Dziś mało kto będzie zaskoczony takimi pojęciami jak dziedziczność, genom, DNA, nukleotydy. Wszyscy wiedzą o podwójnej helisie DNA i że to ona jest odpowiedzialna za powstawanie wszystkich oznak organizmu. Ale nie wszyscy wiedzą o zasadach jego budowy i podporządkowaniu podstawowym regułom Chargaffa.
Obrażony biolog
Niewiele odkryć otrzymuje tytuł wybitnych w XX wieku. Ale niewątpliwie jednym z nich są odkrycia Erwina Chargaffa (1905-2002), pochodzącego z Bukowiny (Czerniowce, Ukraina). Chociaż nie otrzymał Nagrody Nobla, do końca swoich dni wierzył, że James Watson i Francis Crick ukradli jego pomysł na dwuniciową spiralną strukturę DNA i jego Nagrodę Nobla.
Uniwersytety w Polsce, Niemczech, USA i Francji są dumne z tego, że nauczają tam tego wybitnego biochemika. Oprócz fundamentalnych zasad dotyczących DNA Chargaffa znany jest z jeszcze jednej – złotej zasady. Tak nazywają to biolodzy. A złota zasada E. Chargaffa brzmi tak: „Jedna z najbardziej podstępnych i nikczemnych właściwości modeli naukowychjest ich skłonność do przejmowania, a czasem wypierania rzeczywistości”. Mówiąc prościej, oznacza to - nie mów naturze, co ma robić, a ona nie powie ci, dokąd powinieneś się udać ze wszystkimi swoimi roszczeniami. Dla wielu młodych naukowców ta zasada Erwina Chargaffa stała się swego rodzaju mottem badań naukowych.
Fundacje akademickie
Przypomnij sobie podstawowe pojęcia niezbędne do zrozumienia poniższego tekstu.
Genom - całość całego materiału dziedzicznego danego organizmu.
Monomery tworzą polimery - jednostki strukturalne, które łączą się, tworząc wysokocząsteczkowe cząsteczki organiczne.
Nukleotydy - adenina, guanina, tymina i cytozyna - monomery cząsteczki DNA, cząsteczki organiczne utworzone przez kwas fosforowy, węglowodan o 5 atomach węgla (dezoksyryboza lub ryboza) i puryna (adenina i guanina) lub pirymidyna (cytozyna) i tyminy) fusy.
DNA - kwas dezoksyrybonukleinowy, podstawa dziedziczności organizmów, to podwójna helisa utworzona z nukleotydów ze składnikiem węglowodanowym - dezoksyrybozą. RNA - kwas rybonukleinowy, różni się od DNA obecnością węglowodanów rybozy w nukleotydach i zastąpieniem tyminy uracylem.
Jak to się wszystko zaczęło
Grupa naukowców z Columbia University w Nowym Jorku, kierowana w latach 1950-1952 przez E. Chargaffa, była zaangażowana w chromatografię DNA. Wiadomo było już, że składa się z czterech nukleotydów, ale nikt jeszcze nie wiedział o jego spiralnej strukturze.wiedział. Wiele badań wykazało. Że w cząsteczce DNA liczba zasad purynowych jest równa liczbie zasad pirymidynowych. Dokładniej, ilość tyminy jest zawsze równa ilości adeniny, a ilość guaniny odpowiada ilości cytozyny. Ta równość zasad azotowych jest regułą Chargaffa dla kwasów dezoksyrybonukleinowych i rybonukleinowych.
Znaczenie w biologii
To właśnie ta zasada stała się podstawą, na której Watson i Crick kierowali się przy ustalaniu struktury cząsteczki DNA. Ich dwuniciowy, spiralnie skręcony model kulek, drutów i figurek wyjaśnia tę równość. Innymi słowy, zasady Chargaffa są takie, że tymina łączy się z adeniną, a guanina łączy się z cytozyną. To właśnie ten stosunek nukleotydów idealnie pasował do przestrzennego modelu DNA zaproponowanego przez Watsona i Cricka. Odkrycie struktury cząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego skłoniło naukę do odkrycia szerszego poziomu: zasad zmienności i dziedziczności, biologicznej syntezy DNA, wyjaśnienia ewolucji i jej mechanizmów na poziomie molekularnym.
Chargaff rządzi w najczystszej formie
Współczesna nauka formułuje te fundamentalne postanowienia z następującymi trzema postulatami:
- Ilość adeniny odpowiada ilości tyminy, a cytozyna guaninie: A=T i G=C.
- Ilość puryn jest zawsze równa liczbie pirymidyn: A + G=T + C.
- Liczba nukleotydów zawierających pirymidynę w pozycjach 4 i 6zasady purynowe jest równa liczbie nukleotydów zawierających grupy okso w tych samych pozycjach: A + G \u003d C + T.
W latach 90., wraz z odkryciem technologii sekwencjonowania (określania sekwencji nukleotydów w długich odcinkach), zasady DNA Chargaffa zostały potwierdzone.
Ból głowy u dzieci
W szkole średniej i na uniwersytetach badanie biologii molekularnej nieodzownie wiąże się z rozwiązywaniem problemów na podstawie reguły Chargaffa. Nazywają te zadania jedynie budową drugiego łańcucha DNA w oparciu o zasadę komplementarności (komplementarności przestrzennej nukleotydów purynowych i pirymidynowych). Na przykład warunek podaje sekwencję nukleotydów w jednym łańcuchu - AAGCTAT. Uczeń lub uczeń ma obowiązek zrekonstruować drugą nić w oparciu o nić matrycy DNA i pierwszą regułę Chargaffa. Odpowiedzią będzie: GGATCGTS.
Inny rodzaj zadania sugeruje obliczenie wagi cząsteczki DNA, znajomość sekwencji nukleotydów w jednym łańcuchu i ciężaru właściwego nukleotydów. Pierwsza zasada biologii Chargaffa jest uważana za fundamentalną dla zrozumienia podstaw biochemii molekularnej i genetyki.
Dla nauki nie wszystko jest takie proste
E. Chargaff kontynuował badanie składu DNA i 16 lat po odkryciu pierwszego prawa podzielił cząsteczkę na dwie oddzielne nici i stwierdził, że liczba zasad nie jest dokładnie równa, ale tylko w przybliżeniu. To druga zasada Chargaffa: w oddzielnymnici kwasu dezoksyrybonukleinowego, ilość adeniny jest w przybliżeniu równa ilości tyminy, a guaniny - cytozyny.
Naruszenia równości okazały się wprost proporcjonalne do długości analizowanego odcinka. Dokładność jest utrzymywana przy długości 70-100 tysięcy par zasad, ale przy długościach setek par zasad i mniejszej nie jest już zachowywana. Dlaczego w niektórych organizmach procent guaniny-cytozyny jest wyższy niż procent adeniny-tyminy lub odwrotnie, nauka jeszcze nie wyjaśniła. Rzeczywiście, w zwykłych genomach organizmów równy rozkład nukleotydów jest raczej wyjątkiem niż regułą.
DNA nie ujawnia swoich tajemnic
Wraz z rozwojem technik sekwencjonowania genomu odkryto, że pojedyncza nić DNA zawiera w przybliżeniu taką samą liczbę komplementarnych pojedynczych nukleotydów, par zasad (dinukleotydów), trinukleotydów itd. - aż do oligonukleotydów (odcinków 10-20 nukleotydów). Genomy wszystkich znanych organizmów żywych podlegają tej zasadzie, z nielicznymi wyjątkami.
W ten sposób dwóch brazylijskich naukowców - biolog Michael Yamagishi i matematyk Roberto Herai - wykorzystało teorię mnogości do analizy sekwencji nukleotydów niezbędnych do doprowadzenia do reguły Chargaffa. Wyprowadzili cztery zestawy równań i przetestowali 32 genomy znanych gatunków. Okazało się, że fraktalne wzory są prawdziwe dla większości gatunków, w tym E. coli, roślin i ludzi. Ale ludzki wirus niedoboru odporności i bakteria pasożytnicza, która powoduje szybkie więdnięciedrzew oliwnych, nie przestrzegajcie w ogóle praw rządów Chargaffa. Czemu? Brak odpowiedzi.
Biochemicy, biolodzy ewolucyjni, cytolodzy i genetycy wciąż zmagają się z tajemnicami DNA i mechanizmami dziedziczenia. Pomimo osiągnięć współczesnej nauki ludzkości daleko do rozwikłania wszechświata. Pokonaliśmy grawitację, opanowaliśmy przestrzeń kosmiczną, nauczyliśmy się zmieniać genomy i określać patologię płodu we wczesnych stadiach rozwoju zarodka. Ale wciąż jesteśmy dalecy od zrozumienia wszystkich mechanizmów natury, które tworzyła przez miliardy lat na planecie Ziemia.
