Betydelsen av DNA-molekyler

DNA är en av få kombinationer av bokstäver i kärnan av en vetenskaplig disciplin som verkar gnista a betydande nivå av förståelse även hos människor med liten livstidsexponering för biologi eller vetenskapen i allmän. De flesta vuxna som hör frasen "Det är i hennes DNA" känner genast igen att ett visst drag är oskiljaktigt från personen som beskrivs; att egenskapen på något sätt är medfödd, aldrig försvinner och kan överföras till den personens barn och bortom. Detta verkar vara sant även i hjärnan hos dem som inte har någon aning om vad "DNA" ens står för, vilket är "deoxiribonukleinsyra."

Människor är förståeligt fascinerade av begreppet att ärva egenskaper från sina föräldrar och förmedla sina egna egenskaper till sina avkommor. Det är bara naturligt för människor att fundera över sitt eget biokemiska arv, även om få kan föreställa sig det i sådana formella termer. Att erkänna att små osedda faktorer inuti var och en av oss styr hur människors barn ser ut och till och med beter sig har säkert funnits i många hundra år. Men inte förrän i mitten av 1900-talet avslöjade den moderna vetenskapen i härliga detaljer inte bara vad molekylerna som var ansvariga för arv, utan också hur de såg ut.

Deoxiribonukleinsyra är verkligen den genetiska planen som alla levande saker håller i sina celler, ett unikt mikroskopiskt fingeravtryck som inte bara gör varje människa en bokstavlig enstaka person (identiska tvillingar utom för nuvarande ändamål) men avslöjar mycket viktig information om varje person, från sannolikheten att vara relaterad till en annan specifik person till chanserna att utveckla en viss sjukdom senare i livet eller överföra en sådan sjukdom till framtiden generationer. DNA har blivit inte bara den naturliga centrala punkten i molekylärbiologi och livsvetenskap som helhet, utan också en integrerad del av kriminalteknik och biologisk teknik.

James Watson och Francis Crick (och mindre vanligt, Rosalind Franklin och Maurice Wilkins) är allmänt krediterade med upptäckten av DNA 1953. Denna uppfattning är dock felaktig. Kritiskt har dessa forskare faktiskt fastställt att DNA finns i tredimensionell form i form av a dubbel helix, som i huvudsak är en stege vriden i olika riktningar i båda ändar för att skapa en spiral form. Men dessa beslutsamma och ofta hyllade forskare byggde "bara" på det noggranna arbetet från biologer som arbetade på jakt efter samma allmänna information så långt tillbaka som på 1860-talet, experiment som var lika banbrytande i sig som Watson, Crick och andra i forskningen efter andra världskriget epok.

År 1869, 100 år innan människor skulle resa till månen, försökte en schweizisk kemist vid namn Friedrich Miescher extrahera proteinkomponenterna från leukocyter (vita blodkroppar) för att bestämma deras sammansättning och fungera. Vad han istället extraherade kallade han "nuclein", och även om han saknade de instrument som behövdes för att lära sig vad framtida biokemister skulle vara förmåga att lära sig, upptäckte han snabbt att detta "nuklein" var relaterat till proteiner men inte i sig självt protein, att det innehöll ett ovanligt mängden fosfor och att detta ämne var motståndskraftigt mot nedbrytning av samma kemiska och fysiska faktorer som nedbrytades proteiner.

Det skulle dröja över 50 år innan den verkliga betydelsen av Mieschers arbete först blev uppenbart. Under 1900-talets andra decennium var en rysk biokemist, Phoebus Levene, den första som föreslog det, vad vi kallar nukleotider idag, bestod av en sockerdel, en fosfatdel och en bas del; att sockret var ribos; och att skillnaderna mellan nukleotider var skyldiga till skillnaderna mellan deras baser. Hans "polynukleotid" -modell hade några brister, men enligt dagens standard var den anmärkningsvärt på målet.

1944 var Oswald Avery och hans kollegor vid Rockefeller University de första kända forskarna som formellt föreslog att DNA bestod av ärftliga enheter eller gener. Efter att ha följt upp såväl deras arbete som Levene gjorde den österrikiska forskaren Erwin Chargaff två viktiga upptäckter: en, att sekvensen av nukleotider i DNA varierar mellan arter av organismer, i motsats till vad Levene hade föreslagen; och två, att i vilken organism som helst den totala mängden kvävebaser adenin (A) och guanin (G) kombinerat, oavsett art, var nästan alltid detsamma som den totala mängden cytosin (C) och tymin (T). Detta ledde inte riktigt till att Chargaff drog slutsatsen att A-par med T- och C-par med G i allt DNA, men det hjälpte senare att stödja slutsatsen som andra nådde.

Slutligen, 1953, satte Watson och hans kollegor fördelar av snabbt förbättrade sätt att visualisera tredimensionella kemiska strukturer. dessa resultat tillsammans och använde kartongmodeller för att fastställa att en dubbel helix passade allt som var känt om DNA på ett sätt inget annat skulle kunna.

DNA identifierades som det ärftliga materialet i levande saker långt innan dess struktur klargjordes, och som ofta fallet i experimentell vetenskap var denna viktiga upptäckt faktiskt tillfällig för forskarnas huvud syfte.
Innan antibiotikabehandling uppstod i slutet av 1930-talet krävde smittsamma sjukdomar mycket mer människoliv än de göra idag, och att avslöja mysterierna hos de ansvariga organismerna var ett kritiskt mål i mikrobiologiforskningen. År 1913 påbörjade ovannämnda Oswald Avery arbete som i slutändan avslöjade en hög polysackarid (socker) innehåll i kapslar av pneumokockbakterier, som hade isolerats från lunginflammation patienter. Avery teoretiserade att dessa stimulerade antikroppsproduktionen hos infekterade människor. Under tiden i England utförde William Griffiths arbete som visade att döda komponenter av en typ av sjukdomsframkallande pneumokocker kan blandas med de levande komponenterna i en ofarlig pneumokock och producera en sjukdomsframkallande form av den tidigare ofarlig typ; detta bevisade att allt som rörde sig från de döda till de levande bakterierna var ärftligt.

När Avery fick reda på Griffiths resultat, började han genomföra reningsexperiment i ett försök att isolera exakt material i pneumokocker som var ärftligt och inhämtat på nukleinsyror, eller mer specifikt, nukleotider. DNA var redan starkt misstänkt för att ha det som då populärt kallades "transformera" principer, "så Avery och andra testade denna hypotes genom att utsätta det ärftliga materialet för en olika agenter. De som är kända för att vara destruktiva för DNA-integritet men ofarliga för proteiner eller DNA, kallade DNAaser, var tillräckligt i stora mängder för att förhindra överföring av egenskaper från en bakteriegenerering till Nästa. Samtidigt gjorde proteaser, som löser ut proteiner, ingen sådan skada.

Hemma-budskapet från Averys och Griffiths arbete är att, återigen, medan människor som Watson och Crick med rätta har hyllats för sina bidrag för molekylär genetik var att etablera DNA-strukturen faktiskt ett ganska sent bidrag till processen att lära sig om denna spektakulära molekyl.

Chargaff, även om han uppenbarligen inte beskrev DNA-strukturen i sin helhet, visade att, i förutom (A + G) = (C + T) var de två strängar som man kände inkluderade i DNA alltid samma avstånd isär. Detta ledde till att postulera det puriner (inklusive A och G) alltid bundna till pyrimidiner (inklusive C och T) i DNA. Detta var tredimensionellt meningsfullt, eftersom puriner är betydligt större än pyrimidiner, medan alla puriner är väsentligen lika stora och alla pyrimidiner är väsentligen lika stora. Detta innebär att två puriner bundna ihop skulle ta betydligt mer utrymme mellan DNA-strängar än två pyrimidiner, och också att varje given purin-pyrimidin-parning skulle förbruka samma mängd Plats. Att lägga all denna information krävde att A binder till och endast till T och att samma förhållande gäller för C och G om denna modell skulle visa sig vara framgångsrik. Och det har det.

Baserna (mer om dessa senare) binder till varandra på insidan av DNA-molekylen, som steg i en stege. Men hur är det med trådarna eller "sidorna" själva? Rosalind Franklin, som arbetade med Watson och Crick, antog att denna "ryggrad" var gjord av socker (specifikt ett pentossocker, eller ett med en fematom-ringstruktur) och en fosfatgrupp som binder socker. På grund av den nyligen klargjorda tanken om basparning blev Franklin och de andra medvetna om att de två DNA-strängarna i en enda molekyl var "komplementära" eller i själva verket spegelbilder av varandra på nivån av deras nukleotider. Detta gjorde det möjligt för dem att förutsäga den ungefärliga radien för den tvinnade formen av DNA inom en solid grad av noggrannhet, och röntgendiffraktionsanalys bekräftade spiralformningen. Idén att helixen var en dubbelhelix var den sista stora detalj om DNA-strukturen som föll på plats 1953.

Nukleotider är de upprepande underenheterna av DNA, vilket är det motsatta av att säga att DNA är en polymer av nukleotider. Varje nukleotid består av ett socker som kallas deoxiribos och innehåller en femkantig ringstruktur med ett syre och fyra kolmolekyler. Detta socker är bundet till en fosfatgrupp, och två fläckar längs ringen från denna position är det också bundet till en kvävehaltig bas. Fosfatgrupperna kopplar ihop sockerarterna för att bilda DNA-ryggraden, vars två strängar vrids runt de bundna kvävetunga baserna i mitten av den dubbla spiralen. Helixen gör en komplett 360-graders vridning ungefär var tionde baspar.

Ett socker som endast är bundet till en kvävebas kallas a nukleosid.

RNA (ribonukleinsyra) skiljer sig från DNA på tre viktiga sätt: En, pyrimidin uracil ersätter tymin. Två, pentos socker är ribos snarare än deoxiribos. Och tre, RNA är nästan alltid enkelsträngad och kommer i flera former, vars diskussion ligger utanför ramen för denna artikel.

DNA "packas upp" i sina två komplementära strängar när det är dags för kopior att göras. När detta händer bildas dottersträngar längs ensamstående föräldrar. En sådan dottersträng bildas kontinuerligt via tillsats av enstaka nukleotider under enzymets verkan DNA-polymeras. Denna syntes följer helt enkelt längs riktningen för separationen av föräldrarnas DNA-strängar. Den andra dottersträngen bildas av små polynukleotider som kallas Okazaki-fragment som faktiskt bildas i motsatt riktning för att föräldersträngarna packas upp och sedan sammanfogas av enzymet DNA-ligas.

Eftersom de två dottersträngarna också är komplementära till varandra, binder deras baser så småningom samman för att göra en dubbelsträngad DNA-molekyl identisk med den föräldra.

I bakterier, som är encelliga och kallas prokaryoter, sitter en enda kopia av bakteriens DNA (även kallat dess genom) i cytoplasman; ingen kärna är närvarande. I flercelliga eukaryota organismer finns DNA i kärnan i form av kromosomer, vilka är mycket lindade, spolade och rumsligt kondenserade DNA-molekyler som bara är miljondelar av en meter långa och proteiner kallad histoner. Vid mikroskopisk undersökning är kromosomdelarna som visar alternerande histon "spolar" och enkla DNA-strängar (kallas kromatin vid denna organisationsnivå) liknas ofta med pärlor på en sträng. Vissa eukaryota DNA finns också i organeller i celler som kallas mitokondrier.