Sisu
- DNA avastamine
- DNA ja pärilikud tunnused
- DNA struktuur
- Nukleotiidid ja lämmastiku alused
- DNA replikatsioon
DNA on üks vähestest tähekombinatsioonidest teadusliku distsipliini keskmes, mis näib tekitavat märkimisväärset mõistmist isegi inimestel, kelle bioloogia või teadused laiemalt on elu jooksul vähe kokku puutunud. Enamik täiskasvanuid, kes kuulevad fraasi "See on tema DNA-s", tunnistavad kohe, et konkreetne tunnusjoon on kirjeldatavast lahutamatu; et see omadus on kuidagi kaasasündinud, ei kao kunagi ja on võimeline üle kanduma nendele lastele nii lastele kui ka kaugemale. Näib, et see kehtib isegi nende inimeste meelest, kellel pole aimugi, mida "DNA" isegi tähendab, mis on "desoksüribonukleiinhape".
Inimesed on arusaadavalt lummatud kontseptsioonist, mis tuleneb vanemate iseloomujoonte pärimisest ja nende omaduste edasiandmisest järglastele. On täiesti loomulik, et inimesed mõtlevad oma biokeemilise pärandi üle, isegi kui vähesed suudavad seda sellises formaalsuses ette kujutada. Saja aasta jooksul on kindlasti olnud tõde, et inimeste pisikesed nähtamatud tegurid mõjutavad seda, kuidas inimeste lapsed välja näevad ja isegi käituvad. Kuid alles 20. sajandi keskpaigas näitas moodne teadus hiilgavas detailsuses mitte ainult seda, millised molekulid pärimise eest vastutavad, vaid ka seda, millised nad välja nägid.
Deoksüribonukleiinhape on tõepoolest geneetiline sinine, mida kõik elusad asjad nende rakkudes säilitavad, ainulaadne mikroskoopiline sõrm, mis mitte ainult ei muuda iga inimest sõna otseses mõttes ainulaadseks indiviidiks (identsed kaksikud, kelleks on praegusel otstarbel erand), vaid paljastavad ka palju elulisi teave iga inimese kohta, alates tõenäosusest olla seotud mõne teise konkreetse inimesega kuni tõenäosuseni välja töötada mõni haigus hilisemas elus või edastada selline haigus tulevastele põlvedele. DNA-st ei ole saanud mitte ainult molekulaarbioloogia ja kogu bioteaduse terviklik loomulik keskpunkt, vaid ka kriminalistika ja bioloogilise inseneri lahutamatu komponent.
DNA avastamine
James Watsonile ja Francis Crickile (ning harvem Rosalind Franklinile ja Maurice Wilkinsile) omistatakse laialdaselt DNA avastust 1953. aastal. See ettekujutus on siiski ekslik. Kriitiliselt tõdesid need teadlased tegelikult, et DNA eksisteerib kolmemõõtmelisel kujul topeltheeliksi kujul, mis on sisuliselt spiraalikuju saamiseks mõlemas otsas eri suundades keerutatud redel. Kuid need kindlameelsed ja sageli kuulsad teadlased olid "ainult" tuginenud bioloogide vaevarikkale tööle, kes tegutsesid sama üldteavet otsides juba 1860ndatel, eksperimendid, mis olid iseenesest murrangulised nagu Watson, Crick ja teised Teise maailmasõja järgse uurimise ajastul.
Aastal 1869, 100 aastat enne seda, kui inimesed Kuule rändasid, püüdis Šveitsi keemik Friedrich Miescher eraldada valgukomponendid leukotsüütidest (valgetest verelibledest), et teha kindlaks nende koostis ja funktsioon. Selle asemel, mida ta ekstraheeris, nimetas see "nukleiini" ja kuigi tal puudusid vajalikud vahendid, et õppida seda, mida tulevastel biokeemikutel oleks võimalik õppida, märkas ta kiiresti, et see "nukleiin" oli seotud valkudega, kuid ei olnud ise valk, et see sisaldas ebatavalises koguses fosforit ja et see aine oli lagunemisele vastupidav samade keemiliste ja füüsikaliste tegurite mõjul, mis lagundasid valke.
Läheks üle 50 aasta, enne kui Mieschersi töö tõeline tähtsus esmakordselt ilmsiks sai. 1900. aastate teisel kümnendil tegi vene biokeemik Phoebus Levene esimesena ettepaneku, et nn nukleotiidid koosneksid suhkrust, fosfaadist ja alusest; et suhkur oli riboos; ja et nukleotiidide erinevused tulenevad erinevustest nende aluste vahel. Tema "polünukleotiidi" mudelis oli mõned puudused, kuid tänapäevaste standardite järgi oli see märkimisväärselt suunatud.
1944. aastal olid Oswald Avery ja tema kolleegid Rockefelleri ülikoolis esimesed teadaolevad teadlased, kes pakkusid ametlikult välja, et DNA koosnes pärilikest ühikutest ehk geenidest. Jätkates nii nende kui ka Levene tööd, tegi Austria teadlane Erwin Chargaff kaks peamist avastust: ühe, et DNA nukleotiidide järjestus varieerub organismiliikide vahel, vastupidiselt Levene ettepanekule; ja kaks, et lämmastikaluste aluste adeniini (A) ja guaniini (G) üldkogus kõigis organismides, olenemata liigist, oli praktiliselt alati sama kui tsütosiini (C) ja tümiin (T). See ei viinud Chargaffi järeldusele, et T- ja C-paarid paarisid G-ga kogu DNA-s, kuid hiljem aitas see teiste järeldusele jõuda.
Lõpuks, 1953. aastal, panid Watson ja tema kolleegid, saades kasu kolmemõõtmeliste keemiliste struktuuride visualiseerimise kiirest parendamisest, kõik need leiud kokku ja kasutasid pappmudeleid, et teha kindlaks, et kahekordne spiraal sobib kõigega, mida DNA kohta teada oli, mitte midagi muidu saaks.
DNA ja pärilikud tunnused
DNA tuvastati päriliku materjalina elutoas juba enne selle struktuuri selgitamist ja nagu eksperimentaalteadustes sageli juhtus, oli see elutähtis avastus teadlaste peamise eesmärgi jaoks juhuslik.
Enne antibiootikumravi tekkimist 1930ndate lõpus nõudsid nakkushaigused palju rohkem inimelusid kui praegu, ning mikrobioloogia uurimisel oli kriitiline eesmärk vastutavate organismide saladuste lahti mõtestamine. 1913. aastal alustas eespool nimetatud Oswald Avery tööd, mis näitas lõpuks kopsupõletikuhaigetest eraldatud pneumokokkide bakteriliikide kapslites kõrget polüsahhariidi (suhkru) sisaldust. Avery teoreeteeris, et need stimuleerivad nakatunud inimestel antikehade tootmist. Vahepeal tegi Inglismaal William Griffiths tööd, mis näitas, et ühte tüüpi haigusi põhjustava pneumokoki surnud komponendid võivad olla segatud kahjutu pneumokoki elusate komponentidega ja saada endine kahjutu haiguse põhjustaja; see tõestas, et kõik surnuist elusatesse bakteritesse liikumine oli pärilik.
Kui Avery Griffithsi tulemustest teada sai, asus ta tegema puhastuskatseid, et isoleerida täpsed materjalid pneumokokkides, mis olid päritavad ja paigutatud nukleiinhapetesse või täpsemalt nukleotiididesse. DNA-d kahtlustati juba tugevalt selles, mida tollal rahvapäraselt hakati nimetama „ümberkujundatavateks põhimõteteks”, nii et Avery ja teised testisid seda hüpoteesi, paljastades päriliku materjali erinevatele ainetele. Neid, mis teadaolevalt hävitavad DNA terviklikkust, kuid on valkudele või DNAle kahjutud, nimetatakse DNAasideks, suurtes kogustes, et vältida tunnuste ülekandumist ühest bakteripõlvkonnast teise. Vahepeal proteiine lahti harutavad proteaasid sellist kahju ei teinud.
Averys ja Griffiths võtsid oma kodukohaks jälle selle, et kuigi selliseid inimesi nagu Watson ja Crick on molekulaargeneetikale tehtud panuse eest õigesti tunnustatud, oli DNA struktuuri kindlakstegemine tegelikult üsna hiline panus selle tundmaõppimise protsessi. tähelepanuväärne molekul.
DNA struktuur
Ehkki ta ei kirjeldanud ilmselgelt DNA struktuuri täielikult, näitas Chargaff, et lisaks (A + G) = (C + T) olid ka kaks ahelat, mis teadaolevalt sisaldusid DNA-s, alati sama vahemaa kaugusel. See viis järelduseni, et puriinid (sealhulgas A ja G) on alati seotud pürimidiinid (sealhulgas C ja T) DNA-s. See oli kolmemõõtmeline, sest puriinid on märkimisväärselt suuremad kui pürimidiinid, samal ajal kui kõik puriinid on põhimõtteliselt ühesuurused ja kõik pürimidiinid on põhimõtteliselt ühesuurused. See tähendab, et kaks omavahel seotud puriini võtaksid DNA ahelate vahel märkimisväärselt rohkem ruumi kui kaks pürimidiini, ja et iga antud puriini-pürimidiini sidumine kulutaks sama palju ruumi. Kogu selle teabe esitamine eeldas, et A seostub T-ga ja ainult T-ga ning kui see mudel peaks osutuma edukaks, peaksid kehtima samad suhted C ja G-ga. Ja on.
Alused (nende kohta hiljem üksikasjalikumalt) seostuvad üksteisega DNA molekuli sisemuses nagu redelipulgad. Aga kuidas on lood harude ehk külgedega? Watsoni ja Crickiga töötav Rosalind Franklin oletas, et see "selgroog" on valmistatud suhkrust (täpsemalt pentoosisuhkrust või viis, millel on viie aatomi tsüklistruktuur) ja fosfaatrühmast, mis ühendab suhkruid. Aluspaarimise äsja selgitatud idee tõttu said Franklin ja teised teada, et ühe molekuli kaks DNA ahelat olid "üksteist täiendavad" või tegelikult oma nukleotiidide tasemel üksteise peegelpildid. See võimaldas neil kindla täpsusega ennustada DNA keerutatud vormi ligikaudset raadiust ja röntgendifraktsiooni analüüs kinnitas spiraalse struktuuri. Idee, et spiraal oli kahekordne spiraal, oli viimane oluline detail DNA-de struktuuri kohta, mis paika sai, 1953. aastal.
Nukleotiidid ja lämmastiku alused
Nukleotiidid on DNA korduvad alaühikud, mis on vastupidine ütlus, et DNA on nukleotiidide polümeer. Iga nukleotiid koosneb suhkrust, mida nimetatakse deoksüribioosiks ja millel on viisnurkne tsüklistruktuur ühe hapniku ja nelja süsiniku molekuliga. See suhkur on seotud fosfaatrühmaga ja sellest kohast mööda kahte ringi paiknevat rõngast, samuti on see seotud lämmastiku alusega. Fosfaatrühmad seovad suhkrud kokku, moodustades DNA selgroo, mille kaks ahelat keerduvad seotud lämmastiku-raskete aluste ümber topeltheeliksi keskel. Helix teeb ühe täieliku 360-kraadise keerdu umbes kord 10 aluspaari kohta.
Ainult lämmastiku alusega seotud suhkrut nimetatakse a nukleosiid.
RNA (ribonukleiinhape) erineb DNA-st kolmel põhilisel viisil: esiteks on tümiin asendatud pürimidiinuratsiiliga. Teiseks on pentoosisuhkur pigem riboos kui deoksüribioos. Ja kolm: RNA on peaaegu alati üheahelaline ja seda on mitmel kujul, mille arutelu väljub käesoleva artikli ulatusest.
DNA replikatsioon
Kui koopiate tegemiseks on aeg, DNA on lahti pakitud kaheks teineteise ahelaks. Kuna see juhtub, moodustatakse tütar ahelad piki üksikvanema ahelaid. Üks selline tütar ahel moodustub ensüümi toimel pidevalt üksikute nukleotiidide lisamisega DNA polümeraas. See süntees järgib lihtsalt lähte-DNA ahelate eraldamise suunda. Teine tütar ahel moodustub väikestest polünukleotiididest, mida nimetatakse Okazaki killud need moodustuvad tegelikult lähteahelate lahti pakkimisel vastupidises suunas ja ühendatakse seejärel ensüümi abil DNA ligaas.
Kuna kaks tütar ahelat on ka üksteisega komplementaarsed, seovad nende alused lõpuks kokku, moodustades kaheahelalise DNA molekuli, mis on identne lähtemolekuliga.
Bakterites, mis on üherakulised ja mida nimetatakse prokarüootideks, istub bakterite DNA üks koopia (mida nimetatakse ka selle genoomiks) tsütoplasmas; tuuma pole. Mitmerakulistes eukarüootsetes organismides leitakse DNA tuumas kromosoomide kujul, mis on väga keerdunud, keerdunud ja ruumiliselt kondenseerunud DNA molekulid, mille pikkus on vaid miljons meetrit, ja valke, mida nimetatakse histoonid. Mikroskoopilisel uurimisel võrreldakse kromosoomi osi, millel on vahelduvad histooni "poolid" ja lihtsaid DNA ahelaid (sellel organisatsiooni tasemel nimetatakse kromatiiniks) stringi helmesteks. Osa eukarüootsest DNA-st on ka rakkude, mida nimetatakse mitokondrid.