Sadržaj
DNK je jedna od rijetkih kombinacija slova u srži znanstvene discipline koja, čini se, daje značajnu razinu razumijevanja čak i kod ljudi koji su malo životno izloženi biologiji ili znanosti općenito. Većina odraslih koji čuju frazu "To je u njenoj DNK" odmah prepoznaju da je određena osobina neodvojiva od osobe koju opisuje; da je svojstvo nekako urođeno, da nikad ne nestaje i da se može prenijeti na te osobe djecu i šire. Čini se da to vrijedi čak i u glavama onih koji nemaju pojma što uopće znači "DNK", a to je "deoksiribonukleinska kiselina".
Ljudi su razumljivo fascinirani konceptom nasljeđivanja osobina od svojih roditelja i prenošenjem vlastitih osobina svojim potomcima. Jedino je prirodno da ljudi razmišljaju o vlastitoj biokemijskoj baštini, čak i ako ih malo tko može zamisliti u tako formalnim uvjetima. Priznanje da sitni nevidljivi čimbenici unutar svakog od nas upravljaju načinom na koji djeca ljudi izgledaju i čak se ponašaju sigurno je prisutno već stotinama godina. No tek je sredinom 20. stoljeća moderna znanost sjajno otkrila ne samo kakve su molekule odgovorne za nasljeđivanje, već i kako su izgledale.
Deoksiribonukleinska kiselina doista je genetski plava koju sva živa bića održavaju u svojim stanicama, jedinstveni mikroskopski prst koji ne samo da čovjeka čini doslovnim jedinstvenim jedinkom (identični blizanci izuzeti za današnje svrhe), već otkrivaju i mnoštvo vitalnih informacije o svakoj osobi, od vjerojatnosti povezanosti s drugom određenom osobom do šansi za razvoj određene bolesti kasnije u životu ili prenošenja takve bolesti na buduće generacije. DNK je postao ne samo prirodna središnja točka molekularne biologije i nauke o životu kao cjeline, već i sastavni dio forenzike i biološkog inženjerstva.
Otkriće DNK
James Watson i Francis Crick (i rjeđe, Rosalind Franklin i Maurice Wilkins) nadaleko su otkriveni DNK 1953. Međutim, ova percepcija je pogrešna. Kritički, ovi istraživači su ustvari utvrdili da DNK postoji u trodimenzionalnom obliku u obliku dvostruke spirale, koja je u osnovi ljestvica iskrivljena u različitim smjerovima na oba kraja kako bi stvorila spiralni oblik. Ali ovi odlučni i često proslavljeni znanstvenici "samo" su se nadovezali na mukotrpan rad biologa koji su se trudili u potrazi za istim općim podacima još od 1860-ih, eksperimentima koji su bili samo po sebi revolucionarni kao i Watson, Krik i ostali u istraživačkom razdoblju nakon Drugog svjetskog rata.
1869. godine, 100 godina prije nego što bi ljudi otputovali na Mjesec, švicarski kemičar Friedrich Miescher pokušao je izvaditi proteinske komponente iz leukocita (bijelih krvnih zrnaca) kako bi odredio njihov sastav i funkciju. Ono što je umjesto toga izvadio nazvao je "nukleinom", i iako su mu nedostajali instrumenti potrebni da nauče što će budući biokemičari moći naučiti, brzo je razabrao da je taj "nuklein" povezan s proteinima, ali da sam po sebi nije protein, da sadrži neobičnu količinu fosfora i da je ta tvar bila otporna na razgradnju istim kemijskim i fizikalnim čimbenicima koji su razgradili proteine.
Prošlo bi više od 50 godina prije nego što se prava važnost rada Mieschera prvi put očita. U drugom desetljeću 1900-ih, ruski biokemičar Phoebus Levene prvi je predložio da se, ono što danas nazivamo nukleotidima, sastoji od šećera, fosfatnog i baznog dijela; da je šećer bio riboza; i da su razlike između nukleotida nastale zbog razlika između njihovih baza. Njegov model "polinukleotida" imao je nekih nedostataka, ali prema standardima dana, bio je nevjerojatno na meti.
Godine 1944. Oswald Avery i njegovi kolege sa Sveučilišta Rockefeller bili su prvi poznati istraživači koji su službeno sugerirali da se DNA sastoji od nasljednih jedinica ili gena. Prateći njihov rad, kao i Leveneov rad, austrijski znanstvenik Erwin Chargaff napravio je dva ključna otkrića: jedno, da niz nukleotida u DNK varira između vrsta organizama, suprotno onome što je Levene predložio; i dva, da je u bilo kojem organizmu ukupna količina dušičnih baza adenina (A) i gvanina (G) kombinirana, bez obzira na vrste, bila gotovo uvijek jednaka ukupnoj količini citozina (C) i timina (T). To nije sasvim navelo Chargaffa da zaključi da su parovi s T i C parovi s G u svim DNK, ali to je kasnije pomoglo da se utvrde drugi zaključci.
Konačno, 1953. godine, Watson i njegovi kolege, profitirajući od brzog poboljšanja načina vizualizacije trodimenzionalnih kemijskih struktura, sastavili su sve te nalaze i koristili kartonske modele kako bi utvrdili da dvostruka spirala odgovara na sve što se o DNK znalo na ništa mogao bi i drugi.
DNK i nasljedne osobine
DNK je identificiran kao nasljedni materijal u živopisnim stvarima i prije pojašnjenja njegove strukture, a kao što je često slučaj u eksperimentalnoj znanosti, ovo je vitalno otkriće zapravo slučajno s glavnom svrhom istraživača.
Prije pojave antibiotske terapije u kasnim tridesetima, zarazne bolesti zahtijevale su mnogo više ljudskih života nego danas, a otkrivanje misterija odgovornih organizama bio je presudan cilj u mikrobiološkim istraživanjima. 1913. spomenuti Oswald Avery započeo je s radom koji je na kraju otkrio visok sadržaj polisaharida (šećera) u kapsulama bakterija pneumokoknih vrsta, izoliranih od upale pluća. Avery je teoretizirao da ova stimulirana proizvodnja antitijela kod zaraženih ljudi. U međuvremenu, u Engleskoj je William Griffiths obavljao posao koji je pokazao da se mrtve komponente jedne vrste pneumokoka koji uzrokuju bolesti mogu pomiješati sa živim komponentama bezopasnog pneumokoka i stvoriti oblik ranije bezopasne vrste; ovo je dokazalo da je ono što je prešlo iz mrtvih u žive bakterije nasljedno.
Kad je Avery saznao za Griffithsove rezultate, počeo je provoditi eksperimente pročišćavanja u nastojanju da izolira precizne materijale u pneumokocima koji su bili nasljedni, a usredotočio se na nukleinske kiseline, ili točnije, nukleotide. Za DNA se već sumnjalo da ima ono što se tada popularno nazivalo "načela transformacije", pa su Avery i drugi testirali ovu hipotezu izlažući nasljedni materijal raznim agensima. Oni za koje se zna da su destruktivni za integritet DNK, ali bezopasni za proteine ili DNK, zvane DNAaze, bili su dovoljni u velikim količinama da spriječe prijenos osobina iz jedne generacije bakterija u drugu. U međuvremenu, proteaze koje razgrađuju bjelančevine nisu napravile takvu štetu.
Povratak djela Averys i Griffiths je da, opet, dok su ljudi poput Watson-a i Cricka s pravom hvale zbog svog doprinosa molekularnoj genetici, uspostava strukture DNK zapravo je prilično kasni doprinos procesu saznanja o ovome spektakularna molekula.
Struktura DNK
Chargaff, iako očito nije u cijelosti opisao strukturu DNK, pokazao je da su, pored (A + G) = (C + T), dva lanca za koja se zna da su uključeni u DNK uvijek bila na istoj udaljenosti. To je dovelo do postulata koji purina (uključujući A i G) uvijek vezan za pirimidina (uključujući C i T) u DNK. To je imalo trodimenzionalni smisao, jer su purini znatno veći od pirimidina, dok su svi purini u osnovi iste veličine i svi su pirimidini u osnovi iste veličine. To podrazumijeva da bi dva purina povezana zajedno zauzimala znatno više prostora između lanaca DNA nego dva pirimidina, a također i da bi bilo koji purin-pirimidinski par zauzeo istu količinu prostora. Stavljanje svih ovih podataka tražilo je da se A veže i samo na T i da isti odnos vrijedi i za C i G ako se ovaj model pokazao uspješnim. I ima.
Podnožja (detaljnije o ovim kasnije) vežu se jedna s drugom na unutrašnjosti molekule DNK, poput pregrada u ljestvici. Ali što je sa žicama ili "stranama"? Rosalind Franklin, radeći s Watsonom i Crickom, pretpostavila je da je ta "kralježnica" načinjena od šećera (točnije šećera s pentozom ili onoga s petomatomnom strukturom prstena) i fosfatne skupine koja povezuje šećere. Zbog novo razjašnjene ideje spajanja baza, Franklin i ostali postali su svjesni da su dva lanca DNK u jednoj molekuli "komplementarna", ili u stvari zrcalne slike međusobno na nivou njihovih nukleotida. To im je omogućilo predviđanje približnog polumjera zakrivljenog oblika DNK u čvrstom stupnju točnosti, a rentgenskom difrakcijskom analizom potvrđena je spiralna struktura. Ideja da je spirala dvostruka, bila je posljednji glavni detalj strukture DNK koji je stupio na snagu 1953. godine.
Nukleotidi i dušične baze
Nukleotidi su ponavljajuće podjedinice DNK, što je obrnuto reći da je DNK polimer nukleotida. Svaki nukleotid sastoji se od šećera zvanog deoksiriboza koji sadrži peterokutnu prstenastu strukturu s jednim kisikom i četiri molekule ugljika. Ovaj šećer je vezan za fosfatnu skupinu, a dvije točke duž prstena s ovog položaja, također su vezane za dušičnu bazu. Fosfatne skupine povezuju šećere zajedno kako bi tvorile kralježnicu DNA, čija se dva lanca uvijaju oko vezanim dušikovim bazama u sredini dvostruke spirale. Vijak čini jedan potpuni zavoj od 360 stupnjeva otprilike jednom u svakih 10 parova baze.
Šećer vezan samo za dušičnu bazu naziva se a nukleozidni.
RNA (ribonukleinska kiselina) razlikuje se od DNK na tri ključna načina: Prvo, pirimidinski uracil supstituiran je za timin. Drugo, pentozni šećer je riboza, a ne deoksiriboza. I treće, RNA je gotovo uvijek jednolančana i dolazi u više oblika, čija je rasprava izvan okvira ovog članka.
Replikacija DNA
DNK se "neraspakuje" u svoja dva komplementarna niza kad dođe vrijeme da se naprave kopije. Kako se to događa, kćeri se stvaraju duž samorodnih niti. Jedan takav kćerni lanac nastaje kontinuirano dodavanjem pojedinih nukleotida, pod djelovanjem enzima DNA polimeraza, Ova sinteza jednostavno slijedi u smjeru odvajanja matičnih lanaca DNA. Drugi pramen kći nastaje iz malih polinukleotida zvanih Okazaki fragmenti koji zapravo nastaju u suprotnom smjeru odmotavanja matičnih niti, a potom ih enzim spaja DNK ligaza.
Budući da se dvije kćerne niti međusobno nadopunjuju, njihove se baze na kraju vežu zajedno kako bi napravili dvolančanu DNK molekulu identičnu matičnoj.
Kod bakterija, koje su jednoćelijske i nazivaju se prokarioti, u citoplazmi sjedi pojedina kopija bakterije DNA (koja se naziva i njezin genom); nema jezgra. U višećelijskim eukariotskim organizmima DNK se nalazi u jezgri u obliku kromosoma, koji su visoko zamotani, omotani i prostorno kondenzirani molekuli DNK dugi tek milijun mjeseci, a proteini se nazivaju histoni, Na mikroskopskom ispitivanju, dijelovi kromosoma koji pokazuju izmjenične histonske „kaleme“ i jednostavne nizove DNK (nazvani kromatin na ovoj razini organizacije) često se uspoređuju s perlicama na nizu. Neke eukariotske DNA nalaze se i u organelama stanica zvanim mitohondriji.