Biology for Non-Majors I

Czego nauczysz się robić: Wyjaśnić, jak DNA przechowuje informację genetyczną

Unikalna struktura DNA jest kluczowa dla jego zdolności do przechowywania i replikowania informacji genetycznej:

Rysunek 1

W tym wyniku nauczysz się opisywać strukturę podwójnej helisy DNA: jej cukrowo-fosforanowy szkielet drabiny z zasadami azotowymi „szczeblami” drabiny.

Structure of DNA

The building blocks of DNA are nucleotides. Ważnymi składnikami każdego nukleotydu są: zasada azotowa, deoksyryboza (cukier 5-węglowy) i grupa fosforanowa (patrz rys. 2). Każdy nukleotyd jest nazywany w zależności od jego zasady azotowej. Podstawą azotową może być puryna, taka jak adenina (A) i guanina (G), lub pirymidyna, taka jak cytozyna (C) i tymina (T). Uracyl (U) jest również pirymidyną (jak widać na rysunku 2), ale występuje tylko w RNA, o którym więcej powiemy później.

Rys. 2. Każdy nukleotyd zbudowany jest z cukru, grupy fosforanowej i zasady azotowej. Cukrem jest deoksyryboza w DNA i ryboza w RNA.

Nukleotydy łączą się ze sobą za pomocą wiązań kowalencyjnych zwanych wiązaniami fosfodiestrowymi lub wiązaniami. Reszta fosforanowa jest przyłączona do grupy hydroksylowej 5′ węgla jednego cukru jednego nukleotydu i grupy hydroksylowej 3′ węgla cukru następnego nukleotydu, tworząc w ten sposób wiązanie fosfodiestrowe 5′-3′.

W latach pięćdziesiątych Francis Crick i James Watson pracowali razem nad ustaleniem struktury DNA na Uniwersytecie Cambridge w Anglii. Inni naukowcy, tacy jak Linus Pauling i Maurice Wilkins również aktywnie badali tę dziedzinę. Pauling odkrył strukturę drugorzędową białek za pomocą krystalografii rentgenowskiej. W laboratorium Wilkinsa badaczka Rosalind Franklin wykorzystywała metody dyfrakcji rentgenowskiej do poznania struktury DNA. Watson i Crick byli w stanie poskładać puzzle cząsteczki DNA na podstawie danych Franklina, ponieważ Crick również studiował dyfrakcję rentgenowską (rysunek 3). W 1962 r. James Watson, Francis Crick i Maurice Wilkins otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny. Niestety, do tego czasu Franklin już nie żył, a nagrody Nobla nie są przyznawane pośmiertnie.

Rysunek 3. Praca pionierskich naukowców (a) Jamesa Watsona, Francisa Cricka i Maclyna McCarty’ego doprowadziła do naszego dzisiejszego zrozumienia DNA. Naukowiec Rosalind Franklin odkryła (b) wzór dyfrakcji rentgenowskiej DNA, co pomogło wyjaśnić jego strukturę podwójnej helisy. (kredyt a: modyfikacja pracy Marjorie McCarty, Public Library of Science)

Watson i Crick zaproponowali, że DNA składa się z dwóch nici, które są skręcone wokół siebie, tworząc prawoskrętną helisę. Parowanie zasad odbywa się pomiędzy puryną i pirymidyną; mianowicie, A łączy się w pary z T, a G z C. Adenina i tymina są komplementarnymi parami zasad, a cytozyna i guanina są również komplementarnymi parami zasad. Pary zasad są stabilizowane przez wiązania wodorowe; adenina i tymina tworzą dwa wiązania wodorowe, a cytozyna i guanina trzy wiązania wodorowe. Obie nici mają charakter antyrównoległy, to znaczy, że koniec 3′ jednej nici jest zwrócony w kierunku końca 5′ drugiej nici. Cukier i fosforan nukleotydów tworzą szkielet struktury, podczas gdy zasady azotowe są ułożone wewnątrz. Każda para zasad jest oddzielona od innej pary zasad odległością 0,34 nm, a każdy skręt helisy ma długość 3,4 nm. Na jeden obrót helisy przypada zatem dziesięć par zasad. Średnica podwójnej helisy DNA wynosi 2 nm i jest jednolita na całej długości. Tylko parowanie puryn i pirymidyn może wyjaśnić tę jednolitą średnicę. Skręcanie się dwóch nici wokół siebie powoduje powstawanie równomiernie rozmieszczonych większych i mniejszych rowków (rysunek 4).

Rysunek 4. DNA ma (a) strukturę podwójnej helisy i (b) wiązania fosfodiestrowe. (c) rowki główne i małe są miejscami wiązania dla białek wiążących DNA podczas takich procesów, jak transkrypcja (kopiowanie RNA z DNA) i replikacja.

Informacja genetyczna

Informacja genetyczna organizmu jest przechowywana w cząsteczkach DNA. Jak jeden rodzaj cząsteczki może zawierać wszystkie instrukcje tworzenia skomplikowanych istot żywych, takich jak my? Jaki składnik lub cecha DNA może zawierać tę informację? Musi ona pochodzić od zasad azotowych, ponieważ, jak już wiecie, szkielet wszystkich cząsteczek DNA jest taki sam. Ale w DNA znajdują się tylko cztery zasady: G, A, C i T. Sekwencja tych czterech zasad może dostarczyć wszystkich instrukcji potrzebnych do zbudowania każdego żywego organizmu. Być może trudno sobie wyobrazić, że cztery różne „litery” mogą przekazywać tak wiele informacji. Pomyślmy jednak o języku angielskim, który potrafi przedstawić ogromną ilość informacji przy użyciu zaledwie 26 liter. Jeszcze głębszy jest kod binarny używany do pisania programów komputerowych. Ten kod zawiera tylko jedynki i zera, a pomyśl o wszystkich rzeczach, które twój komputer może zrobić. Alfabet DNA może kodować bardzo złożone instrukcje przy użyciu tylko czterech liter, ale wiadomości są naprawdę długie. Na przykład bakteria E. coli przenosi swoje instrukcje genetyczne w cząsteczce DNA, która zawiera ponad pięć milionów nukleotydów. Ludzki genom (całe DNA organizmu) składa się z około trzech miliardów nukleotydów podzielonych między 23 sparowane cząsteczki DNA, czyli chromosomy.

Informacje przechowywane w kolejności zasad są zorganizowane w geny: każdy gen zawiera informacje do tworzenia funkcjonalnego produktu. Informacja genetyczna jest najpierw kopiowana do innego polimeru kwasu nukleinowego, RNA (kwasu rybonukleinowego), zachowując kolejność zasad nukleotydowych. Geny, które zawierają instrukcje tworzenia białek, są przekształcane do RNA posłańca (mRNA). Niektóre wyspecjalizowane geny zawierają instrukcje tworzenia funkcjonalnych cząsteczek RNA, które nie tworzą białek. Te cząsteczki RNA funkcjonują poprzez bezpośredni wpływ na procesy komórkowe; na przykład niektóre z tych cząsteczek RNA regulują ekspresję mRNA. Inne geny produkują cząsteczki RNA, które są wymagane do syntezy białek, transferowego RNA (tRNA) i rybosomalnego RNA (rRNA).

Aby DNA mogło skutecznie funkcjonować w przechowywaniu informacji, wymagane są dwa kluczowe procesy. Po pierwsze, informacja przechowywana w cząsteczce DNA musi być kopiowana z minimalnymi błędami za każdym razem, gdy komórka się dzieli. Zapewnia to, że obie komórki córki dziedziczą kompletny zestaw informacji genetycznej z komórki macierzystej. Po drugie, informacja przechowywana w cząsteczce DNA musi zostać przetłumaczona, czyli wyrażona. Aby przechowywana informacja była użyteczna, komórki muszą mieć dostęp do instrukcji tworzenia określonych białek, tak aby właściwe białka były tworzone we właściwym miejscu i czasie.

Rysunek 5. Podwójna helisa DNA. Grafika zmodyfikowana z „DNA chemical structure,” by Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0

Zarówno kopiowanie, jak i odczytywanie informacji przechowywanych w DNA opiera się na parowaniu zasad między dwiema nukleinowymi nićmi polimerowymi kwasu nukleinowego. Przypomnijmy, że struktura DNA jest podwójną helisą (patrz rysunek 5).

Cukier deoksyryboza z grupą fosforanową tworzy rusztowanie lub szkielet cząsteczki (zaznaczony na żółto na rysunku 5). Zasady skierowane są do wewnątrz. Komplementarne zasady tworzą ze sobą wiązania wodorowe w obrębie podwójnej helisy. Zobacz, jak większe zasady (puryny) łączą się w pary z mniejszymi (pirymidyny). Dzięki temu szerokość podwójnej helisy utrzymuje się na stałym poziomie. Dokładniej mówiąc, A łączy się w pary z T, a C z G. Omawiając funkcje DNA w kolejnych rozdziałach, należy pamiętać, że istnieje chemiczny powód dla specyficznego łączenia zasad w pary.

Aby zilustrować związek między informacją w DNA a obserwowalną cechą organizmu, rozważmy gen, który dostarcza instrukcji do budowy hormonu insuliny. Insulina jest odpowiedzialna za regulację poziomu cukru we krwi. Gen insuliny zawiera instrukcje dotyczące budowy białka insuliny z poszczególnych aminokwasów. Zmiana sekwencji nukleotydów w cząsteczce DNA może zmienić aminokwasy w końcowym białku, prowadząc do jego nieprawidłowego działania. Jeśli insulina nie działa prawidłowo, może nie być w stanie związać się z innym białkiem (receptorem insulinowym). Na poziomie organizacji organizmu, to wydarzenie molekularne (zmiana sekwencji DNA) może prowadzić do stanu chorobowego – w tym przypadku cukrzycy.