Σήμερα, σχεδόν κανείς δεν θα εκπλαγεί από έννοιες όπως η κληρονομικότητα, το γονιδίωμα, το DNA, τα νουκλεοτίδια. Όλοι γνωρίζουν για τη διπλή έλικα του DNA και ότι είναι αυτή που είναι υπεύθυνη για το σχηματισμό όλων των σημείων ενός οργανισμού. Αλλά δεν γνωρίζουν όλοι για τις αρχές της δομής και της υποταγής του στους βασικούς κανόνες του Chargaff.
Προσβεβλημένος βιολόγος
Δεν έχουν απονεμηθεί σε πολλές ανακαλύψεις ο τίτλος των εξαιρετικών στον εικοστό αιώνα. Αλλά οι ανακαλύψεις του Erwin Chargaff (1905-2002), ενός καταγωγής από την Bukovina (Chernivtsi, Ουκρανία), είναι αναμφίβολα μία από αυτές. Αν και δεν έλαβε το βραβείο Νόμπελ, πίστευε μέχρι το τέλος των ημερών του ότι ο Τζέιμς Γουάτσον και ο Φράνσις Κρικ έκλεψαν την ιδέα του για τη δίκλωνη ελικοειδή δομή του DNA και το βραβείο Νόμπελ του.
Πανεπιστήμια στην Πολωνία, τη Γερμανία, τις ΗΠΑ και τη Γαλλία είναι περήφανα που διδάσκουν εκεί αυτόν τον εξαιρετικό βιοχημικό. Εκτός από τους θεμελιώδεις κανόνες του Chargaff για το DNA, είναι γνωστός για έναν ακόμη - τον χρυσό κανόνα. Έτσι το λένε οι βιολόγοι. Και ο χρυσός κανόνας του E. Chargaff ακούγεται κάπως έτσι: «Μια από τις πιο ύπουλες και ύπουλες ιδιότητες των επιστημονικών μοντέλωνείναι η τάση τους να αναλαμβάνουν και μερικές φορές να υποκαθιστούν την πραγματικότητα». Με απλά λόγια, αυτό σημαίνει - μην πείτε στη φύση τι να κάνει και δεν θα σας πει πού πρέπει να πάτε με όλους τους ισχυρισμούς σας. Για πολλούς νέους επιστήμονες, αυτός ο κανόνας του Erwin Chargaff έχει γίνει ένα είδος μότο της επιστημονικής έρευνας.
Ακαδημαϊκά ιδρύματα
Θυμηθείτε τις βασικές θεμελιώδεις έννοιες που είναι απαραίτητες για την κατανόηση του παρακάτω κειμένου.
Γονιδίωμα - το σύνολο όλου του κληρονομικού υλικού ενός δεδομένου οργανισμού.
Τα μονομερή σχηματίζουν πολυμερή - δομικές μονάδες που συνδυάζονται για να σχηματίσουν υψηλά μοριακά οργανικά μόρια.
Νουκλεοτίδια - αδενίνη, γουανίνη, θυμίνη και κυτοσίνη - μονομερή του μορίου DNA, οργανικά μόρια που σχηματίζονται από φωσφορικό οξύ, υδατάνθρακας με 5 άτομα άνθρακα (δεοξυριβόζη ή ριβόζη) και πουρίνη (αδενίνη και γουανίνη (ορκυτοξίνη) και θυμίνη) αλεσμάτων.
DNA - το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, η βάση της κληρονομικότητας των οργανισμών, είναι μια διπλή έλικα που σχηματίζεται από νουκλεοτίδια με ένα συστατικό υδατάνθρακα - δεοξυριβόζη. Το RNA - ριβονουκλεϊκό οξύ, διαφέρει από το DNA με την παρουσία υδατάνθρακα ριβόζης στα νουκλεοτίδια και την αντικατάσταση της θυμίνης με ουρακίλη.
Πώς ξεκίνησαν όλα
Μια ομάδα επιστημόνων στο Πανεπιστήμιο Columbia στη Νέα Υόρκη, με επικεφαλής τον E. Chargaff το 1950-1952, ασχολήθηκε με τη χρωματογραφία DNA. Ήταν ήδη γνωστό ότι αποτελείται από τέσσερα νουκλεοτίδια, αλλά κανείς δεν γνωρίζει ακόμη για την ελικοειδή δομή του.γνώριζε. Πολλές μελέτες έχουν δείξει. Ότι σε ένα μόριο DNA ο αριθμός των βάσεων πουρίνης είναι ίσος με τον αριθμό των βάσεων πυριμιδίνης. Πιο συγκεκριμένα, η ποσότητα της θυμίνης είναι πάντα ίση με την ποσότητα της αδενίνης και η ποσότητα της γουανίνης αντιστοιχεί στην ποσότητα της κυτοσίνης. Αυτή η ισότητα των αζωτούχων βάσεων είναι ο κανόνας του Chargaff για τα δεοξυριβονουκλεϊκά και ριβονουκλεϊκά οξέα.
Έννοια στη βιολογία
Αυτός ο κανόνας αποτέλεσε τη βάση πάνω στην οποία καθοδηγήθηκαν οι Watson και Crick κατά την εξαγωγή της δομής του μορίου του DNA. Το δίκλωνο ελικοειδώς στριμμένο μοντέλο τους από μπάλες, σύρματα και ειδώλια εξηγούσε αυτή την ισότητα. Με άλλα λόγια, οι κανόνες του Chargaff είναι ότι η θυμίνη συνδυάζεται με την αδενίνη και η γουανίνη με την κυτοσίνη. Ήταν αυτή η αναλογία νουκλεοτιδίων που ταιριάζει ιδανικά στο χωρικό μοντέλο του DNA που πρότειναν οι Watson και Crick. Η ανακάλυψη της δομής του μορίου του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος ώθησε την επιστήμη να ανακαλύψει ένα ευρύτερο επίπεδο: τις αρχές της μεταβλητότητας και της κληρονομικότητας, τη βιολογική σύνθεση του DNA, την εξήγηση της εξέλιξης και τους μηχανισμούς της σε μοριακό επίπεδο.
Οι κανόνες Chargaff στην πιο αγνή τους μορφή
Η σύγχρονη επιστήμη διατυπώνει αυτές τις θεμελιώδεις διατάξεις με τα ακόλουθα τρία αξιώματα:
- Η ποσότητα της αδενίνης αντιστοιχεί στην ποσότητα της θυμίνης και της κυτοσίνης στη γουανίνη: A=T και G=C.
- Η ποσότητα των πουρινών είναι πάντα ίση με τον αριθμό των πυριμιδινών: A + G=T + C.
- Ο αριθμός των νουκλεοτιδίων που περιέχουν πυριμιδίνη στη θέση 4 και 6βάσεις πουρίνης, ισούται με τον αριθμό των νουκλεοτιδίων που περιέχουν οξοομάδες στις ίδιες θέσεις: A + G \u003d C + T.
Στη δεκαετία του 1990, με την ανακάλυψη των τεχνολογιών αλληλούχισης (καθορισμός της αλληλουχίας των νουκλεοτιδίων σε μεγάλες τομές), επιβεβαιώθηκαν οι κανόνες του DNA του Chargaff.
Παιδικός πονοκέφαλος
Στο γυμνάσιο και στα πανεπιστήμια, η μελέτη της μοριακής βιολογίας περιλαμβάνει αναγκαστικά την επίλυση προβλημάτων σχετικά με τον κανόνα Chargaff. Ονομάζουν αυτές τις εργασίες μόνο την κατασκευή μιας δεύτερης αλυσίδας DNA που βασίζεται στην αρχή της συμπληρωματικότητας (χωρική συμπληρωματικότητα νουκλεοτιδίων πουρίνης και πυριμιδίνης). Για παράδειγμα, η συνθήκη δίνει την αλληλουχία των νουκλεοτιδίων σε μία αλυσίδα - AAGCTAT. Ο μαθητής ή ο μαθητής καλείται να ανακατασκευάσει τον δεύτερο κλώνο με βάση τον κλώνο μήτρας DNA και τον πρώτο κανόνα Chargaff. Η απάντηση θα είναι: GGATCGTS.
Ένας άλλος τύπος εργασίας προτείνει τον υπολογισμό του βάρους ενός μορίου DNA, τη γνώση της αλληλουχίας των νουκλεοτιδίων σε μία αλυσίδα και του ειδικού βάρους των νουκλεοτιδίων. Ο πρώτος κανόνας της βιολογίας του Chargaff θεωρείται θεμελιώδης για την κατανόηση των βασικών στοιχείων της μοριακής βιοχημείας και της γενετικής.
Για την επιστήμη, δεν είναι όλα τόσο απλά
E. Ο Chargaff συνέχισε να μελετά τη σύνθεση του DNA και 16 χρόνια μετά την ανακάλυψη του πρώτου νόμου, χώρισε το μόριο σε δύο ξεχωριστούς κλώνους και διαπίστωσε ότι ο αριθμός των βάσεων δεν είναι ακριβώς ίσος, αλλά μόνο κατά προσέγγιση. Αυτός είναι ο δεύτερος κανόνας του Chargaff: σε ξεχωριστόκλώνων δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος, η ποσότητα της αδενίνης είναι περίπου ίση με την ποσότητα της θυμίνης και η γουανίνη - με την κυτοσίνη.
Οι παραβιάσεις της ισότητας αποδείχθηκαν ευθέως ανάλογες με το μήκος της ενότητας που αναλύθηκε. Η ακρίβεια διατηρείται σε μήκος 70-100 χιλιάδων ζευγών βάσεων, αλλά σε μήκη εκατοντάδων ζευγών βάσεων και λιγότερο, δεν διατηρείται πλέον. Γιατί σε ορισμένους οργανισμούς το ποσοστό γουανίνης-κυτοσίνης είναι υψηλότερο από το ποσοστό αδενίνης-θυμίνης ή το αντίστροφο, η επιστήμη δεν έχει εξηγήσει ακόμη. Πράγματι, στα συνηθισμένα γονιδιώματα των οργανισμών, η ίση κατανομή νουκλεοτιδίων είναι μάλλον εξαίρεση παρά κανόνας.
Το DNA δεν αποκαλύπτει τα μυστικά του
Με την ανάπτυξη τεχνικών προσδιορισμού αλληλουχίας γονιδιώματος, βρέθηκε ότι ένας μόνο κλώνος DNA περιέχει περίπου τον ίδιο αριθμό συμπληρωματικών μεμονωμένων νουκλεοτιδίων, ζεύγη βάσεων (δινουκλεοτίδια), τρινουκλεοτίδια και ούτω καθεξής - έως ολιγονουκλεοτίδια (τμήματα 10-20 νουκλεοτίδια). Τα γονιδιώματα όλων των γνωστών ζωντανών οργανισμών υπακούουν σε αυτόν τον κανόνα, με πολύ λίγες εξαιρέσεις.
Έτσι, δύο Βραζιλιάνοι επιστήμονες - ο βιολόγος Michael Yamagishi και ο μαθηματικός Roberto Herai - χρησιμοποίησαν τη θεωρία συνόλων για να αναλύσουν τις απαραίτητες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων για να οδηγήσουν στον κανόνα Chargaff. Προέκυψαν τέσσερις εξισώσεις και εξέτασαν 32 γονιδιώματα γνωστών ειδών. Και αποδείχθηκε ότι τα μοτίβα που μοιάζουν με φράκταλ ισχύουν για τα περισσότερα είδη, συμπεριλαμβανομένου του E. coli, των φυτών και των ανθρώπων. Όμως ο ιός της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας και ένα παρασιτικό βακτήριο που προκαλεί γρήγορο μαρασμόελιές, μην υπακούτε καθόλου στους νόμους του κανόνα του Chargaff. Γιατί; Καμία απάντηση ακόμα.
Βιοχημικοί, εξελικτικοί βιολόγοι, κυτταρολόγοι και γενετιστές εξακολουθούν να παλεύουν με τα μυστήρια του DNA και τους μηχανισμούς κληρονομικότητας. Παρά τα επιτεύγματα της σύγχρονης επιστήμης, η ανθρωπότητα απέχει πολύ από το να ξετυλίξει το σύμπαν. Ξεπεράσαμε τη βαρύτητα, κατακτήσαμε το διάστημα, μάθαμε πώς να αλλάζουμε τα γονιδιώματα και να προσδιορίζουμε την παθολογία του εμβρύου στα αρχικά στάδια ανάπτυξης του εμβρύου. Αλλά απέχουμε ακόμα πολύ από το να κατανοήσουμε όλους τους μηχανισμούς της φύσης που έχει δημιουργήσει εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια στον πλανήτη Γη.
