DNA: genetski materijal

Proučite DNA

Proučite strukturu dvostruke zavojnice DNA kako biste saznali kako organska kemikalija određuje osobine organizma. James Watson i Francis Crick revolucionirali su istraživanje genetike kada su otkrili strukturu DNA. Encyclopædia Britannica, Inc. Pogledajte sve videozapise za ovaj članak

Početkom 19. stoljeća postalo je široko prihvaćeno da su svi živi organizmi sastavljeni od stanica koje proizlaze samo iz rasta i diobe drugih stanica. Poboljšanje mikroskopa tada je dovelo do ere tijekom koje su mnogi biolozi intenzivno promatrali mikroskopsku strukturu stanica. Do 1885. godine znatna količina neizravnih dokaza ukazivala je na to kromosomi —Tamne niti u staničnoj jezgri — prenijele su informacije o nasljednosti stanice. Kasnije se pokazalo da su kromosomi oko pola DNA i pola proteina težine.



Revolucionarno otkriće koje sugerira da molekule DNA mogu pružiti informacije za vlastitu replikaciju došlo je 1953. godine, kada su američki genetičar i biofizičar James Watson i britanski biofizičar Francis Crick predložili su model za strukturu dvolančane molekule DNA (nazvane dvostruka spirala DNA). U ovom modelu svaki pramen služi kao predložak u sintezi komplementarnog lanca. Naknadna istraživanja potvrdila su Watson i Crick model replikacije DNA i pokazala da DNA nosi genetske informacije za reprodukcija cijele stanice.



DNA struktura

Struktura DNA Početni prijedlog strukture DNA od strane Jamesa Watsona i Francisa Cricka popraćen je prijedlogom o načinima replikacije. Encyclopædia Britannica, Inc.

po čemu je poznat Edwin Hubble

U početku se smatralo da su sve genetske informacije u stanici ograničene na DNA u kromosomima stanične jezgre. Kasnija otkrića identificirala su male količine dodatnih genetskih informacija prisutnih u DNA mnogo manjih kromosoma smještenih u dvije vrste organela u citoplazmi. Ove organele su mitohondriji u životinja stanice i mitohondriji i kloroplasti u biljka Stanice. Posebni kromosomi nose informacije koje kodiraju nekoliko proteina i molekula RNA potrebnih organelama. Oni također nagovještavaju evolucijsko podrijetlo ovih organela, za koje se smatra da su nastale kao slobodno žive bakterije koje su drugi organizmi zauzeli u procesu simbioze.



RNA: replicirana iz DNA

Moguće je da se RNA replicira mehanizmima povezanim s onima koje koristi DNA, iako ima jednolančanu umjesto dvolančane strukture. Smatra se da se u ranim stanicama RNA replicirala na taj način. Međutim, cijelu RNA u današnjim stanicama sintetiziraju posebni enzimi koji grade jednolančani RNA lanac koristeći jedan lanac DNA spirale kao predložak. Iako se molekule RNA sintetiziraju u staničnoj jezgri, gdje se nalazi DNK, većina se transportira u citoplazmu prije nego što izvrše svoje funkcije.

glasnička RNA; prijevod

glasnička RNA; prijevod Molekularna genetika proizašla je iz spoznaje da DNA i RNA čine genetski materijal svih živih organizama. (1) DNA koja se nalazi u staničnoj jezgri sastoji se od nukleotida koji sadrže baze adenin (A), timin (T), gvanin (G) i citozin (C). (2) RNA, koja sadrži uracil (U) umjesto timina, prenosi genetski kod na mjesta sintetiziranja proteina u stanici. (3) Glasnička RNA (mRNA) zatim genetske informacije prenosi u ribosome u staničnoj citoplazmi koji genetske informacije prevode u molekule proteina. Encyclopædia Britannica, Inc.

Molekule RNA u stanicama imaju dvije glavne uloge. Neki se ribozimi nakupljaju na načine koji im omogućuju da posluže kao katalizatori za određene kemijske reakcije. Drugi služe kao glasnička RNA koja pruža predloške koji specificiraju sintezu proteina. Ribosomi , maleni strojevi za sintetiziranje proteina smješteni u citoplazmi, čitaju molekule RNA glasnika i prevode ih u proteine ​​pomoću genetski kod . U ovom prijevodu, slijed nukleotida u glasničkom RNA lancu dekodira se odjednom po tri nukleotida, a svaki nukleotidni triplet (koji se naziva kodon) navodi određenu aminokiselinu. Dakle, nukleotidna sekvenca u DNA specificira protein pod uvjetom da se iz te sekvence DNA stvara molekula RNK koja prenosi podatke. Svaka regija DNA sekvence koja na taj način specificira protein naziva se gen.



Gornjim mehanizmima molekule DNA ne kataliziraju samo vlastito umnožavanje već i diktiraju strukture svih molekula proteina. Samac ljudski stanica sadrži oko 10 000 različitih bjelančevina proizvedenih ekspresijom 10 000 različitih gena. Zapravo se smatra da skup ljudskih kromosoma sadrži DNA s dovoljno informacija da izrazi između 30 000 i 100 000 proteina, ali čini se da je većina tih proteina stvorena samo u specijaliziranim vrstama stanica i stoga nisu prisutne u cijelom tijelu. (Za daljnju raspravu, Pogledaj ispod Jezgra.)

Organizacija stanica

Unutarstanična komunikacija

Stanica s mnogo različitih molekula DNA, RNA i proteina prilično se razlikuje od epruvete koja sadrži iste komponente. Kada se stanica otopi u epruveti, tisuće različitih vrsta molekula nasumično se miješaju. Međutim, u živoj ćeliji se ove komponente čuvaju na određenim mjestima, što odražava visok stupanj organizacije bitne za rast i diobu stanice. Održavanje ove unutarnje organizacije zahtijeva kontinuirani unos energije, jer spontane kemijske reakcije uvijek stvaraju dezorganizaciju. Dakle, velik dio energije koju oslobađa ATP hidroliza potiče procese koji organiziraju makromolekule unutar stanice.

Kad eukariotska stanica ispituje se pri velikom uvećanju u elektronskom mikroskopu, postaje očito da određene organele povezane s membranom dijele unutrašnjost na razne pododjeljke. Iako se u elektronskom mikroskopu ne može otkriti, iz biokemijskih ispitivanja jasno je da svaka organela sadrži drugačiji skup makromolekula. Ova biokemijska segregacija odražava funkcionalnu specijalizaciju svakog odjeljka. Dakle, mitohondriji, koji proizvode veći dio ATP stanice, sadrže sve enzime potrebne za provođenje ciklus trikarboksilne kiseline i oksidacijsku fosforilaciju. Slično tome, enzimi za razgradnju potrebni za unutarstaničnu probavu neželjenih makromolekula ograničeni su na lizosomi .



Relativni volumen koji zauzimaju neki stanični odjeljci u tipičnoj stanici jetre
stanični pretinac posto ukupnog volumena stanice približni broj po ćeliji
citosol 54 1
mitohondrija 22 1.700
endoplazmatski retikulum plus Golgijev aparat petnaest 1
jezgra 6 1
lizozom 1 300

Iz ove funkcionalne segregacije jasno je da se mnogi različiti proteini navedeni u genima u staničnoj jezgri moraju transportirati u odjeljak gdje će se koristiti. Nije iznenađujuće što stanica sadrži opsežni sustav vezan za membranu posvećen održavanju upravo ovog unutarćelijskog poretka. Sustav služi kao pošta, jamčeći pravilno usmjeravanje novosintetiziranih makromolekula do njihovih odgovarajućih odredišta.

Svi se proteini sintetiziraju na ribosomima smještenim u citozolu. Čim prvi dio aminokiselinske sekvence proteina izađe iz ribosoma , pregledava se na postojanje kratkog signalnog niza endoplazmatskog retikuluma (ER). Oni ribosomi koji stvaraju proteine ​​s takvom sekvencom transportiraju se na površinu ER membrane, gdje dovršavaju svoju sintezu; proteini stvoreni na tim ribosomima odmah se prenose kroz ER membranu u unutrašnjost ER odjeljka. Proteini kojima nedostaje ER signalna sekvenca ostaju u citozolu i oslobađaju se iz ribosoma kada se završi njihova sinteza. Ovaj postupak kemijske odluke smješta neke novozavršene proteinske lance u citosol, a druge unutar opsežnog odjeljka ograničenog membranom u citoplazmi, što predstavlja prvi korak u unutarstaničnom sortiranju proteina.



Novostvoreni proteini u oba stanična odjeljka potom se dalje sortiraju prema dodatnim signalnim sekvencama koje sadrže. Neki od bjelančevina u citozolu ostaju tamo, dok drugi odlaze na površinu mitohondrija ili (u biljnim stanicama) kloroplasta, gdje se kroz membrane prenose u organele. Subignali na svakom od ovih proteina tada točno određuju gdje u organeli protein pripada. Proteini u početku razvrstani u ER imaju još širi raspon odredišta. Neki od njih ostaju u ER, gdje funkcioniraju kao dio organele. Većina ulazi u transportne mjehuriće i prelazi na Golgijev aparat, odvojene membrane ograničene organele koje sadrže najmanje tri pododjela. Neki se proteini zadržavaju u pododjeljcima Golgija, gdje se koriste za funkcije svojstvene toj organeli. Većina na kraju uđe u vezikule koje napuštaju Golgi za druga stanična odredišta, poput stanične membrane, lizosoma ili posebnih sekretornih vezikula. (Za daljnju raspravu, Pogledaj ispod Unutarnje membrane.)