Dnes už sotva někoho překvapí pojmy jako dědičnost, genom, DNA, nukleotidy. Každý ví o dvojité šroubovici DNA a že je to ona, kdo je zodpovědný za tvorbu všech znaků organismu. Ne každý ale ví o principech její struktury a podřízenosti základním pravidlům Chargaffu.
Uražený biolog
Ve dvacátém století není mnoho objevů oceněno titulem vynikající. Ale objevy Erwina Chargaffa (1905-2002), rodáka z Bukoviny (Černivci, Ukrajina), k nim bezpochyby patří. Přestože nedostal Nobelovu cenu, až do konce svých dnů věřil, že James Watson a Francis Crick ukradli jeho myšlenku dvouvláknové spirálové struktury DNA a jeho Nobelovu cenu.
Univerzity v Polsku, Německu, USA a Francii jsou hrdé na to, že tam tento vynikající biochemik vyučuje. Kromě Chargaffových základních pravidel pro DNA je známý ještě dalším - zlatým pravidlem. Tak tomu říkají biologové. A zlaté pravidlo E. Chargaffa zní takto: „Jedna z nejzákeřnějších a nejohavnějších vlastností vědeckých modelůje jejich tendence přebírat a někdy vytlačovat realitu“. Zjednodušeně to znamená – neříkejte přírodě, co má dělat, a ona vám neřekne, kam byste se svými nároky měli směřovat. Pro mnoho mladých vědců se toto pravidlo Erwina Chargaffa stalo jakýmsi mottem vědeckého výzkumu.
Akademické základy
Připomeňte si základní základní pojmy nezbytné pro pochopení následujícího textu.
Genom – souhrn veškerého dědičného materiálu daného organismu.
Monomery tvoří polymery – strukturní jednotky, které se spojují za vzniku vysokomolekulárních organických molekul.
Nukleotidy - adenin, guanin, thymin a cytosin - monomery molekuly DNA, organické molekuly tvořené kyselinou fosforečnou, sacharid s 5 atomy uhlíku (deoxyribóza nebo ribóza) a purin (adenin a guanin) nebo pyrimidin (cytosin a thymin) půda.
DNA - deoxyribonukleová kyselina, základ dědičnosti organismů, je dvoušroubovice tvořená nukleotidy se sacharidovou složkou - deoxyribózou. RNA - ribonukleová kyselina, liší se od DNA přítomností ribózového sacharidu v nukleotidech a nahrazením thyminu uracilem.
Jak to všechno začalo
Skupina vědců na Kolumbijské univerzitě v New Yorku, vedená E. Chargaffem v letech 1950-1952, se zabývala DNA chromatografií. Už se vědělo, že se skládá ze čtyř nukleotidů, ale o jeho šroubovicové struktuře zatím nikdo nevěděl.věděl. Mnoho studií ukázalo. Že v molekule DNA se počet purinových bází rovná počtu pyrimidinových bází. Přesněji řečeno, množství thyminu se vždy rovná množství adeninu a množství guaninu odpovídá množství cytosinu. Tato rovnost dusíkatých bází je Chargaffovým pravidlem pro deoxyribonukleové a ribonukleové kyseliny.
Význam v biologii
Právě toto pravidlo se stalo základem, kterým se Watson a Crick řídili při odvozování struktury molekuly DNA. Jejich dvouvláknový spirálovitě stočený model koulí, drátů a figurek tuto rovnost vysvětlil. Jinými slovy, Chargaffova pravidla jsou taková, že thymin se kombinuje s adeninem a guanin s cytosinem. Právě tento poměr nukleotidů ideálně zapadal do prostorového modelu DNA navrženého Watsonem a Crickem. Objev struktury molekuly deoxyribonukleové kyseliny podnítil vědu k objevu širší úrovně: principy variability a dědičnosti, biologická syntéza DNA, vysvětlení evoluce a jejích mechanismů na molekulární úrovni.
Pravidla Chargaff v jejich nejčistší podobě
Moderní věda formuluje tato základní ustanovení pomocí následujících tří postulátů:
- Množství adeninu odpovídá množství thyminu a cytosinu guaninu: A=T a G=C.
- Množství purinů se vždy rovná počtu pyrimidinů: A + G=T + C.
- Počet nukleotidů, které obsahují pyrimidin na pozici 4 a 6purinových bází se rovná počtu nukleotidů, které obsahují oxoskupiny ve stejných pozicích: A + G \u003d C + T.
V 90. letech, s objevem sekvenačních technologií (určujících sekvenci nukleotidů v dlouhých úsecích), byla potvrzena Chargaffova pravidla DNA.
Dětská bolest hlavy
Na střední škole a na univerzitách studium molekulární biologie nutně zahrnuje řešení problémů podle Chargaffova pravidla. Tyto úkoly nazývají pouze konstrukcí druhého řetězce DNA založeného na principu komplementarity (prostorová komplementarita purinových a pyrimidinových nukleotidů). Například podmínka udává sekvenci nukleotidů v jednom řetězci - AAGCTAT. Žák nebo student musí rekonstruovat druhé vlákno na základě vlákna matrice DNA a prvního Chargaffova pravidla. Odpověď bude: GGATCGTS.
Další typ úlohy navrhuje vypočítat hmotnost molekuly DNA se znalostí sekvence nukleotidů v jednom řetězci a specifické hmotnosti nukleotidů. Chargaffovo první pravidlo biologie je považováno za zásadní pro pochopení základů molekulární biochemie a genetiky.
Pro vědu není všechno tak jednoduché
E. Chargaff pokračoval ve studiu složení DNA a 16 let po objevu prvního zákona rozdělil molekulu na dvě samostatná vlákna a zjistil, že počet bází není přesně stejný, ale pouze přibližně. Toto je druhé Chargaffovo pravidlo: odděleněřetězce deoxyribonukleové kyseliny, množství adeninu se přibližně rovná množství thyminu a guaninu - cytosinu.
Porušení rovnosti se ukázalo být přímo úměrné délce analyzovaného úseku. Přesnost je zachována při délce 70-100 tisíc párů bází, ale při délkách stovek párů bází a méně již není zachována. Proč je u některých organismů procento guanin-cytosinu vyšší než procento adenin-thymin nebo naopak, věda dosud nevysvětlila. V běžných genomech organismů je rovná distribuce nukleotidů spíše výjimkou než pravidlem.
DNA neodhaluje svá tajemství
S rozvojem technik sekvenování genomu bylo zjištěno, že jeden řetězec DNA obsahuje přibližně stejný počet komplementárních jednoduchých nukleotidů, párů bází (dinukleotidů), trinukleotidů atd. - až po oligonukleotidy (části 10-20 nukleotidů). Genomy všech známých živých organismů dodržují toto pravidlo, až na několik výjimek.
Dva brazilští vědci – biolog Michael Yamagishi a matematik Roberto Herai – tedy použili teorii množin k analýze nukleotidových sekvencí nezbytných k tomu, aby vedli k Chargaffovu pravidlu. Odvodili čtyři sady rovnic a testovali 32 genomů známých druhů. A ukázalo se, že vzory podobné fraktálům jsou pravdivé pro většinu druhů, včetně E. coli, rostlin a lidí. Ale virus lidské imunodeficience a parazitická bakterie, která způsobuje rychlé vadnutíolivovníky, vůbec se neřídí zákony Chargaffovy vlády. Proč? Zatím žádná odpověď.
Biochemici, evoluční biologové, cytologové a genetici stále bojují se záhadami DNA a mechanismy dědičnosti. Navzdory úspěchům moderní vědy je lidstvo daleko od rozluštění vesmíru. Překonali jsme gravitaci, zvládli vesmír, naučili jsme se měnit genomy a určovat patologii plodu v raných fázích vývoje embrya. Stále jsme ale daleko od pochopení všech mechanismů přírody, které příroda vytvářela po miliardy let na planetě Zemi.
