Danes bo komaj kdo presenečen nad pojmi, kot so dednost, genom, DNK, nukleotidi. Vsi vedo za dvojno vijačnico DNK in da je ona tista, ki je odgovorna za nastanek vseh znakov organizma. Toda vsi ne vedo o načelih njegove strukture in podrejenosti osnovnim pravilom Chargaffa.
Užaljeni biolog
V dvajsetem stoletju ni veliko odkritij prejelo naziv izjemnih. Toda odkritja Erwina Chargaffa (1905-2002), po rodu iz Bukovine (Černivci, Ukrajina), so nedvomno eno izmed njih. Čeprav ni prejel Nobelove nagrade, je do konca svojih dni verjel, da sta James Watson in Francis Crick ukradla njegovo idejo o dvoverižni spiralni strukturi DNK in njegovo Nobelovo nagrado.
Univerze na Poljskem, v Nemčiji, ZDA in Franciji so ponosne, da tam poučujejo tega izjemnega biokemika. Poleg Chargaffovih temeljnih pravil za DNK je znan še po enem – zlatem pravilu. Tako mu pravijo biologi. In zlato pravilo E. Chargaffa zveni takole: »Ena najbolj zahrbtnih in zlobnih lastnosti znanstvenih modelovje njihova težnja, da prevzamejo in včasih izpodrinejo realnost. Preprosto povedano, to pomeni - ne povejte naravi, kaj naj naredi, in ona vam ne bo povedala, kam bi morali iti z vsemi svojimi trditvami. Za mnoge mlade znanstvenike je to pravilo Erwina Chargaffa postalo nekakšen moto znanstvenih raziskav.
Akademske fundacije
Spomnite si osnovne temeljne koncepte, potrebne za razumevanje naslednjega besedila.
Genom - celota vsega dednega materiala določenega organizma.
Monomeri tvorijo polimere - strukturne enote, ki se združujejo v visokomolekularne organske molekule.
Nukleotidi - adenin, gvanin, timin in citozin - monomeri molekule DNK, organske molekule, ki jih tvori fosforjeva kislina, ogljikov hidrat s 5 atomi ogljika (deoksiriboza ali riboza) in purin (adenin in gvanin) ali citorimidin in timina).
DNK - deoksiribonukleinska kislina, osnova dednosti organizmov, je dvojna vijačnica, sestavljena iz nukleotidov z ogljikovo hidratno komponento - deoksiribozo. RNA - ribonukleinska kislina, se od DNK razlikuje po prisotnosti riboze ogljikovih hidratov v nukleotidih in zamenjavi timina z uracilom.
Kako se je vse začelo
Skupina znanstvenikov na univerzi Columbia v New Yorku, ki jo je v letih 1950-1952 vodil E. Chargaff, se je ukvarjala s kromatografijo DNK. Znano je bilo že, da je sestavljen iz štirih nukleotidov, vendar za njegovo spiralno strukturo še nihče ni vedel.vedel. Več študij je pokazalo. Da je v molekuli DNK število purinskih baz enako številu pirimidinskih baz. Natančneje, količina timina je vedno enaka količini adenina, količina gvanina pa ustreza količini citozina. Ta enakost dušikovih baz je Chargaffovo pravilo za deoksiribonukleinske in ribonukleinske kisline.
Pomen v biologiji
Prav to pravilo je postalo osnova, po kateri sta se Watson in Crick vodila pri izpeljavi strukture molekule DNK. Njihov dvoverižni spiralno zasukani model kroglic, žic in figuric je pojasnil to enakost. Z drugimi besedami, Chargaffova pravila so, da se timin kombinira z adeninom, gvanin pa s citozinom. Prav to razmerje nukleotidov se je idealno ujemalo s prostorskim modelom DNK, ki sta ga predlagala Watson in Crick. Odkritje strukture molekule deoksiribonukleinske kisline je spodbudilo znanost k odkrivanju širše ravni: načel variabilnosti in dednosti, biološke sinteze DNK, razlage evolucije in njenih mehanizmov na molekularni ravni.
Chargaff pravila v najčistejši obliki
Sodobna znanost te temeljne določbe oblikuje z naslednjimi tremi postulati:
- Količina adenina ustreza količini timina, citozina pa gvaninu: A=T in G=C.
- Količina purinov je vedno enaka številu pirimidinov: A + G=T + C.
- Število nukleotidov, ki vsebujejo pirimidin na položaju 4 in 6purinskih baz, je enako številu nukleotidov, ki vsebujejo okso skupine na istih položajih: A + G \u003d C + T.
V devetdesetih letih prejšnjega stoletja so bila z odkritjem tehnologij zaporedja (določanje zaporedja nukleotidov v dolgih odsekih) potrjena Chargaffova DNK pravila.
otroški glavobol
V srednji šoli in na univerzah študij molekularne biologije nujno vključuje reševanje problemov po Chargaffovem pravilu. Tem nalogam pravijo le gradnja druge verige DNK po principu komplementarnosti (prostorska komplementarnost purinskih in pirimidinskih nukleotidov). Pogoj na primer daje zaporedje nukleotidov v eni verigi - AAGCTAT. Učenec ali študent mora rekonstruirati drugo verigo na podlagi verige matrike DNK in prvega Chargaffovega pravila. Odgovor bo: GGATCGTS.
Druga vrsta naloge predlaga izračun teže molekule DNK, poznavanje zaporedja nukleotidov v eni verigi in specifične teže nukleotidov. Chargaffovo prvo biološko pravilo velja za temeljno za razumevanje osnov molekularne biokemije in genetike.
Za znanost ni vse tako preprosto
E. Chargaff je nadaljeval s preučevanjem sestave DNK in 16 let po odkritju prvega zakona je molekulo razdelil na dve ločeni verigi in ugotovil, da število baz ni povsem enako, ampak le približno. To je Chargaffovo drugo pravilo: ločenopramenov deoksiribonukleinske kisline je količina adenina približno enaka količini timina, gvanina pa citozinu.
Kršitve enakosti so se izkazale za premosorazmerne z dolžino analiziranega odseka. Natančnost se ohranja pri dolžini 70-100 tisoč baznih parov, pri dolžinah več sto baznih parov in manj pa ni več ohranjena. Zakaj je pri nekaterih organizmih odstotek gvanin-citozina višji od odstotka adenin-timina ali obratno, znanost še ni pojasnila. Pravzaprav je v običajnih genomih organizmov enaka porazdelitev nukleotidov prej izjema kot pravilo.
DNK ne razkriva svojih skrivnosti
Z razvojem tehnik zaporedja genoma je bilo ugotovljeno, da ena veriga DNK vsebuje približno enako število komplementarnih posameznih nukleotidov, baznih parov (dinukleotidov), trinukleotidov in tako naprej – do oligonukleotidov (odsekov 10-20 nukleotidov). Genomi vseh znanih živih organizmov upoštevajo to pravilo, z zelo redkimi izjemami.
Tako sta dva brazilska znanstvenika - biolog Michael Yamagishi in matematik Roberto Herai - uporabila teorijo množic za analizo nukleotidnih zaporedij, potrebnih za njihovo privedbo do Chargaffovega pravila. Izpeljali so štiri nabor enačb in testirali 32 genomov znanih vrst. In izkazalo se je, da vzorci, podobni fraktalom, veljajo za večino vrst, vključno z E. coli, rastlinami in ljudmi. Toda virus človeške imunske pomanjkljivosti in parazitska bakterija, ki povzroča hitro venenjeoljk, sploh ne upoštevajte zakonov Chargaffove vladavine. zakaj? Še ni odgovora.
Biokemiki, evolucijski biologi, citologi in genetiki se še vedno spopadajo s skrivnostmi DNK in mehanizmi dedovanja. Kljub dosežkom sodobne znanosti človeštvo še zdaleč ni razvozlalo vesolja. Premagali smo gravitacijo, obvladali vesolje, se naučili spreminjati genome in ugotavljati patologijo ploda v zgodnjih fazah razvoja zarodka. Še vedno pa smo daleč od razumevanja vseh mehanizmov narave, ki jih je ustvarila milijarde let na planetu Zemlja.
