Importanța moleculelor ADN

ADN-ul este una dintre puținele combinații de litere din centrul unei discipline științifice care pare să provoace o nivel semnificativ de înțelegere chiar și la persoanele cu o expunere redusă la viață la biologie sau la științele din general. Majoritatea adulților care aud fraza „Este în ADN-ul ei” recunosc imediat că o anumită trăsătură este inseparabilă de persoana descrisă; că caracteristica este cumva înnăscută, nu dispare niciodată și este capabilă să fie transferată copiilor acelei persoane și dincolo. Acest lucru pare a fi adevărat chiar și în mintea celor care habar nu au ce înseamnă „ADN”, care este „acidul dezoxiribonucleic”.

Oamenii sunt înțeles fascinat de conceptul de moștenire a trăsăturilor de la părinți și de a-și transmite propriile trăsături descendenților. Este firesc ca oamenii să mediteze la propria moștenire biochimică, chiar dacă puțini își pot imagina acest lucru în termeni atât de formali. Recunoașterea faptului că minusculi factori nevăzuti din fiecare dintre noi guvernează modul în care arată și se comportă copiii oamenilor, cu siguranță a fost prezent de multe sute de ani. Dar abia la mijlocul secolului al XX-lea știința modernă nu a dezvăluit în detalii glorioase nu numai care erau moleculele responsabile de moștenire, ci și cum arătau acestea.

Acidul dezoxiribonucleic este într-adevăr schema genetică pe care o păstrează toate ființele vii în celulele lor, o amprentă microscopică unică care nu numai că face fiecare om o persoană literală unică (gemeni identici, cu excepția scopurilor actuale), dar dezvăluie o mulțime de informații vitale despre fiecare persoană, din probabilitatea de a fi legat de o altă persoană specifică de șansele de a dezvolta o anumită boală mai târziu în viață sau de a transmite o astfel de boală către viitor generații. ADN-ul a devenit nu numai punctul central natural al biologiei moleculare și al științei vieții în ansamblu, ci și o componentă integrantă a științei criminalistice și a ingineriei biologice.

James Watson și Francis Crick (și mai rar, Rosalind Franklin și Maurice Wilkins) sunt recunoscute pe scară largă pentru descoperirea ADN-ului în 1953. Această percepție este totuși eronată. În mod critic, acești cercetători au stabilit de fapt că ADN-ul există sub formă tridimensională sub forma unui helix dublu, care este în esență o scară răsucită în direcții diferite la ambele capete pentru a crea o spirală formă. Dar acești oameni de știință hotărâți și deseori celebri „doar” se bazează pe munca minuțioasă a biologilor care s-au străduit în căutarea acelorași informații generale încă din anii 1860, experimente care au fost la fel de revoluționare în sine ca cele ale lui Watson, Crick și altele în cercetările postbelice. eră.

În 1869, cu 100 de ani înainte ca oamenii să călătorească pe Lună, un chimist elvețian pe nume Friedrich Miescher a căutat extrageți componentele proteice din leucocite (celule albe din sânge) pentru a determina compoziția acestora și funcţie. Ceea ce a extras a numit-o „nucleină” și, deși îi lipseau instrumentele necesare pentru a afla ce vor fi viitorii biochimiști capabil să învețe, el a discernut repede că această „nucleină” este legată de proteine, dar nu era ea însăși proteină, că conținea o cantitatea de fosfor și că această substanță a fost rezistentă la degradarea de către aceiași factori chimici și fizici care s-au degradat proteine.

Ar fi trecut peste 50 de ani înainte ca adevărata importanță a operei lui Miescher să devină evidentă pentru prima dată. În a doua decadă a anilor 1900, un biochimist rus, Phoebus Levene, a fost primul care a propus că, ceea ce numim astăzi nucleotide, a constat dintr-o porție de zahăr, o porțiune fosfat și o bază porţiune; că zahărul era riboză; și că diferențele dintre nucleotide se datorau diferențelor dintre bazele lor. Modelul său de „polinucleotidă” a avut unele defecte, dar conform standardelor din acea perioadă, a fost remarcabil la țintă.

În 1944, Oswald Avery și colegii săi de la Universitatea Rockefeller au fost primii cercetători cunoscuți care au sugerat în mod oficial că ADN-ul consta din unități ereditare sau gene. Urmărind munca lor, precum și cea a lui Levene, omul de știință austriac Erwin Chargaff a făcut două descoperiri cheie: una, că secvența nucleotidelor din ADN variază între speciile de organisme, spre deosebire de ceea ce avea Levene propus; și două, că în orice organism, cantitatea totală de baze azotate adenină (A) și guanină (G) combinat, indiferent de specie, a fost practic întotdeauna același cu cantitatea totală de citozină (C) și timina (T). Acest lucru nu l-a determinat pe Chargaff să concluzioneze că A se împerechează cu T și C se împerechează cu G în tot ADN-ul, dar ulterior a contribuit la susținerea concluziei la care au ajuns alții.

În cele din urmă, în 1953, Watson și colegii săi, beneficiind de îmbunătățirea rapidă a modalităților de vizualizare a structurilor chimice tridimensionale, au pus toate aceste descoperiri împreună și au folosit modele de carton pentru a stabili că o helică dublă se potrivește cu tot ceea ce se știa despre ADN într-un fel nimic altceva ar putea.

ADN-ul a fost identificat ca material ereditar în viața lucrurilor cu mult înainte de clarificarea structurii sale și ca de multe ori în știința experimentală, această descoperire vitală a fost de fapt incidentală pentru principalele cercetători scop.
Înainte de apariția terapiei cu antibiotice la sfârșitul anilor 1930, bolile infecțioase pretindeau mult mai multe vieți umane decât ele face astăzi, și dezvăluirea misterelor organismelor responsabile a fost un obiectiv critic în cercetarea microbiologiei. În 1913, menționatul Oswald Avery a început lucrările care au dezvăluit în cele din urmă un polizaharid ridicat (zahăr) conținut în capsule de specii bacteriene pneumococice, care fuseseră izolate de pneumonie pacienți. O mare parte a teoretizat că acestea au stimulat producția de anticorpi la persoanele infectate. Între timp, în Anglia, William Griffiths efectua lucrări care arătau că componentele moarte ale unui tip de cauzatoare de boli pneumococul ar putea fi amestecat cu componentele vii ale unui pneumococ inofensiv și să producă o formă cauzatoare de boli a fostului inofensiv; aceasta a dovedit că tot ceea ce s-a mutat de la morți la bacteriile vii era moștenitor.

Când Avery a aflat de rezultatele lui Griffith, a început să efectueze experimente de purificare într-un efort de a izola material precis în pneumococuri care era moștenit și adăugat în acizi nucleici sau, mai precis, nucleotide. ADN-ul era deja puternic suspectat că are ceea ce atunci se numea popular „transformare” principii ", astfel încât Avery și alții au testat această ipoteză expunând materialul ereditar la un varietate de agenți. Cei despre care se știe că sunt distructivi pentru integritatea ADN, dar inofensivi pentru proteine ​​sau ADN, numiți ADNaze, au fost suficient în cantități mari pentru a preveni transmiterea trăsăturilor de la o generație bacteriană la Următorul. Între timp, proteazele, care dezvăluie proteinele, nu au afectat astfel.

Mesajul de acasă al lucrărilor lui Avery's și Griffith este că, din nou, în timp ce oameni precum Watson și Crick au fost lăudați pe bună dreptate pentru contribuțiile lor pentru genetică moleculară, stabilirea structurii ADN-ului a fost de fapt o contribuție destul de târzie la procesul de învățare despre această moleculă spectaculoasă.

Chargaff, deși în mod evident nu a descris în întregime structura ADN-ului, a arătat că, în în plus față de (A + G) = (C + T), cele două catene cunoscute a fi incluse în ADN au fost întotdeauna la aceeași distanță în afară. Acest lucru a condus la postulatul că purine (inclusiv A și G) întotdeauna legate de pirimidine (inclusiv C și T) în ADN. Acest lucru a avut un sens tridimensional, deoarece purinele sunt considerabil mai mari decât pirimidinele, în timp ce toate purinele au în esență aceeași dimensiune și toate pirimidinele au în esență aceeași dimensiune. Aceasta implică faptul că două purine legate împreună ar ocupa mult mai mult spațiu între firele de ADN mai mult de două pirimidine și, de asemenea, că orice asociere dată purină-pirimidină ar consuma aceeași cantitate de spaţiu. Punerea tuturor acestor informații a cerut ca A să se lege de, și numai la, T și să aibă aceeași relație pentru C și G, dacă acest model se va dovedi reușit. Și a făcut-o.

Bazele (mai multe despre acestea mai târziu) se leagă între ele pe interiorul moleculei de ADN, ca niște trepte pe o scară. Dar ce se întâmplă cu firele sau „părțile” în sine? Rosalind Franklin, lucrând cu Watson și Crick, a presupus că această „coloană vertebrală” era făcută din zahăr (în special un zahăr pentozic sau unul cu o structură inelară cu cinci atomi) și o grupare fosfat care leagă zaharuri. Din cauza noii idei clarificate de asociere a bazelor, Franklin și ceilalți au devenit conștienți de faptul că cele două fire ADN într-o singură moleculă erau „complementare”, sau efectiv imagini în oglindă unele cu altele la nivelul lor nucleotide. Acest lucru le-a permis să prezică raza aproximativă a formei răsucite de ADN într-un grad solid de precizie, iar analiza difracției cu raze X a confirmat structura elicoidală. Ideea că helixul era o dublă helix a fost ultimul detaliu major despre structura ADN care a intrat în loc, în 1953.

Nucleotidele sunt subunitățile repetate ale ADN-ului, care este inversul afirmării că ADN-ul este un polimer de nucleotide. Fiecare nucleotidă constă dintr-un zahăr numit dezoxiriboză care conține o structură inelară pentagonală cu un oxigen și patru molecule de carbon. Acest zahăr este legat de o grupare fosfat și două pete de-a lungul inelului din această poziție, este, de asemenea, legat de o bază azotată. Grupurile fosfat leagă zaharurile împreună pentru a forma coloana vertebrală a ADN-ului, ale cărui două fire se răsucesc în jurul bazelor grele legate de azot legate în mijlocul helixului dublu. Elica face o răsucire completă de 360 ​​de grade o dată la fiecare 10 perechi de baze.

Un zahăr legat doar de o bază azotată se numește a nucleozidă.

ARN (acid ribonucleic) diferă de ADN în trei moduri cheie: Una, pirimidina uracil este substituită timinei. În al doilea rând, zahărul pentozic este mai degrabă riboză decât dezoxiriboză. Și trei, ARN-ul este aproape întotdeauna monocatenar și se prezintă sub mai multe forme, a căror discuție este dincolo de scopul acestui articol.

ADN-ul este „dezarhivat” în cele două fire complementare ale sale, atunci când vine timpul să se facă copii. Pe măsură ce se întâmplă acest lucru, firele fiice se formează de-a lungul firelor monoparentale. O astfel de catenă fiică se formează continuu prin adăugarea de nucleotide unice, sub acțiunea enzimei ADN polimerază. Această sinteză urmează pur și simplu de-a lungul direcției de separare a firelor de ADN părinte. Cealaltă catenă fiică se formează din mici polinucleotide numite Fragmente de Okazaki care se formează de fapt în direcția opusă dezarhivării firelor părinte și sunt apoi unite împreună de enzimă ADN ligază.

Deoarece cele două catene fiice sunt, de asemenea, complementare una cu cealaltă, bazele lor se leagă în cele din urmă pentru a face o moleculă de ADN cu catenă dublă identică cu cea părinte.

La bacterii, care sunt unicelulare și numite procariote, o singură copie a ADN-ului bacteriei (numit și genomul acesteia) se află în citoplasmă; nu este prezent niciun nucleu. În organismele eucariote multicelulare, ADN-ul se găsește în nucleu sub formă de cromozomi, care sunt molecule de ADN foarte înfășurate, înfășurate și condensate spațial cu lungimea de doar o milionime de metru și proteine numit histone. La examinarea microscopică, părțile cromozomiale care prezintă histone alternante „bobine” și simple fire de ADN (numite cromatină la acest nivel de organizare) sunt adesea asemănate cu margele de pe un şir. Unele ADN eucariote se găsesc și în organele celulelor numite mitocondrii.