Taikomoji molekulinės biologijos vertė. Molekulinis biologas. Papasakok daugiau apie tai

interviu

Pirogovas Sergejus – pasirengimo biologijos olimpiadai, kurią organizavo „Dramblys ir žirafa“ 2012 m., dalyvis.
Tarptautinės biologijos universiados nugalėtojas
Olimpiados „Lomonosovas“ nugalėtojas
Regioninio etapo nugalėtojas Visos Rusijos olimpiada biologijoje 2012 m
Studijavo Maskvos valstybiniame universitete. M.V. Lomonosovas Biologijos fakultete: katedra molekulinė biologija, 6-ajame kurse. Dirba Molekulinės genetikos instituto Gyvūnų biocheminės genetikos laboratorijoje.

- Seryozha, jei skaitytojai turės klausimų, ar jie galės jūsų užduoti?

Taip, žinoma, galite užduoti klausimus bent iš karto. Šioje srityje:

Spustelėkite čia, jei norite užduoti klausimą.

– Pradėkime nuo mokyklos, ar neturėjai itin šaunios mokyklos?

Mokiausi labai silpnoje Maskvos mokykloje, tokioje vidutinėje vidurinėje. Tiesa, Maskvos dailės teatre turėjome nuostabią mokytoją, kurios dėka turėjome iš esmės nominalią mokyklos „meno kritikos“ orientaciją.

– O kaip su biologija?

Mūsų biologijos mokytoja buvo labai pagyvenusi, kurčia ir aštri moteris, kurios visi bijojo. Tačiau meilė savo dalykui nepridėjo. Biologija domiuosi nuo vaikystės, nuo penkerių metų. Viską skaitau pati, daugiausiai traukia anatomija ir zoologija. Taigi mokykliniai dalykai egzistavo lygiagrečiai su mano paties pomėgiais. Olimpinės žaidynės pakeitė viską.

- Papasakok daugiau apie tai.

7 klasėje pirmą kartą dalyvavau savivaldybės etape (žinoma, beveik visų dalykų iš karto, nes buvau vienintelis mokinys, kurį mokytojai turėjo pagrindo siųsti). Ir laimėjo biologijoje. Tada mokykla tai traktavo kaip juokingą, bet nelabai įdomų faktą.

– Ar tai padėjo jums mokykloje?

Prisimenu, kad nepaisant puikių studijų, dažnai gaudavau B iš biologijos mokytojo su ničų skynimu kaip „svogūno pjūvio piešinyje šaknys turi būti nudažytos rudai, o ne pilkai“. Visa tai buvo gana slegianti. 8 klasėje vėl nuėjau į olimpiadą, bet kažkodėl manęs neišsiuntė į biologiją. Tačiau jis tapo kitų dalykų nugalėtoju ir prizininku.

– Kas nutiko 9 klasėje?

9 klasėje į rajono etapą nėjau. Būtent ten netikėtai surinkau silpną, ribinį balą, kuris vis dėlto pasirodė kaip perėjimas į regioninį etapą. Tai turėjo galingą motyvuojančią jėgą – suvokimą, kiek aš nežinau ir kiek žmonių visa tai žino (kiek tokių žmonių nacionaliniu mastu net bijojau įsivaizduoti).

- Papasakok, kaip ruošiesi.

Intensyvios savarankiškos studijos, veržimasis į knygynus ir tūkstančiai praėjusių metų užduočių turėjo gydomąjį poveikį. Už teoriją surinkau vieną aukščiausių balų (kas man irgi buvo visiškai netikėta), perduota į praktinis etapas...ir nepavyko. Tuo metu apie praktinės scenos egzistavimą net nežinojau.

– Ar olimpinės žaidynės jums turėjo įtakos?

Mano gyvenimas kardinaliai pasikeitė. Sužinojau apie daugelį kitų olimpiadų, ypač įsimylėjau SBO. Vėliau jis daugeliui parodė gerus rezultatus, kai kuriuos laimėjo, Lomonosovskajos dėka gavo teisę įstoti be egzaminų. Tuo pačiu laimėjau dailės istorijos olimpiadas, kurioms iki šiol kvėpuoju netolygiai. Tiesa, su praktinėmis ekskursijomis jis nedraugavo. 11 klasėje vis dėlto pasiekiau finalinį etapą, tačiau Fortūna nebuvo palanki ir šį kartą nespėjau užpildyti teorinio etapo atsakymų matricos. Tačiau tai leido per daug nesijaudinti dėl praktikos.

– Ar sutikote daug olimpiadų?

Taip, vis dar manau, kad man labai pasisekė su bendraamžių ratu, kurie labai praplėtė akiratį. Kita olimpiadų pusė, be motyvacijos darniau mokytis dalyko, buvo pažintis su olimpiadomis. Jau tuo metu pastebėjau, kad horizontalus bendravimas kartais naudingesnis nei vertikalus – su mokytojais treniruočių stovykloje.

– Kaip įstojote į universitetą? Ar pasirinkote fakultetą?

Po 11 klasės įstojau į Maskvos valstybinio universiteto Biologijos fakultetą. Tiesiog dauguma mano tuometinių bendražygių pasirinko FBB, bet čia pagrindinis vaidmuo teko tai, kad aš netapau visos Rusijos nugalėtoju. Tad tektų laikyti matematikos vidinį egzaminą, o jame, ypač mokykloje - aukštesniąją įsimylėjau daug labiau - nebuvau stipri. O mokykloje buvo labai prastas pasiruošimas (net nebuvome pasiruošę beveik visai C daliai). Kalbant apie interesus, jau tada maniau, kad galų gale galite pasiekti bet kokį rezultatą, nepriklausomai nuo priėmimo vietos. Vėliau paaiškėjo, kad yra daug FBB absolventų, kurie perėjo į daugiausia šlapiąją biologiją, ir atvirkščiai – daug gerų bioinformatikų pradėjo kaip mėgėjai. Nors tuo metu man atrodė, kad biologijos fakulteto kontingentas bus nepanašus į FBBshny. Šiuo atžvilgiu aš tikrai klydau.

Ar tu žinai?

įdomus

Ar tu žinai?

įdomus

Stovykloje „Dramblys ir žirafa“ vyksta biochemijos ir molekulinės biologijos pamainos, kur moksleiviai kartu su patyrusiais Maskvos valstybinio universiteto dėstytojais atlieka eksperimentus, taip pat ruošiasi olimpiadoms.

© Kalbino Reshetovas Denisas. Nuotraukas maloniai pateikė Sergejus Pirogovas.

(Molekular biologe/-biologin)

• Tipas

  Profesija po studijų

• Atlyginimas

  3667-5623 € per mėn

Molekuliniai biologai tiria molekulinius procesus kaip visų gyvybės procesų pagrindą. Remdamiesi gautais rezultatais, jie kuria biocheminių procesų panaudojimo koncepcijas, pavyzdžiui, medicininiuose tyrimuose ir diagnostikoje arba biotechnologijoje. Be to, jie gali būti susiję su farmacinių produktų gamyba, produktų kūrimu, kokybės užtikrinimu ar farmacijos konsultacijomis.

Molekulinio biologo pareigos

Molekuliniai biologai gali dirbti įvairiose srityse. Pavyzdžiui, jie susiję su mokslinių tyrimų rezultatų panaudojimu gamybai tokiose srityse kaip genų inžinerija, baltymų chemija ar farmakologija (vaistų atradimas). Chemijos ir farmacijos pramonėje jie palengvina naujai sukurtų produktų perkėlimą iš tyrimų į gamybą, produktų rinkodarą ir vartotojų konsultavimą.

Moksliniuose tyrimuose molekulinės biologijos specialistai tiria organinių junginių chemines-fizines savybes, taip pat cheminius procesus (ląstelinės apykaitos srityje) gyvuose organizmuose ir skelbia tyrimų rezultatus. Aukštesnėje švietimo įstaigos dėsto studentams, ruošiasi paskaitoms ir seminarams, tikrina rašto darbus ir tvarko egzaminus. Savarankiška mokslinė veikla galima tik įgijus magistro ir daktaro laipsnį.

Kur dirba molekuliniai biologai?

Molekuliniai biologai randa darbą, pvz

• mokslinių tyrimų institutuose, pvz., mokslo ir medicinos srityse
• aukštosiose mokyklose
• chemijos-farmacijos pramonėje
• aplinkos apsaugos departamentuose

Molekulinės biologijos atlyginimas

Molecular Biologists Vokietijoje gaunamas atlyginimo lygis yra

• nuo 3667€ iki 5623€ per mėn

(pagal įvairius statistikos biurus ir įdarbinimo tarnybas Vokietijoje)

Molekulinio biologo užduotys ir pareigos išsamiai

Kokia yra Molekulinio biologo profesijos esmė

Molekuliniai biologai tiria molekulinius procesus kaip visų gyvybės procesų pagrindą. Remdamiesi gautais rezultatais, jie parengia biocheminių procesų panaudojimo koncepcijas, pavyzdžiui, medicininiuose tyrimuose ir diagnostikoje arba biotechnologijoje. Be to, jie gali būti susiję su farmacinių produktų gamyba, produktų kūrimu, kokybės užtikrinimu ar farmacijos konsultacijomis.

Molekulinės biologijos pašaukimas

Molekulinė biologija arba molekulinė genetika tiria nukleorūgščių struktūrą ir biosintezę bei procesus, susijusius su šios informacijos perdavimu ir realizavimu baltymų pavidalu. Tai leidžia suprasti skausmingus šių funkcijų sutrikimus ir, galbūt, juos išgydyti genų terapijos pagalba. Yra biotechnologijų ir genų inžinerijos sąsajos, kuriose sukuriami paprasti organizmai, tokie kaip bakterijos ir mielės, kad farmakologiškai ar komerciškai svarbios medžiagos būtų prieinamos pramoniniu mastu per tikslines mutacijas.

Molekulinės biologijos teorija ir praktika

Chemijos-farmacijos pramonė siūlo daugybę darbo sričių molekuliniams biologams. Pramonėje jie analizuoja biotransformacijos procesus arba kuria ir tobulina aktyvių ingredientų ir farmacinių tarpinių produktų mikrobiologinės gamybos procesus. Be to, jie dalyvauja perkeliant naujai sukurtus produktus nuo tyrimų prie gamybos. Atlikdami tikrinimo užduotis, jie užtikrina, kad gamybos įrenginiai, įranga, analizės metodai ir visi jautrių produktų, tokių kaip vaistai, gamybos etapai visada atitiktų reikiamus kokybės standartus. Be to, molekuliniai biologai pataria naudotojams dėl naujų produktų naudojimo.

Vadovaujančioms pareigoms dažnai reikalinga magistro programa.

Molekuliniai biologai tyrimų ir švietimo srityje

Mokslo ir tyrimų srityje molekuliniai biologai nagrinėja tokias temas kaip baltymų atpažinimas, transportavimas, lankstymas ir kodifikavimas ląstelėje. Tyrimų rezultatai, kurie yra pagrindas praktinis pritaikymasįvairiose srityse, juos publikuoti ir taip padaryti prieinamus kitiems mokslininkams bei studentams. Konferencijose, kongresuose diskutuoja ir pristato mokslinės veiklos rezultatus. Molekuliniai biologai skaito paskaitas ir seminarus, vadovauja moksliniam darbui, tvarko egzaminus.

Savarankiškai mokslinei veiklai reikalingas magistro ir daktaro laipsnis.

Molekulinė biologija, mokslas, kuris savo uždaviniu iškelia gyvybės reiškinių prigimties pažinimą, tirdamas biologinius objektus ir sistemas lygiu, artėjančiu prie molekulinio lygio, o kai kuriais atvejais ir pasiekiančiu šią ribą. Galutinis tikslas šiuo atveju yra išsiaiškinti, kaip ir kokiu mastu pasireiškia būdingos gyvybės apraiškos, tokios kaip paveldimumas, savos rūšies dauginimasis, baltymų biosintezė, jaudrumas, augimas ir vystymasis, informacijos saugojimas ir perdavimas, energijos transformacijos, mobilumas. , atsiranda dėl biologiškai svarbių medžiagų molekulių struktūros, savybių ir sąveikos, pirmiausia dviejų pagrindinių didelės molekulinės masės biopolimerų klasių – baltymų ir nukleorūgščių. Išskirtinis bruožas M. gim. - gyvybės reiškinių ant negyvų objektų arba tų, kuriems būdingos primityviausios gyvybės apraiškos, tyrimas. Tai biologiniai dariniai iš ląstelių lygio ir žemiau: subląsteliniai organeliai, tokie kaip izoliuoti ląstelių branduoliai, mitochondrijos, ribosomos, chromosomos, ląstelių membranos; toliau – sistemos, stovinčios ant gyvosios ir negyvosios gamtos ribos – virusai, įskaitant bakteriofagus, ir baigiant svarbiausių gyvosios medžiagos komponentų – nukleorūgščių ir baltymų – molekulėmis.

Pagrindą, ant kurio kūrėsi M., padėjo tokie mokslai kaip genetika, biochemija, elementariųjų procesų fiziologija ir kt. Pagal raidos ištakas M. b. yra neatsiejamai susijęs su molekuline genetika, kuri ir toliau yra svarbi jos dalis

Išskirtinis bruožas M. gim. yra jos trimatis. Esmė M. b. įžvelgia M. Perutzas, aiškindamas biologines funkcijas pagal molekulinę struktūrą. M. b. siekia gauti atsakymus į klausimą „kaip“, žinant visos molekulės struktūros vaidmens ir dalyvavimo esmę, ir į klausimus „kodėl“ ir „už ką“, viena vertus, išsiaiškinti ryšį tarp molekulės (vėlgi pirmiausia baltymų ir nukleorūgščių) savybių ir jos funkcijų bei, kita vertus, tokių atskirų funkcijų vaidmens bendrame gyvybinės veiklos apraiškų komplekse.

Svarbiausi molekulinės biologijos pasiekimai.Čia yra toli gražu ne visas šių pasiekimų sąrašas: DNR, visų tipų RNR ir ribosomų struktūros ir biologinės funkcijos mechanizmo atskleidimas, genetinio kodo atskleidimas; atvirkštinės transkripcijos atradimas, t.y. DNR sintezė RNR šablone; kvėpavimo pigmentų veikimo mechanizmų tyrimas; trimatės struktūros ir jos funkcinio vaidmens fermentų veikloje atradimas, matricos sintezės principas ir baltymų biosintezės mechanizmai; virusų struktūros ir jų dauginimosi mechanizmų, pirminės ir iš dalies erdvinės antikūnų struktūros atskleidimas; atskirų genų išskyrimas, cheminė, o po to biologinė (fermentinė) genų, įskaitant žmogaus, sintezė už ląstelės ribų (in vitro); genų perkėlimas iš vieno organizmo į kitą, įskaitant žmogaus ląsteles; sparčiai progresuojantis vis daugiau atskirų baltymų, daugiausia fermentų, taip pat nukleorūgščių cheminės struktūros iššifravimas; kai kurių vis sudėtingesnio biologinių objektų „savaiminio surinkimo“ reiškinių atradimas, pradedant nuo nukleorūgščių molekulių ir pereinant prie daugiakomponentių fermentų, virusų, ribosomų ir kt.; allosterinių ir kitų pagrindinių biologinių funkcijų ir procesų reguliavimo principų išaiškinimas.

Molekulinės biologijos problemos. Kartu su nurodytomis svarbiomis užduotimis M. būtų. ("atpažinimo", savęs surinkimo ir integracijos dėsnių išmanymas) tikroji artimiausios ateities mokslinių paieškų kryptis yra metodų, leidžiančių iššifruoti struktūrą, o po to trimatis, erdvinis didelės molekulinės masės organizavimas. nukleino rūgštys. Viskas esminiai metodai, kurių panaudojimas užtikrino M. b. atsiradimą ir sėkmę, pasiūlė ir išplėtojo fizikai (ultracentrifugavimas, rentgeno difrakcijos analizė, elektronų mikroskopija, branduolinis magnetinis rezonansas ir kt.). Beveik visi nauji fizikiniai eksperimentiniai metodai (pavyzdžiui, kompiuterių, sinchrotrono arba bremsstrahlung, spinduliuotės, lazerių technologijos ir kt. naudojimas) atveria naujas galimybes nuodugniai ištirti meteorologinės analizės problemas. Tarp svarbiausių praktinio pobūdžio užduočių, į kurias atsakymo tikimasi iš M. b., pirmiausia yra piktybinio augimo molekulinio pagrindo problema, vėliau – būdai, kaip išvengti, o gal ir įveikti paveldimas ligas. molekulinės ligos“. Didelę reikšmę turės biologinės katalizės molekulinio pagrindo, ty fermentų veikimo, išaiškinimas. Tarp svarbiausių šiuolaikinių krypčių M. b. turėtų apimti norą iššifruoti hormonų, toksinių ir vaistinių medžiagų molekulinius veikimo mechanizmus, taip pat išsiaiškinti tokių ląstelių struktūrų, kaip biologinės membranos, dalyvaujančios reguliuojant įsiskverbimo procesus ir procesus, molekulinės sandaros ir funkcionavimo detales. medžiagų transportavimas. Tolimesni įvarčiai M. b. - žinios apie nervinių procesų prigimtį, atminties mechanizmus ir kt. Viena iš svarbių besiformuojančių M. b. - vadinamasis. genų inžinerija, kurios uždavinys yra tikslingas gyvų organizmų genetinio aparato (genomo) veikimas, pradedant mikrobais ir žemesniaisiais (vienaląsčiais) ir baigiant žmogumi (pastaruoju atveju pirmiausia siekiant radikalaus gydymo paveldimos ligos ir genetinių defektų korekcija).

Svarbiausios MB kryptys:

- Molekulinė genetika – ląstelės genetinio aparato struktūrinės ir funkcinės organizacijos bei paveldimos informacijos įgyvendinimo mechanizmo tyrimas.

– Molekulinė virusologija – virusų sąveikos su ląstelėmis molekulinių mechanizmų tyrimas

– Molekulinė imunologija – organizmo imuninių reakcijų modelių tyrimas

– Molekulinė vystymosi biologija – ląstelių įvairovės atsiradimo individualaus organizmų vystymosi ir ląstelių specializavimosi metu tyrimas.

Pagrindiniai tyrimo objektai: Virusai (įskaitant bakteriofagus), Ląstelės ir tarpląstelinės struktūros, Makromolekulės, Daugialąsčiai organizmai.

Molekulinė biologija / mə lɛ įJʊ ler / yra biologijos šaka, susijusi su įvairių ląstelių sistemų biomolekulių biologinio aktyvumo molekuliniais pagrindais, įskaitant DNR, RNR, baltymų ir jų biosintezės sąveiką bei šių sąveikų reguliavimą. Įrašymas gamta 1961 m. Astbury aprašė molekulinę biologiją:

Ne tiek technika, kiek požiūris, požiūris iš vadinamųjų fundamentinių mokslų taško, kurio pagrindinė idėja yra ieškoti atitinkamo molekulinio plano plataus masto klasikinės biologijos apraiškų. Visų pirma tai susiję su formų biologinės molekulės ir [...] daugiausia trimatės ir struktūrinės – tačiau tai nereiškia, kad tai tik morfologijos patobulinimas. Jis tuo pat metu turi ištirti genezę ir funkciją.

Ryšys su kitais biologijos mokslais

Mokslininkai molekulinės biologijos srityje naudoja specifinius molekulinės biologijos auginimo metodus, tačiau vis dažniau juos derina su genetikos ir biochemijos metodais bei idėjomis. Tarp šių disciplinų nėra apibrėžtos ribos. Tai parodyta šioje diagramoje, kurioje pavaizduotas vienas galimų laukų santykių tipas:

• Biochemija yra cheminių medžiagų ir gyvybinių procesų, vykstančių gyvuose organizmuose, tyrimas. Biochemikams sunku sutelkti dėmesį į biomolekulių vaidmenį, funkciją ir struktūrą. Biochemijos pavyzdžiai yra biologinių procesų chemijos tyrimas ir biologiškai aktyvių molekulių sintezė.
• Genetika yra organizmų genetinių skirtumų įtakos tyrimas. Tai dažnai galima daryti iš to, kad nėra normalaus komponento (pvz., vieno geno). „Mutantų“ – organizmų, turinčių vieną ar daugiau funkcinių komponentų, susijusių su vadinamuoju „laukinio tipo“ arba normaliu fenotipu, tyrimas. Genetinė sąveika (epistazė) dažnai painiojama dėl paprastų tokių „išmušimo“ tyrimų interpretacijų.
• Molekulinė biologija yra replikacijos, transkripcijos, vertimo ir ląstelių funkcijos procesų molekulinio pagrindo tyrimas. Pagrindinė molekulinės biologijos dogma, kai genetinė medžiaga transkribuojama į RNR, o vėliau paverčiama baltymu, nepaisant pernelyg supaprastintos, vis dar yra geras atspirties taškas šiai sričiai suprasti. Paveikslas buvo peržiūrėtas atsižvelgiant į atsirandančius naujus RNR vaidmenis.

Molekulinės biologijos metodai

Molekulinis klonavimas

Vienas iš pagrindinių molekulinės biologijos metodų tiriant baltymo funkciją yra molekulinis klonavimas. Taikant šį metodą, DNR, koduojanti dominantį baltymą, klonuojama naudojant polimerazės grandininę reakciją (PGR) ir (arba) restrikcijos fermentus plazmidėje (raiškos vektoriuje). Vektorius turi 3 skiriamuosius požymius: replikacijos pradžią, daugybinę klonavimo vietą (MCS) ir atrenkamą žymenį, dažniausiai atsparų antibiotikams. Prieš srovę esanti daugybinė klonavimo vieta yra promotoriaus ir transkripcijos pradžios vietos regionai, reguliuojantys klonuoto geno ekspresiją. Ši plazmidė gali būti įterpta į bakterijų arba gyvūnų ląsteles. DNR įvedimas į bakterijų ląsteles gali būti atliktas transformuojant per pliką DNR, konjugacijas per ląstelių kontaktus arba transdukciją per virusinį vektorių. DNR įvedimas į eukariotų ląsteles, pavyzdžiui, gyvūnų ląsteles, fiziniu arba chemikalai, vadinamas transfekcija. Galimi keli skirtingi transfekcijos metodai, tokie kaip kalcio fosfato transfekcija, elektroporacija, mikroinjekcija ir liposomų transfekcija. Plazmidė gali būti integruota į genomą, todėl transfekcija yra stabili, arba gali likti nepriklausoma nuo genomo, vadinama transfekcijos tranzitais.

DNR, koduojanti dominančius baltymus, dabar yra ląstelės viduje, ir dabar baltymai gali būti ekspresuojami. Įvairios sistemos, tokios kaip indukuojami promotoriai ir specifiniai ląstelių signalizacijos veiksniai, padeda išreikšti didelį susidomėjimą baltymais. Tada iš bakterinės ar eukariotinės ląstelės gali būti išgaunamas didelis baltymų kiekis. Baltymas gali būti tiriamas dėl fermentinio aktyvumo įvairiose situacijose, baltymas gali būti kristalizuojamas, kad būtų galima ištirti tretinę jo struktūrą, arba farmacijos pramonėje galima ištirti naujų vaistų aktyvumą prieš baltymą.

polimerazės grandininė reakcija

Makromolekulių blotingas ir tyrimas

Sąlygos šiaurinis , vakarus Ir Rytų blotavimas išeina iš to, kas iš pradžių buvo molekulinės biologijos pokštas, kuris buvo žaidžiamas šiuo terminu Southernnet, taikant Edwino Southerno aprašytą metodą BLOTTED DNR hibridizacijai. Patricia Thomas, RNR blotingo kūrėja, kuri vėliau tapo žinoma kaip šiaurinis – blotingas, iš tikrųjų nevartoja šio termino.

Southern bloting

Southern blot, pavadintas jo išradėjo biologo Edwino Southerno vardu, yra specifinės DNR sekos buvimo DNR mėginyje tyrimo metodas. DNR mėginiai prieš arba po restrikcijos fermento (restrikcijos fermento) skaidymo yra atskiriami gelio elektroforeze ir tada perkeliami į membraną kapiliarinio blotavimo būdu. Tada membrana veikiama pažymėtu DNR zondu, kurio bazinė seka yra papildanti dominančios DNR. Southern blotting mokslinėje laboratorijoje naudojamas rečiau dėl kitų metodų, tokių kaip PGR, galimybės aptikti specifines DNR sekas iš DNR mėginių. Tačiau šie blotai vis dar naudojami kai kurioms reikmėms, pavyzdžiui, transgenų kopijų skaičiui matuoti transgeninėse pelėse arba embrioninių kamieninių ląstelių genų išjungimo linijose.

Northern blotingas

Northern blot diagrama

Rytų blotingas

Klinikinius tyrimus ir medicininę terapiją, susijusią su molekuline biologija, iš dalies apima genų terapija. Molekulinės biologijos arba molekulinės ląstelių biologijos metodų taikymas medicinoje dabar vadinamas molekuline medicina. Molekulinė biologija taip pat atlieka svarbų vaidmenį suprantant įvairių ląstelių dalių formavimąsi, veiksmus ir reguliavimą, kurie gali būti naudojami siekiant veiksmingai nukreipti naujus vaistus, diagnozuoti ligas ir suprasti ląstelių fiziologiją.

Papildoma literatūra

• Cohen, SN, Chang, NKD, Boyer, H. & Heling, RB Biologiškai funkcinių bakterinių plazmidžių kūrimas in vitro .

Biochemijos, biofizikos, genetikos, citochemijos, daugelio mikrobiologijos ir virusologijos skyrių raida maždaug XX amžiaus 40-ųjų pradžioje. glaudžiai paskatino gyvybės reiškinių tyrimą molekuliniu lygmeniu. Šių mokslų sėkmė, pasiekta vienu metu ir iš skirtingų pusių, leido suvokti, kad būtent molekuliniame lygmenyje funkcionuoja pagrindinės organizmo valdymo sistemos ir tolimesnė šių mokslų pažanga priklausys nuo to, ar bus atskleista organizmų kūnus sudarančių molekulių biologinės funkcijos, jų dalyvavimas sintezėje ir skaidyme, junginių tarpusavio transformacijos ir dauginimasis ląstelėje, taip pat šiuo atveju vykstantys energijos ir informacijos mainai. Taigi šių biologinių disciplinų sandūroje su chemija ir fizika atsirado visiškai nauja šaka – molekulinė biologija.

Skirtingai nuo biochemijos, šiuolaikinės molekulinės biologijos dėmesys daugiausia sutelktas į svarbiausių biopolimerų klasių – baltymų ir nukleino rūgščių – sandaros ir funkcijos tyrimą, iš kurių pirmoji lemia pačią medžiagų apykaitos reakcijų galimybę, o antroji – į biopolimerų ir nukleino rūgščių klases. specifinių baltymų biosintezė. Todėl aišku, kad neįmanoma aiškiai atskirti molekulinės biologijos ir biochemijos, atitinkamų genetikos, mikrobiologijos ir virusologijos šakų.

Molekulinės biologijos atsiradimas buvo glaudžiai susijęs su naujų tyrimo metodų kūrimu, kurie jau buvo aptarti atitinkamuose skyriuose. Kartu su elektroninės mikroskopijos ir kitų mikroskopinės technikos metodų raida svarbų vaidmenį vaidino šeštajame dešimtmetyje sukurti ląstelinių elementų frakcionavimo metodai. Jie buvo pagrįsti patobulintais diferencinės centrifugavimo metodais (A. Claude, 1954). Tuo metu jau buvo gana patikimi biopolimerų išskyrimo ir frakcionavimo metodai. Tai visų pirma apima A. Tiselius (1937; Nobelio premija, 1948) pasiūlytą baltymų frakcionavimo elektroforezės metodą, nukleorūgščių išskyrimo ir gryninimo metodus (E. Kay, A. Downs, M. Sevag, A. Mirsky). ir kt.). Tuo pačiu metu daugelyje pasaulio laboratorijų buvo sukurti įvairūs chromatografinės analizės metodai (A. Martin ir R. Sing, 1941; Nobelio premija, 1952), vėliau žymiai patobulinti.

Rentgeno spindulių difrakcijos analizė atliko neįkainojamą paslaugą iššifruojant biopolimerų struktūrą. Pagrindiniai rentgeno spindulių difrakcijos analizės principai buvo sukurti King's College Londono universitete, vadovaujant W. Braggui, mokslininkų grupei, kurioje buvo J. Bernalis, A. Londsdale'as, W. Astbury, J. Robertsonas ir kt.

Ypač atkreiptinas dėmesys į profesoriaus Moskovskio tyrimą Valstijos universitetas A. R. Kizel apie protoplazmos biochemiją (1925 - 1929), kurios turėjo didelę reikšmę vėlesniam molekulinės biologijos formavimuisi. Kizelis smogė tvirtai įsišaknijusiai nuostatai, kad bet kuri protoplazma yra paremta specialiu baltyminiu korpusu – plokštelėmis, kurios esą lemia visas svarbiausias jos struktūrines ir funkcines savybes. Jis parodė, kad plokštelės yra baltymas, kuris randamas tik miksomicetuose, o vėliau tam tikrame vystymosi etape, ir kad protoplazmoje neegzistuoja joks nuolatinis komponentas – vienas skeleto baltymas. Taigi protoplazmos struktūros ir funkcinio baltymų vaidmens problemos tyrimas pasuko teisingu keliu ir gavo galimybių jį plėtoti. Kiselio tyrimai pelnė pasaulinį pripažinimą, skatindami ląstelių sudedamųjų dalių chemijos tyrimą.

Terminas „molekulinė biologija“, kurį pirmą kartą pavartojo anglų kristalografas W. Astbury, Lidso universiteto profesorius, tikriausiai atsirado XX amžiaus ketvirtojo dešimtmečio pradžioje (iki 1945 m.). Pagrindiniai baltymų ir DNR rentgeno spindulių difrakcijos tyrimai, kuriuos Astbury atliko 1930-aisiais, buvo tolesnio sėkmingo šių biopolimerų antrinės struktūros iššifravimo pagrindas. 1963 metais J. Bernalis rašė: „Paminklą jam pastatys visa molekulinė biologija – mokslas, kurį jis pavadino ir tikrai įkūrė“ * , Literatūroje šis terminas pirmą kartą pasirodė galbūt 1946 m. W. Astbury straipsnyje „Organinių ir fibrilinių junginių rentgeno difrakcinės analizės pažanga“, paskelbtame anglų žurnale „Nature“ ** . Savo Harvey paskaitoje Astbury (1950) pažymėjo: „Džiaugiuosi, kad molekulinės biologijos terminas dabar gana plačiai vartojamas, nors vargu ar aš pirmasis jį pasiūliau. Man tai patiko ir jau seniai bandžiau jį skleisti. “***. Jau 1950 m. Astbury buvo aiškus, kad molekulinė biologija visų pirma nagrinėja makromolekulių struktūrą ir konformaciją, kurių tyrimas yra labai svarbus norint suprasti gyvų organizmų funkcionavimą.

* (biografija Atm. Bičiuliai Roy. Soc, 1963, v. 9, 29.)

** (W. T. Astbury. Organinių ir skaidulinių struktūrų rentgeno analizės eiga.- Gamta,. 1946, v. 157, 121.)

*** (W. T. Astbury. Nuotykiai molekulinėje biologijoje. Thomas Springfield, 1952, p. 3.)

Molekulinė biologija susidūrė ir iš tikrųjų susiduria su tomis pačiomis užduotimis kaip ir visa biologija – pažinti gyvybės esmę ir jos pagrindinius reiškinius, ypač tokius kaip paveldimumas ir kintamumas. Šiuolaikinė molekulinė biologija pirmiausia skirta iššifruoti genų struktūrą ir funkcijas, organizmų genetinės informacijos realizavimo būdus ir mechanizmus įvairiuose ontogenezės etapuose ir skirtinguose jos skaitymo etapuose. Jis skirtas subtiliems genų aktyvumo reguliavimo ir ląstelių diferenciacijos mechanizmams atskleisti, mutagenezės pobūdžiui ir evoliucijos proceso molekuliniam pagrindui išsiaiškinti.

Nukleino rūgščių genetinio vaidmens nustatymas

Molekulinės biologijos raidai didžiausią reikšmę turėjo šie atradimai. 1944 metais amerikiečių tyrinėtojai O. Avery, K. McLeod (Nobelio premija, 1923 m.) ir M. McCarthy įrodė, kad iš pneumokokų išskirtos DNR molekulės pasižymi transformuojančiu aktyvumu. Po šių DNR hidrolizės dezoksiribonukleaze jų transformuojantis aktyvumas visiškai išnyko. Taip pirmą kartą buvo įtikinamai įrodyta, kad ląstelėje genetinėmis funkcijomis suteikiama DNR, o ne baltymas.

Tiesą sakant, reikia pažymėti, kad bakterijų transformacijos reiškinys buvo atrastas daug anksčiau nei Avery, McLeod ir McCarthy atradimas. 1928 metais F. Griffithas paskelbė straipsnį, kuriame pranešė, kad prie nevirulentinių (nekapsuliuotų) pneumokokų pridėjus žuvusias inkapsuliuotos virulentinės padermės ląsteles, gautas ląstelių mišinys pelėms tampa mirtinas. Be to, gyvos pneumokokinės ląstelės, išskirtos iš šiuo mišiniu užkrėstų gyvūnų, jau buvo virulentiškos ir turėjo polisacharido kapsulę. Taigi, šiame eksperimente buvo įrodyta, kad kai kurių žuvusių pneumokokinių ląstelių komponentų įtakoje neįkapsuliuota bakterijų forma virsta kapsulę formuojančia virulentine forma. Po šešiolikos metų Avery, McLeod ir McCarthy šiame eksperimente pakeitė visas nužudytas pneumokokines ląsteles jų dezoksiribonukleorūgštimi ir parodė, kad būtent DNR turi transformacinį aktyvumą (taip pat žr. 7 ir 25 skyrius). Šio atradimo reikšmę sunku pervertinti. Tai paskatino nukleino rūgščių tyrimus daugelyje pasaulio laboratorijų ir privertė mokslininkus sutelkti dėmesį į DNR.

Kartu su Avery, McLeod ir McCarthy atradimu šeštojo dešimtmečio pradžioje nemažai didelis skaičius Tiesioginiai ir netiesioginiai įrodymai, kad nukleino rūgštys vaidina išskirtinį vaidmenį gyvenime ir atlieka genetinę funkciją. Tai ypač parodė DNR lokalizacijos ląstelėje pobūdis ir R. Vendrelli (1948) duomenys, kad DNR kiekis ląstelėje yra griežtai pastovus ir koreliuoja su ploidiškumo laipsniu: haploidinėse lytinėse ląstelėse DNR yra perpus mažiau diploidinėse somatinėse ląstelėse. Ryškus metabolinis DNR stabilumas taip pat liudijo genetinį DNR vaidmenį. Iki šeštojo dešimtmečio pradžios buvo sukaupta daug įvairių faktų, rodančių, kad dauguma žinomų mutageninių faktorių daugiausia veikia nukleorūgštis ir ypač DNR (R. Hotchkiss, 1949; G. Ephrussi-Taylor, 1951; E. Freese, 1957 ir kt.).

Ypatingą reikšmę nustatant genetinį nukleorūgščių vaidmenį turėjo įvairių fagų ir virusų tyrimas. 1933 metais D. Šlesingeris aptiko DNR Escherichia coli bakteriofage. W. Stanley (1935, Nobelio premija, 1946) išskyrus tabako mozaikos virusą (TMV) kristalinėje būsenoje, prasidėjo naujas augalų virusų tyrimo etapas. 1937-1938 metais. Rothamsted žemės ūkio stoties (Anglija) darbuotojai F. Bowden ir N. Pirie parodė, kad daugelis jų išskirtų augalų virusų yra ne globulinai, o ribonukleoproteinai ir juose kaip privalomas komponentas yra nukleino rūgštis. Pačioje 40-ųjų pradžioje buvo paskelbti G. Schrammo (1940), PA Agatovo (1941), G. Millerio ir W. Stanley (1941) darbai, rodantys, kad pastebima baltyminio komponento cheminė modifikacija nesukelia. iki TMV užkrečiamumo praradimo. Tai parodė, kad baltymų komponentas negali būti paveldimų viruso savybių nešiklis, kaip ir toliau manė daugelis mikrobiologų. Įtikinamų įrodymų, patvirtinančių genetinį nukleino rūgšties (RNR) vaidmenį augalų virusuose, 1956 metais gavo G. Schrammas Tiubingene (FRG) ir H. Frenkel-Konrathas Kalifornijoje (JAV). Šie tyrėjai beveik vienu metu ir nepriklausomai vienas nuo kito išskyrė RNR iš TMV ir parodė, kad ji, o ne baltymas, turi užkrečiamumą: užkrėtus tabako augalus šia RNR, jose susiformavo ir dauginosi normalios virusinės dalelės. Tai reiškė, kad RNR yra informacijos apie visų viruso komponentų, įskaitant viruso baltymą, sintezę ir surinkimą. 1968 metais I. G. Atabekovas nustatė, kad baltymai vaidina reikšmingą vaidmenį pačiame augalų užkrėtime – baltymo prigimtis lemia augalų šeimininkų spektrą.

1957 m. Frenkel-Konrat pirmą kartą atliko TMV rekonstrukciją iš jo sudedamųjų dalių - RNR ir baltymų. Kartu su normaliomis dalelėmis jis gavo mišrius „hibridus“, kuriuose RNR buvo iš vienos padermės, o baltymai – iš kitos. Tokių hibridų paveldimumą visiškai nulėmė RNR, o virusų palikuonys priklausė štamui, kurio RNR buvo panaudota pradinėms mišrioms dalelėms gauti. Vėliau A. Gierer, G. Schuster ir G. Schramm (1958) bei G. Witman (1960 - 1966) eksperimentai parodė, kad TMV nukleino komponento cheminė modifikacija lemia įvairių šio viruso mutantų atsiradimą.

1970 metais D.Baltimore'as ir G.Teminas išsiaiškino, kad genetinės informacijos perkėlimas gali vykti ne tik iš DNR į RNR, bet ir atvirkščiai. Kai kuriuose onkogeniniuose RNR turinčiuose virusuose (onkornavirusuose) jie aptiko specialų fermentą, vadinamąją atvirkštinę transkriptazę, gebančią sintetinti RNR grandines papildančią DNR. Šis didelis atradimas leido suprasti RNR turinčių virusų genetinės informacijos įterpimo į šeimininko genomą mechanizmą ir naujai pažvelgti į jų onkogeninio poveikio pobūdį.

Nukleino rūgščių atradimas ir jų savybių tyrimas

Terminą nukleino rūgštys įvedė vokiečių biochemikas R. Altmanas 1889 m., po to, kai 1869 m. šiuos junginius atrado šveicarų gydytojas F. Miescheris. Misheris keletą savaičių ekstrahavo pūlingas ląsteles praskiesta druskos rūgštimi, o likusioje dalyje gavo beveik gryną branduolinę medžiagą. Šią medžiagą jis laikė būdinga ląstelių branduolių "medžiaga ir pavadino ją nukleinu. Savo savybėmis nukleinas smarkiai skyrėsi nuo baltymų: buvo rūgštesnis, neturėjo sieros, bet joje daug fosforo, buvo lengvai tirpsta šarmuose, bet netirpsta praskiestose rūgštyse.

Misheras išsiuntė savo stebėjimų apie nukleiną rezultatus F. Goppe-Seyler paskelbti žurnale. Jo aprašyta medžiaga buvo tokia neįprasta (tuo metu iš visų biologinių fosforo turinčių junginių buvo žinomas tik lecitinas), kad Goppe-Seyler nepatikėjo Mishero eksperimentais, grąžino jam rankraštį ir nurodė savo darbuotojams N. Ploshui ir N. Lyubavinui. patikrinkite jo išvadas apie kitą medžiagą. Miescherio darbas „Apie pūlingų ląstelių cheminę sudėtį“ buvo paskelbtas po dvejų metų (1871 m.). Tuo pat metu buvo paskelbti Goppe-Seylerio ir jo bendradarbių darbai apie pūlingų ląstelių, paukščių, gyvačių ir kitų ląstelių eritrocitų sudėtį. Per ateinančius trejus metus nukleinas buvo išskirtas iš gyvūnų ląstelių ir mielių.

Savo darbe Misheras pažymėjo, kad išsamus skirtingų nukleinų tyrimas gali padėti nustatyti jų skirtumus, taip numatant nukleorūgščių specifiškumo idėją. Tirdamas lašišos pieną, Misheras išsiaiškino, kad juose esantis nukleinas yra druskos pavidalo ir yra susijęs su pagrindiniu baltymu, kurį pavadino protaminu.

1879 metais A.Kosselis Goppe-Seyler laboratorijoje pradėjo tyrinėti nukleinus. 1881 metais jis išskyrė hipoksantiną iš nukleino, tačiau tuo metu dar abejojo ​​šios bazės kilme ir tikėjo, kad hipoksantinas gali būti baltymų skilimo produktas. 1891 m. tarp nukleinų hidrolizės produktų Koselis atrado adeniną, guaniną, fosforo rūgštį ir kitą medžiagą, turinčią cukraus savybių. Už nukleorūgščių chemijos tyrimus Kossel buvo apdovanotas Nobelio premija 1910 m.

Tolesnė pažanga iššifruojant nukleorūgščių struktūrą siejama su P. Levino ir kolegų (1911 - 1934) tyrimais. 1911 m. P. Levinas ir V. Jacobsas nustatė adenozino ir guanozino angliavandenių komponentą; jie nustatė, kad šiuose nukleoziduose yra D-ribozės. 1930 m. Lewinas parodė, kad dezoksiribonukleozidų angliavandenių komponentas yra 2-deoksi-D-ribozė. Iš jo darbo tapo žinoma, kad nukleorūgštys yra sudarytos iš nukleotidų, ty fosforilintų nukleozidų. Levinas manė, kad pagrindinis nukleino rūgščių (RNR) ryšio tipas yra 2 colių 5 colių fosfodiesterio ryšys. Ši mintis pasirodė klaidinga. Anglų chemiko A. Toddo (Nobelio premija, 1957 m.) ir jo bendradarbių, taip pat anglų biochemikų R. Markhamo ir J. Smitho darbo dėka šeštojo dešimtmečio pradžioje tapo žinoma, kad pagrindinis RNR ryšio tipas. yra 3", 5" - fosfodiesterio jungtis.

Lewinas parodė, kad skirtingos nukleorūgštys gali skirtis pagal angliavandenių komponento pobūdį: kai kuriose iš jų yra cukraus dezoksiribozės, o kitose yra ribozės. Be to, šių dviejų tipų nukleino rūgštys skyrėsi vienos iš bazių prigimtimi: pentozės tipo nukleorūgštyse buvo uracilo, o deoksipentozės tipo nukleorūgščių – timino. Deoksipentozės nukleorūgštis (šiuolaikine terminologija, dezoksiribonukleino rūgštis – DNR) paprastai buvo lengvai išskiriama dideliais kiekiais iš veršelių užkrūčio liaukos (saldiosios liaukos). Todėl ji buvo vadinama timonukleino rūgštimi. Pentozės tipo nukleorūgšties (RNR) šaltinis daugiausia buvo mielės ir kviečių gemalai. Šis tipas dažnai buvo vadinamas mielių nukleino rūgštimi.

Trečiojo dešimtmečio pradžioje buvo gana tvirtai įsišaknijusi nuomonė, kad augalų ląstelėms būdinga mielių tipo nukleorūgštis, o timonukleino rūgštis buvo būdinga tik gyvūnų ląstelių branduoliams. Dviejų tipų nukleino rūgštys – RNR ir DNR – buvo atitinkamai vadinamos augalų ir gyvūnų nukleorūgštimis. Tačiau, kaip parodė ankstyvieji A. N. Belozerskio tyrimai, toks nukleorūgščių skirstymas yra nepagrįstas. 1934 metais Belozerskis pirmą kartą atrado timonukleino rūgštį augalų ląstelėse: iš žirnių daigų išskyrė ir identifikavo DNR būdingą timino-pirimidino bazę. Tada jis atrado timiną kituose augaluose (sojų sėklose, pupelėse). 1936 metais A. N. Belozerskis ir I. I. Dubrovskaja DNR preparatyviai išskyrė iš arklio kaštonų sodinukų. Be to, 1940-aisiais Anglijoje D. Davidson ir bendradarbių atlikta eilė tyrimų įtikinamai parodė, kad augalų nukleino rūgšties (RNR) yra daugelyje gyvūnų ląstelių.

Plačiai panaudojus R. Felgeno ir G. Rosenbecko (1924) sukurtą citocheminę DNR reakciją bei J. Bracheto (1944) reakciją į RNR, buvo galima greitai ir nedviprasmiškai išspręsti šių nukleino pirmenybinės lokalizacijos klausimą. rūgštys ląstelėje. Paaiškėjo, kad DNR yra koncentruota branduolyje, o RNR daugiausia – citoplazmoje. Vėliau buvo nustatyta, kad RNR yra ir citoplazmoje, ir branduolyje, be to, buvo nustatyta citoplazminė DNR.

Kalbant apie pirminės nukleorūgščių sandaros klausimą, XX amžiaus ketvirtojo dešimtmečio viduryje moksle buvo tvirtai įsitvirtinusi P. Levino idėja, pagal kurią visos nukleino rūgštys yra sudarytos pagal tą patį tipą ir susideda iš to paties vadinamojo tetranukleotido. blokai. Kiekviename iš šių blokų, pasak Lewino, yra keturi skirtingi nukleotidai. Tetranukleotidinė nukleino rūgščių struktūros teorija iš esmės atėmė šių biopolimerų specifiškumą. Todėl nenuostabu, kad tuo metu visa gyvybės specifika buvo siejama tik su baltymais, kurių monomerų prigimtis daug įvairesnė (20 aminorūgščių).

Pirmąją spragą nukleorūgščių tetranukleotidinės struktūros teorijoje padarė anglų chemiko J. Goulando (1945 - 1947) analitiniai duomenys. Nustatydamas nukleorūgščių sudėtį pagal bazinį azotą, jis negavo ekvimolinio bazių santykio, koks turėjo būti pagal Lewino teoriją. Galiausiai tetranukleotidinė nukleorūgščių sandaros teorija žlugo dėl E. Chargaffo ir jo bendradarbių (1949 - 1951) tyrimų. Chargaffas naudojo popieriaus chromatografiją, kad atskirtų bazes, išsiskiriančias iš DNR dėl jos rūgšties hidrolizės. Kiekviena iš šių bazių buvo tiksliai nustatyta spektrofotometriškai. Chargaffas pastebėjo reikšmingus nukrypimus nuo ekvimolinio bazių santykio skirtingos kilmės DNR ir pirmą kartą tvirtai pareiškė, kad DNR turi ryškų rūšies specifiškumą. Tai užbaigė baltymų specifiškumo gyvoje ląstelėje sampratos hegemoniją. Analizuodamas skirtingos kilmės DNR, Chargaffas atrado ir suformulavo unikalius DNR sudėties modelius, kurie į mokslą pateko Chargaffo taisyklių pavadinimu. Pagal šias taisykles, visose DNR, nepriklausomai nuo kilmės, adenino kiekis lygus timino kiekiui (A = T), guanino kiekis lygus citozino kiekiui (G = C), purinai yra lygūs pirimidinų kiekiui (G + A = C + T), bazių, turinčių 6-amino grupes, kiekis lygus bazių, turinčių 6-keto grupes, skaičiui (A + C = G + T). Tačiau nepaisant tokių griežtų kiekybinių atitikmenų, DNR skirtingi tipai skiriasi santykio A + T: G + C dydžiu. Kai kuriose DNR guanino ir citozino kiekis viršija adenino ir timino kiekį (Chargaff pavadino šias DNR GC tipo DNR); kitose DNR buvo daugiau adenino ir timino nei guanino ir citozino (šios DNR buvo vadinamos AT tipo DNR). Chargaffo gauti duomenys apie DNR sudėtį suvaidino išskirtinį vaidmenį molekulinėje biologijoje. Būtent jie sudarė pagrindą DNR struktūros atradimui, kurį 1953 metais padarė J. Watsonas ir F. Crickas.

Dar 1938 m. W. Astbury ir F. Bell, taikydami rentgeno spindulių difrakcijos analizę, parodė, kad pagrindinės DNR plokštumos turi būti statmenos ilgajai molekulės ašiai ir turėtų būti tarsi ant viršaus gulinčios plokštelių krūvos. vienas kito. Tobulėjant rentgeno spindulių difrakcinės analizės metodikai, iki 1952 – 1953 m. sukaupta informacija, kuri leido spręsti apie atskirų jungčių ilgį ir pasvirimo kampus. Tai leido su didžiausia tikimybe pavaizduoti pentozės liekanų žiedų orientacijos pobūdį DNR molekulės cukraus-fosfato pagrinde. 1952 metais S. Farbergas pasiūlė du spekuliacinius DNR modelius, vaizduojančius vienos grandinės molekulę, sulankstytą arba susisukusią ant savęs. Ne mažiau spekuliatyvų DNR struktūros modelį 1953 metais pasiūlė L. Paulingas (1954 m. Nobelio premijos laureatas) ir R. Corey. Šiame modelyje trys susuktos DNR grandinės sudarė ilgą spiralę, kurios šerdį reprezentavo fosfatų grupės, o bazės buvo už jos ribų. Iki 1953 m. M. Wilkinsas ir R. Franklinas gavo aiškesnius DNR rentgeno spindulių difrakcijos modelius. Jų analizė parodė visišką Farbergo, Paulingo ir Corey modelių nesėkmę. Pasinaudoję Chargaffo duomenimis, lygindami skirtingus atskirų monomerų molekulinių modelių derinius ir rentgeno spindulių difrakcijos duomenis, J. Watsonas ir F. Crickas 1953 metais priėjo prie išvados, kad DNR molekulė turi būti dvigrandė spiralė. Chargaff taisyklės labai apribojo galimų užsakytų bazių derinių skaičių siūlomame DNR modelyje; jie pasiūlė Watsonui ir Crickui, kad DNR molekulėje turi būti specifinė bazių pora – adeninas su timinu ir guaninas su citozinu. Kitaip tariant, adeninas vienoje DNR grandinėje visada griežtai atitinka timiną kitoje grandinėje, o guaninas vienoje grandinėje būtinai atitinka citoziną kitoje. Taip Watsonas ir Crickas pirmą kartą suformulavo išskirtinės svarbos DNR komplementariosios struktūros principą, pagal kurį viena DNR grandinė papildo kitą, ty vienos grandinės bazių seka vienareikšmiškai nustato bazių seką kitoje (komplementari ) sruogą. Tapo akivaizdu, kad jau pačioje DNR struktūroje slypi tikslaus jos dauginimosi potencialas. Šis DNR struktūros modelis šiuo metu yra visuotinai priimtas. Crickas, Watsonas ir Wilkinsas 1962 metais buvo apdovanoti Nobelio premija už DNR struktūros iššifravimą.

Pažymėtina, kad tikslaus makromolekulių atkūrimo ir paveldimos informacijos perdavimo mechanizmo idėja kilo mūsų šalyje. 1927 metais N. K. Kolcovas pasiūlė, kad ląstelių dauginimosi metu molekulių dauginimasis vyksta tiksliai autokataliziškai dauginant esamas pirmines molekules. Tiesa, tuo metu Kolcovas šią savybę apdovanojo ne DNR molekulėmis, o baltyminės prigimties molekulėmis, kurių funkcinė reikšmė tuomet nebuvo žinoma. Nepaisant to, pati makromolekulių autokatalizinio dauginimosi ir paveldimų savybių perdavimo mechanizmo idėja pasirodė pranašinga: ji tapo pagrindine šiuolaikinės molekulinės biologijos idėja.

A. N. Belozerskio laboratorijoje A. S. Spirino, G. N. Zaicevos, B. F. Vanyušino, S. O. Urysono, A. S. Antonovo ir kitų įvairių organizmų atliktas tyrimas visiškai patvirtino Chargaffo atrastus modelius ir visišką atitikimą Watsono pasiūlytam DNR struktūros molekuliniam modeliui. ir Crickas. Šie tyrimai parodė, kad skirtingų bakterijų, grybų, dumblių, aktinomicetų, aukštesniųjų augalų, bestuburių ir stuburinių DNR turi specifinę sudėtį. Sudėties skirtumai (AT-bazių porų kiekis) ypač ryškūs mikroorganizmuose, o tai yra svarbi taksonominė ypatybė. Aukštesniųjų augalų ir gyvūnų rūšių DNR sudėties skirtumai yra daug mažiau ryškūs. Tačiau tai nereiškia, kad jų DNR yra mažiau specifinė. Be bazių sudėties, specifiškumą daugiausia lemia jų seka DNR grandinėse.

Kartu su įprastomis bazėmis DNR ir RNR buvo rasta papildomų azoto bazių. Taigi, G. White (1950) augalų ir gyvūnų DNR aptiko 5-metilcitoziną, o D. Dunn ir J. Smith (1958) kai kuriose DNR aptiko metilinto adenino. Ilgą laiką buvo svarstomas metilcitozinas skiriamasis ženklas aukštesniųjų organizmų genetinė medžiaga. 1968 metais A. N. Belozersky, B. F. Vanyushin ir N. A. Kokurina nustatė, kad jo galima rasti ir bakterijų DNR.

1964 metais M. Goldas ir J. Hurwitzas atrado naują fermentų klasę, kuri atlieka natūralią DNR modifikaciją – jos metilinimą. Po šio atradimo paaiškėjo, kad nedidelės bazės (kurios yra nedideliais kiekiais) atsiranda jau baigtoje DNR polinukleotidų grandinėje dėl specifinio citozino ir adenino liekanų metilinimo specialiose sekose. Visų pirma, pasak B. F. Vanyushin, Ya. I. Buryanov ir A. N. Belozersky (1969), adenino metilinimas E. coli DNR gali vykti baigiant kodonus. Anot AN Belozersky ir jo kolegų (1968–1970), taip pat M. Meselsono (JAV) ir V. Arberio (Šveicarija) (1965–1969), metilinimas suteikia DNR molekulėms unikalių individualių savybių ir kartu su specifinės nukleazės, yra sudėtingo mechanizmo, kontroliuojančio DNR sintezę ląstelėje, dalis. Kitaip tariant, konkrečios DNR metilinimo pobūdis iš anksto nulemia klausimą, ar ji gali daugintis tam tikroje ląstelėje.

Beveik tuo pačiu metu prasidėjo DNR metilazių ir restrikcijos endonukleazių išskyrimas ir intensyvus tyrimas; 1969-1975 metais buvo nustatytos nukleotidų sekos, kurias DNR atpažįsta kai kurie iš šių fermentų (X. Boyer, X. Smith, S. Lynn, K. Murray). Kai skirtingos DNR yra hidrolizuojamos restrikcijos fermentu, išskiriami gana dideli fragmentai su vienodais „lipniais“ galais. Tai leidžia ne tik analizuoti genų struktūrą, kaip tai daroma mažuose virusuose (D. Nathans, S. Adler, 1973 - 1975), bet ir konstruoti įvairius genomus. Atradus šiuos specifinius restrikcijos fermentus, genų inžinerija tapo apčiuopiama realybe. Į nedidelę plazmidę DNR įterpti įvairios kilmės genai jau lengvai patenka į įvairias ląsteles. Taip, gauta naujo tipoį Escherichia coli plazmides buvo įvestos biologiškai aktyvios plazmidės, suteikiančios atsparumą tam tikriems antibiotikams (S. Cohen, 1973), varlių ir Drosophila ribosomų genai (J. Morrow, 1974; X. Boyer, D. Hogness, R. Davis, 1974 - 1975). Taigi, į jų genofondą įvedant ir integruojant įvairius genus, atsiveria realūs būdai gauti iš esmės naujų organizmų. Šis atradimas gali būti nukreiptas visos žmonijos labui.

1952 metais G. White'as ir S. Cohenas atrado, kad T lyginių fagų DNR yra neįprasta bazė – 5-hidroksimetilcitozinas. Vėliau iš E. Volkin ir R. Sinsheimer (1954) ir Cohen (1956) darbų tapo žinoma, kad hidroksimetilcitozino liekanos gali būti visiškai arba iš dalies gliukoziduotos, dėl ko fago DNR molekulė yra apsaugota nuo hidrolizinio poveikio. nukleazių.

1950-ųjų pradžioje iš D. Dunn ir J. Smith (Anglija), S. Zamenhof (JAV) ir A. Wacker (Vokietija) darbų tapo žinoma, kad į DNR gali būti įtraukta daug dirbtinių bazių analogų, kartais pakeičiančių. iki 50% timino. Paprastai šie pakeitimai sukelia DNR replikacijos, transkripcijos ir vertimo klaidas ir mutantų atsiradimą. Taigi, J. Marmur (1962) nustatė, kad kai kurių fagų DNR vietoj timino yra oksimetiluracilo. 1963 metais I. Takahashi ir J. Marmuras atrado, kad vieno iš fagų DNR vietoj timino yra uracilo. Taip žlugo kitas principas, pagal kurį anksčiau buvo atskirtos nukleino rūgštys. Nuo P. Levino darbo laikų buvo manoma, kad timinas yra DNR, o uracilas – RNR. Tapo aišku, kad šis ženklas ne visada patikimas, o esminis dviejų tipų nukleorūgščių cheminės prigimties skirtumas, kaip atrodo šiandien, yra tik angliavandenių komponento prigimtis.

Tyrinėjant fagus, buvo atskleista daug neįprastų nukleorūgščių organizavimo ypatybių. Nuo 1953 m. buvo manoma, kad visos DNR yra dvigrandės linijinės molekulės, o RNR yra tik vienos grandinės. Šią poziciją gerokai sukrėtė 1961 m., kai R. Sinsheimeris atrado, kad fago φ X 174 DNR atstovauja vienagrandė žiedinė molekulė. Tačiau vėliau paaiškėjo, kad tokia forma ši DNR egzistuoja tik vegetatyvinėje fago dalelėje, o šio fago DNR replikacinė forma taip pat yra dvigrandė. Be to, gana netikėta pasirodė, kad kai kurių virusų RNR gali būti dvigrandė. Šią naujo tipo RNR makromolekulinę organizaciją 1962 m. atrado P. Gomatos, I. Tamm ir kiti kai kurių gyvūnų virusų ir augalų žaizdų navikų virusų tyrinėtojai. Neseniai V. I. Agol ir A. A. Bogdanov (1970) nustatė, kad be linijinių RNR molekulių yra ir uždarų arba ciklinių molekulių. Jie aptiko ciklinę dvigrandę RNR, ypač encefalomielokardito viruse. X. Deveaux, L. Tinoko, T. I. Tikhonenko, E. I. Budovskio ir kitų (1960 - 1974) darbų dėka tapo žinomi pagrindiniai genetinės medžiagos organizavimo (dėjimo) bakteriofaguose ypatumai.

1950-ųjų pabaigoje amerikiečių mokslininkas P. Doty nustatė, kad kaitinimas sukelia DNR denatūraciją, kurią lydi vandenilinių ryšių tarp bazių porų nutrūkimas ir komplementarių grandinių atsiskyrimas. Šis procesas yra „spiralinės ritės“ fazinio perėjimo pobūdis ir panašus į kristalų tirpimą. Todėl Doty DNR DNR terminio denatūravimo procesą pavadino tirpimu. Lėtai aušinant, vyksta molekulių renatūracija, t.y., susijungia viena kitą papildančios pusės.

Renatūracijos principą 1960 metais naudojo J. Marmur ir K. Schildkraut, norėdami nustatyti skirtingų mikroorganizmų DNR „hibridizavimo“ laipsnį. Vėliau E. Boltonas ir B. McCarthy patobulino šią techniką, pasiūlydami vadinamųjų DNR agaro kolonėlių metodą. Šis metodas pasirodė esąs nepakeičiamas tiriant skirtingų DNR nukleotidų sekos homologijos laipsnį ir išaiškinant skirtingų organizmų genetinius ryšius. Doty atrastas DNR denatūravimas kartu su metilinto albumino chromatografija, aprašyta J. Mandel ir A. Hershey* (1960), ir tankio gradiento centrifugavimu (metodą 1957 m. sukūrė M. Meselson, F. Stahl ir D. Winograd) yra plačiai naudojamas atskirų komplementarių DNR grandinių atskyrimui, išskyrimui ir analizei Pavyzdžiui, W. Shibalsky (JAV), naudodamas šiuos metodus lambda fago DNR atskyrimui, 1967–1969 metais parodė, kad abi fago grandinės yra genetiškai aktyvios. , o ne vienas, kaip buvo manoma (S. Spiegelman, 1961). Pažymėtina, kad pirmą kartą idėją apie abiejų lambda fago DNR grandžių genetinę reikšmę SSRS išreiškė SE Bresleris (1961).

* (Už darbą bakterijų ir virusų genetikos srityje A. Hershey kartu su M. Delbrücku ir S. Luria 1969 metais buvo apdovanoti Nobelio premija.)

Norint suprasti genomo organizaciją ir funkcinį aktyvumą, DNR nukleotidų sekos nustatymas yra itin svarbus. Tokio nustatymo metodų ieškoma daugelyje pasaulio laboratorijų. Nuo šeštojo dešimtmečio pabaigos M. Beer ir jo bendradarbiai JAV bandė nustatyti DNR seką elektroniniu mikroskopu, tačiau iki šiol nesėkmingai. Penktojo dešimtmečio pradžioje iš pirmųjų Sinsheimerio, Chargaffo ir kitų tyrinėtojų darbų apie fermentinį DNR skaidymą tapo žinoma, kad skirtingi nukleotidai DNR molekulėje pasiskirsto, nors ir ne atsitiktinai, o netolygiai. Anglų chemiko C. Barton (1961) teigimu, pirimidinai (daugiau nei 70 %) koncentruojasi daugiausia atitinkamų blokų pavidalu. A. L. Mazinas ir B. F. Vanyushin (1968–1969) išsiaiškino, kad skirtingos DNR turi skirtingą pirimidino rišlumo laipsnį ir kad gyvūnų organizmų DNR jis pastebimai padidėja, kai juda iš žemesnės į aukštesnę. Taigi organizmų evoliucija atsispindi ir jų genomų struktūroje. Štai kodėl norint suprasti evoliucijos procesą kaip visumą, ypač svarbus yra lyginamasis nukleorūgščių struktūros tyrimas. Biologiškai svarbių polimerų ir, visų pirma, DNR struktūros analizė yra nepaprastai svarbi sprendžiant daugelį specifinių filogenetikos ir taksonomijos problemų.

Įdomu pastebėti, kad anglų fiziologas E. Lankesteris, tyrinėjęs moliuskų hemoglobinus, molekulinės biologijos idėjas numatė lygiai prieš 100 metų, rašė: „Išskaidymui ne mažiau svarbūs cheminiai skirtumai tarp skirtingų gyvūnų ir augalų rūšių bei genčių. jų atsiradimo istorija kaip jų forma. Jeigu pavyktų aiškiai nustatyti organizmų molekulinės struktūros ir funkcionavimo skirtumus, tai skirtingų organizmų kilmę ir evoliuciją suprastume daug geriau nei remdamiesi morfologiniais stebėjimais“ * . Biocheminių tyrimų reikšmę taksonomijai pabrėžė ir V. L. Komarovas, rašęs, kad „visų net grynai morfologinių požymių, kuriais remiantis klasifikuojame ir nustatome rūšis, pagrindas yra būtent biocheminiai skirtumai“**.

* (E. R. Lankesteris. Uber das Vorcommen von Hemoglobin in den Muskeln der Mollusken und die Verbreitung desselben in den lebendigen Organismen. – „Pfluger“ archyvas fur die gesammte Physiol., 1871, Bd 4, 319.)

** (V. L. Komarovas. Rinktiniai darbai, t. 1. M.-L., SSRS mokslų akademijos leidykla, 1945, p. 331.)

A. V. Blagoveščenskis ir S. L. Ivanovas dar praėjusio amžiaus 2 dešimtmetyje žengė pirmuosius žingsnius mūsų šalyje, siekdami išsiaiškinti tam tikrus organizmų evoliucijos ir sisteminimo klausimus, remdamiesi lyginamąja jų biocheminės sudėties analize (žr. 2 skyrių). Lyginamoji analizė baltymų ir nukleorūgščių struktūra dabar tampa vis labiau apčiuopiamu taksonomų įrankiu (žr. 21 skyrių). Šis molekulinės biologijos metodas leidžia ne tik išsiaiškinti atskirų rūšių padėtį sistemoje, bet ir iš naujo pažvelgti į pačius organizmų klasifikavimo principus, o kartais peržiūrėti visą sistemą kaip visumą. , kaip atsitiko, pavyzdžiui, su mikroorganizmų sistematika. Be abejonės, ateityje organizmų chemosistematikoje pagrindinę vietą užims genomo struktūros analizė.

Didelę reikšmę molekulinės biologijos raidai turėjo DNR replikacijos ir transkripcijos mechanizmų iššifravimas (žr. 24 skyrių).

Baltymų biosintezė

Svarbus pokytis sprendžiant baltymų biosintezės problemą yra susijęs su nukleorūgščių tyrimo pažanga. 1941 metais T. Kaspersonas (Švedija), o 1942 metais J. Brachetas (Belgija) atkreipė dėmesį į tai, kad audiniuose, kuriuose vyksta aktyvi baltymų sintezė, yra padidėjęs RNR kiekis. Jie padarė išvadą, kad ribonukleorūgštys vaidina lemiamą vaidmenį baltymų sintezėje. Panašu, kad 1953 metais E. Gale ir D. Fox gavo tiesioginių įrodymų apie tiesioginį RNR dalyvavimą baltymų biosintezėje: jų duomenimis, ribonukleazė reikšmingai slopino aminorūgščių įsijungimą į bakterijų ląstelių lizatus. Panašius duomenis apie kepenų homogenatus gavo V. Olfri, M. Delhi ir A. Mirsky (1953). Vėliau E. Gale'as atmetė savo teisingą mintį apie RNR pagrindinį vaidmenį baltymų sintezėje, klaidingai manydamas, kad baltymų sintezės suaktyvėjimas sistemoje be ląstelių įvyko veikiant kokiai nors kitai nežinomo pobūdžio medžiagai. 1954 metais P. Zamechnikas, D. Littlefieldas, R. B. Khesin-Lurie ir kiti nustatė, kad aktyviausiai aminorūgštys įsijungia į RNR turinčias subląstelinių dalelių frakcijas – mikrosomas. P. Zamechnik ir E. Keller (1953–1954) nustatė, kad aminorūgščių įsijungimas pastebimai sustiprėjo esant supernatantui ATP regeneracijos sąlygomis. P. Sikevitz (1952) ir M. Hoagland (1956) iš supernatanto išskyrė baltymo frakciją (pH 5 frakcija), kuri buvo atsakinga už staigų aminorūgščių įtraukimo į mikrosomas stimuliavimą. Kartu su baltymais supernatante buvo rasta speciali mažos molekulinės masės RNR klasė, dabar vadinama pernešimo RNR (tRNR). 1958 metais Hoaglandas ir Zamechnikas, taip pat P. Bergas, R. Sweetas ir F. Allenas bei daugelis kitų tyrinėtojų išsiaiškino, kad kiekvienai aminorūgščiai aktyvuoti reikia savo specialaus fermento – ATP ir specifinės tRNR. Tapo aišku, kad tRNR atlieka išskirtinai adapterių funkciją, t.y. prietaisus, kurie nukleininėje matricoje (mRNR) randa vietą atitinkamai aminorūgščiai atsirandančioje baltymo molekulėje. Šie tyrimai visiškai patvirtino F. Crick (1957) adapterio hipotezę, numatančią, kad ląstelėje egzistuoja polinukleotidiniai adapteriai, kurie yra būtini norint teisingai išsidėstyti sintezuojamo baltymo aminorūgščių likučius ant nukleino matricos. Daug vėliau prancūzų mokslininkas F. Chapville (1962) F. Lipmano laboratorijoje (Nobelio premija, 1953 m.) JAV labai išradingai ir nedviprasmiškai parodė, kad aminorūgšties vietą susintetinto baltymo molekulėje visiškai lemia specifinė tRNR, prie kurios ji yra prijungta. Cricko adapterio hipotezę sukūrė Hoaglandas ir Zamechnikas.

Iki 1958 m. tapo žinomi šie pagrindiniai baltymų sintezės etapai: 1) aminorūgšties aktyvavimas specifiniu fermentu iš „pH 5 frakcijos“, dalyvaujant ATP, susidarant aminoaciladenilatui; 2) aktyvuotos aminorūgšties prijungimas prie specifinės tRNR, išskiriant adenozino monofosfatą (AMP); 3) aminoacil-tRNR (tRNR, pakrauta aminorūgštimi) prijungimas prie mikrosomų ir aminorūgščių įtraukimas į baltymą su tRNR išsiskyrimu. Hoaglandas (1958) pažymėjo, kad guanozino trifosfatas (GTP) reikalingas paskutiniame baltymų sintezės etape.

RNR perkėlimas ir genų sintezė

Po tRNR atradimo prasidėjo aktyvios jų frakcionavimo ir nukleotidų sekos nustatymo paieškos. Didžiausios sėkmės sulaukė amerikiečių biochemikas R. Holly. 1965 m. jis nustatė alanino tRNR struktūrą iš mielių. Naudodama ribonukleazes (guanilo RNazę ir kasos RNazę), Holly padalino nukleorūgšties molekulę į kelis fragmentus, kiekviename iš jų atskirai nustatė nukleotidų seką, o vėliau atkūrė visos alanino tRNR molekulės seką. Toks nukleotidų sekos analizės būdas vadinamas blokiniu metodu. Holly nuopelnas daugiausia buvo tas, kad jis išmoko padalyti RNR molekulę ne tik į mažus gabalėlius, kaip daugelis darė anksčiau, bet ir į didelius fragmentus (ketvirčius ir puses). Tai suteikė jam galimybę tinkamai sujungti atskirus mažus gabalus ir taip atkurti visą visos tRNR molekulės nukleotidų seką (Nobelio premija, 1968).

Šią techniką iš karto perėmė daugelis laboratorijų visame pasaulyje. Per ateinančius dvejus metus SSRS ir užsienyje buvo iššifruota kelių tRNR pirminė struktūra. A. A. Baev (1967) ir bendradarbiai pirmą kartą nustatė nukleotidų seką mielių valino tRNR. Iki šiol buvo ištirta daugiau nei dešimt skirtingų individualių tRNR. Savotišką rekordą nustatant nukleotidų seką Kembridže pasiekė F. Sengeris ir G. Brownlee. Šie mokslininkai sukūrė stebėtinai elegantišką oligonukleotidų atskyrimo ir vadinamosios 5 S (ribosominės) RNR sekos nustatymo iš E. coli ląstelių metodą (1968). Ši RNR susideda iš 120 nukleotidų liekanų ir, skirtingai nei tRNR, joje nėra papildomų smulkių bazių, kurios labai palengvina nukleotidų sekos analizę, tarnaujančios kaip unikalūs orientyrai atskiriems molekulės fragmentams. Šiuo metu J. Ebelio (Prancūzija) ir kitų tyrėjų laboratorijoje dėl Sangerio ir Brownlee metodo panaudojimo darbai, susiję su ilgųjų ribosomų RNR ir kai kurių virusinių RNR sekų tyrimu, yra sėkmingai pažengę į priekį.

A. A. Baev su kolegomis (1967) išsiaiškino, kad pusiau perpjauta valino tRNR atkuria savo makromolekulinę struktūrą tirpale ir, nepaisant pirminės struktūros defekto, turi pirminės (gimtosios) molekulės funkcinį aktyvumą. Šis metodas – perpjautos makromolekulės atkūrimas pašalinus tam tikrus fragmentus – pasirodė labai perspektyvus. Dabar jis plačiai naudojamas tam tikrų tRNR atskirų sekcijų funkciniam vaidmeniui išsiaiškinti.

IN pastaraisiais metais Didelė sėkmė buvo pasiekta gaunant atskirų tRNR kristalinius preparatus. Daugelis tRNR jau buvo kristalizuotos keliose JAV ir Anglijos laboratorijose. Tai leido ištirti tRNR struktūrą naudojant rentgeno spindulių difrakcijos analizę. 1970 metais R. Bockas pristatė pirmuosius kelių tRNR rentgeno modelius ir trimačius modelius, kuriuos sukūrė Viskonsino universitete. Šie modeliai padeda nustatyti atskirų funkciškai aktyvių vietų lokalizaciją tRNR ir suprasti pagrindinius šių molekulių veikimo principus.

Genetinio kodo prigimties iššifravimas (žr. 24 skyrių), kuris, be perdėto, gali būti laikomas svarbiausiu XX amžiaus gamtos mokslų laimėjimu, buvo itin svarbus baltymų sintezės mechanizmui atskleisti ir problemos sprendimui. šio proceso specifiką.

R. Holly pirminės tRNR struktūros atradimas davė impulsą G. Koranos * (JAV) darbui oligonukleotidų sintezėje ir nukreipė juos specifinės biologinės struktūros – alanino tRNR koduojančios DNR molekulės – sintezės link. Pirmieji trumpųjų oligonukleotidų, pagamintų Korane prieš beveik 15 metų, cheminės sintezės žingsniai kulminacija buvo 1970 m., kai buvo atlikta pirmoji genų sintezė. Koranas ir jo bendradarbiai pirmiausia chemiškai susintetino trumpus 8–12 nukleotidų liekanų fragmentus iš atskirų nukleotidų. Šie fragmentai, turintys tam tikrą nukleotidų seką, spontaniškai sudarė dvigrandės komplementarias dalis, kurios sutampa 4–5 nukleotidais. Tada šie paruošti gabalai buvo sujungti nuo galo iki galo tinkama tvarka, naudojant fermentą DNR ligazę. Taigi, priešingai nei DNR molekulių replikacija, anot A. Kornbergo** (žr. 24 skyrių), Koranas sugebėjo iš naujo sukurti natūralią dvigrandę DNR molekulę pagal iš anksto suplanuotą programą pagal 2007 m. Holly aprašyta tRNR seka. Panašiai dabar vyksta ir kitų genų sintezės darbai (M. N. Kolosov, Z. A. Shabarova, D. G. Knorre, 1970 - 1975).

* (Už genetinio kodo tyrimą G. Koranas ir M. Nirenbergas 1968 metais buvo apdovanoti Nobelio premija.)

** (Už polimerazės ir DNR sintezės atradimą A. Kornbergas, o už RNR sintezę S. Ochoa 1959 m. buvo apdovanotas Nobelio premija.)

Mikrosomos, ribosomos, vertimas

XX amžiaus šeštojo dešimtmečio viduryje buvo manoma, kad mikrosomos buvo baltymų sintezės centras ląstelėje. Mikrosomų terminą 1949 metais pirmą kartą įvedė A. Claude, turėdamas omenyje mažų granulių frakciją. Vėliau paaiškėjo, kad už baltymų sintezę atsakinga ne visa mikrosomų frakcija, susidedanti iš membranų ir granulių, o tik mažos ribonukleoproteino dalelės. Šias daleles 1958 metais R. Robertsas pavadino ribosomomis.

Klasikinius bakterijų ribosomų tyrimus 1958-1959 metais atliko A. Tisier ir J. Watson. Paaiškėjo, kad bakterinės ribosomos yra šiek tiek mažesnės nei augalų ir gyvūnų. J. Littleton (1960), M. Clark (1964) ir E. N. Svetailo (1966) parodė, kad aukštesniųjų augalų ir mitochondrijų chloroplastų ribosomos priklauso bakterijų tipui. A. Tisier ir kiti (1958) nustatė, kad ribosomos disocijuoja į du nevienodus subvienetus, turinčius po vieną RNR molekulę. 50-ųjų pabaigoje buvo manoma, kad kiekviena ribosominė RNR molekulė susideda iš kelių trumpų fragmentų. Tačiau AS Spirin 1960 m. buvo pirmasis, kuris parodė, kad RNR dalelėse yra ištisinė molekulė. D. Walleris (1960), atskyręs ribosomų baltymus krakmolo gelio elektroforeze, nustatė, kad jie yra labai nevienalyčiai. Iš pradžių daugelis abejojo ​​Wallerio duomenimis, nes atrodė, kad ribosomų baltymas turi būti griežtai vienalytis, kaip, pavyzdžiui, TMV baltymas. Šiuo metu, atlikus D. Wallerio, R. Trouto, P. Traubo ir kitų biochemikų tyrimus, tapo žinoma, kad tikrosiose ribosomų dalelėse yra daugiau nei 50 visiškai skirtingos struktūros baltymų. AS Spirin 1963 m. pirmasis išskleidė ribosomų daleles ir parodė, kad ribosomos yra kompaktiškai susukta ribonukleoproteino grandinė, kuri tam tikromis sąlygomis gali išsiskleisti. 1967-1968 metais M. Nomura iš ribosominės RNR ir baltymų visiškai atkūrė biologiškai aktyvų subvienetą ir netgi gavo ribosomas, kuriose baltymas ir RNR priklausė skirtingiems mikroorganizmams.

Ribosomų RNR vaidmuo vis dar neaiškus. Daroma prielaida, kad tai yra ta unikali specifinė matrica, kurioje, formuojantis ribosominei dalelei, kiekvienas iš daugelio ribosomų baltymų randa griežtai apibrėžtą vietą (AS Spirin, 1968).

A. Rich (1962) atrado kelių ribosomų, tarpusavyje sujungtų mRNR grandine, agregatus. Šie kompleksai buvo vadinami polisomomis. Polisomų atradimas leido Rich ir Watson (1963) teigti, kad polipeptidinės grandinės sintezė vyksta ribosomoje, kuri tarsi juda išilgai mRNR grandinės. Kai ribosoma juda išilgai dalelės mRNR grandinės, informacija nuskaitoma ir susidaro baltymo polipeptidinė grandinė, o naujos ribosomos pakaitomis prisitvirtina prie išleisto mRNR skaitymo galo. Remiantis Richo ir Watsono duomenimis, polisomų reikšmė ląstelėje slypi masinėje baltymų gamyboje, nuosekliai nuskaitant matricą keliomis ribosomomis vienu metu.

M. Nirenbergo, S. Ochoa, F. Lipmano, G. Koranos ir kitų tyrimų rezultatas 1963 - 1970 m. tapo žinoma, kad kartu su mRNR, ribosomomis, ATP ir aminoacil-tRNR, vertimo procese dalyvauja labai daug įvairių faktorių, o patį vertimo procesą sąlyginai galima suskirstyti į tris etapus – iniciaciją, patį vertimą ir pabaigą.

Vertimo inicijavimas reiškia pirmosios peptidinės jungties kompleksinėje ribosomoje – šablono polinukleotido – aminoacil-tRNR sintezę. Tokį iniciacinį aktyvumą turi ne kokia nors aminoacil-tRNR, o formilmetionil-tRNR. Pirmą kartą šią medžiagą 1964 metais išskyrė F. Sengeris ir K. Markeris. S. Bretcher ir K. Marker (1966) parodė, kad formilmetionil-tRNR pradinė funkcija yra dėl padidėjusio afiniteto ribosomos peptidilo centrui. Vertimo pradžiai itin svarbūs ir kai kurie baltymų iniciacijos faktoriai, kurie buvo išskirti S. Ochoa, F. Gro ir kitų tyrimų centrų laboratorijose. Susidarius pirmajam peptidiniam ryšiui ribosomoje, prasideda pats vertimas, t.y., nuoseklus aminoacilo liekanos pridėjimas prie polipeptido C-galo. Daugelį vertimo proceso detalių tyrė K. Monroe ir J. Bishop (Anglija), I. Rykhlik ir F. Shorm (Čekoslovakija), F. Lipmanas, M. Bretcheris, V. Gilbertas (JAV) ir kiti tyrinėtojai. 1968 metais A. S. Spirinas pasiūlė originalią hipotezę, paaiškinančią ribosomos mechanizmą. Varomasis mechanizmas, užtikrinantis visus erdvinius tRNR ir mRNR judesius transliacijos metu, yra periodiškas ribosomų dalelių atidarymas ir uždarymas. Vertimo pabaiga yra užkoduota pačioje skaitomoje matricoje, kurioje yra pabaigos kodonai. Kaip parodė S. Brenneris (1965 - 1967), tokie kodonai yra tripletai UAA, UAG ir UGA. M. Capecci (1967) taip pat nustatė specialius baltymų nutraukimo veiksnius. AS Spirin ir LP Gavrilova aprašė vadinamąją „nefermentinę“ baltymų sintezę ribosomose (1972–1975) nedalyvaujant baltyminiams faktoriams. Šis atradimas yra svarbus norint suprasti baltymų biosintezės kilmę ir evoliuciją.

Genų ir baltymų aktyvumo reguliavimas

Po baltymų sintezės specifiškumo problemos molekulinėje biologijoje pirmoje vietoje pasirodė baltymų sintezės reguliavimo, arba, kas yra tas pats, genų aktyvumo reguliavimo problema.

Ląstelių funkcinis neekvivalentiškumas ir su juo susijusių genų slopinimas bei aktyvinimas jau seniai traukė genetikų dėmesį, tačiau iki šiol tikrasis genų aktyvumo valdymo mechanizmas liko nežinomas.

Pirmieji bandymai paaiškinti genų reguliacinį aktyvumą buvo susiję su histono baltymų tyrimu. Net Steadmano sutuoktiniai * XX amžiaus 40-ųjų pradžioje. teigė, kad histonai gali atlikti pagrindinį vaidmenį šiame reiškinyje. Vėliau jie gavo pirmuosius aiškius duomenis apie histono baltymų cheminės prigimties skirtumus. Šiuo metu kasmet daugėja faktų, liudijančių šią hipotezę.

* (E. Stedman, E. Stedman. Pagrindiniai ląstelių branduolių baltymai.- Filosofas. Trans. Roy. soc. Londonas, 1951, v. 235, 565 - 595.)

Tuo pačiu metu kaupiasi vis daugiau duomenų, rodančių, kad genų aktyvumo reguliavimas yra daug sudėtingesnis procesas nei paprasta genų sekcijų sąveika su histono baltymų molekulėmis. 1960-1962 metais RB Khesin-Lurie laboratorijoje buvo nustatyta, kad fagų genai pradedami skaityti ne vienu metu: T2 fagų genai gali būti skirstomi į ankstyvuosius, kurių funkcionavimas įvyko pirmosiomis bakterinės ląstelės užsikrėtimo minutėmis ir vėlyvieji, kurie iRNR pradėjo sintetinti pasibaigus ankstyvųjų genų darbui.

1961 metais prancūzų biochemikai F. Jacob ir J. Monod pasiūlė genų aktyvumo reguliavimo schemą, kuri atliko išskirtinį vaidmenį suvokiant ląstelės reguliavimo mechanizmus apskritai. Pagal Jokūbo ir Monodo schemą, be struktūrinių (informacinių) genų, DNR dar yra genai-reguliatoriai ir genai-operatoriai. Reguliatoriaus genas koduoja konkrečios medžiagos sintezę – represorių, kuris gali prisijungti tiek prie induktoriaus, tiek prie operatoriaus geno. Operatoriaus genas yra susietas su struktūriniais genais, o reguliatorius yra tam tikru atstumu nuo jų. Jei aplinkoje nėra induktoriaus, pavyzdžiui, laktozės, tai reguliatoriaus geno susintetintas represorius prisijungia prie operatoriaus geno ir jį blokuodamas išjungia viso operono (struktūrinių genų bloko kartu su operatoriumi) darbą. kuri juos valdo). Tokiomis sąlygomis fermentai nesusidaro. Jeigu terpėje atsiranda induktorius (laktozė), tai reguliatoriaus geno produktas – represorius – prisijungia prie laktozės ir pašalina bloką iš operatoriaus geno. Tokiu atveju tampa įmanomas struktūrinio geno, koduojančio fermento sintezę, darbas, o terpėje atsiranda fermentas (laktozė).

Pasak Jacobo ir Monodo, ši reguliavimo schema taikytina visiems adaptyviems fermentams ir gali vykti tiek represijų metu, kai fermento susidarymą slopina reakcijos produkto perteklius, tiek indukcijos metu, kai substrato įvedimas sukelia. fermento sintezė. Už genų veiklos reguliavimo tyrimus Jokūbas ir Monodas 1965 metais buvo apdovanoti Nobelio premija.

Iš pradžių ši schema atrodė per toli. Tačiau vėliau paaiškėjo, kad genų reguliavimas pagal šį principą vyksta ne tik bakterijose, bet ir kituose organizmuose.

Nuo 1960 m. svarbią vietą molekulinėje biologijoje užėmė eukariotinių organizmų genomo organizavimo ir chromatino struktūros tyrimai (J. Bonner, R. Britten, W. Olfrey, P. Walker, Yu. S. Chencov). , IB Zbarsky ir kt.) ir transkripcijos reguliavimas (A. Mirsky, G. P. Georgiev, M. Bernstiel, D. Goll, R. Tsanev, R. I. Salganik). Ilgą laiką represoriaus prigimtis išliko nežinoma ir prieštaringa. 1968 metais M. Ptashne (JAV) parodė, kad baltymas yra represorius. J. Watsono laboratorijoje jis jį išskyrė ir nustatė, kad represorius tikrai turi afinitetą induktoriui (laktozei) ir tuo pačiu „atpažįsta“ lac operono operatoriaus geną ir specifiškai prie jo prisijungia.

Per pastaruosius 5 - 7 metus buvo gauta duomenų apie kitos genų aktyvumo kontrolinės ląstelės - promotoriaus - buvimą. Paaiškėjo, kad šalia operatoriaus aikštelės, prie kurios yra prijungtas ant genų reguliatoriaus susintetintas produktas - represoriaus baltyminė medžiaga, yra dar viena vieta, kuri taip pat turėtų būti priskirta reguliavimo sistemos nariams. genų aktyvumo. Prie šios vietos yra prijungta fermento RNR polimerazės baltymo molekulė. Promotorių srityje turi įvykti abipusis unikalios DNR nukleotidų sekos ir specifinės RNR polimerazės baltymo konfigūracijos atpažinimas. Genetinės informacijos skaitymo su tam tikra operono, esančio šalia promotoriaus, genų seka, proceso įgyvendinimas priklausys nuo atpažinimo efektyvumo.

Be Jacobo ir Monod aprašytos schemos, ląstelėje yra ir kitų genų reguliavimo mechanizmų. F. Jacob ir S. Brenner (1963) nustatė, kad bakterijų DNR replikacijos reguliavimą tam tikru būdu kontroliuoja ląstelės membrana. Jokūbo (1954) eksperimentai apie įvairių profagų indukciją įtikinamai parodė, kad veikiant įvairiems mutageniniams faktoriams lizogeninių bakterijų ląstelėje prasideda selektyvus profago geno replikacija, blokuojama šeimininko genomo replikacija. 1970 metais F. Bellas pranešė, kad mažos DNR molekulės iš branduolio gali patekti į citoplazmą ir ten būti perrašomos.

Taigi genų aktyvumas gali būti reguliuojamas replikacijos, transkripcijos ir transliacijos lygiu.

Didelė pažanga padaryta tiriant ne tik fermentų sintezės, bet ir jų veiklos reguliavimą. A. Novik ir L. Szilard atkreipė dėmesį į fermentų aktyvumo reguliavimo reiškinius ląstelėje dar šeštajame dešimtmetyje. G. Umbarger (1956) nustatė, kad ląstelėje yra labai racionalus būdas slopinti fermento aktyvumą galutiniu tokio tipo reakcijų grandinės produktu. Atsiliepimas. Kaip nustatė J. Monod, J. Change, F. Jacob, A. Purdy ir kiti tyrinėtojai (1956 - 1960), fermentų aktyvumo reguliavimas gali būti vykdomas alosteriniu principu. Fermentas arba vienas iš jo subvienetų, be afiniteto substratui, turi afinitetą vienam iš reakcijos grandinės produktų. Veikiamas tokio signalinio produkto, fermentas taip pakeičia savo konformaciją, kad praranda aktyvumą. Dėl to pačioje pradžioje išjungiama visa fermentinių reakcijų grandinė. D. Wiman ir R. Woodward (1952; Nobelio premijos laureatas, 1965) atkreipė dėmesį į esminį baltymų konformacinių pokyčių vaidmenį fermentinėse reakcijose ir tam tikra prasme alosterinio efekto buvimą.

Baltymų struktūra ir funkcijos

T. Osborno, G. Hofmeisterio, A. Gurberio, F. Šulco ir daugelio kitų XIX amžiaus pabaigos darbų rezultatas. Daugelis gyvulinių ir augalinių baltymų buvo gauti kristalinės formos. Maždaug tuo pačiu metu tam tikrų baltymų molekulinės masės buvo nustatytos įvairiais fiziniais metodais. Taigi 1891 m. A. Sabanejevas ir N. Aleksandrovas pranešė, kad ovalbumino molekulinė masė yra 14 000; 1905 metais E. Reidas nustatė, kad hemoglobino molekulinė masė yra 48 000. Baltymų polimerinę struktūrą 1871 metais atrado G. Glasivetzas ir D. Gabermanas. Idėją apie atskirų aminorūgščių liekanų peptidinį ryšį baltymuose iškėlė T. Curtius (1883). Darbas apie cheminį aminorūgščių kondensavimą (E. Schaal, 1871; G. Schiff, 1897; L. Balbiano ir D. Traschiatti, 1900) ir heteropolipeptidų sintezę (E. Fisher, 1902 - 1907, Nobelio premija, 1902) paskatino pagrindinių baltymų cheminės struktūros principų sukūrimą.

Pirmąjį kristalinį fermentą (ureazę) 1926 metais gavo J. Sumneris (1946 m. ​​Nobelio premija), o 1930 m. J. Northropas (1946 m. ​​Nobelio premija) gavo kristalinį pepsiną. Po šių darbų paaiškėjo, kad fermentai yra baltyminio pobūdžio. 1940 m. M. Kunits išskyrė kristalinę Rnazę. 1958 m. jau buvo žinoma daugiau nei 100 kristalinių fermentų ir daugiau nei 500 nekristalinių fermentų. Labai išgrynintų atskirų baltymų preparatų gavimas prisidėjo prie jų pirminės struktūros ir makromolekulinės struktūros iššifravimo.

Didelę reikšmę molekulinės biologijos raidai apskritai ir žmogaus genetikai ypač turėjo L. Paulingo (1940) atrastas nenormalus hemoglobinas S, išskirtas iš sunkia paveldima liga – pjautuvine anemija – sergančių žmonių eritrocitų. 1955-1957 metais W. Ingramas naudojo F. Sangerio sukurtą „pirštų atspaudų“ metodą (dėmės, kurias popieriuje chromatografuojant susidarė atskiri peptidai), analizuodami hemoglobino S hidrolizės su šarmu ir tripsinu produktus. 1961 metais Ingramas pranešė, kad hemoglobinas S nuo normalaus hemoglobino skiriasi tik vienos aminorūgšties liekanos prigimtimi: normaliame hemoglobine glutamo rūgšties liekana yra septintoje grandinės padėtyje, o hemoglobine S – valino liekana. Taigi Paulingo (1949) prielaida, kad pjautuvinė anemija yra molekulinio pobūdžio liga, buvo visiškai patvirtinta. Paveldimas tik vienos aminorūgšties liekanos pokytis kiekvienoje hemoglobino makromolekulės pusėje lemia tai, kad esant žemai deguonies koncentracijai hemoglobinas praranda gebėjimą lengvai tirpti ir pradeda kristalizuotis, dėl ko sutrinka ląstelės struktūra. Šie tyrimai aiškiai parodė, kad baltymo struktūra yra griežtai apibrėžta aminorūgščių seka, kuri yra užkoduota genome. K. Anfinsen (1951) darbai liudijo išskirtinę pirminės baltymo struktūros svarbą formuojant unikalią biologiškai aktyvią makromolekulės konformaciją. Anfinsenas parodė, kad biologiškai aktyvi kasos ribonukleazės makrostruktūra, kuri prarandama dėl atkūrimo, yra iš anksto nulemta aminorūgščių sekos ir gali vėl atsirasti spontaniškai oksiduojantis cisteino liekanų SH grupėms, griežtai susidarant disulfidiniams kryžminiams ryšiams. apibrėžtos fermento peptidinės grandinės vietos.

Iki šiol buvo išsamiai ištirtas daugelio fermentų veikimo mechanizmas ir nustatyta daugelio baltymų struktūra.

1953 metais F. Sangeris nustatė insulino aminorūgščių seką. : Šis baltymas susideda iš dviejų polipeptidinių grandinių, sujungtų dviem disulfidiniais kryžminiais ryšiais. Vienoje iš grandinių yra tik 21 aminorūgšties liekana, o kitoje - 30 likučių. Sangeris maždaug 10 metų iššifravo šio gana paprasto baltymo struktūrą. 1958 m. už šį puikų tyrimą jam buvo paskirta Nobelio premija. V. Stein ir S. Moore (1957) sukūrus automatinį aminorūgščių analizatorių, ženkliai paspartėjo dalinės baltymų hidrolizės produktų identifikavimas. 1960 m. Steinas ir Moore'as jau pranešė apie tai. kad jiems pavyko nustatyti ribonukleazės seką, kurios peptidinę grandinę reprezentuoja 124 aminorūgščių liekanos. Tais pačiais metais G. Schrammo laboratorijoje Tiubingene (Vokietija) F. Andereris ir kt. nustatė aminorūgščių seką TMV baltyme. Tada buvo nustatyta aminorūgščių seka mioglobino (A. Edmunson) ir žmogaus hemoglobino α ir β grandinėse (G. Braunitzer, E. Schroeder ir kt.), lizocimas iš baltymo. vištienos kiaušinis(J. Jollet, D. Keyfield). 1963 metais F. Shorm ir B. Keil (Čekoslovakija) nustatė aminorūgščių seką chimotripsinogeno molekulėje. Tais pačiais metais buvo nustatyta tripsinogeno aminorūgščių seka (F. Shorm, D. Walsh). 1965 metais K. Takahashi nustatė pirminę ribonukleazės T1 struktūrą. Tada dar keletui baltymų buvo nustatyta aminorūgščių seka.

Kaip žinoma, galutinis konkrečios struktūros apibrėžimo teisingumo įrodymas yra jos sintezė. 1969 metais R. Merifieldas (JAV) pirmasis atliko cheminę kasos ribonukleazės sintezę. Naudodamas sintezės metodą, kurį sukūrė ant kietosios fazės nešiklio, Merifieldas į grandinę pridėjo vieną aminorūgštį po kitos pagal seką, kurią aprašė Steinas ir Moore'as. Dėl to jis gavo baltymą, kuris savo savybėmis buvo identiškas kasos ribonukleazei A. Už ribonukleazės struktūros atradimą V. Steinas, S. Moore'as ir K. Anfinsenas 1972 m. buvo apdovanoti Nobelio premija. Ši natūrali baltymų sintezė atveria dideles perspektyvas, nurodant galimybę sukurti bet kokius baltymus pagal iš anksto suplanuotą seką.

Iš W. Astbury (1933) atliktų rentgeno spindulių struktūros tyrimų paaiškėjo, kad baltymų molekulių peptidinės grandinės yra susuktos arba sukrautos tam tikru griežtai apibrėžtu būdu. Nuo to laiko daugelis autorių išsakė įvairias hipotezes apie baltymų grandinių lankstymo būdus, tačiau iki 1951 m. visi modeliai liko spekuliacinėmis konstrukcijomis, kurios neatitiko eksperimentinių duomenų. 1951 metais L. Paulingas ir R. Corey paskelbė keletą puikių straipsnių, kuriuose pagaliau buvo suformuluota baltymų antrinės struktūros teorija – α-spiralės teorija. Kartu tapo žinoma, kad baltymai taip pat turi tretinę struktūrą: peptidinės grandinės α-spiralė gali būti tam tikru būdu sulankstyta, suformuojant gana kompaktišką struktūrą.

1957 metais J. Kendrew ir jo bendradarbiai pirmą kartą pasiūlė trimatį mioglobino struktūros modelį. Šis modelis buvo tobulinamas keletą metų, kol 1961 m. pasirodė galutinis darbas su šio baltymo erdvinės struktūros apibūdinimu. 1959 metais M. Perutzas su kolegomis nustatė trimatę hemoglobino struktūrą. Šiam darbui mokslininkai skyrė daugiau nei 20 metų (pirmuosius hemoglobino rentgeno spindulius Perutzas padarė 1937 m.). Kadangi hemoglobino molekulė susideda iš keturių subvienetų, iššifravusi jos organizaciją, Perutz taip pirmiausia aprašė ketvirtinę baltymo struktūrą. Už darbą nustatant trijų matmenų baltymų struktūrą Kendrew ir Perutz buvo apdovanoti Nobelio premija 1962 m.

Perutz LEIDŽIAMA sukurti erdvinį hemoglobino struktūros modelį. priartėti prie šio baltymo, kuris, kaip žinoma, atlieka deguonies pernešimą gyvūnų ląstelėse, veikimo mechanizmą. Dar 1937 metais F. Gaurowitzas priėjo prie išvados, kad hemoglobino sąveiką su deguonimi, oru turi lydėti baltymo struktūros pasikeitimas. 1960-aisiais Perutzas ir bendradarbiai atrado pastebimą hemoglobino grandinių pokytį po oksidacijos, kurį sukėlė geležies atomų poslinkis, susijungus su deguonimi. Tuo remiantis buvo suformuotos idėjos apie baltymų makromolekulių „kvėpavimą“.

1960 metais D. Phillipsas ir jo bendradarbiai pradėjo lizocimo molekulės rentgeno spindulių difrakcijos tyrimus. Iki 1967 m. jie daugiau ar mažiau sugebėjo nustatyti šio baltymo organizavimo ir atskirų atomų lokalizacijos jo molekulėje detales. Be to, Phillips išsiaiškino lizocimo pridėjimo prie substrato (triacetilgliukozamino) pobūdį. Tai leido atkurti šio fermento mechanizmą. Taigi žinios apie pirminę struktūrą ir makromolekulinę organizaciją leido ne tik nustatyti daugelio fermentų aktyviųjų centrų prigimtį, bet ir visiškai atskleisti šių makromolekulių veikimo mechanizmą.

Elektroninės mikroskopijos metodų taikymas padėjo atskleisti tokių sudėtingų baltymų darinių, kaip kolagenas, fibrinogenas, susitraukiančios raumenų fibrilės ir kt., makromolekulinės organizavimo principus. XX a. šeštojo dešimtmečio pabaigoje buvo pasiūlyti raumenų susitraukimo aparato modeliai. Ypatingą reikšmę siekiant suprasti raumenų susitraukimo mechanizmą turėjo V. A. Engelgardt ir M. N. Lyubimova (1939) atradimas apie miozino ATPazės aktyvumą. Tai reiškė, kad raumenų susitraukimo veiksmas yra pagrįstas susitraukiančio baltymo fizikinių ir cheminių savybių bei makromolekulinės struktūros pasikeitimu, veikiant adenozino trifosforo rūgščiai (taip pat žr. 11 skyrių).

Virusologiniai tyrimai buvo labai svarbūs siekiant suprasti biologinių struktūrų surinkimo principus (žr. 25 skyrių).

Neišspręstos problemos

Pagrindinė pažanga šiuolaikinėje molekulinėje biologijoje buvo pasiekta daugiausia dėl nukleorūgščių tyrimo. Tačiau ir šioje srityje toli gražu ne visos problemos buvo išspręstos. Visų pirma reikės didelių pastangų iššifruoti visą genomo nukleotidų seką. Ši problema, savo ruožtu, yra neatsiejamai susijusi su DNR nevienalytiškumo problema ir reikalauja sukurti naujus pažangius atskirų molekulių frakcionavimo ir išskyrimo iš visos ląstelės genetinės medžiagos metodus.

Iki šiol pastangos daugiausia buvo sutelktos į atskirą baltymų ir nukleorūgščių tyrimą. Ląstelėje šie biopolimerai yra neatsiejamai susiję vienas su kitu ir daugiausia veikia nukleoproteinų pavidalu. Todėl poreikis tirti baltymų ir nukleorūgščių sąveiką dabar tapo ypač aktualus. Išryškėja tam tikrų nukleorūgščių sekcijų baltymų atpažinimo problema. Jau buvo aprašyti žingsniai tiriant tokią šių biopolimerų sąveiką, be kurios neįmanoma visiškai suprasti chromosomų, ribosomų ir kitų struktūrų struktūros ir funkcijų. Be to taip pat neįmanoma suprasti genų veiklos reguliavimo ir galiausiai iššifruoti baltymų sintezės mechanizmų veikimo principus. Po Jokūbo ir Monod darbų atsirado naujų duomenų apie membranų reguliavimo reikšmę branduolinės medžiagos sintezei. Dėl to kyla gilesnio membranų vaidmens reguliuojant DNR replikaciją tyrimo problema. Apskritai genų aktyvumo ir apskritai ląstelių aktyvumo reguliavimo problema tapo viena iš svarbiausių šiuolaikinės molekulinės biologijos problemų.

Dabartinė biofizikos būklė

Glaudžiai siejant su molekulinės biologijos problemomis, vyko biofizikos raida. Susidomėjimą šia biologijos sritimi paskatino, viena vertus, būtinybė visapusiškai ištirti įvairių rūšių spinduliuotės poveikį organizmui, kita vertus, būtinybė ištirti fizinę ir fizinę. -molekuliniu lygmeniu vykstančių gyvybės reiškinių cheminiai pagrindai.

Tikslios informacijos apie molekulines struktūras ir jose vykstančius procesus gauti tapo įmanoma panaudojus naujus smulkius fizikinius ir cheminius metodus. Remiantis elektrochemijos laimėjimais, buvo galima patobulinti bioelektrinių potencialų matavimo metodą, panaudojant jonų selektyvius elektrodus (G. Eisenman, B. P. Nikolsky, Khuri, 50-60 m.). Vis dažniau praktikuojama infraraudonųjų spindulių spektroskopija (naudojant lazerinius prietaisus), kuri leidžia tirti baltymų konformacinius pokyčius (I. Plotnikovas, 1940). Taip pat vertingos informacijos suteikia elektronų paramagnetinio rezonanso metodas (E. K. Zavoisky, 1944) ir biochemiliuminescencinis metodas (B. N. Tarusov ir kt., 1960), kurie leidžia visų pirma spręsti apie elektronų pernešimą oksidacinių procesų metu.

1950-aisiais biofizika jau įgavo tvirtas pozicijas. Reikia ruošti kvalifikuotus specialistus. Jei 1911 metais Europoje biofizikos katedrą turėjo tik Pécso universitetas Vengrijoje, tai 1973 metais tokios katedros yra beveik visuose didžiuosiuose universitetuose.

1960 metais buvo įkurta Tarptautinė biofizikų draugija. 1961 m. rugpjūtį Stokholme įvyko pirmasis tarptautinis biofizikos kongresas. Antrasis kongresas įvyko 1965 metais Paryžiuje, trečiasis – 1969 metais Bostone, ketvirtasis – 1972 metais Maskvoje.

Biofizikoje aiškiai atskiriamos dvi skirtingo turinio sritys – molekulinė biofizika ir ląstelių biofizika. Šis skirtumas įgauna ir organizacinę išraišką: kuriami atskiri šių dviejų biofizikos krypčių skyriai. Maskvos universitete 1953 metais Biologijos ir dirvožemio mokslų fakultete buvo sukurta pirmoji biofizikos katedra, o kiek vėliau Fizikos fakultete atsirado Biofizikos katedra. Tuo pačiu principu katedros buvo organizuojamos ir daugelyje kitų universitetų.

Molekulinė biofizika

Pastaraisiais metais vis labiau stiprėja ryšys tarp molekulinės biofizikos ir molekulinės biologijos, o dabar kartais sunku nustatyti, kur yra skiriamoji riba tarp jų. Bendroje atakoje prieš paveldimos informacijos problemą toks biofizikos ir molekulinės biologijos bendradarbiavimas yra neišvengiamas.

Pagrindinė tiriamojo darbo kryptis – nukleorūgščių – DNR ir RNR fizikos tyrimai. Pirmiau minėtų metodų naudojimas ir, svarbiausia, rentgeno spindulių difrakcijos analizė prisidėjo prie nukleorūgščių molekulinės struktūros iššifravimo. Šiuo metu vyksta intensyvūs šių rūgščių elgsenos tirpaluose tyrimai. Ypatingas dėmesys skiriamas „spiralės-ritės“ konformaciniams perėjimams, kurie tiriami pagal klampos, optinių ir elektrinių parametrų pokyčius. Ryšium su mutagenezės mechanizmų tyrimu, rengiami tyrimai, skirti tirti jonizuojančiosios spinduliuotės poveikį nukleorūgščių elgsenai tirpaluose, taip pat spinduliuotės poveikį virusų ir fagų nukleino rūgštims. Ultravioletinės spinduliuotės poveikis, kurio kai kurias spektrines sritis, kaip žinoma, gerai sugeria nukleino rūgštys, buvo atlikta išsami analizė. Didelis specifinė gravitacija tokio pobūdžio tyrimai yra aktyvių nukleorūgščių ir baltymų radikalų aptikimas elektronų paramagnetinio rezonanso metodu. Naudojant šį metodą, yra susijęs visos nepriklausomos krypties atsiradimas.

DNR ir RNR informacijos kodavimo ir jos perdavimo baltymų sintezės metu problema jau seniai domino molekulinę biofiziką, ir fizikai ne kartą yra išsakę tam tikrų samprotavimų šia tema (E. Schrödinger, G. Gamow). Dėl genetinio kodo iššifravimo buvo atlikta daugybė teorinių ir eksperimentinių DNR spiralės sandaros, jos gijų slydimo ir sukimosi mechanizmo bei šiuose procesuose dalyvaujančių fizinių jėgų tyrimo.

Molekulinė biofizika suteikia nemažą pagalbą molekulinei biologijai tiriant baltymų molekulių sandarą rentgeno difrakcinės analizės pagalba, kurią 1930 metais pirmą kartą panaudojo J. Bernalis. Būtent dėl ​​fizikinių metodų panaudojimo kartu su biocheminiais (fermentiniais metodais) buvo atskleista daugelio baltymų molekulinė konformacija ir aminorūgščių seka.

Šiuolaikiniai elektronų mikroskopiniai tyrimai, atskleidę sudėtingų membraninių sistemų buvimą ląstelėse ir jų organelėse, paskatino bandymus suprasti jų molekulinę struktūrą (žr. 10 ir 11 skyrius). Studijavo in vivo cheminė sudėtis membranas ir ypač jų lipidų savybes. Nustatyta, kad pastarieji gali peroksiduoti ir nefermentines grandininės oksidacijos reakcijas (Yu. A. Vladimirov ir F. F. Litvin, 1959; B. N. Tarusov ir kt., 1960; I. I. Ivanov, 1967), dėl kurių atsiranda membranos disfunkcija. Membranų sudėčiai tirti buvo pradėti taikyti ir matematinio modeliavimo metodai (V. Ts. Presman, 1964 - 1968; M. M. Shemyakin, 1967; Yu. A. Ovchinnikov, 1972).

Ląstelių biofizika

Reikšmingas įvykis biofizikos istorijoje buvo šeštajame dešimtmetyje susiformavusios aiškios idėjos apie biologinių procesų termodinamiką, dėl kurių atsirado prielaidos apie galimybę savarankiškai generuoti energiją gyvose ląstelėse, prieštaraujančios antrajam termodinamikos dėsniui. , pagaliau dingo. Šio dėsnio veikimo biologinėse sistemose supratimas susijęs su belgų mokslininko I. Prigožino (1945) * į biologinę termodinamiką įvedimu atvirų sistemų, keičiančių energiją ir medžiaga su išorine aplinka, samprata. Prigožinas parodė, kad teigiama entropija gyvose ląstelėse susidaro darbo procesų metu pagal antrąjį termodinamikos dėsnį. Jo pateiktos lygtys lėmė sąlygas, kuriomis susidaro vadinamoji stacionari būsena (anksčiau ji buvo vadinama dinamine pusiausvyra), kai su maistu į ląsteles patenkantis laisvosios energijos kiekis (negentropija) kompensuoja jo suvartojimą, o teigiama entropija yra išvestis. Šis atradimas sustiprino bendrą biologinę idėją apie neatsiejamą ryšį tarp išorinės ir vidinės ląstelių aplinkos. Tai buvo tikrojo gyvųjų sistemų termodinamikos, įskaitant modeliavimo metodo, tyrimo pradžia (A. Burton, 1939; A. G. Pasynsky, 1967).

* (bendroji teorija atviras sistemas pirmą kartą iškėlė L. Bertalanffy 1932 m.)

Pagal pagrindinį biotermodinamikos principą, būtina sąlyga Pasirodo, kad gyvybės egzistavimas yra stacionarus vystantis jos biocheminiams procesams, kuriems įgyvendinti būtinas daugelio medžiagų apykaitos reakcijų greičio koordinavimas. Naujos biofizinės termodinamikos pagrindu išryškėjo tendencija, kuri išskiria išorinius ir vidinius veiksnius, kurie užtikrina šį reakcijų koordinavimą ir daro jį stabilų. Per pastaruosius du dešimtmečius buvo atskleistas didelis vaidmuo palaikant stacionarią inhibitorių ir ypač antioksidantų sistemos būklę (B. N. Tarusovas ir A. I. Žuravlevas, 1954, 1958). Nustatyta, kad stacionarios raidos patikimumas siejamas su aplinkos veiksniais (temperatūra) ir ląstelės aplinkos fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis.

Šiuolaikiniai biotermodinamikos principai leido pateikti fizikinę ir cheminę adaptacijos mechanizmo interpretaciją. Mūsų duomenimis, prisitaikymas prie aplinkos sąlygų gali įvykti tik tuo atveju, jei joms pasikeitus, organizmas sugeba nustatyti stacionarumą vystantis bio cheminės reakcijos(B. N. Tarusovas, 1974). Iškilo klausimas, kaip sukurti naujus metodus, kurie leistų įvertinti stacionarią būseną in vivo ir numatyti galimus jos pažeidimus. Didžiulę naudą žada savireguliuojančių sistemų kibernetinių principų įdiegimas į biotermodinamiką ir biologinės adaptacijos procesų tyrimus. Tapo aišku, kad norint išspręsti pastovios būsenos stabilumo problemą, svarbu atsižvelgti į vadinamuosius trikdančius veiksnius, kurie visų pirma apima nefermentines lipidų oksidacijos reakcijas. IN Pastaruoju metu peroksidacijos procesų gyvų ląstelių lipidinėse fazėse ir aktyvių radikalų produktų, kurie sutrikdo, augimas. reguliavimo funkcijas membranos. Informacijos apie šiuos procesus šaltinis yra tiek aktyvių peroksido radikalų, tiek biolipidų peroksido junginių nustatymas (A. Tappel, 1965; I. I. Ivanov, 1965; E. B. Burlakova, 1967 ir kt.). Radikalams aptikti naudojama biochemiliuminescencija, kuri atsiranda gyvų ląstelių lipiduose jų rekombinacijos metu.

Remiantis fizikinėmis ir cheminėmis idėjomis apie pastovios būsenos stabilumą, kilo biofizinės idėjos apie augalų prisitaikymą prie aplinkos sąlygų pokyčių kaip slopinančių antioksidacinių sistemų pažeidimą (B. N. Tarusovas, Ya. E. Doskoch, B. M. Kitlajevas, A. M. Agaverdievas, 1968 - 1972). Tai atvėrė galimybę įvertinti tokias savybes kaip atsparumas šalčiui ir druskų toleravimas, taip pat daryti atitinkamas prognozes renkantis žemės ūkio augalus.

1950-aisiais buvo aptiktas itin silpnas švytėjimas – daugelio biologinių objektų biochemiliuminescencija matomoje ir infraraudonojoje spektro dalyse (B. N. Tarusovas, A. I. Žuravlevas, A. I. Polivoda). Tai tapo įmanoma sukūrus itin silpnų šviesos srautų registravimo metodus naudojant fotodaugiklius (L. A. Kubetsky, 1934). Būdama biocheminių reakcijų, vykstančių gyvoje ląstelėje, rezultatas, biochemiliuminescencija leidžia spręsti apie svarbius oksidacinius procesus elektronų perdavimo grandinėse tarp fermentų. Biochemiliuminescencijos atradimas ir tyrimas turi didelę teorinę ir praktinę reikšmę. Taigi B. N. Tarusovas ir Yu. B. Kudryashovas atkreipia dėmesį į didelį nesočiųjų riebalų rūgščių oksidacijos produktų vaidmenį patologinių būklių, atsirandančių veikiant jonizuojančiai spinduliuotei, atsiradimo mechanizme, kancerogenezėje ir kituose normalių funkcijų pažeidimuose. ląstelės.

1950-aisiais, sparčiai vystantis branduolinei fizikai, iš biofizikos atsirado radiobiologija, tirianti jonizuojančiosios spinduliuotės biologinį poveikį. Dirbtinių radioaktyviųjų izotopų gamyba, termobranduolinių ginklų, atominių reaktorių kūrimas ir kitų praktinio atominės energijos panaudojimo formų kūrimas visu savo aštrumu iškėlė organizmų apsaugos nuo žalingo jonizuojančiosios spinduliuotės poveikio problemą ir plėtoja radiacinės ligos profilaktikos ir gydymo teoriniai pagrindai. Norėdami tai padaryti, pirmiausia reikėjo išsiaiškinti, kurie ląstelės komponentai ir medžiagų apykaitos jungtys yra pažeidžiamiausios.

Biofizikos ir radiobiologijos studijų objektas buvo pirminių cheminių reakcijų, vykstančių gyvuose substratuose, veikiant spinduliuotės energijai, prigimties išaiškinimas. Čia buvo svarbu ne tik suprasti šio reiškinio mechanizmus, bet ir gebėti paveikti fizinės energijos keitimo į cheminę energiją procesą, sumažinti jo „naudingo“ veikimo koeficientą. Darbą šia kryptimi inicijavo N. N. Semenovo (1933) mokyklos studijos SSRS ir D. Hinshelwood (1935) Anglijoje.

Radiobiologiniuose tyrimuose svarbią vietą užėmė įvairių organizmų atsparumo spinduliuotei laipsnio tyrimai. Nustatyta, kad padidėjęs atsparumas radiacijai (pavyzdžiui, dykumos graužikams) atsiranda dėl didelio ląstelių membranų lipidų antioksidacinio aktyvumo (M. Chang ir kt., 1964; N. K. Ogryzov ir kt., 1969). Paaiškėjo, kad tokoferoliai, vitaminas K ir tio junginiai vaidina svarbų vaidmenį formuojant šių sistemų antioksidacines savybes (II Ivanov ir kt., 1972). Pastaraisiais metais daug dėmesio sulaukė ir mutagenezės mechanizmų tyrimai. Šiuo tikslu tiriamas jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis nukleorūgščių ir baltymų elgsenai in vitro, taip pat virusuose ir faguose (A. Gustafson, 1945 - 1950).

Kova dėl tolesnio cheminės apsaugos efektyvumo didinimo, efektyvesnių inhibitorių ir slopinimo principų paieška išlieka pagrindiniais biofizikos uždaviniais šia kryptimi.

Padaryta pažanga tiriant biopolimerų sužadintas būsenas, kurios lemia jų didelį cheminį aktyvumą. Sėkmingiausias buvo sužadinimo būsenų, atsirandančių pirminėje fotobiologinių procesų stadijoje – fotosintezės ir regėjimo, tyrimas.

Taigi buvo įdėtas solidus indėlis į pirminį augalų pigmentų sistemų molekulių aktyvavimo supratimą. Įdiegta didelę reikšmę sužadintų būsenų energijos perkėlimas (migracija) be nuostolių iš aktyvuotų pigmentų į kitus substratus. Didelį vaidmenį plėtojant šias idėjas suvaidino teoriniai A. N. Terenino darbai (1947 m. ir vėliau). A. A. Krasnovskis (1949) atrado ir ištyrė grįžtamojo fotocheminio chlorofilo ir jo analogų redukcijos reakciją. Dabar vyrauja visuotinis įsitikinimas, kad netolimoje ateityje fotosintezę bus galima atkurti dirbtinėmis sąlygomis (taip pat žr. 5 skyrių).

Biofizikai ir toliau dirba siekdami atskleisti raumenų susitraukimo pobūdį ir nervų sužadinimo bei laidumo mechanizmus (žr. 11 skyrių). Perėjimo iš susijaudinimo į normalią būseną mechanizmų tyrimai taip pat tapo aktualūs. Sužadinta būsena dabar laikoma autokatalizinės reakcijos rezultatu, o slopinimas – kaip staigaus slopinamojo antioksidacinio aktyvumo mobilizavimo pasekmė dėl molekulinių pertvarkymų tokiuose junginiuose kaip tokoferolis (II Ivanov, OR Kols, 1966; OR). Kols, 1970).

Svarbiausia bendra biofizikos problema išlieka gyvosios medžiagos kokybinių fizikinių ir cheminių savybių žinojimas. Tokios savybės kaip gyvų biopolimerų gebėjimas selektyviai surišti kalį arba poliarizuoti elektros srovę negali būti išsaugotos net kruopščiausiai pašalinus iš organizmo. Todėl ląstelių biofizika ir toliau intensyviai kuria kriterijus ir metodus gyvosios medžiagos tyrimui visą gyvenimą.

Nepaisant molekulinės biologijos jaunystės, pažanga, kurią ji padarė šioje srityje, yra tikrai nuostabi. Per gana trumpą laiką buvo nustatyta geno prigimtis ir pagrindiniai jo organizavimo, dauginimosi ir funkcionavimo principai. Be to, buvo atliktas ne tik genų dauginimas in vitro, bet ir pirmą kartą baigta visapusiška paties geno sintezė. Genetinis kodas buvo visiškai iššifruotas ir išspręsta svarbiausia biologinė baltymų biosintezės specifiškumo problema. Nustatyti ir ištirti pagrindiniai baltymų susidarymo ląstelėje būdai ir mechanizmai. Daugelio transportavimo RNR, specifinių adapterių molekulių, verčiančių nukleino šablonų kalbą į sintezuojamo baltymo aminorūgščių sekos kalbą, pirminė struktūra buvo visiškai nustatyta. Daugelio baltymų aminorūgščių seka buvo visiškai iššifruota ir nustatyta erdvinė struktūra kai kurie iš jų. Tai leido išsiaiškinti fermentų molekulių veikimo principą ir detales. Buvo atlikta vieno iš fermentų – ribonukleazės – cheminė sintezė. Nustatyti pagrindiniai įvairių tarpląstelinių dalelių, daugybės virusų ir fagų organizavimo principai, išnarplioti pagrindiniai jų biogenezės ląstelėje būdai. Atrasta požiūrių, kaip suprasti genų veiklos reguliavimo būdus ir išaiškinti gyvybinės veiklos reguliavimo mechanizmus. Jau paprastas šių atradimų sąrašas rodo, kad antroji XX a. pasižymėjo milžiniška pažanga biologijoje, kurią pirmiausia lėmė nuodugnus biologiškai svarbių makromolekulių – nukleorūgščių ir baltymų – struktūros ir funkcijų tyrimas.

Molekulinės biologijos pasiekimai jau šiandien taikomi praktikoje ir duoda apčiuopiamų rezultatų medicinoje, Žemdirbystė ir kai kurios pramonės šakos. Neabejotina, kad šio mokslo sugrįžimas didės kiekvieną dieną. Tačiau vis tiek reikėtų laikyti pagrindiniu rezultatu, kad molekulinės biologijos sėkmių įtakoje sustiprėjo pasitikėjimas neribotų galimybių egzistavimu kelyje į slapčiausių gyvenimo paslapčių atskleidimą.

Ateityje, matyt, atsivers nauji biologinės materijos judėjimo formos tyrimo būdai – biologija iš molekulinio lygio pereis į atominį. Tačiau dabar tikriausiai nėra nė vieno mokslininko, kuris galėtų realiai numatyti molekulinės biologijos raidą net artimiausiems 20 metų.