Struktura DNK
Piše: Goran Vukajlović za Tragom zvezda
Poznato nam je da deca često liče na roditelje i da rođenje deteta usledi devet meseci nakon seksualnog odnosa a ljudi to znaju hiljadama godina. Donedavno je mehanizam nasleđivanja predstavljao misteriju, ali to nije sprečavalo ljude da smišljaju svakakve teorije. U književnosti klasične Grčke često se pominju porodične sličnosti a mozganje o razlogu tih sličnosti bila je česta razbibriga starih filozofa. Aristotel je u zapisima iz otprilike 335. godine p. n. e, pretpostavljao kako otac nerođenom detetu daje obličje, a majčin doprinos je ograničen: ona samo gaji dete i dok je u materici i nakon rođenja. U ondašnjoj zapadnoj civilizaciji, patrijarhalnoj po ustrojstvu, takva ideja je delovala krajnje logično. Naravno, nije se potcenjivala važnost izbora supruge. Na kraju krajeva, seme uvek bolje uspeva ako se posadi u kvalitetnu zemlju. Međutim, postojao je tu još jedan problem, i to problem koji će još dugo zadavati muke ženama. Ukoliko se deca rađaju prema očevom naumu, otkud to muškarci imaju kćerke?
Aristotela su upravo to pitali a on je odgovorio da će sve bebe u svakom pogledu pa i u tom kog su pola, biti iste kao njihovi očevi osim kada nastanu nekakva uplitanja u materici. Ta uplitanja mogu biti trivijalna, recimo, crnokos otac dobije dete riđe kose. A mogu biti i ozbiljnija pa se rodi deformisano dete ili žensko. Ozbiljne posledice su se izrodile iz ovog stanovišta jer mnoge žene koje nisu rađale sinove muževi su ostavljali ili su dovodili inoče. Iz ove antičke teorije razvilo se verovanje u postojanje homunukulusa, sićušnog, već formiranog bića koje tokom seksualnog odnosa biva ubrizgano u ženu. Naravno, hrišćanska crkva je sve što je nazadno i nakaradno sa oduševljenjem prihvatala pa i ovo. Iako je Hipokrat bio mnogo blaži od Aristotela i priznavao ulogu žena, hrišćanstvo je izabralo gluplju i zatucaniju teoriju. I dan danas u crkvenim krugovima vlada slično neznanje. Čak i Darvin nije znao mnogo više o nasleđivanju i upravo zato nije uspeo da formuliše mehanizam na osnovu kog bi objasnio svoju teoriju prirodne selekcije. Dva naučna dostignuća iz 19. veka postala su ključna za objašnjenje šta se tu zbiva. Prvi je otkriće novih hemijskih boja za primenu u tekstilnoj industriji i drugo, povećanje efikasnosti mikroskopskih sočiva usled novog načina brušenja. Uz bolje uveličavanje lako su se mogle videti pojedinačne ćelije , a kada su obojene novim supstancama videla se i njihova unutrašnja građa. Postalo je moguće posmatrati proces oplodnje, spajanje velike jajne ćelije sa jednim malim ali odlučnim spermatozoidom. Kada se ćelije podele, uočavalo se kako se obrazuju neobične končaste strukture a potom se i one dele na dva jednaka dela, na dve nove ćelije. Pošto su pod dejstvom tih novih supstanci poprimale veoma jarke boje, ove neobične strukture nazvane su hromozomi (od grčke reči koja doslovno znači „obojena tela“), mnogo godina pre nego što je iko shvatao šta one rade. Primećeno je da tokom oplodnje jedna grupatih neobičnih končića dolazi od očeve sperme, a druga od majčine jajne ćelije.
Upravo to je predvideo otac genetike Gregor Mendel, monah iz Berna. On je šezdesetih godina 19. veka postavio temelje celokupne genetike i to na osnovu eksperimentalnog uzgajanja graška u manastirskoj gradini. Zaključio je sledeće: čime god su nasledne osobine određene, to je podjednako prenosi na potomstvo od oba roditelja. Mendel jeste bio u pravu ali je, nažalost, preminuo pre nego što je video hromozom. Specifični genetički kodovi koji se pojavljuju u hromozomima nasleđuju se podjednako po obema roditeljskim linijama, s tim što je bitno naglasiti da se izuzimaju mitohondrijalne DNK i hromozomi koji određuju pol. Ključna uloga hromozoma u nasleđivanju i činjenica da se u njima moraju kriti tajne nasleđivanja, bila je dobro znana već 1903. godine. Međutim, prošlo je pedeset godina dok nije otkriveno od čega su hromozomi napravljeni i kako to igraju ulogu fizičkih posrednika u prenosu naslednih osobina. Dva mlada naučnika sa Kembridža, Džejms D. Votson i Frensis Krik, 1953. godine otkrivaju molekularnu strukturu supstance koja je već dugo bila poznata i za koju se uglavnom mislilo da je nezanimljiva i nebitna. Dodelili su joj predugačko ime, koje kao da naglašava koliko je smatrana nebitnom: dezoksiribonukleinska kiselina; koju danas skraćujemo na DNK. Iako je bilo istraživanja u kojima se implicira uloga DNK u mehanizmu nasleđivanja, i dalje su se proteini smatrali za ključne prenosioce naslednog materijala. Proteini su složeni, sofisticirani, sadrže dvadeset različitih komponenata (amino kiselina) i ima ih više miliona različitih oblika. Naučnici su, sasvim logično, mislili da tako monumentalan zadatak kao što je programiranje jajne ćelije da izraste u potpuno uobličeno i funkcionalno ljudsko biće, može izvesti samo nešto zaista komplikovano.
Nema šanse da to čini taj DNK s njegove puke četiri komponente. Istina, nalazi se na pravom mestu – u ćelijskom jedru. Pramda se njihovi savremenici nisu zanimali za ovu supstancu, Votson i Krik su bili sigurni da se u njoj nalazi objašnjenje hemijskog mehanizma nasleđivanja. Stoga su rešili da odgonetnu njenu molekularnu strukturu pomoću tehnike koja je već korišćena za otkrivanje strukture onih znatno glamuroznijih proteina. U tu svrhu su morali da naprave dugačka kristalna vlakna pročišćene DNK i potom ih bombarduju rendgenskim zracima. Većina redgenskih zraka koji su ušli u DNK samo su prošli i izašli na drugu stranu. Pa ipak, nekoliko zraka se sudarilo s atomima u molekularnoj strukturi i odskočilo u stranu, i to je zabeleženo na rendgenskom snimku na istoj onoj vrsti filma kojom rendgenski tehničari u bonicama i danas snimaju frakturu kostiju. Votson i Krik su nedeljama pravili modele strukture atoma unutar DNK od štapića te od kartonskih i metalnih tabli dok nisu uvideli da su načinili jedan model koji je u svakom pogledu odgovarao uzorku na rendgenskom snimku. Struktura tog jednostavnog, a istovremeno apsolutno veličanstvenog modela, odmah je ukazivala kako može da obavlja funkciju genetičkog materijala. U naučnom radu u kome su objavili otkriće s mnogo samopouzdanja su izjavili: „Našem zapažanju nije promaklo da specifična parna struktura koju smo utvrdili direktno ukazuje na mogući mehanizam kopiranja genetičkog materijala“. Bili su potpuno u pravu. Za to otkriće 1962. godine dodeljena im je Nobelova nagrada za medicinu i fiziologiju. Jedno od suštinskih svojstava genetičkog materijala mora biti mogućnost da iznova i iznova daje svoje verne kopije, odnosno da obe nove ćelije nastale nakon deobe ćelije, takozvane kćerke ćelije, u jedru imaju podjednak deo hromozoma.
Genetički materijal u hromozomima brzo bi se potrošio ukoliko pri svakoj podeli ćelije ne bi bilo moguće kopiranje genetičkog materijala. Votson i Krik su otkrili da se svaki molekul DNK sastoji od dva vrlo dugačka lanca, uvijena jedan oko drugoga poput para prepletenih spiralnih lestvica. U trenutku kopiranja ta dva spiralna lanca se razdvajaju. DNK se sastoji od samo četiri ključne komponente, koje se obično označavaju početnim slovima svojih hemijskih naziva: A – adenin, C – citozin, G- guanin i T – timin. Stručni termin za sve ove komponente glasi nukleotidne baze. Struktura DNK potpuno je pojmljena kada su Votson i Krik uvideli da su ta dva spiralno uvijena lanca ispravno spojena samo kad je svako A jednog lanca povezano s T tačno naspram njega u drugom lancu. Baš poput delića slagalice A se savršeno uklapa sa T, ali ne i sa G ili C, niti sa A iz drugog lanca. Potpuno je isto sa C i G naspramnih lanaca. Tako oba lanca zadržavaju komplementarne nizove odgovarajućeg redosleda. Na primer, niz ATTCAG u jednom lancu mora da se poklopi sa nizom TAAGTC u drugom lancu. Kada se ovako spiralno prepleteni lanci raspletu, ćelijska mašinerija naspram starom lancu ATTCAG konstruiše novi niz TAAGTC, a naspram starog niza TAAGTC gradi novi niz ATTCAG. Rezultat je da su nove zavojniceidentične s originalom. Svaki put nastaju dve savršene kopije. Redosled četiri hemijska slova ne menja se tokom procesa repliacije. A šta znači taj raspored? On predstavlja informacije. Sama DNK ne radi ništa. Ne pomaže vam da dišete ili varite hranu. Ona o tome daje instrukcije drugima. Kako se ispostavilo, proteini su ćelijski posrednici koji primaju te instrukcije i obavljaju posao. Uz to što deluju sofisticirano, oni i jesu takvi; svejedno, oni delaju po striktnim instrukcijama predsednika upravnog odbora, a to je DNK glavom i bradom. Složenost ćelija, tkiva i celog organizma naprosto oduzima dah, ali tek nas potpuno zaprepasti činjenica da je zapis osnovnih DNK instrukcija neverovatno jednostavan. Kao i u poznatijim instrukcionim sistemima kao što su jezik, brojevi ili računarski binarni kod, nisu toliko važni sami simboli – ključni je njihov raspored. Anagrami, na primer, “masa” i “sama”, sadrže ista slova ali imaju sasvim drugačije značenje. Jednako tako, redosled četiri hemijska simbola u DNK oličava određenu poruku. Kako se poruke čitaju i pišu? DNK je vezana za hromozome koji su uvek, isključivo u jedru ćelije. Proteini, kao svojevrsni izvršni organi, obavljaju sav posao. Oni su enzimi koji vare hranu i regulišu metabolizam; oni su hormoni koji upravljaju zbivanjima u različitim delovima našeg organizma. Oni su kolageni u koži i kostima, te hemoglobin u krvi. Oni su antitela koja se bore sa infekcijama. Ukratko – oni rade sve. Neki su ogromni molekuli, neki su sićušni. Svi proteini su jednako građeni: sačinjeni su od lanaca podjedinica, amino kiselina, čiji redosled definiše njihovu funkciju. Amino kiseline s jednog dela lanca privlače amino kiseline s drugog dela i do tada izduženi, linearni lanac uvija se u klupko vrlo specifičnog oblika. Ono omogućava proteinima da vrše svoje funkcije: ako je reč o enzimima, da budu katalizatori bioloških rekcija: ako su u pitanju mišićni proteini da grade mišiće; ako su antitela, da hvataju nadiruće bakterije i tako dalje. Amino kiselina ima dvadeset. Neke su relativno poznate, recimo lizin ili fenilalanin, a za neke, primera radi za cistein ili tirozin, većina ljudi nije čula. Redosled tih amino kiselina u proteinu određuje njegov konačan oblik i funkciju, te je za stvaranje proteina potreban samo jedan skup DNK instrukcija koje određuju taj redosled. Kodirane informacije koje sadrži DNK moraju biti prenesene mašineriji za proizvodnju proteina u drugom delu ćelije. Ne budite škrti – išupajte dlaku s glave. Poluprovidno zadebljanje na kraju je koren dlake ili folikul. Svaki folikulsadrži otprilike milion ćelija čija jedina životna svrha jeste da prave vlasi, koje se pretežno sastoje od proteina keratina. Dok ste čupali dlaku, te ćelije su još uvek radile. Zamislite da ste u jednoj. Svaka vredno radi proizvodeći keratin, ali otkud znaju kako to da rade? Za proizvodnju bilo kog proteina, uključujući i keratin, presudno je da amino kiseline budu poređane određenim redosledom. Koji je ispravan?
Pogledajte u DNK koja se nalazi u hromozomima u jedru ćelije. Ćelija kose, kao i svaka ćelija našeg organizma ima kompletan skup DNK instrukcija, ali vi samo hoćete da znate kako se pravi keratin. Ćelije kose ne zanima kako se prave kosti ili krv i zato su svi ti delovi DNK isključeni. Ali gen keratin, koji nosi instrukciju za keratin, nije isključen. Taj redosled amino kiselina u keratinu određen je redosledom DNK simbola. DNK niz u genu keratina počinje ovako : ATGACCTCCTC…. Pošto nismo naučili da čitamo takve kodove, ovo napisano deluje nam kao nasumičan niz četiri DNK simbola. Pramda je nama nerazumljivo, ćeliji kose nije. To je mali deo koda za pravljenje keratina i lako se prevodi. Ćelije prvo isčitavaju kod deleći ga na troslovne skupove. Tako ATGACCTCCTTC postaje ATG-ACC-TCC-TTC. Svaki skup od tri simbola nazvan je triplet i označava određenu amino kiselinu. Prvi triplet, ATG, predstavlja kod za amino kiselinu metionin, ACC za treonin, TCC za serin, TTC fenilalanin i tako dalje. Ove genetičke kodove koriste svi geni u jedrima ćelija svih biljaka i životinja. Ćelija pravi privremenu kopiju ovog koda, što je nalik na fotokopiranje nekoliko stranica knjige, a potom je odašilje mašineriji za pravljenje proteina u drugom delu ćelije. Kako kopija stigne, pokreće se pogon za proizvodnju. On isčitava prvi triplet i dekodira ga kao amino kiselinu metionin. Uzima s police molekul metionina. Zatim čita drugi triplet koji predstavlja amino kiselinu treonin, pa uzima molekul treonina i pridružuje ga metioninu. I tako dok ne uzme sve četiri amino kiseline čiji je redosled određen redosledom nukelotidnih baza DNK gena keratina. Potom čita sledeći triplet i dodaje petu amino kiselinu i tako redom. Ovaj proces čitanja, dekodiranja i dodavanja amino kiselina po ispravnom redosledu nastavlja se sve dok se ne iščita celokupna instrukcija. Tako se dobija novi molekul keratina koji se pušta na slobodu i odlazi da se pridruži stotinama miliona drugih, s kojima formira deo jedne od dlaka koje vam rastu na glavi. To jest, upravo bi to učinio da je niste isčupali.