Днес едва ли някой ще бъде изненадан от такива понятия като наследственост, геном, ДНК, нуклеотиди. Всеки знае за двойната спирала на ДНК и че именно тя е отговорна за образуването на всички признаци на организма. Но не всеки знае за принципите на неговата структура и подчинение на основните правила на Chargaff.
Обиден биолог
Не много открития са удостоени със званието изключителни през двадесети век. Но откритията на Ервин Чаргаф (1905-2002), родом от Буковина (Черновци, Украйна), несъмнено са едно от тях. Въпреки че не получи Нобелова награда, той вярваше до края на дните си, че Джеймс Уотсън и Франсис Крик са откраднали идеята му за двойно-верижната спирална структура на ДНК и неговата Нобелова награда.
Университети в Полша, Германия, САЩ и Франция се гордеят, че този изключителен биохимик преподава там. Освен основните правила на Чаргаф за ДНК, той е известен с още едно – златното правило. Така го наричат биолозите. А златното правило на Е. Чаргаф звучи така: „Едно от най-коварните и гнусни свойства на научните моделие тяхната тенденция да превземат, а понякога и да изместват реалността . С прости думи това означава - не казвайте на природата какво да прави и тя няма да ви каже къде трябва да отидете с всичките си претенции. За много млади учени това правило на Ервин Чаргаф се превърна в един вид мото на научните изследвания.
Академични фондации
Припомнете си основните фундаментални понятия, необходими за разбирането на следния текст.
Геном - съвкупността от целия наследствен материал на даден организъм.
Мономерите образуват полимери - структурни единици, които се комбинират, за да образуват високомолекулни органични молекули.
Нуклеотиди - аденин, гуанин, тимин и цитозин - мономери на молекулата на ДНК, органични молекули, образувани от фосфорна киселина, въглехидрат с 5 въглеродни атома (дезоксирибоза или рибоза) и пурин (аденин и гуанин) или цитопиримидин и тимин).
ДНК - дезоксирибонуклеинова киселина, в основата на наследствеността на организмите, е двойна спирала, образувана от нуклеотиди с въглехидратен компонент - дезоксирибоза. РНК - рибонуклеинова киселина, различава се от ДНК по наличието на рибозен въглехидрат в нуклеотидите и заместването на тимина с урацил.
Как започна всичко
Група учени от Колумбийския университет в Ню Йорк, ръководена от Е. Чаргаф през 1950-1952 г., се занимава с ДНК хроматография. Вече беше известно, че се състои от четири нуклеотида, но все още никой не знае за спираловидната му структура. Знаех. Множество проучвания показват. Че в молекулата на ДНК броят на пуриновите бази е равен на броя на пиримидиновите бази. По-точно количеството тимин винаги е равно на количеството аденин, а количеството гуанин съответства на количеството цитозин. Това равенство на азотните основи е правилото на Чаргаф за дезоксирибонуклеинова и рибонуклеинова киселини.
Значение в биологията
Това правило стана основата, на която Уотсън и Крик се ръководеха, когато извличаха структурата на ДНК молекулата. Техният двойно-верижен спираловидно усукан модел на топки, жици и фигурки обяснява това равенство. С други думи, правилата на Чаргаф са, че тиминът се комбинира с аденин, а гуанинът се комбинира с цитозин. Именно това съотношение на нуклеотидите се вписва идеално в пространствения модел на ДНК, предложен от Уотсън и Крик. Откриването на структурата на молекулата на дезоксирибонуклеинова киселина подтикна науката да открие по-широко ниво: принципите на променливостта и наследствеността, биологичния синтез на ДНК, обяснението на еволюцията и нейните механизми на молекулярно ниво.
Chargaff правила в най-чистата им форма
Съвременната наука формулира тези фундаментални положения със следните три постулата:
- Количеството аденин съответства на количеството тимин, а цитозин на гуанин: A=T и G=C.
- Количеството пурини винаги е равно на броя на пиримидините: A + G=T + C.
- Броят на нуклеотидите, които съдържат пиримидин в позиции 4 и 6пуринови бази, е равен на броя нуклеотиди, които съдържат оксо групи в същите позиции: A + G=C + T.
През 90-те години, с откриването на технологиите за секвениране (определяне на последователността на нуклеотидите в дълги участъци), ДНК правилата на Чаргаф бяха потвърдени.
Детско главоболие
В гимназията и в университетите изучаването на молекулярна биология задължително включва решаване на проблеми по правилото на Чаргаф. Те наричат тези задачи само изграждане на втора ДНК верига, базирана на принципа на комплементарност (пространствена комплементарност на пуринови и пиримидинови нуклеотиди). Например условието дава последователността от нуклеотиди в една верига - AAGCTAT. От ученика или студента се изисква да реконструира втората верига въз основа на веригата на ДНК матрицата и първото правило на Чаргаф. Отговорът ще бъде: GGATCGTS.
Друг тип задача предполага да се изчисли теглото на ДНК молекула, като се знае последователността на нуклеотидите в една верига и специфичното тегло на нуклеотидите. Първото биологично правило на Чаргаф се счита за основно за разбирането на основите на молекулярната биохимия и генетиката.
За науката не всичко е толкова просто
E. Чаргаф продължава да изучава състава на ДНК и 16 години след откриването на първия закон разделя молекулата на две отделни вериги и открива, че броят на базите не е точно равен, а само приблизително. Това е второто правило на Чаргаф: в отделнонишки дезоксирибонуклеинова киселина, количеството на аденина е приблизително равно на количеството тимин, а гуанин - на цитозин.
Нарушенията на равенството се оказаха право пропорционални на дължината на анализирания участък. Точността се поддържа при дължина от 70-100 хиляди базови двойки, но при дължини от стотици базови двойки и по-малко, тя вече не се запазва. Защо в някои организми процентът на гуанин-цитозин е по-висок от процента на аденин-тимин или обратно, науката все още не е обяснила. Всъщност в обикновените геноми на организмите равномерното разпределение на нуклеотидите е по-скоро изключение, отколкото правило.
ДНК не разкрива своите тайни
С развитието на техниките за секвениране на генома беше установено, че една верига от ДНК съдържа приблизително същия брой комплементарни единични нуклеотиди, базови двойки (динуклеотиди), тринуклеотиди и т.н. - до олигонуклеотиди (участъци от 10-20 нуклеотида). Геномите на всички известни живи организми се подчиняват на това правило, с много малки изключения.
Така двама бразилски учени - биологът Майкъл Ямагиши и математикът Роберто Хераи - използваха теорията на множеството, за да анализират нуклеотидните последователности, необходими за тях, за да доведат до правилото на Чаргаф. Те извели четири набора уравнения и тествали 32 генома от известни видове. И се оказа, че фракталните модели са верни за повечето видове, включително E. coli, растения и хора. Но човешкият имунодефицитен вирус и паразитна бактерия, която причинява бързо увяхванемаслинови дървета, изобщо не се подчиняват на законите на управлението на Чаргаф. Защо? Все още няма отговор.
Биохимици, еволюционни биолози, цитолози и генетици все още се борят с мистериите на ДНК и механизмите на наследяване. Въпреки постиженията на съвременната наука, човечеството е далеч от разгадаването на Вселената. Преодоляхме гравитацията, овладяхме космическото пространство, научихме се как да променяме геномите и да определяме патологията на плода в ранните етапи на развитие на ембриона. Но все още сме далеч от разбирането на всички механизми на природата, които тя създава от милиарди години на планетата Земя.
