Dnes už sotva niekoho prekvapia také pojmy ako dedičnosť, genóm, DNA, nukleotidy. Každý vie o dvojitej špirále DNA a že je to ona, ktorá je zodpovedná za tvorbu všetkých znakov organizmu. Nie každý však vie o princípoch jeho štruktúry a podriadenosti základným pravidlám Chargaffu.
Urazený biológ
V 20. storočí nie je veľa objavov ocenených titulom výnimočné. Ale objavy Erwina Chargaffa (1905-2002), rodáka z Bukoviny (Černivci, Ukrajina), sú nepochybne jedným z nich. Hoci nedostal Nobelovu cenu, až do konca svojich dní veril, že James Watson a Francis Crick ukradli jeho myšlienku dvojvláknovej špirálovej štruktúry DNA a jeho Nobelovu cenu.
Univerzity v Poľsku, Nemecku, USA a Francúzsku sú hrdé na to, že tam vyučuje tento vynikajúci biochemik. Okrem základných Chargaffových pravidiel pre DNA je známy aj ďalším – zlatým pravidlom. Tak tomu hovoria biológovia. A takto znie zlaté pravidlo E. Chargaffa: „Jedna z najzákernejších a najohavnejších vlastností vedeckých modelovje ich tendencia preberať a niekedy aj vytláčať realitu“. Zjednodušene to znamená – nehovor prírode, čo má robiť, a ona ti nepovie, kam by si mal ísť so všetkými svojimi nárokmi. Pre mnohých mladých vedcov sa toto pravidlo Erwina Chargaffa stalo akýmsi mottom vedeckého výskumu.
Akademické základy
Pripomeňte si základné základné pojmy potrebné na pochopenie nasledujúceho textu.
Genóm – súhrn všetkého dedičného materiálu daného organizmu.
Monoméry tvoria polyméry – štruktúrne jednotky, ktoré sa spájajú a vytvárajú vysokomolekulárne organické molekuly.
Nukleotidy - adenín, guanín, tymín a cytozín - monoméry molekuly DNA, organické molekuly tvorené kyselinou fosforečnou, sacharid s 5 atómami uhlíka (deoxyribóza alebo ribóza) a purín (adenín a guanín) alebo pyrimidín (cytozín a tymín) zem.
DNA - kyselina deoxyribonukleová, základ dedičnosti organizmov, je dvojzávitnica tvorená z nukleotidov so sacharidovou zložkou - deoxyribózou. RNA - kyselina ribonukleová, líši sa od DNA prítomnosťou ribózových sacharidov v nukleotidoch a nahradením tymínu uracilom.
Ako to všetko začalo
Skupina vedcov z Kolumbijskej univerzity v New Yorku pod vedením E. Chargaffa v rokoch 1950-1952 sa zaoberala DNA chromatografiou. Už sa vedelo, že pozostáva zo štyroch nukleotidov, no o jej špirálovej štruktúre ešte nikto nevedel.vedel. Viaceré štúdie ukázali. Že v molekule DNA sa počet purínových báz rovná počtu pyrimidínových báz. Presnejšie, množstvo tymínu sa vždy rovná množstvu adenínu a množstvo guanínu zodpovedá množstvu cytozínu. Táto rovnosť dusíkatých zásad je Chargaffovým pravidlom pre deoxyribonukleové a ribonukleové kyseliny.
Význam v biológii
Práve toto pravidlo sa stalo základom, ktorým sa Watson a Crick riadili pri odvodzovaní štruktúry molekuly DNA. Ich dvojvláknový špirálovito stočený model gúľ, drôtov a figurín vysvetlil túto rovnosť. Inými slovami, Chargaffove pravidlá sú také, že tymín sa spája s adenínom a guanín s cytozínom. Práve tento pomer nukleotidov ideálne zapadá do priestorového modelu DNA, ktorý navrhli Watson a Crick. Objav štruktúry molekuly deoxyribonukleovej kyseliny podnietil vedu objaviť širšiu úroveň: princípy variability a dedičnosti, biologickú syntézu DNA, vysvetlenie evolúcie a jej mechanizmov na molekulárnej úrovni.
Pravidlá Chargaffu v ich najčistejšej podobe
Moderná veda formuluje tieto základné ustanovenia pomocou nasledujúcich troch postulátov:
- Množstvo adenínu zodpovedá množstvu tymínu a cytozínu guanínu: A=T a G=C.
- Množstvo purínov sa vždy rovná počtu pyrimidínov: A + G=T + C.
- Počet nukleotidov, ktoré obsahujú pyrimidín v pozícii 4 a 6purínových báz sa rovná počtu nukleotidov, ktoré obsahujú oxoskupiny v rovnakých pozíciách: A + G \u003d C + T.
V deväťdesiatych rokoch s objavom sekvenčných technológií (určenie sekvencie nukleotidov v dlhých úsekoch) sa potvrdili Chargaffove pravidlá DNA.
Bolesť hlavy detí
Na strednej škole a na univerzitách štúdium molekulárnej biológie nevyhnutne zahŕňa riešenie problémov podľa Chargaffovho pravidla. Tieto úlohy nazývajú len konštrukciou druhého reťazca DNA na princípe komplementarity (priestorová komplementarita purínových a pyrimidínových nukleotidov). Napríklad podmienka udáva sekvenciu nukleotidov v jednom reťazci – AAGCTAT. Od žiaka alebo študenta sa vyžaduje, aby zrekonštruoval druhé vlákno na základe vlákna matrice DNA a prvého Chargaffovho pravidla. Odpoveď bude: GGATCGTS.
Ďalším typom úloh je vypočítať hmotnosť molekuly DNA, poznať sekvenciu nukleotidov v jednom reťazci a špecifickú hmotnosť nukleotidov. Chargaffovo prvé pravidlo biológie sa považuje za zásadné pre pochopenie základov molekulárnej biochémie a genetiky.
Pre vedu nie je všetko také jednoduché
E. Chargaff pokračoval v štúdiu zloženia DNA a 16 rokov po objavení prvého zákona rozdelil molekulu na dve samostatné vlákna a zistil, že počet báz nie je úplne rovnaký, ale len približne. Toto je druhé Chargaffovo pravidlo: v samostatnomvlákna deoxyribonukleovej kyseliny, množstvo adenínu sa približne rovná množstvu tymínu a guanínu - cytozínu.
Porušenia rovnosti sa ukázali byť priamo úmerné dĺžke analyzovaného úseku. Presnosť je zachovaná pri dĺžke 70-100 tisíc párov báz, ale pri dĺžkach stoviek párov báz a menej sa už nezachováva. Prečo je v niektorých organizmoch percento guanínu-cytozínu vyššie ako percento adenín-tymínu alebo naopak, veda doteraz nevysvetlila. Skutočne, v bežných genómoch organizmov je rovnomerné rozloženie nukleotidov skôr výnimkou ako pravidlom.
DNA neprezrádza svoje tajomstvá
Vývojom techník sekvenovania genómu sa zistilo, že jeden reťazec DNA obsahuje približne rovnaký počet komplementárnych jednoduchých nukleotidov, párov báz (dinukleotidov), trinukleotidov atď. - až po oligonukleotidy (časti 10-20 nukleotidov). Genómy všetkých známych živých organizmov dodržiavajú toto pravidlo, až na niekoľko výnimiek.
Dvaja brazílski vedci – biológ Michael Yamagishi a matematik Roberto Herai – teda použili teóriu množín na analýzu nukleotidových sekvencií potrebných na to, aby viedli k Chargaffovmu pravidlu. Odvodili štyri sady rovníc a testovali 32 genómov známych druhov. A ukázalo sa, že vzory podobné fraktálom sú pravdivé pre väčšinu druhov vrátane E. coli, rastlín a ľudí. Ale vírus ľudskej imunodeficiencie a parazitická baktéria, ktorá spôsobuje rýchle vädnutieolivovníky, vôbec nedodržiavajte zákony Chargaffovej vlády. prečo? Zatiaľ žiadna odpoveď.
Biochemici, evoluční biológovia, cytológovia a genetici stále zápasia so záhadami DNA a mechanizmami dedičnosti. Napriek výdobytkom modernej vedy je ľudstvo ďaleko od rozpletenia vesmíru. Prekonali sme gravitáciu, osvojili sme si vesmír, naučili sme sa meniť genómy a určovať patológiu plodu v raných štádiách vývoja embrya. Stále sme však ďaleko od pochopenia všetkých mechanizmov prírody, ktoré na planéte Zem vytvárala miliardy rokov.
