W latach 50. XX wieku Francis Crick i James Watson pracowali razem na Uniwersytecie w Cambridge w Anglii, aby określić strukturę DNA. Inni naukowcy, tacy jak Linus Pauling i Maurice Wilkins, również aktywnie badali tę dziedzinę. Pauling odkrył strukturę drugorzędową białek za pomocą krystalografii rentgenowskiej. Krystalografia rentgenowska jest metodą badania struktury molekularnej poprzez obserwację wzorów utworzonych przez promieniowanie rentgenowskie przechodzące przez kryształ substancji. Wzory te dostarczają ważnych informacji o strukturze interesującej nas cząsteczki. W laboratorium Wilkinsa badaczka Rosalind Franklin wykorzystywała krystalografię rentgenowską do poznania struktury DNA. Watson i Crick byli w stanie poskładać puzzle cząsteczki DNA, korzystając z danych Franklina (rysunek 9.2). Watson i Crick dysponowali również kluczowymi informacjami pochodzącymi od innych badaczy, takimi jak reguły Chargaffa. Chargaff wykazał, że spośród czterech rodzajów monomerów (nukleotydów) obecnych w cząsteczce DNA, dwa rodzaje były zawsze obecne w równych ilościach, a pozostałe dwa rodzaje również zawsze występowały w równych ilościach. Oznaczało to, że zawsze były one w jakiś sposób sparowane. W 1962 r. James Watson, Francis Crick i Maurice Wilkins otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za pracę nad ustaleniem struktury DNA.

Zastanówmy się teraz nad strukturą dwóch rodzajów kwasów nukleinowych, kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) i kwasu rybonukleinowego (RNA). Budulcem DNA są nukleotydy, które składają się z trzech części: deoksyrybozy (5-węglowego cukru), grupy fosforanowej i zasady azotowej (rysunek 9.3). W DNA występują cztery rodzaje zasad azotowych. Adenina (A) i guanina (G) są dwupierścieniowymi purynami, a cytozyna (C) i tymina (T) są mniejszymi, jednopierścieniowymi pirymidynami. Nukleotyd jest nazwany zgodnie z zasadą azotową, którą zawiera.

Grupa fosforanowa jednego nukleotydu łączy się kowalencyjnie z cząsteczką cukru następnego nukleotydu, i tak dalej, tworząc długi polimer monomerów nukleotydów. Grupy cukrowo-fosforanowe układają się w „szkielet” każdej pojedynczej nici DNA, a zasady nukleotydowe wystają z tego szkieletu. Atomy węgla pięciowęglowego cukru są ponumerowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara od tlenu jako 1′, 2′, 3′, 4′ i 5′ (1′ oznacza „jeden pierwiastek”). Grupa fosforanowa jest przyłączona do węgla 5′ jednego nukleotydu i do węgla 3′ następnego nukleotydu. W stanie naturalnym każda cząsteczka DNA składa się z dwóch pojedynczych nici połączonych wiązaniami wodorowymi między zasadami.

Watson i Crick zaproponowali, że DNA składa się z dwóch nici, które są skręcone wokół siebie, tworząc prawoskrętną helisę, zwaną podwójną helisą. Parowanie zasad odbywa się pomiędzy puryną i pirymidyną: mianowicie A łączy się w pary z T, a G z C. Innymi słowy, adenina i tymina są komplementarnymi parami zasad, a cytozyna i guanina są również komplementarnymi parami zasad. Jest to podstawa reguły Chargaffa; ze względu na ich komplementarność, w cząsteczce DNA jest tyle samo adeniny co tyminy i tyle samo guaniny co cytozyny. Adenina i tymina są połączone dwoma wiązaniami wodorowymi, a cytozyna i guanina trzema wiązaniami wodorowymi. Obie nici są antyrównoległe, to znaczy, że jedna z nici będzie miała węgiel 3′ cukru w pozycji „do góry”, podczas gdy druga będzie miała węgiel 5′ w pozycji „do góry”. Średnica podwójnej helisy DNA jest jednakowa, ponieważ puryna (dwa pierścienie) zawsze łączy się w pary z pirymidyną (jeden pierścień), a ich łączne długości są zawsze równe. (Rysunek 9.4).

We wszystkich komórkach występuje drugi kwas nukleinowy zwany kwasem rybonukleinowym, lub RNA. Podobnie jak DNA, RNA jest polimerem nukleotydów. Każdy z nukleotydów w RNA składa się z zasady azotowej, pięciowęglowego cukru i grupy fosforanowej. W przypadku RNA cukrem pięciowęglowym jest ryboza, a nie deoksyryboza. Ryboza ma grupę hydroksylową przy węglu 2′, w przeciwieństwie do dezoksyrybozy, która ma tylko atom wodoru (rysunek 9.5).

Nukleotydy RNA zawierają zasady azotowe: adeninę, cytozynę i guaninę. Nie zawierają jednak tyminy, która zamiast niej jest zastąpiona uracylem, symbolizowanym przez literę „U”. RNA istnieje raczej jako cząsteczka jednoniciowa niż dwuniciowa helisa. Biolodzy molekularni nazwali kilka rodzajów RNA na podstawie ich funkcji. Należą do nich messenger RNA (mRNA), transferowe RNA (tRNA) i rybosomalne RNA (rRNA) – cząsteczki, które biorą udział w produkcji białek z kodu DNA.

Jak DNA jest zorganizowane w komórce

DNA jest cząsteczką roboczą; musi być replikowane, gdy komórka jest gotowa do podziału i musi być „czytane”, aby wyprodukować cząsteczki, takie jak białka, do wykonywania funkcji komórki. Z tego powodu DNA jest chronione i pakowane w bardzo specyficzny sposób. Ponadto, cząsteczki DNA mogą być bardzo długie. Rozciągnięte od końca do końca, cząsteczki DNA w pojedynczej komórce ludzkiej miałyby długość około 2 metrów. Tak więc DNA dla komórki musi być uporządkowane w bardzo uporządkowany sposób, aby zmieścić się i funkcjonować w strukturze (komórce), która nie jest widoczna gołym okiem. Chromosomy prokariotów są znacznie prostsze od chromosomów eukariotów pod wieloma względami (rysunek 9.6). Większość prokariotów zawiera pojedynczy, kolisty chromosom, który znajduje się w obszarze cytoplazmy zwanym nukleoidem.

Rozmiar genomu u jednego z najlepiej zbadanych prokariotów, Escherichia coli, wynosi 4,6 miliona par zasad, który po rozciągnięciu rozciągałby się na odległość około 1,6 mm. Jak więc mieści się to w małej komórce bakteryjnej? DNA jest skręcone poza podwójną helisę, co znane jest jako superzwijanie. Wiadomo, że niektóre białka biorą udział w zwijaniu; inne białka i enzymy pomagają w utrzymaniu zwiniętej struktury.

Eukariota, którego chromosomy składają się z liniowej cząsteczki DNA, stosuje inny rodzaj strategii pakowania, aby zmieścić swoje DNA wewnątrz jądra. Na najbardziej podstawowym poziomie, DNA jest owinięte wokół białek zwanych histonami, tworząc struktury zwane nukleosomami. DNA jest ciasno owinięte wokół rdzenia histonowego. Ten nukleosom jest połączony z następnym krótką nicią DNA, która nie zawiera histonów. Jest to również znane jako struktura „koralików na sznurku”; nukleosomy są „koralikami”, a krótkie odcinki DNA między nimi są „sznurkiem”. Nukleosomy, ze zwiniętym wokół nich DNA, układają się zwarcie jeden na drugim, tworząc włókno o szerokości 30-nm. Włókno to jest dalej zwijane w grubszą i bardziej zwartą strukturę. Na etapie metafazy mitozy, kiedy chromosomy są ułożone w centrum komórki, chromosomy są najbardziej zbite. Mają one szerokość około 700 nm i występują w połączeniu z białkami rusztowania.

W interfazie, fazie cyklu komórkowego między mitozami, w której chromosomy są zdekondensowane, chromosomy eukariotyczne mają dwa odrębne regiony, które można wyróżnić za pomocą barwienia. Istnieje ściśle upakowany region, który wybarwia się ciemno, oraz region mniej gęsty. Ciemno zabarwione regiony zwykle zawierają geny, które nie są aktywne i znajdują się w okolicach centromeru i telomerów. Lekko barwiące się regiony zwykle zawierają geny, które są aktywne, z DNA upakowanym wokół nukleosomów, ale nie dalej zagęszczonym.

Suma sekcji

Model struktury podwójnej helisy DNA został zaproponowany przez Watsona i Cricka. Cząsteczka DNA jest polimerem nukleotydów. Każdy nukleotyd składa się z zasady azotowej, pięciowęglowego cukru (deoksyrybozy) i grupy fosforanowej. W DNA znajdują się cztery zasady azotowe, dwie puryny (adenina i guanina) i dwie pirymidyny (cytozyna i tymina). Cząsteczka DNA składa się z dwóch nici. Każda nić składa się z nukleotydów połączonych kowalencyjnie między grupą fosforanową jednego z nich a cukrem deoksyrybozowym drugiego. Od tego szkieletu rozciągają się zasady. Zasady jednej nici łączą się z zasadami drugiej nici za pomocą wiązań wodorowych. Adenina zawsze łączy się z tyminą, a cytozyna zawsze łączy się z guaniną. Wiązanie to powoduje, że dwie nici spiralnie otaczają się wokół siebie, tworząc kształt zwany podwójną helisą. Kwas rybonukleinowy (RNA) jest drugim kwasem nukleinowym występującym w komórkach. RNA jest jednoniciowym polimerem nukleotydów. Różni się od DNA tym, że zawiera cukier rybozę, a nie deoksyrybozę, oraz nukleotyd uracyl zamiast tyminy. Różne cząsteczki RNA funkcjonują w procesie tworzenia białek z kodu genetycznego w DNA.

Prokariota zawiera pojedynczy, dwuniciowy chromosom kolisty. Eukarionty zawierają dwuniciowe liniowe cząsteczki DNA zapakowane w chromosomy. Helisa DNA jest owinięta wokół białek, tworząc nukleosomy. Spirale białkowe są dalej zwijane, a podczas mitozy i mejozy chromosomy stają się jeszcze bardziej zwinięte, aby ułatwić ich przemieszczanie się. Chromosomy mają dwa odrębne regiony, które mogą być rozróżnione przez barwienie, odzwierciedlające różne stopnie upakowania i określone przez to, czy DNA w danym regionie ulega ekspresji (euchromatyna) czy nie (heterochromatyna).