Pomen molekul DNA

DNK je ena redkih kombinacij črk v jedru znanstvene discipline, za katero se zdi, da sproža pomembna raven razumevanja tudi pri ljudeh z malo življenjske izpostavljenosti biologiji ali znanosti v Ljubljani splošno. Večina odraslih, ki slišijo stavek "V njeni DNK je", takoj ugotovi, da je določena lastnost neločljivo povezana z opisano osebo; da je značilnost nekako prirojena, nikoli ne izgine in jo je mogoče prenesti na otroke te osebe in naprej. Zdi se, da to drži tudi v mislih tistih, ki nimajo pojma, kaj sploh pomeni "DNA", to je "deoksiribonukleinska kislina".

Ljudje so razumljivo navdušeni nad konceptom dedovanja lastnosti svojih staršev in prenašanja svojih lastnosti na svoje potomce. Povsem naravno je, da ljudje premišljujejo o svoji lastni biokemični zapuščini, četudi si le redki to predstavljajo v takem formalnem smislu. Priznanje, da drobni nevidni dejavniki v vsakem izmed nas urejajo, kako izgledajo in celo obnašajo se otroci, je zagotovo prisotno že več sto let. A šele sredi 20. stoletja je moderna znanost s čudovitimi podrobnostmi razkrila ne le, kakšne so molekule, odgovorne za dedovanje, ampak tudi, kako so izgledale.

Deoksiribonukleinska kislina je resnično genetski načrt, ki ga vsa živa bitja hranijo v svojih celicah, edinstven mikroskopski prstni odtis, ki ne samo, da vsak človek dobesedni edinstveni posameznik (enojajčni dvojčki so za zdaj namenjeni), vendar razkriva veliko vitalnih informacij o vsaki osebi, od verjetnost, da bi bila povezana z drugo določeno osebo, in možnosti za razvoj določene bolezni kasneje v življenju ali prenos take bolezni na prihodnost generacije. DNK ni postala samo naravna osrednja točka molekularne biologije in znanosti o življenju kot celoti, temveč tudi sestavni del forenzične znanosti in biološkega inženirstva.

James Watson in Francis Crick (in redkeje Rosalind Franklin in Maurice Wilkins) sta zaslužna za odkritje DNK leta 1953. To zaznavanje pa je napačno. Ključno je, da so ti raziskovalci dejansko ugotovili, da DNK obstaja v tridimenzionalni obliki v obliki dvojna vijačnica, ki je v bistvu lestev, ki je na obeh koncih zvita v različnih smereh, da ustvari spiralo obliko. Toda ti odločni in pogosto slavljeni znanstveniki so "le" gradili na mučnem delu biologov, ki so se trudili iskati iste splošne informacije že v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, eksperimenti, ki so bili ravno tako revolucionarni kot Watson, Crick in drugi v raziskavah po drugi svetovni vojni dobe.

Leta 1869, 100 let preden bodo ljudje odpotovali na Luno, si je prizadeval švicarski kemik po imenu Friedrich Miescher ekstrahirajo beljakovinske sestavine iz levkocitov (belih krvnih celic), da določijo njihovo sestavo in funkcijo. Kar je namesto tega izvlekel, je imenoval "nuklein" in čeprav mu ni bilo dovolj instrumentov, da bi se naučil, kakšni bodo biokemiki v prihodnosti ko se je lahko naučil, je hitro ugotovil, da je ta "nuklein" povezan z beljakovinami, vendar sam ni beljakovina, da vsebuje nenavadno fosforja in da je bila ta snov odporna na razgradnjo z enakimi kemičnimi in fizikalnimi dejavniki, beljakovin.

Minilo je več kot 50 let, preden se je zares izkazal resničen pomen Miescherjevega dela. V drugem desetletju 19. stoletja je ruski biokemik Phoebus Levene prvi predlagal to, kar danes imenujemo nukleotidi, je bilo sestavljeno iz dela sladkorja, dela fosfata in baze porcija; da je bil sladkor riboza; in da so bile razlike med nukleotidi posledica razlik med njihovimi bazami. Njegov model "polinukleotida" je imel nekaj napak, a po takratnih standardih je bil izjemno namerjen.

Leta 1944 so bili Oswald Avery in njegovi kolegi z univerze Rockefeller prvi znani raziskovalci, ki so formalno predlagali, da je DNA sestavljena iz dednih enot ali genov. Avstrijski znanstvenik Erwin Chargaff je po nadaljevanju njihovega dela in dela Levenea odkril dve ključni odkritji: ena, da se zaporedje nukleotidov v DNK med vrstami organizmov razlikuje, v nasprotju s tem, kar je imel Levene predlagano; in dve, da je v katerem koli organizmu skupna količina dušikovih baz adenin (A) in gvanin (G) skupaj, ne glede na vrsto, je bila skoraj vedno enaka celotni količini citozina (C) in timin (T). To Chargaffa ni povsem pripeljalo do zaključka, da se pari A s T in C parita z G v vseh DNK, vendar je kasneje pomagalo podkrepiti zaključke drugih.

Nazadnje so Watson in njegovi kolegi leta 1953, ki so imeli koristi od hitrih izboljšav načinov vizualizacije tridimenzionalnih kemičnih struktur, postavili vse te ugotovitve so skupaj uporabili kartonske modele, da so ugotovili, da dvojna vijačnica ustreza ničesar drugega, kar je bilo znano o DNK lahko.

DNA je bila identificirana kot dedni material v živih stvareh že pred razjasnitvijo njene strukture in kot pogosto v primeru eksperimentalne znanosti, je bilo to bistveno odkritje dejansko postransko glavno za raziskovalce namen.
Preden se je konec tridesetih let pojavila antibiotična terapija, so nalezljive bolezni terjale veliko več človeških življenj kot njih danes, in razkrivanje skrivnosti odgovornih organizmov je bilo ključni cilj mikrobioloških raziskav. Leta 1913 je omenjeni Oswald Avery začel z delom, ki je na koncu razkrilo visok polisaharid vsebnost (sladkorja) v kapsulah pnevmokoknih bakterijskih vrst, ki so bile izolirane iz pljučnice bolniki. Avery je teoretiziral, da ti spodbujajo nastajanje protiteles pri okuženih ljudeh. Medtem je v Angliji William Griffiths opravljal dela, ki so pokazala, da mrtve sestavine ene vrste povzročajo bolezni pnevmokoke lahko mešamo z živimi sestavinami neškodljivega pnevmokoka in ustvarjamo bolezen, ki povzroča neškodljiva vrsta; to je dokazalo, da je bilo vse, kar se je preselilo od mrtvih do živih bakterij, dedno.

Ko je Avery izvedel za Griffithove rezultate, se je lotil izvajanja poskusov čiščenja, da bi izoliral natančen material v pnevmokokih, ki je bil deden in nameščen na nukleinske kisline, ali natančneje, nukleotidi. Za DNK smo že močno sumili, da se je takrat imenovala "preobrazba" načela, "zato so Avery in drugi to hipotezo preizkusili tako, da so dedno gradivo izpostavili a različnih agentov. Tisti, za katere je znano, da uničujejo integriteto DNA, vendar neškodljivi za beljakovine ali DNA, imenovani DNAaze, so bili dovolj v velikih količinah, da se prepreči prenos lastnosti iz ene bakterijske generacije v Naslednji. Medtem proteaze, ki razgrinjajo beljakovine, niso povzročile take škode.

Sporočilo Averyjevega in Griffithovega dela je domov, da se ljudje, kot sta Watson in Crick, s svojimi prispevki upravičeno pohvalijo k molekularni genetiki je bila vzpostavitev strukture DNA pravzaprav dokaj pozen prispevek k procesu učenja o tej spektakularni molekuli.

Chargaff, čeprav očitno ni v celoti opisal strukture DNK, je to pokazal v poleg (A + G) = (C + T) sta bili obe verigi, za katero je znano, da sta vključeni v DNA, vedno enake razdalje narazen. To je privedlo do postulata, da purini (vključno z A in G) vedno vezan na pirimidini (vključno s C in T) v DNA. To je bilo tridimenzionalno smiselno, ker so purini bistveno večji od pirimidinov, medtem ko so vsi purini v bistvu enake velikosti in vsi pirimidini v bistvu enake velikosti. To pomeni, da bi dva purina, vezana skupaj, zavzela precej več prostora med verigami DNA kot dva pirimidina, in tudi, da bi kateri koli par purin-pirimidin porabil enako količino vesolja. Dajanje vseh teh informacij je zahtevalo, da se A veže na T in samo na T ter da za C in G velja enako razmerje, če naj bi se ta model izkazal za uspešnega. In je.

Osnove (o tem več kasneje) se med seboj vežejo na notranjost molekule DNA, kot prečke v lestvi. Kaj pa sami prameni ali "plati"? Rosalind Franklin je v sodelovanju z Watsonom in Crickom domnevala, da je ta "hrbtenica" narejena iz sladkorja (zlasti pentozni sladkor ali tisti s petatomsko obročasto strukturo) in fosfatna skupina, ki povezuje sladkorji. Zaradi na novo razjasnjene ideje o parjenju baz so Franklin in ostali spoznali, da sta obe verigi DNA v eni sami molekuli so se "komplementarno" ali dejansko zrcalno odražali drug drugega na ravni svojih molekul nukleotidi. To jim je omogočilo, da so v solidni stopnji natančnosti napovedali približni polmer zvite oblike DNA, analiza rentgenske difrakcije pa je potrdila vijačno strukturo. Zamisel, da je bila vijačnica dvojna vijačnica, je bila zadnja pomembna podrobnost o strukturi DNK, ki se je ustalila leta 1953

Nukleotidi so ponavljajoče se podenote DNA, kar je obratno, če rečemo, da je DNA polimer nukleotidov. Vsak nukleotid je sestavljen iz sladkorja, imenovanega deoksiriboza, ki vsebuje petkotno obročasto strukturo z eno kisikovo in štirimi molekulami ogljika. Ta sladkor je vezan na fosfatno skupino in dve točki vzdolž obroča iz tega položaja je vezan tudi na dušikovo bazo. Fosfatne skupine povezujejo sladkorje skupaj, da tvorijo hrbtenico DNA, katere dve verigi se zvijeta okoli vezanih baz, težkih za dušik, na sredini dvojne vijačnice. Vijačnica naredi en popoln 360-stopinjski zasuk približno vsakih 10 osnovnih parov.

Sladkor, vezan samo na dušikovo osnovo, se imenuje a nukleozid.

RNA (ribonukleinska kislina) se od DNA razlikuje na tri ključne načine: Prvi je pirimidinski uracil nadomeščen s timinom. Drugič, pentozni sladkor je riboza in ne deoksiriboza. In tretjič, RNA je skoraj vedno enoverižna in je v več oblikah, katerih razprava presega področje tega članka.

DNK se "razpakira" v svoja dva komplementarna sklopa, ko pride čas za izdelavo kopij. Ko se to dogaja, se hčerinske niti oblikujejo vzdolž samohranilnih verig. Ena taka hčerinska veriga se neprekinjeno tvori z dodajanjem posameznih nukleotidov pod delovanjem encima DNA polimeraza. Ta sinteza preprosto sledi v smeri ločevanja starševskih verig DNA. Druga hčerinska veriga se oblikuje iz majhnih polinukleotidov, imenovanih Okazaki drobci ki dejansko nastanejo v nasprotni smeri odpiranja starševskih verig, nato pa jih encim združi DNA ligaza.

Ker sta dve hčerinski verigi tudi komplementarni, se njuni bazi sčasoma povežeta, da dobita dvoverižno molekulo DNA, ki je enaka matični.

Pri bakterijah, ki so enocelične in jih imenujemo prokarionti, v citoplazmi sedi ena kopija DNK bakterije (imenovan tudi njen genom); ni jedra. V večceličnih evkariontskih organizmih se DNK nahaja v jedru v obliki kromosomov, ki so visoko zvite, tuljave in prostorsko zgoščene molekule DNA, dolge le milijoninke metra, in beljakovine poklical histoni. Pri mikroskopskem pregledu so deli kromosomov, ki kažejo izmenične histonske "tuljave" in preprosti verige DNA (na tej ravni organizacije imenovane kromatin) pogosto primerjamo z biseri na a vrvica. Nekaj ​​evkariontske DNA najdemo tudi v organelah celic, imenovanih mitohondrije.