امروز، به سختی کسی از مفاهیمی مانند وراثت، ژنوم، DNA، نوکلئوتیدها شگفت زده می شود. همه در مورد مارپیچ دوگانه DNA می دانند و این او است که مسئول تشکیل همه علائم یک ارگانیسم است. اما همه از اصول ساختار آن و تبعیت از قوانین اساسی چارگاف اطلاعی ندارند.
زیست شناس آزرده
کشف های زیادی در قرن بیستم عنوان برجسته را به خود اختصاص نمی دهند. اما اکتشافات اروین چارگاف (1905-2002)، اهل بوکووینا (چرنیوتسی، اوکراین) بدون شک یکی از آنهاست. اگرچه او جایزه نوبل دریافت نکرد، اما تا پایان عمرش معتقد بود که جیمز واتسون و فرانسیس کریک ایده ساختار مارپیچ دو رشته ای DNA و جایزه نوبل او را دزدیده اند.
دانشگاه های لهستان، آلمان، ایالات متحده آمریکا و فرانسه مفتخرند که این بیوشیمیست برجسته را در آنجا تدریس می کنند. علاوه بر قوانین اساسی Chargaff برای DNA، او برای یکی دیگر شناخته شده است - قانون طلایی. این چیزی است که زیست شناسان به آن می گویند. و قانون طلایی E. Chargaff چنین به نظر می رسد: یکی از موذیانه ترین و شیطانی ترین ویژگی های مدل های علمیتمایل آنها به تسخیر و گاهی جانشین واقعیت است.» به عبارت ساده، این به این معنی است که - به طبیعت نگویید چه کاری انجام دهید، و او به شما نخواهد گفت که با همه ادعاهای خود کجا باید بروید. برای بسیاری از دانشمندان جوان، این قانون اروین چارگاف به نوعی شعار تحقیقات علمی تبدیل شده است.
مبانی دانشگاهی
مفاهیم اساسی اساسی لازم برای درک متن زیر را به یاد بیاورید.
ژنوم - مجموع تمام مواد ارثی یک موجود زنده.
مونومرها پلیمرها را تشکیل می دهند - واحدهای ساختاری که ترکیب می شوند تا مولکول های آلی با مولکولی بالا را تشکیل دهند.
نوکلئوتیدها - آدنین، گوانین، تیمین و سیتوزین - مونومرهای مولکول DNA، مولکول های آلی تشکیل شده توسط اسید فسفریک، یک کربوهیدرات با 5 اتم کربن (دئوکسی ریبوز یا ریبوز) و پورین (آدنین و گوانینین (اوریمینین) و تیمین) پودرها.
DNA - اسید دئوکسی ریبونوکلئیک، اساس وراثت موجودات، یک مارپیچ دوگانه است که از نوکلئوتیدها با یک جزء کربوهیدرات - دئوکسی ریبوز تشکیل شده است. RNA - اسید ریبونوکلئیک، در حضور کربوهیدرات ریبوز در نوکلئوتیدها و جایگزینی تیمین با اوراسیل با DNA متفاوت است.
همه چیز چگونه شروع شد
گروهی از دانشمندان دانشگاه کلمبیا در نیویورک، به سرپرستی E. Chargaff در 1950-1952، در کروماتوگرافی DNA مشغول بودند. قبلاً شناخته شده بود که از چهار نوکلئوتید تشکیل شده است ، اما هنوز کسی از ساختار مارپیچ آن اطلاعی نداشته است.می دانست. مطالعات متعدد نشان داده است. اینکه در یک مولکول DNA تعداد بازهای پورینی برابر با تعداد بازهای پیریمیدین است. به طور دقیق تر، مقدار تیمین همیشه با مقدار آدنین برابر است و مقدار گوانین با مقدار سیتوزین مطابقت دارد. این برابری بازهای نیتروژنی، قانون چارگاف برای اسیدهای دئوکسی ریبونوکلئیک و ریبونوکلئیک است.
معنا در زیست شناسی
این قانون مبنایی شد که واتسون و کریک هنگام استخراج ساختار مولکول DNA بر اساس آن هدایت شدند. مدل مارپیچ دو رشته ای آنها از توپ ها، سیم ها و مجسمه ها این برابری را توضیح می دهد. به عبارت دیگر، قوانین شارگاف این است که تیمین با آدنین و گوانین با سیتوزین ترکیب می شود. این نسبت نوکلئوتیدها بود که به طور ایده‌آل با مدل فضایی DNA پیشنهاد شده توسط واتسون و کریک مطابقت داشت. کشف ساختار مولکول اسید دئوکسی ریبونوکلئیک علم را بر آن داشت تا سطح وسیع تری را کشف کند: اصول تنوع و وراثت، سنتز بیولوژیکی DNA، توضیح تکامل و مکانیسم های آن در سطح مولکولی.
قانون Chargaff در خالص ترین شکل خود
علم مدرن این مفاد اساسی را با سه اصل زیر تدوین می کند:
- مقدار آدنین با مقدار تیمین و سیتوزین به گوانین مطابقت دارد: A=T و G=C.
- مقدار پورین ها همیشه برابر با تعداد پیریمیدین است: A + G=T + C.
- تعداد نوکلئوتیدهای حاوی پیریمیدین در موقعیت 4 و 6بازهای پورین، برابر با تعداد نوکلئوتیدهایی است که حاوی گروه های اکسو در موقعیت های مشابه هستند: A + G \u003d C + T.
در دهه 1990، با کشف فناوری های توالی یابی (تعیین توالی نوکلئوتیدها در مقاطع طولانی)، قوانین DNA Chargaff تأیید شد.
سردرد کودکان
در دبیرستان و در دانشگاه ها، مطالعه زیست شناسی مولکولی لزوماً شامل حل مسائل مربوط به قانون چارگاف است. آنها فقط این وظایف را ساختن زنجیره DNA دوم بر اساس اصل مکمل بودن (مکملیت فضایی نوکلئوتیدهای پورین و پیریمیدین) می نامند. به عنوان مثال، این شرایط دنباله ای از نوکلئوتیدها را در یک زنجیره می دهد - AAGCTAT. دانش آموز یا دانشجو موظف است رشته دوم را بر اساس رشته ماتریس DNA و قانون چارگاف اول بازسازی کند. پاسخ این خواهد بود: GGATCGTS.
نوع دیگری از کار، محاسبه وزن یک مولکول DNA، دانستن توالی نوکلئوتیدها در یک زنجیره و وزن مخصوص نوکلئوتیدها را پیشنهاد می کند. اولین قانون بیولوژی شارگاف برای درک مبانی بیوشیمی مولکولی و ژنتیک اساسی در نظر گرفته می شود.
برای علم، همه چیز به این سادگی نیست
E. شارگاف به مطالعه ترکیب DNA ادامه داد و 16 سال پس از کشف قانون اول، مولکول را به دو رشته مجزا تقسیم کرد و دریافت که تعداد بازها دقیقاً برابر نیست، بلکه تقریباً برابر است. این دومین قانون چارگاف است: در یک جداگانهرشته‌های اسید دئوکسی ریبونوکلئیک، مقدار آدنین تقریباً برابر با مقدار تیمین و گوانین با سیتوزین است.
نقض برابری مستقیماً با طول بخش تحلیل شده متناسب است. دقت در طول 70-100 هزار جفت پایه حفظ می شود، اما در طول های صدها جفت پایه و کمتر، دیگر حفظ نمی شود. چرا در برخی از موجودات درصد گوانین سیتوزین بیشتر از درصد آدنین تیمین است یا برعکس، علم هنوز توضیح نداده است. در واقع، در ژنوم‌های معمولی موجودات، توزیع مساوی نوکلئوتیدها به جای یک قاعده استثناست.
DNA اسرار خود را فاش نمی کند
با توسعه تکنیک‌های توالی‌یابی ژنوم، مشخص شد که یک رشته DNA تقریباً دارای تعداد مشابهی از تک نوکلئوتیدهای مکمل، جفت‌های باز (دی نوکلئوتید)، سه‌نوکلئوتیدها، و غیره است - تا الیگونوکلئوتیدها (بخش‌هایی از 10-20 نوکلئوتید). ژنوم همه موجودات زنده شناخته شده با استثنائات بسیار کمی از این قانون پیروی می کند.
بنابراین، دو دانشمند برزیلی - زیست‌شناس مایکل یاماگیشی و ریاضی‌دان روبرتو هرای - از نظریه مجموعه‌ها برای تجزیه و تحلیل توالی‌های نوکلئوتیدی لازم برای منتهی به قانون چارگاف استفاده کردند. آنها چهار معادله مجموعه را استخراج کردند و 32 ژنوم گونه های شناخته شده را آزمایش کردند. و معلوم شد که الگوهای فراکتال مانند برای اکثر گونه ها، از جمله E. coli، گیاهان و انسان صادق است. اما ویروس نقص ایمنی انسانی و یک باکتری انگلی که باعث پژمردگی سریع می شوددرختان زیتون، به هیچ وجه از قوانین حاکمیت چارگاف پیروی نکنید. چرا؟ هنوز پاسخی دریافت نشده است.
بیوشیمی دانان، زیست شناسان تکاملی، سیتولوژیست ها و ژنتیک دانان هنوز با اسرار DNA و مکانیسم های وراثت دست و پنجه نرم می کنند. با وجود دستاوردهای علم مدرن، بشریت از گشودن جهان هستی فاصله زیادی دارد. ما بر گرانش غلبه کردیم، بر فضای بیرونی تسلط یافتیم، نحوه تغییر ژنوم و تعیین آسیب شناسی جنین را در مراحل اولیه رشد جنین آموختیم. اما ما هنوز از درک همه مکانیسم‌های طبیعت که میلیاردها سال است در سیاره زمین ایجاد کرده است فاصله داریم.
