Vandag sal byna niemand verras wees deur konsepte soos oorerwing, genoom, DNA, nukleotiede nie. Almal weet van die dubbelheliks van DNS en dat dit sy is wat verantwoordelik is vir die vorming van al die tekens van 'n organisme. Maar nie almal weet van die beginsels van sy struktuur en ondergeskiktheid aan die basiese reëls van Chargaff nie.
Beledigde bioloog
Nie baie ontdekkings word bekroon met die titel van uitstaande in die twintigste eeu nie. Maar die ontdekkings van Erwin Chargaff (1905-2002),’n boorling van Bukovina (Chernivtsi, Oekraïne), is ongetwyfeld een daarvan. Alhoewel hy nie 'n Nobelprys ontvang het nie, het hy tot aan die einde van sy dae geglo dat James Watson en Francis Crick sy idee van die dubbelstring heliese struktuur van DNS en sy Nobelprys gesteel het.
Universiteite in Pole, Duitsland, VSA en Frankryk is trots om hierdie uitstaande biochemikus daar te onderrig. Benewens Chargaff se fundamentele reëls vir DNS, is hy bekend vir nog een – die goue reël. Dit is wat bioloë dit noem. En die goue reël van E. Chargaff klink so: “One of the most insidious and nefarious properties of scientific modelsis hul neiging om die werklikheid oor te neem en soms te verdring”. In eenvoudige terme beteken dit - moenie vir die natuur sê wat om te doen nie, en sy sal nie vir jou sê waarheen jy moet gaan met al jou eise nie. Vir baie jong wetenskaplikes het hierdie reël van Erwin Chargaff 'n soort leuse van wetenskaplike navorsing geword.
Akademiese grondslae
Onthou die basiese fundamentele konsepte wat nodig is om die volgende teks te verstaan.
Genome - die totaliteit van alle oorerflike materiaal van 'n gegewe organisme.
Monomere vorm polimere - strukturele eenhede wat kombineer om hoë-molekulêre organiese molekules te vorm.
Nukleotiede - adenien, guanien, timien en sitosien - monomere van die DNA-molekule, organiese molekules wat deur fosforsuur gevorm word, 'n koolhidraat met 5 koolstofatome (deoksiribose of ribose) en purien (adenien en guanien) of piriminien (sitopiridien) en timien) gronde.
DNA - deoksiribonukleïensuur, die basis van die oorerwing van organismes, is 'n dubbele heliks wat gevorm word uit nukleotiede met 'n koolhidraatkomponent - deoksiribose. RNA - ribonukleïensuur, verskil van DNA in die teenwoordigheid van ribose koolhidrate in die nukleotiede en die vervanging van timien met uracil.
Hoe dit alles begin het
'n Groep wetenskaplikes aan die Columbia Universiteit in New York, onder leiding van E. Chargaff in 1950-1952, was besig met DNS-chromatografie. Dit was reeds bekend dat dit uit vier nukleotiede bestaan, maar niemand het nog geweet van die heliese struktuur daarvan nie.geweet. Veelvuldige studies het getoon. Dat in 'n DNA-molekule die aantal purienbasisse gelyk is aan die aantal pirimidienbasisse. Meer presies, die hoeveelheid timien is altyd gelyk aan die hoeveelheid adenien, en die hoeveelheid guanien stem ooreen met die hoeveelheid sitosien. Hierdie gelykheid van stikstofbasisse is Chargaff se reël vir deoksiribonukleïensure en ribonukleïensure.
Betekenis in biologie
Dit was hierdie reël wat die basis geword het waarop Watson en Crick gelei is toe hulle die struktuur van die DNS-molekule afgelei het. Hul dubbelstrengs helies gedraaide model van balle, drade en beeldjies het hierdie gelykheid verduidelik. Met ander woorde, Chargaff se reëls is dat timien kombineer met adenien en guanien kombineer met sitosien. Dit was hierdie verhouding van nukleotiede wat ideaal pas by die ruimtelike model van DNS wat deur Watson en Crick voorgestel is. Die ontdekking van die struktuur van die deoksiribonukleïensuurmolekule het die wetenskap aangespoor om 'n wyer vlak te ontdek: die beginsels van veranderlikheid en oorerwing, die biologiese sintese van DNA, die verduideliking van evolusie en sy meganismes op molekulêre vlak.
Chargaff reëls in hul suiwerste vorm
Moderne wetenskap formuleer hierdie fundamentele bepalings met die volgende drie postulate:
- Die hoeveelheid adenien stem ooreen met die hoeveelheid timien, en sitosien met guanien: A=T en G=C.
- Die hoeveelheid puriene is altyd gelyk aan die aantal pirimidiene: A + G=T + C.
- Die aantal nukleotiede wat pirimidien in posisie 4 en 6 bevatpurienbasisse, is gelyk aan die aantal nukleotiede wat oksogroepe in dieselfde posisies bevat: A + G \u003d C + T.
In die 1990's, met die ontdekking van volgordebepalingtegnologieë (wat die volgorde van nukleotiede in lang dele bepaal), is Chargaff se DNS-reëls bevestig.
Kinderhoofpyn
Op hoërskool en by universiteite behels die studie van molekulêre biologie noodwendig die oplossing van probleme op die Chargaff-reël. Hulle noem hierdie take slegs die konstruksie van 'n tweede DNS-ketting gebaseer op die beginsel van komplementariteit (ruimtelike komplementariteit van purien- en pirimidien-nukleotiede). Die toestand gee byvoorbeeld die volgorde van nukleotiede in een ketting - AAGCTAT. Daar word van die leerling of student verwag om die tweede string te rekonstrueer gebaseer op die DNA-matriksstring en die eerste Chargaff-reël. Die antwoord sal wees: GGATCGTS.
'n Ander soort taak stel voor om die gewig van 'n DNS-molekule te bereken, deur die volgorde van nukleotiede in een ketting en die spesifieke gewig van nukleotiede te ken. Chargaff se eerste reël van biologie word as fundamenteel beskou om die basiese beginsels van molekulêre biochemie en genetika te verstaan.
Vir wetenskap is alles nie so eenvoudig nie
E. Chargaff het voortgegaan om die samestelling van DNS te bestudeer, en 16 jaar ná die ontdekking van die eerste wet het hy die molekule in twee afsonderlike stringe verdeel en gevind dat die aantal basisse nie presies gelyk is nie, maar slegs ongeveer. Dit is Chargaff se tweede reël: in 'n apartestringe deoksiribonukleïensuur, die hoeveelheid adenien is ongeveer gelyk aan die hoeveelheid timien, en guanien - aan sitosien.
Gelykheidsskendings blyk direk eweredig te wees aan die lengte van die geanaliseerde afdeling. Akkuraatheid word gehandhaaf op 'n lengte van 70-100 duisend basispare, maar by lengtes van honderde basispare en minder word dit nie meer bewaar nie. Waarom in sommige organismes die persentasie guanien-sitosien hoër is as die persentasie adenien-timien, of andersom, het die wetenskap nog nie verduidelik nie. Inderdaad, in gewone genome van organismes is 'n gelyke verspreiding van nukleotiede eerder 'n uitsondering as 'n reël.
DNA openbaar nie sy geheime nie
Met die ontwikkeling van genoomvolgordebepalingstegnieke, is gevind dat 'n enkelstring DNA ongeveer dieselfde aantal komplementêre enkelnukleotiede, basispare (dinukleotiede), trinukleotiede, ensovoorts bevat - tot by oligonukleotiede (afdelings van 10-20 nukleotiede). Die genome van alle bekende lewende organismes gehoorsaam hierdie reël, met baie min uitsonderings.
Dus, twee Brasiliaanse wetenskaplikes - bioloog Michael Yamagishi en wiskundige Roberto Herai - het versamelingteorie gebruik om die nukleotiedvolgordes te ontleed wat nodig is vir hulle om tot die Chargaff-reël te lei. Hulle het vier stelvergelykings afgelei en 32 genome van bekende spesies getoets. En dit het geblyk dat fraktale patrone waar is vir die meeste spesies, insluitend E. coli, plante en mense. Maar die menslike immuniteitsgebrekvirus en 'n parasitiese bakterie wat vinnige verwelking veroorsaakolyfbome, gehoorsaam glad nie die wette van Chargaff se bewind nie. Hoekom? Nog geen antwoord nie.
Biochemici, evolusionêre bioloë, sitoloë en genetici sukkel steeds met die geheimenisse van DNS en die meganismes van oorerwing. Ten spyte van die prestasies van die moderne wetenskap, is die mensdom nog lank nie besig om die heelal te ontrafel nie. Ons het swaartekrag oorwin, die buitenste ruimte bemeester, geleer hoe om genome te verander en die patologie van die fetus in die vroeë stadiums van embrio-ontwikkeling te bepaal. Maar ons is nog ver daarvan om al die meganismes van die natuur te verstaan wat dit al miljarde jare op planeet Aarde skep.
