Περιεχόμενο
- Η ανακάλυψη του DNA
- DNA και κληρονομικά χαρακτηριστικά
- Η Δομή του DNA
- Νουκλεοτίδια και αζωτούχες βάσεις
- Αναπαραγωγή DNA
Το DNA είναι ένας από τους λίγους συνδυασμούς επιστολών που βρίσκονται στον πυρήνα μιας επιστημονικής πειθαρχίας που φαίνεται να προκαλεί ένα σημαντικό επίπεδο κατανόησης ακόμη και σε άτομα με ελάχιστη διάρκεια ζωής στη βιολογία ή στις επιστήμες γενικά. Οι περισσότεροι ενήλικες που ακούν τη φράση "στο DNA της" αναγνωρίζουν αμέσως ότι ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό είναι αδιάσπαστο από το άτομο που περιγράφεται. ότι το χαρακτηριστικό είναι με κάποιο τρόπο εγγενές, δεν πηγαίνει ποτέ μακριά και είναι ικανό να μεταφερθεί σε αυτά τα παιδιά και πέρα από αυτά. Αυτό φαίνεται να ισχύει ακόμα και στο μυαλό εκείνων που δεν έχουν ιδέα τι σημαίνει "DNA", το οποίο είναι "δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ".
Οι άνθρωποι είναι κατανοητά γοητευμένοι με την έννοια της κληρονομιάς των χαρακτηριστικών από τους γονείς τους και διαβιβάζοντας τα δικά τους γνωρίσματα στους απογόνους τους. Είναι φυσικό οι άνθρωποι να αναλογιστούν τη βιοχημική κληρονομιά τους, έστω και αν λίγοι μπορούν να το φανταστούν με τέτοιο τυπικό τρόπο. Αναγνωρίζοντας ότι μικροσκοπικοί αθέατοι παράγοντες μέσα σε καθέναν από μας καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο τα παιδιά βλέπουν τα παιδιά και συμπεριφέρονται, είναι σίγουρα παρόντες για πολλές εκατοντάδες χρόνια. Αλλά όχι μέχρι τα μέσα του 20ού αιώνα η σύγχρονη επιστήμη αποκάλυψε με ένδοξη λεπτομέρεια όχι μόνο ποια ήταν τα μόρια που ήταν υπεύθυνα για την κληρονομιά, αλλά και αυτά που μοιάζουν.
Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ είναι πράγματι το γενετικό μπλε, όλα τα ζωντανά πράγματα διατηρούν στα κύτταρά τους ένα μοναδικό μικροσκοπικό δάχτυλο που όχι μόνο καθιστά τον κάθε άνθρωπο ένα κυριολεκτικό μοναδικό άτομο (ταυτόσημα δίδυμα εκτός από τους παρόντες σκοπούς) αλλά αποκαλύπτει πολλά ζωτικά πληροφορίες σχετικά με κάθε άτομο, από την πιθανότητα να σχετίζονται με ένα άλλο συγκεκριμένο άτομο με τις πιθανότητες να αναπτύξει μια δεδομένη ασθένεια αργότερα στη ζωή ή να μεταδώσει μια τέτοια ασθένεια σε μελλοντικές γενιές. Το DNA έχει γίνει όχι μόνο το φυσικό κεντρικό σημείο της μοριακής βιολογίας και της επιστήμης της ζωής στο σύνολό της, αλλά και μια αναπόσπαστη συνιστώσα της εγκληματολογικής επιστήμης και της βιολογικής μηχανικής.
Η ανακάλυψη του DNA
Οι James Watson και Francis Crick (και λιγότερο συχνά Rosalind Franklin και Maurice Wilkins) αναγνωρίζονται ευρέως με την ανακάλυψη του DNA το 1953. Αυτή η αντίληψη, ωστόσο, είναι λανθασμένη. Ουσιαστικά, αυτοί οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το DNA υπάρχει σε τρισδιάστατη μορφή με τη μορφή διπλής έλικας, η οποία είναι ουσιαστικά μια σκάλα στριμμένη σε διαφορετικές κατευθύνσεις και στα δύο άκρα για να δημιουργήσει ένα σπειροειδές σχήμα. Αλλά αυτοί οι αποφασισμένοι και συχνά διάσημοι επιστήμονες "βασίζονταν μόνο" στο σκληρό έργο των βιολόγων που έκαναν αναζήτηση για τις ίδιες γενικές πληροφορίες ήδη από τη δεκαετία του 1860, πειράματα που ήταν εξίσου πρωτοποριακά με αυτά του Watson, Crick και άλλοι στην εποχή έρευνας μετά το Β Παγκόσμιο Πόλεμο.
Το 1869, 100 χρόνια πριν ο άνθρωπος ταξίδευε στο φεγγάρι, ένας Ελβετός χημικός που ονομάζεται Friedrich Miescher προσπάθησε να εξαγάγει τα πρωτεϊνικά συστατικά από λευκοκύτταρα (λευκά αιμοσφαίρια) για να καθορίσει τη σύνθεση και τη λειτουργία τους. Αυτό που αντλούσε ο ίδιος αποκαλούμενος «νουκλεΐνη» και παρόλο που του λείπουν τα απαραίτητα μέσα για να μάθει τι μελλοντικοί βιοχημικοί θα μπορούσαν να μάθουν, διακρίνει γρήγορα ότι αυτή η «νουκλεΐνη» σχετίζεται με τις πρωτεΐνες, αλλά δεν ήταν η ίδια πρωτεΐνη, ασυνήθιστη ποσότητα φωσφόρου και ότι αυτή η ουσία ήταν ανθεκτική στην αποικοδόμηση από τους ίδιους χημικούς και φυσικούς παράγοντες που υποβαθμίζουν τις πρωτεΐνες.
Θα ήταν πάνω από 50 χρόνια πριν η πραγματική σημασία της εργασίας Mieschers έγινε αρχικά εμφανής. Στη δεύτερη δεκαετία της δεκαετίας του 1900, ο ρώσος βιοχημικός, Φοίβος Λεβέν, ήταν ο πρώτος που πρότεινε ότι, αυτό που αποκαλούμε σήμερα νουκλεοτίδια, αποτελούνταν από ένα μέρος σακχάρου, ένα μέρος φωσφορικών και ένα τμήμα βάσης. ότι το σάκχαρο ήταν ριβόζη. και ότι οι διαφορές μεταξύ των νουκλεοτιδίων οφειλόταν στις διαφορές μεταξύ των βάσεων τους. Το μοντέλο "πολυνουκλεοτιδίου" του είχε κάποια ελαττώματα, αλλά σύμφωνα με τα πρότυπα της ημέρας, ήταν αξιοσημείωτα στο στόχο.
Το 1944, ο Oswald Avery και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο Rockefeller ήταν οι πρώτοι γνωστοί ερευνητές που υποδήλωσαν ότι το DNA αποτελείται από κληρονομικές μονάδες ή γονίδια. Ακολουθώντας το έργο τους όπως και το έργο του Levene, ο αυστριακός επιστήμονας Erwin Chargaff έκανε δύο βασικές ανακαλύψεις: ένα, ότι η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων στο DNA ποικίλλει μεταξύ ειδών οργανισμών, σε αντίθεση με όσα πρότεινε ο Levene. και δύο, ότι σε κάθε οργανισμό, η συνολική ποσότητα των αζωτούχων βάσεων αδενίνη (Α) και γουανίνη (G) συνδυάστηκε, ανεξάρτητα από τα είδη, ουσιαστικά πάντοτε η ίδια με τη συνολική ποσότητα κυτοσίνης (C) και θυμίνης (Τ). Αυτό δεν οδήγησε αρκετά τον Chargaff να καταλήξει στο συμπέρασμα ότι ένα ζευγάρι με ζεύγη Τ και C με G σε όλα τα DNA, αλλά αργότερα βοήθησε να στηρίξει το συμπέρασμα που επέτυχαν άλλοι.
Τέλος, το 1953, ο Watson και οι συνεργάτες του, επωφελούμενοι από τους ταχέως βελτιωμένους τρόπους απεικόνισης των τρισδιάστατων χημικών δομών, έβαλαν όλα αυτά τα ευρήματα μαζί και χρησιμοποίησαν μοντέλα χαρτονιού για να αποδείξουν ότι μια διπλή έλικα ταιριάζει σε όλα όσα ήταν γνωστά για το DNA αλλιώς θα μπορούσε.
DNA και κληρονομικά χαρακτηριστικά
Το DNA αναγνωρίστηκε ως το κληρονομικό υλικό στις ζωές των πραγμάτων πολύ πριν διευκρινιστεί η διάρθρωσή του και, όπως συμβαίνει συχνά στην πειραματική επιστήμη, αυτή η ζωτική ανακάλυψη ήταν παρεμπιπτόντως για τον κύριο σκοπό των ερευνητών.
Πριν από τη θεραπεία με αντιβιοτικά προέκυψε στα τέλη της δεκαετίας του 1930, οι μολυσματικές ασθένειες ζήτησαν πολύ περισσότερες ανθρώπινες ζωές απ 'ό, τι κάνουν σήμερα και η εξάπλωση των μυστηρίων των υπεύθυνων οργανισμών ήταν ένας κρίσιμος στόχος στην έρευνα μικροβιολογίας. Το 1913, ο προαναφερθείς Oswald Avery άρχισε την εργασία που τελικά αποκάλυψε υψηλή περιεκτικότητα σε πολυσακχαρίτες (ζάχαρη) σε κάψουλες βακτηριακών πνευμονιοκοκκικών ειδών, που είχαν απομονωθεί από ασθενείς με πνευμονία. Ο Avery υποστήριξε ότι αυτές οι διεγερμένες παραγωγές αντισωμάτων σε μολυσμένους ανθρώπους. Εν τω μεταξύ, στην Αγγλία, ο William Griffiths εκτελούσε εργασίες που έδειξαν ότι τα νεκρά συστατικά ενός είδους πνευμονόκοκκου που προκαλεί ασθένεια μπορούν να αναμειχθούν με τα ζωντανά συστατικά ενός ακίνδυνου πνευμονόκοκκου και να παράγουν μια μορφή ασθένειας που προκαλεί το πρώην αβλαβές είδος. αυτό απέδειξε ότι ό, τι κινήθηκε από τους νεκρούς στα ζωντανά βακτήρια ήταν κληρονομικό.
Όταν ο Avery έμαθε για τα αποτελέσματα του Griffiths, ο ίδιος έθεσε για τη διεξαγωγή πειραμάτων καθαρισμού σε μια προσπάθεια να απομονωθεί το ακριβές υλικό στους πνευμονοκόκκους που ήταν κληρονομικό και να συμπεριληφθεί στα νουκλεϊνικά οξέα ή πιο συγκεκριμένα στα νουκλεοτίδια. Το DNA ήταν ήδη έντονα ύποπτο ότι είχε αυτό που στη συνέχεια ονομάστηκε γενικά "μετασχηματισμένες αρχές", έτσι η Avery και άλλοι εξέτασαν αυτή την υπόθεση εκθέτοντας το κληρονομικό υλικό σε διάφορους παράγοντες. Αυτά που είναι γνωστό ότι είναι καταστροφικά για την ακεραιότητα του DNA αλλά είναι αβλαβή για τις πρωτεΐνες ή το DNA, που ονομάζονται DNAases, ήταν επαρκή σε μεγάλες ποσότητες για να αποτρέψουν τη μετάδοση χαρακτηριστικών από μια γενεά βακτηρίων στο επόμενο. Εν τω μεταξύ, οι πρωτεάσες, οι οποίες αποκαλύπτουν πρωτεΐνες, δεν έκαναν τέτοιες βλάβες.
Η δουλειά του Averys και του Griffiths είναι ότι και πάλι, ενώ οι άνθρωποι όπως ο Watson και ο Crick έχουν ορθά επαινέσει για τη συμβολή τους στη μοριακή γενετική, η καθιέρωση της δομής του DNA ήταν μια πολύ αργή συμβολή στη διαδικασία μάθησης για αυτό θεαματικό μόριο.
Η Δομή του DNA
Ο Chargaff, παρόλο που προφανώς δεν περιγράφει πλήρως τη δομή του DNA, έδειξε ότι, εκτός από το (A + G) = (C + T), οι δύο κλώνοι που είναι γνωστό ότι περιλαμβάνονται στο DNA ήταν πάντα οι ίδιες. Αυτό οδήγησε στο ότι πουρίνες (συμπεριλαμβανομένων των Α και G) που συνδέονται πάντοτε με πυριμιδίνες (συμπεριλαμβανομένων των C και Τ) στο DNA. Αυτό έκανε την τρισδιάστατη αίσθηση, επειδή οι πουρίνες είναι σημαντικά μεγαλύτερες από τις πυριμιδίνες, ενώ όλες οι πουρίνες έχουν ουσιαστικά το ίδιο μέγεθος και όλες οι πυριμιδίνες έχουν ουσιαστικά το ίδιο μέγεθος. Αυτό σημαίνει ότι δύο πουρίνες που συνδέονται μαζί θα καταλαμβάνουν σημαντικά μεγαλύτερο διάστημα μεταξύ των κλώνων DNA από δύο πυριμιδίνες και επίσης ότι κάθε δεδομένο ζεύγος πουρίνης-πυριμιδίνης θα καταναλώνει το ίδιο ποσό χώρου. Κάνοντας όλες αυτές τις πληροφορίες απαιτείται να δεσμεύεται το Α και μόνο στο Τ και να διατηρείται η ίδια σχέση για το C και το G εάν το μοντέλο αυτό αποδειχθεί επιτυχές. Και έχει.
Οι βάσεις (περισσότερο σε αυτές αργότερα) συνδέονται μεταξύ τους στο εσωτερικό του μορίου DNA, όπως τα σκαλοπάτια σε μια σκάλα. Αλλά τι γίνεται με τα σκέλη, ή "πλευρά", οι ίδιοι; Ο Rosalind Franklin, συνεργαζόμενος με τους Watson και Crick, υπολόγισε ότι αυτή η "ραχοκοκαλιά" ήταν φτιαγμένη από ζάχαρη (συγκεκριμένα ένα σάκχαρο πεντόζης ή μια δομή δακτυλίου πέντε ατόμων) και μια φωσφορική ομάδα που συνδέει τα σάκχαρα. Λόγω της πρόσφατα διαυγασμένης ιδέας του ζεύγους βάσεων, ο Franklin και οι άλλοι συνειδητοποίησαν ότι οι δύο ίνες DNA σε ένα μόριο ήταν «συμπληρωματικές» ή σε πραγματικές εικόνες καθρέπτη η μία στην άλλη στο επίπεδο των νουκλεοτιδίων τους. Αυτό επέτρεψε σε αυτούς να προβλέψουν την κατά προσέγγιση ακτίνα της συνεστραμμένης μορφής του DNA μέσα σε ένα σταθερό βαθμό ακρίβειας και η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ επιβεβαίωσε την ελικοειδή δομή. Η ιδέα ότι η έλικα ήταν διπλή έλικα ήταν η τελευταία μεγάλη λεπτομέρεια για τη δομή των DNAs που έπεσε στη θέση της το 1953.
Νουκλεοτίδια και αζωτούχες βάσεις
Τα νουκλεοτίδια είναι οι επαναλαμβανόμενες υπομονάδες του DNA, το οποίο είναι το αντίστροφο που λέει ότι το DNA είναι πολυμερές νουκλεοτιδίων. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από μια ζάχαρη αποκαλούμενη δεοξυριβόζη η οποία περιέχει μια πενταγωνική δομή δακτυλίου με ένα μόριο οξυγόνου και τεσσάρων ατόμων άνθρακα. Αυτό το σάκχαρο δεσμεύεται σε μια φωσφορική ομάδα και δύο κηλίδες κατά μήκος του δακτυλίου από αυτή τη θέση, είναι επίσης δεσμευμένο σε μια βάση αζώτου. Οι φωσφορικές ομάδες συνδέουν τα σάκχαρα μαζί για να σχηματίσουν τον σκελετό του DNA, οι δύο κλώνοι του οποίου περιστρέφονται γύρω από τις δεσμευμένες βαριές αζώτου βάσεις στη μέση της διπλής έλικας. Η έλικα κάνει μια ολοκληρωμένη περιστροφή 360 μοιρών περίπου μία φορά στα 10 ζεύγη βάσεων.
Μια ζάχαρη που δεσμεύεται μόνο σε μια βάση αζώτου ονομάζεται α νουκλεοσίδιο.
Το RNA (ριβονουκλεϊνικό οξύ) διαφέρει από το DNA με τρεις βασικούς τρόπους: Ένα, η ουραμίνη πυριμιδίνης αντικαθιστά την θυμίνη. Δύο, το σάκχαρο πεντόζης είναι ριβόζη και όχι δεοξυριβόζη. Και τρία, το RNA είναι σχεδόν πάντα μονόκλωνο και έρχεται σε πολλαπλές μορφές, η συζήτηση του οποίου είναι πέρα από το πεδίο εφαρμογής αυτού του άρθρου.
Αναπαραγωγή DNA
Το DNA αποσυμπιέζεται στα δύο συμπληρωματικά σκέλη του όταν έρθει η ώρα να γίνουν αντίγραφα. Καθώς συμβαίνει αυτό, οι κλώνοι κόρης σχηματίζονται κατά μήκος των μονογονικών κλώνων. Ένας τέτοιος κλώνος κλώνος σχηματίζεται συνεχώς μέσω της προσθήκης απλών νουκλεοτιδίων, υπό τη δράση του ενζύμου DNA πολυμεράση. Αυτή η σύνθεση ακολουθεί απλά κατά μήκος της κατεύθυνσης του διαχωρισμού των μητρικών κλώνων DNA. Ο άλλος κόρης κλώνος σχηματίζεται από μικρά πολυνουκλεοτίδια που ονομάζονται Okazaki θραύσματα που στην πραγματικότητα σχηματίζουν την αντίθετη κατεύθυνση της αποσυμπίεσης των μητρικών κλώνων και στη συνέχεια συνδέονται μεταξύ τους με το ένζυμο DNA λιγάση.
Επειδή οι δύο θυγατρικές κλώνοι είναι επίσης συμπληρωματικές μεταξύ τους, οι βάσεις τους συνδέονται τελικά μαζί για να κάνουν ένα μόριο διπλού κλώνου ταυτόσημο με το μητρικό.
Στα βακτηρίδια, τα οποία είναι μονοκύτταρα και ονομάζονται προκαρυωτικά, ένα μόνο αντίγραφο των DNA των βακτηριδίων (που ονομάζεται επίσης γονιδίωμα) βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα. δεν υπάρχει πυρήνας. Σε πολυκυτταρικούς ευκαρυωτικούς οργανισμούς, το DNA βρίσκεται στον πυρήνα με τη μορφή χρωμοσωμάτων, τα οποία είναι πολύ συσπειρωμένα, στρογγυλεμένα και χωρικά συμπυκνωμένα μόρια ϋΝΑ μήκους μόλις εκατομμυριοτόμετρα και πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες. Με μικροσκοπική εξέταση, τα τμήματα χρωμοσωμάτων που δείχνουν εναλλασσόμενα ιστόνια "καρούλια" και απλά σκέλη DNA (που ονομάζεται χρωματίνη σε αυτό το επίπεδο οργάνωσης) συχνά παρομοιάζονται με χάντρες σε μια χορδή. Κάποιο ευκαρυωτικό DNA βρίσκεται επίσης σε οργανίδια των κυττάρων που ονομάζονται μιτοχόνδρια.