Indhold
- Opdagelsen af DNA
- DNA og arvelige træk
- Strukturen af DNA
- Nukleotider og nitrogenholdige baser
- DNA-replikation
DNA er en af de få kombinationer af bogstaver i kernen af en videnskabelig disciplin, der ser ud til at udløse et markant forståelsesniveau, selv hos mennesker med lidt levetid eksponering for biologi eller videnskaberne generelt. De fleste voksne, der hører udtrykket "Its in her DNA", genkender straks, at en bestemt egenskab er uadskillelig fra den person, der beskrives; at egenskaben på en eller anden måde er medfødt, aldrig forsvinder og er i stand til at blive overført til disse personers børn og videre. Dette ser ud til at stemme selv i sindet hos dem, der ikke har nogen idé om, hvad "DNA" endda står for, hvilket er "deoxyribonukleinsyre."
Mennesker er forståeligt fascineret af konceptet om at arve træk fra deres forældre og overføre deres egne træk til deres afkom. Det er kun naturligt for folk at overveje deres egen biokemiske arv, selvom få kan forestille sig det så formelt. Anerkendelse af, at små usynlige faktorer inde i hver af os styrer, hvordan folk, børn ser ud og endda opfører sig, har helt sikkert været til stede i mange hundreder af år. Men først i midten af det 20. århundrede afslørede moderne videnskab i strålende detaljer ikke kun, hvad molekylerne, der var ansvarlige for arv, men også hvordan de så ud.
Deoxyribonukleinsyre er faktisk den genetiske blå, som alle levende ting opretholder i deres celler, en unik mikroskopisk finger, der ikke kun gør hvert menneske til en bogstavelig en-af-en-type person (identiske tvillinger undtaget til nuværende formål), men afslører en hel del vigtige information om enhver person, fra sandsynligheden for at være relateret til en anden bestemt person til chancerne for at udvikle en given sygdom senere i livet eller overføre en sådan sygdom til kommende generationer. DNA er ikke kun blevet det naturlige centrale punkt i molekylærbiologi og livsvidenskab som helhed, men også en integreret komponent i retsmedicinsk videnskab og biologisk teknik.
Opdagelsen af DNA
James Watson og Francis Crick (og mindre almindeligt Rosalind Franklin og Maurice Wilkins) er bredt krediteret med opdagelsen af DNA i 1953. Denne opfattelse er imidlertid forkert. Kritisk konstaterede disse forskere faktisk, at der findes DNA i tredimensionel form i form af en dobbelt helix, som i det væsentlige er en stige, der er snoet i forskellige retninger i begge ender for at skabe en spiralform. Men disse målbevidste og ofte fejrede videnskabsmænd var "kun" bygger på det omhyggelige arbejde fra biologer, der arbejdede på jagt efter den samme generelle information så langt tilbage som i 1860'erne, eksperimenter, der var lige så banebrydende i deres egen ret som Watson, Crick og andre i efterforskningen.
I 1869, 100 år før mennesker rejste til månen, forsøgte en schweizisk kemiker ved navn Friedrich Miescher at udvinde proteinkomponenterne fra leukocytter (hvide blodlegemer) for at bestemme deres sammensætning og funktion. Hvad han i stedet udtrækkede kaldte han "nuclein", og selvom han manglede de instrumenter, der var nødvendige for at lære, hvad fremtidige biokemikere ville være i stand til at lære, opdagede han hurtigt, at denne "nuclein" var relateret til proteiner, men ikke selv var protein, at den indeholdt en usædvanlig mængde fosfor, og at dette stof var resistent over for at blive nedbrudt af de samme kemiske og fysiske faktorer, som nedbrydede proteiner.
Det ville gå over 50 år, før den sande betydning af Mieschers arbejde først blev tydelig. I det andet årti af 1900-tallet var en russisk biokemiker, Phoebus Levene, den første til at foreslå, at det, vi kalder nukleotider i dag, bestod af en sukkerdel, en fosfatdel og en basedel; at sukkeret var ribose; og at forskellene mellem nukleotider skyldtes forskellene mellem deres baser. Hans "polynukleotid" -model havde nogle mangler, men efter dagens standarder var den bemærkelsesværdigt målrettet.
I 1944 var Oswald Avery og hans kolleger ved Rockefeller University de første kendte forskere, der formelt antydede, at DNA bestod af arvelige enheder eller gener. Opfølgningen på såvel deres arbejde som Levene gjorde den østrigske videnskabsmand Erwin Chargaff to centrale opdagelser: den ene, at sekvensen af nukleotider i DNA varierer mellem arter af organismer, i modsætning til hvad Levene havde foreslået; og to, at i en hvilken som helst organisme var den samlede mængde nitrogenholdige baser adenin (A) og guanin (G), uanset art, praktisk talt altid den samme som den samlede mængde cytosin (C) og thymin (T). Dette fik Chargaff ikke helt til at konkludere, at A-par med T- og C-par med G i alt DNA, men det hjalp senere med at styrke den konklusion, som andre nåede frem.
Til sidst, i 1953, sammensatte Watson og hans kolleger, der drage fordel af hurtigt forbedrede måder til visualisering af tredimensionelle kemiske strukturer, alle disse fund og brugte papmodeller til at fastslå, at en dobbelt helix passer til alt, hvad der var kendt om DNA på en måde intet ellers kunne.
DNA og arvelige træk
DNA blev identificeret som det arvelige materiale i livings ting meget inden dets struktur blev afklaret, og som ofte tilfældet i eksperimentel videnskab var denne vigtige opdagelse faktisk tilfældig med forskernes hovedformål.
Inden antibiotikabehandling opstod i slutningen af 1930'erne, krævede infektionssygdomme langt mere menneskeliv, end de gør i dag, og at afsløre mysterierne for de ansvarlige organismer var et kritisk mål i mikrobiologisk forskning. I 1913 begyndte ovennævnte Oswald Avery arbejde, der i sidste ende afslørede et højt polysaccharidindhold (sukker) i kapsler af pneumokokkbakterier, som var blevet isoleret fra lungebetændelsespatienter. Avery teoretiserede, at disse stimulerede antistofproduktion hos inficerede mennesker. I England udførte William Griffiths i mellemtiden arbejde, der viste, at døde komponenter af en slags sygdomsfremkaldende pneumokokk kunne blandes med de levende komponenter i en ufarlig pneumokokk og producere en sygdomsfremkaldende form af den tidligere harmløse art; dette beviste, at uanset hvad der flyttede sig fra de døde til de levende bakterier var arvelig.
Da Avery fik kendskab til Griffiths-resultater, begyndte han at udføre rensningseksperimenter i et forsøg på at isolere det præcise materiale i de pneumokokker, der var arvelige, og homed på nukleinsyrer, eller mere specifikt, nukleotider. DNA blev allerede stærkt mistænkt for at have, hvad der så populært blev kaldt "transformerende principper", så Avery og andre testede denne hypotese ved at udsætte det arvelige materiale for en række stoffer. De, der vides at være ødelæggende for DNA-integritet, men ufarlige for proteiner eller DNA, kaldet DNAaser, var tilstrækkelige i store mængder til at forhindre transmission af træk fra en bakteriegeneration til den næste. I mellemtiden gjorde proteaser, der afdækker proteiner, ingen sådan skade.
At tage hjemmet til Averys og Griffiths arbejde er, at igen, mens mennesker som Watson og Crick med rette er rost for deres bidrag til molekylær genetik, var etablering af DNA-strukturen faktisk et ret sent bidrag til processen med at lære om dette spektakulært molekyle.
Strukturen af DNA
Selv om han tydeligvis ikke beskrev strukturen af DNA fuldt ud, viste Chargaff, at ud over (A + G) = (C + T), var de to strenge, der var kendt for at være inkluderet i DNA, altid den samme afstand fra hinanden. Dette førte til postulatet om, at puriner (inklusive A og G) altid bundet til pyrimidiner (inklusive C og T) i DNA. Dette gav tredimensionel mening, fordi puriner er betydeligt større end pyrimidiner, mens alle puriner i det væsentlige er i samme størrelse, og alle pyrimidiner i det væsentlige har samme størrelse. Dette indebærer, at to puriner bundet sammen ville optage betydeligt mere plads mellem DNA-strenge end to pyrimidiner, og også at enhver given purin-pyrimidin-parring ville forbruge den samme mængde plads. At lægge alle disse oplysninger krævede, at A binder til og kun til T, og at det samme forhold gælder for C og G, hvis denne model skulle vise sig at være vellykket. Og det har det.
Baserne (mere om disse senere) binder til hinanden på det indre af DNA-molekylet, som trin i en stige. Men hvad med strengene, eller "siderne", sig selv? Rosalind Franklin, der arbejdede med Watson og Crick, antog, at denne "rygrad" var lavet af sukker (specifikt en pentosesukker, eller en med en 5-atoms ringstruktur) og en fosfatgruppe, der forbinder sukkeret. På grund af den nyligt afklarede idé om baseparring blev Franklin og de andre opmærksomme på, at de to DNA-strenge i et enkelt molekyle var "komplementære", eller i virkeligheden spejlbilleder af hinanden på niveau med deres nukleotider. Dette gjorde det muligt for dem at forudsige den omtrentlige radius af den snoede form af DNA inden for en solid grad af nøjagtighed, og røntgenstrålediffraktionsanalyse bekræftede den spiralformede struktur. Ideen om, at helixen var en dobbelt helix, var den sidste store detalje om DNA-strukturen, der faldt på plads, i 1953.
Nukleotider og nitrogenholdige baser
Nukleotider er de gentagne underenheder af DNA, hvilket er omvendt at sige, at DNA'et er en polymer af nukleotider. Hvert nukleotid består af et sukker kaldet deoxyribose, der indeholder en femkantig ringstruktur med et ilt og fire carbonmolekyler. Dette sukker er bundet til en phosphatgruppe, og to pletter langs ringen fra denne position er det også bundet til en nitrogenholdig base. Fosfatgrupperne forbinder sukkeret sammen for at danne DNA-rygraden, hvis to tråde snor sig omkring de bundne nitrogen-tunge baser i midten af den dobbelte helix. Helixen skaber en komplet 360-graders twist omkring hver 10. basepar.
Et sukker, der kun er bundet til en nitrogenbase, kaldes a nukleosid.
RNA (ribonukleinsyre) adskiller sig fra DNA på tre nøglemåder: Én, pyrimidin uracil er substitueret med thymin. To, pentosesukkeret er ribose snarere end deoxyribose. Og tre er RNA næsten altid enkeltstrenget og findes i flere former, hvis diskussion er uden for denne artikels rækkevidde.
DNA-replikation
DNA "pakkes" ud i sine to komplementære strenge, når det er tid til kopiering. Idet dette sker, dannes datterstrenge langs enlige forældrestrenge. En sådan datterstreng dannes kontinuerligt ved tilsætning af enkelte nukleotider under virkningen af enzymet DNA-polymerase. Denne syntese følger simpelthen i retning af adskillelsen af de overordnede DNA-strenge. Den anden datterstreng dannes fra små polynukleotider kaldet Okazaki fragmenter der faktisk dannes i den modsatte retning af udpakning af forældrestrenge, og derefter sammenføjes af enzymet DNA-ligase.
Fordi de to datterstrenge også er komplementære til hinanden, binder deres baser i sidste ende sammen for at fremstille et dobbeltstrenget DNA-molekyle identisk med den overordnede.
I bakterier, som er encellede og kaldes prokaryoter, sidder en enkelt kopi af bakterie-DNA'et (også kaldet dets genom) i cytoplasmaet; ingen kerner er til stede. I multicellulære eukaryote organismer findes DNA'et i kernen i form af kromosomer, som er stærkt opviklede, spolede og rumligt kondenserede DNA-molekyler, der kun er milliondele af en meter lange, og proteiner kaldes histoner. Ved mikroskopisk undersøgelse sammenlignes de kromosomdele, der viser vekslende histon "spoler" og enkle DNA-strenge (kaldet kromatin på dette organisationsniveau) til perler på en streng. Nogle eukaryotiske DNA findes også i organeller af celler, der kaldes mitokondrier.