วันนี้แทบไม่มีใครแปลกใจกับแนวคิดเช่น การถ่ายทอดทางพันธุกรรม จีโนม ดีเอ็นเอ นิวคลีโอไทด์ ทุกคนรู้เกี่ยวกับเกลียวคู่ของ DNA และเธอเป็นผู้รับผิดชอบในการสร้างสัญญาณทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต แต่ไม่ใช่ทุกคนที่รู้เกี่ยวกับหลักการของโครงสร้างและการอยู่ใต้บังคับบัญชาของกฎพื้นฐานของ Chargaff
นักชีววิทยาที่ถูกกระทำผิด
มีการค้นพบไม่มากนักที่จะได้รับรางวัลชื่อที่โดดเด่นในศตวรรษที่ยี่สิบ แต่การค้นพบของเออร์วิน ชาร์กาฟฟ์ (1905-2002) ชนพื้นเมืองของบูโควินา (เชอร์นิฟซี ประเทศยูเครน) ก็เป็นหนึ่งในนั้นอย่างไม่ต้องสงสัย แม้ว่าเขาจะไม่ได้รับรางวัลโนเบล แต่เขาเชื่อจนถึงวันสุดท้ายของเขาว่า James Watson และ Francis Crick ขโมยความคิดของเขาเกี่ยวกับโครงสร้างเกลียวสองเกลียวของ DNA และรางวัลโนเบลของเขา
มหาวิทยาลัยในโปแลนด์ เยอรมนี สหรัฐอเมริกา และฝรั่งเศส ภูมิใจที่มีนักชีวเคมีที่โดดเด่นมาสอนที่นั่น นอกจากกฎพื้นฐานของ Chargaff สำหรับ DNA แล้ว เขายังเป็นที่รู้จักในอีกแง่หนึ่ง นั่นคือ กฎทอง นั่นคือสิ่งที่นักชีววิทยาเรียกว่า และกฎทองของ E. Chargaff ฟังเช่นนี้: “หนึ่งในคุณสมบัติที่ร้ายกาจและชั่วร้ายที่สุดของแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์คือแนวโน้มที่จะเข้ายึดครอง และบางครั้งก็เข้ามาแทนที่ความเป็นจริง พูดง่ายๆ ก็คือ อย่าบอกธรรมชาติว่าต้องทำอะไร และเธอจะไม่บอกคุณว่าคุณควรไปที่ใดพร้อมกับข้อเรียกร้องทั้งหมดของคุณ สำหรับนักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์หลายคน กฎของเออร์วิน ชาร์กัฟนี้ได้กลายเป็นคติประจำใจของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์
พื้นฐานวิชาการ
จำแนวคิดพื้นฐานพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจข้อความต่อไปนี้
จีโนม - ผลรวมของสารพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตที่กำหนด
โมโนเมอร์สร้างโพลีเมอร์ - หน่วยโครงสร้างที่รวมกันเป็นโมเลกุลอินทรีย์โมเลกุลสูง
Nucleotides - adenine, guanine, thymine and cytosine - โมโนเมอร์ของโมเลกุล DNA, โมเลกุลอินทรีย์ที่เกิดจากกรดฟอสฟอริก, คาร์โบไฮเดรตที่มีคาร์บอน 5 อะตอม (deoxyribose หรือ ribose) และ purine (adenine และ guanine) หรือ pyrimidine (cytosine) และไทมีน) กราวด์
DNA - กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก ซึ่งเป็นพื้นฐานของการถ่ายทอดทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต เป็นเกลียวคู่ที่เกิดจากนิวคลีโอไทด์ที่มีองค์ประกอบคาร์โบไฮเดรต - ดีออกซีไรโบส RNA - กรดไรโบนิวคลีอิก แตกต่างจาก DNA เมื่อมีไรโบสคาร์โบไฮเดรตในนิวคลีโอไทด์และแทนที่ไทมีนด้วยยูราซิล
มันเริ่มต้นยังไง
กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียในนิวยอร์ก นำโดย E. Chargaff ในปี 1950-1952 มีส่วนร่วมใน DNA chromatography เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์สี่ตัว แต่ยังไม่มีใครรู้เกี่ยวกับโครงสร้างเกลียวของมันรู้ มีการศึกษาหลายชิ้นแสดงให้เห็น ในโมเลกุล DNA จำนวนเบสพิวรีนจะเท่ากับจำนวนเบสไพริมิดีน ปริมาณของไทมีนจะเท่ากับปริมาณของอะดีนีนเสมอ และปริมาณของกวานีนก็สอดคล้องกับปริมาณของไซโตซีน ความเท่าเทียมกันของเบสไนโตรเจนนี้คือกฎของชาร์กาฟฟ์สำหรับกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกและกรดไรโบนิวคลีอิก
ความหมายในทางชีววิทยา
กฎข้อนี้เองที่กลายเป็นพื้นฐานที่วัตสันและคริกได้รับคำแนะนำเมื่อได้โครงสร้างของโมเลกุลดีเอ็นเอ แบบจำลองลูกบอล ลวด และฟิกเกอร์บิดเกลียวเป็นเกลียวสองเกลียวอธิบายความเท่าเทียมกันนี้ กล่าวอีกนัยหนึ่งกฎของ Chargaff คือ thymine รวมกับ adenine และ guanine รวมกับ cytosine เป็นอัตราส่วนของนิวคลีโอไทด์ที่เหมาะอย่างยิ่งกับแบบจำลองเชิงพื้นที่ของ DNA ที่วัตสันและคริกเสนอ การค้นพบโครงสร้างของโมเลกุลกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกกระตุ้นให้วิทยาศาสตร์ค้นพบในระดับที่กว้างขึ้น: หลักการของความแปรปรวนและการถ่ายทอดทางพันธุกรรม การสังเคราะห์ทางชีววิทยาของดีเอ็นเอ คำอธิบายของวิวัฒนาการและกลไกของมันในระดับโมเลกุล
กฎของ Chargaff ในรูปแบบที่บริสุทธิ์ที่สุด
วิทยาศาสตร์สมัยใหม่กำหนดบทบัญญัติพื้นฐานเหล่านี้โดยมีหลักสามประการดังต่อไปนี้:
- ปริมาณของอะดีนีนสอดคล้องกับปริมาณของไทมีน และไซโตซีนถึงกวานีน: A=T และ G=C.
- ปริมาณพิวรีนจะเท่ากับจำนวนของไพริมิดีนเสมอ: A + G=T + C.
- จำนวนนิวคลีโอไทด์ที่มีไพริมิดีนในตำแหน่ง 4 และ 6เบสพิวรีน เท่ากับจำนวนนิวคลีโอไทด์ที่มีกลุ่มออกโซในตำแหน่งเดียวกัน: A + G \u003d C + T
ในปี 1990 ด้วยการค้นพบเทคโนโลยีการจัดลำดับ (การกำหนดลำดับของนิวคลีโอไทด์ในส่วนยาว) กฎ DNA ของ Chargaff ได้รับการยืนยัน
ปวดหัวของเด็ก
ในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนปลายและในมหาวิทยาลัย การศึกษาเกี่ยวกับอณูชีววิทยาจำเป็นต้องเกี่ยวข้องกับการแก้ปัญหาตามกฎของ Chargaff พวกเขาเรียกงานเหล่านี้ว่าการสร้างสายโซ่ DNA ที่สองตามหลักการของการเติมเต็ม (การเติมเต็มเชิงพื้นที่ของนิวคลีโอไทด์ purine และ pyrimidine) ตัวอย่างเช่น เงื่อนไขให้ลำดับของนิวคลีโอไทด์ในสายโซ่เดียว - AAGCTAT นักเรียนหรือนักเรียนจะต้องสร้างเส้นที่สองขึ้นใหม่โดยยึดตามเส้นเมทริกซ์ของ DNA และกฎ Chargaff ข้อแรก คำตอบคือ: GGATCGTS
งานประเภทอื่นแนะนำให้คำนวณน้ำหนักของโมเลกุลดีเอ็นเอ รู้ลำดับของนิวคลีโอไทด์ในสายโซ่เดียวและความถ่วงจำเพาะของนิวคลีโอไทด์ กฎข้อแรกของชีววิทยาของ Chargaff ถือเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจพื้นฐานของชีวเคมีระดับโมเลกุลและพันธุศาสตร์
สำหรับวิทยาศาสตร์ ไม่ใช่ทุกอย่างจะง่ายนัก
E. Chargaff ยังคงศึกษาองค์ประกอบของ DNA ต่อไป และ 16 ปีหลังจากการค้นพบกฎข้อที่หนึ่ง เขาได้แบ่งโมเลกุลออกเป็นสองสายแยกกัน และพบว่าจำนวนเบสไม่เท่ากันทุกประการ แต่เพียงประมาณเท่านั้น นี่เป็นกฎข้อที่สองของ Chargaff: แยกจากกันเส้นของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก ปริมาณอะดีนีนจะเท่ากับปริมาณไทมีนโดยประมาณ และกวานีนเป็นไซโตซีน
การละเมิดความเท่าเทียมกันกลายเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความยาวของส่วนที่วิเคราะห์ ความแม่นยำจะคงอยู่ที่ความยาว 70-100,000 คู่เบส แต่ที่ความยาวหลายร้อยคู่เบสและน้อยกว่านั้น จะไม่ถูกรักษาไว้อีกต่อไป ทำไมในสิ่งมีชีวิตบางชนิด เปอร์เซ็นต์ของ guanine-cytosine จึงสูงกว่าเปอร์เซ็นต์ของ adenine-thymine หรือในทางกลับกัน วิทยาศาสตร์ยังไม่ได้อธิบาย ที่จริงแล้ว ในจีโนมธรรมดาของสิ่งมีชีวิต การกระจายนิวคลีโอไทด์อย่างเท่าเทียมกันนั้นเป็นข้อยกเว้นมากกว่ากฎ
DNA ไม่เปิดเผยความลับ
ด้วยการพัฒนาเทคนิคการจัดลำดับจีโนม พบว่า DNA สายเดียวมีจำนวนนิวคลีโอไทด์คู่สม จำนวนพอๆ กัน (ไดนิวคลีโอไทด์) ไตรนิวคลีโอไทด์ และอื่นๆ จนถึงโอลิโกนิวคลีโอไทด์ (ส่วนต่างๆ ของ 10-20 นิวคลีโอไทด์) จีโนมของสิ่งมีชีวิตที่รู้จักทั้งหมดปฏิบัติตามกฎนี้ โดยมีข้อยกเว้นน้อยมาก
ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์ชาวบราซิลสองคน - Michael Yamagishi นักชีววิทยาและนักคณิตศาสตร์ Roberto Herai - ใช้ทฤษฎีเซตเพื่อวิเคราะห์ลำดับนิวคลีโอไทด์ที่จำเป็นสำหรับพวกเขาเพื่อนำไปสู่กฎ Chargaff พวกเขาได้รับสมการสี่ชุดและทดสอบจีโนม 32 สายพันธุ์ของสปีชีส์ที่รู้จัก และปรากฎว่ารูปแบบคล้ายเศษส่วนนั้นเป็นจริงสำหรับสปีชีส์ส่วนใหญ่ รวมทั้งอี. โคไล พืช และมนุษย์ แต่ไวรัสโรคภูมิคุ้มกันบกพร่องของมนุษย์และแบคทีเรียที่เป็นกาฝากที่ทำให้เหี่ยวแห้งอย่างรวดเร็วต้นมะกอกอย่าเชื่อฟังกฎของชาร์กัฟฟ์เลย ทำไม ยังไม่มีคำตอบ
นักชีวเคมี นักชีววิทยาด้านวิวัฒนาการ นักเซลล์วิทยา และนักพันธุศาสตร์ ยังคงดิ้นรนกับความลึกลับของ DNA และกลไกการสืบทอด แม้จะมีความสำเร็จของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ แต่มนุษยชาติก็ยังห่างไกลจากการคลี่คลายจักรวาล เราเอาชนะแรงโน้มถ่วง เชี่ยวชาญในอวกาศ เรียนรู้วิธีการเปลี่ยนจีโนม และกำหนดพยาธิสภาพของทารกในครรภ์ในระยะแรกของการพัฒนาตัวอ่อน แต่เราก็ยังห่างไกลจากการทำความเข้าใจกลไกทั้งหมดของธรรมชาติที่มันสร้างขึ้นมาเป็นเวลาหลายพันล้านปีบนโลกนี้