کشف مادهٔ وراثتی
آزمایش گریفیت (۱۹۲۸) روی دو نوع باکتری استرپتوکوکوس نومونیا (پوشینهدار بیماریزا و بدونپوشینهٔ بیضرر) نشان داد وقتی باکتری بیماریزای کشتهشده با باکتری زندهٔ بیضرر مخلوط شود، موش میمیرد و باکتری بیماریزای زنده در خونش یافت میشود؛ یعنی مادهای از باکتری کشتهشده به باکتری بیضرر منتقل و آن را دگرگون کرده، بدون آنکه ماهیت آن ماده مشخص شود. سالها بعد ایوری و همکاران (۱۹۴۴) با تخریب جداگانهٔ پروتئینها و DNای عصارهٔ باکتری کشتهشده ثابت کردند فقط تخریب DNA جلوی انتقال صفت را میگیرد؛ یعنی DNA مادهٔ وراثتی است، نه پروتئین. ژن بخشی از DNA است که بیانش میتواند به تولید RNA یا پلیپپتید بینجامد.
ساختار نوکلئیک اسیدها
هر نوکلئوتید از یک قند پنجکربنه (دئوکسیریبوز در DNA، ریبوز در RNA)، یک باز آلی نیتروژندار و یک گروه فسفات ساخته شده است. بازها دو دستهاند: پورینها (آدنین و گوانین، دو حلقه) و پیریمیدینها (سیتوزین، تیمین، یوراسیل، یک حلقه). تیمین فقط در DNA و یوراسیل فقط در RNA وجود دارد. نوکلئوتیدها با پیوند فسفودیاستر به هم متصل میشوند و رشتهٔ پلینوکلئوتیدی میسازند که دو سر متفاوت دارد؛ DNA باکتریها حلقوی است، DNA یوکاریوتها خطی.
کشف ساختار DNA
قوانین چارگاف نشان داد در هر DNA مقدار آدنین همیشه برابر تیمین و مقدار گوانین برابر سیتوزین است (، ). تصاویر پرتو ایکس ویلکینز و فرانکلین ساختار مارپیچی و چندرشتهای DNA را آشکار کرد و سرانجام واتسون و کریک (۱۹۵۳، نوبل ۱۹۶۲) مدل نهایی را ارائه دادند: دو رشتهٔ پلینوکلئوتیدی پیچیدهشده به دور هم، با ستون قند-فسفات و پلههای بازی؛ آدنین با تیمین (دو پیوند هیدروژنی) و گوانین با سیتوزین (سه پیوند هیدروژنی، محکمتر و پایدارتر) جفت میشوند.
سه نوع RNA نقشهای متفاوتی دارند:
| نوع RNA | نقش |
|---|---|
| mRNA | پیامرسان اطلاعات از DNA به ریبوزوم |
| tRNA | حامل آمینواسید |
| rRNA | جزئی از ساختار ریبوزوم |
نوکلئوتیدها فقط سازندهٔ DNA و RNA نیستند: ATP منبع رایج انرژی یاخته است و نوکلئوتیدهایی مثل NADH و FADH₂ در فتوسنتز و تنفس یاختهای نقش حامل الکترون دارند.
همانندسازی DNA
از میان سه مدل پیشنهادی (حفاظتی، نیمهحفاظتی، غیرحفاظتی)، آزمایش مزلسون و استال با نیتروژن سنگین و سبک ثابت کرد همانندسازی DNA نیمهحفاظتی است: هر رشتهٔ جدید، یک رشتهٔ قدیمی و یک رشتهٔ تازهساخته دارد. در این فرایند آنزیم هلیکاز مارپیچ را باز میکند و DNAبسپاراز نوکلئوتیدهای مکمل را قرار میدهد و ضمن ساخت، با فعالیت نوکلئازی خود رابطهٔ مکملی را ویرایش هم میکند. همانندسازی در دو جهت پیش میرود؛ در پروکاریوتها با یک جایگاه آغاز، در یوکاریوتها بهدلیل حجم بیشتر DNA با چند جایگاه آغاز.
پروتئینها
آمینواسیدها از یک گروه آمین، یک گروه کربوکسیل و یک گروه R متغیر ساخته شدهاند که با پیوند پپتیدی (کووالانسی) به هم متصل میشوند و پلیپپتید میسازند؛ فقط ۲۰ نوع آمینواسید در ساختار پروتئینها به کار میرود. پروتئینها چهار سطح ساختاری دارند: توالی آمینواسیدها (اول، پایهٔ همهٔ سطوح دیگر)، الگوهای پیوند هیدروژنی مثل مارپیچ و صفحه (دوم)، تاخوردگی سهبعدی مثل میوگلوبین با یک زنجیره (سوم)، و آرایش چند زیرواحد مثل هموگلوبین با چهار زنجیره و چهار گروه هِم (چهارم). پروتئینها نقشهای متنوعی دارند: آنزیمی، گیرنده، انتقالی، ساختاری، حرکتی و هورمونی.
آنزیمها بیشتر پروتئینیاند، دارای جایگاه فعال اختصاصی برای پیشماده، و با کاهش انرژی فعالسازی سرعت واکنش را بالا میبرند؛ در پایان واکنش دستنخورده میمانند اما به مرور از بین میروند و باید جایگزین شوند. برخی آنزیمها به کوآنزیم (مثل ویتامینها) یا یون فلزی نیاز دارند. فعالیت آنزیم به pH و دمای بهینه وابسته است؛ دمای بالا آنها را بهطور غیرقابلبرگشت دناتوره میکند، دمای پایین آنها را موقتاً و برگشتپذیر غیرفعال میکند. آنزیمها کاربرد صنعتی گستردهای هم دارند: سلولاز در کاغذسازی و سوخت زیستی، مایهٔ پنیر در تولید پنیر، و لیپاز، پروتئاز و آمیلاز در شویندهها.
کمخونی داسیشکل نمونهای است که نشان میدهد تغییر تنها یک جفت نوکلئوتید در ژن میتواند از طریق تغییر یک آمینواسید، شکل و عملکرد کل پروتئین هموگلوبین را دگرگون کند؛ زنجیرهٔ مستقیمی از ژن به پروتئین و از پروتئین به صفت.