Šodien diez vai kādu pārsteigs tādi jēdzieni kā iedzimtība, genoms, DNS, nukleotīdi. Ikviens zina par DNS dubulto spirāli un to, ka viņa ir atbildīga par visu organisma pazīmju veidošanos. Taču ne visi zina par tās uzbūves principiem un pakļaušanu Chargaff pamatnoteikumiem.
Apvainots biologs
Divdesmitajā gadsimtā nav daudz atklājumu, kas tiek piešķirts izcilu titulu. Taču Bukovinas (Čerņivci, Ukraina) dzimtā Ervina Čargafa (1905-2002) atklājumi neapšaubāmi ir viens no tiem. Lai gan viņš nesaņēma Nobela prēmiju, viņš līdz savu dienu beigām uzskatīja, ka Džeimss Vatsons un Frensiss Kriks nozaga viņa ideju par DNS divpavedienu spirālveida struktūru un viņa Nobela prēmiju.
Universitātes Polijā, Vācijā, ASV un Francijā lepojas ar šo izcilo bioķīmiķu mācīšanu. Papildus Chargaff DNS pamatnoteikumiem viņš ir pazīstams ar vēl vienu - zelta likumu. Tā to sauc biologi. Un E. Čargafa zelta likums skan šādi: “Viena no viltīgākajām un zemiskākajām zinātnisko modeļu īpašībāmir viņu tendence pārņemt un dažkārt aizstāt realitāti”. Vienkārši izsakoties, tas nozīmē - nesaki dabai, kas jādara, un viņa nepateiks, kur tev jāiet ar visām savām pretenzijām. Daudziem jaunajiem zinātniekiem šis Ervina Šargafa noteikums ir kļuvis par sava veida zinātniskās pētniecības moto.
Akadēmiskie fondi
Atgādiniet galvenos pamatjēdzienus, kas nepieciešami, lai saprastu šo tekstu.
Genoms - visa dotā organisma iedzimtības materiāla kopums.
Monomēri veido polimērus - struktūrvienības, kas savienojas, veidojot augstas molekulārās organiskās molekulas.
Nukleotīdi - adenīns, guanīns, timīns un citozīns - DNS molekulas monomēri, organiskās molekulas, ko veido fosforskābe, ogļhidrāts ar 5 oglekļa atomiem (dezoksiriboze vai riboze) un purīns (adenīns un guanīns) vai pirimidīns (citosīns) un timīna) biezumi.
DNS - dezoksiribonukleīnskābe, organismu iedzimtības pamats, ir dubultspirāle, kas veidojas no nukleotīdiem ar ogļhidrātu komponentu - dezoksiribozi. RNS – ribonukleīnskābe, atšķiras no DNS ar ribozes ogļhidrātu klātbūtni nukleotīdos un timīna aizstāšanu ar uracilu.
Kā tas viss sākās
Zinātnieku grupa Kolumbijas Universitātē Ņujorkā, kuru vadīja E. Čārgafs 1950.–1952. gadā, nodarbojās ar DNS hromatogrāfiju. Jau iepriekš bija zināms, ka tas sastāv no četriem nukleotīdiem, taču neviens vēl nav zinājis par tā spirālveida struktūru.zināja. Vairāki pētījumi ir parādījuši. Ka DNS molekulā purīna bāzu skaits ir vienāds ar pirimidīna bāzu skaitu. Precīzāk, timīna daudzums vienmēr ir vienāds ar adenīna daudzumu, un guanīna daudzums atbilst citozīna daudzumam. Šī slāpekļa bāzu vienlīdzība ir Šargafa noteikums dezoksiribonukleīnskābēm un ribonukleīnskābēm.
Nozīme bioloģijā
Šis noteikums kļuva par pamatu, pēc kura Vatsons un Kriks vadīja DNS molekulas struktūras atvasināšanu. Viņu divpavedienu spirāliski savītais bumbiņu, stiepļu un figūriņu modelis izskaidro šo vienlīdzību. Citiem vārdiem sakot, Chargaff noteikumi ir tādi, ka timīns apvienojas ar adenīnu un guanīns apvienojas ar citozīnu. Tieši šī nukleotīdu attiecība ideāli iekļaujas Vatsona un Krika piedāvātajā DNS telpiskajā modelī. Dezoksiribonukleīnskābes molekulas struktūras atklāšana mudināja zinātni atklāt plašāku līmeni: mainīguma un iedzimtības principus, DNS bioloģisko sintēzi, evolūcijas un tās mehānismu skaidrojumu molekulārā līmenī.
Chargaff noteikumi to tīrākajā formā
Mūsdienu zinātne formulē šos pamatnoteikumus ar šādiem trim postulātiem:
- Adenīna daudzums atbilst timīna daudzumam, bet citozīna - guanīnam: A=T un G=C.
- Purīnu daudzums vienmēr ir vienāds ar pirimidīnu skaitu: A + G=T + C.
- Nukleotīdu skaits, kas satur pirimidīnu 4. un 6. pozīcijāpurīna bāzes, ir vienāds ar nukleotīdu skaitu, kas satur okso grupas vienādās pozīcijās: A + G \u003d C + T.
Deviņdesmitajos gados, atklājot sekvencēšanas tehnoloģijas (nukleotīdu secības noteikšana garos posmos), tika apstiprināti Šargafa DNS noteikumi.
Bērnu galvassāpes
Vidusskolā un universitātēs molekulārās bioloģijas studijās noteikti ir jārisina problēmas saskaņā ar Chargaff likumu. Viņi šos uzdevumus sauc tikai par otrās DNS ķēdes izveidi, pamatojoties uz komplementaritātes principu (purīna un pirimidīna nukleotīdu telpiskā komplementaritāte). Piemēram, nosacījums dod nukleotīdu secību vienā ķēdē - AAGCTAT. Skolēnam vai studentam ir jārekonstruē otrā virkne, pamatojoties uz DNS matricas virkni un pirmo Chargaff likumu. Atbilde būs šāda: GGATCGTS.
Cita veida uzdevumi iesaka aprēķināt DNS molekulas svaru, zinot nukleotīdu secību vienā ķēdē un nukleotīdu īpatnējo smagumu. Šargafa pirmais bioloģijas noteikums tiek uzskatīts par būtisku molekulārās bioķīmijas un ģenētikas pamatu izpratnei.
Zinātnei ne viss ir tik vienkārši
E. Čārgafs turpināja pētīt DNS sastāvu un 16 gadus pēc pirmā likuma atklāšanas sadalīja molekulu divās atsevišķās virknēs un konstatēja, ka bāzu skaits nav gluži vienāds, bet tikai aptuveni. Šis ir Chargaff otrais noteikums: atsevišķādezoksiribonukleīnskābes šķipsnas, adenīna daudzums ir aptuveni vienāds ar timīna daudzumu, bet guanīna - ar citozīnu.
Līdztiesības pārkāpumi izrādījās tieši proporcionāli analizējamās sadaļas garumam. Precizitāte tiek saglabāta 70-100 tūkstošu bāzes pāru garumā, bet simtiem bāzes pāru garumā un mazāk tā vairs netiek saglabāta. Kāpēc dažos organismos guanīna-citozīna procentuālais daudzums ir lielāks par adenīna-timīna procentuālo daļu vai otrādi, zinātne vēl nav izskaidrojusi. Patiešām, parastos organismu genomos vienlīdzīgs nukleotīdu sadalījums ir drīzāk izņēmums, nevis likums.
DNS neatklāj savus noslēpumus
Attīstot genoma sekvencēšanas paņēmienus, tika konstatēts, ka viena DNS virkne satur aptuveni vienādu skaitu komplementāru atsevišķu nukleotīdu, bāzu pāru (dinukleotīdu), trinukleotīdu utt. - līdz pat oligonukleotīdiem (sadaļas 10-20 nukleotīdi). Visu zināmo dzīvo organismu genomi ievēro šo noteikumu, ar ļoti dažiem izņēmumiem.
Tādējādi divi Brazīlijas zinātnieki - biologs Maikls Jamagiši un matemātiķis Roberto Herajs - izmantoja kopu teoriju, lai analizētu nukleotīdu secības, kas tām nepieciešamas, lai radītu Chargaff likumu. Viņi atvasināja četrus vienādojumus un pārbaudīja 32 zināmu sugu genomus. Un izrādījās, ka fraktāliem līdzīgi modeļi ir patiesi lielākajai daļai sugu, tostarp E. coli, augiem un cilvēkiem. Bet cilvēka imūndeficīta vīruss un parazitāra baktērija, kas izraisa ātru vīšanuolīvkoki, nepakļaujas Šargafa valdīšanas likumiem vispār. Kāpēc? Vēl nav atbildes.
Bioķīmiķi, evolūcijas biologi, citologi un ģenētiķi joprojām cīnās ar DNS noslēpumiem un mantojuma mehānismiem. Neskatoties uz mūsdienu zinātnes sasniegumiem, cilvēce ir tālu no Visuma atšķetināšanas. Mēs pārvarējām gravitāciju, apguvām kosmosu, uzzinājām, kā mainīt genomus un noteikt augļa patoloģiju agrīnās embriju attīstības stadijās. Taču mēs joprojām esam tālu no visu dabas mehānismu izpratnes, ko tā ir radījusi miljardiem gadu uz planētas Zeme.
