Ображений біолог
Не багато відкриття удостоюються звання видатних у ХХ столітті. Але відкриття Ервіна Чаргаффа (1905-2002), вихідця з Буковини (р. Чернівці, Україна), безсумнівно, належать саме до таких. Хоча він і не отримав Нобелівську премію, до кінця своїх днів він вважав що Джеймс Уотсон і Френсіс Крік вкрали його ідею про дволанцюжкової спіральної структури ДНК і його Нобелівку.Університети Польщі, Німеччини, США та Франції пишаються тим, що цей видатний біохімік викладав в них. Крім фундаментальних правил Чаргаффа для ДНК, він відомий ще одним – золотим правилом. Саме так називають його вчені-біологи. А звучить золоте правило Е. Чаргаффа так: «One of the most insidious and nefarious properties of scientific models is their tendency to take over, and sometimes supplant, reality». Простою мовою це означає – не кажіть природі, що їй потрібно робити, і вона не скаже вам, куди варто піти вам з усіма своїми претензіями. Для багатьох молодих вчених це правило Ервіна Чаргаффа стало своєрідним девізом наукового пошуку.
Академічні основи
Нагадаємо основні фундаментальні поняття, необхідні для розуміння подальшого тексту. Геном - сукупність всього спадкового матеріалу даного організму. Мономери утворюють полімери - структурні одиниці, що з'єднуються в високомолекулярні органічні молекули. Нуклеотиди – аденін, гуанін, тимін і цитозин – мономери молекули ДНК, органічні молекули, утворені фосфорною кислотою, вуглеводом з 5 атомами вуглецю (дезоксирибози або рибози) і пуринового (аденін і гуанін) або піримідинового (цитозин і тимін) підстави.ДНК – дезоксирибонуклеїнова кислота, основа спадковості організмів, що являє собою подвійну спіраль, утворену з нуклеотидів з вуглеводної складової – дезоксирибозой. РНК – рибонуклеїнова кислота, відрізняється від ДНК присутністю у складі нуклеотидів вуглеводу рибози і заміною тиміну на урацил.
Як все почалося
Група вчених Колумбійського університету в Нью-Йорку на чолі з Е. Чаргаффом у 1950-1952 роках займалася хроматографією ДНК. Що до її складу входить чотири нуклеотиду, вже було відомо, але про її спіральної структури ще ніхто не знав. Багаторазові дослідження показали. Що в молекулі ДНК кількість пуринових підстав дорівнює кількості піримідинових. А точніше, кількість тиміну завжди аденіну дорівнює кількості, а кількість гуаніна відповідає кількості цитозина. Ця рівність азотистих основ – правило Чаргаффа для дезоксирибонуклеїнової і рибонуклеїнової кислоти.
Значення біології
Саме це правило стало тією опорою, на яку орієнтувалися Уотсон і Крик при виведенні структури молекули ДНК. Їх двухцепочечная спірально закручена модель з кульок, дроту і фігурок пояснила це рівність. Іншими словами, правила Чаргаффа полягають у тому, що тимін з'єднується з аденином, а гуанін - з цитозином. Саме це співвідношення нуклеотидів ідеально вписуються в просторову модель ДНК, запропонованої Уотсоном і Кріком. Відкриття структури молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти підштовхнуло науку до відкриттів більш широкого рівня: принципів мінливості і спадковості, біологічного синтезу ДНК, пояснення еволюції та її механізмів на молекулярному рівні.
Правила Чаргаффа в чистому вигляді
Сучасна наука формулює дані фундаментальні положення такими трьома постулатами:
Головний біль учнів
У старших класах школи та в університетах вивчення молекулярної біології обов'язково припускає рішення задач на правило Чаргаффа. Тільки називають ці завдання побудовою другий ланцюжка ДНК на підставі принципу комплементарності (просторової взаємодоповнюваності пуринових і піримідинових нуклеотидів). Приміром, умови дається послідовність нуклеотидів в одного ланцюга – ААГЦТАТ. Від учня або студента потрібно відновити другу ланцюжок на підставі матричної ланцюга ДНК і першого правила Чаргаффа. Відповідь буде такою: ГГАТЦГЦ. Інший тип завдань пропонує розрахувати вагу молекули ДНК, знаючи послідовність нуклеотидів в одному ланцюжку і питома вага нуклеотидів. Перше правило Чаргаффа в біології вважається основоположним для розуміння основ молекулярної біохімії і генетики.
Для науки не все так однозначно
Е. Чаргафф продовжував займатися вивченням складу ДНК, і через 16 років після відкриття першого закону він розділив молекулу на дві окремі нитки і виявив, що кількість підстав не одно точно, а лише приблизно. Це і є друге правило Чаргаффа: в окремої нитки дезоксирибонуклеїнової кислоти кількість аденіну приблизно дорівнює кількості тиміну, а гуаніна - цитозину. Порушення рівності виявилися прямо пропорційні довжині аналізованого ділянки. Точність зберігається на довжині 70-100 тисяч пар нуклеотидів, але на довжинах в сотні пар і менше підстав воно вже не зберігається. Чому в одних організмів відсоток гуаніна-цитозина вище відсотка аденіну-тимін або навпаки, наука поки не пояснила. Адже у звичайних геномах організмів рівний розподіл нуклеотидів, швидше, виняток, ніж правило.
ДНК не відкриває свої таємниці
З розвитком технік секвенування геномів виявилося, що в одиночній ланцюжку ДНК міститься приблизно однакову кількість комплементарних поодиноких нуклеотидів, пар нуклеотидів (динуклеотидов), тринуклеотидов і так далі - до олігонуклеотидів (ділянок в 10-20 нуклеотидів). Цьому правилу підпорядковуються геноми всіх відомих живих організмів, за зовсім не великим винятком. Так, двоє бразильських вчених – біолог Майкл Ямагиши і математик Роберто Херай – використовували теорію множин, щоб проаналізувати необхідні для послідовності нуклеотидів, щоб вони приводили до виконання правила Чаргаффа. Вони вивели чотири рівняння множин і протестували 32 геному відомих видів. І виявилося, що фрактально-подібні закономірності вірні для більшості видів, включаючи кишкову паличку, рослин і людини. А ось вірус імунодефіциту людини і паразитична бактерія, що викликає швидке в'янення оливкових дерев, абсолютно не підкоряються закономірностям правила Чаргаффа. Чому? Відповідь поки не знайдений.