a C z G – poprzez wiązanie wodorowe, a utrzymywana na drugim końcu przez szkielet cukrowo-fosforanowy. Taki system tworzenia par oznacza, że dwie nici DNA owijają się wokół siebie w podwójnej helisie jak skręcony sznur. Każda nić jest jakby lustrzanym odbiciem drugiej: gdzie jedna ma A, jej partnerka zawsze będzie mieć T i odwrotnie. Jeśli pierwsza nić ma kolejność zasad ACGTTACCGTC, na drugiej będzie TGCAATGGCAG.
Budowa ta zdradza swoją funkcję. Sekwencja zasad DNA koduje informację genetyczną podwójnie, czyniąc ją niezwykle prostą do skopiowania. Podczas podziału komórki enzym rozrywa wiązania wodorowe łączące zasady, jakby rozpinając podwójną helisę na środku, rozdzielając jej obie nici. Mogą one teraz służyć jako matryce do replikacji. Drugi enzym, zwany polimerazą DNA, dostawia nowe zasady naprzeciw liter każdej nici, dopasowując A do T, a C do G. W wyniku tego powstają dwie podwójne nici DNA stające się genetycznym oprogramowaniem dla dwóch komórek potomnych.
Tak jak wiele wielkich idei w genetyce, podwójna helisa cechuje się elegancką prostotą. Ponadto natychmiast wyjaśniła, jak kopiowana jest informacja genetyczna i pokazała drogę do dalszych odkryć. Był to początek nowej ery w genetyce, w której możliwe było wykorzystanie DNA do diagnostyki chorób, projektowania nowych leków, łapania przestępców, a nawet modyfikowania życia. O ile budowa okazała się prosta, o tyle nie można tego samego powiedzieć o jej konsekwencjach.
MYŚL W PIGUŁCE
Budowa DNA sugeruje sposób jego działania
Francis Crick: „Obecnie całkiem prawdopodobne wydaje się, że wiele z 64 trójek, prawdopodobnie większość z nich, może kodować ten lub inny aminokwas, i że zasadniczo kilka różnych trójek może kodować jeden aminokwas”.
LINIA CZASU
1958
Crick proponuje trójkowy system kodowania dla DNA, adaptorową rolę RNA i „dogmat centralny”
1960
Jacques Monod (1910–1976) dowodzi, że informacyjny RNA jest cząsteczką adaptorową
1961
Marshall Nirenberg (ur. 1927) odkrywa kod trójkowy dla pierwszego aminokwasu
1966
Identyfikacja wszystkich 64 trypletów
Podwójna helisa wyjaśniała, w jaki sposób kopiowane są geny, a zatem w jaki sposób informacja genetyczna jest wiernie przekazywana z komórki do komórki i z pokolenia na pokolenie. Sugerowała także, że mutacje w literach DNA będą dziedziczone, pozwalając na darwinowskie modyfikacje potomstwa. Struktura ta nie zdradzała jednak, w jaki sposób geny pełnią swoje inne funkcje biologiczne oprócz kopiowania się: syntezy białek, która kieruje biologią.
Kod życia był najwyraźniej zapisany alfabetem czteroliterowym – A, C, G i T w DNA – który komponował instrukcje wytwarzania 20 aminokwasów, z których zbudowane są białka. Zanim został złamany, był niezrozumiały. Biologia nie miała kamienia z Rosetty3, nie miała klucza do rozszyfrowania informacji zapisanej w DNA.
Problem teoretycznie rozwiązał już Francis Crick, a eksperymentalnie potwierdzili amerykański biochemik Marshall Nirenberg i francuski biolog Jaques Monod, którzy znaleźli pasujące dowody. Ponad 10 lat od odkrycia, zapisany w podwójnej helisie DNA, kod został złamany, co stworzyło organizacyjną podstawę biologii molekularnej.
Cząsteczka adaptorowa: RNA informacyjny Crick i Watson zidentyfikowali podwójną helisę przez zgromadzenie istniejących dowodów i prawidłową ich interpretację. Następny akt geniuszu Cricka był jednak znacznie bardziej spekulacyjny, wyprzedzając znacznie wszystkie dane eksperymentalne. Było to spostrzeżenie, że DNA może ulegać translacji na aminokwasy za pomocą „cząsteczki adaptorowej” – interpretatora, który przenosi rozkazy z genów do komórkowych fabryk białek.
W 1960 roku okazało się, że Crick miał dobrą intuicję. W Instytucie Pasteura w Paryżu zespół Monoda wykorzystał bakterie i bakteriofagi, które je atakowały, do wykazania, że DNA rzeczywiście wytwarza cząsteczki adaptorowe, które są zbudowane z ich chemicznego krewnego zwanego kwasem rybonukleinowym (RNA).
Dogmat centralny
Innym ważnym wkładem Francisa Cricka był „dogmat centralny” biologii – informacja genetyczna zasadniczo biegnie systemem jednokierunkowym. DNA może kopiować się na DNA lub transkrybować na mRNA, a na podstawie mRNA może być tworzone białko, ale niemożliwy jest proces odwrotny. Istnieją trzy wyjątki od tej reguły. Niektóre wirusy potrafią się kopiować przepisując RNA bezpośrednio na RNA lub przeprowadzając „odwrotną transkrypcję” z RNA na DNA. Możliwe jest także przepisanie DNA bezpośrednio na białko, ale tylko w laboratorium. Jednakże informacja zawarta w białkach nigdy nie jest zamieniana na RNA, DNA, a nawet inne białka. Uniemożliwia to nadmiarowość kodu genetycznego.
RNA jest podobny do DNA, ale ma kilka różnic strukturalnych. Przede wszystkim zamiast zasady tyminy wykorzystuje podobny nukleotyd zwany uracylem (U). Jest także bardziej niestabilny, a zatem żyje krócej w komórce i tworzy wiele różnych cząsteczek o wyspecjalizowanej funkcji. Cząsteczka adaptorowa Cricka jest formą zwaną informacyjnym RNA (messenger RNA, mRNA), jednoniciową cząsteczką, na którą przepisywane (transkrybowane) są geny. Ten mRNA jest wykorzystywany do tworzenia białek w procesie zwanym translacją.
Tak jak przy replikacji podwójna helisa jest rozpinana i na podstawie odczytu z jednej nici tworzona jest lustrzana jednoniciowa cząsteczka mRNA. Przy takiej transkrypcji C w genie staną się G w mRNA, T staną się A, G staną się C, a A będą U – uracyl zastępuje tyminę w cząsteczce RNA. Takie sygnały genetyczne migrują następnie z jądra komórkowego do struktur wytwarzających białka zwanych rybosomami, które dodają aminokwasy do łańcucha jeden po drugim w kolejności określonej przez zakodowaną sekwencję nukleotydów. Inny rodzaj RNA, transportujący RNA, zbiera aminokwasy i dostarcza je do rosnącego łańcucha białkowego. Niestabilność mRNA oznacza, że jest to prawdziwa Mission: Impossible, wiadomości ulegają autodestrukcji, gdy tylko wykonają swoją pracę. Niebezpieczeństwo, że będą się kręcić gdzieś i powodować, że powstanie nadmiar białek, gdy już nie są potrzebne, nie istnieje.
Tryplety Skąd zatem rybosomy wiedzą, jaki ma być porządek aminokwasów? I jak mają rozpoznać, gdzie łańcuch białkowy ma się zaczynać i gdzie kończyć? Odpowiedź leży w sekwencji zasad w genach, za pomocą której DNA i mRNA określają poszczególne aminokwasy. Kod – po raz pierwszy zaproponowany przez Cricka – jest nadzwyczaj prosty, oparty na kombinacji tylko trzech liter DNA zwanych trypletami.
Znaczenie trypletów zaczęły wyjaśniać prace Nirenberga, który w 1961 roku zmieszał rybosomy bakterii E. coli z aminokwasami i nićmi RNA zawierającymi ciąg powtórzonych nukleotydów jednego rodzaju. Gdy nic zbudowana była tylko z uracylu, uzyskał długi łańcuch białkowy składający się z aminokwasów fenyloalaniny. Odszyfrowano pierwszy tryplet – mRNA o sekwencji UUU niosący wiadomość „wstaw cząsteczkę fenyloalaniny do cząsteczki białka”. W ciągu pięciu lat ustalono znaczenie wszystkich 64 kombinacji trójkowych czterech zasad. Kod został
