Важность молекул ДНК

ДНК - одна из немногих комбинаций букв, лежащих в основе научной дисциплины, которая, кажется, пробуждает значительный уровень понимания даже у людей, мало знакомых с биологией или естественными науками в течение жизни. Генеральная. Большинство взрослых, которые слышат фразу «Это в ее ДНК», сразу понимают, что конкретная черта неотделима от описываемого человека; что эта характеристика каким-то образом врожденная, никогда не исчезнет и может быть передана детям этого человека и не только. Это, кажется, верно даже в умах тех, кто понятия не имеет, что вообще означает «ДНК», то есть «дезоксирибонуклеиновая кислота».

Люди по понятным причинам очарованы концепцией наследования черт от родителей и передачи своих черт потомству. Для людей вполне естественно задуматься о собственном биохимическом наследии, даже если немногие могут представить его в таких формальных терминах. Признание того, что крошечные невидимые факторы внутри каждого из нас определяют, как дети выглядят и даже ведут себя, несомненно, присутствовало на протяжении многих сотен лет. Но только в середине 20-го века современная наука в великолепных подробностях раскрыла не только то, что представляют собой молекулы, ответственные за наследование, но и как они выглядят.

instagram story viewer

Дезоксирибонуклеиновая кислота - это действительно генетический план, который все живые существа хранят в своих клетках, уникальный микроскопический отпечаток пальца, который не только заставляет каждого человека буквальный единственный в своем роде человек (за исключением однояйцевых близнецов для настоящих целей), но раскрывает много жизненно важной информации о каждом человеке из вероятность быть связанным с другим конкретным человеком; вероятность развития данного заболевания в более позднем возрасте или передачи такого заболевания в будущем; поколения. ДНК стала не только естественным центром молекулярной биологии и науки о жизни в целом, но и неотъемлемым компонентом судебной медицины и биологической инженерии.

Открытие ДНК

Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику (и реже Розалинд Франклин и Морису Уилкинсу) приписывают открытие ДНК в 1953 году. Однако такое восприятие ошибочно. Важно отметить, что эти исследователи действительно установили, что ДНК существует в трехмерной форме в форме двойная спираль, которая по сути представляет собой лестницу, скрученную в разные стороны с обоих концов, чтобы создать спираль форма. Но эти целеустремленные и часто прославленные ученые «всего лишь» опирались на кропотливую работу биологов, которые трудились в поисках той же общей информации. еще в 1860-х годах эксперименты, которые сами по себе были столь же революционными, как и эксперименты Уотсона, Крика и других в исследованиях после Второй мировой войны. эпоха.

В 1869 году, за 100 лет до того, как люди отправятся на Луну, швейцарский химик Фридрих Мишер попытался извлекать белковые компоненты из лейкоцитов (лейкоцитов) для определения их состава и функция. То, что он вместо этого извлек, он назвал «нуклеин», и хотя ему не хватало инструментов, необходимых для изучения, какими будут будущие биохимики. способный учиться, он быстро понял, что этот «нуклеин» связан с белками, но сам не является белком, что он содержит необычный количество фосфора, и что это вещество было устойчиво к разложению теми же химическими и физическими факторами, которые разлагали белки.

Пройдет более 50 лет, прежде чем истинная важность работы Мишера станет очевидной. Во втором десятилетии 1900-х годов русский биохимик Фебус Левен первым предложил то, что мы сегодня называем нуклеотидами, состояло из части сахара, части фосфата и основания часть; что сахар был рибозой; и что различия между нуклеотидами объясняются различиями между их основаниями. Его «полинуклеотидная» модель имела некоторые недостатки, но по стандартам того времени она была в высшей степени точной.

В 1944 году Освальд Эйвери и его коллеги из Рокфеллеровского университета были первыми известными исследователями, которые официально предположили, что ДНК состоит из наследственных единиц или генов. Продолжая их работу, а также работу Левена, австрийский ученый Эрвин Чаргафф сделал два ключевых открытия: один, что последовательность нуклеотидов в ДНК варьируется между видами организмов, в отличие от того, что Левен имел предложил; и во-вторых, что в любом организме общее количество азотистых оснований аденина (A) и гуанина (G) в сочетании, независимо от вида, практически всегда было таким же, как общее количество цитозина (C) и тимин (Т). Это не совсем привело Чаргаффа к выводу, что A пары с T и C пары с G во всей ДНК, но позже это помогло подтвердить вывод, сделанный другими.

Наконец, в 1953 году Уотсон и его коллеги, извлекая пользу из быстро улучшающихся способов визуализации трехмерных химических структур, поставили все эти выводы вместе и с использованием картонных моделей, чтобы установить, что двойная спираль соответствует всему, что было известно о ДНК в большей степени. мог.

ДНК и наследственные черты

ДНК была идентифицирована как наследственный материал в живых существах задолго до того, как ее структура была прояснена, и как Это важное открытие, как часто бывает в экспериментальной науке, на самом деле было случайным для основных исследователей. цель.
До появления антибиотикотерапии в конце 1930-х инфекционные болезни уносили гораздо больше человеческих жизней, чем они делать это сегодня, и разгадывать загадки ответственных организмов было важнейшей целью микробиологических исследований. В 1913 году вышеупомянутый Освальд Эйвери начал работу, которая в конечном итоге обнаружила высокий уровень полисахаридов. (сахар) содержание в капсулах пневмококковых бактерий, выделенных при пневмонии пациенты. Эйвери предположил, что они стимулируют выработку антител у инфицированных людей. Тем временем в Англии Уильям Гриффитс проводил работу, которая показала, что мертвые компоненты одного вида болезнетворных пневмококк может быть смешан с живыми компонентами безвредного пневмококка и вызвать болезнь, вызывающую ранее безобидный вид; это доказывало, что все, что перешло от мертвых к живым бактериям, было наследственным.

Когда Эйвери узнал о результатах Гриффита, он приступил к проведению экспериментов по очистке, пытаясь изолировать точный материал в пневмококках, который был наследуемым и сосредоточен на нуклеиновых кислотах, или, более конкретно, нуклеотиды. Уже подозревали, что ДНК обладает тем, что тогда в народе называлось «трансформирующим». принципов ", поэтому Эйвери и другие проверили эту гипотезу, подвергнув наследственный материал множество агентов. Те, которые, как известно, нарушают целостность ДНК, но безвредны для белков или ДНК, называемые ДНКазами, были в больших количествах, чтобы предотвратить передачу признаков от одного поколения бактерий к следующий. Между тем протеазы, распутывающие белки, такого повреждения не наносили.

Основная идея работы Эйвери и Гриффита заключается в том, что, опять же, в то время как такие люди, как Уотсон и Крик, были справедливо отмечены за их вклад В молекулярной генетике установление структуры ДНК на самом деле было довольно поздним вкладом в процесс изучения этой впечатляющей молекулы.

Структура ДНК

Чаргафф, хотя он, очевидно, не описал полностью структуру ДНК, показал, что в Помимо (A + G) = (C + T), две цепи, о которых известно, что они включены в ДНК, всегда находились на одинаковом расстоянии отдельно. Это привело к постулату, что пурины (включая A и G) всегда связаны с пиримидины (включая C и T) в ДНК. Это имело трехмерный смысл, потому что пурины значительно крупнее пиримидинов, в то время как все пурины по существу одинакового размера, а все пиримидины по существу одинакового размера. Это означает, что два связанных пурина будут занимать значительно больше места между нитями ДНК. чем два пиримидина, а также что любая пара пурин-пиримидин потребляет такое же количество космос. Внесение всей этой информации потребовало, чтобы A связывался с T и только с ним, и чтобы такие же отношения сохранялись для C и G, если эта модель должна была оказаться успешной. Так оно и было.

Основания (подробнее об этом позже) связываются друг с другом внутри молекулы ДНК, как ступеньки лестницы. Но как насчет самих прядей или «сторон»? Розалинда Франклин, работая с Уотсоном и Криком, предположила, что этот «хребет» был сделан из сахара. (в частности, пентозный сахар или сахар с пятиатомной кольцевой структурой) и фосфатная группа, связывающая сахара. Из-за недавно проясненной идеи спаривания оснований Франклин и другие узнали, что две цепи ДНК в одной молекуле были "дополнительными" или фактически зеркальными отображениями друг друга на уровне их нуклеотиды. Это позволило им предсказать приблизительный радиус скрученной формы ДНК с солидной степенью точности, а рентгеноструктурный анализ подтвердил спиральную структуру. Идея о том, что спираль представляет собой двойную спираль, была последней важной деталью структуры ДНК, которая встала на свои места в 1953 году.

Нуклеотиды и азотистые основания

Нуклеотиды - это повторяющиеся субъединицы ДНК, что является обратным тому, чтобы сказать, что ДНК представляет собой полимер нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из сахара, называемого дезоксирибозой, который содержит пентагональную кольцевую структуру с одним кислородом и четырьмя молекулами углерода. Этот сахар связан с фосфатной группой и двумя точками вдоль кольца от этого положения, он также связан с азотистым основанием. Фосфатные группы связывают сахара вместе, образуя основу ДНК, две нити которой обвиваются вокруг связанных азотистых оснований в середине двойной спирали. Спираль совершает один полный поворот на 360 градусов примерно один раз на каждые 10 пар оснований.

Сахар, связанный только с азотистым основанием, называется нуклеозид.

РНК (рибонуклеиновая кислота) отличается от ДНК тремя ключевыми способами: во-первых, пиримидин-урацил заменяет тимин. Во-вторых, пентозный сахар - это рибоза, а не дезоксирибоза. И в-третьих, РНК почти всегда одноцепочечная и встречается во многих формах, обсуждение которых выходит за рамки данной статьи.

Репликация ДНК

Когда приходит время делать копии, ДНК «распаковывается» на две дополнительные цепи. Когда это происходит, дочерние нити образуются вдоль одиночных родительских нитей. Одна такая дочерняя цепь непрерывно образуется путем добавления отдельных нуклеотидов под действием фермента. ДНК-полимераза. Этот синтез просто следует в направлении разделения родительских цепей ДНК. Другая дочерняя цепь образуется из небольших полинуклеотидов, называемых Фрагменты Окадзаки которые на самом деле образуются в направлении, противоположном расстегиванию родительских цепей, а затем соединяются вместе с помощью фермента ДНК-лигаза.

Поскольку две дочерние цепи также комплементарны друг другу, их основания в конечном итоге связываются вместе, образуя двухцепочечную молекулу ДНК, идентичную родительской.

У бактерий, которые являются одноклеточными и называются прокариотами, одна копия ДНК бактерии (также называемая ее геномом) находится в цитоплазме; ядра нет. У многоклеточных эукариотических организмов ДНК находится в ядре в виде хромосом, которые сильно скрученные, скрученные и пространственно сконденсированные молекулы ДНК длиной всего миллионные доли метра, а белки называется гистоны. При микроскопическом исследовании участки хромосомы, на которых видны чередующиеся «катушки» гистонов и простые нити ДНК (называемые хроматином на этом уровне организации) часто сравнивают с бусинками на нить. Некоторая эукариотическая ДНК также обнаруживается в органеллах клеток, называемых митохондрии.

Teachs.ru
  • Доля
instagram viewer