Съдържание
- Откриването на ДНК
- ДНК и наследствени черти
- Структурата на ДНК
- Нуклеотиди и азотни основи
- ДНК репликация
ДНК е една от малкото комбинации от букви в основата на научната дисциплина, която сякаш предизвиква значително ниво на разбиране дори при хора с малко излагане на живот на биологията или на науките като цяло. Повечето възрастни, които чуят израза „Това е в нейната ДНК“, веднага разпознават, че определена черта е неразделна от описания човек; че характеристиката е някак вродена, никога не се разминава и е способна да бъде прехвърлена на тези хора деца и отвъд нея. Това изглежда важи дори в съзнанието на онези, които нямат представа за какво изобщо означава „ДНК“, а това е „дезоксирибонуклеинова киселина“.
Хората са разбираемо очаровани от концепцията за наследяване на черти от родителите си и предаване по собствените им черти на потомството им. Естествено е хората да размишляват върху собственото си биохимично наследство, дори и малцина да го представят в такива формални условия. Признанието, че мънички невидими фактори във всеки от нас управляват как изглеждат децата и дори се държат, със сигурност присъства от много стотици години. Но чак в средата на 20 век съвременната наука не разкрива със славни подробности не само какви са молекулите, отговорни за наследството, но и как изглеждат.
Деоксирибонуклеиновата киселина наистина е генетично синьо, което всички живи същества поддържат в клетките си, уникален микроскопичен пръст, който не само прави всеки човек буквален индивидуален човек (идентични близнаци, изключени за настоящите цели), но разкрива много жизненоважни информация за всеки човек, от вероятността да бъде свързан с друг конкретен човек до шансовете за развитие на дадена болест по-късно в живота или предаване на такава болест на бъдещите поколения. ДНК се превърна не само в естествената централна точка на молекулярната биология и на науката за живота като цяло, но и неразделен компонент на криминалистиката и биологичното инженерство.
Откриването на ДНК
Джеймс Уотсън и Франсис Крик (и по-рядко Розалинд Франклин и Морис Уилкинс) са широко кредитирани с откриването на ДНК през 1953 г. Това схващане обаче е погрешно. Критично, тези изследователи всъщност установиха, че ДНК съществува в триизмерна форма под формата на двойна спирала, която по същество е стълба, усукана в различни посоки в двата края, за да създаде спирална форма. Но тези решителни и често изтъкнати учени „само“ се основаваха на трудоемката работа на биолозите, които се опитваха да търсят същата обща информация още през 1860-те, експерименти, които бяха също толкова революционни от само себе си като този на Уотсън, Крик и други в ерата на изследванията след Втората световна война.
През 1869 г., 100 години преди хората да пътуват до Луната, швейцарски химик на име Фридрих Мишер се опитва да извлече протеиновите компоненти от левкоцитите (белите кръвни клетки), за да определи техния състав и функция. Това, което той вместо това извлече, нарече "нуклеин", и въпреки че му липсваха инструментите, необходими, за да научи какво биха могли да научат бъдещите биохимици, той бързо разбра, че този "нуклеин" е свързан с протеини, но самият той не е протеин, че съдържа необичайно количество фосфор и че това вещество е устойчиво на разграждане от същите химични и физични фактори, които разграждат протеините.
Щеше да мине над 50 години, преди истинското значение на работата на Mieschers да стане очевидно. През второто десетилетие на 1900 г. руски биохимик Феб Левене е първият, който предложи, че това, което днес наричаме нуклеотиди, се състои от захарна част, фосфатна част и основна част; че захарта е рибоза; и че разликите между нуклеотидите се дължат на разликите между техните основи. Моделът му "полинуклеотид" имаше някои недостатъци, но според стандартите на деня, той беше забележително на прицел.
През 1944 г. Освалд Ейвъри и неговите колеги от Университета Рокфелер са първите известни изследователи, които официално предполагат, че ДНК се състои от наследствени единици или гени. Следвайки своята работа, както и тази на Левене, австрийският учен Ервин Чаргаф направи две ключови открития: едното, че последователността на нуклеотидите в ДНК варира между различните организми, противно на предложеното от Левене; и две, че във всеки организъм общото количество на азотните основи аденин (А) и гуанин (G), комбинирани, независимо от вида, на практика винаги е било същото като общото количество цитозин (С) и тимин (Т). Това не е довело съвсем до Chargaff да заключи, че A двойки с T и C двойки с G във всички ДНК, но по-късно помогна да се потвърди заключението, достигнато от други.
И накрая, през 1953 г. Уотсън и неговите колеги, възползвайки се от бързо подобряване на начините за визуализиране на триизмерните химически структури, събраха всички тези открития и използваха картонени модели, за да установят, че двойна спирала отговаря на всичко, което се знае за ДНК, по никакъв начин друго можеше.
ДНК и наследствени черти
ДНК е идентифициран като наследствен материал в живи неща доста преди да се изясни структурата му и както често се случва в експерименталната наука, това жизненоважно откритие всъщност е било случайно с основната цел на изследователите.
Преди появата на антибиотична терапия в края на 30-те години на миналия век, инфекциозните болести отнеха много повече човешки животи, отколкото днес, и разгадаването на мистериите на отговорните организми беше критична цел в изследванията на микробиологията. През 1913 г. гореспоменатият Oswald Avery започна работа, която в крайна сметка разкри високо съдържание на полизахарид (захар) в капсули от пневмококови бактериални видове, изолирани от пациенти с пневмония. Ейвъри теоретизира, че тези стимулират производството на антитела при заразени хора. Междувременно в Англия Уилям Грифитс изпълняваше работа, която показа, че мъртвите компоненти на един вид причиняващи заболяване пневмококи могат да бъдат смесени с живите компоненти на безобиден пневмокок и да предизвикат болестотворна форма от преди това безобиден вид; това доказа, че каквото и да се премести от мъртвите към живите бактерии, е наследствено.
Когато Ейвъри научи за резултатите на Грифитс, той започна да провежда експерименти за пречистване с цел да изолира прецизния материал в пневмококите, който е наследствен, и се наложи върху нуклеинови киселини, или по-точно нуклеотиди. ДНК вече силно се подозираше, че има онова, което тогава се наричаше "трансформиращи принципи", така че Ейвъри и други тестваха тази хипотеза, като излагаха наследствения материал на различни агенти. Онези, за които се знае, че са разрушителни за целостта на ДНК, но безвредни за протеините или ДНК, наречени ДНКази, бяха достатъчни в големи количества, за да се предотврати предаването на черти от едно поколение на бактерии към следващо. Междувременно протеазите, които разгадават протеините, не нанесоха такава вреда.
Приемането на работа на Аверис и Грифитс е, че отново, докато хора като Уотсън и Крик с основание се хвалят за приноса си към молекулярната генетика, установяването на структурата на ДНК всъщност е доста късен принос за процеса на научаване за това ефектна молекула.
Структурата на ДНК
Chargaff, въпреки че очевидно не е описал структурата на ДНК напълно, показва, че в допълнение към (A + G) = (C + T), двата направления, за които се знае, че са включени в ДНК, са били винаги на едно и също разстояние. Това доведе до постулата, че пурини (включително A и G), винаги свързани пиримидини (включително С и Т) в ДНК. Това има триизмерен смисъл, тъй като пурините са значително по-големи от пиримидините, докато всички пурини по същество са с еднакъв размер и всички пиримидини по същество са с еднакъв размер. Това означава, че две пурини, свързани заедно, ще заемат значително повече пространство между нишките на ДНК, отколкото две пиримидини, а също така, че всяко дадено пуриново-пиримидиново сдвояване ще изразходва същото пространство. Поставянето на цялата тази информация изисква A да се свърже и само към, T и че същите отношения са валидни за C и G, ако този модел трябва да се окаже успешен. И има.
Основите (повече за тези по-късно) се свързват една с друга във вътрешността на молекулата на ДНК, като стълбове в стълба. Но какво да кажем за самите нишки или „страни“? Розалинд Франклин, работеща с Уотсън и Крик, предположи, че този „гръбначен стълб“ е направен от захар (по-специално пентоза захар или такава с пет-атомна структура на пръстена) и фосфатна група, свързваща захарите. Поради наскоро изяснената идея за сдвояване на базата, Франклин и другите станаха наясно, че двете нишки на ДНК в една молекула са "взаимно допълващи се" или в действителност огледални изображения един на друг на нивото на техните нуклеотиди. Това им позволи да предскажат приблизителния радиус на усуканата форма на ДНК в солидна степен на точност, а рентгенографският анализ потвърди спиралната структура. Идеята, че спиралата е двойна спирала, беше последната основна подробност за структурата на ДНК, която се появи на мястото си през 1953 г.
Нуклеотиди и азотни основи
Нуклеотидите са повтарящите се субединици на ДНК, което е обратното, че ДНК е полимер на нуклеотиди. Всеки нуклеотид се състои от захар, наречена дезоксирибоза, която съдържа петоъгълна структура на пръстена с един кислород и четири въглеродни молекули. Тази захар е свързана с фосфатна група и две петна по протежение на пръстена от тази позиция, тя също е свързана с азотна основа. Фосфатните групи свързват захарите заедно, за да образуват ДНК гръбнака, двете нишки на които се усукват около свързаните с азот тежки основи в средата на двойната спирала. Спиралата прави един пълен 360-градусов обрат около веднъж на всеки 10 базови двойки.
Захарта, свързана само с азотна основа, се нарича a нуклеозидни.
РНК (рибонуклеиновата киселина) се различава от ДНК по три ключови начина: Първо, пиримидин урацилът е заместен с тимин. Второ, пентозната захар е рибоза, а не дезоксирибоза. И три, РНК почти винаги е едноверижен и се предлага в множество форми, обсъждането на които е извън обхвата на тази статия.
ДНК репликация
ДНК се "разкопчава" в двата си допълващи се направления, когато дойде време за копията да бъдат направени. Тъй като това се случва, дъщерните нишки се оформят по дължината на родителите. Една такава дъщерна верига се образува непрекъснато чрез добавяне на единични нуклеотиди, под действието на ензима ДНК полимераза, Този синтез просто следва по посоката на разделянето на родителските нишки на ДНК. Другата дъщерна нишка се образува от малки полинуклеотиди, наречени Фрагменти от Оказаки които всъщност се образуват в обратна посока на разкопчаването на родителските нишки и след това се съединяват от ензима ДНК лигаза.
Тъй като двете дъщерни нишки също са взаимно допълващи се, техните основи в крайна сметка се свързват, за да направят двуверижна ДНК молекула, идентична на родителската.
При бактерии, които са едноклетъчни и се наричат прокариоти, в цитоплазмата седи едно копие на бактерията ДНК (наричана още нейния геном); няма ядро. В многоклетъчните еукариотни организми ДНК се намира в ядрото под формата на хромозоми, които са силно навити, сплетени и пространствено кондензирани ДНК молекули с дължина само милиони месеци от метър и протеини, наречени хистони, При микроскопско изследване частите на хромозомите, които показват редуващи се хистонови "шпули" и прости нишки от ДНК (наречени хроматин на това ниво на организация), често се оприличават на мъниста на струна. Някои еукариотни ДНК се намират и в органелите на клетки, наречени митохондриите.