Konzepte wie Vererbung, Genom, DNA, Nukleotide werden heute kaum noch jemanden überraschen. Jeder weiß um die Doppelhelix der DNA und dass sie für die Bildung aller Zeichen eines Organismus verantwortlich ist. Aber nicht jeder kennt die Prinzipien seiner Struktur und Unterordnung unter die Grundregeln von Chargaff.
Beleidigter Biologe
Nicht viele Entdeckungen werden im 20. Jahrhundert als herausragend bezeichnet. Aber die Entdeckungen des aus der Bukowina (Chernivtsi, Ukraine) stammenden Erwin Chargaff (1905-2002) gehören zweifellos dazu. Obwohl er keinen Nobelpreis erhielt, glaubte er bis ans Ende seiner Tage, dass James Watson und Francis Crick ihm seine Vorstellung von der doppelsträngigen helikalen Struktur der DNA und seinen Nobelpreis gestohlen haben.
Universitäten in Polen, Deutschland, USA und Frankreich sind stolz darauf, diesen herausragenden Biochemiker dort zu unterrichten. Neben Chargaffs Grundregeln für die DNA ist er für eine weitere bekannt – die Goldene Regel. So nennen es Biologen. Und die goldene Regel von E. Chargaff klingt so: „Eine der heimtückischsten und schändlichsten Eigenschaften wissenschaftlicher Modelleist ihre Tendenz, die Realität zu übernehmen und manchmal zu verdrängen . Vereinfacht gesagt heißt das: Sag der Natur nicht, was sie zu tun hat, und sie wird dir nicht sagen, wohin du mit all deinen Ansprüchen gehen sollst. Für viele junge Wissenschaftler ist diese Regel von Erwin Chargaff zu einer Art Motto wissenschaftlicher Forschung geworden.
Akademische Stiftungen
Erinnern Sie sich an die grundlegenden Konzepte, die zum Verständnis des folgenden Textes notwendig sind.
Genom - die Gesamtheit aller Erbsubstanz eines bestimmten Organismus.
Monomere bilden Polymere - Struktureinheiten, die sich zu hochmolekularen organischen Molekülen verbinden.
Nukleotide - Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin - Monomere des DNA-Moleküls, organische Moleküle, die aus Phosphorsäure, einem Kohlenhydrat mit 5 Kohlenstoffatomen (Desoxyribose oder Ribose) und Purin (Adenin und Guanin) oder Pyrimidin (Cytosin) gebildet werden und Thymin) gemahlen.
DNA - Desoxyribonukleinsäure, die Grundlage der Vererbung von Organismen, ist eine Doppelhelix, die aus Nukleotiden mit einer Kohlenhydratkomponente - Desoxyribose - gebildet wird. RNA - Ribonukleinsäure, unterscheidet sich von DNA durch das Vorhandensein von Ribose-Kohlenhydrat in den Nukleotiden und den Ersatz von Thymin durch Uracil.
Wie alles begann
Eine Gruppe von Wissenschaftlern an der Columbia University in New York unter der Leitung von E. Chargaff in den Jahren 1950-1952 beschäftigte sich mit der DNA-Chromatographie. Es war bereits bekannt, dass es aus vier Nukleotiden besteht, aber noch niemand wusste über seine helikale Struktur Bescheid.wusste. Mehrere Studien haben gezeigt. Dass in einem DNA-Molekül die Anzahl der Purinbasen gleich der Anzahl der Pyrimidinbasen ist. Genauer gesagt ist die Menge an Thymin immer gleich der Menge an Adenin und die Menge an Guanin entspricht der Menge an Cytosin. Diese Gleichheit stickstoffh altiger Basen ist die Chargaffsche Regel für Desoxyribonukleinsäuren und Ribonukleinsäuren.
Bedeutung in der Biologie
Es war diese Regel, die zur Grundlage wurde, auf der Watson und Crick sich bei der Ableitung der Struktur des DNA-Moleküls leiten ließen. Ihr doppelsträngiges spiralförmig verdrilltes Modell aus Kugeln, Drähten und Figuren erklärte diese Gleichheit. Mit anderen Worten, die Regeln von Chargaff lauten, dass sich Thymin mit Adenin und Guanin mit Cytosin verbindet. Es war dieses Nukleotidverhältnis, das ideal in das von Watson und Crick vorgeschlagene räumliche DNA-Modell passte. Die Entdeckung der Struktur des Desoxyribonukleinsäuremoleküls veranlasste die Wissenschaft, eine breitere Ebene zu entdecken: die Prinzipien der Variabilität und Vererbung, die biologische Synthese der DNA, die Erklärung der Evolution und ihrer Mechanismen auf molekularer Ebene.
Chargaff-Regeln in ihrer reinsten Form
Die moderne Wissenschaft formuliert diese grundlegenden Bestimmungen mit den folgenden drei Postulaten:
- Die Adeninmenge entspricht der Thyminmenge, die Cytosinmenge der Guaninmenge: A=T und G=C.
- Die Menge an Purinen ist immer gleich der Anzahl an Pyrimidinen: A + G=T + C.
- Die Anzahl der Nukleotide, die Pyrimidin in Position 4 und 6 enth altenPurinbasen, entspricht der Anzahl der Nukleotide, die Oxogruppen an denselben Positionen enth alten: A + G \u003d C + T.
In den 1990er Jahren wurden mit der Entdeckung von Sequenzierungstechnologien (Bestimmung der Nukleotidsequenz in langen Abschnitten) die DNA-Regeln von Chargaff bestätigt.
Kopfschmerzen bei Kindern
In der High School und an Universitäten beinh altet das Studium der Molekularbiologie notwendigerweise das Lösen von Problemen mit der Chargaff-Regel. Sie nennen diese Aufgaben nur den Aufbau einer zweiten DNA-Kette nach dem Prinzip der Komplementarität (räumliche Komplementarität von Purin- und Pyrimidin-Nukleotiden). Beispielsweise gibt die Bedingung die Sequenz der Nukleotide in einer Kette an - AAGCAT. Der Schüler oder Student muss den zweiten Strang basierend auf dem DNA-Matrixstrang und der ersten Chargaff-Regel rekonstruieren. Die Antwort lautet: GGATCGTS.
Eine andere Art von Aufgabe schlägt vor, das Gewicht eines DNA-Moleküls zu berechnen, wobei die Sequenz der Nukleotide in einer Kette und das spezifische Gewicht der Nukleotide bekannt sind. Chargaffs erste Regel der Biologie gilt als grundlegend für das Verständnis der Grundlagen der molekularen Biochemie und Genetik.
Für die Wissenschaft ist nicht alles so einfach
E. Chargaff untersuchte weiter die Zusammensetzung der DNA, und 16 Jahre nach der Entdeckung des ersten Hauptsatzes teilte er das Molekül in zwei getrennte Stränge und stellte fest, dass die Anzahl der Basen nicht genau gleich, sondern nur ungefähr ist. Dies ist Chargaffs zweite Regel: in einem separatenStränge von Desoxyribonukleinsäure, die Menge an Adenin ist ungefähr gleich der Menge an Thymin und Guanin - an Cytosin.
Gleichheitsverletzungen erwiesen sich als direkt proportional zur Länge des analysierten Abschnitts. Die Genauigkeit wird bei einer Länge von 70-100.000 Basenpaaren beibeh alten, aber bei Längen von Hunderten von Basenpaaren und weniger wird sie nicht länger beibeh alten. Warum in manchen Organismen der Anteil von Guanin-Cytosin höher ist als der Anteil von Adenin-Thymin oder umgekehrt, hat die Wissenschaft noch nicht erklärt. Tatsächlich ist eine gleichmäßige Verteilung von Nukleotiden in gewöhnlichen Genomen von Organismen eher eine Ausnahme als eine Regel.
DNA gibt ihre Geheimnisse nicht preis
Mit der Entwicklung von Genomsequenzierungstechniken wurde festgestellt, dass ein einzelner DNA-Strang ungefähr die gleiche Anzahl von komplementären Einzelnukleotiden, Basenpaaren (Dinukleotiden), Trinukleotiden usw. enthält - bis hin zu Oligonukleotiden (Abschnitte von 10-20 Nukleotide). Die Genome aller bekannten lebenden Organismen gehorchen dieser Regel, mit sehr wenigen Ausnahmen.
So benutzten zwei brasilianische Wissenschaftler – der Biologe Michael Yamagishi und der Mathematiker Roberto Herai – die Mengenlehre, um die Nukleotidsequenzen zu analysieren, die für sie notwendig sind, um zur Chargaff-Regel zu führen. Sie leiteten vier Satzgleichungen ab und testeten 32 Genome bekannter Arten. Und es stellte sich heraus, dass fraktalähnliche Muster für die meisten Arten gelten, einschließlich E. coli, Pflanzen und Menschen. Aber das menschliche Immunschwächevirus und ein parasitäres Bakterium, das ein schnelles Welken verursachtOlivenbäume, gehorchen überhaupt nicht den Gesetzen der Chargaff-Regel. Wieso den? Noch keine Antwort.
Biochemiker, Evolutionsbiologen, Zytologen und Genetiker kämpfen immer noch mit den Geheimnissen der DNA und den Mechanismen der Vererbung. Trotz der Errungenschaften der modernen Wissenschaft ist die Menschheit weit davon entfernt, das Universum zu enträtseln. Wir haben die Schwerkraft überwunden, den Weltraum gemeistert, gelernt, Genome zu verändern und die Pathologie des Fötus in den frühen Stadien der Embryonalentwicklung zu bestimmen. Aber wir sind noch weit davon entfernt, alle Mechanismen der Natur zu verstehen, die sie seit Milliarden von Jahren auf dem Planeten Erde geschaffen hat.
