struktura DNA zapewnia mechanizm dziedziczności

geny przenoszą informacje biologiczne, które muszą być dokładnie skopiowane w celu przeniesienia do następnej generacji za każdym razem, gdy komórka dzieli się tworząc dwie komórki potomne. Z tych wymagań wynikają dwa główne pytania biologiczne: w jaki sposób informacje służące do określenia organizmu mogą być przenoszone w formie chemicznej i jak są dokładnie kopiowane? Odkrycie struktury podwójnej helisy DNA było przełomowe w XX-wiecznej biologii, ponieważ natychmiast zasugerowało odpowiedzi na oba pytania, rozwiązując w ten sposób na poziomie molekularnym problem dziedziczności. W tej sekcji krótko omówimy odpowiedzi na te pytania, a dokładniej przeanalizujemy je w kolejnych rozdziałach.

DNA koduje informacje poprzez kolejność lub sekwencję nukleotydów wzdłuż każdej nici. Każda baza-A, C, T lub G-może być uważana za literę w czteroliterowym alfabecie, który zapisuje wiadomości biologiczne w strukturze chemicznej DNA. Jak widzieliśmy w rozdziale 1, organizmy różnią się od siebie, ponieważ ich odpowiednie cząsteczki DNA mają różne sekwencje nukleotydowe i w konsekwencji przenoszą różne wiadomości biologiczne. Ale w jaki sposób alfabet nukleotydowy jest używany do tworzenia wiadomości i co one oznaczają?

jak omówiono powyżej, wiadomo było na długo przed ustaleniem struktury DNA, że geny zawierają instrukcje produkcji białek. Wiadomości DNA muszą więc w jakiś sposób kodować białka (rysunek 4-6). Związek ten natychmiast ułatwia zrozumienie problemu, ze względu na chemiczny charakter białek. Jak omówiono w Rozdziale 3, właściwości białka, które są odpowiedzialne za jego funkcję biologiczną, są określone przez jego trójwymiarową strukturę, a jego struktura jest określona z kolei przez liniową sekwencję aminokwasów, z których się składa. Liniowa Sekwencja nukleotydów w genie musi zatem w jakiś sposób określać liniową sekwencję aminokwasów w białku. Dokładna zgodność między czteroliterowym alfabetem nukleotydowym DNA a dwudziestoliterowym alfabetem aminokwasowym białek-kodem genetycznym-nie jest oczywista ze struktury DNA i zajęło ponad dekadę po odkryciu podwójnej helisy, zanim została opracowana. W rozdziale 6 szczegółowo opisujemy ten kod w trakcie opracowywania procesu, znanego jako ekspresja genu, poprzez który komórka przekłada sekwencję nukleotydową genu na sekwencję aminokwasową białka.

rysunek 4-6

związek między informacją genetyczną przenoszoną w DNA a białkami.

kompletny zestaw informacji w DNA organizmu nazywa się jego genomem i zawiera informacje o wszystkich białkach, które organizm kiedykolwiek zsyntetyzuje. (Termin Genom jest również używany do opisania DNA, które niesie te informacje.) Ilość informacji zawartych w genomach jest oszałamiająca: na przykład typowa komórka ludzka zawiera 2 metry DNA. Zapisana w czteroliterowym alfabecie nukleotydowym Sekwencja nukleotydowa bardzo małego ludzkiego genu zajmuje ćwierć strony tekstu (ryc. 4-7), podczas gdy kompletna Sekwencja nukleotydów w ludzkim genomie wypełniłaby ponad tysiąc książek wielkości tego. Oprócz innych krytycznych informacji, zawiera instrukcje dla około 30 000 różnych białek.

rysunek 4-7

Sekwencja nukleotydowa ludzkiego genu β-globiny. Gen ten przenosi informacje o sekwencji aminokwasowej jednego z dwóch typów podjednostek cząsteczki hemoglobiny, która przenosi tlen we krwi. Inny gen, α-globina (więcej …)

przy każdym podziale komórki komórka musi skopiować swój genom, aby przekazać go obu komórkom potomnym. Odkrycie struktury DNA ujawniło również zasadę, która umożliwia takie kopiowanie: ponieważ każda nić DNA zawiera sekwencję nukleotydów, która jest dokładnie komplementarna do sekwencji nukleotydów jej partnerskiej nici, każda nić może działać jako szablon lub Forma do syntezy nowej komplementarnej nici. Innymi słowy, jeśli oznaczymy dwie nici DNA jako S I S’, nici S mogą służyć jako szablon do tworzenia nowej nici S’, podczas gdy nici s ’ mogą służyć jako szablon do tworzenia nowej nici S (Rysunek 4-8). Tak więc informacja genetyczna w DNA może być dokładnie skopiowana przez pięknie prosty proces, w którym nić s oddziela się od nici S’, a każda oddzielona nić służy następnie jako szablon do produkcji nowej komplementarnej nici partnera, która jest identyczna z jej poprzednim partnerem.

rysunek 4-8

DNA jako szablon do własnej duplikacji. Ponieważ nukleotyd a pomyślnie łączy się tylko z T, A G Z C, każda nić DNA może określić sekwencję nukleotydów w jej komplementarnej nici. W ten sposób można precyzyjnie skopiować DNA o podwójnej helisie. (więcej…)

zdolność każdej nici cząsteczki DNA do działania jako szablon do produkcji komplementarnej nici umożliwia komórce kopiowanie lub replikację swoich genów przed przekazaniem ich potomkom. W następnym rozdziale opisujemy eleganckie Maszyny, których komórka używa do wykonania tego ogromnego zadania.