Conţinut
- Descoperirea ADN-ului
- ADN-ul și trăsăturile eritabile
- Structura ADN-ului
- Nucleotide și baze azotate
- Replicarea ADN-ului
ADN-ul este una dintre puținele combinații de scrisori din miezul unei discipline științifice care pare să stârnească un nivel semnificativ de înțelegere chiar și la persoanele cu puțină expunere pe viață la biologie sau la științe în general. Majoritatea adulților care aud expresia „Este în ADN-ul ei” recunosc imediat că o anumită trăsătură este inseparabilă de persoana descrisă; că caracteristica este oarecum înnăscută, nu va dispărea niciodată și este capabilă să fie transferată copiilor respective și nu numai. Acest lucru pare să fie valabil chiar și în mintea celor care nu au idee despre ce înseamnă „ADN”, care este „acid dezoxiribonucleic”.
Oamenii sunt într-un mod înțeles fascinați de conceptul de moștenire a trăsăturilor de la părinți și de a-și transmite propriile trăsături la urmași. Este firesc ca oamenii să se gândească la propria moștenire biochimică, chiar dacă puțini își pot imagina în astfel de termeni formali. Recunoașterea faptului că minusculi factori nevăzuți în interiorul fiecăruia dintre noi guvernează modul în care arată copiii și chiar se comportă copiii este cu siguranță prezent de multe sute de ani. Dar până la jumătatea secolului XX, știința modernă nu a dezvăluit în detalii glorioase nu numai care erau moleculele responsabile de moștenire, ci și cum arătau.
Acidul dezoxiribonucleic este într-adevăr albastru genetic pe care îl mențin toate ființele vii în celulele lor, un deget microscopic unic, care nu numai că face din fiecare om un literar individual (gemeni identici, cu excepția scopurilor actuale), dar dezvăluie o mulțime de elemente vitale informații despre fiecare persoană, de la probabilitatea de a fi legată de o altă persoană specifică până la șansele de a dezvolta o boală dată mai târziu în viață sau de a transmite o astfel de boală generațiilor viitoare. ADN-ul a devenit nu numai punctul central natural al biologiei moleculare și al științei vieții în ansamblu, ci și o componentă integrantă a științei medico-legale și a ingineriei biologice.
Descoperirea ADN-ului
James Watson și Francis Crick (și mai puțin frecvent, Rosalind Franklin și Maurice Wilkins) sunt creditați pe scară largă cu descoperirea ADN-ului în 1953. Această percepție este însă eronată. În mod critic, acești cercetători au stabilit, de fapt, că ADN-ul există sub formă tridimensională sub forma unei duble eliciuri, care este în esență o scară răsucită în direcții diferite la ambele capete pentru a crea o formă spirală. Însă acești oameni de știință hotărâți și de cele mai multe ori au fost „doar” bazându-se pe munca minuțioasă a biologilor care au trudit în căutarea acelorași informații generale încă din anii 1860, experimente la fel de novatoare ca și cele ale lui Watson, Crick și alții în era de cercetare post-al doilea război mondial.
În 1869, cu 100 de ani înainte ca oamenii să călătorească pe Lună, un chimist elvețian pe nume Friedrich Miescher a căutat să extragă componentele proteice din leucocitele (globulele albe din sânge) pentru a le determina compoziția și funcția. Ceea ce în schimb a extras el a numit „nucleină” și, deși îi lipseau instrumentele necesare pentru a afla ce viitorii biochimiști ar putea învăța, el a discernat repede că această „nucleină” era legată de proteine, dar nu era ea însăși proteină, că conținea o cantitate neobișnuită de fosfor și că această substanță a fost rezistentă la a fi degradată de aceiași factori chimici și fizici care au degradat proteinele.
Ar fi trecut peste 50 de ani până când adevărata importanță a lucrării Mieschers a devenit evidentă. În a doua decadă a anilor 1900, un biochimist rus, Phoebus Levene, a fost primul care a propus că, ceea ce numim astăzi nucleotide, consta dintr-o porție de zahăr, o porție de fosfat și o porție de bază; că zahărul a fost ribozic; și că diferențele dintre nucleotide erau datorate diferențelor dintre bazele lor. Modelul său de "polinucleotidă" a avut unele defecte, dar după standardele zilei, acesta a fost remarcabil la țintă.
În 1944, Oswald Avery și colegii săi de la Universitatea Rockefeller au fost primii cercetători cunoscuți care au sugerat formal că ADN-ul era format din unități ereditare sau gene. Urmărind activitatea lor, precum și cea a lui Levene, savantul austriac Erwin Chargaff a făcut două descoperiri cheie: una, că secvența de nucleotide în ADN variază între speciile de organisme, contrar celor propuse de Levene; și două, că în orice organism, cantitatea totală de baze azotate adenină (A) și guanină (G) combinate, indiferent de specie, a fost practic întotdeauna aceeași cu cantitatea totală de citosină (C) și timină (T). Acest lucru nu l-a determinat pe Chargaff să ajungă la concluzia că perechile A și T și C cu G în tot ADN-ul, dar ulterior a ajutat la susținerea concluziei la care au ajuns alții.
În cele din urmă, în 1953, Watson și colegii săi, beneficiind de îmbunătățirea rapidă a modalităților de vizualizare a structurilor chimice tridimensionale, au pus laolaltă toate aceste descoperiri și au folosit modele de carton pentru a stabili că o dublă helix se potrivea cu tot ceea ce se știa despre ADN într-un fel de nimic. altceva ar putea.
ADN-ul și trăsăturile eritabile
ADN-ul a fost identificat ca materialul ereditar în lucrările de livrare cu mult înainte de clarificarea structurii sale și, așa cum se întâmplă deseori în științele experimentale, această descoperire vitală a fost de fapt incidentă în scopul principal al cercetătorilor.
Înainte ca terapia cu antibiotice să apară la sfârșitul anilor 1930, bolile infecțioase au pretins vieți umane mult mai mari decât în prezent, iar dezvăluirea misterelor organismelor responsabile a fost un obiectiv critic în cercetarea microbiologiei. În 1913, mai sus a început activitatea Oswald Avery care a dezvăluit în cele din urmă un conținut ridicat de polizaharide (zahăr) în capsulele speciilor bacteriene pneumococice, care au fost izolate de pacienții cu pneumonie. Avery a spus că acestea au stimulat producția de anticorpi la persoanele infectate. Între timp, în Anglia, William Griffiths a efectuat lucrări care au arătat că componentele moarte ale unui fel de pneumococ cauzator de boli ar putea fi amestecate cu componentele vii ale unui pneumococ inofensiv și să producă o formă cauzatoare de boli de altfel inofensivă; aceasta a dovedit că orice s-a mutat de la morți la bacteriile vii era moștenitor.
Când Avery a aflat despre rezultatele lui Griffiths, s-a gândit să efectueze experimente de purificare într-un efort de a izola materialul precis din pneumococii care erau ereditare și a adăugat pe acizi nucleici sau mai precis nucleotide. ADN-ul era deja puternic suspectat de a avea ceea ce se numea în mod popular „principii transformatoare”, așa că Avery și alții au testat această ipoteză expunând materialul ereditar la o varietate de agenți. Cele cunoscute a fi distructive pentru integritatea ADN-ului, dar inofensive pentru proteine sau ADN, numite ADNaze, au fost suficiente în cantități mari pentru a preveni transmiterea trăsăturilor de la o generație bacteriană la alta. Între timp, proteazele, care dezvăluie proteinele, nu au făcut astfel de daune.
Locul de muncă al lui Averys și Griffiths este că, din nou, în timp ce persoane precum Watson și Crick au fost laudate pe bună dreptate pentru contribuțiile lor la genetica moleculară, stabilirea structurii ADN-ului a fost de fapt o contribuție destul de târzie la procesul de învățare despre acest lucru. molecula spectaculoasa.
Structura ADN-ului
Chargaff, deși, evident, nu a descris în întregime structura ADN-ului, a arătat că, pe lângă (A + G) = (C + T), cele două șuvițe cunoscute a fi incluse în ADN erau întotdeauna la aceeași distanță. Acest lucru a dus la postularea că purine (inclusiv A și G) întotdeauna legat de pirimidine (inclusiv C și T) în ADN. Acest lucru a avut sens tridimensional, deoarece purinele sunt considerabil mai mari decât pirimidinele, în timp ce toate purinele sunt în esență aceeași dimensiune și toate pirimidinele sunt în esență de aceeași dimensiune. Aceasta implică faptul că două purine legate între ele ar ocupa mult mai mult spațiu între catenele ADN decât două pirimidine și, de asemenea, că orice împerechere purină-pirimidină dată ar consuma aceeași cantitate de spațiu. Introducerea tuturor acestor informații a impus ca A să se lege și numai la T și ca aceeași relație să fie valabilă pentru C și G dacă acest model se dovedea a avea succes. Și are.
Bazele (mai multe despre acestea mai târziu) se leagă una de cealaltă pe interiorul moleculei de ADN, ca niște trepte într-o scară. Dar cum rămâne cu firele sau „părțile” ele însele? Rosalind Franklin, care lucra cu Watson și Crick, a presupus că această „coloană vertebrală” era făcută din zahăr (în special un zahăr pentoza, sau unul cu o structură inelară de cinci atomi) și un grup fosfat care leagă zaharurile. Datorită ideii recent clarificate a perechizării bazelor, Franklin și ceilalți au devenit conștienți că cele două șuvițe ADN dintr-o singură moleculă erau „complementare” sau în realitate imagini oglindă unele la altele la nivelul nucleotidelor lor. Acest lucru le-a permis să prezică raza aproximativă a formei răsucite de ADN într-un grad solid de precizie, iar analiza de difracție cu raze X a confirmat structura elicoidală. Ideea că helixul era o dublă helix a fost ultimul detaliu important despre structura ADN-urilor care a căzut în loc, în 1953.
Nucleotide și baze azotate
Nucleotidele sunt subunitățile repetate ale ADN-ului, ceea ce este invers de a spune că ADN-ul este un polimer de nucleotide. Fiecare nucleotid este format dintr-un zahăr numit dezoxiriboză care conține o structură inelară pentagonală cu un oxigen și patru molecule de carbon. Acest zahăr este legat de o grupare fosfați și două pete de-a lungul inelului din această poziție, este legat și de o bază azotată. Grupele fosfat leagă zaharurile între ele pentru a forma coloana vertebrală a ADN-ului, ale cărui două fire se răsucesc în jurul bazelor grele de azot legate în mijlocul dublei elice. Helix face o răsucire completă de 360 de grade aproximativ o dată la 10 perechi de baze.
Un zahăr legat numai de o bază azotată se numește a nucleozidic.
ARN (acid ribonucleic) diferă de ADN în trei moduri cheie: Una, uracilul pirimidinic este substituit cu timina. Doi, zahărul pentoza este mai mult riboza decât dezoxiriboza. Și trei, ARN este aproape întotdeauna monocatenar și vine sub mai multe forme, a căror discuție este dincolo de sfera acestui articol.
Replicarea ADN-ului
ADN-ul este „dezarhivat” în cele două fire ale sale complementare atunci când vine timpul să fie făcute copii. În timp ce acest lucru se întâmplă, firele fiice sunt formate de-a lungul catenelor monoparentale. O astfel de ramură fiică este formată continuu prin adăugarea de nucleotide unice, sub acțiunea enzimei ADN polimeraza. Această sinteză urmează pur și simplu pe direcția de separare a catenelor ADN-părinte. Cealaltă fiică se formează din polinucleotide mici numite Fragmente Okazaki care se formează de fapt în direcția opusă dezlipirii catenelor părinte și sunt apoi unite de enzimă ADN-ligază.
Deoarece cele două filiere sunt, de asemenea, complementare între ele, bazele lor în cele din urmă se leagă pentru a face o moleculă de ADN cu două fire, identică cu cea părintească.
În bacteriile, care sunt unicelulare și numite procariote, o singură copie a bacteriilor ADN-ul (numit și genomul său) se află în citoplasmă; nu este prezent niciun nucleu. În organismele eucariote multicelulare, ADN-ul se găsește în nucleu sub formă de cromozomi, care sunt molecule de ADN puternic înfășurate, spoolate și condensate spațial la doar o milionime de un metru lungime și proteine numite histone. La examen microscopic, părțile cromozomiale care prezintă „bobine” de histonă alternativă și șuvițe simple de ADN (numite cromatină la acest nivel de organizare) sunt adesea asemănătoare cu mărgele pe o sfoară. Unele ADN eucariotice se găsesc și în organele numite celule mitocondriile.