Znaczenie cząsteczek DNA

DNA to jedna z niewielu kombinacji liter w rdzeniu dyscypliny naukowej, która wydaje się iskrzyć wysoki poziom zrozumienia, nawet u osób, które w ciągu całego życia nie miały kontaktu z biologią lub naukami ścisłymi generał. Większość dorosłych, którzy słyszą zdanie „to jest w jej DNA”, natychmiast rozpoznaje, że dana cecha jest nieodłączna od osoby, którą opisuje; że cecha jest w jakiś sposób wrodzona, nigdy nie znika i może zostać przeniesiona na dzieci tej osoby i nie tylko. Wydaje się to być prawdą nawet w umysłach tych, którzy nie mają pojęcia, co oznacza „DNA”, czyli „kwas dezoksyrybonukleinowy”.

Ludzie są, co zrozumiałe, zafascynowani koncepcją dziedziczenia cech po rodzicach i przekazywania ich potomstwu. To naturalne, że ludzie zastanawiają się nad własnym dziedzictwem biochemicznym, nawet jeśli niewielu potrafi to sobie wyobrazić w tak formalny sposób. Uznanie, że małe, niewidoczne czynniki wewnątrz każdego z nas decydują o tym, jak wyglądają, a nawet zachowują się dzieci ludzi, z pewnością było obecne od wielu setek lat. Jednak dopiero w połowie XX wieku współczesna nauka ze wspaniałymi szczegółami ujawniła nie tylko to, jakie były cząsteczki odpowiedzialne za dziedziczenie, ale także jak wyglądały.

Kwas dezoksyrybonukleinowy jest rzeczywiście genetycznym wzorcem, który wszystkie żywe istoty utrzymują w swoich komórkach, unikalnym mikroskopijnym odciskiem palca, który nie tylko sprawia, że ​​każdy człowiek dosłowna, jedyna w swoim rodzaju osoba (identyczne bliźnięta z wyjątkiem obecnych celów), ale ujawnia wiele istotnych informacji o każdej osobie, od prawdopodobieństwo bycia spokrewnionym z inną konkretną osobą do szans rozwoju danej choroby w późniejszym życiu lub przeniesienia takiej choroby na przyszłość pokolenia. DNA stało się nie tylko naturalnym centralnym punktem biologii molekularnej i nauk przyrodniczych jako całości, ale także integralnym składnikiem nauk sądowych i inżynierii biologicznej.

Jamesowi Watsonowi i Francisowi Crickowi (oraz rzadziej Rosalind Franklin i Maurice Wilkins) przypisuje się odkrycie DNA w 1953 roku. Ta opinia jest jednak błędna. Co krytyczne, badacze ci rzeczywiście ustalili, że DNA istnieje w trójwymiarowej formie w kształcie a podwójna helisa, która jest zasadniczo drabiną skręconą w różnych kierunkach na obu końcach, tworząc spiralę kształt. Ale ci zdeterminowani i często uznawani naukowcy opierali się „tylko” na żmudnej pracy biologów, którzy trudzili się w poszukiwaniu tych samych ogólnych informacji. już w latach 60. XIX wieku eksperymenty, które same w sobie były tak samo przełomowe, jak eksperymenty Watsona, Cricka i innych w badaniach po II wojnie światowej era.

W 1869 roku, 100 lat przed podróżą ludzi na Księżyc, szwajcarski chemik Friedrich Miescher starał się: ekstrahować składniki białkowe z leukocytów (białych krwinek) w celu określenia ich składu i funkcjonować. To, co zamiast tego wydobył, nazwał „nukleiną” i chociaż brakowało mu narzędzi potrzebnych do poznania, czym będą przyszli biochemicy zdolny do uczenia się, szybko dostrzegł, że ta „nukleina” była spokrewniona z białkami, ale sama nie była białkiem, że zawierała niezwykłą ilość fosforu oraz że substancja ta była odporna na rozkład przez te same czynniki chemiczne i fizyczne, które uległy degradacji białka.

Minęło ponad 50 lat, zanim prawdziwe znaczenie pracy Mieschera stało się widoczne po raz pierwszy. W drugiej dekadzie XX wieku rosyjski biochemik Phoebus Levene jako pierwszy zaproponował to, co dzisiaj nazywamy nukleotydami, składało się z części cukru, części fosforanu i zasady część; że cukier to ryboza; i że różnice między nukleotydami wynikały z różnic między ich zasadami. Jego „polinukleotydowy” model miał kilka wad, ale jak na ówczesne standardy był niezwykle celny.

W 1944 roku Oswald Avery i jego koledzy z Rockefeller University byli pierwszymi znanymi badaczami, którzy formalnie zasugerowali, że DNA składa się z jednostek dziedzicznych lub genów. Kontynuując ich pracę, a także pracę Levene, austriacki naukowiec Erwin Chargaff dokonał dwóch kluczowych odkryć: po pierwsze, że sekwencja nukleotydów w DNA różni się między gatunkami organizmów, w przeciwieństwie do tego, co miał Levene proponowane; i dwa, że ​​w każdym organizmie całkowita ilość zasad azotowych adeniny (A) i guaniny (G) łącznie, niezależnie od gatunku, była praktycznie zawsze równa całkowitej ilości cytozyny (C) i tymina (T). To nie doprowadziło Chargaffa do wniosku, że pary A z parami T i C z parami G w całym DNA, ale później pomogły podtrzymać wniosek, do którego doszli inni.

Wreszcie, w 1953 r. Watson i jego współpracownicy, korzystając z szybko ulepszanych sposobów wizualizacji trójwymiarowych struktur chemicznych, stwierdzili, że wszystkie te odkrycia razem i wykorzystali modele kartonowe, aby ustalić, że podwójna helisa pasuje do wszystkiego, co było znane o DNA, w żaden inny sposób mógłby.

DNA zostało zidentyfikowane jako materiał dziedziczny w żywych organizmach na długo przed wyjaśnieniem jego struktury, i jako często w przypadku nauk eksperymentalnych, to ważne odkrycie było w rzeczywistości przypadkowe w stosunku do głównego badacza. cel, powód.
Zanim pod koniec lat 30. pojawiła się antybiotykoterapia, choroby zakaźne pochłaniały znacznie więcej ludzkich istnień niż oni zrobić dzisiaj, a rozwikłanie tajemnic odpowiedzialnych za nie organizmów było kluczowym celem badań mikrobiologicznych. W 1913 r. wspomniany Oswald Avery rozpoczął prace, które ostatecznie ujawniły wysoki polisacharyd zawartość (cukru) w kapsułkach pneumokokowych gatunków bakterii, które zostały wyizolowane z zapalenia płuc pacjentów. Avery wysunął teorię, że te stymulowały produkcję przeciwciał u zakażonych ludzi. Tymczasem w Anglii William Griffiths wykonywał prace, które wykazały, że martwe składniki jednego rodzaju wywołującego choroby disease pneumokoki mogą być mieszane z żywymi składnikami nieszkodliwego pneumokoka i wytwarzać chorobotwórcze formy nieszkodliwy rodzaj; to dowodziło, że wszystko, co przeniosło się z martwych do żywych bakterii, było dziedziczne.

Kiedy Avery dowiedział się o wynikach Griffitha, zaczął przeprowadzać eksperymenty oczyszczające, aby wyizolować precyzyjny materiał u pneumokoków, który był dziedziczny i ulokowany na kwasach nukleinowych, a dokładniej, nukleotydy. DNA było już mocno podejrzewane o to, co było wówczas popularnie nazywane „transformacją zasady”, więc Avery i inni przetestowali tę hipotezę, wystawiając materiał dziedziczny na różnorodność agentów. Te, o których wiadomo, że niszczą integralność DNA, ale są nieszkodliwe dla białek lub DNA, zwane DNAazami, były: wystarczające w dużych ilościach, aby zapobiec przenoszeniu cech z jednego pokolenia bakterii na Kolejny. Tymczasem proteazy, które rozplątują białka, nie spowodowały takich uszkodzeń.

Przesłaniem do domu pracy Avery'ego i Griffitha jest to, że ponownie, podczas gdy ludzie tacy jak Watson i Crick zostali słusznie wychwalani za ich wkład dla genetyki molekularnej ustalenie struktury DNA było w rzeczywistości dość późnym wkładem w proces poznawania tej spektakularnej molekuły.

Chargaff, chociaż oczywiście nie opisał w pełni struktury DNA, wykazał, że oprócz (A + G) = (C + T), dwie nici, o których wiadomo, że są zawarte w DNA, były zawsze w tej samej odległości niezależnie. Doprowadziło to do postulatu, że puryn (w tym A i G) zawsze związany z pirymidyny (w tym C i T) w DNA. Miało to sens trójwymiarowy, ponieważ puryny są znacznie większe niż pirymidyny, podczas gdy wszystkie puryny są zasadniczo tej samej wielkości i wszystkie pirymidyny są zasadniczo tej samej wielkości. Oznacza to, że dwie związane ze sobą puryny zajęłyby znacznie więcej przestrzeni między nićmi DNA niż dwie pirymidyny, a także, że każda dana para puryna-pirymidyna zużyje taką samą ilość przestrzeń. Umieszczenie wszystkich tych informacji wymagało, aby A wiązało się i tylko z T oraz aby ta sama relacja zachodziła dla C i G, jeśli ten model miał się powieść. I tak się stało.

Zasady (więcej o tym później) łączą się ze sobą we wnętrzu cząsteczki DNA, jak szczeble drabiny. Ale co z samymi pasmami lub „bokami”? Rosalind Franklin, współpracująca z Watsonem i Crickiem, założyła, że ​​ten „kręgosłup” jest zrobiony z cukru (konkretnie cukier pentozowy lub jeden z pięcioatomową strukturą pierścieniową) i grupą fosforanową łączącą cukry. Z powodu nowo wyjaśnionego pomysłu parowania zasad Franklin i inni zdali sobie sprawę, że dwie nici DNA w jednej cząsteczce były „komplementarne”, czyli w efekcie lustrzane odbicia siebie na poziomie ich nukleotydy. To pozwoliło im przewidzieć przybliżony promień skręconej formy DNA z dużą dokładnością, a analiza dyfrakcji rentgenowskiej potwierdziła strukturę spiralną. Pomysł, że helisa jest podwójną helisą, był ostatnim ważnym szczegółem dotyczącym struktury DNA, który pojawił się w 1953 roku.

Nukleotydy to powtarzające się podjednostki DNA, co jest przeciwieństwem tego, że DNA jest polimerem nukleotydów. Każdy nukleotyd składa się z cukru zwanego dezoksyrybozą, który zawiera pięciokątną strukturę pierścieniową z jedną cząsteczką tlenu i czterema cząsteczkami węgla. Cukier ten jest związany z grupą fosforanową, a dwa punkty wzdłuż pierścienia od tej pozycji jest również związany z zasadą azotową. Grupy fosforanowe łączą cukry ze sobą, tworząc szkielet DNA, którego dwie nici skręcają się wokół związanych zasad ciężkich azotem w środku podwójnej helisy. Spirala wykonuje jeden pełny obrót o 360 stopni mniej więcej raz na 10 par zasad.

Cukier związany tylko z bazą azotową nazywa się a nukleozyd.

RNA (kwas rybonukleinowy) różni się od DNA na trzy kluczowe sposoby: Po pierwsze, uracyl pirymidynowy zastępuje tyminę. Po drugie, cukier pentozowy to raczej ryboza niż dezoksyryboza. Po trzecie, RNA jest prawie zawsze jednoniciowy i występuje w wielu formach, których dyskusja wykracza poza zakres tego artykułu.

DNA jest „rozpakowywane” na dwie komplementarne nici, gdy przychodzi czas na wykonanie kopii. Gdy to się dzieje, wzdłuż pojedynczych nici rodzicielskich tworzą się nici potomne. Jedna taka nić potomna jest tworzona w sposób ciągły poprzez dodanie pojedynczych nukleotydów pod działaniem enzymu polimeraza DNA. Ta synteza po prostu podąża w kierunku rozdziału macierzystych nici DNA. Druga nić potomna tworzy się z małych polinukleotydów zwanych Fragmenty Okazaki które faktycznie tworzą się w kierunku przeciwnym do rozpakowywania macierzystych nici, a następnie są łączone ze sobą przez enzym Ligaza DNA DNA.

Ponieważ dwie nici potomne są również komplementarne do siebie, ich zasady ostatecznie łączą się ze sobą, tworząc dwuniciową cząsteczkę DNA identyczną z cząsteczką rodzicielską.

U bakterii, które są jednokomórkowe i nazywane prokariotami, pojedyncza kopia DNA bakterii (zwana również jej genomem) znajduje się w cytoplazmie; nie ma jądra. W wielokomórkowych organizmach eukariotycznych DNA znajduje się w jądrze w postaci chromosomów, które są wysoce zwinięte, nawinięte i skondensowane przestrzennie cząsteczki DNA o długości zaledwie milionowych części metra oraz białka nazywa histony. W badaniu mikroskopowym części chromosomów wykazujące naprzemienne „szpulki” histonów i proste nici DNA (na tym poziomie organizacji zwane chromatyną) są często porównywane do koralików na strunowy. Niektóre eukariotyczne DNA znajdują się również w organellach komórek zwanych mitochondria.