Сегодня вряд ли кого-либо удивишь такими понятиями, как наследственность, геном, ДНК, нуклеотиды. Все знают о двойной спирали ДНК и что именно она ответственна за формирование всех признаков организма. Но не все знают о принципах ее устройства и подчиненности основным правилам Чаргаффа.
Обиженный биолог
Не многие открытия удостаиваются звания выдающихся в ХХ веке. Но открытия Эрвина Чаргаффа (1905-2002), выходца с Буковины (г. Черновцы, Украина), несомненно, относятся именно к таким. Хотя он и не получил Нобелевскую премию, до конца своих дней он считал что Джеймс Уотсон и Френсис Крик украли его идею о двухцепочечной спиральной структуре ДНК и его Нобелевку.
Университеты Польши, Германии, США и Франции гордятся тем, что этот выдающийся биохимик преподавал в них. Кроме фундаментальных правил Чаргаффа для ДНК, он известен еще одним – золотым правилом. Именно так называют его ученые-биологи. А звучит золотое правило Э. Чаргаффа так: «One of the most insidious and nefarious properties of scientific models is their tendency to take over, and sometimes supplant, reality». Простым языком это значит – не говорите природе, что ей нужно делать, и она не скажет вам, куда следует пойти вам со всеми своими претензиями. Для многих молодых ученых это правило Эрвина Чаргаффа стало своеобразным девизом научного поиска.
Академические основы
Напомним основные фундаментальные понятия, необходимые для понимания последующего текста.
Геном - совокупность всего наследственного материала данного организма.
Мономеры образуют полимеры - структурные единицы, которые соединяются в высокомолекулярные органические молекулы.
Нуклеотиды – аденин, гуанин, тимин и цитозин – мономеры молекулы ДНК, органические молекулы, образованные фосфорной кислотой, углеводом с 5 атомами углерода (дезоксирибозы или рибозы) и пуринового (аденин и гуанин) или пиримидинового (цитозин и тимин) основания.
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, основа наследственности организмов, представляет собой двойную спираль, образованную из нуклеотидов с углеводной составляющей – дезоксирибозой. РНК – рибонуклеиновая кислота, отличается от ДНК присутствием в составе нуклеотидов углевода рибозы и заменой тимина на урацил.
Как все началось
Группа ученых Колумбийского университета в Нью-Йорке во главе с Э. Чаргаффом в 1950-1952 годах занималась хроматографией ДНК. Что в ее состав входит четыре нуклеотида, уже было известно, но о ее спиральной структуре еще никто не знал. Многократные исследования показали. Что в молекуле ДНК количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых. А точнее, количество тимина всегда равно количеству аденина, а количество гуанина соответствует количеству цитозина. Эта равность азотистых оснований – правило Чаргаффа для дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислот.
Значение в биологии
Именно это правило стало той опорой, на которую ориентировались Уотсон и Крик при выведении структуры молекулы ДНК. Их двухцепочечная спирально закрученная модель из шариков, проволоки и фигурок объяснила это равенство. Другими словами, правила Чаргаффа заключаются в том, что тимин соединяется с аденином, а гуанин - с цитозином. Именно это соотношение нуклеотидов идеально укладывалось в пространственную модель ДНК, предложенную Уотсоном и Криком. Открытие структуры молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты подтолкнуло науку к открытиям более широкого уровня: принципов изменчивости и наследственности, биологического синтеза ДНК, объяснения эволюции и ее механизмов на молекулярном уровне.
Правила Чаргаффа в чистом виде
Современная наука формулирует данные фундаментальные положения следующим тремя постулатами:
- Количество аденина соответствует количеству тимина, а цитозина – гуанину: А = Т и Г = Ц.
- Количество пуринов всегда равно количеству пиримидинов: А + Г = Т + Ц.
- Количество нуклеотидов, которые содержат в положении 4 пиримидинового и 6 пуринового оснований, равно количеству нуклеотидов, что содержат в этих же положениях оксогруппы: А + Г = Ц + Т.
В 1990-х годах с открытием технологий секвенирования (определение последовательности нуклеотидов в длинных участках) ДНК правила Чаргаффа получили свое подтверждение.
Головная боль учеников
В старших классах школы и в университетах изучение молекулярной биологии обязательно предполагает решение задач на правило Чаргаффа. Только называют эти задачи построением второй цепочки ДНК на основании принципа комплементарности (пространственной взаимодополняемости пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов). К примеру, в условии дается последовательность нуклеотидов в одной цепи – ААГЦТАТ. От учащегося или студента требуется восстановить вторую цепочку на основании матричной цепочки ДНК и первого правила Чаргаффа. Ответ будет такой: ГГАТЦГЦ.
Другой тип задач предлагает рассчитать вес молекулы ДНК, зная последовательность нуклеотидов в одной цепочке и удельный вес нуклеотидов. Первое правило Чаргаффа в биологии считается основополагающим для понимания основ молекулярной биохимии и генетики.
Для науки не все так однозначно
Э. Чаргафф продолжал заниматься изучением состава ДНК, и через 16 лет после открытия первого закона он разделил молекулу на две отдельные нити и обнаружил, что количество оснований не равно точно, а лишь приблизительно. Это и есть второе правило Чаргаффа: в отдельной нити дезоксирибонуклеиновой кислоты количество аденина приблизительно равно количеству тимина, а гуанина - цитозину.
Нарушения равенства оказались прямо пропорциональны длине анализируемого участка. Точность сохраняется на длине в 70-100 тысяч пар нуклеотидов, но на длинах в сотни пар и меньше оснований оно уже не сохраняется. Почему у одних организмов процент гуанина-цитозина выше процента аденина-тимина или наоборот, наука пока не объяснила. Ведь в обычных геномах организмов равное распределение нуклеотидов, скорее, исключение, чем правило.
ДНК не открывает свои тайны
С развитием техник секвенирования геномов обнаружилось, что в одиночной цепочке ДНК содержится приблизительно одинаковое количество комплементарных одиночных нуклеотидов, пар нуклеотидов (динуклеотидов), тринуклеотидов и так далее - до олигонуклеотидов (участков в 10-20 нуклеотидов). Этому правилу подчиняются геномы всех известных живых организмов, за совсем не большим исключением.
Так, двое бразильских ученых – биолог Майкл Ямагиши и математик Роберто Херай – использовали теорию множеств, чтоб проанализировать необходимые для последовательности нуклеотидов, чтобы они приводили к выполнению правила Чаргаффа. Они вывели четыре уравнения множеств и протестировали 32 генома известных видов. И оказалось что фрактально-подобные закономерности верны для большинства видов, включая кишечную палочку, растений и человека. А вот вирус иммунодефицита человека и паразитическая бактерия, вызывающая быстрое увядание оливковых деревьев, совершенно не подчиняются закономерностям правила Чаргаффа. Почему? Ответ пока не найден.
Биохимики, биологи-эволюционисты, цитологи и генетики и сегодня бьются над загадками ДНК и механизмами наследования. Несмотря на достижения современной науки, человечество далеко от разгадки мироздания. Мы преодолели гравитацию, освоили космическое пространство, научились изменять геномы и определять патологию плода на ранних стадиях развития зародыша. Но мы все так же далеки от понимания всех механизмов природы, которые она создавала миллиарды лет на планете Земля.
