Viktigheten av DNA-molekyler

DNA er en av få bokstavkombinasjoner i kjernen av en vitenskapelig disiplin som ser ut til å utløse en betydelig forståelsesnivå selv hos mennesker med liten livstidseksponering for biologi eller vitenskapen i generell. De fleste voksne som hører uttrykket "Det er i hennes DNA", kjenner umiddelbart igjen at et bestemt trekk er uatskillelig fra personen som blir beskrevet. at karakteristikken på en eller annen måte er medfødt, aldri forsvinner og er i stand til å overføres til den personens barn og utover. Dette ser ut til å stemme selv i hodet til de som ikke aner hva "DNA" til og med står for, som er "deoksyribonukleinsyre."

Mennesker er forståelig nok fascinert av konseptet med å arve egenskaper fra foreldrene sine og videreføre sine egne egenskaper til sine avkom. Det er bare naturlig for folk å tenke på sin egen biokjemiske arv, selv om få kan forestille seg det i slike formelle termer. Anerkjennelse av at små usynlige faktorer i hver av oss styrer hvordan folks barn ser ut og til og med oppfører seg, har sikkert vært til stede i mange hundre år. Men først i midten av 1900-tallet avslørte moderne vitenskap i strålende detaljer ikke bare hvordan molekylene som var ansvarlige for arv, men også hvordan de så ut.

Deoksyribonukleinsyre er faktisk den genetiske planen som alle levende ting opprettholder i cellene, et unikt mikroskopisk fingeravtrykk som ikke bare gjør hvert menneske en bokstavelig unik person (identiske tvillinger unntatt for nåværende formål), men avslører mye viktig informasjon om hver person, fra sannsynligheten for å være relatert til en annen spesifikk person til sjansene for å utvikle en gitt sykdom senere i livet eller overføre en slik sykdom til fremtiden generasjoner. DNA har ikke bare blitt det naturlige sentrale punktet i molekylærbiologi og livsvitenskap som helhet, men også en integrert komponent i rettsmedisin og biologisk ingeniørfag.

James Watson og Francis Crick (og sjeldnere Rosalind Franklin og Maurice Wilkins) er allment kreditert med oppdagelsen av DNA i 1953. Denne oppfatningen er imidlertid feil. Kritisk har disse forskerne faktisk slått fast at DNA eksisterer i tredimensjonal form i form av en dobbel helix, som egentlig er en stige vridd i forskjellige retninger i begge ender for å skape en spiral form. Men disse målbevisste og ofte feirede forskerne bygde "bare" på det møysommelige arbeidet til biologer som slet på jakt etter den samme generelle informasjonen så langt tilbake som i 1860-årene, eksperimenter som var like banebrytende i seg selv som Watson, Crick og andre i forskningen etter 2. verdenskrig æra.

I 1869, 100 år før mennesker skulle reise til månen, ønsket en sveitsisk kjemiker ved navn Friedrich Miescher å gjøre det trekke ut proteinkomponentene fra leukocytter (hvite blodlegemer) for å bestemme sammensetningen og funksjon. Det han i stedet hentet ut kalte han "nuclein", og selv om han manglet instrumentene som trengs for å lære hva fremtidige biokjemikere ville være i stand til å lære, oppdaget han raskt at dette "nuclein" var relatert til proteiner, men ikke i seg selv protein, at det inneholdt et uvanlig mengde fosfor, og at dette stoffet var motstandsdyktig mot å bli nedbrutt av de samme kjemiske og fysiske faktorene som nedbrytes proteiner.

Det ville gå over 50 år før den sanne betydningen av Mieschers arbeid først ble tydelig. I det andre tiåret på 1900-tallet var en russisk biokjemiker, Phoebus Levene, den første som foreslo det, det vi kaller nukleotider i dag, besto av en sukkerdel, en fosfatdel og en base del; at sukkeret var ribose; og at forskjellene mellom nukleotider skyldtes forskjellene mellom basene deres. Hans "polynukleotid" -modell hadde noen feil, men etter dagens standard var den bemerkelsesverdig på mål.

I 1944 var Oswald Avery og hans kolleger ved Rockefeller University de første kjente forskerne som formelt antydet at DNA besto av arvelige enheter, eller gener. Etter å ha fulgt opp arbeidet så vel som Levene, gjorde den østerrikske forskeren Erwin Chargaff to viktige funn: en, at sekvensen av nukleotider i DNA varierer mellom arter av organismer, i motsetning til hva Levene hadde foreslått; og to, at i hvilken som helst organisme, den totale mengden av nitrogenholdige baser adenin (A) og guanin (G) kombinert, uavhengig av art, var praktisk talt alltid den samme som den totale mengden cytosin (C) og tymin (T). Dette førte ikke helt til at Chargaff konkluderte med at A-par med T- og C-par med G i alt DNA, men det hjalp senere til å understøtte konklusjonen som andre nådde.

Til slutt, i 1953, la Watson og hans kolleger fordel av raskt forbedrede måter å visualisere tredimensjonale kjemiske strukturer på, disse funnene sammen og brukte pappmodeller for å fastslå at en dobbel helix passet alt som var kjent om DNA på en måte ingenting annet kunne.

DNA ble identifisert som arvelig materiale i livlige ting i god tid før strukturen ble avklart, og som ofte i eksperimentell vitenskap, var denne viktige oppdagelsen faktisk tilfeldig for forskernes viktigste hensikt.
Før antibiotikabehandling dukket opp på slutten av 1930-tallet, krevde smittsomme sykdommer langt flere menneskeliv enn de gjøre i dag, og å avdekke mysteriene til de ansvarlige organismer var et kritisk mål i mikrobiologisk forskning. I 1913 startet den nevnte Oswald Avery arbeidet som til slutt avslørte et høyt polysakkarid (sukker) innhold i kapsler av pneumokokker bakteriearter, som hadde blitt isolert fra lungebetennelse pasienter. Avery teoretiserte at disse stimulerte antistoffproduksjon hos infiserte mennesker. I mellomtiden, i England, utførte William Griffiths arbeid som viste at døde komponenter av en slags sykdomsfremkallende pneumokokker kan blandes med de levende komponentene i en ufarlig pneumokokk og produsere en sykdomsfremkallende form av den tidligere ufarlig slag; dette beviste at det som flyttet fra de døde til de levende bakteriene, var arvelig.

Da Avery fikk vite om Griffiths resultater, satte han i gang med å gjennomføre rensingseksperimenter i et forsøk på å isolere nøyaktig materiale i pneumokokkene som var arvelig, og som var hjemme i nukleinsyrer, eller mer spesifikt, nukleotider. DNA var allerede sterkt mistenkt for å ha det som da populært ble kalt "transformering prinsipper, "så Avery og andre testet denne hypotesen ved å utsette arvelig materiale for en en rekke agenter. De som er kjent for å være ødeleggende for DNA-integritet, men ufarlige for proteiner eller DNA, kalt DNAaser, var tilstrekkelig i store mengder for å forhindre overføring av trekk fra en bakteriegenerasjon til neste. I mellomtiden gjorde proteaser, som løser ut proteiner, ingen slik skade.

Hjemmebeskjeden til Averys og Griffiths arbeid er at, igjen, mens folk som Watson og Crick har blitt riktig hyllet for sine bidrag for molekylær genetikk, var det å etablere DNA-strukturen faktisk et ganske sent bidrag til prosessen med å lære om dette spektakulære molekylet.

Selv om han åpenbart ikke beskrev strukturen til DNA i sin helhet, viste Chargaff at, i i tillegg til (A + G) = (C + T), var de to strengene man vet å være inkludert i DNA alltid samme avstand fra hverandre. Dette førte til postulatet om det puriner (inkludert A og G) alltid bundet til pyrimidiner (inkludert C og T) i DNA. Dette ga tredimensjonal mening, fordi puriner er betydelig større enn pyrimidiner, mens alle puriner er i det vesentlige like store og alle pyrimidiner er i det vesentlige like store. Dette innebærer at to puriner bundet sammen vil ta betydelig mer plass mellom DNA-strengene enn to pyrimidiner, og også at en hvilken som helst gitt purin-pyrimidin-sammenkobling vil forbruke samme mengde rom. Å sette all denne informasjonen krevde at A binder seg til, og bare til T, og at det samme forholdet gjelder for C og G hvis denne modellen skulle vise seg å være vellykket. Og det har den.

Basene (mer om disse senere) binder seg til hverandre på innsiden av DNA-molekylet, som trinn i en stige. Men hva med strengene, eller "sidene", seg selv? Rosalind Franklin, i samarbeid med Watson og Crick, antok at denne "ryggraden" var laget av sukker (spesifikt et pentosesukker, eller en med en fem-atom ringstruktur) og en fosfatgruppe som forbinder sukker. På grunn av den nylig avklarte ideen om baseparring, ble Franklin og de andre klar over at de to DNA-strengene i et enkelt molekyl var "komplementære", eller i virkeligheten speilbilder av hverandre på nivå med deres nukleotider. Dette tillot dem å forutsi den omtrentlige radiusen av den vridde DNA-formen innen en solid grad av nøyaktighet, og røntgendiffraksjonsanalyse bekreftet spiralstrukturen. Ideen om at helixen var en dobbel helix var den siste store detalj om DNA-strukturen som falt på plass, i 1953.

Nukleotider er de gjentatte underenhetene til DNA, som er det motsatte av å si at DNA er en polymer av nukleotider. Hvert nukleotid består av et sukker som kalles deoksyribose som inneholder en femkantet ringstruktur med ett oksygen og fire karbonmolekyler. Dette sukkeret er bundet til en fosfatgruppe, og to flekker langs ringen fra denne posisjonen er det også bundet til en nitrogenholdig base. Fosfatgruppene knytter sukkerne sammen for å danne DNA-ryggraden, hvor de to strengene vrir seg rundt de bundet nitrogen-tunge basene i midten av dobbeltspiralen. Helixen gjør en fullstendig 360-graders vri omtrent hver 10. basepar.

Et sukker bare bundet til en nitrogenholdig base kalles a nukleosid.

RNA (ribonukleinsyre) skiller seg fra DNA på tre viktige måter: Den ene er pyrimidin uracil erstattet av tymin. To, pentosesukkeret er ribose i stedet for deoksyribose. Og tre, RNA er nesten alltid enkeltstrenget og kommer i flere former, hvis diskusjon ligger utenfor omfanget av denne artikkelen.

DNA "pakkes ut" i de to komplementære strengene når det er tid for kopiering. Når dette skjer, dannes datterstrenger langs enslige foreldre. En slik datterstreng dannes kontinuerlig via tilsetning av enkeltnukleotider under enzymets virkning DNA-polymerase. Denne syntesen følger ganske enkelt retningen for separasjonen av foreldrenes DNA-tråder. Den andre datterstrengen dannes fra små polynukleotider som kalles Okazaki fragmenter som faktisk dannes i motsatt retning av å pakke ut foreldrestrenger, og blir så sammenføyd av enzymet DNA ligase.

Fordi de to datterstrengene også er komplementære til hverandre, binder basene deres til slutt sammen for å lage et dobbeltstrenget DNA-molekyl identisk med det overordnede.

I bakterier, som er encellede og kalles prokaryoter, sitter en enkelt kopi av bakteriens DNA (også kalt genomet) i cytoplasmaet; ingen kjerne er til stede. I flercellede eukaryote organismer finnes DNA i kjernen i form av kromosomer, som er sterkt opprullede, spolede og romlig kondenserte DNA-molekyler bare en milliondeles meter lange, og proteiner kalt histoner. Ved mikroskopisk undersøkelse er kromosomdelene som viser vekslende histon "spoler" og enkle DNA-tråder (kalt kromatin på dette organisasjonsnivået) blir ofte sammenlignet med perler på en streng. Noe eukaryot DNA finnes også i organeller i celler som kalles mitokondrier.