Dôležitosť molekúl DNA

DNA je jednou z mála kombinácií písmen v jadre vedeckej disciplíny, ktorá, zdá sa, vyvoláva a významná úroveň porozumenia aj u ľudí s nízkym celoživotným vystavením biológii alebo vedám v všeobecne. Väčšina dospelých, ktorí počujú frázu „Je to v jej DNA“, okamžite rozpoznajú, že určitá vlastnosť je neoddeliteľná od opisovanej osoby; že charakteristika je akosi vrodená, nikdy nezmizne a je možné ju preniesť na deti tejto osoby a ďalej. Zdá sa, že to platí aj v mysliach tých, ktorí vôbec netušia, čo vlastne znamená „DNA“, čo je „kyselina deoxyribonukleová“.

Ľudia sú pochopiteľne fascinovaní konceptom dedenia vlastností po rodičoch a odovzdávania svojich vlastných vlastností potomkom. Je len prirodzené, že ľudia uvažujú o svojom vlastnom biochemickom odkaze, aj keď si ho málokto vie predstaviť tak formálne. Uznanie, že v tele každého z nás vládnu drobné neviditeľné faktory, ktoré riadia to, ako deti ľudí vyzerajú a dokonca sa správajú, už určite existuje mnoho stoviek rokov. Ale až v polovici 20. storočia moderná veda odhalila v slávnych detailoch nielen to, čo sú molekuly zodpovedné za dedičstvo, ale aj to, ako vyzerali.

Kyselina deoxyribonukleová je skutočne genetický plán, ktorý si všetky živé bytosti zachovávajú vo svojich bunkách, jedinečný mikroskopický odtlačok prsta, ktorý nielen robí každého človeka doslova jedinečný jedinec (identické dvojčatá s výnimkou pre súčasné účely), ale odhaľuje množstvo dôležitých informácií o každom človeku, od pravdepodobnosť vzťahu s inou konkrétnou osobou k šanciam na rozvinutie danej choroby v neskoršom veku alebo na prenos takejto choroby do budúcnosti generácií. DNA sa stala nielen prirodzeným ústredným bodom molekulárnej biológie a prírodných vied ako celku, ale aj integrálnou súčasťou forenznej vedy a biologického inžinierstva.

James Watson a Francis Crick (a menej často Rosalind Franklin a Maurice Wilkins) sú všeobecne pripísaní za objav DNA v roku 1953. Toto vnímanie je však mylné. Títo vedci kriticky preukázali, že DNA existuje v trojrozmernej forme v tvare a dvojitá špirála, čo je v podstate rebrík skrútený na oboch koncoch rôznymi smermi, aby vznikla špirála tvar. Ale títo odhodlaní a často uznávaní vedci stavali „iba“ na namáhavej práci biológov, ktorí sa usilovali hľadať rovnaké všeobecné informácie už v 60. rokoch 19. storočia boli experimenty, ktoré boli rovnako priekopnícke ako experimenty Watsona, Cricka a ďalších vo výskume po druhej svetovej vojne éra.

V roku 1869, 100 rokov predtým, ako ľudia vycestovali na Mesiac, sa o to pokúsil švajčiarsky chemik menom Friedrich Miescher extrahovať bielkovinové zložky z leukocytov (biele krvinky), aby sa určilo ich zloženie a funkcie. To, čo namiesto toho extrahoval, nazval „nukleín“, a hoci mu chýbali nástroje potrebné na to, aby sa dozvedel, čo budú budúci biochemici schopný sa naučiť, rýchlo zistil, že tento „nukleín“ súvisí s proteínmi, ale nie je sám o sebe proteínom, že obsahuje neobvyklý fosforu a že táto látka bola odolná proti degradácii rovnakými chemickými a fyzikálnymi faktormi, ktoré sa degradovali bielkoviny.

Bolo by to viac ako 50 rokov, kým sa prvýkrát ukázal skutočný význam Miescherovej práce. V druhom desaťročí 20. rokov 20. storočia ako prvý navrhol ruský biochemik Phoebus Levene že to, čo dnes nazývame nukleotidy, pozostávalo z cukrovej časti, fosfátovej časti a bázy porcia; že cukor bol ribóza; a že za rozdiely medzi nukleotidmi vďačili rozdielom medzi ich bázami. Jeho „polynukleotidový“ model mal určité nedostatky, ale podľa vtedajších štandardov bol pozoruhodne zameraný na cieľ.

V roku 1944 boli Oswald Avery a jeho kolegovia z Rockefellerovej univerzity prvými známymi výskumníkmi, ktorí formálne naznačili, že DNA pozostávala z dedičných jednotiek alebo génov. V nadväznosti na ich prácu a prácu v Levene urobil rakúsky vedec Erwin Chargaff dva kľúčové objavy: prvý, že sekvencia nukleotidov v DNA sa líši medzi druhmi organizmov, na rozdiel od toho, čo mal Levene navrhované; a dva, že v akomkoľvek organizme je celkové množstvo dusíkatých báz adenín (A) a guanín (G) kombinované, bez ohľadu na druh, bolo prakticky vždy rovnaké ako celkové množstvo cytozínu (C) a tymín (T). To celkom neviedlo Chargaffa k záveru, že páry A s T a C sa spájajú s G v celej DNA, ale neskôr to pomohlo podporiť záver, ku ktorému dospeli ostatní.

Nakoniec, v roku 1953, Watson a jeho kolegovia, ktorí profitovali z rýchlo sa zlepšujúcich spôsobov vizualizácie trojrozmerných chemických štruktúr, vložili všetky tieto objavy spolu a pomocou kartónových modelov dokázali, že dvojitá špirála zapadá do všetkého, čo sa vedelo o DNA, ničím iným mohol.

DNA bola identifikovaná ako dedičný materiál v živých veciach oveľa skôr, ako bola objasnená jej štruktúra, a pod V experimentálnej vede to často býva, tento zásadný objav bol v skutočnosti vedľajším javom vedcov účel.
Predtým, ako sa koncom 30. rokov objavila antibiotická terapia, vyžiadali si infekčné choroby oveľa viac ľudských životov ako oni urobte dnes a odhalenie záhad zodpovedných organizmov bolo kritickým cieľom v mikrobiologickom výskume. V roku 1913 začal spomínaný Oswald Avery práce, ktoré nakoniec odhalili vysoký polysacharid (cukor) v tobolkách pneumokokových bakteriálnych druhov, ktoré boli izolované zo zápalu pľúc pacientov. Avery predpokladal, že stimulovali produkciu protilátok u infikovaných ľudí. Medzitým v Anglicku William Griffiths vykonával práce, ktoré preukázali, že mŕtve zložky jedného druhu spôsobujú choroby pneumokok by sa mohol zmiešať so živými zložkami neškodného pneumokoka a vyvolať chorobu spôsobujúcu formu neškodný druh; to dokázalo, že čokoľvek, čo sa presunulo z mŕtvych k živým baktériám, bolo dedičné.

Keď sa Avery dozvedel o výsledkoch Griffitha, pustil sa do purifikačných experimentov so snahou izolovať presný materiál v pneumokokoch, ktorý bol dedičný a nasmerovaný na nukleové kyseliny, presnejšie povedané nukleotidy. DNA už bola silne podozrivá z toho, že sa transformovala tzv. Transformácia princípy, “takže Avery a ďalší testovali túto hypotézu vystavením dedičného materiálu a rozmanitosť agentov. Boli známe látky, ktoré boli deštruktívne pre integritu DNA, ale neškodné pre proteíny alebo DNA, nazývané DNAázy dostatočné vo veľkých množstvách, aby sa zabránilo prenosu znakov z jednej bakteriálnej generácie na Ďalšie. Medzitým proteázy, ktoré štiepia proteíny, také poškodenie nespôsobili.

Posolstvom práce Averyho a Griffitha je, že aj keď ľudia ako Watson a Crick boli za svoje príspevky právom chválení k molekulárnej genetike bolo stanovenie štruktúry DNA vlastne dosť neskorým príspevkom do procesu poznávania tejto pozoruhodnej molekuly.

Chargaff, aj keď zjavne neopísal úplnú štruktúru DNA, ukázal, že v okrem (A + G) = (C + T) boli dva reťazce, o ktorých je známe, že sú zahrnuté v DNA, vždy v rovnakej vzdialenosti od seba. To viedlo k postulátu puríny (vrátane A a G) vždy viazané na pyrimidíny (vrátane C a T) v DNA. Toto malo trojrozmerný zmysel, pretože puríny sú podstatne väčšie ako pyrimidíny, zatiaľ čo všetky puríny majú v podstate rovnakú veľkosť a všetky pyrimidíny majú v podstate rovnakú veľkosť. To znamená, že dva puríny spojené dohromady by zabrali medzi vláknami DNA podstatne viac priestoru ako dva pyrimidíny, a tiež to, že akýkoľvek daný pár purín-pyrimidín by spotreboval rovnaké množstvo priestor. Uvedenie všetkých týchto informácií vyžadovalo, aby sa A viazala iba na T a aby rovnaký vzťah platil pre C a G, ak sa tento model osvedčil. A má.

Bázy (viac o nich neskôr) sa na seba naviažu vo vnútri molekuly DNA, ako priečky v rebríku. Ale čo samotné pramene alebo „strany“? Rosalind Franklin v spolupráci s Watsonom a Crickom predpokladali, že táto „chrbtica“ je vyrobená z cukru (konkrétne pentózový cukor alebo cukor s päťatómovou kruhovou štruktúrou) a fosfátová skupina spájajúca cukry. Kvôli novo vyjasnenej myšlienke párovania báz si Franklin a ostatní uvedomili, že tieto dva reťazce DNA v jednej molekule boli „komplementárne“ alebo v skutočnosti vzájomné zrkadlové obrazy na ich úrovni nukleotidy. To im umožnilo predvídať približný polomer skrútenej formy DNA so solídnym stupňom presnosti a röntgenová difrakčná analýza potvrdila helikálnu štruktúru. Myšlienka, že špirála je dvojitá špirála, bola posledným hlavným detailom štruktúry DNA, ktorý zapadol na svoje miesto, v roku 1953.

Nukleotidy sú opakujúce sa podjednotky DNA, čo je naopak, že DNA je polymér nukleotidov. Každý nukleotid pozostáva z cukru nazývaného deoxyribóza, ktorý obsahuje päťuholníkovú kruhovú štruktúru s jednou kyslíkom a štyrmi molekulami uhlíka. Tento cukor je viazaný na fosfátovú skupinu a z tejto polohy na dvoch bodoch pozdĺž kruhu je tiež viazaný na dusíkatú bázu. Fosfátové skupiny spájajú cukry dohromady, aby vytvorili hlavný reťazec DNA, ktorého dva reťazce sa krútia okolo naviazaných dusíkatých báz v strede dvojitej špirály. Skrutka vytvára jeden úplný 360-stupňový zákrut približne raz za 10 párov báz.

Cukor viazaný iba na dusíkatú bázu sa nazýva a nukleozid.

RNA (kyselina ribonukleová) sa líši od DNA tromi kľúčovými spôsobmi: Jedným je pyrimidín uracil, ktorý je nahradený tymínom. Po druhé, pentózový cukor je skôr ribóza ako deoxyribóza. A tri, RNA je takmer vždy jednovláknová a má rôzne formy, ktorých diskusia presahuje rámec tohto článku.

Keď nastane čas na vytvorenie kópií, DNA je „rozbalená“ do dvoch komplementárnych reťazcov. Keď sa to deje, tvoria sa dcérske vlákna pozdĺž samostatných rodičovských vlákien. Jedno také dcérske vlákno sa vytvára nepretržite pridávaním jednotlivých nukleotidov pôsobením enzýmu DNA polymeráza. Táto syntéza jednoducho nasleduje v smere separácie rodičovských reťazcov DNA. Druhé dcérske vlákno sa formuje z malých polynukleotidov nazývaných Okazaki fragmenty ktoré sa skutočne tvoria v opačnom smere ako rozopínanie pôvodných vlákien, a sú potom spojené enzýmom DNA ligáza.

Pretože tieto dva dcérske reťazce sú tiež navzájom komplementárne, ich bázy sa nakoniec spoja a vznikne dvojvláknová molekula DNA identická s pôvodnou.

V baktériách, ktoré sú jednobunkové a nazývajú sa prokaryoty, sedí v cytoplazme jedna kópia DNA baktérie (tiež sa nazýva jej genóm); nie je prítomné jadro. V mnohobunkových eukaryotických organizmoch sa DNA nachádza v jadre vo forme chromozómov, ktoré sú vysoko stočené, navinuté a priestorovo kondenzované molekuly DNA, dlhé iba miliónty metrov, a proteíny zavolal históny. Pri mikroskopickom vyšetrení sa chromozómové časti, ktoré ukazujú striedavé histónové „cievky“ a jednoduché vlákna DNA (na tejto úrovni organizácie nazývané chromatín) sú často prirovnávané k guľôčkam na a struna. Časť eukaryotickej DNA sa nachádza aj v organelách buniek nazývaných mitochondrie.