Sisältö
DNA on yksi harvoista kirjainyhdistelmistä tieteellisen tutkimuksen ytimessä, joka näyttää herättävän merkittävän ymmärryksen tason jopa ihmisillä, joilla on vähän elinikäistä altistumista biologialle tai tieteille yleensä. Useimmat aikuiset, jotka kuulevat lauseen "Se on hänen DNA: ssaan", tunnistavat heti, että tietty piirre on erottamaton kuvattavasta; että ominaisuus on jotenkin synnynnäinen, ei koskaan katoa ja pystyy siirtymään henkilöille, lapsille ja muillekin. Tämä näyttää pitävän paikkansa jopa niiden ihmisten mielissä, joilla ei ole aavistustakaan, mitä "DNA" edes tarkoittaa, mikä on "deoksiribonukleiinihappo".
Ihmiset ovat ymmärrettävästi kiehtoneet käsitteestä periä ominaisuuksia vanhemmiltaan ja siirtää omia piirteitään jälkeläisilleen. On luonnollista, että ihmiset pohtivat omaa biokemiallista perintöään, vaikka harvatkin voisivat kuvitella sen niin muodollisesti. Tunnustus siitä, että pienet näkymättömät tekijät jokaisessa meistä hallitsevat sitä, kuinka kansojen lapset näyttävät ja jopa käyttäytyvät, on varmasti ollut läsnä monien satojen vuosien ajan. Mutta vasta 1900-luvun puolivälissä, moderni tiede paljasti loistavilla yksityiskohdilla paitsi mitä perinnöstä vastaavat molekyylit olivat, vaan myös miltä ne näyttivät.
Deoksiribonukleiinihappo on todellakin geneettinen sininen, jota kaikki elävät olennot ylläpitävät soluissaan, ainutlaatuinen mikroskooppinen sormi, joka ei vain tee jokaisesta ihmisestä kirjaimellisesti yksilöllistä yksilöä (identtiset kaksoset, joita ei oteta huomioon nykyisiin tarkoituksiin), mutta paljastaa paljon elintärkeitä tiedot jokaisesta henkilöstä todennäköisyydestä olla sukulaisuudessa toiseen tiettyyn ihmiseen mahdollisuuteen kehittää tietty tauti myöhemmin elämässä tai levittää tällainen tauti tuleville sukupolville. DNA: sta on tullut paitsi molekyylibiologian ja koko biotieteen luonnollinen keskus, myös kiinteä osa rikosteknistä ja biologista tekniikkaa.
DNA: n löytö
James Watsonille ja Francis Crickille (ja harvemmin Rosalind Franklinille ja Maurice Wilkinsille) annetaan laaja tunnustus DNA: n löytämisestä vuonna 1953. Tämä käsitys on kuitenkin virheellinen. Kriittisesti, nämä tutkijat tosiasiallisesti totesivat, että DNA esiintyy kolmiulotteisessa muodossa kaksoispiraalin muodossa, joka on olennaisesti molemmissa päissä eri suuntiin kiertyneet tikkaat, jotka muodostavat spiraalimuodon. Mutta nämä päättäväiset ja usein arvostetut tutkijat "vain" rakensivat biologien hienoa työtä, joka työskenteli etsiessään samaa yleistä tietoa jo 1860-luvulta lähtien, kokeita, jotka olivat aivan yhtä uraauurtavia kuin Watson, Crick ja muut toisen maailmansodan jälkeisellä tutkimuskaudella.
Vuonna 1869, 100 vuotta ennen ihmisten matkustamista kuuhun, sveitsiläinen kemisti nimeltä Friedrich Miescher yritti erottaa proteiinikomponentit leukosyyteistä (valkosoluista) niiden koostumuksen ja toiminnan määrittämiseksi. Sen sijaan mitä hän uutti, hän nimitti "nukleiiniksi", ja vaikka hänellä ei ollut tarvittavia välineitä oppiakseen mitä tulevat biokeemit voisivat oppia, hän huomasi nopeasti, että tämä "nukleiini" liittyi proteiineihin, mutta ei itsessään ollut proteiini, että se sisälsi epätavallinen määrä fosforia, ja että tämä aine oli vastustuskykyinen hajoamiselle samojen kemiallisten ja fysikaalisten tekijöiden vaikutuksesta, jotka hajottivat proteiineja.
Mukana olisi yli 50 vuotta, ennen kuin Mieschersin työn todellinen merkitys ilmeni ensimmäisen kerran. 1900-luvun toisella vuosikymmenellä venäläinen biokemisti Phoebus Levene ehdotti ensimmäisenä, että kutsutaan tänään nukleotideiksi sokeriosasta, fosfaattiosasta ja emäsosasta; että sokeri oli riboosi; ja että nukleotidien väliset erot johtuivat eroista niiden emästen välillä. Hänen "polynukleotidimallissa" oli joitain puutteita, mutta päivän mittojen mukaan se oli huomattavasti tavoite.
Vuonna 1944 Oswald Avery ja hänen kollegansa Rockefeller-yliopistossa olivat ensimmäisiä tunnettuja tutkijoita, jotka ehdottivat muodollisesti, että DNA koostui perinnöllisistä yksiköistä tai geeneistä. Itävallan tutkija Erwin Chargaff, joka jatkoi sekä Levenen työtä, teki kaksi keskeistä löytöä: yhden, että DNA: n nukleotidisekvenssi vaihtelee organismilajien välillä päinvastoin kuin Levene oli ehdottanut; ja kaksi, että missä tahansa organismissa typpipitoisten emästen adeniinin (A) ja guaniinin (G) kokonaismäärä yhdistettynä lajeista riippumatta oli käytännössä aina sama kuin sytosiinin (C) ja tymiinin (T) kokonaismäärä. Tämä ei johtanut aivan Chargaffin päätelmään, että A-parit T- ja C-parien kanssa muodostavat G: n kaikessa DNA: ssa, mutta se auttoi myöhemmin tukemaan muiden päätelmiä.
Lopuksi, vuonna 1953, Watson ja hänen kollegansa hyötyvät kolmiulotteisten kemiallisten rakenteiden visualisoinnin nopeista parantamistavoista, koottivat nämä löydökset yhteen ja käyttivät pahvimalleja varmistaakseen, että kaksoiskierre sopii kaikkeen, mikä DNA: sta oli tiedossa millään tavalla. muuten voisi.
DNA ja periytyvät piirteet
DNA tunnistettiin perinnölliseksi aineeksi elämisen asioissa hyvissä ajoin ennen sen rakenteen selvittämistä, ja kuten usein kokeellisessa tieteessä, tämä elintärkeä löytö oli tosiasiallisesti satunnainen tutkijoiden päätarkoitukselle.
Ennen antibioottihoidon syntymistä 1930-luvun lopulla tartuntataudit vaativat paljon enemmän ihmishenkiä kuin nykyään, ja vastuussa olevien organismien mysteerien selvittäminen oli kriittinen tavoite mikrobiologisessa tutkimuksessa. Vuonna 1913 edellä mainittu Oswald Avery aloitti työn, joka lopulta paljasti korkean polysakkaridipitoisuuden (sokeri) pitoisuudesta pneumokokkibakteerien kapseleissa, jotka oli eristetty keuhkokuumepotilaista. Avery teorioi, että nämä stimuloivat vasta-ainetuotantoa tartunnan saaneilla ihmisillä. Samaan aikaan Englannissa William Griffiths suoritti työtä, joka osoitti, että yhden tyyppisen sairautta aiheuttavan pneumokokin kuolleet komponentit voidaan sekoittaa vaarattoman pneumokokin eläviin komponentteihin ja tuottaa aiemmin vaarattoman tyyppisiä sairauksia aiheuttavia muotoja; tämä osoitti, että kuolleista eläviin bakteereihin siirtyminen oli periytyvää.
Kun Avery sai tietää Griffithsin tuloksista, hän ryhtyi suorittamaan puhdistuskokeita pyrkiessään eristämään tarkka materiaali pneumokokkeissa, jotka olivat periytyviä ja jotka sijoitettiin nukleiinihapoihin tai tarkemmin sanoen nukleotideihin. DNA: n epäiltiin jo voimakkaasti sillä, mitä niin kutsuttiin "muuttuviksi periaatteiksi", joten Avery ja muut kokeilivat tätä hypoteesia altistamalla perinnöllisen materiaalin monille tekijöille. Ne, joiden tiedetään olevan tuhoavia DNA: n eheydelle, mutta vaarattomia proteiineille tai DNA: lle, kutsutaan DNAaseiksi, olivat riittäviä suurina määrinä estämään piirteiden siirtyminen bakteerien sukupolvelta toiselle. Samaan aikaan proteaasit, jotka purkavat proteiineja, eivät tehneet sellaista vahinkoa.
Averysin ja Griffithsin työn lähtökohtana on taas, että vaikka Watsonin ja Crickin kaltaisia ihmisiä on oikeutetusti kiitetty heidän panoksestaan molekyyligenetiikkaan, DNA: n rakenteen määrittäminen oli oikeastaan melko myöhäinen panos tästä oppimisprosessiin. mahtava molekyyli.
DNA: n rakenne
Chargaff, vaikka hän ei selvästikään kuvaillut DNA: n rakennetta kokonaan, osoitti kuitenkin, että (A + G) = (C + T): n lisäksi kaksi juostetta, jotka sisältyvät DNA: han, olivat aina saman etäisyyden päässä toisistaan. Tämä johti siihen, että purines (mukaan lukien A ja G) sidottu aina pyrimidiinejä (mukaan lukien C ja T) DNA: ssa. Tämä teki kolmiulotteisen merkityksen, koska puriinit ovat huomattavasti suurempia kuin pyrimidiinit, kun taas kaikki puriinit ovat olennaisesti samankokoisia ja kaikki pyrimidiinit ovat olennaisesti samankokoisia. Tämä merkitsee, että kaksi toisiinsa sitoutunutta puriinia vievät huomattavasti enemmän tilaa DNA-juosteiden välillä kuin kaksi pyrimidiiniä, ja myös että mikä tahansa tietty puriini-pyrimidiini-pari kuluttaisi saman määrän tilaa. Kaikkien näiden tietojen asettaminen vaatii, että A sitoutuu ja vain T: hen ja että sama suhde säilyy C: llä ja G: llä, jos tämä malli osoittautuu onnistuneeksi. Ja sillä on.
Emäkset (lisää näistä myöhemmin) sitoutuvat toisiinsa DNA-molekyylin sisäpuolella kuten tikkaat. Entä säikeet tai "sivut" itse? Watsonin ja Crickin kanssa työskentelevä Rosalind Franklin oletti, että tämä "runko" oli tehty sokerista (erityisesti pentoosisokeri tai sellainen, jolla on viiden atomin rengasrakenne) ja sokereita yhdistävästä fosfaattiryhmästä. Äskettäin selkeytetyn emäparien muodostamisidean takia Franklin ja muut tulivat tietoisiksi siitä, että yhden molekyylin kaksi DNA-juostetta olivat "komplementaarisia" tai käytännössä peilikuvia toisistaan niiden nukleotidien tasolla. Tämän avulla he pystyivät ennustamaan DNA: n kiertyneen muodon likimääräisen säteen kiinteällä tarkkuudella, ja röntgendiffraktioanalyysi vahvisti kierteisen rakenteen. Ajatus siitä, että helix oli kaksoiskierre, oli viimeinen tärkeä yksityiskohta DNA: n rakenteesta, joka asettui paikoilleen vuonna 1953.
Nukleotidit ja typpipohjat
Nukleotidit ovat DNA: n toistuvia alayksiköitä, mikä on päinvastoin sanomalla, että DNA on nukleotidien polymeeri. Jokainen nukleotidi koostuu sokerista, jota kutsutaan deoksiriboosiksi ja joka sisältää viisikulmaisen rengasrakenteen, jossa on yksi happi ja neljä hiilimolekyyliä. Tämä sokeri on sitoutunut fosfaattiryhmään ja kaksi täplää renkaasta pitkin tästä kohdasta, se on myös sitoutunut typpipitoiseen emäkseen. Fosfaattiryhmät yhdistävät sokerit toisiinsa muodostaen DNA-rungon, jonka kaksi juostetta kiertyvät sitoutuneiden typpiraskaiden emästen ympäri kaksoiskierukan keskellä. Kierukka tekee yhden täydellisen 360 asteen kierroksen noin kerran 10 tukiparin välein.
Vain typpipohjaiseen emäkseen sitoutunutta sokeria kutsutaan a: ksi nukleosidi.
RNA (ribonukleiinihappo) eroaa DNA: sta kolmella avaintavalla: Yksi pyrimidiiniurasiili korvataan tymiinillä. Toiseksi pentoosisokeri on mieluummin riboosia kuin deoksiriboosia. Ja kolme, RNA on melkein aina yksijuosteinen ja esiintyy monissa muodoissa, joiden keskustelu on tämän artikkelin ulkopuolella.
DNA kopiointi
DNA "puretaan" kahteen komplementaariseen juosteeseensa, kun on aika kopioita tehdä. Koska tämä tapahtuu, tytäräikeet muodostuvat yksinhuoltajalankojen varrella. Yksi tällainen tytärjuova muodostuu jatkuvasti lisäämällä yksittäisiä nukleotideja entsyymin vaikutuksesta DNA-polymeraasi. Tämä synteesi seuraa yksinkertaisesti emo-DNA-juosteiden erotussuuntaa. Toinen tytär juoste muodostaa pienistä polynukleotideista, joita kutsutaan Okazaki-fragmentit jotka muodostuvat tosiasiallisesti vastakkaiseen suuntaan kuin kantajonot, ja entsyymi yhdistää ne sitten DNA-ligaasi.
Koska kaksi tytäräikettä ovat myös komplementaarisia toistensa suhteen, niiden emäkset sitoutuvat lopulta toisiinsa kaksijuosteisen DNA-molekyylin muodostamiseksi, joka on identtinen emämolekyylin kanssa.
Bakteereissa, jotka ovat yksisoluisia ja joita kutsutaan prokaryooteiksi, bakteerien DNA: n (kutsutaan myös sen genomiksi) yksi kopio istuu sytoplasmassa; ydintä ei ole läsnä. Monisoluisissa eukaryoottisissa organismeissa DNA: ta löytyy ytimestä kromosomien muodossa, jotka ovat hyvin käärittyjä, kierrettyjä ja alueellisesti tiivistettyjä DNA-molekyylejä, jotka ovat vain miljoonasosia metriä pitkä, ja proteiineja, joita kutsutaan histonit. Mikroskooppisessa tutkimuksessa kromosomiosat, joissa on vuorottelevat histonin "puolat" ja yksinkertaiset DNA-juosteet (kutsutaan kromatiiniksi tällä organisaatiotasolla), verrataan usein naruhelmiin. Jonkin verran eukaryoottista DNA: ta löytyy myös solujen organelleista, joita kutsutaan mitokondriot.