Dzisiejszy post przekracza sferę biochemii, przyjrzymy się strukturze chemicznej DNA i jego roli w tworzeniu białek w naszych komórkach. Oczywiście, DNA występuje nie tylko u ludzi – jest obecne w komórkach każdej wielokomórkowej formy życia na Ziemi. Ta grafika przedstawia przegląd jego wspólnej struktury w tych formach życia oraz krótkie wyjaśnienie, w jaki sposób pozwala ono na tworzenie białek.
DNA znajduje się w jądrze komórek organizmów wielokomórkowych i zostało po raz pierwszy wyizolowane w 1869 r. przez szwajcarskiego lekarza Friedricha Mieschera. Jednak jego struktura została wyjaśniona dopiero prawie sto lat później, w 1953 roku. Autorzy papieru, w którym struktura ta została zasugerowana, James Watson & Francis Crick, są teraz nazwiska domowe, i zdobył nagrodę Nobla za swoją pracę. Praca ta była jednak w dużym stopniu uzależniona od pracy innego naukowca, Rosalind Franklin.
Franklin sama również badała strukturę DNA i to jej zdjęcie rentgenowskie, wyraźnie pokazujące strukturę podwójnej helisy DNA, bardzo pomogło im w pracy. Miała jeszcze opublikować swoje odkrycia, gdy Watson i Crick uzyskali do nich dostęp, bez jej wiedzy. Jednak jej niepowodzenie w zdobyciu nagrody Nobla nie jest przeoczeniem, ale jedynie konsekwencją polityki komisji, że nagrody Nobla nie mogą być przyznawane pośmiertnie.
Model podwójnej helisy DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) składa się z dwóch splecionych nici. Nici te zbudowane są z nukleotydów, które same składają się z trzech części składowych: grupy cukrowej, grupy fosforanowej i zasady. Grupy cukrowe i fosforanowe tworzą razem powtarzający się „szkielet” nici DNA. Istnieją cztery różne zasady, które mogą być potencjalnie dołączone do grupy cukrowej: adenina, tymina, guanina i cytozyna, oznaczone jako A, T, G i C.
Zasady są tym, co pozwala dwóm niciom DNA trzymać się razem. Ze względu na strukturę różnych zasad, adenina (A) zawsze tworzy wiązania wodorowe z tyminą (T), podczas gdy guanina (G) zawsze tworzy wiązania wodorowe z cytozyną (C). W ludzkim DNA w pojedynczej cząsteczce znajduje się średnio 150 milionów par zasad – o wiele więcej niż tu pokazano!
Komórki Twojego ciała nieustannie się dzielą, regenerują i umierają, ale aby ten proces mógł zachodzić, DNA w komórce musi być w stanie się replikować. Podczas podziału komórki dwie nici DNA rozdzielają się, a dwie pojedyncze nici mogą być następnie użyte jako szablon w celu skonstruowania nowej wersji nici komplementarnej. Ponieważ A zawsze łączy się w pary z T, a G zawsze łączy się w pary z C, możliwe jest opracowanie sekwencji zasad na jednej nici przy użyciu nici przeciwnej, i to właśnie pozwala DNA replikować się. Proces ten jest realizowany przez rodzinę enzymów zwanych polimerazami DNA.
Gdy DNA jest wykorzystywane do tworzenia białek, dwie nici również muszą się rozdzielić. W tym przypadku jednak kod DNA jest kopiowany do mRNA (posłańca kwasu rybonukleinowego), co jest procesem znanym jako „transkrypcja”. Struktura RNA jest bardzo podobna do struktury DNA, ale z kilkoma kluczowymi różnicami. Po pierwsze, zawiera inną grupę cukrową w szkielecie fosforanowym cząsteczki: rybozę zamiast deoksyrybozy. Po drugie, nadal używa zasad A, G i C, ale zamiast zasady T używa uracylu, U. Struktura uracylu jest bardzo podobna do tyminy, a jedyną różnicą jest brak grupy metylowej (CH3).
Po skopiowaniu nukleotydów DNA mRNA może opuścić jądro komórki i przedostać się do cytoplazmy, gdzie zachodzi synteza białek. Tutaj skomplikowane cząsteczki zwane rybosomami „odczytują” sekwencję zasad na cząsteczce mRNA. Poszczególne aminokwasy, które w połączeniu tworzą białka, są kodowane przez trzyliterowe odcinki nici mRNA. Różne możliwe kody i aminokwasy, które one kodują, zostały podsumowane w poprzednim poście, w którym przyjrzeliśmy się strukturom aminokwasów. Inny rodzaj RNA, transferowe RNA, odpowiada za transport aminokwasów do mRNA i pozwala im się połączyć.
Proces ten nie zawsze jest jednak bezbłędny. W kopiowaniu sekwencji DNA do mRNA mogą wystąpić błędy, a te przypadkowe błędy określa się mianem mutacji. Błędy te mogą mieć postać zmienionej zasady, a nawet usuniętej lub dodanej zasady. Niektóre substancje chemiczne i promieniowanie mogą wywoływać te zmiany, ale mogą się one również zdarzyć przy braku tych efektów zewnętrznych. Mogą one prowadzić do zmiany kodu aminokwasu na inny, a nawet do tego, że stanie się on nieczytelny. Wiele chorób może wynikać z mutacji podczas replikacji DNA, w tym mukowiscydoza i anemia sierpowata, ale warto zauważyć, że mutacje mogą mieć również pozytywne skutki.
Chociaż istnieje tylko 20 aminokwasów, ludzkie ciało może je łączyć, aby wytworzyć oszałamiającą liczbę około 100 000 białek. Ich tworzenie jest procesem ciągłym, a pojedynczy łańcuch białkowy może mieć 10-15 aminokwasów dodawanych do niego na sekundę poprzez proces opisany powyżej. Ponieważ celem tego wpisu było przede wszystkim zbadanie chemicznej struktury DNA, dyskusja na temat replikacji i syntezy białek była krótka i stosunkowo uproszczona. Jeśli jesteś zainteresowany bliższym zapoznaniem się z tematem, sprawdź linki poniżej!
Dziękuję Liamowi Thompsonowi za pomoc w badaniach nad tym postem i dostarczenie niezwykle użytecznego, prostego przeglądu procesu syntezy białka z DNA.
Grafika w tym artykule jest dostępna na licencji Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License. Chcesz udostępnić ją w innym miejscu? Zapoznaj się z wytycznymi dotyczącymi wykorzystania treści na stronie.