היום, כמעט אף אחד לא יופתע ממושגים כמו תורשה, גנום, DNA, נוקלאוטידים. כולם יודעים על הסליל הכפול של ה-DNA ושזו היא שאחראית להיווצרות כל הסימנים של האורגניזם. אבל לא כולם יודעים על עקרונות המבנה והכפיפות שלו לכללי היסוד של Chargaff.
ביולוג נעלב
לא הרבה תגליות זוכות לתואר המצטיינים במאה העשרים. אבל תגליותיו של ארווין צ'רגאף (1905-2002), יליד בוקובינה (צ'רנוביץ, אוקראינה), הן ללא ספק אחת מהן. למרות שלא קיבל פרס נובל, הוא האמין עד סוף ימיו שג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק גנבו את הרעיון שלו לגבי המבנה הסליל הדו-גדילי של ה-DNA ואת פרס נובל שלו.
אוניברסיטאות בפולין, גרמניה, ארה"ב וצרפת גאות שהביוכימאי המצטיין הזה מלמד שם. בנוסף לכללי היסוד של צ'ארגאף ל-DNA, הוא ידוע בזכות אחד נוסף - כלל הזהב. כך קוראים לזה ביולוגים. וכלל הזהב של E. Chargaff נשמע כך: "אחת התכונות הערמומיות והמרושעות ביותר של מודלים מדעייםהיא הנטייה שלהם להשתלט, ולפעמים להחליק, את המציאות". במילים פשוטות זה אומר – אל תגיד לטבע מה לעשות, והיא לא תגיד לך לאן אתה צריך ללכת עם כל הטענות שלך. עבור מדענים צעירים רבים, שלטון זה של ארווין צ'רגף הפך למעין מוטו של מחקר מדעי.
קרנות אקדמיות
זכור את המושגים הבסיסיים הבסיסיים הדרושים להבנת הטקסט הבא.
Genome - המכלול של כל החומר התורשתי של אורגניזם נתון.
מונומרים יוצרים פולימרים - יחידות מבניות שמתחברות ליצירת מולקולות אורגניות בעלות מולקולריות גבוהה.
נוקלאוטידים - אדנין, גואנין, תימין וציטוזין - מונומרים של מולקולת ה-DNA, מולקולות אורגניות שנוצרות על ידי חומצה זרחתית, פחמימה עם 5 אטומי פחמן (דאוקסיריבוז או ריבוז) ופורין (אדנין וגואנין) או פירימדידין (ציטופירמינין) ותימין) קרקעות.
DNA - חומצה דאוקסיריבונוקלאית, הבסיס לתורשה של אורגניזמים, היא סליל כפול הנוצר מנוקלאוטידים עם מרכיב פחמימתי - דאוקסיריבוז. RNA - חומצה ריבונוקלאית, שונה מ-DNA בנוכחות פחמימות ריבוז בנוקלאוטידים והחלפת תימין באורציל.
איך הכל התחיל
קבוצה של מדענים באוניברסיטת קולומביה בניו יורק, בראשות E. Chargaff בשנים 1950-1952, עסקה בכרומטוגרפיה של DNA. כבר היה ידוע שהוא מורכב מארבעה נוקלאוטידים, אך איש טרם ידע על המבנה הסליל שלו.ידע. מחקרים רבים הראו. שבמולקולת DNA מספר בסיסי הפורין שווה למספר בסיסי הפירימידין. ליתר דיוק, כמות הטימין תמיד שווה לכמות האדנין, וכמות הגואנין מתאימה לכמות הציטוזין. שוויון זה של בסיסים חנקניים הוא הכלל של Chargaff עבור חומצות דאוקסיריבונוקלאיות וריבונוקלאיות.
משמעות בביולוגיה
הכלל הזה הוא שהפך לבסיס שלפיו הודרכו ווטסון וקריק בעת גזירת המבנה של מולקולת ה-DNA. הדגם הדו-גדילי המעוות בצורת סליל של כדורים, חוטים ופסלונים הסביר את השוויון הזה. במילים אחרות, הכללים של Chargaff הם שתימין מתחבר עם אדנין וגואנין מתחבר עם ציטוזין. זה היה היחס הזה של נוקלאוטידים שהתאים באופן אידיאלי למודל המרחבי של DNA שהוצע על ידי ווטסון וקריק. גילוי המבנה של מולקולת החומצה הדאוקסיריבונוקלאית הניע את המדע לגלות רמה רחבה יותר: עקרונות השונות והתורשה, הסינתזה הביולוגית של ה-DNA, הסבר האבולוציה והמנגנונים שלה ברמה המולקולרית.
Chargaff שולט בצורתם הטהורה ביותר
המדע המודרני מנסח את הוראות היסוד האלה עם שלושת ההנחות הבאות:
- כמות האדנין מתאימה לכמות התימין, וציטוזין לגואנין: A=T ו-G=C.
- כמות הפורינים תמיד שווה למספר הפירימידינים: A + G=T + C.
- מספר הנוקלאוטידים המכילים פירמידין בעמדה 4 ו-6בסיסים פורין, שווה למספר הנוקלאוטידים המכילים קבוצות אוקסו באותם עמדות: A + G \u003d C + T.
בשנות ה-90, עם גילוי טכנולוגיות רצף (קביעת רצף הנוקלאוטידים בקטעים ארוכים), אושרו חוקי ה-DNA של Chargaff.
כאב ראש של ילדים
בתיכון ובאוניברסיטאות, לימודי ביולוגיה מולקולרית כרוכים בהכרח בפתרון בעיות על חוק צ'רגף. הם קוראים למשימות אלה רק בנייה של שרשרת DNA שניה המבוססת על עקרון ההשלמה (השלמה מרחבית של נוקלאוטידים פורין ופירימידין). לדוגמה, התנאי נותן את רצף הנוקלאוטידים בשרשרת אחת - AAGCTAT. התלמיד או התלמיד נדרשים לשחזר את הגדיל השני בהתבסס על גדיל המטריצה של ה-DNA והכלל הראשון של Chargaff. התשובה תהיה: GGATCGTS.
סוג אחר של משימה מציע לחשב את משקלה של מולקולת DNA, לדעת את רצף הנוקלאוטידים בשרשרת אחת ואת המשקל הסגולי של נוקלאוטידים. כלל הביולוגיה הראשון של Chargaff נחשב יסודי להבנת היסודות של ביוכימיה מולקולרית וגנטיקה.
עבור המדע, לא הכל כל כך פשוט
E. צ'ארגאף המשיך לחקור את הרכב ה-DNA, ו-16 שנים לאחר גילוי החוק הראשון, הוא חילק את המולקולה לשני גדילים נפרדים ומצא שמספר הבסיסים אינו שווה בדיוק, אלא רק בקירוב. זהו הכלל השני של Chargaff: בנפרדגדילים של חומצה דאוקסיריבונוקלאית, כמות האדנין שווה בערך לכמות התימין, וגואנין - לציטוזין.
הפרות שוויון התבררו כפרופורציונליות ישירה לאורך הקטע המנותח. הדיוק נשמר באורך של 70-100 אלף זוגות בסיסים, אך באורכים של מאות זוגות בסיסים ופחות, הוא אינו נשמר יותר. מדוע אצל חלק מהאורגניזמים אחוז הגואנין-ציטוזין גבוה מאחוז האדנין-תימין, או להיפך, המדע עדיין לא הסביר. ואכן, בגנומים רגילים של אורגניזמים, חלוקה שווה של נוקלאוטידים היא יותר חריג מאשר כלל.
DNA לא חושף את סודותיו
עם הפיתוח של טכניקות רצף הגנום, נמצא שגדיל בודד של DNA מכיל בערך אותו מספר של נוקלאוטידים בודדים משלימים, זוגות בסיסים (דינוקלאוטידים), טרינוקלאוטידים וכן הלאה - עד אוליגונוקלאוטידים (קטעים של 10-20 נוקלאוטידים). הגנום של כל האורגניזמים החיים המוכרים מצייתים לכלל זה, למעט יוצאים מן הכלל.
לפיכך, שני מדענים ברזילאים - הביולוג מייקל יאמאגישי והמתמטיקאי רוברטו הראי - השתמשו בתורת הקבוצות כדי לנתח את רצפי הנוקלאוטידים הדרושים להם כדי להוביל לכלל צ'רגף. הם גזרו ארבע משוואות ובדקו 32 גנומים של מינים ידועים. והתברר שדפוסים דמויי פרקטל נכונים לרוב המינים, כולל E. coli, צמחים ובני אדם. אבל נגיף הכשל החיסוני האנושי וחיידק טפילי שגורם לנבול מהירעצי זית, לא מצייתים כלל לחוקי שלטון שרגאף. למה? עדיין אין תשובה.
ביוכימאים, ביולוגים אבולוציוניים, ציטולוגים וגנטיקאים עדיין נאבקים במסתרי ה-DNA ובמנגנוני ההורשה. למרות ההישגים של המדע המודרני, האנושות רחוקה מלפרום את היקום. התגברנו על כוח המשיכה, שלטנו בחלל החיצון, למדנו כיצד לשנות גנום ולקבוע את הפתולוגיה של העובר בשלבים המוקדמים של התפתחות העובר. אבל אנחנו עדיין רחוקים מלהבין את כל מנגנוני הטבע שהוא יוצר כבר מיליארדי שנים על כדור הארץ.
