Содержание
- Открытие ДНК
- ДНК и наследственные признаки
- Структура ДНК
- Нуклеотиды и азотистые основания
- Репликация ДНК
ДНК - это одна из немногих комбинаций букв, лежащих в основе научной дисциплины, которая, кажется, вызывает значительный уровень понимания даже у людей, мало знакомых с биологией или науками в целом. Большинство взрослых, которые слышат фразу «Это в ее ДНК», сразу же признают, что определенная черта неотделима от человека, которого описывают; что характеристика как-то врожденная, никогда не исчезает и может быть передана этим людям детям и за ее пределами. Похоже, что это справедливо даже в умах тех, кто понятия не имеет, что означает «ДНК», то есть «дезоксирибонуклеиновая кислота».
Люди по понятным причинам очарованы концепцией наследования черт от своих родителей и передачи своих собственных черт своим потомкам. Для людей вполне естественно размышлять о своем собственном биохимическом наследии, даже если немногие могут представить его в таких формальных терминах. Признание того, что крошечные невидимые факторы внутри каждого из нас управляют тем, как дети выглядят и даже ведут себя, несомненно, присутствует на протяжении многих сотен лет. Но только в середине 20-го века современная наука раскрыла в мельчайших подробностях не только то, какими были молекулы, ответственные за наследование, но и то, как они выглядели.
Дезоксирибонуклеиновая кислота - это действительно генетический синий цвет, который все живые существа поддерживают в своих клетках, уникальный микроскопический палец, который не только делает каждого человека буквально единственным в своем роде человеком (идентичные близнецы исключаются для настоящих целей), но и обнаруживает множество жизненно важных информация о каждом человеке, от вероятности быть связанным с другим конкретным человеком до вероятности развития данного заболевания в более позднем возрасте или передачи такого заболевания будущим поколениям. ДНК стала не только естественной центральной точкой молекулярной биологии и науки о жизни в целом, но и неотъемлемым компонентом криминалистики и биологической инженерии.
Открытие ДНК
Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику (а реже Розалинд Франклин и Морис Уилкинс) широко приписывают открытие ДНК в 1953 году. Однако это восприятие ошибочно. Важно отметить, что эти исследователи действительно установили, что ДНК существует в трехмерной форме в форме двойной спирали, которая представляет собой лестницу, закрученную в разные стороны на обоих концах для создания спиральной формы. Но эти решительные и часто прославленные ученые «только» опирались на кропотливую работу биологов, которые трудились в поисках той же общей информации еще в 1860-х годах, эксперименты, которые были столь же новаторскими, как и Уотсон, сами по себе, Крик и другие в эпоху исследований после Второй мировой войны.
В 1869 году, за 100 лет до того, как люди отправятся на Луну, швейцарский химик по имени Фридрих Мишер попытался извлечь белковые компоненты из лейкоцитов (белых кровяных клеток), чтобы определить их состав и функцию. То, что он вместо этого извлек, он назвал «нуклеином», и, хотя у него не было инструментов, необходимых для изучения того, что смогут узнать будущие биохимики, он быстро обнаружил, что этот «нуклеин» связан с белками, но сам по себе не является белком, что он содержит необычное количество фосфора, а также то, что это вещество устойчиво к разрушению теми же химическими и физическими факторами, что и белки.
Прошло более 50 лет, прежде чем истинная важность работы Мишера впервые стала очевидной. Во втором десятилетии 1900-х годов российский биохимик Феб Левен впервые предложил, что то, что мы сегодня называем нуклеотидами, состоит из сахарной части, фосфатной части и основной части; что сахар был рибозой; и что различия между нуклеотидами были обусловлены различиями между их основаниями. Его «полинуклеотидная» модель имела некоторые недостатки, но по меркам дня она была замечательно нацелена.
В 1944 году Освальд Эвери и его коллеги из Университета Рокфеллера были первыми известными исследователями, которые официально предположили, что ДНК состоит из наследственных единиц или генов. Вслед за их работой, а также работой Левена, австрийский ученый Эрвин Чаргафф сделал два ключевых открытия: одно, что последовательность нуклеотидов в ДНК варьируется между видами организмов, вопреки тому, что предлагал Левен; и во-вторых, что в любом организме общее количество азотистых оснований, аденина (А) и гуанина (G), независимо от вида, практически всегда было таким же, как общее количество цитозина (С) и тимина (Т). Это не совсем привело Чаргаффа к выводу, что пары A с парами T и C с G во всей ДНК, но это позже помогло подкрепить вывод, к которому пришли другие.
Наконец, в 1953 году Уотсон и его коллеги, воспользовавшись быстро улучшающимися способами визуализации трехмерных химических структур, соединили все эти результаты и использовали картонные модели, чтобы установить, что двойная спираль вписывается во все, что было известно о ДНК, ничем еще мог.
ДНК и наследственные признаки
ДНК была идентифицирована как наследственный материал в живых организмах задолго до выяснения ее структуры, и, как это часто бывает в экспериментальной науке, это жизненно важное открытие было на самом деле случайным для основной цели исследователей.
До появления антибиотикотерапии в конце 1930-х годов инфекционные заболевания унесли гораздо больше человеческих жизней, чем сегодня, и раскрытие тайн ответственных организмов было критической целью в исследованиях в области микробиологии. В 1913 году вышеупомянутый Освальд Эвери начал работу, которая в конечном итоге выявила высокое содержание полисахарида (сахара) в капсулах видов пневмококковых бактерий, которые были изолированы от пациентов с пневмонией. Эйвери предположил, что они стимулировали выработку антител у инфицированных людей. Тем временем в Англии Уильям Гриффитс выполнял работу, которая показала, что мертвые компоненты одного вида вызывающего заболевания пневмококка могут смешиваться с живыми компонентами безвредного пневмококка и создавать вызывающую болезнь форму ранее безвредного вида; это доказало, что все, что перемещалось от мертвых к живым бактериям, было наследственным.
Когда Эйвери узнал о результатах Гриффитса, он приступил к проведению экспериментов по очистке, пытаясь выделить точный материал в пневмококках, который был наследуемым, и содержал нуклеиновые кислоты или, более конкретно, нуклеотиды. У ДНК уже было сильное подозрение на то, что тогда называли «принципами преобразования», поэтому Эйвери и другие проверили эту гипотезу, подвергая наследственный материал различным агентам. Те, которые, как известно, разрушают целостность ДНК, но безвредны для белков или ДНК, так называемые ДНКазы, были в больших количествах достаточны для предотвращения передачи признаков от одного бактериального поколения к другому. Между тем протеазы, которые распадаются на белки, не наносили такого ущерба.
Работа Авериса и Гриффитса заключается в том, что, в то время как таких людей, как Уотсон и Крик, справедливо хвалили за их вклад в молекулярную генетику, установление структуры ДНК было на самом деле довольно поздним вкладом в процесс изучения этой проблемы. захватывающая молекула.
Структура ДНК
Чаргафф, хотя он, очевидно, не полностью описал структуру ДНК, показал, что, помимо (A + G) = (C + T), две цепи, о которых известно, что они включены в ДНК, всегда были на одинаковом расстоянии друг от друга. Это привело к постулату, что пурины (включая A и G) всегда связаны с пиримидинов (включая С и Т) в ДНК. Это имело трехмерный смысл, потому что пурины значительно больше, чем пиримидины, в то время как все пурины по существу имеют одинаковый размер, а все пиримидины по существу имеют одинаковый размер. Это подразумевает, что два пурина, соединенные вместе, занимают значительно больше места между нитями ДНК, чем два пиримидина, а также что любая данная пара пурин-пиримидин будет занимать одинаковое количество пространства. Размещение всей этой информации требовало, чтобы A связывался и только с T, и чтобы те же отношения сохранялись для C и G, чтобы эта модель оказалась успешной. И это имеет.
Основания (подробнее об этом позже) связываются друг с другом внутри молекулы ДНК, как ступеньки в лестнице. Но как быть с самими нитями или "сторонами"? Розалинда Франклин, работая с Уотсоном и Криком, предположила, что эта «основная цепь» была сделана из сахара (в частности, пентозного сахара или из пятиатомных кольцевых структур) и фосфатной группы, связывающей сахара. Из-за недавно проясненной идеи спаривания оснований Франклин и другие узнали, что две цепи ДНК в одной молекуле являются «комплементарными», или, по сути, являются зеркальными отражениями друг друга на уровне их нуклеотидов. Это позволило им предсказать приблизительный радиус скрученной формы ДНК с большой степенью точности, и рентгеноструктурный анализ подтвердил спиральную структуру. Идея о том, что спираль представляет собой двойную спираль, была последней важной деталью структуры ДНК, которая встала на свои места в 1953 году.
Нуклеотиды и азотистые основания
Нуклеотиды - это повторяющиеся субъединицы ДНК, что противоположно тому, что ДНК представляет собой полимер нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из сахара, называемого дезоксирибозой, который содержит пятиугольную кольцевую структуру с одним кислородом и четырьмя молекулами углерода. Этот сахар связан с фосфатной группой, и в двух точках вдоль кольца с этой позиции он также связан с азотистым основанием. Фосфатные группы связывают сахара вместе, образуя остов ДНК, две нити которого крутятся вокруг связанных азотосодержащих оснований в середине двойной спирали. Спираль делает один полный поворот на 360 градусов примерно каждые 10 пар оснований.
Сахар, связанный только с азотистым основанием, называется нуклеозид.
РНК (рибонуклеиновая кислота) отличается от ДНК тремя основными способами: во-первых, пиримидин урацил заменяет тимин. Во-вторых, пентозный сахар является рибозой, а не дезоксирибозой. И, в-третьих, РНК почти всегда является одноцепочечной и имеет несколько форм, обсуждение которых выходит за рамки данной статьи.
Репликация ДНК
ДНК «расстегивается» на две взаимодополняющие нити, когда приходит время делать копии. По мере того, как это происходит, дочерние нити образуются вдоль одиночных родительских нитей. Одна такая дочерняя цепь образуется непрерывно путем добавления отдельных нуклеотидов под действием фермента ДНК-полимераза, Этот синтез просто следует вдоль направления разделения родительских цепей ДНК. Другая дочерняя нить формируется из маленьких полинуклеотидов, называемых Оказаки фрагменты которые на самом деле образуются в направлении, противоположном разархивированию родительских нитей, а затем соединяются вместе ферментом ДНК-лигаза.
Поскольку две дочерние нити также дополняют друг друга, их основания в конечном итоге соединяются вместе, образуя двухцепочечную молекулу ДНК, идентичную родительской.
У бактерий, которые являются одноклеточными и называются прокариотами, единственная копия ДНК бактерий (также называемая ее геном) находится в цитоплазме; ядра нет. В многоклеточных эукариотических организмах ДНК находится в ядре в форме хромосом, которые представляют собой молекулы спирали с высокой спиралью, в виде буфера и пространственно сконденсированные, длиной всего в миллионные доли метра, и белки, называемые гистоны, При микроскопическом исследовании части хромосом, которые показывают чередующиеся гистоновые «катушки» и простые нити ДНК (называемые хроматином на этом уровне организации), часто сравнивают с бусинками на веревочке. Некоторая эукариотическая ДНК также найдена в органеллах клеток, называемых митохондрии.