Tartalom
- A DNS felfedezése
- DNS és öröklődő tulajdonságok
- A DNS szerkezete
- Nukleotidok és nitrogénbázisok
- DNS replikáció
A DNS egyike azon kevés betűkombinációknak, amelyek a tudományos diszciplínák középpontjában állnak, és úgy tűnik, hogy jelentős megértési szintet idéznek elő azokban az emberekben is, akiknek élettartama alatt kevés a biológia vagy általában a tudomány. A legtöbb felnőtt, aki hallja az "Ez benne a DNS-ben" kifejezést, azonnal felismeri, hogy egy adott tulajdonság elválaszthatatlan a leírt személytől; hogy a tulajdonság valamilyen módon veleszületett, soha nem megy el, és képes átadni ezen személyeknek gyermekeit és azon túl is. Úgy tűnik, hogy igaz azoknak az agyában is, akiknek fogalma sincs arról, hogy mit is jelent a "DNS", ami a "dezoxiribonukleinsav".
Az embereket érthetően elbűvöli az a fogalom, hogy a tulajdonságokat a szülektől örökölték, és sajátosságaikat az utódoknak továbbadják. Természetes, hogy az emberek elgondolkodnak a saját biokémiai örökségükről, még ha csak kevesen is tudják elképzelni ilyen formálisan. Az a felismerés, hogy apró, láthatatlan tényezők mindegyikünkben befolyásolják a gyermekek nézetet és viselkedését, valószínűleg már több száz évig jelen volt. De a 20. század közepéig a modern tudomány dicsőséges részletekkel nem csak azt mutatta be, hogy mi volt az öröklésért felelős molekulák, hanem hogy néztek ki.
A dezoxiribonukleinsav valóban az a genetikai kék, amelyet minden élőlény megőriz a sejtjeiben, egyedülálló mikroszkopikus ujj, amely nemcsak az embereket egy egyedülálló egyénné teszi (azonos ikrek, kivéve a jelen célkitűzéseket), hanem nagyon sok létfontosságú információ minden személyről, kezdve egy másik konkrét személyhez való kapcsolódás valószínűségétől az adott betegség későbbi élettartama kialakulásának esélyéig vagy egy ilyen betegségnek a következő nemzedékekre terjesztéséig. A DNS nemcsak a molekuláris biológia és az egész élettudomány természetes központi pontjává vált, hanem a kriminalisztika és a biológiai mérnöki munka szerves alkotóeleme is.
A DNS felfedezése
James Watson és Francis Crick (és ritkábban Rosalind Franklin és Maurice Wilkins) széles körben elismerik a DNS felfedezését 1953-ban. Ez az észlelés azonban téves. Kritikai szempontból ezek a kutatók valójában megállapították, hogy a DNS háromdimenziós formában létezik kettős spirál alakjában, amely lényegében egy létra, amely mindkét végén különböző irányokba van elcsavarva, hogy spirális formát hozzon létre. De ezek a határozott és gyakran meghirdetett tudósok "csak" a biológusok szorgalmas munkájára épültek, akik ugyanazon általános információk keresése során dolgoztak, mint az 1860-as években, a kísérletek ugyanolyan úttörő jelentőségűek, mint Watsoné. Crick és mások a II. Világháború utáni kutatási korszakban.
1869-ben, 100 évvel azelőtt, hogy az emberek a Holdra utaznának, egy Friedrich Miescher nevű svájci vegyész megpróbálta kinyerni a fehérjekomponenseket a leukocitákból (fehérvérsejtekből), hogy meghatározzák összetételüket és funkciójukat. Amit ehelyett kibontott, "nukleinnek" nevezte, és noha hiányzott az ahhoz szükséges eszközök, hogy megtanulják, mit tudnak megtanulni a jövőbeli biokémikusok, gyorsan rájött, hogy ez a "nuklein" rokonokhoz kapcsolódik, de önmagában nem fehérje, és hogy tartalmaz szokatlan mennyiségű foszfor, és hogy ez az anyag ellenálló volt azoknak a kémiai és fizikai tényezőknek a lebontására, amelyek a fehérjéket lebontják.
Több, mint ötven év elteltével nyilvánvalóvá vált a Mieschers munkájának valódi jelentősége. Az 1900-as évek második évtizedében egy orosz biokémikus, Phoebus Levene volt az első, aki azt javasolta, hogy - amit ma nukleotidoknak nevezünk - cukor-, foszfát- és bázisrészből álljon; hogy a cukor ribozos volt; és hogy a nukleotidok közötti különbségek a bázisuk közötti különbségeknek tudhatók be. Polinukleotid modelljében volt néhány hibája, ám a nap standardjai szerint figyelemre méltóan célzott.
1944-ben Oswald Avery és munkatársai a Rockefeller Egyetemen voltak az első ismert kutatók, akik hivatalosan azt sugallták, hogy a DNS örökletes egységekből vagy génekből áll. A Levene munkájának nyomon követésével, Erwin Chargaff osztrák tudós két kulcsfontosságú felfedezést tett: az egyik az, hogy a DNS nukleotidszekvenciája az organizmusfajok között változik, ellentétben azzal, amit Levene javasolt; és két, hogy bármely szervezetben a nitrogénbázisok adenin (A) és guanin (G) együttes mennyisége, fajtól függetlenül, gyakorlatilag mindig ugyanaz, mint a citozin (C) és a timin (T) teljes mennyisége. Ez nem egészen arra vezetett Chargaffot, hogy arra a következtetésre jutott, hogy A pár T és C párosul G-vel az összes DNS-ben, de később hozzájárult mások következtetéseinek megerősítéséhez.
Végül, 1953-ban Watson és kollégái, a háromdimenziós kémiai struktúrák gyors megjelenítésének javításában részesültek, ezeket az eredményeket összegyűjtötték, és kartonmodelleket használtak annak megállapítására, hogy a kettős spirál mindenre illeszkedik, ami a DNS-ről ismert volt, oly módon semmi egyébként is.
DNS és öröklődő tulajdonságok
A DNS-t jóval a struktúrájának tisztázása előtt azonosították az életben rejlő anyagként, és a struktúra tisztázása előtt gyakran megtörtént, és ez a létfontosságú felfedezés valójában véletlenszerű volt a kutatók fő célja szempontjából.
Mielőtt az 1930-as évek végén kialakult az antibiotikumterápia, a fertőző betegségek sokkal több emberi életet igényeltek, mint manapság, és a mikrobiológiai kutatás kritikus célja a felelős organizmusok titkainak feltárása volt. 1913-ban a fent említett Oswald Avery munkát kezdett, amely végül a pneumococcus baktériumfajta kapszuláiban magas poliszacharid (cukor) tartalmat tárt fel, amelyet a pneumonia betegektől izoláltak. Avery elmélete szerint ezek stimulálják az antitesttermelést a fertőzött emberekben. Eközben Angliában William Griffiths olyan munkát végzett, amely kimutatta, hogy az egyik fajta betegséget okozó pneumococcus elpusztult komponensei összekeverhetők egy ártalmatlan pneumococcus élő komponenseivel, és előállíthatják a korábban ártalmatlan típusú betegséget okozó formát; ez bizonyította, hogy bármi is, ami a holt állatokból az élő baktériumokba költözött, örökölhető.
Amikor Avery megtudta a Griffiths eredményeit, tisztítási kísérletek elvégzésére törekedett annak érdekében, hogy elkülönítse a pontos anyagot a pneumokokkokból, amelyek örökölhetőek és nukleinsavakban, vagy pontosabban nukleotidokban helyezkednek el. A DNS-nek már azt a gyanúját merült fel, hogy rendelkezett azokkal, amelyeket akkoriban „átalakító alapelveknek” neveztek, így Avery és mások kipróbálták ezt a hipotézist azáltal, hogy az örökletes anyagot különféle ágenseknek tették ki. Azok, amelyekről ismert, hogy a DNS integritására rombolóak, de a fehérjékre vagy a DNS-re ártalmatlanok, úgynevezett DNS-ek, elegendőek voltak nagy mennyiségben, hogy megakadályozzák a tulajdonságok átvitelét egyik baktériumgenerációból a másikba. Eközben a proteázok, amelyek megbontják a fehérjéket, nem okoztak ilyen károkat.
Averys és Griffiths munkájának viselete az, hogy bár olyanokat, mint Watson és Crick, jogosan dicsérték azért, hogy hozzájárultak a molekuláris genetikához, a DNS-szerkezet megállapítása valójában meglehetősen késői hozzájárulás volt ennek megismeréséhez. látványos molekula.
A DNS szerkezete
Chargaff, noha nyilvánvalóan nem teljes körűen leírta a DNS szerkezetét, megmutatta, hogy az (A + G) = (C + T) mellett a két szál, amelyekről ismert, hogy a DNS-be tartoznak, mindig azonos távolságban vannak egymástól. Ez vezetett a posztulátumhoz purinok (beleértve az A-t és a G-t) mindig kötődött a pirimidinek (beleértve a C-t és a T-t) a DNS-ben. Ez háromdimenziós értelemben vett szerepet, mivel a purinek lényegesen nagyobbak, mint a pirimidinek, míg az összes purin lényegében azonos méretű, és az összes pirimidin lényegében azonos méretű. Ez azt jelenti, hogy két összekapcsolódott purin lényegesen több helyet foglal el a DNS-szálak között, mint két pirimidin, és az is, hogy bármely adott purin-pirimidin párosítás ugyanolyan mennyiségű helyet fog felhasználni. Mindezeknek az információknak a megadása megköveteli, hogy A kötődjön T-hez és csak a T-hez, és ugyanaz a kapcsolat fennálljon C-nek és G-nek, ha ez a modell sikeresnek bizonyul. És van.
Az alapok (ezekről később részletesebben) kapcsolódnak egymáshoz a DNS-molekula belsejében, mint egy létra létrája. De mi lenne a szálakkal, vagy „oldalakkal”? Rosalind Franklin, a Watson és Crick közreműködésével azt feltételezte, hogy ez a "gerinc" cukorból készül (konkrétan pentózcukor, vagy öt atom gyűrűs szerkezetű) és egy foszfátcsoportból, amely a cukrokat összeköti. Az alappárosítás újonnan tisztázott elképzelése miatt Franklin és a többiek tudomásukra juttak, hogy az egyetlen molekula két DNS-szála "komplementer", vagy valójában tükörképeik egymásról nukleotidjaik szintjén. Ez lehetővé tette számukra, hogy szilárd pontossággal megjósolják a DNS csavart formájának hozzávetőleges sugarat, és a röntgendiffrakciós analízis megerősítette a spirális szerkezetet. Az a gondolat, hogy a spirál kettős spirál volt, az volt a legfontosabb részlet a DNS-ek szerkezetének, hogy helyére kerüljön, 1953-ban.
Nukleotidok és nitrogénbázisok
A nukleotidok a DNS ismétlődő alegységei, és ezzel ellentétben állítják, hogy a DNS nukleotidok polimerje. Minden nukleotid egy dezoxiribóznak nevezett cukorból áll, amely ötszögletű gyűrűs szerkezetet tartalmaz egy oxigén- és négy szénmolekulával. Ez a cukor egy foszfátcsoporthoz van kötve, és ebből a helyzetből a gyűrű mentén két folt, ezenkívül nitrogén bázissal is kötődik. A foszfátcsoportok összekapcsolják a cukrokat, hogy a DNS gerincét képezzék, amelynek két szálja a kettős spirál közepén a kötött nitrogén-nehéz bázisok körül csavarodik. A hélix egy teljes 360 fokos elfordulást hajt végre, körülbelül 10 bázispáronként.
A csak nitrogén alaphoz kötött cukor a nukleozid.
Az RNS (ribonukleinsav) három fő módon különbözik a DNS-től: Az egyik a pirimidin-uracil helyettesíti a timint. Másodszor: a pentóz-cukor inkább ribóz, mint dezoxiribóz. És három: az RNS szinte mindig egyszálú és többféle formában jelenik meg, amelyek megvitatása kívül esik a cikk hatályán.
DNS replikáció
A DNS-t „kicsomagolják” két komplementer szálba, amikor eljön az ideje a másolatok készítésére. Amint ez történik, az egyszülős szálak mentén lányos szálak alakulnak ki. Az egyik ilyen lánylánc folyamatosan képződik egyetlen nukleotid hozzáadásával az enzim hatására DNS-polimeráz. Ez a szintézis egyszerűen követi a szülő DNS-szálak elválasztásának irányát. A másik lánylánc kis polinukleotidokból, ún Okazaki töredékek amelyek valójában az alapszálak kicsomagolásának ellentétes irányában alakulnak ki, majd az enzim összekapcsolja azokat DNS-ligáz.
Mivel a két lánylánc szintén komplementer egymással, bázisuk végül összekapcsolódik, hogy kettős szálú DNS-molekulát képezzenek, amely megegyezik a szülői molekulával.
Az egysejtű és prokariótáknak nevezett baktériumok esetében a baktériumok DNS-ének (más néven genomjának) egyetlen példánya ül a citoplazmában; nincs mag. A többsejtű eukarióta szervezetekben a DNS a magban kromoszómák formájában található meg, amelyek nagymértékben feltekercselve, spolálva és térben kondenzált DNS-molekulák csupán egy méternyi milliomod hosszúak, és a fehérjék hiszton. Mikroszkópos vizsgálat során a váltakozó hiszton "orsókat" és az egyszerű DNS-szálakat mutató kromoszóma részeket (ezen szervezettségi szintnek kromatinnak hívják) gyakran hasonlítják a húrban lévő gyöngyökhöz. Néhány eukarióta DNS megtalálható az úgynevezett sejtek organellusaiban is mitokondriumok.