Значај молекула ДНК

ДНК је једна од ретких комбинација слова у сржи научне дисциплине која као да подстиче значајан ниво разумевања чак и код људи са мало животне изложености биологији или наукама у Генерал. Већина одраслих који чују фразу „У њеној је ДНК“ одмах препознају да је одређена особина неодвојива од особе која се описује; да је карактеристика некако урођена, да никада не нестаје и да је способна да се пренесе на децу те особе и шире. Чини се да ово важи чак и у умовима оних који немају појма шта уопште значи „ДНК“, а то је „деоксирибонуклеинска киселина“.

Људи су разумљиво фасцинирани концептом наслеђивања особина од родитеља и преношења сопствених особина на своје потомство. Природно је да људи размишљају о сопственом биохемијском наслеђу, чак иако то мало ко може замислити у тако формалном смислу. Признање да ситни невиђени фактори у свакоме од нас управљају како деца људи изгледају и чак се понашају сигурно је присутно већ стотинама година. Али тек средином 20. века модерна наука је у сјајним детаљима открила не само који су молекули одговорни за наследство, већ и како су изгледали.

Деоксирибонуклеинска киселина је заиста генетски нацрт који сва жива бића одржавају у својим ћелијама, јединствени микроскопски отисак прста који не само да чини сваког човека дословна јединствена особа (једнојајчани близанци изузети за садашње сврхе), али откривају пуно виталних информација о свакој особи, од вероватноћа да ћете бити повезани са другом одређеном особом и шансе за развој дате болести касније у животу или преношење такве болести у будућност генерације. ДНК је постала не само природна централна тачка молекуларне биологије и науке о животу у целини, већ и интегрална компонента форензичке науке и биолошког инжењерства.

Џејмсу Вотсону и Френсису Крику (и ређе Росалинд Франклин и Морису Вилкинсу) широко се приписује откриће ДНК 1953. године. Ова перцепција је, међутим, погрешна. Критично је да су ови истраживачи у ствари утврдили да ДНК постоји у тродимензионалном облику у облику А. двострука завојница, која је у основи лествица увијена у различитим правцима на оба краја да би се створила спирала облик. Али ови одлучни и често прослављени научници су „само“ наставили на мукотрпном раду биолога који су се мучили у потрази за истим општим информацијама још 1860-их, експерименти који су били сами по себи једнако револуционарни као и Ватсон, Црицк и други у истраживањима након Другог светског рата доба.

1869. године, сто година пре него што ће људи отпутовати на Месец, швајцарски хемичар по имену Фриедрицх Миесцхер је то желео извући протеинске компоненте из леукоцита (белих крвних зрнаца) да би се утврдио њихов састав и функцију. Оно што је уместо тога извукао назвао је "нуклеин", и иако му је недостајало инструмената потребних да би научио шта ће бити будући биохемичари способан да научи, брзо је схватио да је овај „нуклеин“ повезан са протеинима, али да сам по себи није протеин, да садржи необичан фосфора и да је ова супстанца отпорна на разградњу истим хемијским и физичким факторима који су се разградили протеини.

Прошло је више од 50 година пре него што је права важност Миесцхеровог дела први пут постала очигледна. У другој деценији 1900-их, руски биохемичар Пхоебус Левене први је предложио оно што данас називамо нуклеотидима састојало се од дела шећера, дела фосфата и базе порција; да је шећер био рибоза; и да су разлике између нуклеотида дуговане разликама између њихових база. Његов модел „полинуклеотида“ имао је неколико мана, али по тадашњим стандардима био је изузетно на мети.

1944. Освалд Авери и његове колеге са Универзитета Роцкефеллер били су први познати истраживачи који су формално сугерисали да се ДНК састоји од наследних јединица или гена. Пратећи њихов рад, као и Левенов, аустријски научник Ервин Цхаргафф направио је два кључна открића: један, да се секвенца нуклеотида у ДНК разликује од врсте организма, супротно ономе што је Левене имао предложен; и два, да је у било ком организму укупна количина азотних база аденин (А) и гванин (Г) комбиновано, без обзира на врсту, било је готово увек исто као и укупна количина цитозина (Ц) и тимин (Т). То није сасвим навело Цхаргаффа да закључи да се А парови са Т и Ц паре са Г у целој ДНК, али је касније помогло да се поткрепи закључак до којег су дошли други.

Коначно, 1953. године, Ватсон и његове колеге, профитирајући од брзог побољшања начина визуализације тродимензионалних хемијских структура, ставили су све ова открића су заједно користила картонске моделе да би се утврдило да двострука завојница одговара ничему другом што се знало о ДНК могао.

ДНК је идентификован као наследни материјал у стварима за живот пре него што је његова структура разјашњена, и као често случај у експерименталној науци, ово витално откриће заправо је било случајно за главни истраживач сврха.
Пре него што се антибиотска терапија појавила крајем 1930-их, заразне болести су однеле много више људских живота од њих данас, а разоткривање мистерија одговорних организама био је пресудан циљ у микробиолошким истраживањима. 1913. године, горе поменути Освалд Авери започео је рад који је на крају открио висок полисахарид садржај (шећера) у капсулама пнеумококних бактеријских врста, које су изоловане од упале плућа болесника. Авери је теоретизовао да су ови стимулисали производњу антитела код заражених људи. У међувремену, у Енглеској је Виллиам Гриффитхс изводио посао који је показао да мртве компоненте једне врсте узрокују болести пнеумокок се може мешати са живим компонентама безопасног пнеумокока и створити некадашњи облик који изазива болести безопасна врста; ово је доказало да је оно што се премештало из мртвих у живе бактерије наследјиво.

Када је Авери сазнао за Гриффитхове резултате, почео је да спроводи експерименте пречишћавања у покушају да изолује прецизан материјал у пнеумококама који је био наследан и удомљен на нуклеинске киселине, или тачније, нуклеотиди. За ДНК се већ сумњало да има оно што се тада популарно називало „трансформишући“ принципа “, па су Авери и други тестирали ову хипотезу излажући наследни материјал а разноврсни агенси. Они за које се зна да су деструктивни за интегритет ДНК, али безопасни за протеине или ДНК, звани ДНАазе, били су довољне у великим количинама да спрече пренос особина са једне бактеријске генерације на следећи. У међувремену, протеазе, које распетљавају протеине, нису нанеле такву штету.

Порука Авери-овог и Гриффитх-овог дела кући је да је, опет, док су људи као што су Ватсон и Црицк с правом похваљени за њихов допринос молекуларној генетици, успостављање структуре ДНК заправо је био прилично касни допринос процесу учења о овом спектакуларном молекулу.

Цхаргафф, иако очигледно није у потпуности описао структуру ДНК, показао је то, у поред (А + Г) = (Ц + Т), два ланца за која се зна да су укључени у ДНК увек су била на истој удаљености одвојено. То је довело до постулата да пурини (укључујући А и Г) увек везани за пиримидини (укључујући Ц и Т) у ДНК. Ово је имало тродимензионални смисао, јер су пурини знатно већи од пиримидина, док су сви пурини у основи исте величине, а сви пиримидини су у суштини исте величине. То имплицира да би две пурине повезане заједно заузимале знатно више простора између ДНК ланаца него два пиримидина, као и да би свако дато пуринско-пиримидинско упарење појело исту количину свемир. Стављање свих ових информација захтевало је да се А веже за и само за Т и да исти однос важи за Ц и Г ако се овај модел жели показати успешним. И јесте.

Базе (о њима више касније) везују се једна за другу у унутрашњости молекула ДНК, попут пречки у лествици. Али шта је са праменовима или самим „странама“? Росалинд Франклин је, радећи са Вотсоном и Криком, претпоставила да је та „кичма“ направљена од шећера (посебно пентозни шећер или онај са петоматомном прстенастом структуром) и фосфатна група која повезује шећера. Због новоразјашњене идеје о упаривању база, Франклин и остали постали су свесни да су та два ланца ДНК у једном молекулу били „комплементарни“, или у ствари зрцалне слике једне друге на нивоу њихових нуклеотиди. То им је омогућило да предвиде приближни радијус увијеног облика ДНК унутар солидног степена тачности, а анализа дифракције Кс-зрака потврдила је спиралну структуру. Идеја да је спирала двострука била је последњи главни детаљ о структури ДНК који је дошао на своје место, 1953. године.

Нуклеотиди су подјединице ДНК које се понављају, што је обратно рекавши да је ДНК полимер нуклеотида. Сваки нуклеотид се састоји од шећера званог деоксирибоза који садржи петоугаону прстенасту структуру са једним молекулом кисеоника и четири молекула. Овај шећер је везан за фосфатну групу, а два места дуж прстена из овог положаја везан је и за азотну базу. Фосфатне групе повезују шећере заједно формирајући ДНК окосницу, чија се два ланца увијају око везаних база тешких азотом у средини двоструке завојнице. Хеликс чини један потпуни заокрет од 360 степени отприлике једном на 10 основних парова.

Шећер везан само за азотну базу назива се а нуклеозид.

РНК (рибонуклеинска киселина) се разликује од ДНК на три кључна начина: Један, пиримидин урацил је замењен тимином. Друго, пентозни шећер је рибоза, а не деоксирибоза. И треће, РНК је готово увек једноланчана и долази у више облика, чија расправа превазилази делокруг овог чланка.

ДНК се „распакује“ у своја два комплементарна ланца када дође време за израду копија. Како се то догађа, ћерке се формирају дуж самохраних родитеља. Једна таква ћерка ланац настаје непрекидно додавањем појединачних нуклеотида, под дејством ензима ДНК полимераза. Ова синтеза једноставно следи у правцу раздвајања матичних ДНК ланаца. Други ћеркасти облици формирани су из малих полинуклеотида тзв Оказаки фрагменти који се уствари формирају у супротном смеру од отварања матичних ланаца, а затим их ензим спаја ДНА лигаза.

Будући да су две ћерке ланци такође комплементарне једна другој, њихове базе се на крају везују да би дволанчани молекул ДНК био идентичан матичном.

Код бактерија, које су једноћелијске и називају се прокариоти, једна копија ДНК бактерије (која се назива и њеним геномом) налази се у цитоплазми; није присутно језгро. У вишећелијским еукариотским организмима ДНК се налази у језгру у облику хромозома, који су високо намотани, намотани и просторно згуснути молекули ДНК дуги само милионити део метра и протеини позвао хистони. Током микроскопског прегледа, делови хромозома који показују наизменичне хистонске „калеме“ и једноставне ланци ДНК (на овом нивоу организације названи хроматин) често се успоређују са зрнцима на а низ. Неке еукариотске ДНК се такође налазе у органелама ћелија тзв митохондрије.