Садржај
ДНК је једна од ретких комбинација слова у сржи научне дисциплине која, чини се, изазива значајан ниво разумевања чак и код људи који су мало животно изложени биологији или науци уопште. Већина одраслих који чују фразу „То је у њеној ДНК“ одмах препознају да је одређена особина неодвојива од особе која је описана; да је карактеристика некако урођена, да никад не нестаје и да је у стању да се пренесе на те особе децу и шире. Чини се да ово важи чак и у главама оних који немају појма за шта се „ДНК“ уопште залаже, а то је „деоксирибонуклеинска киселина“.
Људи су разумљиво фасцинирани концептом наслеђивања особина од својих родитеља и преношењем њихових особина на потомство. Једино је природно да људи размишљају о сопственом биохемијском наслеђу, чак и ако га мало ко може замислити у тако формалном смислу. Признање да ситни невидљиви чиниоци унутар сваког од нас управљају начином на који деца изгледају и чак се понашају сигурно је присутно већ стотинама година. Али тек средином 20. века савремена наука је у сјајном детаљу открила не само шта су молекули одговорни за наследство, већ и како су изгледали.
Деоксирибонуклеинска киселина је заиста генетски плава боја коју сва жива бића одржавају у својим ћелијама, јединствени микроскопски прст који не само да свакога човјека чини буквално јединственим индивидуом (идентични близанци изузети за данашње сврхе), већ откривају велику виталност информације о свакој особи, од вероватноће да буде повезан са другом конкретном особом до шанси за развој одређене болести касније у животу или преношења такве болести на будуће генерације. ДНК је постао не само природна централна тачка молекуларне биологије и науке о животу као целине, већ и саставни део форензике и биолошког инжењерства.
Откриће ДНК
Јамес Ватсон и Францис Црицк (и ређе Росалинд Франклин и Маурице Вилкинс) су широко заслужни за откриће ДНК 1953. године. Међутим, ова перцепција је погрешна. Критички, ови истраживачи су уствари утврдили да ДНК постоји у тродимензионалном облику у облику двоструке спирале, која је у ствари лествица исплетена у различитим правцима на оба краја како би створила спирални облик. Али ови одлучни и често прослављени научници "само" су се надовезали на мукотрпан рад биолога који су се трудили у потрази за истим општим информацијама још од 1860-их, експериментима који су били једнако револуционарни као они Ватсон-а, Крик и други у истраживачкој ери после Другог светског рата.
1869. године, 100 година пре него што би људи отпутовали на месец, швајцарски хемичар Фриедрицх Миесцхер покушао је да извади протеинске компоненте из леукоцита (белих крвних зрнаца) како би одредио њихов састав и функцију. Оно што је уместо тога извукао назвао је "нуклеином", и иако су му недостајали инструменти потребни да науче шта би будући биохемичари могли да науче, брзо је уочио да је тај "нуклеин" повезан са протеинима, али да сам по себи није протеин, да садржи необичну количину фосфора и да је ова супстанца била отпорна на разградњу истим хемијским и физичким факторима који разграђују протеине.
Прошло би више од 50 година пре него што се очигледна стварна важност рада Миесцхера. У другој деценији 1900-их, руски биохемичар, Пхоебус Левене, први је предложио да се, оно што данас називамо нуклеотидима, састоји од шећера, фосфатног и базног дела; да је шећер био рибоза; и да су разлике између нуклеотида настале због разлика између њихових база. Његов модел „полинуклеотида“ имао је неких пропуста, али према стандардима дана, био је невероватно на мети.
Године 1944. Освалд Авери и његове колеге са Универзитета Роцкефеллер били су први познати истраживачи који су званично сугерирали да се ДНК састоји од насљедних јединица или гена. Пратећи њихов рад, као и Левенеов рад, аустријски научник Ервин Цхаргафф направио је два кључна открића: једно, да низ нуклеотида у ДНК варира између врста организама, супротно ономе што је Левене предложио; и два, да је у било ком организму укупна количина азотних база аденина (А) и гванина (Г) комбинована, без обзира на врсте, била скоро увек иста као и укупна количина цитозина (Ц) и тимина (Т). То није баш натерало Цхаргаффа да закључи да су парови са Т и Ц парови са Г у целој ДНК, али то је касније помогло да се утврде закључци других.
Коначно, 1953. године, Ватсон и његови колеге, користећи се брзим побољшањем начина визуелизације тродимензионалних хемијских структура, саставили су све те налазе и користили картонске моделе како би утврдили да двострука спирала одговара на све што се о ДНК знало на ништа друго би могло.
ДНК и наследне особине
ДНК је идентификован као наследни материјал у живописним стварима много пре него што је разјашњена његова структура, а као што је често случај у експерименталној науци, ово витално откриће је заправо случајно са главном сврхом истраживача.
Пре него што се антибиотска терапија појавила у касним тридесетима, заразне болести захтевале су много више људских живота него данас, а разоткривање мистерија одговорних организама било је пресудан циљ у микробиолошким истраживањима. Године 1913, поменути Освалд Авери почео је са радом који је на крају открио висок садржај полисахарида (шећера) у капсулама пнеумококних бактеријских врста, које су изоловане од оболелих од упале плућа. Свако је теоретизирао да ова стимулисана производња антитела код заражених људи. У међувремену, у Енглеској, Виллиам Гриффитхс је обављао посао који је показао да се мртве компоненте једне врсте пнеумокока који изазивају болест могу бити помешане са живим компонентама безопасног пнеумокока и стварати облик раније безопасне врсте који изазива болест; ово је доказало да је оно што је прешло са мртвих на живе бактерије наслеђено.
Кад је Авери сазнао за Гриффитхсове резултате, кренуо је у спровођење експеримената за пречишћавање у настојању да изолује прецизни материјал у пнеумокоцима који су били наследни, и усадили су нуклеинске киселине, или тачније, нуклеотиде. За ДНК се већ сумњало да има оно што се тада у народу називало "принципе трансформације", па су Авери и други тестирали ову хипотезу излажући наследни материјал разним агенсима. Они за које се зна да су деструктивни за интегритет ДНК, али безопасни за протеине или ДНК, зване ДНК-а, били су довољни у великим количинама да спрече преношење својстава из једне генерације бактерија у другу. У међувремену, протеазе, које растварају протеине, нису направиле такву штету.
Аверис и Гриффитхс се враћају кући да је, опет, док су људи попут Ватсон-а и Црицк-а с правом похваљени због свог доприноса молекуларној генетици, успостављање структуре ДНК-а заправо било прилично касни допринос процесу сазнања о овоме. спектакуларни молекул.
Структура ДНК
Цхаргафф, иако очигледно није у потпуности описао структуру ДНК, показао је да су, поред (А + Г) = (Ц + Т), две нити за које се зна да су укључене у ДНК увек на једнакој удаљености. То је довело до постулата да пурине (укључујући А и Г) увек везане за пиримидини (укључујући Ц и Т) у ДНК. То је имало тродимензионални смисао, јер су пурини знатно већи од пиримидина, док су сви пурини у основи исте величине и сви су пиримидини у основи исте величине. То имплицира да би два пурина повезана заједно заузимала знатно више простора између ланаца ДНК него два пиримидина, а такође и да би сваки пар пурин-пиримидина заузео исту количину простора. Стављање свих ових података захтевало је да се А веже и само за Т и да исти однос важи и за Ц и Г ако се овај модел показао успешним. И има.
Базе (детаљније о овим касније) вежу се једна на другу на унутрашњости молекула ДНК, попут пречке у мердевинама. Али шта је са праменовима или "странама"? Росалинд Франклин, радећи с Ватсоном и Црицком, претпоставила је да је та "кичма" начињена од шећера (конкретно шећера с пентозом, или оном са петоматомном структуром прстена) и фосфатне скупине која повезује шећере. Због ново разјашњене идеје удруживања базе, Франклин и остали су постали свесни да су два ланца ДНК у једном молекулу "комплементарна", или у ствари зрцалне слике међусобно на нивоу њихових нуклеотида. То им је омогућило да предвиде приближни радијус искривљеног облика ДНК у чврстом степену тачности, а рентгенском дифракцијском анализом потврђена је спирална структура. Идеја да је спирали двострука спирала био је последњи главни детаљ структуре ДНК који је ступио на снагу 1953. године.
Нуклеотиди и азотне базе
Нуклеотиди су понављајуће подјединице ДНК, што је супротно рећи да је ДНК полимер нуклеотида. Сваки нуклеотид састоји се од шећера званог деоксирибоза који садржи петерокутну прстенасту структуру са једним кисеоником и четири молекула угљеника. Овај шећер је везан за фосфатну групу, а две тачке дуж прстена са ове позиције, такође су везане за азотну базу. Фосфатне групе повезују шећере заједно како би формирале кичму ДНК, чија се два ланца увијају око везаним азот-тешким базама у средини двоструке спирале. Хелик прави један потпуни завој од 360 степени отприлике једном у сваких 10 пари основе.
Шећер везан само за азотну базу назива се а нуклеозид.
РНА (рибонуклеинска киселина) се разликује од ДНК на три кључна начина: Прво, пиримидински урацил је замењен тимином. Друго, пентозни шећер је рибоза, а не деоксирибоза. И треће, РНА је готово увек једноланчана и долази у више облика, чија је расправа изван обима овог чланка.
ДНК репликација
ДНК је „нераспачен“ у две комплементарне везе када дође време да се направе копије. Како се то догађа, кћери се формирају дуж самородних нити. Један такав кћерни ланац настаје континуирано додавањем појединих нуклеотида, под дејством ензима ДНК полимераза. Ова синтеза једноставно слиједи правац раздвајања матичних ланаца ДНК. Други правац кћери формира се од малих полинуклеотида званих Оказаки фрагменти који заправо формирају у супротном смеру отпакивања матичних нити, а потом их ензим спаја ДНК лигаза.
Будући да су два кћерна ланца такође комплементарна једна другој, њихове базе се на крају вежу заједно да би направили дволанчани ДНК молекул идентичан матичном.
Код бактерија, које су једноћелијске и зову се прокариоти, у цитоплазми се налази и једина копија бактерије ДНА (која се такође назива и њен геном); ниједно језгро нема. У вишећелијским еукариотским организмима ДНК се налази у језгру у облику хромозома, који су високо замотани, омотани и просторно кондензовани молекули ДНК дуги само милион месеци метра, а протеини се називају хистони. На микроскопском испитивању, делови хромозома који показују наизменичне хистонске „калеме“ и једноставне праменове ДНК (назване хроматин на овом нивоу организације) често се успоређују са перлама на струни. Неке еукариотске ДНК се такође налазе у органелама ћелија које се називају митохондрије.