Struktura DNA Poskytuje Mechanismus pro Dědičnost
Geny nesou biologické informace, které musí být zkopírovány přesně pro přenos na další generace, pokaždé, když se buňka dělí, vzniknou dvě dceřiné buňky. Z těchto požadavků vyplývají dvě ústřední biologické otázky: jak mohou být informace pro specifikaci organismu přenášeny v chemické formě a jak jsou přesně kopírovány? Objevu struktury dvojité šroubovice DNA byl mezník ve dvacátém století biologie, protože to okamžitě navrhl, odpovědi na obě otázky, čímž se řešení na molekulární úrovni, problém dědičnosti. Stručně diskutujeme odpovědi na tyto otázky v této části a podrobněji je prozkoumáme v následujících kapitolách.
DNA kóduje informace prostřednictvím pořadí nebo sekvence nukleotidů podél každého řetězce. Každá základna-A, C, T nebo G-může být považována za písmeno ve čtyřpísmenné abecedě, které vysvětluje biologické zprávy v chemické struktuře DNA. Jak jsme viděli v kapitole 1, organismy se od sebe liší, protože jejich příslušné molekuly DNA mají různé nukleotidové sekvence a v důsledku toho nesou různé biologické zprávy. Ale jak se nukleotidová abeceda používá k vytváření zpráv a co vysvětlují?
jak bylo uvedeno výše, bylo dobře známo, než byla stanovena struktura DNA, že geny obsahují pokyny pro produkci proteinů. Zprávy DNA proto musí nějakým způsobem kódovat proteiny (obrázek 4-6). Tento vztah okamžitě usnadňuje pochopení problému kvůli chemickému charakteru bílkovin. Jak bylo zmíněno v Kapitole 3, vlastnosti bílkovin, které jsou zodpovědné za jeho biologické funkce, určuje její trojrozměrné struktury, a jeho struktura je stanovena v pořadí o lineární sekvence aminokyselin, z nichž se skládá. Lineární sekvence nukleotidů v genu proto musí nějak vysvětlit lineární sekvenci aminokyselin v proteinu. Přesná korespondence mezi čtyři-dopis nukleotidů abeceda DNA a dvacet-dopis aminokyselin abeceda proteinů—genetický kód—není zřejmé ze struktury DNA, a to trvalo více než deset let po objevu dvojité šroubovice, než to vyšlo. V kapitole 6 podrobně popisujeme tento kód v průběhu zpracování procesu, známý jako genová exprese, kterým buňka překládá nukleotidovou sekvenci genu do aminokyselinové sekvence proteinu.
obrázek 4-6
vztah mezi genetickou informací nesenou v DNA a bílkovinami.
kompletní soubor informací v DNA organismu se nazývá jeho genom a nese informace o všech proteinech, které organismus kdy syntetizuje. (Termín genom se také používá k popisu DNA, která nese tuto informaci.) Množství informací obsažených v genomech je ohromující: například typická lidská buňka obsahuje 2 metry DNA. Napsáno v čtyři-dopis nukleotidů abeceda, nukleotidové sekvence velmi malé lidský gen zaujímá čtvrtinu stránku textu (Obrázek 4-7), zatímco kompletní sekvence nukleotidů v lidském genomu by zaplnila více než tisíc knih velikost. Kromě dalších důležitých informací nese pokyny pro asi 30 000 odlišných proteinů.
obrázek 4-7
nukleotidová sekvence lidského β-globinového genu. Tento gen nese informace o aminokyselinové sekvenci jednoho ze dvou typů podjednotek molekuly hemoglobinu, která nese kyslík v krvi. Jiný gen, α-globin (více…)
při každém dělení buněk musí Buňka Kopírovat svůj genom, aby ji předala oběma dceřiným buňkám. Objev struktury DNA také odhalil princip, který umožňuje toto kopírování: protože každé vlákno DNA obsahuje sekvenci nukleotidů, která je přesně komplementární k nukleotidové sekvenci svého partnera prameni, každý pramen může sloužit jako šablony, nebo plíseň, pro syntézu nové doplňkové pramen. Jinými slovy, pokud budeme jmenovat dva řetězce DNA jako S a S‘, pramen Y může sloužit jako šablona pro vytvoření nového vlákna S‘, zatímco pramen S‘ může sloužit jako šablona pro vytvoření nového vlákna S (Obrázek 4-8). To znamená, že genetická informace v DNA může být přesně kopírován krásně jednoduchý proces, v němž je pramen S odděluje od pramen S‘, a každé oddělené vlákno pak slouží jako šablona pro výrobu nových doplňkových partner pramen, který je totožný s jeho bývalého partnera.
obrázek 4-8
DNA jako šablona pro vlastní duplikaci. Jelikož se nukleotid a úspěšně spáruje pouze s T A G S C, může každý řetězec DNA specifikovat sekvenci nukleotidů ve svém komplementárním řetězci. Tímto způsobem lze přesně kopírovat dvoušroubovicovou DNA. (mnoho…)
schopnost každého řetězce molekuly DNA jednat jako šablonu pro výrobu komplementární pramen umožňuje buňce, aby se kopírování nebo replikovat své geny, než je předáte dál na své potomky. V další kapitole popisujeme elegantní strojní zařízení, které buňka používá k plnění tohoto obrovského úkolu.