ความสำคัญของโมเลกุลดีเอ็นเอ

ดีเอ็นเอเป็นหนึ่งในไม่กี่ชุดของตัวอักษรที่เป็นแกนหลักของวินัยทางวิทยาศาสตร์ที่ดูเหมือนจะจุดประกายa ระดับความเข้าใจที่สำคัญแม้ในผู้ที่สัมผัสกับชีววิทยาหรือวิทยาศาสตร์ตลอดชีวิต ทั่วไป. ผู้ใหญ่ส่วนใหญ่ที่ได้ยินวลี "มันอยู่ใน DNA ของเธอ" รู้ทันทีว่าลักษณะเฉพาะนั้นแยกออกไม่ได้จากบุคคลที่ถูกอธิบาย ว่าคุณลักษณะนี้มีมาแต่กำเนิด ไม่มีวันหายไป และสามารถถ่ายทอดไปยังบุตรของบุคคลนั้นและต่อๆ ไปได้ สิ่งนี้ดูเหมือนจะเป็นจริงแม้ในจิตใจของผู้ที่ไม่รู้ว่า "DNA" ย่อมาจากอะไร ซึ่งก็คือ "กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก"

มนุษย์รู้สึกทึ่งกับแนวคิดเรื่องการสืบทอดลักษณะจากพ่อแม่และถ่ายทอดลักษณะของตนเองไปสู่ลูกหลาน เป็นเรื่องธรรมดาที่ผู้คนจะไตร่ตรองถึงมรดกทางชีวเคมีของตนเอง แม้ว่าจะมีน้อยคนนักที่จะจินตนาการถึงมันในแง่ที่เป็นทางการเช่นนั้น การรับรู้ว่าปัจจัยเล็กๆ น้อยๆ ที่มองไม่เห็นในตัวเราแต่ละคนมีอิทธิพลต่อรูปลักษณ์และพฤติกรรมของลูกๆ ของผู้คน ซึ่งปรากฏอยู่เป็นเวลาหลายร้อยปีอย่างแน่นอน แต่จนกระทั่งช่วงกลางของศตวรรษที่ 20 วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ได้เปิดเผยรายละเอียดอันรุ่งโรจน์ ไม่เพียงแต่ว่าโมเลกุลที่รับผิดชอบในการสืบทอดคืออะไร แต่ยังรวมถึงสิ่งที่ดูเหมือน

กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกเป็นพิมพ์เขียวทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดที่เก็บไว้ในเซลล์ ลายนิ้วมือขนาดเล็กพิเศษที่ไม่เพียงแต่ทำให้มนุษย์แต่ละคน บุคคลที่ไม่เหมือนใครตามตัวอักษร (ฝาแฝดที่เหมือนกันยกเว้นเพื่อจุดประสงค์ในปัจจุบัน) แต่เปิดเผยข้อมูลที่สำคัญมากมายเกี่ยวกับทุกคนตั้งแต่ ความน่าจะเป็นที่จะมีความเกี่ยวข้องกับบุคคลใดบุคคลหนึ่งโดยเฉพาะต่อโอกาสที่จะเกิดโรคใดโรคหนึ่งในภายหลังหรือส่งต่อโรคดังกล่าวไปสู่อนาคต รุ่น ดีเอ็นเอไม่ได้เป็นเพียงจุดศูนย์กลางทางธรรมชาติของอณูชีววิทยาและวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตโดยรวมเท่านั้น แต่ยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของนิติวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมชีวภาพอีกด้วย

James Watson และ Francis Crick (และน้อยกว่าปกติคือ Rosalind Franklin และ Maurice Wilkins) ได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางในการค้นพบ DNA ในปี 1953 อย่างไรก็ตามการรับรู้นี้ผิดพลาด ที่สำคัญ นักวิจัยเหล่านี้ได้พิสูจน์แล้วว่า DNA มีอยู่ในรูปแบบสามมิติในรูปของa เกลียวคู่ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นบันไดที่บิดไปในทิศทางต่าง ๆ ที่ปลายทั้งสองข้างเพื่อสร้างเกลียว รูปร่าง. แต่นักวิทยาศาสตร์ที่มุ่งมั่นและมีชื่อเสียงเหล่านี้ "เท่านั้น" ที่สร้างงานอันอุตสาหะของนักชีววิทยาที่ทำงานหนักเพื่อค้นหาข้อมูลทั่วไปเดียวกัน ย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 1860 การทดลองที่แหวกแนวในสิทธิของตนเองเช่นเดียวกับวัตสัน คริก และคนอื่นๆ ในการวิจัยหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ยุค.

ในปี พ.ศ. 2412 100 ปีก่อนที่มนุษย์จะเดินทางไปยังดวงจันทร์ นักเคมีชาวสวิสชื่อฟรีดริช มีสเชอร์ได้พยายาม สกัดส่วนประกอบโปรตีนจากเม็ดเลือดขาว (เซลล์เม็ดเลือดขาว) เพื่อกำหนดองค์ประกอบและ ฟังก์ชัน สิ่งที่เขาสกัดออกมาเขาเรียกว่า "นิวเคลียส" และถึงแม้ว่าเขาจะขาดเครื่องมือที่จำเป็นในการเรียนรู้ว่านักชีวเคมีในอนาคตจะเป็นอย่างไร สามารถเรียนรู้ได้โดยเร็วว่า "นิวเคลียส" นี้เกี่ยวข้องกับโปรตีนแต่ไม่ใช่โปรตีนในตัวมันเอง ว่ามีส่วนประกอบผิดปกติ ปริมาณฟอสฟอรัสและสารนี้ทนต่อการเสื่อมสภาพด้วยปัจจัยทางเคมีและกายภาพเดียวกันกับที่ย่อยสลาย โปรตีน

คงจะเป็นเวลากว่า 50 ปีก่อนที่ความสำคัญที่แท้จริงของงานของ Miescher จะปรากฏชัดในครั้งแรก ในทศวรรษที่สองของทศวรรษ 1900 นักชีวเคมีชาวรัสเซียชื่อ Phoebus Levene เป็นคนแรกที่เสนอ ที่เราเรียกว่านิวคลีโอไทด์ในปัจจุบัน ประกอบด้วย ส่วนน้ำตาล ส่วนฟอสเฟต และเบส ส่วน; ว่าน้ำตาลเป็นน้ำตาล; และความแตกต่างระหว่างนิวคลีโอไทด์เกิดจากความแตกต่างระหว่างเบสของพวกมัน แบบจำลอง "โพลีนิวคลีโอไทด์" ของเขามีข้อบกพร่องอยู่บ้าง แต่ตามมาตรฐานของวัน มันก็ตรงเป้าหมายอย่างน่าทึ่ง

ในปี 1944 Oswald Avery และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ Rockefeller University เป็นนักวิจัยคนแรกที่รู้จักกันอย่างเป็นทางการว่า DNA ประกอบด้วยหน่วยพันธุกรรมหรือยีน จากการติดตามผลงานของพวกเขาเช่นเดียวกับงานของ Levene นักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรีย Erwin Chargaff ได้ทำการค้นพบที่สำคัญสองประการ: หนึ่ง ลำดับของนิวคลีโอไทด์ใน DNA นั้นแตกต่างกันไปตามสายพันธุ์ของสิ่งมีชีวิต ตรงกันข้ามกับสิ่งที่ Levene มี เสนอ; และสองในสิ่งมีชีวิตใด ๆ ปริมาณรวมของฐานไนโตรเจน adenine (A) และ guanine (G) รวมกันโดยไม่คำนึงถึงสปีชีส์นั้นแทบจะเหมือนกับปริมาณไซโตซีน (C) และ. ทั้งหมด ไทมีน (T). สิ่งนี้ไม่ได้นำ Chargaff ไปสรุปว่าคู่ A ที่มี T และ C จับคู่กับ G ใน DNA ทั้งหมด แต่ภายหลังก็ช่วยให้คนอื่นสรุปข้อสรุปได้

ในที่สุด ในปี 1953 วัตสันและเพื่อนร่วมงานของเขาได้ประโยชน์จากการปรับปรุงวิธีการสร้างภาพโครงสร้างทางเคมีสามมิติอย่างรวดเร็ว การค้นพบนี้ร่วมกันและใช้แบบจำลองกระดาษแข็งเพื่อสร้างเกลียวคู่ที่พอดีกับทุกสิ่งที่รู้จักเกี่ยวกับ DNA ในแบบที่ไม่มีอะไรอื่น ได้

DNA ถูกระบุว่าเป็นวัสดุทางพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิตก่อนที่โครงสร้างจะชัดเจนและเช่น บ่อยครั้งในวิทยาศาสตร์ทดลอง การค้นพบที่สำคัญนี้เกิดขึ้นจริงโดยบังเอิญกับหลักของนักวิจัย วัตถุประสงค์.
ก่อนการรักษาด้วยยาปฏิชีวนะจะเกิดขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1930 โรคติดเชื้อคร่าชีวิตมนุษย์มากกว่าพวกเขา ทำวันนี้และการไขความลึกลับของสิ่งมีชีวิตที่รับผิดชอบเป็นเป้าหมายที่สำคัญในการวิจัยทางจุลชีววิทยา ในปี ค.ศ. 1913 Oswald Avery ดังกล่าวเริ่มทำงานซึ่งในที่สุดก็เปิดเผยโพลีแซ็กคาไรด์สูง (น้ำตาล) ในแคปซูลของแบคทีเรียนิวโมคอคคัสซึ่งแยกได้จากโรคปอดบวม ผู้ป่วย เอเวอรี่ตั้งทฤษฎีว่าสิ่งเหล่านี้กระตุ้นการผลิตแอนติบอดีในผู้ติดเชื้อ ในขณะเดียวกัน ในอังกฤษ วิลเลียม กริฟฟิธส์กำลังทำงานที่แสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบที่ตายแล้วของสาเหตุโรคชนิดหนึ่ง นิวโมคอคคัสสามารถผสมกับสิ่งมีชีวิตของนิวโมคอคคัสที่ไม่เป็นอันตรายและก่อให้เกิดโรคในรูปแบบเดิม ชนิดที่ไม่เป็นอันตราย สิ่งนี้พิสูจน์ว่าสิ่งใดก็ตามที่ย้ายจากความตายไปสู่แบคทีเรียที่มีชีวิตนั้นเป็นกรรมพันธุ์

เมื่อเอเวอรี่ทราบถึงผลลัพธ์ของกริฟฟิธ เขาจึงเริ่มทดลองการทำให้บริสุทธิ์เพื่อพยายามแยก วัสดุที่แม่นยำใน pneumococci ที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมและอาศัยกรดนิวคลีอิกหรือโดยเฉพาะอย่างยิ่ง นิวคลีโอไทด์ ดีเอ็นเอเคยถูกสงสัยอย่างหนักแล้วว่ามีสิ่งที่เรียกว่า "การเปลี่ยนแปลง" หลักการ" ดังนั้นเอเวอรี่และคนอื่นๆ จึงทดสอบสมมติฐานนี้โดยเปิดเผยเนื้อหาที่สืบเชื้อสายมาจากa ตัวแทนที่หลากหลาย สารที่ทราบกันว่าทำลายความสมบูรณ์ของ DNA แต่ไม่เป็นอันตรายต่อโปรตีนหรือ DNA ที่เรียกว่า DNAases นั้น เพียงพอในปริมาณมากเพื่อป้องกันการแพร่กระจายของลักษณะจากแบคทีเรียรุ่นหนึ่งไปยัง to ต่อไป. ในขณะเดียวกันโปรตีเอสซึ่งคลี่คลายโปรตีนก็ไม่เสียหาย

ข้อความนำกลับบ้านของงานของ Avery และ Griffith คืออีกครั้งในขณะที่ผู้คนเช่น Watson และ Crick ได้รับการยกย่องอย่างถูกต้องสำหรับผลงานของพวกเขา สำหรับอณูพันธุศาสตร์ การสร้างโครงสร้างของ DNA จริง ๆ แล้วมีส่วนสนับสนุนกระบวนการเรียนรู้เกี่ยวกับโมเลกุลที่น่าทึ่งนี้ค่อนข้างช้า

Chargaff แม้ว่าเห็นได้ชัดว่าเขาไม่ได้อธิบายโครงสร้างของ DNA ทั้งหมด แต่ก็แสดงให้เห็นว่าใน นอกจากนี้ (A + G) = (C + T) ทั้งสองเส้นที่ทราบว่ารวมอยู่ใน DNA นั้นมีระยะห่างเท่ากันเสมอ ห่างกัน สิ่งนี้นำไปสู่สมมติฐานที่ว่า พิวรีน (รวมทั้ง A และ G) ผูกพันกับ .เสมอ ไพริมิดีน (รวมทั้ง C และ T) ใน DNA สิ่งนี้ทำให้เกิดความรู้สึกสามมิติ เนื่องจากพิวรีนมีขนาดใหญ่กว่าไพริมิดีนมาก ในขณะที่พิวรีนทั้งหมดนั้นโดยพื้นฐานแล้วมีขนาดเท่ากัน และพิริมิดีนทั้งหมดนั้นโดยพื้นฐานแล้วมีขนาดเท่ากัน นี่หมายความว่าพิวรีนสองตัวที่ผูกเข้าด้วยกันจะใช้พื้นที่ว่างระหว่างสายดีเอ็นเอมากขึ้น มากกว่าไพริมิดีนสองตัว และการจับคู่พิวรีน-ไพริมิดีนใดๆ ก็ตาม จะใช้ปริมาณเท่ากัน พื้นที่ การใส่ข้อมูลทั้งหมดนี้จำเป็นต้องมีการผูกมัดกับ T และเฉพาะกับ T และความสัมพันธ์เดียวกันนั้นมีไว้สำหรับ C และ G หากแบบจำลองนี้พิสูจน์ได้ว่าประสบความสำเร็จ และก็มี

ฐาน (เพิ่มเติมในภายหลัง) ผูกติดกันภายในโมเลกุลดีเอ็นเอเหมือนขั้นบันได แต่สิ่งที่เกี่ยวกับเส้นหรือ "ด้าน" ตัวเอง? โรซาลินด์ แฟรงคลิน ร่วมงานกับวัตสันและคริก สันนิษฐานว่า "กระดูกสันหลัง" นี้ทำจากน้ำตาล (โดยเฉพาะน้ำตาลเพนโทสหรืออันที่มีโครงสร้างวงแหวนห้าอะตอม) และหมู่ฟอสเฟตที่เชื่อม น้ำตาล เนื่องจากแนวคิดใหม่เกี่ยวกับการจับคู่เบสที่กระจ่างขึ้น แฟรงคลินและคนอื่นๆ จึงตระหนักว่าสายดีเอ็นเอทั้งสองสาย ในโมเลกุลเดียวเป็น "เสริม" หรือสะท้อนภาพสะท้อนของกันและกันในระดับของ นิวคลีโอไทด์ ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถทำนายรัศมีโดยประมาณของรูปแบบบิดของ DNA ภายในระดับความแม่นยำที่มั่นคง และการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ก็ยืนยันโครงสร้างเกลียว แนวคิดที่ว่าเกลียวเป็นเกลียวคู่เป็นรายละเอียดสำคัญประการสุดท้ายเกี่ยวกับโครงสร้างของดีเอ็นเอที่จะเข้าแทนที่ในปี พ.ศ. 2496

นิวคลีโอไทด์เป็นหน่วยย่อยที่ทำซ้ำของ DNA ซึ่งตรงกันข้ามกับการบอกว่า DNA เป็นพอลิเมอร์ของนิวคลีโอไทด์ นิวคลีโอไทด์แต่ละตัวประกอบด้วยน้ำตาลที่เรียกว่าดีออกซีไรโบสซึ่งมีโครงสร้างวงแหวนห้าเหลี่ยมที่มีออกซิเจนหนึ่งตัวและโมเลกุลของคาร์บอนสี่ตัว น้ำตาลนี้จับกับหมู่ฟอสเฟต และจุดสองจุดบนวงแหวนจากตำแหน่งนี้ ยังจับกับฐานไนโตรเจนด้วย กลุ่มฟอสเฟตเชื่อมโยงน้ำตาลเข้าด้วยกันเพื่อสร้างกระดูกสันหลังของดีเอ็นเอ ซึ่งเส้นใยทั้งสองเกลียวจะพันรอบฐานที่มีไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบอยู่ตรงกลางของเกลียวคู่ เกลียวทำให้บิด 360 องศาได้ประมาณทุกๆ 10 คู่เบส

น้ำตาลที่จับกับเบสไนโตรเจนเท่านั้นเรียกว่า a นิวคลีโอไซด์.

RNA (กรดไรโบนิวคลีอิก) แตกต่างจาก DNA ในสามวิธีหลัก: หนึ่ง pyrimidine uracil ถูกแทนที่ด้วยไทมีน สอง น้ำตาลเพนโทสเป็นไรโบสมากกว่าดีออกซีไรโบส และประการที่สาม RNA มักจะเป็นสายเดี่ยวและมีหลายรูปแบบ ซึ่งการอภิปรายอยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความนี้

DNA ถูก "คลายซิป" ออกเป็นสองสายที่เสริมกันเมื่อถึงเวลาต้องทำสำเนา เมื่อสิ่งนี้กำลังเกิดขึ้น เกลียวของลูกสาวจะก่อตัวขึ้นตามเกลียวของแม่เลี้ยงเดี่ยว เกลียวลูกสาวหนึ่งเส้นนั้นถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องผ่านการเติมนิวคลีโอไทด์เดี่ยวภายใต้การกระทำของเอนไซม์ ดีเอ็นเอโพลีเมอเรส. การสังเคราะห์นี้เป็นไปตามทิศทางของการแยกสายดีเอ็นเอแม่ เกลียวลูกอีกเส้นก่อตัวจากพอลินิวคลีโอไทด์ขนาดเล็กที่เรียกว่า สะเก็ดโอคาซากิ ที่เกิดขึ้นจริงในทิศทางตรงกันข้ามกับการคลายเกลียวของสายแม่ แล้วต่อด้วยเอ็นไซม์ ดีเอ็นเอ ไลกาส.

เนื่องจากเกลียวของลูกสาวทั้งสองนั้นเป็นส่วนเสริมซึ่งกันและกัน ในที่สุดเบสของพวกมันก็เชื่อมติดกันเพื่อสร้างโมเลกุลดีเอ็นเอที่มีเกลียวสองเส้นที่เหมือนกันกับสายหลัก

ในแบคทีเรียซึ่งเป็นเซลล์เดียวและเรียกว่าโปรคาริโอต สำเนา DNA ของแบคทีเรีย (หรือที่เรียกว่าจีโนมของมัน) สำเนาเดียวตั้งอยู่ในไซโตพลาสซึม ไม่มีนิวเคลียสอยู่ ในสิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอตหลายเซลล์ DNA จะพบในนิวเคลียสในรูปของโครโมโซมซึ่งได้แก่ โมเลกุลดีเอ็นเอที่ขดสูง ม้วนเป็นวง และควบแน่นเชิงพื้นที่มีความยาวเพียงหนึ่งล้านส่วนเมตร และโปรตีน เรียกว่า histones. การตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์ ส่วนโครโมโซมที่แสดง "หลอด" ฮิสโตนสลับกันอย่างง่าย สาย DNA (เรียกว่า chromatin ในระดับองค์กร) มักจะเปรียบเสมือนลูกปัดบน a สตริง ดีเอ็นเอของยูคาริโอตบางชนิดยังพบได้ในออร์แกเนลล์ของเซลล์ที่เรียกว่า ไมโตคอนเดรีย.