Idag kommer knappast någon att bli förvånad över sådana begrepp som ärftlighet, genom, DNA, nukleotider. Alla vet om den dubbla helixen av DNA och att det är hon som är ansvarig för bildandet av alla tecken på en organism. Men inte alla känner till principerna för dess struktur och underordning till Chargaffs grundläggande regler.
Kränkt biolog
Det är inte många upptäckter som tilldelas titeln enastående på 1900-talet. Men upptäckterna av Erwin Chargaff (1905-2002), född i Bukovina (Chernivtsi, Ukraina), är utan tvekan en av dem. Även om han inte fick något Nobelpris, trodde han till slutet av sina dagar att James Watson och Francis Crick stal hans idé om DNA:s dubbelsträngade spiralformade struktur och hans Nobelpris.
Universiteten i Polen, Tyskland, USA och Frankrike är stolta över att ha denna enastående biokemistundervisning där. Förutom Chargaffs grundläggande regler för DNA är han känd för en annan - den gyllene regeln. Det är vad biologer kallar det. Och E. Chargaffs gyllene regel låter så här: "En av de mest lömska och skändliga egenskaperna hos vetenskapliga modellerär deras tendens att ta över och ibland ersätta verkligheten". Enkelt uttryckt betyder detta - berätta inte för naturen vad den ska göra, och hon kommer inte att berätta vart du ska gå med alla dina påståenden. För många unga vetenskapsmän har denna regel av Erwin Chargaff blivit ett slags motto för vetenskaplig forskning.
Akademiska stiftelser
Kom ihåg de grundläggande grundläggande begrepp som krävs för att förstå följande text.
Genome - helheten av allt ärftligt material från en given organism.
Monomerer bildar polymerer - strukturella enheter som kombineras för att bilda högmolekylära organiska molekyler.
Nukleotider - adenin, guanin, tymin och cytosin - monomerer av DNA-molekylen, organiska molekyler som bildas av fosforsyra, en kolhydrat med 5 kolatomer (deoxiribos eller ribos) och purin (adenin och guanin) eller pyriminin (cytopyriminin) och tymin).
DNA - deoxiribonukleinsyra, grunden för ärftligheten hos organismer, är en dubbelspiral bildad av nukleotider med en kolhydratkomponent - deoxiribos. RNA - ribonukleinsyra, skiljer sig från DNA i närvaro av riboskolhydrat i nukleotiderna och ersättning av tymin med uracil.
Hur det hela började
En grupp forskare vid Columbia University i New York, ledd av E. Chargaff 1950-1952, var engagerad i DNA-kromatografi. Det var redan känt att det består av fyra nukleotider, men ingen har ännu känt till dess spiralformade struktur.visste. Flera studier har visat. Att i en DNA-molekyl är antalet purinbaser lika med antalet pyrimidinbaser. Mer exakt är mängden tymin alltid lika med mängden adenin, och mängden guanin motsvarar mängden cytosin. Denna jämlikhet av kväveh altiga baser är Chargaffs regel för deoxiribonuklein- och ribonukleinsyror.
Mening in biologi
Det var denna regel som blev grunden till vilken Watson och Crick vägleddes när de härledde DNA-molekylens struktur. Deras dubbelsträngade spiralformade tvinnade modell av bollar, trådar och figurer förklarade denna likhet. Chargaffs regler är med andra ord att tymin kombineras med adenin och guanin kombineras med cytosin. Det var detta förhållande av nukleotider som idealiskt passade in i den rumsliga modellen av DNA som föreslagits av Watson och Crick. Upptäckten av strukturen hos deoxiribonukleinsyramolekylen fick vetenskapen att upptäcka en bredare nivå: principerna om variabilitet och ärftlighet, den biologiska syntesen av DNA, förklaringen av evolutionen och dess mekanismer på molekylär nivå.
Chargaff härskar i sin renaste form
Modern vetenskap formulerar dessa grundläggande bestämmelser med följande tre postulat:
- Mängden adenin motsvarar mängden tymin, och cytosin mot guanin: A=T och G=C.
- Mängden puriner är alltid lika med antalet pyrimidiner: A + G=T + C.
- Antalet nukleotider som innehåller pyrimidin i position 4 och 6purinbaser, är lika med antalet nukleotider som innehåller oxogrupper i samma positioner: A + G \u003d C + T.
På 1990-talet, med upptäckten av sekvenseringsteknologier (som bestämmer sekvensen av nukleotider i långa sektioner), bekräftades Chargaffs DNA-regler.
Barnshuvudvärk
På gymnasiet och på universiteten innebär studiet av molekylärbiologi nödvändigtvis att lösa problem med Chargaff-regeln. De kallar bara dessa uppgifter för konstruktionen av en andra DNA-kedja baserad på principen om komplementaritet (spatial komplementaritet av purin- och pyrimidinnukleotider). Tillståndet ger till exempel sekvensen av nukleotider i en kedja - AAGCTAT. Eleven eller studenten måste rekonstruera den andra strängen baserat på DNA-matrissträngen och den första Chargaff-regeln. Svaret blir: GGATCGTS.
En annan typ av uppgift föreslår att man beräknar vikten av en DNA-molekyl, känner till sekvensen av nukleotider i en kedja och den specifika vikten av nukleotider. Chargaffs första biologiregel anses vara grundläggande för att förstå grunderna i molekylär biokemi och genetik.
För vetenskapen är inte allt så enkelt
E. Chargaff fortsatte att studera DNA:s sammansättning och 16 år efter upptäckten av den första lagen delade han upp molekylen i två separata strängar och fann att antalet baser inte är exakt lika, utan bara ungefär. Detta är Chargaffs andra regel: i en separatsträngar av deoxiribonukleinsyra, mängden adenin är ungefär lika med mängden tymin, och guanin - till cytosin.
Jämställdhetskränkningar visade sig vara direkt proportionella mot längden på det analyserade avsnittet. Noggrannheten bibehålls vid en längd av 70-100 tusen baspar, men vid längder av hundratals baspar och mindre bevaras den inte längre. Varför i vissa organismer andelen guanin-cytosin är högre än andelen adenin-tymin, eller vice versa, har vetenskapen ännu inte förklarat. Faktum är att i vanliga genom hos organismer är en jämn fördelning av nukleotider snarare ett undantag än en regel.
DNA avslöjar inte sina hemligheter
Med utvecklingen av genomsekvenseringstekniker fann man att en enkel DNA-sträng innehåller ungefär samma antal komplementära enkla nukleotider, baspar (dinukleotider), trinukleotider och så vidare - upp till oligonukleotider (sektioner av 10-20 nukleotider). Genomerna för alla kända levande organismer följer denna regel, med mycket få undantag.
Två brasilianska forskare - biologen Michael Yamagishi och matematikern Roberto Herai - använde alltså mängdteori för att analysera de nukleotidsekvenser som är nödvändiga för att de ska leda till Chargaff-regeln. De härledde fyra uppsättningsekvationer och testade 32 genom av kända arter. Och det visade sig att fraktalliknande mönster är sant för de flesta arter, inklusive E. coli, växter och människor. Men det mänskliga immunbristviruset och en parasitisk bakterie som orsakar snabb vissningolivträd, lyda inte lagarna i Chargaffs styre alls. Varför? Inget svar ännu.
Biokemister, evolutionsbiologer, cytologer och genetiker kämpar fortfarande med DNA:s mysterier och arvsmekanismerna. Trots den moderna vetenskapens prestationer är mänskligheten långt ifrån att nysta upp universum. Vi övervann gravitationen, bemästrade yttre rymden, lärde oss hur man ändrar genom och bestämmer fostrets patologi i de tidiga stadierna av embryoutveckling. Men vi är fortfarande långt ifrån att förstå alla naturens mekanismer som den har skapat i miljarder år på planeten jorden.
