Danas teško da će iko biti iznenađen takvim konceptima kao što su nasljeđe, genom, DNK, nukleotidi. Svi znaju za dvostruku spiralu DNK i da je ona ta koja je odgovorna za formiranje svih znakova organizma. Ali ne znaju svi o principima njegove strukture i podređenosti osnovnim pravilima Chargaffa.
Uvrijeđeni biolog
Nema mnogo otkrića nagrađenih titulom izvanrednih u dvadesetom veku. Ali otkrića Erwina Chargaffa (1905-2002), rodom iz Bukovine (Černivci, Ukrajina), nesumnjivo su jedno od njih. Iako nije dobio Nobelovu nagradu, do kraja svojih dana je vjerovao da su James Watson i Francis Crick ukrali njegovu ideju o dvolančanoj spiralnoj strukturi DNK i njegovu Nobelovu nagradu.
Univerziteti u Poljskoj, Njemačkoj, SAD-u i Francuskoj su ponosni što tamo predaje ovog izvanrednog biohemičara. Pored Chargaffovih osnovnih pravila za DNK, poznat je po još jednom - zlatnom pravilu. Tako to zovu biolozi. A zlatno pravilo E. Chargaffa zvuči ovako: „Jedno od najpodmuklijih i najpodlijih svojstava naučnih modelaje njihova tendencija da preuzmu, a ponekad i istisnu stvarnost. Jednostavno rečeno, to znači – ne govorite prirodi šta da radi, a ona vam neće reći kuda treba da idete sa svim svojim tvrdnjama. Za mnoge mlade naučnike ovo pravilo Erwina Chargaffa postalo je svojevrsni moto naučnog istraživanja.
Akademske fondacije
Prisjetite se osnovnih osnovnih koncepata neophodnih za razumijevanje sljedećeg teksta.
Genom - ukupnost svih nasljednih materijala datog organizma.
Monomeri formiraju polimere - strukturne jedinice koje se kombinuju da formiraju visokomolekularne organske molekule.
Nukleotidi - adenin, guanin, timin i citozin - monomeri molekule DNK, organske molekule formirane fosfornom kiselinom, ugljikohidrat sa 5 atoma ugljika (deoksiriboza ili riboza) i purin (adenin i guanin) ili citorimidin i timin) talog.
DNK - deoksiribonukleinska kiselina, osnova naslijeđa organizama, je dvostruka spirala formirana od nukleotida sa komponentom ugljikohidrata - deoksiribozom. RNA - ribonukleinska kiselina, razlikuje se od DNK po prisustvu riboze ugljikohidrata u nukleotidima i zamjeni timina sa uracilom.
Kako je sve počelo
Grupa naučnika na Univerzitetu Kolumbija u Njujorku, na čelu sa E. Chargaffom 1950-1952, bavila se DNK hromatografijom. Već je bilo poznato da se sastoji od četiri nukleotida, ali niko još nije znao za njegovu spiralnu strukturu.znao. Više studija je pokazalo. Da je u molekuli DNK broj purinskih baza jednak broju pirimidinskih baza. Tačnije, količina timina je uvijek jednaka količini adenina, a količina gvanina odgovara količini citozina. Ova jednakost azotnih baza je Chargaffovo pravilo za deoksiribonukleinske i ribonukleinske kiseline.
Značenje u biologiji
To je pravilo postalo osnova na kojoj su se Watson i Crick vodili prilikom izvođenja strukture molekula DNK. Njihov dvostruki spiralno uvijeni model loptica, žica i figurica objasnio je ovu jednakost. Drugim riječima, Chargaffova pravila su da se timin kombinuje sa adeninom, a gvanin sa citozinom. Upravo se taj omjer nukleotida idealno uklapao u prostorni model DNK koji su predložili Watson i Crick. Otkriće strukture molekula deoksiribonukleinske kiseline potaklo je nauku da otkrije širi nivo: principe varijabilnosti i nasljeđa, biološke sinteze DNK, objašnjenje evolucije i njenih mehanizama na molekularnom nivou.
Chargaff pravila u svom najčistijem obliku
Savremena nauka ove fundamentalne odredbe formuliše sa sledeća tri postulata:
- Količina adenina odgovara količini timina, a citozina guaninu: A=T i G=C.
- Količina purina je uvijek jednaka broju pirimidina: A + G=T + C.
- Broj nukleotida koji sadrže pirimidin na pozicijama 4 i 6purinskih baza, jednak je broju nukleotida koji sadrže okso grupe na istim pozicijama: A + G \u003d C + T.
Devedesetih godina prošlog veka, otkrićem tehnologije sekvenciranja (određivanje sekvence nukleotida u dugim delovima), Chargaffova DNK pravila su potvrđena.
dječija glavobolja
U srednjoj školi i na univerzitetima, studij molekularne biologije nužno uključuje rješavanje problema na osnovu Chargaffovog pravila. Oni ove zadatke nazivaju samo izgradnjom drugog DNK lanca zasnovanog na principu komplementarnosti (prostorna komplementarnost purinskih i pirimidinskih nukleotida). Na primjer, uvjet daje sekvencu nukleotida u jednom lancu - AAGCTAT. Od učenika ili studenta se traži da rekonstruišu drugi lanac na osnovu lanca DNK matrice i prvog Chargaffovog pravila. Odgovor će biti: GGATCGTS.
Druga vrsta zadatka predlaže izračunavanje težine molekula DNK, poznavajući sekvencu nukleotida u jednom lancu i specifičnu težinu nukleotida. Chargaffovo prvo pravilo biologije smatra se fundamentalnim za razumijevanje osnova molekularne biokemije i genetike.
Za nauku nije sve tako jednostavno
E. Chargaff je nastavio proučavati sastav DNK, a 16 godina nakon otkrića prvog zakona, podijelio je molekulu u dva odvojena lanca i otkrio da broj baza nije potpuno jednak, već samo približno. Ovo je Chargaffovo drugo pravilo: u odvojenomnitima deoksiribonukleinske kiseline, količina adenina je približno jednaka količini timina, a guanina - citozinu.
Narušavanje jednakosti pokazalo se direktno proporcionalnim dužini analiziranog dijela. Preciznost se održava na dužini od 70-100 hiljada baznih parova, ali na dužinama od stotina parova baza i manje, više nije očuvana. Zašto je u nekim organizmima procenat gvanin-citozina veći od procenta adenin-timina, ili obrnuto, nauka još nije objasnila. Zaista, u običnim genomima organizama, jednaka distribucija nukleotida je prije izuzetak nego pravilo.
DNK ne otkriva svoje tajne
Razvojom tehnika sekvenciranja genoma, otkriveno je da jedan lanac DNK sadrži približno isti broj komplementarnih pojedinačnih nukleotida, parova baza (dinukleotida), trinukleotida i tako dalje - do oligonukleotida (odjeljci 10-20 nukleotida). Genomi svih poznatih živih organizama pokoravaju se ovom pravilu, sa vrlo malo izuzetaka.
Tako su dva brazilska naučnika - biolog Michael Yamagishi i matematičar Roberto Herai - koristili teoriju skupova da analiziraju nukleotidne sekvence neophodne da dovedu do Chargaffovog pravila. Izveli su četiri skupa jednadžbe i testirali 32 genoma poznatih vrsta. I pokazalo se da su fraktalni obrasci istiniti za većinu vrsta, uključujući E. coli, biljke i ljude. Ali virus ljudske imunodeficijencije i parazitska bakterija koja uzrokuje brzo venućemaslina, uopšte ne poštuju zakone Chargaffove vladavine. Zašto? Još nema odgovora.
Biohemičari, evolucijski biolozi, citolozi i genetičari i dalje se bore sa misterijama DNK i mehanizmima nasljeđivanja. Uprkos dostignućima moderne nauke, čovečanstvo je daleko od raspleta univerzuma. Savladali smo gravitaciju, savladali svemir, naučili kako promijeniti genome i odrediti patologiju fetusa u ranim fazama razvoja embrija. Ali još smo daleko od razumijevanja svih mehanizama prirode koje je stvarala milijardama godina na planeti Zemlji.
