Tegenwoordig zal bijna niemand verrast zijn door concepten als erfelijkheid, genoom, DNA, nucleotiden. Iedereen kent de dubbele helix van DNA en dat zij het is die verantwoordelijk is voor de vorming van alle tekens van een organisme. Maar niet iedereen kent de principes van de structuur en ondergeschiktheid aan de basisregels van Chargaff.
Beledigde bioloog
In de twintigste eeuw krijgen niet veel ontdekkingen de titel van uitmuntendheid. Maar de ontdekkingen van Erwin Chargaff (1905-2002), een inwoner van Boekovina (Tsjernivtsi, Oekraïne), zijn er ongetwijfeld een van. Hoewel hij geen Nobelprijs ontving, geloofde hij tot het einde van zijn dagen dat James Watson en Francis Crick zijn idee van de dubbelstrengige spiraalvormige structuur van DNA en zijn Nobelprijs hadden gestolen.
Universiteiten in Polen, Duitsland, de VS en Frankrijk zijn er trots op dit uitstekende biochemicusonderwijs daar te hebben. Naast Chargaffs fundamentele regels voor DNA, staat hij bekend om een andere - de gouden regel. Zo noemen biologen het. En de gouden regel van E. Chargaff klinkt als volgt: “Een van de meest verraderlijke en snode eigenschappen van wetenschappelijke modellenis hun neiging om de werkelijkheid over te nemen en soms te verdringen . In eenvoudige bewoordingen betekent dit: vertel de natuur niet wat ze moet doen, en ze zal je niet vertellen waar je heen moet met al je claims. Voor veel jonge wetenschappers is deze regel van Erwin Chargaff een soort motto van wetenschappelijk onderzoek geworden.
Academische stichtingen
Bedenk de fundamentele basisconcepten die nodig zijn om de volgende tekst te begrijpen.
Genoom - de totaliteit van al het erfelijk materiaal van een bepaald organisme.
Monomeren vormen polymeren - structurele eenheden die samen hoogmoleculaire organische moleculen vormen.
Nucleotiden - adenine, guanine, thymine en cytosine - monomeren van het DNA-molecuul, organische moleculen gevormd door fosforzuur, een koolhydraat met 5 koolstofatomen (deoxyribose of ribose) en purine (adenine en guanine) of pyrimidine (cytosine en thymine) gronden.
DNA - deoxyribonucleïnezuur, de basis van de erfelijkheid van organismen, is een dubbele helix gevormd uit nucleotiden met een koolhydraatcomponent - deoxyribose. RNA - ribonucleïnezuur, verschilt van DNA in de aanwezigheid van ribose-koolhydraat in de nucleotiden en de vervanging van thymine door uracil.
Hoe het allemaal begon
Een groep wetenschappers aan de Columbia University in New York, onder leiding van E. Chargaff in 1950-1952, hield zich bezig met DNA-chromatografie. Het was al bekend dat het uit vier nucleotiden bestaat, maar over de helixstructuur is nog niemand bekend.wist. Meerdere onderzoeken hebben aangetoond. Dat in een DNA-molecuul het aantal purinebasen gelijk is aan het aantal pyrimidinebasen. Om precies te zijn, de hoeveelheid thymine is altijd gelijk aan de hoeveelheid adenine en de hoeveelheid guanine komt overeen met de hoeveelheid cytosine. Deze gelijkheid van stikstofbasen is de regel van Chargaff voor deoxyribonucleïne- en ribonucleïnezuren.
Betekenis in de biologie
Het was deze regel die de basis werd waarop Watson en Crick werden geleid bij het afleiden van de structuur van het DNA-molecuul. Hun dubbelstrengs spiraalvormig gedraaide model van ballen, draden en beeldjes verklaarde deze gelijkheid. Met andere woorden, de regels van Chargaff zijn dat thymine combineert met adenine en guanine combineert met cytosine. Het was deze verhouding van nucleotiden die ideaal past in het door Watson en Crick voorgestelde ruimtelijke model van DNA. De ontdekking van de structuur van het deoxyribonucleïnezuurmolecuul zette de wetenschap ertoe aan een breder niveau te ontdekken: de principes van variabiliteit en erfelijkheid, de biologische synthese van DNA, de verklaring van evolutie en zijn mechanismen op moleculair niveau.
Chargaff-regels in hun puurste vorm
De moderne wetenschap formuleert deze fundamentele bepalingen met de volgende drie postulaten:
- De hoeveelheid adenine komt overeen met de hoeveelheid thymine, en cytosine met guanine: A=T en G=C.
- De hoeveelheid purines is altijd gelijk aan het aantal pyrimidines: A + G=T + C.
- Het aantal nucleotiden dat pyrimidine bevat op positie 4 en 6purinebasen, is gelijk aan het aantal nucleotiden dat oxo-groepen op dezelfde posities bevat: A + G \u003d C + T.
In de jaren negentig, met de ontdekking van sequencing-technologieën (het bepalen van de volgorde van nucleotiden in lange secties), werden de DNA-regels van Chargaff bevestigd.
Kinderhoofdpijn
Op de middelbare school en op universiteiten omvat de studie van moleculaire biologie noodzakelijkerwijs het oplossen van problemen met de Chargaff-regel. Ze noemen deze taken alleen de constructie van een tweede DNA-keten op basis van het principe van complementariteit (ruimtelijke complementariteit van purine- en pyrimidine-nucleotiden). De voorwaarde geeft bijvoorbeeld de volgorde van nucleotiden in één keten - AAGCTAT. De leerling of student moet de tweede streng reconstrueren op basis van de DNA-matrixstreng en de eerste Chargaff-regel. Het antwoord is: GGATCGTS.
Een ander type taak stelt voor om het gewicht van een DNA-molecuul te berekenen, de volgorde van nucleotiden in één keten en het soortelijk gewicht van nucleotiden te kennen. De eerste regel van de biologie van Chargaff wordt als fundamenteel beschouwd voor het begrijpen van de basisprincipes van moleculaire biochemie en genetica.
Voor de wetenschap is niet alles zo eenvoudig
E. Chargaff bleef de samenstelling van DNA bestuderen en 16 jaar na de ontdekking van de eerste wet verdeelde hij het molecuul in twee afzonderlijke strengen en ontdekte dat het aantal basen niet precies gelijk is, maar slechts bij benadering. Dit is de tweede regel van Chargaff: in een apartestrengen deoxyribonucleïnezuur, de hoeveelheid adenine is ongeveer gelijk aan de hoeveelheid thymine, en guanine - aan cytosine.
Gelijkheidsschendingen bleken recht evenredig te zijn met de lengte van de geanalyseerde sectie. De nauwkeurigheid wordt gehandhaafd op een lengte van 70-100 duizend basenparen, maar bij een lengte van honderden basenparen en minder wordt deze niet langer bewaard. Waarom in sommige organismen het percentage guanine-cytosine hoger is dan het percentage adenine-thymine, of omgekeerd, heeft de wetenschap nog niet verklaard. In gewone genomen van organismen is een gelijke verdeling van nucleotiden eerder een uitzondering dan een regel.
DNA onthult zijn geheimen niet
Met de ontwikkeling van technieken voor genoomsequentiebepaling, werd ontdekt dat een enkele DNA-streng ongeveer hetzelfde aantal complementaire enkele nucleotiden, basenparen (dinucleotiden), trinucleotiden, enzovoort bevat - tot aan oligonucleotiden (secties van 10-20 nucleotiden). De genomen van alle bekende levende organismen gehoorzamen aan deze regel, op enkele uitzonderingen na.
Dus twee Braziliaanse wetenschappers - bioloog Michael Yamagishi en wiskundige Roberto Herai - gebruikten de verzamelingenleer om de nucleotidesequenties te analyseren die nodig zijn om tot de Chargaff-regel te leiden. Ze leidden vier reeksvergelijkingen af en testten 32 genomen van bekende soorten. En het bleek dat fractal-achtige patronen gelden voor de meeste soorten, waaronder E. coli, planten en mensen. Maar het humaan immunodeficiëntievirus en een parasitaire bacterie die snelle verwelking veroorzaaktolijfbomen, gehoorzamen helemaal niet aan de wetten van Chargaff's regel. Waarom? Nog geen antwoord.
Biochemici, evolutionaire biologen, cytologen en genetici worstelen nog steeds met de mysteries van DNA en de mechanismen van overerving. Ondanks de prestaties van de moderne wetenschap, is de mensheid nog lang niet bezig met het ontrafelen van het universum. We hebben de zwaartekracht overwonnen, de ruimte onder de knie gekregen, geleerd hoe we genomen kunnen veranderen en de pathologie van de foetus kunnen bepalen in de vroege stadia van de embryonale ontwikkeling. Maar we begrijpen nog lang niet alle mechanismen van de natuur die ze al miljarden jaren op planeet Aarde heeft gecreëerd.
