اليوم ، لن يفاجأ أي شخص بمفاهيم مثل الوراثة والجينوم والحمض النووي والنيوكليوتيدات. يعلم الجميع عن الحلزون المزدوج للحمض النووي وهي المسؤولة عن تكوين جميع علامات الكائن الحي. لكن لا يعلم الجميع بمبادئ هيكلها وخضوعها لقواعد الشرغف الأساسية.
عالم الأحياء المسيء
لم يتم منح الكثير من الاكتشافات لقب المتميز في القرن العشرين. لكن اكتشافات إروين تشارجاف (1905-2002) ، وهو مواطن من بوكوفينا (تشيرنيفتسي ، أوكرانيا) ، هي بلا شك أحد هذه الاكتشافات. على الرغم من أنه لم يحصل على جائزة نوبل ، إلا أنه كان يعتقد حتى نهاية أيامه أن جيمس واتسون وفرانسيس كريك سرقوا فكرته عن البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي وجائزة نوبل.
تفخر الجامعات في بولندا وألمانيا والولايات المتحدة الأمريكية وفرنسا بوجود هذا الكيميائي المتميز الذي يقوم بالتدريس هناك. بالإضافة إلى قواعد Chargaff الأساسية للحمض النووي ، فهو معروف بقواعد أخرى - القاعدة الذهبية. هذا ما يسميه علماء الأحياء. والقاعدة الذهبية لـ E. Chargaff تبدو هكذا: "واحدة من أكثر الخصائص غدرا وشائعا للنماذج العلميةهو ميلهم إلى السيطرة على الواقع ، وفي بعض الأحيان استبداله ". بعبارات بسيطة ، هذا يعني - لا تخبر الطبيعة بما يجب عليك فعله ، ولن تخبرك إلى أين يجب أن تذهب مع كل ادعاءاتك. بالنسبة للعديد من العلماء الشباب ، أصبحت قاعدة Erwin Chargaff هذه نوعًا من شعار البحث العلمي.
أسس أكاديمية
تذكر المفاهيم الأساسية الأساسية اللازمة لفهم النص التالي.
الجينوم - مجموع كل المواد الوراثية لكائن حي معين.
تشكل المونمرات بوليمرات - وحدات هيكلية تتحد لتشكل جزيئات عضوية عالية الجزيئات.
النيوكليوتيدات - الأدينين ، الجوانين ، الثايمين والسيتوزين - مونومرات جزيء الحمض النووي ، الجزيئات العضوية المكونة من حمض الفوسفوريك ، كربوهيدرات مع 5 ذرات كربون (ديوكسيريبوز أو ريبوز) وبيورين (أدينين وجوانين) أو بيريميدين (سيتوزين) والثايمين) أسباب.
DNA - الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين ، أساس وراثة الكائنات الحية ، هو حلزون مزدوج يتكون من النيوكليوتيدات مع مكون كربوهيدرات - ديوكسيريبوز. الحمض النووي الريبي - حمض نووي الريبي ، يختلف عن الحمض النووي في وجود كربوهيدرات الريبوز في النيوكليوتيدات واستبدال الثايمين باليوراسيل.
كيف بدأ كل شيء
مجموعة من العلماء في جامعة كولومبيا في نيويورك ، برئاسة E. Chargaff في 1950-1952 ، كانت تعمل في كروماتوجرافيا الحمض النووي. كان معروفًا بالفعل أنه يتكون من أربعة نيوكليوتيدات ، لكن لم يعرف أحد بعد عن بنيته الحلزونية.عرف. أظهرت دراسات متعددة. أن عدد قواعد البيورين في جزيء DNA يساوي عدد قواعد بيريميدين. بتعبير أدق ، فإن كمية الثايمين تساوي دائمًا كمية الأدينين ، وتتوافق كمية الجوانين مع كمية السيتوزين. هذه المساواة في القواعد النيتروجينية هي قاعدة Chargaff للأحماض deoxyribonucleic و ribonucleic.
معنى في علم الأحياء
كانت هذه القاعدة هي الأساس الذي استرشد به واتسون وكريك عند اشتقاق بنية جزيء الحمض النووي. أوضح نموذجهم الملتوي حلزونيًا مزدوجًا من الكرات والأسلاك والتماثيل هذه المساواة. بمعنى آخر ، قواعد Chargaff هي أن الثايمين يتحد مع الأدينين والجوانين مع السيتوزين. كانت هذه النسبة من النيوكليوتيدات تتناسب بشكل مثالي مع النموذج المكاني للحمض النووي الذي اقترحه واتسون وكريك. دفع اكتشاف بنية جزيء الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين العلم لاكتشاف مستوى أوسع: مبادئ التباين والوراثة ، والتركيب البيولوجي للحمض النووي ، وشرح التطور وآلياته على المستوى الجزيئي.
القواعد Chargaff في أنقى صورها
يصوغ العلم الحديث هذه الأحكام الأساسية مع الافتراضات الثلاثة التالية:
- كمية الأدينين تتوافق مع كمية الثايمين ، والسيتوزين للجوانين: A=T و G=C.
- كمية البيورينات تساوي دائمًا عدد البيريميدين: A + G=T + C.
- عدد النيوكليوتيدات التي تحتوي على بيريميدين في الموضعين 4 و 6قواعد البيورين ، تساوي عدد النيوكليوتيدات التي تحتوي على مجموعات أوكسو في نفس المواضع: A + G \u003d C + T.
في التسعينيات ، مع اكتشاف تقنيات التسلسل (تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في أقسام طويلة) ، تم تأكيد قواعد DNA Chargaff.
صداع الاطفال
في المدرسة الثانوية والجامعات ، تتضمن دراسة البيولوجيا الجزيئية بالضرورة حل المشكلات المتعلقة بقاعدة Chargaff. إنهم يسمون هذه المهام فقط ببناء سلسلة DNA ثانية بناءً على مبدأ التكامل (التكامل المكاني للنيوكليوتيدات البيورين والبيريميدين). على سبيل المثال ، يعطي الشرط تسلسل النيوكليوتيدات في سلسلة واحدة - AAGCTAT. يُطلب من التلميذ أو الطالب إعادة بناء الخيط الثاني بناءً على حبلا مصفوفة الحمض النووي وقاعدة Chargaff الأولى. ستكون الإجابة: GGATCGTS.
نوع آخر من المهام يقترح حساب وزن جزيء الحمض النووي ، ومعرفة تسلسل النيوكليوتيدات في سلسلة واحدة والثقل النوعي للنيوكليوتيدات. تعتبر قاعدة Chargaff الأولى في علم الأحياء أساسية لفهم أساسيات الكيمياء الحيوية الجزيئية وعلم الوراثة.
للعلم ، ليس كل شيء بهذه البساطة
ه. واصل Chargaff دراسة تكوين الحمض النووي ، وبعد 16 عامًا من اكتشاف القانون الأول ، قام بتقسيم الجزيء إلى شقين منفصلين ووجد أن عدد القواعد ليس متساويًا تمامًا ، ولكنه تقريبًا تقريبًا. هذه هي قاعدة Chargaff الثانية: منفصلةخيوط من حمض الديوكسي ريبونوكلييك ، كمية الأدينين تساوي تقريبًا كمية الثايمين ، والجوانين - إلى السيتوزين.
تبين أن انتهاكات المساواة تتناسب طرديا مع طول القسم الذي تم تحليله. يتم الحفاظ على الدقة بطول 70-100 ألف زوج أساسي ، ولكن عند أطوال مئات الأزواج الأساسية وأقل ، لم تعد محفوظة. لماذا في بعض الكائنات الحية تكون النسبة المئوية للجوانين السيتوزين أعلى من نسبة الأدينين الثايمين ، أو العكس ، لم يشرح العلم بعد. في الواقع ، في الجينوم العادي للكائنات الحية ، التوزيع المتساوي للنيوكليوتيدات هو بالأحرى استثناء وليس قاعدة.
الحمض النووي لا يكشف أسراره
مع تطوير تقنيات تسلسل الجينوم ، وجد أن خيطًا واحدًا من الحمض النووي يحتوي تقريبًا على نفس العدد من النيوكليوتيدات الفردية التكميلية ، والأزواج القاعدية (ثنائي النوكليوتيدات) ، وثلاثي النيوكليوتيدات ، وما إلى ذلك - حتى قليل النوكليوتيدات (أقسام من 10-20 نيوكليوتيدات). تخضع جينومات جميع الكائنات الحية المعروفة لهذه القاعدة ، مع استثناءات قليلة جدًا.
وهكذا ، استخدم عالمان برازيليان - عالم الأحياء مايكل ياماغيشي وعالم الرياضيات روبرتو هيراي - نظرية المجموعات لتحليل تسلسل النيوكليوتيدات اللازمة لهما لتؤدي إلى قاعدة Chargaff. لقد اشتقوا أربع معادلات مجموعة واختبروا 32 جينومًا من الأنواع المعروفة. واتضح أن الأنماط الشبيهة بالفركتلات تنطبق على معظم الأنواع ، بما في ذلك الإشريكية القولونية والنباتات والبشر. لكن فيروس نقص المناعة البشرية وبكتيريا طفيلية تسبب الذبول السريعشجر الزيتون لا تخضع لقوانين حكم Chargaff على الإطلاق. لماذا ا؟ لا إجابة حتى الآن.
لا يزال علماء الكيمياء الحيوية وعلماء الأحياء التطورية وعلماء الخلايا وعلماء الوراثة يكافحون مع ألغاز الحمض النووي وآليات الوراثة. على الرغم من إنجازات العلم الحديث ، فإن الإنسانية بعيدة عن تفكيك الكون. لقد تغلبنا على الجاذبية ، واتقننا الفضاء الخارجي ، وتعلمنا كيفية تغيير الجينوم وتحديد أمراض الجنين في المراحل المبكرة من نمو الجنين. لكننا ما زلنا بعيدين عن فهم جميع آليات الطبيعة التي أنشأتها لمليارات السنين على كوكب الأرض.
