Hai Habr! Hari ini kami melanjutkan kisah terakhir tentang DNA. Di dalamnya, kami berbicara tentang seberapa
banyak hal itu terjadi, bagaimana DNA disimpan dan mengapa itu sangat penting . Hari ini kita akan mulai dengan latar belakang sejarah dan diakhiri dengan dasar-dasar pengkodean informasi dalam DNA.
Ceritanya
DNA sendiri diisolasi pada tahun 1869 oleh Johann Friedrich Mischer dari sel darah putih yang ia terima dari nanah. Sel darah putih adalah sel darah putih yang melakukan fungsi perlindungan. Ada cukup banyak dari mereka dalam nanah, karena mereka cenderung merusak jaringan, di mana sel-sel bakteri memakannya. Dia mengisolasi zat yang mengandung nitrogen dan fosfor. Pada awalnya itu disebut nuklein, namun ketika ditemukan sifat asam, namanya diubah menjadi asam nukleat. Fungsi biologis zat yang baru ditemukan itu tidak jelas, dan untuk waktu yang lama diyakini bahwa fosfor disimpan di dalamnya. Bahkan pada awal abad ke-20, banyak ahli biologi percaya bahwa DNA tidak ada hubungannya dengan transfer informasi, karena struktur molekul, seperti yang terlihat pada saat itu, terlalu monoton dan tidak dapat menyandikan begitu banyak informasi.
Pada 1901, Albrecht Kossel mengisolasi dan menggambarkan lima basa nitrogen yang membentuk DNA dan RNA. Dan sedikit kemudian, Peter Leuven menemukan bahwa komponen karbohidrat dari asam nukleat adalah deoksiribosa dan ribosa. Asam nukleat, yang meliputi ribosa, disebut asam ribonukleat atau, singkatnya, RNA, dan yang mengandung deoksiribosa, asam deoksiribonukleat, atau DNA.
Sekarang, muncul pertanyaan tentang bagaimana masing-masing tautan saling berhubungan. Untuk ini, untai DNA perlu dihancurkan dan lihat apa yang akan terjadi setelah kehancuran. Untuk ini, polimer DNA dihidrolisis. Namun, Leuven mengubah metode hidrolisis. Sekarang, alih-alih mendidih selama berjam-jam di lingkungan yang asam, dia menggunakan enzim. Kali ini, tidak hanya adenin, guanin, timin, sitosin, deoksiribosa, dan asam fosfat individual yang diisolasi tidak hanya dari hidrolisat, tetapi juga fragmen yang lebih besar, misalnya senyawa basa nitrogen dengan karbohidrat atau karbohidrat dengan asam fosfat. Pada saat yang sama
, senyawa yang terdiri dari dua basa nitrogen atau senyawa dari jenis asam basa-fosfat tidak ditemukan dalam hidrolisat asam nukleat . Yaitu, menjadi jelas bahwa asam fosfat bergabung dengan gula, dan, pada gilirannya, dengan basa nitrogen. Senyawa basa nitrogen dengan karbohidrat diusulkan untuk disebut nukleosida, dan ester fosfat nukleosida disebut nukleotida.
Sebagai hasil dari karya-karya ini, Leuven menyimpulkan bahwa asam nukleat adalah polimer. Nukleotida berfungsi sebagai monomer. Kandungan masing-masing dari empat nukleotida dalam DNA, atau RNA, menurut analisis kimia pada waktu itu, tampaknya Leven sama. Oleh karena itu, Leuven mengusulkan teori berikut tentang struktur asam nukleat: mereka adalah polimer yang monomernya merupakan blok dari empat nukleotida yang dihubungkan secara seri.
Teori struktur tetranukleotida pada waktu itu tampak cukup dibenarkan, setelah memasukkan semua buku teks pada periode sebelum perang. Namun, masalah fungsi DNA masih belum jelas. Butuh hampir setengah abad untuk mengklarifikasi masalah ini.
Ada masa ketika para ahli biologi mengumpulkan informasi tentang distribusi asam nukleat dalam berbagai jenis jaringan hewan dan tumbuhan, pada bakteri dan virus, pada beberapa organisme bersel tunggal.
Pada saat itu, komunitas ilmiah secara serius percaya bahwa itu adalah protein yang bertanggung jawab untuk menyimpan informasi genetik. Gagasan tradisional tentang peran utama protein dalam proses kehidupan tidak memungkinkan kita untuk berpikir bahwa substansi penting seperti substansi hereditas dapat berupa protein. Protein sangat beragam dalam struktur, yang kemudian tidak bisa mengatakan tentang asam nukleat. Ahli genetika-cytologist Soviet N.K. Koltsov menghitung bahwa dengan memvariasikan urutan 20 asam amino yang membentuk molekul protein, triliunan protein yang berbeda dapat dibuat.
Jika kita ingin mencetak dalam bentuk paling sederhana bagaimana tabel logaritmik dicetak, trilyun molekul ini akan menyediakan semua percetakan yang ada di dunia untuk rencana ini, menghasilkan 50.000 volume 100 lembar yang dicetak per tahun, maka begitu banyak waktu akan berlalu sebelum akhir pekerjaan dilakukan. berapa banyak yang telah berlalu sejak zaman Archean pada zaman kita.
Sungguh banyak ... 20 di 20 ... Tapi urutannya jauh lebih lama dari 20 asam amino.
Dan inilah yang ditulis A. R. Kizel tentang ini - salah satu ahli biokimia paling terpelajar pada saat itu.
Dari pandangan yang hanya diberikan pada peran asam nukleat ... dapat disimpulkan bahwa itu tidak terlibat dalam struktur gen dan karena itu gen terdiri dari beberapa bahan lain. Kita masih belum mengetahui bahan ini secara andal, meskipun pada kenyataannya kebanyakan bahan itu langsung disebut protein.
Keberhasilan pertama datang dari mikrobiologi. Pada tahun 1944, hasil percobaan Avery dan karyawan (AS) tentang transformasi bakteri diterbitkan. Beberapa kata tentang transformasi.
Transformasi itu sendiri ditemukan pada tahun 1928 oleh ahli mikrobiologi Griffiths.
Griffith bekerja dengan kultur pneumococcus (Streptococcus pneumoniae), agen penyebab salah satu bentuk pneumonia. Beberapa strain bakteri ini ganas, menyebabkan pneumonia. Sel-sel mereka dilapisi dengan kapsul polisakarida yang melindungi bakteri dari aksi sistem kekebalan tubuh. Dalam kultur, bakteri tersebut membentuk koloni halus besar berbentuk bulat biasa. Karena ini, mereka disebut S-strain (dari bahasa Inggris smooth - smooth).
Ada berbagai jenis pneumokokus yang ganas, mereka berbeda dalam antibodi yang diproduksi dalam tubuh ketika bakteri memasukinya. Mereka disebut IS, IIS, IIIS, dll. Dari waktu ke waktu, beberapa sel strain S yang ganas bermutasi, kehilangan kemampuan untuk mensintesis membran polisakarida, dan menjadi avirulen. Dalam budaya, mereka membentuk koloni kasar kecil yang bentuknya tidak beraturan, karena itu mereka disebut R-strain (dari bahasa Inggris kasar - kasar). Kadang-kadang terjadi mutasi terbalik, mengembalikan kemampuan untuk mensintesis membran polisakarida, tetapi hanya dalam kelompok strain yang sesuai:
IIS - IIR
IIIS - IIIR
Ini menunjukkan bahwa strain R avirulent selalu sesuai dengan strain induk virulen S.
Griffith memperkenalkan kelompok berbeda dari tikus laboratorium strain pneumokokus virulen dan avirulen. Pada kelompok kontrol pertama, injeksi galur IIIS yang mematikan menyebabkan kematian hewan. Hewan dari kelompok kontrol kedua tetap hidup setelah injeksi avirulent strain IIR. Setelah itu, Griffith memanaskan larutan dengan kultur galur IIIS virulen pada suhu 60 ° C, yang menyebabkan kematian bakteri. Dia memperkenalkan bakteri yang dibunuh dengan memanaskan pada kelompok ketiga tikus percobaan. Hewan-hewan tetap hidup, yang pada prinsipnya diharapkan. Namun, ini belum semuanya. Dia memperkenalkan bagian-bagian dari tikus yang masih hidup kepada bakteri dari strain IIR avirulent.
Tampaknya ini tidak dapat menyebabkan konsekuensi yang mengerikan bagi tikus. Namun, bertentangan dengan harapan, hewan-hewan itu mati. Ketika bakteri diisolasi dari tubuh mereka dan ditabur dalam kultur, ternyata mereka termasuk strain IIIS yang ganas.
Fakta bahwa sel-sel yang menyebabkan kematian tikus mensintesis membran polisakarida tipe III, bukan II, menunjukkan bahwa mereka tidak mungkin muncul sebagai akibat dari mutasi terbalik IIR - IIS. Dari ini, Griffith membuat kesimpulan yang sangat penting. Bakteri Avirulent dari strain IIR dapat berubah menjadi yang virulen dengan berinteraksi dengan bakteri entah bagaimana yang terbunuh dengan panas dari strain IIIS, yang masih tersisa di dalam tubuh tikus. Dengan kata lain, bakteri avirulent dari strain IIR menerima faktor dari bakteri mati strain IIIS yang mengubahnya menjadi yang ganas. Namun, apa faktor ini, Griffith tidak tahu.
Sebenarnya, fenomena ini disebut transformasi bakteri. Ini adalah transfer searah dari sifat-sifat herediter dari satu sel bakteri ke yang lain.
Sekarang kembali ke pengalaman Avery. Desain eksperimen mereka agak mirip dengan eksperimen Griffiths. Avery dan staf mengatur diri mereka sendiri untuk mencari tahu sifat kimiawi dari agen pengubah. Mereka menghancurkan suspensi pneumokokus dan menghilangkan protein, polisakarida kapsuler dan RNA dari ekstrak, namun, aktivitas transformasi ekstrak tetap. Aktivitas transformasi obat tidak hilang selama pengobatan dengan kristal trypsin atau chymotrypsin (menghancurkan protein), ribonuklease (menghancurkan RNA). Jelas bahwa obat itu bukan protein atau RNA. Namun, aktivitas transformasi obat benar-benar hilang ketika diobati dengan deoksiribonuklease (kerusakan DNA), dan jumlah enzim yang dapat diabaikan menyebabkan inaktivasi total obat. Dengan demikian, ditemukan bahwa faktor transformasi pada bakteri adalah DNA murni. Kesimpulan ini adalah penemuan yang signifikan, dan Avery sangat menyadari hal ini. Dia menulis bahwa inilah yang genetika telah lama impikan, yaitu substansi gen. Ini sepertinya bukti. Tapi terlalu kuat adalah kepercayaan pada protein, sebagai zat keturunan. Beberapa percaya bahwa transformasi dapat menyebabkan ketidakmurnian protein yang tersisa dalam obat.
Bukti baru tentang peran genetik langsung DNA adalah pengalaman ahli virologi Hershey dan Chase. Mereka bekerja dengan bacteriophage T2 (Bacteriophage - virus bakteri), yang menginfeksi bakteri
Escherichia coli (E. coli).
Sebenarnya apa yang mereka lakukan. Mereka memasukkan fosfor radioaktif dalam komposisi DNA beberapa bakteriofag (P32), dan isotop belerang dalam komposisi protein yang lain (S35). Untuk ini, beberapa bakteri ditumbuhkan pada medium dengan penambahan fosfor radioaktif dalam ion fosfat, sementara yang lain ditanam dalam medium dengan penambahan sulfur radioaktif dalam ion sulfat. Kemudian, bakteriofag T2 ditambahkan ke bakteri ini, yang, berkembang biak dalam sel bakteri, termasuk label radioaktif dalam DNA-nya (P adalah dalam DNA, tetapi tidak dalam protein), atau protein (S adalah dalam protein, tetapi tidak dalam DNA).
Setelah isolasi bakteriofag berlabel radioaktif, mereka ditambahkan ke kultur bakteri segar (bebas isotop). Yang menyebabkan infeksi bakteri ini. Bakteriofage berikatan dengan sel bakteri dan "menyuntikkan" DNA-nya. Setelah ini, media dengan bakteri diguncang dengan kuat dalam mixer khusus (ditunjukkan bahwa dalam kasus ini membran fag dipisahkan dari permukaan sel bakteri), dan kemudian bakteri yang terinfeksi dipisahkan dari medium. Ketika dalam percobaan pertama bakteriofag berlabel fosfor-32 ditambahkan ke bakteri, ternyata label radioaktif berada di dalam sel bakteri. Ketika dalam percobaan kedua bakteriofag berlabel sulfur-35 ditambahkan ke bakteri, label itu ditemukan di sebagian kecil dari medium dengan pelapis protein, tetapi tidak di dalam sel bakteri. Ini menegaskan bahwa bahan yang terinfeksi bakteri adalah DNA. Karena partikel virus lengkap yang mengandung protein virus terbentuk di dalam bakteri yang terinfeksi, percobaan ini telah menjadi salah satu bukti yang menentukan fakta bahwa informasi genetik (informasi tentang struktur protein) terkandung dalam DNA.
Penemuan ini sangat memengaruhi banyak ahli biologi pada masa itu. Khususnya yang terkenal dengan aturannya, Chargaff. Dia percaya bahwa Avery pada dasarnya menemukan 'bahasa baru', atau setidaknya menunjukkan di mana mencarinya.
Charguff mulai mencari perbedaan dalam komposisi nukleotida dan pengaturan nukleotida dalam persiapan DNA yang diperoleh dari berbagai sumber. Dan, karena tidak ada metode untuk memberikan karakterisasi kimiawi DNA secara akurat, pada saat itu ... dia harus memunculkannya. Dia menunjukkan bahwa teori tetranukleotida tua tentang struktur asam nukleat salah. DNA dalam organisme yang berbeda sangat berbeda dalam komposisi dan struktur. Pada saat yang sama, fakta-fakta baru ditemukan yang sebelumnya tidak ditetapkan untuk polimer alam lainnya, yaitu keteraturan dalam rasio basa individu dalam komposisi semua DNA yang diteliti. Sekarang bahkan anak sekolah mengenal mereka sebagai aturan Chargaff.
- Jumlah adenin sama dengan jumlah timin, dan guanin menjadi sitosin: A = T, G = Ts.
- Jumlah purin sama dengan jumlah pirimidin: A + G = T + C.
- Mengalir dari yang pertama dan kedua. Jumlah basa dengan gugus amino di posisi 6 sama dengan jumlah basa dengan gugus keto di posisi 6: A + C = T + G.
Kami menyentuh mekanisme
di artikel terakhir , jadi saya tidak akan
membahasnya di sini.
Perlahan-lahan kami mendekati dua orang legendaris yang menemukan struktur DNA. Francis Crick dan James Watson pertama kali bertemu pada tahun 1951. Watson kemudian memutuskan untuk menangani struktur DNA. Sebagai seorang ahli biologi, ia memahami bahwa ketika memilih struktur DNA tertentu, seseorang harus memperhitungkan keberadaan beberapa prinsip sederhana menggandakan molekul DNA yang tertanam dalam strukturnya. Memang, salah satu sifat paling penting dari gen adalah transmisi informasi keturunan.
Crick menciptakan teori difraksi sinar-x oleh spiral, yang memungkinkan seseorang untuk menentukan apakah struktur yang diteliti dalam konformasi spiral atau tidak. Pada saat itu, radiografi DNA sudah ada. Mereka diterima di London oleh Maurice Wilkins dan Rosalind Franklin.
Dengan sifat x-ray DNA, Watson dan Crick menyadari bahwa struktur yang diteliti adalah konformasi spiral. Mereka juga tahu bahwa molekul DNA adalah rantai polimer linier panjang yang terdiri dari monomer nukleotida. Tulang punggung phosphodeoxyribose dari polimer ini adalah kontinu, dan basa nitrogen melekat pada sisi residu deoksiribosa. Untuk membangun model, itu tetap untuk memecahkan pertanyaan tentang berapa banyak rantai polimer linier ditumpuk dalam struktur yang kompak.
Berdasarkan sinar-X DNA bentuk-B, Watson dan Crick menyarankan bahwa molekul DNA terdiri dari dua rantai polinukleotida linier dengan tulang punggung phosphodeoxyribose di luar molekul dan pangkalan nitrogen di dalamnya. Yang kemudian dikonfirmasi. Tinggal menjawab pertanyaan tentang pengaturan basa nitrogen dari dua rantai di dalam bispiral.
Mempertimbangkan kemungkinan kombinasi pasangan basa nitrogen, Watson menemukan bahwa pasangan adenin - timin dan guanin - sitosin memiliki ukuran yang sama dan distabilkan oleh ikatan hidrogen. Aturan Chargaff segera dijelaskan: jika dalam heliks ganda DNA adenin dari satu rantai selalu terhubung dengan timin dari rantai lain, dan guanin selalu dipasangkan dengan sitosin, maka adenin dalam DNA harus selalu sebanyak timin, dan guanin sebanyak berapa banyak sitosin. Juga jelas bagaimana penggandaan molekul DNA seharusnya terjadi. Setiap untai saling melengkapi, dan dalam proses replikasi DNA, untai heliks ganda harus terpisah dan masing-masing untai saling melengkapi harus diselesaikan pada setiap untaian polinukleotida. Ada juga beberapa teori, tetapi tentang mereka dalam seminggu, di artikel berikutnya.
Informasi pengkodean
Jadi, kita tahu bahwa DNA adalah pembawa informasi, kita tahu terdiri dari apa. Tetapi bagaimana informasi dikodekan masih belum jelas.
Mari kita beralih dari tugas. DNA mengkodekan 20 asam amino (kita dapat mengatakan bahwa 21, tetapi sejauh ini kita tidak menyentuh selenocystenin). Ada 4 opsi untuk nukleotida. Artinya, satu nukleotida dapat mengkodekan 4 varian, 2 - 16, 3 -64. Adalah logis untuk mengasumsikan bahwa kode tersebut adalah triplet (yaitu, tiga basa mengkode satu asam amino). Anda dapat membaca tentang konfirmasi eksperimental di
sini . Saya khawatir sudah ada banyak sejarah ...
Sebenarnya, kami memiliki 64 varian dan 20 asam amino. Asam amino dapat dikodekan oleh kodon yang berbeda. Ada juga kodon start dan stop dari mana bacaan dimulai.
Jangan lupa bahwa pertama-tama DNA dibaca dalam RNA, yang sudah dibaca oleh protein.
Tabel di bawah ini menunjukkan korespondensi kodon RNA dengan asam amino. Ingatlah bahwa tidak ada timin dalam RNA, tetapi urasil digunakan sebagai gantinya.
Jika Anda tidak menemukan kode awal di tabel, cari AUG. Ini mengkodekan metionin dan juga yang pertama. Ketika menerjemahkan gen prokariota, gen plastid dan mitokondria, asam amino awal adalah N-formylmethionine (ini hanya untuk referensi)).
Jika Anda mengecat sepenuhnya dari DNA menjadi protein, kami mendapatkan sesuatu seperti ini.
Pada gambar ini, sintesisnya dari rantai merah. Akibatnya, RNA akan bertepatan dengan rantai biru (jangan lupa mengganti T dengan Y)
Seperti yang saya katakan, beberapa kodon dapat menyandikan setiap asam amino. Pada pandangan pertama, ini tampaknya tidak menjadi efek samping yang diperlukan terutama dari redundansi kodon. Namun sebenarnya dia memiliki peran yang cukup penting.
Di sini kita akan sedikit menyentuh mutasi. Mereka datang dalam berbagai jenis. Dari kromosom, ketika seluruh bagian kromosom dikeluarkan dari genom, dipertukarkan, digandakan, ke titik, ketika satu basa nitrogen digantikan oleh yang lain. Fokus pada mutasi titik.
Apa yang bisa mengarah pada mutasi?
Kodon mungkin mulai menyandikan asam amino lain, yang tidak selalu menakutkan. Mutasi semacam itu disebut missense mutatsimi (yaitu, dengan perubahan makna). Ini dapat mempengaruhi struktur protein. — , , (, ) ( , ).
, S ( ) . , , , . S , .
, .
M. ( ).
, , .
?
, . , , . .
— -. , . .
.
. . . ? . - , - .
… (
Escherichia coli ) .
UGU UGC.
UGU 10.6
UGC 12.6
( O127:H6)
UGU 19.1
UGC 0.0
. , ,
E. coli UGC .
, . , UGC — . , . UGC , .
,
.
, .
Escherichia coli O157:H7 EDL933 UGC UGU. .
.
. . , , — , . , . .
.
PS: , . .