Значення молекул ДНК

ДНК - одне з небагатьох поєднань букв в основі наукової дисципліни, яке, здається, викликає значний рівень розуміння навіть у людей, котрі протягом усього життя не піддаються біології чи наукам у Росії загальний. Більшість дорослих, які чують фразу "Це в її ДНК", відразу визнають, що певна риса невіддільна від описуваної людини; що характеристика якось вроджена, ніколи не зникає і здатна передаватися дітям цієї людини і не тільки. Здається, це справедливо навіть у свідомості тих, хто навіть не уявляє, що означає "ДНК", тобто "дезоксирибонуклеїнова кислота".

Люди зрозуміло захоплені концепцією успадкування рис від батьків і передачі власних рис своїм нащадкам. Цілком природно, що люди замислюються над власною біохімічною спадщиною, навіть якщо мало хто може уявити це в таких офіційних формах. Визнання того, що крихітні невидимі фактори всередині кожного з нас визначають, як виглядають і навіть поводяться діти людей, безумовно, присутнє протягом багатьох сотень років. Але лише в середині 20 століття сучасна наука чудово розкрила не тільки те, якими були молекули, що відповідають за успадкування, але й те, як вони виглядали.

Дезоксирибонуклеїнова кислота - справді генетичний план, який все живе зберігає у своїх клітинах, унікальний мікроскопічний відбиток пальця, який не тільки робить кожну людину буквальний єдиний у своєму роді особа (однояйцеві близнюки, крім сучасних цілей), але розкриває багато життєво важливої ​​інформації про кожну людину, від ймовірність пов’язання з іншою конкретною людиною шансів на розвиток певної хвороби в подальшому житті або передачі такої хвороби на майбутнє поколінь. ДНК стала не тільки природним центральним пунктом молекулярної біології та науки про життя в цілому, але також невід'ємною складовою судово-медичної науки та біологічної інженерії.

Джеймсу Уотсону та Френсісу Крику (і рідше Розалінд Франклін та Морісу Вілкінсу) широко приписують відкриття ДНК у 1953 році. Однак це сприйняття є помилковим. Критично важливо, що ці дослідники фактично встановили, що ДНК існує у тривимірній формі у формі a подвійна спіраль, яка по суті являє собою сходи, скручені в різні боки з обох кінців, щоб створити спіраль форму. Але ці рішучі та часто відомі вчені "лише" спиралися на копітку роботу біологів, які працювали в пошуках тієї ж загальної інформації ще в 60-х роках ХХ століття експерименти, які самі по собі були такими ж новаторськими, як експерименти Ватсона, Крика та інших у дослідженнях після Другої світової війни епохи.

У 1869 році, за 100 років до подорожі людей на Місяць, прагнув це швейцарський хімік на ім’я Фрідріх Мішер витягують білкові компоненти з лейкоцитів (лейкоцитів) для визначення їх складу та функція. Те, що він замість цього видобув, назвав "нуклеїном", і хоча йому бракувало інструментів, необхідних для вивчення того, якими будуть майбутні біохіміки зумівши дізнатися, він швидко зрозумів, що цей "нуклеїн" пов'язаний з білками, але сам по собі не є білком, що він містить незвичну кількість фосфору, і що ця речовина була стійкою до руйнування тими ж хімічними та фізичними факторами, що і деградували білки.

Минуло б понад 50 років, перш ніж справжня важливість роботи Мішера вперше виявилася. У другому десятилітті 1900-х років російський біохімік Феб Левен перший запропонував те, що ми сьогодні називаємо нуклеотидами, складалося з частини цукру, частини фосфату та основи порція; що цукор був рибозою; і що різниця між нуклеотидами зумовлена ​​різницею між їх основами. Його модель "полінуклеотиду" мала деякі недоліки, але за сучасними мірками вона була надзвичайно нацелена.

У 1944 році Освальд Евері та його колеги з Університету Рокфеллера були першими відомими дослідниками, які офіційно припустили, що ДНК складається з спадкових одиниць або генів. Продовжуючи свою роботу, а також роботу Левена, австрійський учений Ервін Чаргафф зробив два ключових відкриття: один, що послідовність нуклеотидів у ДНК різниться у різних видів організмів, на відміну від того, що було у Левена запропонований; і два, що в будь-якому організмі загальна кількість азотистих основ аденін (А) та гуанін (Г) у поєднанні, незалежно від виду, практично завжди збігалася із загальною кількістю цитозину (С) та тимін (Т). Це не зовсім підштовхнуло Чаргаффа до висновку, що пари А з Т і С пари з G у всій ДНК, але пізніше це допомогло підтвердити висновок, до якого дійшли інші.

Нарешті, в 1953 р. Ватсон та його колеги, скориставшись швидким вдосконаленням способів візуалізації тривимірних хімічних структур, поклали всі ці висновки разом використовували картонні моделі, щоб встановити, що подвійна спіраль відповідає усьому, що було відомо про ДНК, нічим іншим могли.

ДНК була ідентифікована як спадковий матеріал у живих речах задовго до з'ясування її структури та як часто це траплялося в експериментальній науці, це життєво важливе відкриття насправді було випадковим для головних дослідників призначення.
До появи антибіотикотерапії наприкінці 1930-х років інфекційні хвороби забрали набагато більше людських життів, ніж вони робити сьогодні, і розкриття таємниць відповідальних організмів було важливою метою досліджень мікробіології. У 1913 році згаданий Освальд Евері розпочав роботу, яка в підсумку виявила високий полісахарид вміст (цукру) в капсулах пневмококових бактерій, які були виділені від пневмонії пацієнтів. Евері припустив, що це стимулює вироблення антитіл у заражених людей. Тим часом в Англії Вільям Гріффітс виконував роботу, яка показала, що мертві компоненти одного виду викликають хвороби пневмокок може поєднуватися з живими компонентами нешкідливого пневмокока і утворювати хворобливу форму раніше нешкідливий вид; це довело, що все, що переходило від мертвих до живих бактерій, успадковувалось.

Коли Евері дізнався про результати Гріффіта, він взявся проводити експерименти з очищення, намагаючись ізолювати точний матеріал у пневмококах, який успадковувався і накладався на нуклеїнові кислоти, а точніше, нуклеотиди. ДНК вже сильно підозрювали у тому, що тоді називали в народі "трансформацією" принципи ", тому Евері та інші перевірили цю гіпотезу, піддавши спадковий матеріал а різноманітність агентів. Ті, хто, як відомо, руйнують цілісність ДНК, але нешкідливі для білків або ДНК, звані ДНКазами достатньо у великих кількостях для запобігання передачі ознак від одного покоління бактерій до наступний. Тим часом протеази, які розплутують білки, не завдали такої шкоди.

Повідомлення роботи Евері та Гріффіта про те, що, знову ж таки, в той час, як такі люди, як Уотсон та Крик, справедливо хваляться за їхні внески для молекулярної генетики встановлення структури ДНК насправді було досить пізнім внеском у процес пізнання цієї вражаючої молекули.

Хоча Чарґафф, очевидно, не повністю описав структуру ДНК, все ж показав, що в крім (A + G) = (C + T), два ланцюги, про які відомо, що входять до ДНК, завжди мали однакову відстань окремо. Це призвело до того, що пурини (включаючи A та G) завжди пов'язані з піримідини (включаючи С і Т) в ДНК. Це мало тривимірний сенс, оскільки пуринів значно більше, ніж піримідинів, тоді як усі пурини мають, по суті, однаковий розмір, а всі піримідини по суті однакові. Це означає, що два пурини, зв’язані між собою, займуть значно більше місця між ланцюгами ДНК ніж два піримідини, а також те, що будь-яке дане сполучення пурин-піримідин споживатиме однакову кількість простору. Поміщення всієї цієї інформації вимагало, щоб A прив’язувалося до Т і лише до нього, і щоб однакові відносини мали місце для C та G, якщо ця модель мала бути успішною. І воно є.

Основи (про них пізніше) зв’язуються між собою у внутрішній частині молекули ДНК, як сходинки в драбині. А як же самі пасма, або «боки»? Розалінд Франклін, працюючи з Уотсоном і Криком, припустила, що ця "кістяк" зроблений з цукру (зокрема, пентозний цукор або той, що має п'ятиатомну кільцеву структуру) і фосфатну групу, що зв'язує цукру. Через нещодавно з'ясовану ідею спарювання основ, Франклін та інші усвідомили, що ці дві нитки ДНК в одній молекулі були "взаємодоповнюючими", або насправді дзеркально відображали один одного на рівні їх нуклеотиди. Це дозволило їм передбачити приблизний радіус скрученої форми ДНК із твердим ступенем точності, а рентгенівський дифракційний аналіз підтвердив спіральну структуру. Ідея про те, що спіраль була подвійною спіраллю, була останньою важливою деталлю структури ДНК, яка стала на місце в 1953 році.

Нуклеотиди - це повторювані субодиниці ДНК, що навпаки говорить про те, що ДНК є полімером нуклеотидів. Кожен нуклеотид складається з цукру, званого дезоксирибозою, який містить п’ятикутну кільцеву структуру з одним киснем і чотирма молекулами вуглецю. Цей цукор зв’язаний з фосфатною групою, а через дві плями вздовж кільця з цього положення він також зв’язаний з азотистою основою. Фосфатні групи зв’язують цукру між собою, утворюючи основу ДНК, дві нитки якої скручуються навколо пов’язаних важких азотом основ в середині подвійної спіралі. Спіраль робить один повний поворот на 360 градусів приблизно раз на 10 пар основ.

Цукор, зв’язаний лише з азотистою основою, називається а нуклеозид.

РНК (рибонуклеїнова кислота) відрізняється від ДНК трьома ключовими способами: один, піримідин урацил замінюється тиміном. По-друге, пентозний цукор - це рибоза, а не дезоксирибоза. І по-третє, РНК майже завжди є одноланцюговою і має різні форми, обговорення яких виходить за рамки цієї статті.

ДНК "розпаковується" у два взаємодоповнюючі ланцюжки, коли приходить час робити копії. У міру того, як це відбувається, дочірні нитки формуються вздовж єдиних батьківських ниток. Одна така дочірня ланцюг утворюється безперервно шляхом додавання одиничних нуклеотидів під дією ферменту ДНК-полімераза. Цей синтез просто слідує за напрямком поділу батьківських ланцюгів ДНК. Інші дочірні ланцюгові форми з малих полінуклеотидів називаються Фрагменти Оказакі які фактично утворюються у протилежному напрямку розпакування батьківських ланцюгів, а потім з’єднуються між собою ферментом ДНК-лігаза.

Оскільки дві дочірні ланцюги також комплементарні одна одній, їх основи з часом зв’язуються, утворюючи дволанцюгову молекулу ДНК, ідентичну батьківській.

У бактерій, які є одноклітинними і називаються прокаріоти, в цитоплазмі знаходиться одна копія ДНК бактерії (також її геном); ядра немає. У багатоклітинних еукаріотичних організмів ДНК знаходиться в ядрі у вигляді хромосом, які є високоскручені, спіралеподібні та просторово конденсовані молекули ДНК довжиною лише мільйонні частки метра, і білки зателефонував гістони. При мікроскопічному дослідженні ділянки хромосом, які показують чергування гістонових «котушок» і прості нитки ДНК (на цьому рівні організації називаються хроматином) часто уподібнюють кулькам на рядок. Деяка кількість еукаріотичної ДНК також міститься в органелах клітин, які називаються мітохондрії.