Vaev alt täna kedagi üllatavad sellised mõisted nagu pärilikkus, genoom, DNA, nukleotiidid. Kõik teavad DNA kaksikheeliksist ja seda, et just tema vastutab kõigi organismi märkide moodustumise eest. Kuid mitte kõik ei tea selle ülesehituse ja Chargaffi põhireeglitele allutamise põhimõtteid.
Solvunud bioloog
Kahekümnendal sajandil ei omistata paljudele avastustele silmapaistva tiitlit. Kuid Bukovinast (Tšernivtsi, Ukraina) pärit Erwin Chargaffi (1905–2002) avastused on kahtlemata üks neist. Kuigi ta ei saanud Nobeli preemiat, uskus ta oma päevade lõpuni, et James Watson ja Francis Crick varastasid tema idee DNA kaheahelalisest spiraalsest struktuurist ja tema Nobeli preemia.
Poola, Saksamaa, USA ja Prantsusmaa ülikoolid on uhked selle silmapaistva biokeemiku õpetamise üle seal. Lisaks Chargaffi DNA põhireeglitele on ta tuntud veel ühe – kuldreegli – poolest. Nii nimetavad seda bioloogid. Ja E. Chargaffi kuldreegel kõlab nii: „Teadusmudelite üks salakavalamaid ja alatumaid omadusion nende kalduvus reaalsust üle võtta ja mõnikord ka välja tõrjuda. Lihtsam alt öeldes tähendab see – ära ütle loodusele, mida teha, ja ta ei ütle sulle, kuhu peaksid kõigi oma väidetega pöörduma. Paljude noorte teadlaste jaoks on see Erwin Chargaffi reegel saanud omamoodi teadusliku uurimistöö motoks.
Akadeemilised sihtasutused
Meenuta põhilisi põhimõisteid, mis on vajalikud järgmise teksti mõistmiseks.
Genoom - antud organismi kogu päriliku materjali kogum.
Monomeerid moodustavad polümeere – struktuuriüksusi, mis ühinevad, moodustades kõrgmolekulaarseid orgaanilisi molekule.
Nukleotiidid – adeniin, guaniin, tümiin ja tsütosiin – DNA molekuli monomeerid, fosforhappest moodustunud orgaanilised molekulid, 5 süsinikuaatomiga süsivesik (desoksüriboos või riboos) ja puriin (adeniin ja guaniin) või pürimidiin (tsütosiin) ja tümiin) jahvatatud.
DNA – desoksüribonukleiinhape, organismide pärilikkuse alus, on nukleotiididest moodustunud kaksikheeliks süsivesikukomponendiga – desoksüriboosiga. RNA – ribonukleiinhape, erineb DNA-st riboosi süsivesikute olemasolu nukleotiidides ja tümiini asendamise uratsiiliga.
Kuidas see kõik algas
New Yorgi Columbia ülikooli teadlaste rühm, mida juhtis aastatel 1950–1952 E. Chargaff, tegeles DNA kromatograafiaga. Juba varem oli teada, et see koosneb neljast nukleotiidist, kuid selle spiraalset struktuuri pole veel keegi teadnud.teadis. Mitmed uuringud on näidanud. Et DNA molekulis on puriini aluste arv võrdne pürimidiini aluste arvuga. Täpsem alt on tümiini kogus alati võrdne adeniini kogusega ja guaniini kogus tsütosiini kogusega. See lämmastikualuste võrdsus on Chargaffi reegel desoksüribonukleiin- ja ribonukleiinhapete jaoks.
Tähendus bioloogias
Just sellest reeglist sai Watson ja Crick DNA molekuli struktuuri tuletamisel aluseks. Nende kaheahelaline spiraalselt keerutatud kuulide, juhtmete ja kujukeste mudel selgitas seda võrdsust. Teisisõnu, Chargaffi reeglid on sellised, et tümiin ühineb adeniiniga ja guaniin tsütosiiniga. Just see nukleotiidide suhe sobis ideaalselt Watsoni ja Cricki pakutud DNA ruumimudeliga. Desoksüribonukleiinhappe molekuli struktuuri avastamine ajendas teadust avastama laiemat tasandit: varieeruvuse ja pärilikkuse põhimõtted, DNA bioloogiline süntees, evolutsiooni ja selle mehhanismide selgitamine molekulaarsel tasandil.
Chargaffi reeglid nende puhtaimal kujul
Kaasaegne teadus sõnastab need põhisätted järgmise kolme postulaadiga:
- Adeniini kogus vastab tümiini kogusele ja tsütosiini kogus guaniinile: A=T ja G=C.
- Puriinide kogus on alati võrdne pürimidiinide arvuga: A + G=T + C.
- Nukleotiidide arv, mis sisaldavad 4. ja 6. positsioonis pürimidiinipuriini alused, on võrdne nukleotiidide arvuga, mis sisaldavad samades positsioonides oksorühmi: A + G \u003d C + T.
1990. aastatel, kui avastati sekveneerimistehnoloogiad (nukleotiidide järjestuse määramine pikkades lõikudes), kinnitati Chargaffi DNA reeglid.
Laste peavalu
Keskkoolis ja ülikoolides hõlmab molekulaarbioloogia õppimine tingimata probleemide lahendamist Chargaffi reegli järgi. Nad nimetavad neid ülesandeid ainult komplementaarsuse (puriini ja pürimidiini nukleotiidide ruumiline komplementaarsus) põhimõttel põhineva teise DNA ahela konstrueerimiseks. Näiteks tingimus annab nukleotiidide järjestuse ühes ahelas - AAGCTAT. Õpilane või õpilane peab teise ahela rekonstrueerima DNA maatriksi ahela ja esimese Chargaffi reegli alusel. Vastus on: GGATCGTS.
Teist tüüpi ülesanne soovitab arvutada DNA molekuli massi, teades ühe ahela nukleotiidide järjestust ja nukleotiidide erikaalu. Chargaffi esimest bioloogiareeglit peetakse molekulaarse biokeemia ja geneetika põhitõdede mõistmisel oluliseks.
Teaduse jaoks pole kõik nii lihtne
E. Chargaff jätkas DNA koostise uurimist ning 16 aastat pärast esimese seaduse avastamist jagas ta molekuli kaheks eraldi ahelaks ja leidis, et aluste arv ei ole täpselt võrdne, vaid ainult ligikaudne. See on Chargaffi teine reegel: eraldidesoksüribonukleiinhappe ahelates on adeniini kogus ligikaudu võrdne tümiini kogusega ja guaniini kogus tsütosiiniga.
Võrdõiguslikkuse rikkumised osutusid otseselt võrdeliseks analüüsitava lõigu pikkusega. Täpsus säilib 70-100 tuhande aluspaari pikkusel, kuid sadade aluspaaride ja vähemate pikkuste puhul see enam ei säili. Miks mõnes organismis on guaniini-tsütosiini protsent kõrgem kui adeniini-tüümiini protsent või vastupidi, pole teadus veel selgitanud. Tõepoolest, tavalistes organismide genoomis on nukleotiidide võrdne jaotus pigem erand kui reegel.
DNA ei avalda oma saladusi
Genoomi sekveneerimismeetodite väljatöötamisega leiti, et üks DNA ahel sisaldab ligikaudu sama arvu komplementaarseid üksikuid nukleotiide, aluspaare (dinukleotiide), trinukleotiide jne – kuni oligonukleotiidideni (lõigud 10-20 nukleotiidi). Kõigi teadaolevate elusorganismide genoomid järgivad seda reeglit, välja arvatud väga vähesed erandid.
Nii kasutasid kaks Brasiilia teadlast – bioloog Michael Yamagishi ja matemaatik Roberto Herai – hulgateooriat, et analüüsida Chargaffi reeglini viimiseks vajalikke nukleotiidjärjestusi. Nad tuletasid neli võrrandit ja testisid 32 tuntud liigi genoomi. Ja selgus, et fraktaalilaadsed mustrid kehtivad enamiku liikide, sealhulgas E. coli, taimede ja inimeste puhul. Aga inimese immuunpuudulikkuse viirus ja kiiret närbumist põhjustav parasiitbakteroliivipuud, ei allu üldse Chargaffi reeglitele. Miks? Pole veel vastust.
Biokeemikud, evolutsioonibioloogid, tsütoloogid ja geneetikud on endiselt hädas DNA ja pärimismehhanismide saladustega. Vaatamata kaasaegse teaduse saavutustele pole inimkond kaugeltki universumi lahti harutamist. Võitsime gravitatsiooni, õppisime avakosmost, õppisime genoome muutma ja loote patoloogiat määrama embrüo arengu varases staadiumis. Kuid me pole veel kaugel kõigist looduse mehhanismidest, mida see on planeedil Maa loonud miljardeid aastaid.
