas pavedieni tiek veidoti gar vientuļo vecāku pavedieniem. Viena šāda meitas virkne tiek veidota nepārtraukti, fermenta iedarbībā pievienojot atsevišķus nukleotīdus DNS polimerāze. Šī sintēze vienkārši notiek pēc vecāku DNS virkņu atdalīšanas virziena. Otra meitas dzīsla veidojas no maziem polinukleotīdiem, kurus sauc Okazaki fragmenti kas faktiski veidojas pretējā virzienā vecāku virkņu atvienošanai un pēc tam tos savieno enzīms DNS ligāze.

Tā kā abi meitas pavedieni ir savstarpēji papildinoši, to pamatnes galu galā savienojas, lai izveidotu divkāršu DNS molekulu, kas ir identiska vecākam.

Baktērijās, kas ir vienšūnas un tiek sauktas par prokariotēm, viena baktērijas DNS kopija (saukta arī par tās genomu) atrodas citoplazmā; nav kodola. Daudzšūnu eikariotu organismos DNS kodolā atrodama hromosomu veidā, kas ir ļoti saritinātas, spolētas un telpiski kondensētas DNS molekulas, kas ir tikai miljondaļas metra garas, un olbaltumvielas sauca histoni. Veicot mikroskopisko pārbaudi, hromosomu daļas, kurās redzamas mainīgas histona "spoles" un vienkāršas DNS virknes (ko šajā organizācijas līmenī sauc par hromatīnu) bieži pielīdzina pērlītēm uz a virkne. Daži eikariotu DNS ir atrodami arī šūnu organellos, ko sauc mitohondrijos.