Obsah
DNA je jednou z mála kombinácií písmen v jadre vedeckej disciplíny, ktorá podľa všetkého vyvoláva značnú úroveň porozumenia aj u ľudí s nízkou celoživotnou expozíciou biológii alebo všeobecne vedám. Väčšina dospelých, ktorí počujú vetu „Jej vo svojej DNA“, okamžite uznáva, že konkrétna vlastnosť je neoddeliteľnou súčasťou opisovanej osoby; že charakteristika je nejakým spôsobom vrodená, nikdy neodchádza a je možné ju preniesť na tieto deti, deti a ďalej. Zdá sa, že to platí aj v mysliach tých, ktorí netuší, čo znamená „DNA“, čo je „kyselina deoxyribonukleová“.
Ľudia sú pochopiteľne fascinovaní konceptom zdedenia vlastností od svojich rodičov a odovzdávania svojich vlastných vlastností ich potomkom. Je prirodzené, že sa ľudia zamyslia nad vlastným biochemickým dedičstvom, aj keď si to len málo ľudí dokáže predstaviť takým formálnym spôsobom. Uznanie, že nepatrné neviditeľné faktory vo vnútri každého z nás určujú, ako deti ľudí vyzerajú a dokonca sa správajú, sú určite prítomné už mnoho stoviek rokov. Ale až v polovici 20. storočia moderná veda odhalila v slávnych detailoch nielen to, čo boli molekuly zodpovedné za dedičstvo, ale aj to, ako vyzerali.
Kyselina deoxyribonukleová je skutočne genetická modrá, ktorú všetky živé veci udržiavajú vo svojich bunkách. Je to jedinečný mikroskopický prst, ktorý nielen robí z každého človeka doslova jedinečného jedinca (totožné dvojčatá sú vylúčené na súčasné účely), ale odhaľuje veľké množstvo vitálnych funkcií. informácie o každej osobe, od pravdepodobnosti, že bude v spojení s inou konkrétnou osobou, až po šance na rozvoj danej choroby v neskoršom živote alebo prenos tejto choroby na budúce generácie. DNA sa stala nielen prirodzeným ústredným bodom molekulárnej biológie a biologickej vedy ako celku, ale aj neoddeliteľnou súčasťou forenznej vedy a biologického inžinierstva.
Objav DNA
James Watson a Francis Crick (a menej často Rosalind Franklin a Maurice Wilkins) sa vo veľkej miere pripisujú objavu DNA v roku 1953. Toto vnímanie je však chybné. Kriticky títo vedci v skutočnosti preukázali, že DNA existuje v trojrozmernej forme v tvare dvojzávitnice, ktorá je v podstate rebrík stočený v rôznych smeroch na oboch koncoch, aby sa vytvoril špirálový tvar. Ale títo odhodlaní a často oslavovaní vedci „stavali“ iba na náročnej práci biológov, ktorí sa snažili hľadať rovnaké všeobecné informácie už v šesťdesiatych rokoch minulého storočia, experimenty, ktoré boli rovnako priekopnícke ako v prípade Watsona, Crick a ďalší v období po druhej svetovej vojne.
V roku 1869, 100 rokov predtým, ako ľudia cestovali na Mesiac, sa švajčiarsky chemik Friedrich Miescher snažil extrahovať proteínové zložky z leukocytov (biele krvinky), aby určil ich zloženie a funkciu. To, čo namiesto toho extrahoval, nazval „nukleín“, a hoci mu chýbali nástroje potrebné na to, aby sa dozvedeli, čo by sa budúci biochemici dokázali naučiť, rýchlo zistil, že tento „nukleín“ súvisí s proteínmi, ale sám o sebe proteín, že obsahuje neobvyklé množstvo fosforu a že táto látka bola odolná voči degradácii rovnakými chemickými a fyzikálnymi faktormi, ktoré degradujú proteíny.
Bolo by to viac ako 50 rokov, kým sa prvýkrát prejaví skutočný význam práce Mieschersa. V druhej dekáde 20. rokov 20. storočia ruský biochemik Phoebus Levene navrhol, že to, čo dnes nazývame nukleotidy, pozostáva z cukru, fosfátu a bázy; že cukor bol ribóza; a že rozdiely medzi nukleotidmi boli spôsobené rozdielmi medzi ich bázami. Jeho „polynukleotidový“ model mal určité nedostatky, ale podľa štandardov dňa bol pozoruhodný cieľ.
V roku 1944 boli Oswald Avery a jeho kolegovia z Rockefellerovej univerzity prvými známymi vedcami, ktorí formálne naznačili, že DNA pozostávala z dedičných jednotiek alebo génov. Rakúsky vedec Erwin Chargaff, ktorý sledoval svoju prácu, ako aj prácu Levene, urobil dva kľúčové objavy: jeden, že sekvencia nukleotidov v DNA sa medzi druhmi organizmov líši, na rozdiel od toho, čo navrhol Levene; a dva, že v akomkoľvek organizme bolo celkové množstvo dusíkatých báz adenín (A) a guanínu (G) kombinovaných, bez ohľadu na druh, prakticky vždy rovnaké ako celkové množstvo cytozínu (C) a tymínu (T). To Chargaffa celkom nevedie k záveru, že páry A s pármi T a C s G vo všetkých DNA, ale neskôr to pomohlo vyvrátiť záver, ku ktorému dospeli ostatní.
Napokon v roku 1953 Watson a jeho kolegovia, ktorí ťažili z rýchlo sa zlepšujúcich spôsobov vizualizácie trojrozmerných chemických štruktúr, spojili všetky tieto nálezy a použili kartónové modely na preukázanie toho, že dvojitá špirála vyhovuje všetkému, čo bolo o DNA známe, ničím inak mohol.
DNA a dedičné črty
DNA bola identifikovaná ako dedičný materiál v živých organizmoch ešte predtým, ako bola objasnená jej štruktúra, a ako často v experimentálnej vede, tento zásadný objav bol v skutočnosti vedľajším účinkom vedcov.
Predtým, ako sa koncom 30. rokov 20. storočia objavila antibiotická liečba, infekčné choroby si vyžiadali oveľa viac ľudských životov ako dnes, a odhalenie záhad zodpovedných organizmov bolo kritickým cieľom mikrobiologického výskumu. V roku 1913 začal spomínaný Oswald Avery prácu, ktorá nakoniec odhalila vysoký obsah polysacharidov (cukru) v kapsulách pneumokokových bakteriálnych druhov, ktoré boli izolované od pacientov s pneumóniou. Avery sa domnievali, že tieto stimulovali produkciu protilátok u infikovaných ľudí. Medzitým v Anglicku vykonával William Griffiths prácu, ktorá ukázala, že mŕtve zložky jedného druhu pneumokokov spôsobujúcich choroby by sa mohli zmiešať so živými komponentmi neškodného pneumokoka a vytvoriť formu predtým neškodného druhu spôsobujúceho choroby; to dokázalo, že všetko, čo sa presunulo z mŕtvych na živé baktérie, bolo dedičné.
Keď sa Avery dozvedel o Griffithsových výsledkoch, pustil sa do uskutočňovania purifikačných experimentov v snahe izolovať presný materiál v pneumokokoch, ktorý bol dedičný a naviazaný na nukleové kyseliny alebo konkrétnejšie nukleotidy. DNA už bola silne podozrivá z toho, čo malo vtedy populárne nazývané „transformačné princípy“, takže Avery a ďalší testovali túto hypotézu tak, že dedičný materiál vystavili rôznym pôvodcom. Tie, o ktorých je známe, že sú deštruktívne pre integritu DNA, ale neškodné pre proteíny alebo DNA, nazývané DNAázy, boli dostatočné vo veľkých množstvách, aby zabránili prenosu znakov z jednej bakteriálnej generácie na ďalšiu. Medzitým proteázy, ktoré rozpadajú proteíny, také poškodenie nespôsobili.
Prevzatie práce Averys a Griffiths spočíva v tom, že zatiaľ čo ľudia ako Watson a Crick sa právom pochválili za svoje príspevky k molekulárnej genetike, vytvorenie štruktúry DNA bolo v skutočnosti pomerne neskoro prispievajúce k procesu učenia sa o tomto veľkolepá molekula.
Štruktúra DNA
Chargaff, aj keď zjavne neopísal štruktúru DNA v plnom rozsahu, ukázal, že okrem (A + G) = (C + T) boli aj dva vlákna, o ktorých je známe, že sú obsiahnuté v DNA, vždy v rovnakej vzdialenosti. To viedlo k domnienke, že purines (vrátane A a G) vždy spojené pyrimidíny (vrátane C a T) v DNA. Toto dávalo trojrozmerný zmysel, pretože puríny sú značne väčšie ako pyrimidíny, zatiaľ čo všetky puríny majú v podstate rovnakú veľkosť a všetky pyrimidíny majú v podstate rovnakú veľkosť. To znamená, že dva puríny spojené dohromady by zaberali podstatne viac priestoru medzi vláknami DNA ako dva pyrimidíny, a tiež, že akékoľvek dané párenie purín-pyrimidín by spotrebovalo rovnaké množstvo priestoru. Uvedenie všetkých týchto informácií vyžadovalo, aby sa A viazalo iba na T a aby rovnaké vzťahy platili pre C a G, ak sa tento model má ukázať ako úspešný. A má.
Bázy (viac o nich neskôr) sa navzájom viažu na vnútornej strane molekuly DNA, ako sú priečky v rebríku. Ale čo samotné pramene alebo „strany“? Rosalind Franklin v spolupráci s Watsonom a Crickom predpokladala, že táto „kostra“ bola vyrobená z cukru (konkrétne z pentózového cukru alebo zo skupiny s päť-atómovou kruhovou štruktúrou) a fosfátovej skupiny spájajúcej cukry. Kvôli novo vyjasnenej myšlienke párovania báz si Franklin a ostatní uvedomili, že dva reťazce DNA v jednej molekule boli „komplementárne“ alebo v skutočnosti zrkadlovým obrazom jeden druhého na úrovni ich nukleotidov. To im umožnilo predpovedať približný polomer skrútenej formy DNA v rámci solídneho stupňa presnosti a rôntgenová difrakčná analýza potvrdila špirálovú štruktúru. Myšlienka, že špirála bola dvojitá špirála, bola posledným hlavným detailom o štruktúre DNA, ktorá sa mala v roku 1953 zabudnúť.
Nukleotidy a dusíkaté bázy
Nukleotidy sú opakujúce sa podjednotky DNA, čo je opakom tvrdenia, že DNA je polymér nukleotidov. Každý nukleotid pozostáva z cukru nazývaného deoxyribóza, ktorý obsahuje pentagonálnu kruhovú štruktúru s jedným kyslíkom a štyrmi atómami uhlíka. Tento cukor je naviazaný na fosfátovú skupinu a dve škvrny pozdĺž kruhu z tejto polohy sú tiež viazané na dusíkatú bázu. Fosfátové skupiny spájajú cukry dohromady a tvoria hlavný reťazec DNA, ktorého dva vlákna sa krútia okolo viazaných dusíkatých báz v strede dvojitej špirály. Špirála robí jeden kompletný 360-stupňový zákrut približne raz za 10 párov báz.
Cukor viazaný iba na dusíkatú bázu sa nazýva a nukleozid.
RNA (ribonukleová kyselina) sa líši od DNA tromi kľúčovými spôsobmi: Jedným je tymín pyrimidín uracil. Po druhé, pentózový cukor je skôr ribóza ako deoxyribóza. A po tretie, RNA je takmer vždy jednovláknová a prichádza vo viacerých formách, ktorých diskusia presahuje rámec tohto článku.
Replikácia DNA
DNA je „nezipnutá“ do svojich dvoch komplementárnych vlákien, keď príde čas na vytvorenie kópií. Keď sa to deje, pozdĺž jediných rodičovských vlákien sa tvoria dcérske vlákna. Jedno také dcérske vlákno sa vytvára nepretržite pridávaním jednotlivých nukleotidov pôsobením enzýmu DNA polymeráza, Táto syntéza jednoducho nasleduje v smere separácie rodičovských reťazcov DNA. Ďalšie dcérske vlákno tvorí malé polynukleotidy zvané Fragmenty Okazaki ktoré sa vlastne tvoria v opačnom smere, ako sa oddeľujú pôvodné vlákna, a potom sa enzýmom spoja DNA ligáza.
Pretože tieto dve dcérske vlákna sa tiež navzájom dopĺňajú, ich bázy sa nakoniec spoja, aby vytvorili dvojvláknovú molekulu DNA identickú s materskou.
V baktériách, ktoré sú jednobunkové a nazývané prokaryoty, je v cytoplazme umiestnená jedna kópia bakteriálnej DNA (tiež nazývanej jej genóm); nie je prítomné žiadne jadro. V mnohobunkových eukaryotických organizmoch sa DNA nachádza v jadre vo forme chromozómov, ktoré sú vysoko stočené, navinuté a priestorovo kondenzované molekuly DNA iba milióntiny metra, a proteíny nazývané históny, Pri mikroskopickom vyšetrení sú chromozómové časti, ktoré vykazujú striedajúce sa histónové „cievky“ a jednoduché vlákna DNA (nazývané chromatín na tejto úrovni organizácie), často prirovnávané k guľôčkam na provázku. Niektoré eukaryotické DNA sa nachádzajú aj v organelách nazývaných bunky mitochondrie.