Vsebina
DNK je ena redkih kombinacij črk, ki je jedro znanstvene discipline, za katero se zdi, da pri ljudeh z malo življenjske izpostavljenosti biologiji ali znanosti na splošno povzroča razumevanje. Večina odraslih, ki slišijo besedno zvezo "To je v njenem DNK", takoj prepoznajo, da je določena lastnost neločljivo odvisna od opisane osebe; da je lastnost nekako prirojena, nikoli ne mine in jo je mogoče prenesti na tiste osebe, ki so otroci in naprej. Zdi se, da to drži tudi v glavah tistih, ki nimajo pojma, kaj sploh pomeni "DNK", kar je "deoksiribonukleinska kislina".
Ljudje razumljivo očarajo s konceptom dedovanja lastnosti od svojih staršev in po lastnih lastnostih prenašajo na svoje potomce. Ljudem je povsem naravno, da razmislijo o svoji biokemični zapuščini, čeprav si jo le malokdo lahko predstavlja tako formalno. Zavedanje, da drobni nevidni dejavniki znotraj vsakega od nas urejajo, kako so ljudje ljudje videti in se sploh obnašajo, je zagotovo prisotno že več sto let. Toda šele sredi 20. stoletja sodobna znanost ni v slavnih podrobnostih razkrila le, kakšne so molekule, odgovorne za dedovanje, ampak tudi, kako izgledajo.
Deoksiribonukleinska kislina je resnično gensko modra, ki jo vsa živa bitja vzdržujejo v svojih celicah, edinstven mikroskopski prst, ki vsakega človeka ne naredi samo dobesednega posameznika (enaki dvojčki, ki so izvzeti za sedanje namene), ampak razkrije veliko vitalnega informacije o vsaki osebi, od verjetnosti, da je povezana z drugo točno določeno osebo do možnosti, da se bo pozneje v življenju razvila določena bolezen ali se taka bolezen prenesla na prihodnje generacije. DNK ni postala le naravna osrednja točka molekularne biologije in celotne vede o življenju, ampak tudi sestavni del forenzične znanosti in biološkega inženiringa.
Odkritje DNK
James Watson in Francis Crick (redkeje pa tudi Rosalind Franklin in Maurice Wilkins) so odkrili DNK leta 1953. To dojemanje je zmotno. Kritično so ti raziskovalci dejansko ugotovili, da DNK obstaja v tridimenzionalni obliki v obliki dvojne vijačnice, ki je v bistvu lestev, zvita v različne smeri na obeh koncih, da ustvari spiralno obliko. Toda ti odločni in pogosto slavni znanstveniki so "samo" gradili na mukotrpnem delu biologov, ki so se trudili iskati iste splošne podatke že v 1860-ih, eksperimentih, ki so bili prav tako prelomni kot Watson, Krik in drugi v raziskovalni dobi po drugi svetovni vojni.
Leta 1869, 100 let, preden bi človek odpotoval na Luno, je švicarski kemik Friedrich Miescher poskušal izvleči beljakovinske sestavine iz levkocitov (belih krvnih celic), da bi določil njihovo sestavo in delovanje. Kar je namesto tega ekstrahiral, je poimenoval "nuklein", in čeprav mu primanjkuje instrumentov, potrebnih za učenje, česar se bodo bodoči biokemičarji lahko naučili, je hitro ugotovil, da je ta "nuklein" povezan z beljakovinami, vendar sam po sebi ni protein, da vsebuje nenavadno količino fosforja in da je bila ta snov odporna na razgradnjo zaradi istih kemičnih in fizikalnih dejavnikov, ki so razgradili beljakovine.
Minilo bi že več kot 50 let, preden se bo resnično pokazal pomembnost dela Miescherjev. V drugem desetletju devetdesetih let prejšnjega stoletja je ruski biokemik Phoebus Levene prvi predlagal, da se, kar danes imenujemo nukleotidi, sestoji iz sladkorja, fosfatnega in baznega dela; da je bil sladkor riboza; in da so bile razlike med nukleotidi posledica razlik med njihovimi osnovami. Njegov model "polinukleotid" je imel nekaj pomanjkljivosti, toda po današnjih standardih je bil izjemno na meti.
Leta 1944 so bili Oswald Avery in njegovi kolegi z univerze Rockefeller prvi znani raziskovalci, ki so uradno namignili, da je DNK sestavljen iz dednih enot ali genov. Avstrijski znanstvenik Erwin Chargaff je na podlagi svojega dela in dela Levene naredil dve ključni ugotovitvi: eno, da se zaporedje nukleotidov v DNK razlikuje med vrstami organizmov, v nasprotju s tistimi, ki jih je Levene predlagal; in dva, da je bila v katerem koli organizmu celotna količina dušikovih baz adenina (A) in gvanina (G), združenih ne glede na vrsto, skoraj vedno enaka skupni količini citozina (C) in timina (T). To ni ravno pripeljalo Chargaffa do zaključka, da je par z T in C par z G v celotni DNK, vendar je pozneje pomagal sprejeti sklep, ki so ga dosegli drugi.
Nazadnje so leta 1953 Watson in njegovi sodelavci, ki so izkoristili hitro izboljšanje načinov vizualizacije tridimenzionalnih kemijskih struktur, vse te ugotovitve združili in uporabili kartonske modele, s katerimi so ugotovili, da dvojna vijačnica na vse skupaj ustreza vsem, kar se je poznalo o DNK drugače bi lahko.
DNK in dedne lastnosti
DNK je bil identificiran kot dedni material v živih stvareh, še preden je bila razjasnjena njegova struktura, in kot je to pogosto v eksperimentalni znanosti, je bilo to vitalno odkritje pravzaprav naključno glavnemu namenu raziskovalcev.
Pred začetkom antibiotične terapije v poznih tridesetih letih prejšnjega stoletja so nalezljive bolezni zahtevale veliko več človeških življenj kot danes, razkrivanje skrivnosti odgovornih organizmov pa je bilo ključnega pomena pri mikrobioloških raziskavah. Leta 1913 je omenjeni Oswald Avery začel z delom, ki je na koncu razkril visoko vsebnost polisaharida (sladkorja) v kapsulah pnevmokoknih bakterijskih vrst, ki so jih izolirali pri bolnikih s pljučnico. Avery je teoretiral, da ta spodbuja nastajanje protiteles pri okuženih ljudeh. Medtem je v Angliji William Griffiths opravljal delo, ki je pokazalo, da se lahko mrtve sestavine ene vrste pnevmokoka, ki povzročajo bolezni, zmešajo z živimi sestavinami neškodljivega pnevmokoka in ustvarijo obliko, ki prej povzroča bolezni, neškodljive; to je dokazalo, da je vse, kar se je od mrtvih premaknilo k živi bakteriji, dedno.
Ko je Avery izvedel za Griffithsove rezultate, se je lotil poskusov čiščenja, da bi izoliral natančen material v pnevmokokih, ki so bili dedni, in uporabil nukleinske kisline ali natančneje nukleotide. DNA je že močno sumila, da ima takrat imenovano "načela preoblikovanja", zato so Avery in drugi to hipotezo preizkusili tako, da so dedni material izpostavili različnim povzročiteljem. Tiste, za katere je znano, da uničujejo celovitost DNK, vendar neškodljive za beljakovine ali DNK, imenovane DNK-aze, so bile dovolj v velikih količinah, da so preprečile prenos lastnosti iz ene generacije bakterij v drugo. Medtem proteaze, ki razkrijejo beljakovine, niso naredile takšne škode.
Delo Averys in Griffiths se vrača v dom, toda ljudje, kot sta Watson in Crick, so upravičeno hvaležni za svoje prispevke k molekularni genetiki, je bilo ugotavljanje strukture DNK pravzaprav dokaj pozen prispevek k procesu spoznavanja tega spektakularna molekula.
Struktura DNK
Chargaff, čeprav očitno ni v celoti opisal strukture DNK, je pokazal, da sta bila poleg (A + G) = (C + T) dva sklopa, za katera je znano, da sta vključena v DNK, vedno na enaki razdalji. To je privedlo do postulata, da purine (vključno z A in G), ki so vedno vezane na pirimidini (vključno s C in T) v DNK. To je imelo tridimenzionalni smisel, ker so purini bistveno večji od pirimidinov, medtem ko so vsi purini v bistvu enake velikosti in vsi pirimidini v bistvu enake velikosti. To pomeni, da bi dva purina, ki sta povezana skupaj, zavzela bistveno več prostora med prameni DNK kot dva pirimidina in tudi, da bi katerokoli parino purin-pirimidina porabilo enako količino prostora. Če bi morali vse te podatke zahtevati, se mora A navezati na T in samo na T in imeti enako razmerje za C in G, če bi se ta model izkazal za uspešnega. In ima.
Podstavki (več o teh kasneje) se na notranjosti molekule DNK vežejo drug na drugega, podobno kot prečke v lestvi. Kaj pa prameni ali same "strani"? Rosalind Franklin, ki je sodelovala z Watsonom in Crickom, je domnevala, da je ta "hrbtenica" narejena iz sladkorja (natančneje pentoznega sladkorja ali tistega s pet-atomsko strukturo obroča) in fosfatne skupine, ki povezuje sladkorje. Zaradi na novo razjasnjene ideje združevanja baz sta se Franklin in drugi zavedali, da se dve verigi DNK v eni molekuli "dopolnjujeta", ali sta v resnici zrcalni posnetki drug drugega na ravni svojih nukleotidov. To jim je omogočilo, da so v trdni stopnji natančnosti napovedali približni polmer zvite oblike DNK, rentgenska difrakcijska analiza pa je potrdila vijačno strukturo. Zamisel, da je vijak dvojna vijačnica, je bila leta 1953 zadnja pomembna podrobnost o strukturi DNK.
Nukleotidi in dušikove baze
Nukleotidi so ponavljajoče se podenote DNK, kar je obratna trditev, da je DNK polimer nukleotidov. Vsak nukleotid je sestavljen iz sladkorja, imenovanega deoksiriboza, ki vsebuje peterokotno obročno strukturo z enim kisikom in štirimi ogljikovimi molekulami. Ta sladkor je vezan na fosfatno skupino, dve piki ob obroču s tega položaja pa sta vezani tudi na dušikovo bazo. Fosfatne skupine povezujejo sladkorje skupaj, da tvorijo hrbtenico DNK, katerega dva sklopa se zvita okoli vezanih dušikovih težkih baz na sredini dvojne vijačnice. Vijačnica naredi en popolni 360-stopinjski zasuk približno vsakih 10 baznih parov.
Sladkor, vezan samo na dušikovo bazo, se imenuje a nukleozid.
RNA (ribonukleinska kislina) se od DNK razlikuje na tri ključne načine: Prvi, pirimidinski uracil je nadomeščen s timinom. Drugič, pentozni sladkor je riboza, ne deoksiriboza. In trije, RNA je skoraj vedno enojna in je v več oblikah, katerih razprava je zunaj obsega tega članka.
Podvajanje DNK
Ko pride čas za izdelavo kopij, se DNK "odtegne" v svoja dva komplementarna sklopa. Ko se to dogaja, se hčerinske pramene oblikujejo vzdolž samorodnih pramenov. En tak hčerinski pramen nastaja kontinuirano z dodatkom posameznih nukleotidov pod delovanjem encima DNA polimeraza. Ta sinteza preprosto sledi v smeri ločitve matičnih verig DNK. Drugi hčerinski pramen tvori iz majhnih polinukleotidov, imenovanih Okazaki drobci ki se dejansko tvorijo v nasprotni smeri odpenjanja matičnih pramenov in jih nato encim združuje Ligaza DNA.
Ker se obe hčerinski verigi medsebojno dopolnjujeta, se njune baze sčasoma vežejo in tvorijo dvoverično molekulo DNK, identično matični.
V bakterijah, ki so enocelične in jih imenujemo prokarioti, v citoplazmi sedi posamezna kopija bakterije DNA (imenovana tudi njen genom); nobeno jedro ni. V večceličnih evkariontskih organizmih najdemo DNK v jedru v obliki kromosomov, ki so visoko naviti, zviti in prostorsko kondenzirani molekuli DNK dolgi le milijonin meter in beljakovine, imenovane histoni. Pri mikroskopskem pregledu se kromosomski deli, ki prikazujejo izmenične histonske "kolute" in preproste niti DNK (na tej ravni organizacije se imenujejo kromatin), pogosto primerjajo s kroglicami na vrvici. Nekaj evkariontske DNK najdemo tudi v organelah celic, imenovanih mitohondrije.