Правила Чаргаффа¶

Правила Чаргаффа — это совокупность эмпирических закономерностей, описывающих количественные соотношения азотистых оснований в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), сформулированные австрийско-американским биохимиком Эрвином Чаргаффом в конце 1940-х — начале 1950-х годов. Эти правила стали одним из ключевых экспериментальных свидетельств, позволивших Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику предложить модель двойной спирали ДНК.

¶История открытия

В 1944 году Освальд Эвери с коллегами доказал, что именно ДНК, а не белки, является носителем наследственной информации. Однако структура ДНК на тот момент оставалась неизвестной. Существовала так называемая тетрануклеотидная гипотеза, согласно которой ДНК состоит из повторяющихся блоков, содержащих по одному из четырёх азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин) в равных количествах.

Эрвин Чаргафф, работавший в Колумбийском университете (Нью-Йорк), решил проверить эту гипотезу с помощью точных методов анализа. Используя хроматографию на бумаге и ультрафиолетовую спектрофотометрию, он провёл количественный анализ ДНК из различных источников: из тимуса телёнка, из селезёнки, из спермы лосося, из пшеницы, из дрожжей и из бактерий. Результаты, опубликованные в 1949—1952 годах, опровергли тетрануклеотидную модель и выявили строгие закономерности.

¶Основные правила

Чаргафф сформулировал два главных правила, которые впоследствии были дополнены третьим.

¶Первое правило (правило комплементарности)

В любой молекуле ДНК количество аденина (А) равно количеству тимина (Т), а количество гуанина (Г) равно количеству цитозина (Ц). Математически это выражается как:

• A = T
• Г = Ц

Из этого также следует, что сумма пуриновых оснований (А+Г) равна сумме пиримидиновых оснований (Т+Ц). Это правило является прямым следствием структуры двойной спирали: аденин образует две водородные связи с тимином, а гуанин — три водородные связи с цитозином. Первое правило выполняется для двухцепочечной ДНК, но не обязательно для одноцепочечных молекул (например, РНК или одноцепочечных ДНК некоторых вирусов).

¶Второе правило (правило видовой специфичности)

Соотношение оснований (A+T)/(Г+Ц) является характерным и постоянным для ДНК всех клеток одного биологического вида, но может значительно различаться у разных видов. Это правило отражает видовую специфичность состава ДНК.

• У близкородственных видов это соотношение, как правило, сходно.
• У микроорганизмов, особенно у бактерий, диапазон значений (A+T)/(Г+Ц) очень широк: от 0,45 (у некоторых актиномицетов) до 2,5 (у некоторых микоплазм).
• У высших эукариот (позвоночных, растений) это соотношение обычно варьирует в пределах 1,3—1,7, но может быть более постоянным в пределах класса.

Это правило используется в систематике микроорганизмов для определения таксономического положения видов.

¶Третье правило (правило изостерности)

В одноцепочечной ДНК (или в одноцепочечной РНК) количество аденина приблизительно равно количеству урацила (для РНК) или тимина (для ДНК), а количество гуанина — количеству цитозина, но только в том случае, если молекула способна образовывать внутримолекулярные двуцепочечные участки (шпильки). Для строго одноцепочечных молекул без вторичной структуры это правило не выполняется.

¶Значение для молекулярной биологии

Правила Чаргаффа сыграли решающую роль в установлении структуры ДНК. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, строя модели ДНК, столкнулись с проблемой: как упаковать в спираль основания разного размера. Чаргафф в 1952 году лично сообщил Уотсону и Крику о своих результатах (A=T, Г=Ц). Это натолкнуло их на идею комплементарного спаривания оснований: пуриновое основание (большое) всегда спаривается с пиримидиновым (маленьким), что обеспечивает одинаковую ширину двойной спирали. Без правил Чаргаффа модель Уотсона-Крика была бы невозможна.

¶Исключения и уточнения

Правила Чаргаффа строго выполняются для двухцепочечной ДНК, но существуют исключения:

• Одноцепочечные ДНК-вирусы (например, бактериофаг φX174): в их ДНК количество A не равно T, а Г не равно Ц, так как молекула не имеет комплементарной цепи.
• РНК-вирусы: для двухцепочечной РНК правило выполняется, для одноцепочечной — нет.
• Митохондриальная ДНК некоторых организмов может иметь небольшие отклонения из-за особенностей репликации.
• Метилирование оснований: в некоторых организмах часть цитозина метилирована (5-метилцитозин), что не нарушает общего правила, так как метилированный цитозин по-прежнему спаривается с гуанином.

¶Применение в современной науке

Правила Чаргаффа продолжают использоваться:

• В биоинформатике: для проверки качества сборки геномов — если в сборке двухцепочечной ДНК нарушается правило A=T, это указывает на ошибки.
• В таксономии: определение GC-состава (процент гуанина и цитозина) является стандартным методом для характеристики бактериальных видов.
• В молекулярной гибридизации: понимание комплементарности лежит в основе методов ПЦР, секвенирования и ДНК-микрочипов.

¶Интересные факты

• Эрвин Чаргафф был противником идеи о том, что ДНК имеет простую регулярную структуру. Узнав о модели двойной спирали, он скептически заметил: «Они не открыли ничего нового — они просто подтвердили то, что я уже знал».
• Первое правило Чаргаффа иногда называют «правилом спаривания оснований», хотя сам Чаргафф не предсказывал структуру двойной спирали — он лишь установил количественные соотношения.
• Соотношение (A+T)/(Г+Ц) для человека составляет примерно 1,5 (около 40% ГЦ-пар и 60% АТ-пар).

¶Источники

• Chargaff, E. (1950). Chemical specificity of nucleic acids and mechanism of their enzymatic degradation. Experientia, 6(6), 201-209.
• Chargaff, E. (1951). Some observations on the composition of the deoxyribonucleic acids. Journal of the American Chemical Society, 73(8), 3945-3946.
• Watson, J. D., & Crick, F. H. C. (1953). Molecular structure of nucleic acids: A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature, 171(4356), 737-738.
• Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Garland Science.
• Lewin, B. (2000). Genes VII. Oxford University Press.