Molekulārās bioloģijas un bioloģiskās ķīmijas pētījums. Molekulārās bioloģijas priekšmets, uzdevumi un mērķi. b). papildu literatūra

intervija

Pirogovs Sergejs - dalībnieks gatavošanās bioloģijas olimpiādei, ko organizēja "Zilonis un žirafe" 2012. gadā.
Starptautiskās bioloģijas universiādes uzvarētājs
Olimpiādes "Lomonosovs" uzvarētājs
Reģionālā posma uzvarētājs Viskrievijas olimpiāde bioloģijā 2012. gadā
Studē Maskavas Valsts universitātē. M.V. Lomonosovs Bioloģijas fakultātē: Molekulārās bioloģijas katedra, 6. kursa students. Strādā Molekulārās ģenētikas institūta Dzīvnieku bioķīmiskās ģenētikas laboratorijā.

– Serjoža, ja lasītājiem būs jautājumi, vai viņi varēs tev uzdot?

Jā, protams, jūs varat uzdot jautājumus vismaz nekavējoties. Šajā laukā:

Noklikšķiniet šeit, lai uzdotu jautājumu.

- Sāksim ar skolu, vai tev nebija superforša skola?

Mācījos ļoti vājā Maskavas skolā, tādā vidējā vidusskolā. Tiesa, mums Maskavas Mākslas teātrī bija brīnišķīgs skolotājs, pateicoties kuram mums bija lielā mērā nomināla skolas "mākslas kritikas" ievirze.

- Kā ar bioloģiju?

Mūsu bioloģijas skolotāja bija ļoti veca, kurla un asa sieviete, no kuras visi baidījās. Bet mīlestība pret savu priekšmetu nepievienojās. Ar bioloģiju aizraujos jau no bērnības, no piecu gadu vecuma. Es pats visu lasu, galvenokārt mani aizrauj anatomija un zooloģija. Tātad skolas priekšmeti pastāvēja paralēli manām interesēm. Olimpiskās spēles mainīja visu.

- Pastāsti man par to vairāk.

7. klasē pirmo reizi piedalījos pašvaldības posmā (protams, gandrīz visos priekšmetos uzreiz, jo biju vienīgais skolnieks, kuru skolotājiem bija pamats sūtīt). Un viņš uzvarēja bioloģijā. Tad skola to uztvēra kā smieklīgu, bet ne pārāk interesantu faktu.

– Vai tas tev palīdzēja skolā?

Atceros, ka, neskatoties uz spožajām mācībām, bieži saņēmu B no bioloģijas skolotājas ar gnīda plūkšanu kā "sīpola griezuma zīmējumā saknes jākrāso brūnas, nevis pelēkas". Tas viss bija diezgan nomācoši. 8. klasē es atkal tiku uz olimpiādi, bet nez kāpēc mani nenosūtīja bioloģijā. Bet viņš kļuva par uzvarētāju un balvu ieguvēju citos priekšmetos.

- Kas notika 9. klasē?

9. klasē uz rajona posmu netiku. Tieši tur es negaidīti ieguvu vāju, robežpunktu, kas tomēr izrādījās iekļūšana reģionālā posmā. Tam bija spēcīgs motivējošais spēks - apziņa, cik daudz es nezinu un cik daudz cilvēku to visu zina (cik tādu cilvēku valsts mērogā man pat bija bail iedomāties).

- Pastāstiet, kā gatavojāties.

Intensīvai pašmācībai, ielaušanās grāmatnīcās un tūkstošiem pagājušā gada uzdevumu bija dziedinošs efekts. Es ieguvu vienu no augstākajiem rādītājiem par teoriju (kas arī man bija pilnīgi negaidīti), devos uz praktisko posmu ... un neizdevās. Toreiz es pat nezināju par praktiskās skatuves esamību.

- Vai olimpiāde jūs ietekmēja?

Mana dzīve ir radikāli mainījusies. Es uzzināju par daudzām citām olimpiādēm, īpaši iemīlējos SBO. Pēc tam viņš daudzos uzrādīja labus rezultātus, dažus uzvarēja, pateicoties Lomonosovskajai, viņš saņēma tiesības iestāties bez eksāmeniem. Tajā pašā laikā es uzvarēju mākslas vēstures olimpiādēs, uz kurām joprojām elpoju nevienmērīgi. Tiesa, ar praktiskām ekskursijām viņš nedraudzējās. 11. klasē vēl tiku līdz finālam, taču Fortūna nebija labvēlīga, un šoreiz man nebija laika aizpildīt teorētiskā posma atbilžu matricu. Bet tas ļāva pārāk neuztraukties par praktisko.

– Vai esat tikušies ar daudzām olimpiādēm?

Jā, es joprojām domāju, ka man ļoti paveicās ar vienaudžu loku, kas ļoti paplašināja manu redzesloku. Otra olimpiāžu puse, papildus motivācijai harmoniskāk apgūt mācību priekšmetu, bija iepazīšanās ar olimpiādēm. Jau toreiz pamanīju, ka horizontālā komunikācija reizēm ir noderīgāka par vertikālo komunikāciju - ar skolotājiem treniņnometnē.

– Kā jūs iestājāties augstskolā? Vai izvēlējāties fakultāti?

Pēc 11. klases iestājos Maskavas Valsts universitātes Bioloģijas fakultātē. Tikai lielākā daļa manu toreizējo biedru izdarīja izvēli par labu FBB, bet šeit primārā loma bija tam, ka es nekļuvu par Viskrievijas uzvarētāju. Tāpēc man būtu jākārto iekšējais eksāmens matemātikā, un tajā, īpaši skolā - es iemīlējos augstākajā daudz vairāk - es nebiju stiprs. Un skolā bija ļoti vāja sagatavošanās (mēs pat nebijām gatavojušies gandrīz visai C daļai). Runājot par interesēm, jau toreiz nojautu, ka galu galā var nonākt pie jebkura rezultāta, neatkarīgi no uzņemšanas vietas. Pēc tam izrādījās, ka ir daudz FBB absolventu, kuri pārgāja uz pārsvarā mitro bioloģiju, un otrādi - daudzi labi bioinformātiķi sāka kā amatieri. Lai gan tajā brīdī man šķita, ka kontingents bioloģiskajā fakultātē būs atšķirībā no FBBshny. Šajā es noteikti kļūdījos.

Vai tu zināji?

interesanti

Vai tu zināji?

interesanti

Ziloņu un žirafu nometnē notiek maiņas bioķīmijā un molekulārajā bioloģijā, kur skolēni kopā ar pieredzējušiem pasniedzējiem no Maskavas Valsts universitātes veido eksperimentus un arī gatavojas olimpiādēm.

© Intervēja Rešetovs Deniss. Fotogrāfijas laipni sagādājis Sergejs Pirogovs.

Tā var teikt molekulārā bioloģija pēta dzīvības izpausmes uz nedzīvām struktūrām vai sistēmām ar elementārām dzīvības aktivitātes pazīmēm (kas var būt atsevišķas bioloģiskas makromolekulas, to kompleksi vai organellas), pētot, kā ķīmiskās mijiedarbības un transformāciju ceļā tiek realizēti dzīvās vielas galvenie procesi.

Molekulārās bioloģijas nodalīšanu no bioķīmijas neatkarīgā zinātnes nozarē nosaka tas, ka tās galvenais uzdevums ir pētīt dažādos procesos iesaistīto bioloģisko makromolekulu uzbūvi un īpašības, noskaidrot to mijiedarbības mehānismus. Savukārt bioķīmija nodarbojas ar dzīvības aktivitātes faktisko procesu izpēti, to norises modeļiem dzīvā organismā un molekulu transformācijām, kas pavada šos procesus. Galu galā molekulārā bioloģija mēģina atbildēt uz jautājumu, kāpēc notiek tas vai cits process, savukārt bioķīmija atbild uz jautājumiem, kur un kā, no ķīmijas viedokļa, attiecīgais process notiek.

Stāsts

Molekulārā bioloģija kā atsevišķa bioķīmijas joma sāka veidoties pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados. Tieši tad, lai dziļāk izprastu dzīvības fenomenu, radās vajadzība pēc mērķtiecīgiem pētījumiem dzīvu organismu iedzimtās informācijas uzglabāšanas un nodošanas procesu molekulārā līmenī. Tad tika noteikts molekulārās bioloģijas uzdevums nukleīnskābju un olbaltumvielu struktūras, īpašību un mijiedarbības izpētē. Terminu "molekulārā bioloģija" pirmo reizi lietoja angļu zinātnieks Viljams Astberijs saistībā ar pētījumiem, kas saistīti ar fibrilāro proteīnu, piemēram, kolagēna, asins fibrīna vai muskuļu kontraktilo proteīnu, molekulārās struktūras un fizikālo un bioloģisko īpašību saistību noskaidrošanu. .

Molekulārās bioloģijas pirmajās dienās RNS tika uzskatīta par augu un sēņu sastāvdaļu, savukārt DNS tika uzskatīta par tipisku dzīvnieku šūnu sastāvdaļu. Pirmais pētnieks, kurš pierādīja, ka DNS ir atrodama augos, bija Andrejs Nikolajevičs Belozerskis, kurš 1935. gadā izolēja zirņu DNS. Šis atklājums atklāja faktu, ka DNS ir universāla nukleīnskābe, kas atrodas augu un dzīvnieku šūnās.

Liels sasniegums bija Džordža Bīla un Edvarda Teituma tiešas cēloņsakarības noteikšana starp gēniem un olbaltumvielām. Savos eksperimentos viņi atklāja neirosporas šūnas ( Neirosporacrassa) Rentgena staru iedarbība, kas izraisīja mutācijas. Iegūtie rezultāti parādīja, ka tas izraisīja konkrētu enzīmu īpašību izmaiņas.

1940. gadā Alberts Klods no dzīvnieku šūnu citoplazmas izdalīja citoplazmas RNS saturošas granulas, kas bija mazākas par mitohondrijiem. Viņš tos sauca par mikrosomām. Pēc tam, pētot izolēto daļiņu struktūru un īpašības, tika noskaidrota to fundamentālā loma olbaltumvielu biosintēzes procesā. 1958. gadā pirmajā simpozijā, kas bija veltīts šīm daļiņām, tika nolemts šīs daļiņas saukt par ribosomām.

Vēl viens nozīmīgs solis molekulārās bioloģijas attīstībā bija 1944. gadā publicētie Osvalda Eiverija, Kolina Makleoda un Maklīna Makartija eksperimenta dati, kas parādīja, ka DNS ir baktēriju transformācijas cēlonis. Šis bija pirmais eksperimentālais pierādījums par DNS lomu iedzimtas informācijas pārraidē, atmaskojot agrāko ideju par gēnu proteīna raksturu.

1950. gadu sākumā Frederiks Sangers parādīja, ka olbaltumvielu ķēde ir unikāla aminoskābju atlikumu secība. 1950. gadu beigās Makss Perucs un Džons Kendrū atšifrēja pirmo proteīnu telpisko struktūru. Jau 2000. gadā bija zināmi simtiem tūkstošu dabisko aminoskābju secību un tūkstošiem proteīnu telpisko struktūru.

Aptuveni tajā pašā laikā Ervina Šargafa pētījumi ļāva viņam formulēt noteikumus, kas apraksta slāpekļa bāzu attiecību DNS (noteikumos teikts, ka neatkarīgi no DNS sugu atšķirībām guanīna daudzums ir vienāds ar citozīna daudzumu un adenīna daudzumu. ir vienāds ar themin daudzumu), kas vēlāk palīdzēja panākt vislielāko izrāvienu molekulārajā bioloģijā un vienu no lielākajiem atklājumiem bioloģijā kopumā.

Šis notikums notika 1953. gadā, kad Džeimss Vatsons un Frensiss Kriks, pamatojoties uz Rozalindas Franklinas un Morisa Vilkinsa darbu Rentgenstaru difrakcijas analīze DNS, izveidoja DNS molekulas divpavedienu struktūru. Šis atklājums ļāva atbildēt uz fundamentālo jautājumu par iedzimtās informācijas nesēja spēju pašatražoties un izprast šādas informācijas pārraides mehānismu. Tie paši zinātnieki formulēja slāpekļa bāzu komplementaritātes principu, kas ir ļoti svarīgs, lai izprastu supramolekulāro struktūru veidošanās mehānismu. Šis princips, kas tagad tiek izmantots visu molekulāro kompleksu aprakstīšanai, ļauj aprakstīt un prognozēt vāju (nevalentu) starpmolekulāro mijiedarbību rašanās apstākļus, kas nosaka sekundāro, terciāro u.c. makromolekulu struktūras, supramolekulāro bioloģisko sistēmu pašsavienošanās, kas nosaka tik daudzveidīgas molekulārās struktūras un to funkcionālās kopas. Tad, 1953. gadā, radās Zinātnes žurnāls Molekulārās bioloģijas žurnāls. To vadīja Džons Kendrū, kura zinātniskās intereses joma bija globulāro proteīnu struktūras izpēte (Nobela prēmija 1962. gadā kopā ar Maksu Perucu). Līdzīgu žurnālu krievu valodā ar nosaukumu Molecular Biology PSRS dibināja V. A. Engelhards 1966. gadā.

1958. gadā Frensiss Kriks formulēja t.s. molekulārās bioloģijas centrālā dogma: ideja par ģenētiskās informācijas plūsmas neatgriezeniskumu no DNS caur RNS uz proteīniem saskaņā ar shēmu DNS → DNS (replikācija, DNS kopijas izveidošana), DNS → RNS (transkripcija, gēnu kopēšana), RNS → proteīns (informācijas par proteīnu struktūras tulkošana, dekodēšana). Šī dogma tika nedaudz koriģēta 1970. gadā, ņemot vērā uzkrātās zināšanas, jo reversās transkripcijas fenomenu neatkarīgi atklāja Hovards Temins un Deivids Baltimors: tika atklāts enzīms - reversā transkriptāze, kas ir atbildīga par reversās transkripcijas ieviešanu. divpavedienu DNS veidošanās uz vienpavedienu RNS šablona, ​​kas notiek onkogēnos vīrusos. Jāatzīmē, ka stingrā nepieciešamība pēc ģenētiskās informācijas plūsmas no nukleīnskābēm uz olbaltumvielām joprojām ir molekulārās bioloģijas pamatā.

1957. gadā Aleksandrs Sergejevičs Spirins kopā ar Andreju Nikolajeviču Belozerski parādīja, ka, neskatoties uz ievērojamām atšķirībām dažādu organismu DNS nukleotīdu sastāvā, kopējās RNS sastāvs ir līdzīgs. Pamatojoties uz šiem datiem, viņi nonāca pie sensacionāla secinājuma, ka šūnas kopējā RNS nevar darboties kā ģenētiskās informācijas nesējs no DNS uz olbaltumvielām, jo ​​tas neatbilst tam savā sastāvā. Tajā pašā laikā viņi pamanīja, ka ir neliela RNS daļa, kas savā nukleotīdu sastāvā pilnībā atbilst DNS un kas var būt patiess ģenētiskās informācijas nesējs no DNS uz olbaltumvielām. Rezultātā viņi paredzēja relatīvi mazu RNS molekulu esamību, kas pēc struktūras ir analogas atsevišķām DNS sekcijām un darbojas kā starpnieki DNS ietvertās ģenētiskās informācijas pārnešanā uz ribosomu, kur, izmantojot šo informāciju, tiek sintezētas olbaltumvielu molekulas. 1961. gadā (S. Brenners, F. Džeikobs, M. Mezelsons no vienas puses un F. Gross, Fransuā Džeikobs un Žaks Monods bija pirmie, kas eksperimentāli apstiprināja šādu molekulu - informatīvās (matricas) RNS esamību. Tajā pašā laikā viņi izstrādāja DNS funkcionālo vienību - operona - koncepciju un modeli, kas ļāva precīzi izskaidrot, kā notiek gēnu ekspresijas regulēšana prokariotos Olbaltumvielu biosintēzes mehānismu izpēte un strukturālās organizācijas principi un molekulāro mašīnu - ribosomu - darbība ļāva formulēt postulātu, kas apraksta ģenētiskās informācijas kustību, ko sauc par molekulārās bioloģijas centrālo dogmu: DNS - mRNS ir proteīns.

1961. gadā un turpmākajos gados Heinrihs Matejs un Māršals Nirenbergs, bet pēc tam Har Korana un Roberts Holijs veica vairākus darbus, lai atšifrētu ģenētisko kodu, kā rezultātā tika izveidota tieša saistība starp DNS struktūru un sintezētajiem proteīniem. un nukleotīdu secība, kas nosaka aminoskābju kopu proteīnā. Tika iegūti arī dati par ģenētiskā koda universālumu. Atklājumiem tika piešķirta Nobela prēmija 1968. gadā.

Mūsdienu ideju attīstībai par RNS funkcijām, nekodējošas RNS atklāšana, kas veikta, pamatojoties uz Aleksandra Sergejeviča Spirina darba rezultātiem kopā ar Andreju Nikolajeviču Belozerski 1958. gadā, Čārlzu Brenneru ar līdzautoriem un Saulu. Spiegelman 1961. gadā, bija izšķirošs. Šis RNS veids veido lielāko daļu šūnu RNS. Ribosomu RNS galvenokārt nekodē.

Dzīvnieku šūnu kultivēšanas un hibridizācijas metodes ir saņēmušas nopietnu attīstību. 1963. gadā Fransuā Džeikobs un Sidnijs Brenners formulēja replikonu — raksturīgi replikējošu gēnu secību, kas izskaidro svarīgus gēnu replikācijas regulēšanas aspektus.

1967. gadā A. S. Spirina laboratorijā pirmo reizi tika pierādīts, ka kompakti salocītas RNS forma nosaka ribosomu daļiņas morfoloģiju.

1968. gadā tika veikts nozīmīgs fundamentāls atklājums. Okazaki, replikācijas procesa izpētē atklājusi atpalikušās virknes DNS fragmentus, viņas vārdā nosauca Okazaki fragmentus, noskaidroja DNS replikācijas mehānismu.

1970. gadā nozīmīgu atklājumu neatkarīgi veica Hovards Temins un Deivids Baltimors: tika atklāts enzīms - reversā transkriptāze, kas ir atbildīga par reversās transkripcijas ieviešanu - divpavedienu DNS veidošanos uz vienpavedienu RNS šablona, ​​kas rodas onkogēnos vīrusos, kas satur RNS.

Vēl viens svarīgs molekulārās bioloģijas sasniegums bija mutāciju mehānisma izskaidrošana molekulārā līmenī. Vairāku pētījumu rezultātā tika noteikti galvenie mutāciju veidi: dublēšanās, inversijas, dzēšanas, translokācijas un transpozīcijas. Tas ļāva aplūkot evolūcijas izmaiņas no gēnu procesu viedokļa un ļāva izstrādāt molekulāro pulksteņu teoriju, ko izmanto filoģenēzē.

Līdz 20. gadsimta 70. gadu sākumam bija formulēti nukleīnskābju un olbaltumvielu funkcionēšanas pamatprincipi dzīvā organismā. Konstatēts, ka olbaltumvielas un nukleīnskābes organismā tiek sintezētas pēc matricas mehānisma, matricas molekula nes šifrētu informāciju par aminoskābju (proteīnā) vai nukleotīdu (nukleīnskābē) secību. Replikācijas (DNS dubultošanās) vai transkripcijas (mRNS sintēzes) laikā DNS kalpo kā tāda matrica, translācijas (olbaltumvielu sintēzes) vai reversās transkripcijas laikā – mRNS.

Tādējādi tika radīti teorētiskie priekšnoteikumi molekulārās bioloģijas lietišķo jomu, jo īpaši gēnu inženierijas, attīstībai. 1972. gadā Pols Bergs, Herberts Bauers un Stenlijs Koens izstrādāja molekulārās klonēšanas tehnoloģiju. Tad viņi bija pirmie, kas ieguva rekombinanto DNS in vitro. Šie izcilie eksperimenti lika pamatus gēnu inženierijai, un šis gads tiek uzskatīts par šī zinātnes virziena dzimšanas datumu.

1977. gadā Frederiks Sangers un neatkarīgi Allans Maksums un Valters Gilberts izstrādāja dažādas metodes DNS primārās struktūras (sekvences) noteikšanai. Sanger metode, tā sauktā ķēdes pārtraukšanas metode, ir mūsdienu sekvencēšanas metodes pamatā. Sekvencēšanas princips ir balstīts uz marķētu bāzu izmantošanu, kas darbojas kā terminatori cikliskā sekvencēšanas reakcijā. Šī metode ir kļuvusi plaši izplatīta, pateicoties spējai ātri veikt analīzi.

1976. gads - Frederiks. Sanger atšifrēja fāga φΧ174 DNS nukleotīdu secību ar garumu 5375 nukleotīdu pāri.

1981. gads — sirpjveida šūnu anēmija kļūst par pirmo ģenētisko slimību, kas diagnosticēta ar DNS testiem.

1982-1983 RNS katalītiskās funkcijas atklāšana T. Čeka un S. Altmena Amerikas laboratorijās mainīja esošās idejas par proteīnu ekskluzīvo lomu. Pēc analoģijas ar katalītiskajiem proteīniem - fermentiem, katalītiskās RNS sauca par ribozīmiem.

1987 Keri Mullez atklāj polimerāzes ķēdes reakciju, pateicoties kurai ir iespējams mākslīgi būtiski palielināt DNS molekulu skaitu šķīdumā turpmākam darbam. Mūsdienās tā ir viena no svarīgākajām molekulārās bioloģijas metodēm, ko izmanto iedzimto un vīrusu slimību izpētē, gēnu izpētē un ģenētiskajā identificēšanā un radniecībā u.c.

1990. gadā tajā pašā laikā trīs zinātnieku grupas publicēja metodi, kas ļāva laboratorijā ātri iegūt sintētiskas funkcionāli aktīvas RNS (mākslīgos ribozīmus jeb molekulas, kas mijiedarbojas ar dažādiem ligandiem – aptamēriem). Šo metodi sauc par "evolūciju in vitro". Un drīz pēc tam, 1991.-1993.gadā laboratorijā A.B. Četverīnai eksperimentāli tika parādīta RNS molekulu pastāvēšanas, augšanas un pastiprināšanās iespēja koloniju veidā uz cietas barotnes.

1998. gadā gandrīz vienlaikus Kreigs Mello un Endrjū Fīrs aprakstīja mehānismu, kas tika novērots agrāk gēnu eksperimentos ar baktērijām un ziediem. RNS traucējumi, kurā neliela divpavedienu RNS molekula izraisa specifisku gēnu ekspresijas nomākšanu.

RNS traucējumu mehānisma atklāšanai ir liela praktiska nozīme mūsdienu molekulārajā bioloģijā. Šo fenomenu plaši izmanto zinātniskos eksperimentos kā līdzekli "izslēgšanai", tas ir, atsevišķu gēnu ekspresijas nomākšanai. Īpaši interesanti ir fakts, ka šī metode ļauj atgriezeniski (īslaicīgi) nomākt pētīto gēnu aktivitāti. Tiek veikti pētījumi, lai piemērotu šo fenomenu vīrusu, neoplastisku, deģeneratīvu un vielmaiņas slimību ārstēšanā. Jāatzīmē, ka 2002. gadā tika atklāti poliomielīta vīrusu mutanti, kas var izvairīties no RNS iejaukšanās, tāpēc ir nepieciešams rūpīgāks darbs, lai izstrādātu patiesu. efektīvas metodesārstēšana, kuras pamatā ir šī parādība.

1999.-2001.gadā vairākas pētnieku grupas noteica baktēriju ribosomas struktūru ar izšķirtspēju no 5,5 līdz 2,4 angstrēmiem.

Lieta

Molekulārās bioloģijas sasniegumus dzīvās dabas zināšanās diez vai var pārvērtēt. Lieli panākumi gūti, pateicoties veiksmīgai pētniecības koncepcijai: kompleksi bioloģiskie procesi tiek aplūkoti no atsevišķu molekulāro sistēmu viedokļa, kas ļauj pielietot precīzas fizikāli ķīmiskās izpētes metodes. Tas šai zinātnes jomai piesaistīja arī daudzus izcilus prātus no radniecīgām jomām: ķīmijas, fizikas, citoloģijas, virusoloģijas, kas arī labvēlīgi ietekmēja zinātnisko zināšanu attīstības mērogu un ātrumu šajā jomā. Tādi nozīmīgi atklājumi kā DNS struktūras noteikšana, ģenētiskā koda atšifrēšana, mākslīgi virzīta genoma modifikācija ļāva daudz dziļāk izprast organismu attīstības procesu specifiku un veiksmīgi atrisināt daudzas svarīgas fundamentālas un lietišķās zinātniskās, medicīniskās un sociālās problēmas, kuras vēl ne tik sen tika uzskatītas par neatrisināmām.

Molekulārās bioloģijas studiju priekšmets galvenokārt ir olbaltumvielas, nukleīnskābes un uz tiem balstīti molekulārie kompleksi (molekulārās mašīnas) un procesi, kuros tie piedalās.

Nukleīnskābes ir lineāri polimēri, kas sastāv no nukleotīdu vienībām (piecu locekļu cukura savienojumi ar fosfāta grupu cikla piektajā atomā un vienu no četrām slāpekļa bāzēm), kas savstarpēji savienoti ar fosfātu grupu estera saiti. Tādējādi nukleīnskābe ir pentozes fosfāta polimērs ar slāpekļa bāzēm kā sānu aizvietotājiem. RNS ķēdes ķīmiskais sastāvs atšķiras no DNS ar to, ka pirmā sastāv no piecu locekļu ribozes ogļhidrātu cikla, bet otrā no dehidroksilēta ribozes atvasinājuma dezoksiribozes. Tajā pašā laikā šīs molekulas ievērojami atšķiras telpā, jo RNS ir elastīga vienpavedienu molekula, bet DNS ir divpavedienu molekula.

Olbaltumvielas ir lineāri polimēri, kas ir alfa-aminoskābju ķēdes, kas savstarpēji savienotas ar peptīdu saiti, līdz ar to to otrais nosaukums - polipeptīdi. Dabīgo proteīnu sastāvā ir daudz dažādu aminoskābju vienību – cilvēkiem līdz 20 –, kas nosaka šo molekulu funkcionālo īpašību visdažādākās. Šīs vai citas olbaltumvielas ir iesaistītas gandrīz visos ķermeņa procesos un veic daudzus uzdevumus: tie spēlē šūnu lomu celtniecības materiāls, nodrošina vielu un jonu transportēšanu, katalizē ķīmiskās reakcijas – šis saraksts ir ļoti garš. Olbaltumvielas veido stabilas dažāda līmeņa organizācijas (sekundārās un terciārās struktūras) molekulārās konformācijas un molekulāros kompleksus, kas vēl vairāk paplašina to funkcionalitāti. Šīm molekulām var būt augsta specifika noteiktu uzdevumu veikšanai, jo veidojas sarežģīta telpiskā lodveida struktūra. Plašs proteīnu klāsts nodrošina zinātnieku pastāvīgu interesi par šāda veida molekulām.

Mūsdienu idejas par molekulārās bioloģijas tēmu balstās uz vispārinājumu, ko 1958. gadā pirmo reizi izvirzīja Frensiss Kriks kā molekulārās bioloģijas galveno dogmu. Tās būtība bija apgalvojums, ka ģenētiskā informācija dzīvos organismos iziet cauri stingri noteiktiem ieviešanas posmiem: kopēšana no DNS uz DNS mantojuma ieejā, no DNS uz RNS un pēc tam no RNS uz proteīnu, un apgrieztā pāreja nav iespējama. Šis apgalvojums bija patiess tikai daļēji, tāpēc pēc tam centrālā dogma tika labota, ņemot vērā jaunatklātos datus.

Uz Šis brīdis ir vairāki veidi, kā ieviest ģenētisko materiālu, kas atspoguļo dažādas ieviešanas secības trīs veidiģenētiskās informācijas esamība: DNS, RNS un olbaltumvielas. Deviņos iespējamajos realizācijas veidos izšķir trīs grupas: tās ir trīs vispārīgas transformācijas (vispārīgas), kuras parasti tiek veiktas lielākajā daļā dzīvo organismu; trīs īpašas transformācijas (īpašas), kas veiktas dažos vīrusos vai īpašos laboratorijas apstākļos; trīs nezināmas transformācijas (nezināmas), kuru realizācija tiek uzskatīta par neiespējamu.

Kopējās transformācijas ietver šādus ģenētiskā koda ieviešanas veidus: DNS → DNS (replikācija), DNS → RNS (transkripcija), RNS → proteīns (translācija).

Lai veiktu iedzimto īpašību nodošanu, vecākiem ir jānodod pilnvērtīga DNS molekula saviem pēcnācējiem. Procesu, kurā var sintezēt precīzu sākotnējās DNS kopiju un tādējādi pārnest ģenētisko materiālu, sauc par replikāciju. To veic īpaši proteīni, kas atšķetina molekulu (iztaisno tās sekciju), atritina dubulto spirāli un, izmantojot DNS polimerāzi, izveido precīzu sākotnējās DNS molekulas kopiju.

Lai nodrošinātu šūnas dzīvi, tai pastāvīgi jāatsaucas uz ģenētisko kodu, kas iestrādāts DNS dubultajā spirālē. Tomēr šī molekula ir pārāk liela un neveikla, lai to izmantotu kā tiešu ģenētiskā materiāla avotu nepārtrauktai olbaltumvielu sintēzei. Tāpēc DNS iestrādātās informācijas ieviešanas gaitā notiek starpposms: mRNS sintēze, kas ir neliela vienpavediena molekula, kas papildina noteiktu DNS segmentu, kas kodē noteiktu proteīnu. Transkripcijas procesu nodrošina RNS polimerāze un transkripcijas faktori. Iegūto molekulu pēc tam var viegli nogādāt tajā šūnas daļā, kas ir atbildīga par olbaltumvielu sintēzi – ribosomu.

Pēc RNS iekļūšanas ribosomā sākas ģenētiskās informācijas realizācijas pēdējais posms. Šajā gadījumā ribosoma nolasa ģenētisko kodu no mRNS tripletos, ko sauc par kodoniem, un, pamatojoties uz saņemto informāciju, sintezē atbilstošo proteīnu.

Īpašu transformāciju gaitā ģenētiskais kods tiek realizēts pēc shēmas RNS → RNS (replikācija), RNS → DNS (reversā transkripcija), DNS → proteīns (tiešā translācija). Šāda veida replikācija tiek realizēta daudzos vīrusos, kur to veic enzīms RNS atkarīgā RNS polimerāze. Līdzīgi fermenti ir atrodami arī eikariotu šūnās, kur tie ir saistīti ar RNS klusēšanas procesu. Reversā transkripcija ir konstatēta retrovīrusos, kur to veic enzīms reversā transkriptāze, un dažos gadījumos eikariotu šūnās, piemēram, telomēru sintēzes laikā. Tieša pārraide tiek veikta tikai mākslīgos apstākļos izolētā sistēmā ārpus šūnas.

Jebkura no trim iespējamām ģenētiskās informācijas pārejām no proteīna uz proteīnu, RNS vai DNS tiek uzskatīta par neiespējamu. Gadījumu, kad prions iedarbojas uz olbaltumvielām, kā rezultātā veidojas līdzīgs prions, nosacīti varētu attiecināt uz ģenētiskās informācijas proteīna → proteīna realizācijas veidu. Tomēr formāli tas tā nav, jo tas neietekmē aminoskābju secību proteīnā.

Termina "centrālā dogma" rašanās vēsture ir ziņkārīga. Tā kā vārds dogma parasti nozīmē apgalvojumu, kas nav pakļauts šaubām, un pašam vārdam ir skaidra reliģiska pieskaņa, tā izvēle kā zinātniska fakta apraksts nav gluži leģitīma. Pēc paša Frensisa Krika domām, tā bija viņa kļūda. Viņš vēlējās izvirzītajai teorijai piešķirt lielāku nozīmi, atšķirt to no citu teoriju un hipotēžu fona; kāpēc viņš nolēma lietot šo majestātisko, viņaprāt, vārdu, nesaprotot tā patieso nozīmi. Nosaukums tomēr piekliboja.

Molekulārā bioloģija šodien

Molekulārās bioloģijas straujā attīstība, pastāvīgā sabiedrības interese par sasniegumiem šajā jomā un pētījumu objektīvā nozīme ir novedusi pie liela skaita lielu molekulārās bioloģijas pētniecības centru rašanās visā pasaulē. No lielākajām jāmin: molekulārās bioloģijas laboratorija Kembridžā, Karaliskais institūts Londonā - Lielbritānijā; Molekulārās bioloģijas institūti Parīzē, Marseļā un Strasbūrā, Pastēra institūts - Francijā; Molekulārās bioloģijas katedras Hārvardas Universitātē un Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā, Bērklijas Universitātē, Kalifornijas Tehnoloģiju institūtā, Rokfellera universitātē, Sabiedrības veselības institūtā Betesdā – ASV; Maksa Planka institūti, Getingenes un Minhenes universitātes, Centrālais molekulārās bioloģijas institūts Berlīnē, institūti Jēnā un Hallē - Vācijā; Karolinskas institūts Stokholmā, Zviedrijā.

Krievijā vadošie centri šajā jomā ir Molekulārās bioloģijas institūts. Molekulārās ģenētikas institūts RAS, Gēnu bioloģijas institūts RAS, Fizikāli ķīmiskās bioloģijas institūts nosaukts V.A. A. N. Belozerska Maskavas Valsts universitāte. M.V. Lomonosova Bioķīmijas institūts. A.N. Bahs RAS un Proteīna RAS institūts Puščino.

Mūsdienās molekulāro biologu interešu joma aptver plašu fundamentālu zinātnes jautājumu loku. Tāpat kā līdz šim vadošo lomu ieņem nukleīnskābju struktūras un olbaltumvielu biosintēzes izpēte, dažādu intracelulāro struktūru un šūnu virsmu uzbūves un funkciju izpēte. Tāpat nozīmīgas pētniecības jomas ir uztveršanas un signālu pārraides mehānismu izpēte, savienojumu transportēšanas molekulārie mehānismi šūnā un arī no šūnas uz ārējo vidi un atpakaļ. Starp galvenajiem zinātnisko pētījumu virzieniem lietišķās molekulārās bioloģijas jomā viens no prioritārākajiem ir audzēju rašanās un attīstības problēma. Arī ļoti svarīga joma, ko pēta molekulārās bioloģijas sekcija – molekulārā ģenētika, ir iedzimtu slimību un vīrusu slimību, piemēram, AIDS, rašanās molekulāro pamatu izpēte, kā arī to novēršanas metožu izstrāde. profilakse un, iespējams, ārstēšana gēnu līmenī. Molekulāro biologu atklājumi un attīstība tiesu medicīnā ir atraduši plašu pielietojumu. Īstu revolūciju personas identifikācijas jomā 80. gados veica zinātnieki no Krievijas, ASV un Lielbritānijas, pateicoties "genomiskā pirkstu nospiedumu noņemšanas" metodes izstrādei un ieviešanai - DNS identificēšanai ikdienas praksē. Pētījumi šajā jomā neapstājas līdz šai dienai, mūsdienu metodes ļauj noteikt personu ar vienas miljardās daļas kļūdas iespējamību. Jau šobrīd notiek aktīva ģenētiskās pases projekta izstrāde, kas, kā jau cerēts, ievērojami samazinās noziedzības līmeni.

Metodoloģija

Mūsdienās molekulārajā bioloģijā ir plašs metožu arsenāls, lai atrisinātu vismodernākās un sarežģītākās problēmas, ar kurām saskaras zinātnieki.

Viena no visizplatītākajām metodēm molekulārajā bioloģijā ir gēla elektroforēze, kas atrisina makromolekulu maisījuma atdalīšanas problēmu pēc izmēra vai lādiņa. Gandrīz vienmēr pēc makromolekulu atdalīšanas gēlā tiek izmantota blotēšana - metode, kas ļauj pārnest makromolekulas no želejas (sorbēt) uz membrānas virsmu, lai būtu ērtāk strādāt ar tām, jo ​​īpaši hibridizāciju. Hibridizācija - hibrīda DNS veidošanās no diviem dažāda rakstura pavedieniem - metode, kurai ir svarīga loma fundamentālajos pētījumos. To izmanto, lai noteiktu papildinoši segmentus dažādās DNS (dažādu sugu DNS), to izmanto jaunu gēnu meklēšanai, ar tās palīdzību tika atklāta RNS interference, un tās princips veidoja genoma pirkstu nospiedumu ņemšanas pamatu.

Nozīmīga loma mūsdienu molekulāri bioloģisko pētījumu praksē ir sekvencēšanas metodei - nukleotīdu secības noteikšanai nukleīnskābēs un aminoskābju olbaltumvielās.

Mūsdienu molekulārā bioloģija nav iedomājama bez polimerāzes ķēdes reakcijas (PCR) metodes. Pateicoties šai metodei, tiek veikta noteiktas DNS sekvences kopiju skaita palielināšana (pastiprināšana), lai no vienas molekulas iegūtu pietiekamu daudzumu vielas turpmākam darbam ar to. Līdzīgu rezultātu panāk ar molekulārās klonēšanas tehnoloģiju, kurā baktēriju (dzīvu sistēmu) DNS ievada vajadzīgā nukleotīdu secība, pēc kuras baktēriju vairošanās noved pie vēlamā rezultāta. Šī pieeja ir tehniski daudz sarežģītāka, taču ļauj vienlaikus iegūt pētāmās nukleotīdu secības ekspresijas rezultātu.

Tāpat molekulāri bioloģiskajos pētījumos plaši tiek izmantotas ultracentrifugēšanas metodes (makromolekulu (lielos daudzumos), šūnu, organellu atdalīšanai), elektronu un fluorescences mikroskopija, spektrofotometriskās metodes, rentgenstaru difrakcijas analīze, autoradiogrāfija u.c.

Pateicoties tehnoloģiskajam progresam un zinātniskiem pētījumiem ķīmijas, fizikas, bioloģijas un datorzinātņu jomā, mūsdienīgs aprīkojums ļauj izolēt, pētīt un mainīt atsevišķus gēnus un procesus, kuros tie ir iesaistīti.

Molekulārā bioloģija

zinātne, kas par savu uzdevumu izvirza zināšanas par dzīvības parādību būtību, pētot bioloģiskos objektus un sistēmas līmenī, kas tuvojas molekulārajam līmenim, un dažos gadījumos sasniedz šo robežu. Galīgais mērķis šajā gadījumā ir noskaidrot, kā un cik lielā mērā izpaužas raksturīgās dzīvības izpausmes, piemēram, iedzimtība, sava veida vairošanās, olbaltumvielu biosintēze, uzbudināmība, augšana un attīstība, informācijas uzglabāšana un pārraide, enerģijas transformācijas, mobilitāte. u.c., ir saistīti ar bioloģiski svarīgu vielu molekulu struktūru, īpašībām un mijiedarbību, galvenokārt divām galvenajām augstas molekulmasas biopolimēru klasēm (skatīt Biopolimērus). - olbaltumvielas un nukleīnskābes. Atšķirīga iezīme M. b. - dzīvības parādību izpēte uz nedzīviem objektiem vai tiem, kam raksturīgas primitīvākās dzīves izpausmes. Tie ir bioloģiski veidojumi no šūnu līmeņa un zemāk: subcelulāri organoīdi, piemēram, izolēti šūnu kodoli, mitohondriji, ribosomas, hromosomas, šūnu membrānas; tālāk - sistēmas, kas stāv uz dzīvās un nedzīvās dabas robežas - vīrusi, tai skaitā bakteriofāgi, un beidzot ar dzīvās vielas svarīgāko komponentu molekulām - nukleīnskābēm (Skat. Nukleīnskābes) un proteīniem (Skat. Olbaltumvielas).

M. b. - jauna dabaszinātņu joma, kas ir cieši saistīta ar sen izveidotām pētniecības jomām, kuras aptver bioķīmija (skatīt Bioķīmija), biofizika (skatīt Biofizika) un bioorganiskā ķīmija (skatīt Bioorganiskā ķīmija). Šeit atšķirība ir iespējama, tikai ņemot vērā izmantotās metodes un izmantoto pieeju būtību.

Pamatu, uz kura attīstījās M., lika tādas zinātnes kā ģenētika, bioķīmija, elementāro procesu fizioloģija uc Atbilstoši tās attīstības pirmsākumiem M. b. nesaraujami saistīta ar molekulāro ģenētiku (sk. Molekulārā ģenētika) , kas joprojām veido nozīmīgu M. bankinga daļu, lai gan tā jau lielā mērā ir izveidojusies par neatkarīgu disciplīnu. M. izolācija. no bioķīmijas nosaka šādi apsvērumi. Bioķīmijas uzdevumi galvenokārt aprobežojas ar noteiktu ķīmisko vielu līdzdalības noskaidrošanu noteiktās bioloģiskās funkcijās un procesos un to pārvērtību rakstura noskaidrošanu; vadošā vērtība pieder informācijai par reaktivitāti un par ķīmiskās struktūras galvenajām iezīmēm, kas izteiktas ar parasto ķīmisko formulu. Tādējādi būtībā uzmanība tiek pievērsta transformācijām, kas ietekmē galveno valentu ķīmiskās saites. Tikmēr, kā uzsvēra L. Paulings , bioloģiskajās sistēmās un dzīvības aktivitātes izpausmēs galvenā nozīme jāpiešķir nevis galvenajām-valentajām saitēm, kas darbojas vienas molekulas ietvaros, bet gan dažāda veida saitēm, kas nosaka starpmolekulāro mijiedarbību (elektrostatiskā, van der Vālsa, ūdeņraža saites utt.) .

Bioķīmiskā pētījuma gala rezultātu var attēlot ķīmisko vienādojumu sistēmas veidā, kas parasti ir pilnībā izsmelts ar to attēlojumu plaknē, t.i., divās dimensijās. Atšķirīga iezīme M. b. ir tā trīsdimensionalitāte. M. b. būtība. M. Perucs to redz, interpretējot bioloģiskās funkcijas molekulārās struktūras izteiksmē. Var teikt, ka, ja iepriekš, pētot bioloģiskos objektus, bija jāatbild uz jautājumu “kas”, tas ir, kādas vielas atrodas, un uz jautājumu “kur” - kādos audos un orgānos, tad M. b. mērķis ir iegūt atbildes uz jautājumu “kā”, uzzinot visas molekulas struktūras lomas un līdzdalības būtību, un uz jautājumiem “kāpēc” un “kam”, no vienas puses uzzinot, molekulas īpašību (atkal primāri proteīnu un nukleīnskābju) sakarības ar tās veiktajām funkcijām un, no otras puses, šādu atsevišķu funkciju lomu kopējā dzīvības aktivitātes izpausmju kompleksā.

Atomu un to grupējumu savstarpējais izvietojums makromolekulas vispārējā struktūrā, to telpiskās attiecības iegūst izšķirošu lomu. Tas attiecas gan uz atsevišķiem, atsevišķiem komponentiem, gan uz molekulas kopējo konfigurāciju kopumā. Tieši strikti noteiktas tilpuma struktūras rašanās rezultātā biopolimēru molekulas iegūst tās īpašības, kuru dēļ tās spēj kalpot par bioloģisko funkciju materiālo pamatu. Šis pieejas princips dzīvo izpētē ir raksturīgākā, tipiskākā M. b.

Vēstures atsauce. Bioloģisko problēmu izpētes lielo nozīmi molekulārā līmenī paredzēja I. P. Pavlovs , kurš runāja par pēdējo soli dzīvības zinātnē – dzīvās molekulas fizioloģiju. Pats termins "M. b." pirmo reizi tika izmantots angļu valodā. zinātnieki W. Astbury pielietojumā pētījumos, kas saistīti ar fibrilāro (šķiedru) proteīnu, piemēram, kolagēna, asins fibrīna vai kontraktilo muskuļu proteīnu, molekulārās struktūras saistību noskaidrošanu. Plaši lieto terminu "M. b." tērauds kopš 1950. gadu sākuma. 20. gadsimts

M. parādīšanās. kā nobriedušu zinātni ir ierasts atsaukties uz 1953. gadu, kad Dž. Vatsons un F. Kriks Kembridžā (Lielbritānija) atklāja dezoksiribonukleīnskābes (DNS) trīsdimensiju struktūru. Tas ļāva runāt par to, kā šīs struktūras detaļas nosaka DNS kā iedzimtas informācijas materiāla nesēja bioloģiskās funkcijas. Principā šī DNS loma kļuva zināma nedaudz agrāk (1944) amerikāņu ģenētiķa O. T. Eiveri un viņa kolēģu darba rezultātā (sk. Molecular Genetics), taču nebija zināms, cik lielā mērā šī funkcija ir atkarīga no ģenētikas molekulārās struktūras. DNS. Tas kļuva iespējams tikai pēc tam, kad W. L. Bragg (sk. Braga-Vulfa stāvoklis), J. Bernal uc laboratorijās tika izstrādāti jauni rentgenstaru difrakcijas analīzes principi, kas nodrošināja šīs metodes izmantošanu detalizētai telpiskās zināšanām. olbaltumvielu makromolekulu un nukleīnskābju struktūra.

Molekulārās organizācijas līmeņi. 1957. gadā J. Kendrew izveidoja Myoglobin a trīsdimensiju struktūru , un turpmākajos gados to veica M. Perutz saistībā ar hemoglobīnu a. Tika formulētas idejas par dažādiem makromolekulu telpiskās organizācijas līmeņiem. Primārā struktūra ir atsevišķu vienību (monomēru) secība iegūtās polimēra molekulas ķēdē. Olbaltumvielām monomēri ir aminoskābes. , nukleīnskābēm - Nukleotīdi. Lineārai, pavedienveida biopolimēra molekulai ūdeņraža saišu rašanās rezultātā ir spēja noteiktā veidā iekļauties telpā, piemēram, olbaltumvielu gadījumā, kā rāda L. Paulings, tas var aizņemt spirāles forma. To sauc par sekundāro struktūru. Terciārā struktūra ir tad, kad molekula, kurai ir sekundārā struktūra, vienā vai otrā veidā tālāk salocās, aizpildot trīsdimensiju telpu. Visbeidzot, molekulas, kurām ir trīsdimensiju struktūra, var mijiedarboties, regulāri izvietotas telpā viena pret otru un veidojot to, kas tiek apzīmēts kā ceturtdaļveida struktūra; tās atsevišķās sastāvdaļas parasti sauc par apakšvienībām.

Visredzamākais piemērs tam, kā molekulārā trīsdimensiju struktūra nosaka molekulas bioloģiskās funkcijas, ir DNS. Tam ir dubultspirāles struktūra: divi savstarpēji pretējā virzienā (pretparalēli) ietoši pavedieni savijas viens ap otru, veidojot dubultspirāli ar savstarpēji papildinošu pamatu izvietojumu, t.i., tā, ka pret vienas ķēdes noteiktu pamatni atrodas vienmēr ir tāda bāze, kas vislabāk nodrošina ūdeņraža saišu veidošanos: adepīns (A) savienojas ar timīnu (T), guanīns (G) ar citozīnu (C). Šī struktūra rada optimāli apstākļi DNS svarīgākajām bioloģiskajām funkcijām: iedzimtas informācijas kvantitatīvā pavairošana šūnu dalīšanās procesā, vienlaikus saglabājot šīs ģenētiskās informācijas plūsmas kvalitatīvo nemainīgumu. Kad šūna dalās, DNS dubultspirāles virknes, kas kalpo kā šablons jeb veidne, atritinās un uz katras no tām fermentu iedarbībā tiek sintezēta komplementāra jauna virkne. Tā rezultātā no vienas vecāku DNS molekulas tiek iegūtas divas pilnīgi identiskas meitas molekulas (sk. Cell, Mitosis).

Tāpat hemoglobīna gadījumā atklājās, ka tā bioloģiskā funkcija – spēja atgriezeniski piesaistīt skābekli plaušās un pēc tam nodot to audiem – ir cieši saistīta ar hemoglobīna trīsdimensiju struktūras īpatnībām un tās izmaiņām plaušās. tās fizioloģiskās lomas īstenošanas process. Saistoties un disociējot O 2, notiek telpiskas izmaiņas hemoglobīna molekulas konformācijā, izraisot izmaiņas tajā esošo dzelzs atomu afinitātē pret skābekli. Izmaiņas hemoglobīna molekulas izmērā, kas atgādina izmaiņas krūškurvja tilpumā elpošanas laikā, ļāva hemoglobīnu saukt par "molekulārām plaušām".

Viena no svarīgākajām dzīvo objektu iezīmēm ir to spēja smalki regulēt visas dzīvībai svarīgās aktivitātes izpausmes. M. lielākais ieguldījums. Zinātniskie atklājumi jāuzskata par jauna, iepriekš nezināma regulējuma mehānisma atklāšanu, ko dēvē par allosterisko efektu. Tas slēpjas zemas molekulmasas vielu - tā saukto - spējā. ligandi - modificē makromolekulu specifiskās bioloģiskās funkcijas, primāri katalītiski iedarbojošo proteīnu - enzīmus, hemoglobīnu, receptorproteīnus, kas iesaistīti bioloģisko membrānu konstrukcijā (skat. Bioloģiskās membrānas), sinaptiskajā transmisijā (skat. Sinapses) u.c.

Trīs biotiskās plūsmas. M. ideju gaismā. dzīvības parādību kopumu var uzskatīt par trīs plūsmu kombinācijas rezultātu: matērijas plūsma, kas savu izpausmi rod vielmaiņas parādībās, t.i., asimilācijā un disimilācijā; enerģijas plūsma, kas ir visu dzīvības izpausmju dzinējspēks; un informācijas plūsma, kas caurstrāvo ne tikai visu katra organisma attīstības un pastāvēšanas procesu daudzveidību, bet arī nepārtrauktu secīgu paaudžu virkni. Tieši informācijas plūsmas ideja, kas dzīvās pasaules doktrīnā ieviesta, attīstot biomateriālus, atstāj tajā savu specifisku, unikālu nospiedumu.

Molekulārās bioloģijas svarīgākie sasniegumi. M. ietekmes ātrums, apjoms un dziļums. progresu savvaļas dabas izpētes pamatproblēmu izpratnē pamatoti salīdzina, piemēram, ar ietekmi kvantu teorija atomu fizikas attīstībai. Divi savstarpēji saistīti apstākļi noteica šo revolucionāro ietekmi. No vienas puses, izšķiroša loma bija iespējai izpētīt svarīgākās dzīvībai svarīgās aktivitātes izpausmes visvienkāršākajos apstākļos, tuvojoties ķīmisko un fizikālo eksperimentu veidam. Savukārt šī apstākļa rezultātā bioloģisko problēmu izstrādē strauji iesaistījās ievērojams skaits eksakto zinātņu pārstāvju - fiziķu, ķīmiķu, kristalogrāfu un pēc tam matemātiķu. Šie apstākļi kopumā noteica M. b. neparasti straujo attīstības tempu, panākumu skaitu un nozīmi, kas sasniegti tikai divās desmitgadēs. Šeit ir tālu no pilnīgs šo sasniegumu saraksts: DNS, visu veidu RNS un ribosomu bioloģiskās funkcijas struktūras un mehānisma atklāšana (skatīt Ribosomas) , ģenētiskā koda atklāšana (skatīt ģenētisko kodu) ; reversās transkripcijas atklāšana (skatīt transkripciju) , i., DNS sintēze uz RNS šablona; elpošanas pigmentu funkcionēšanas mehānismu izpēte; trīsdimensiju struktūras atklāšana un tās funkcionālā loma enzīmu darbībā (sk. Enzīmi) , matricas sintēzes princips un proteīnu biosintēzes mehānismi; vīrusu struktūras (sk. Vīrusi) un to replikācijas mehānismu atklāšana, antivielu primārā un daļēji telpiskā struktūra; atsevišķu gēnu izolēšana , ķīmiskā un pēc tam bioloģiskā (enzīmu) gēnu sintēze, tostarp cilvēka, ārpus šūnas (in vitro); gēnu pārnešana no viena organisma uz otru, tostarp cilvēka šūnās; strauji progresējoša arvien lielāka atsevišķu olbaltumvielu, galvenokārt enzīmu, kā arī nukleīnskābju ķīmiskās struktūras atšifrēšana; dažu arvien sarežģītākas sarežģītības bioloģisko objektu "pašsavienošanās" parādību noteikšana, sākot no nukleīnskābju molekulām un pārejot uz daudzkomponentu enzīmiem, vīrusiem, ribosomām utt.; alosterisko un citu bioloģisko funkciju un procesu regulēšanas pamatprincipu noskaidrošana.

Redukcionisms un integrācija. M. b. ir šī virziena pēdējais posms dzīvo objektu izpētē, kas tiek apzīmēts kā "redukcionisms", t.i., vēlme reducēt sarežģītas dzīvības funkcijas līdz parādībām, kas notiek molekulārā līmenī un tāpēc ir pieejamas pētīšanai ar fizikas un ķīmijas metodēm. . Sasniegts M. b. panākumi liecina par šīs pieejas efektivitāti. Vienlaikus jāņem vērā, ka dabīgos apstākļos šūnā, audos, orgānā un visā organismā ir darīšana ar arvien sarežģītākām sistēmām. Šādas sistēmas veidojas no zemāka līmeņa komponentiem, regulāri integrējoties veselumos, iegūstot strukturālu un funkcionālu organizāciju un iegūstot jaunas īpašības. Tāpēc, tā kā ir detalizētas zināšanas par modeļiem, kas pieejami atklāšanai molekulārajā un blakus esošajā līmenī, pirms M. b. uzdevums izprast integrācijas mehānismus kā līniju tālākai attīstībai dzīvības parādību izpētē. Šeit sākumpunkts ir starpmolekulāro mijiedarbības spēku izpēte - ūdeņraža saites, van der Vāls, elektrostatiskie spēki utt. Pēc to kombinācijas un telpiskā izvietojuma tie veido to, ko var apzīmēt kā "integrējošu informāciju". Tā jāuzskata par vienu no galvenajām daļām jau pieminētajā informācijas plūsmā. M. rajonā. Integrācijas piemēri var būt sarežģītu veidojumu pašsavienošanās parādības no to sastāvdaļu maisījuma. Tas ietver, piemēram, daudzkomponentu proteīnu veidošanos no to apakšvienībām, vīrusu veidošanos no to sastāvdaļām - olbaltumvielām un nukleīnskābēm, ribosomu sākotnējās struktūras atjaunošanu pēc proteīnu un nukleīna komponentu atdalīšanas utt. Šo parādību izpēte ir tieši saistīta ar zināšanām par galvenajām biopolimēru molekulu "atpazīšanas" parādībām. Lieta ir noskaidrot, kādas aminoskābju kombinācijas - proteīnu vai nukleotīdu molekulās - nukleīnskābēs mijiedarbojas viena ar otru atsevišķu molekulu saistīšanās procesos, veidojot stingri specifiska, iepriekš noteikta sastāva un struktūras kompleksus. Tie ietver sarežģītu proteīnu veidošanās procesus no to apakšvienībām; tālāk, selektīva mijiedarbība starp nukleīnskābes molekulām, piemēram, transportu un matricu (šajā gadījumā ģenētiskā koda izpaušana ir būtiski paplašinājusi mūsu informāciju); visbeidzot, tā ir daudzu veidu struktūru (piemēram, ribosomu, vīrusu, hromosomu) veidošanās, kurās piedalās gan olbaltumvielas, gan nukleīnskābes. Atbilstošo likumu izpaušana, šīs mijiedarbības pamatā esošās “valodas” zināšanas ir viena no svarīgākajām matemātiskās valodniecības jomām, kas vēl tikai gaida attīstību. Šī joma tiek uzskatīta par visu biosfēras pamatproblēmu daļu.

Molekulārās bioloģijas problēmas. Kopā ar norādītajiem svarīgiem uzdevumiem M. būtu. (zināšanas par "atpazīšanas", pašsavienošanās un integrācijas modeļiem) aktuāls tuvākās nākotnes zinātnisko meklējumu virziens ir tādu metožu izstrāde, kas ļauj atšifrēt struktūru un pēc tam trīsdimensiju, telpisku augstmolekulāro organizāciju. nukleīnskābes. Tagad tas ir sasniegts attiecībā uz DNS trīsdimensiju struktūras (dubultās spirāles) vispārējo plānu, bet bez precīzām zināšanām par tās primāro struktūru. Straujais progress analītisko metožu attīstībā ļauj droši cerēt uz šo mērķu sasniegšanu nākamajos gados. Šeit, protams, galvenais ieguldījums nāk no radniecīgo zinātņu, galvenokārt fizikas un ķīmijas, pārstāvjiem. Visi būtiskas metodes, kuru izmantošana nodrošināja M. b. rašanos un panākumus, ierosināja un izstrādāja fiziķi (ultracentrifugēšana, rentgenstaru difrakcijas analīze, elektronu mikroskopija, kodolmagnētiskā rezonanse utt.). Gandrīz visas jaunās fizikālās eksperimentālās pieejas (piemēram, datoru, sinhrotronu vai bremsstrahlung, radiācijas, lāzertehnoloģiju un citu izmantošana) paver jaunas iespējas padziļinātai meteoroloģiskās analīzes problēmu izpētei. Starp svarīgākajiem praktiskā rakstura uzdevumiem, uz kuriem atbildi sagaida no M., pirmkārt, ir ļaundabīgo audzēju augšanas molekulārā pamata problēma, pēc tam - veidi, kā novērst un, iespējams, pārvarēt iedzimtas slimības - "molekulārās slimības (Skatīt Molekulārās slimības). Liela nozīme būs bioloģiskās katalīzes molekulārā pamata, ti, fermentu darbības, noskaidrošanai. Starp svarīgākajiem mūsdienu virzieniem M. b. jāiekļauj vēlme atšifrēt hormonu molekulāros darbības mehānismus (sk. Hormoni) , toksiskas un ārstnieciskas vielas, kā arī noskaidrot tādu šūnu struktūru kā bioloģiskās membrānas, kas iesaistītas vielu iekļūšanas un transportēšanas procesu regulēšanā, molekulārās uzbūves un funkcionēšanas detaļas. Attālāki mērķi M. b. - zināšanas par nervu procesu būtību, atmiņas mehānismiem (sk. Atmiņa) uc Viena no svarīgākajām topošajām sadaļām M. b. - ts. gēnu inženierija, kuras mērķis ir mērķtiecīgi darbināt dzīvo organismu ģenētisko aparātu (Genomu), sākot ar mikrobiem un zemākiem (vienšūnu) un beidzot ar cilvēkiem (pēdējā gadījumā galvenokārt ar mērķi radikāli ārstēt iedzimtas slimības (sk. Iedzimtas slimības) un ģenētisko defektu korekcija). Plašākas iejaukšanās cilvēka ģenētiskajā bāzē var tikt apspriestas tikai vairāk vai mazāk tālā nākotnē, jo šajā gadījumā rodas nopietni šķēršļi, gan tehniski, gan fundamentāli. Kas attiecas uz mikrobiem, augiem, un tas ir iespējams, un lapa - x. Dzīvniekiem šādas izredzes ir ļoti iepriecinošas (piemēram, iegūt tādu kultivēto augu šķirnes, kurām ir aparāts slāpekļa piesaistīšanai no gaisa un kuriem nav nepieciešams mēslojums). To pamatā ir jau sasniegtie panākumi: gēnu izolēšana un sintēze, gēnu pārnešana no viena organisma uz otru, masu šūnu kultūru izmantošana kā ekonomiski vai medicīniski nozīmīgu vielu ražotāji.

Molekulārās bioloģijas pētījumu organizēšana. Ātra attīstība M. b. noveda pie liela skaita specializētu pētniecības centru rašanās. To skaits strauji pieaug. Lielākie: Lielbritānijā - Molekulārās bioloģijas laboratorija Kembridžā, Karaliskais institūts Londonā; Francijā - molekulārās bioloģijas institūti Parīzē, Marseļā, Strasbūrā, Pastēra institūts; ASV - departamenti M. b. universitātēs un institūtos Bostonā (Hārvardas universitāte, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts), Sanfrancisko (Berklijā), Losandželosā (Kalifornijas Tehnoloģiju institūts), Ņujorkā (Rokfellera universitāte), veselības institūtos Betesdā u.c.; Vācijā - Maksa Planka institūti, universitātes Getingenā un Minhenē; Zviedrijā Karolinskas institūts Stokholmā; VDR - Centrālais molekulārās bioloģijas institūts Berlīnē, institūti Jēnā un Hallē; Ungārijā - Bioloģijas centrs Segedā. PSRS pirmais specializētais institūts M. būtu. tika izveidots Maskavā 1957. gadā PSRS Zinātņu akadēmijas sistēmā (sk. ); pēc tam tika izveidots: PSRS Zinātņu akadēmijas Bioorganiskās ķīmijas institūts Maskavā, Proteīna institūts Puščino, Bioloģiskā nodaļa Atomenerģijas institūtā (Maskava) un M. b. Zinātņu akadēmijas Sibīrijas filiāles institūtos Novosibirskā, Maskavas Valsts universitātes Bioorganiskās ķīmijas starpresoru laboratorijā, Ukrainas PSR Zinātņu akadēmijas Molekulārās bioloģijas un ģenētikas sektorā (vēlāk institūtā) Kijevā; nozīmīgs darbs pie M. b. tiek veikta Makromolekulāro savienojumu institūtā Ļeņingradā, vairākās PSRS Zinātņu akadēmijas nodaļās un laboratorijās un citās nodaļās.

Līdzās atsevišķiem pētniecības centriem radās arī plašāka mēroga organizācijas. Rietumeiropā radās Eiropas M. organizācija. (EMBO), kurā piedalās vairāk nekā 10 valstis. PSRS 1966. gadā Molekulārās bioloģijas institūtā tika izveidota M. B. Zinātniskā padome, kas ir koordinējošais un organizējošais centrs šajā zināšanu jomā. Viņš publicēja plašu monogrāfiju sēriju par M. b. svarīgākajām sadaļām, regulāri tiek organizētas “ziemas skolas” par M. b., notiek konferences un simpoziji par M. b. aktuālajām problēmām. Nākotnē zinātniskie ieteikumi par M. būtu. tika izveidotas PSRS Medicīnas zinātņu akadēmijā un daudzās republikas Zinātņu akadēmijās. Žurnāls Molecular Biology tiek izdots kopš 1966. gada (6 numuri gadā).

Uz diezgan īsu laiku PSRS ir pieaudzis ievērojams pētnieku pulks M. jomā; tie ir vecākās paaudzes zinātnieki, kas daļēji nomainījuši savas intereses no citām jomām; lielākoties tie ir daudzi jauni pētnieki. No vadošo zinātnieku vidus, kuri aktīvi piedalījās M. b. veidošanā un attīstībā. PSRS var nosaukt tādus kā A. A. Bajevs, A. N. Belozerskis, A. E. Braunšteins, Ju. A. Ovčiņņikovs, A. S. Spirins, M. M. Šemjakins, V. A. Engelgardts. M. jaunie sasniegumi. un molekulāro ģenētiku veicinās PSKP CK un PSRS Ministru padomes rezolūcija (1974. gada maijs) "Par pasākumiem molekulārās bioloģijas un molekulārās ģenētikas attīstības paātrināšanai un to sasniegumu izmantošanai nacionālajā. ekonomika."

Lit.: Vāgners R., Mičels G., Ģenētika un vielmaiņa, trans. no angļu val., M., 1958; Szent-Gyorgy un A., Bioenerģētika, tulk. no angļu val., M., 1960; Anfinsens K., Evolūcijas molekulārais pamats, trans. no angļu val., M., 1962; Stenlijs V., Valenss E., Vīrusi un dzīves daba, trans. no angļu val., M., 1963; Molekulārā ģenētika, trans. ar. angļu valoda, 1. daļa, M., 1964; Volkenšteins M.V., Molekulas un dzīvība. Ievads molekulārajā biofizikā, M., 1965; Gaurowitz F., Ķīmija un proteīnu funkcijas, trans. no angļu val., M., 1965; Bresler S. E., Ievads molekulārajā bioloģijā, 3. izdevums, M. - L., 1973; Ingram V., Makromolekulu biosintēze, trans. no angļu val., M., 1966; Engelhards V. A., Molekulārā bioloģija, grāmatā: Bioloģijas attīstība PSRS, M., 1967; Ievads molekulārajā bioloģijā, trans. no angļu val., M., 1967; Watson, J., Molecular Biology of the Gene, trans. no angļu val., M., 1967; Finean J., Bioloģiskās ultrastruktūras, trans. no angļu val., M., 1970; Bendoll, J., Muskuļi, molekulas un kustība, tulk. no angļu val., M., 1970; Ichas M., Bioloģiskais kods, trans. no angļu val., M., 1971; Vīrusu molekulārā bioloģija, M., 1971; Olbaltumvielu biosintēzes molekulārās bāzes, M., 1971; Bernhard S., Enzīmu struktūra un funkcija, trans. no angļu val., M., 1971; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosome, 2. izdevums, M., 1971; Frenkel-Konrat H., Vīrusu ķīmija un bioloģija, trans. no angļu val., M., 1972; Smith C., Hanewalt F., Molecular Photobiology. Inaktivācijas un atkopšanas procesi, trans. no angļu val., M., 1972; Hariss G., Cilvēka bioķīmiskās ģenētikas pamati, trans. no angļu valodas, M., 1973.

V. A. Engelhards.

Lielā padomju enciklopēdija. - M.: Padomju enciklopēdija. 1969-1978 .

Bioķīmijas, biofizikas, ģenētikas, citoķīmijas, daudzu mikrobioloģijas un virusoloģijas nodaļu attīstība aptuveni XX gadsimta 40. gadu sākumā. cieši noveda pie dzīvības parādību izpētes molekulārā līmenī. Šo zinātņu panākumi vienlaikus un no dažādām pusēm lika saprast, ka tieši molekulārā līmenī funkcionē galvenās ķermeņa kontroles sistēmas un ka šo zinātņu tālākais progress būs atkarīgs no tā, vai tiks atklāts organismu ķermeņus veidojošo molekulu bioloģiskās funkcijas, līdzdalību sintēzē un sadalīšanā, savienojumu savstarpējās transformācijās un vairošanos šūnā, kā arī šajā gadījumā notiekošo enerģijas un informācijas apmaiņu. Tādējādi šo bioloģisko disciplīnu krustpunktā ar ķīmiju un fiziku radās pilnīgi jauna nozare - molekulārā bioloģija.

Atšķirībā no bioķīmijas, mūsdienu molekulārās bioloģijas uzmanība galvenokārt ir vērsta uz svarīgāko biopolimēru klašu - proteīnu un nukleīnskābju - struktūras un funkciju izpēti, no kurām pirmā nosaka pašu vielmaiņas reakciju iespējamību, bet otrā - biopolimēru klašu struktūras un funkciju izpēti. specifisku proteīnu biosintēze. Tāpēc ir skaidrs, ka nav iespējams skaidri nošķirt molekulāro bioloģiju un bioķīmiju, atbilstošās ģenētikas, mikrobioloģijas un virusoloģijas nozares.

Molekulārās bioloģijas rašanās bija cieši saistīta ar jaunu pētniecības metožu izstrādi, par kurām jau tika runāts attiecīgajās nodaļās. Līdzās elektronu mikroskopijas un citu mikroskopiskās tehnikas metožu attīstībai nozīmīga loma bija 50. gados izstrādātajām šūnu elementu frakcionēšanas metodēm. To pamatā bija uzlabotas diferenciālās centrifugēšanas metodes (A. Claude, 1954). Līdz tam laikam jau bija diezgan uzticamas metodes biopolimēru izolēšanai un frakcionēšanai. Tas jo īpaši ietver proteīnu frakcionēšanas metodi ar elektroforēzi, ko ierosināja A. Tiselius (1937; Nobela prēmija, 1948), nukleīnskābju izolēšanas un attīrīšanas metodes (E. Kay, A. Downs, M. Sevag, A. Mirsky un citi. ). Tajā pašā laikā daudzās pasaules laboratorijās tika izstrādātas dažādas hromatogrāfiskās analīzes metodes (A. Martin un R. Sing, 1941; Nobela prēmija, 1952), pēc tam ievērojami pilnveidotas.

Rentgenstaru difrakcijas analīzei bija nenovērtējams pakalpojums biopolimēru struktūras atšifrēšanā. Rentgenstaru difrakcijas analīzes pamatprincipus izstrādāja Londonas King's College Universitātē V. Braga vadībā pētnieku grupa, kurā ietilpa J. Bernāls, A. Londsdeils, V. Astberijs, Dž. Robertsons un citi.

Īpaši jāatzīmē profesora Moskovska pētījumi valsts universitāte A. R. Kizels par protoplazmas bioķīmiju (1925 - 1929), kam bija liela nozīme turpmākajā molekulārās bioloģijas veidošanā. Ķīzels deva triecienu stingri iesakņojušajam priekšstatam, ka jebkuras protoplazmas pamatā ir īpašs proteīna ķermenis - plāksnes, kas it kā nosaka visas tās svarīgākās strukturālās un funkcionālās īpašības. Viņš parādīja, ka plāksnes ir proteīns, kas atrodams tikai miksomicītos un pēc tam noteiktā attīstības stadijā, un ka protoplazmā nepastāv pastāvīga sastāvdaļa - viens skeleta proteīns. Tādējādi protoplazmas struktūras problēmas un olbaltumvielu funkcionālās lomas izpēte izvēlējās pareizo ceļu un ieguva iespējas tās attīstībai. Kisela pētījumi ir ieguvuši atzinību visā pasaulē, stimulējot šūnas sastāvdaļu ķīmijas izpēti.

Termins "molekulārā bioloģija", ko pirmo reizi lietoja angļu kristalogrāfs Līdsas universitātes profesors V. Astberijs, iespējams, parādījās 20. gadsimta 40. gadu sākumā (pirms 1945. gada). Olbaltumvielu un DNS fundamentālie rentgenstaru difrakcijas pētījumi, ko Astberijs veica 1930. gados, kalpoja par pamatu turpmākai veiksmīgai šo biopolimēru sekundārās struktūras atšifrēšanai. 1963. gadā Dž.Bernāls rakstīja: "Viņam pieminekli uzcels visa molekulārā bioloģija - zinātne, kuru viņš nosauca un patiešām dibināja" * , Literatūrā šis termins pirmo reizi parādījās, iespējams, 1946. gadā. V. Astberija rakstā "Organisko un fibrilāro savienojumu rentgenstaru difrakcijas analīzes progress", kas publicēts angļu žurnālā "Nature" ** . Savā Hārvija lekcijā Astberijs (1950) atzīmēja: "Esmu gandarīts, ka termins molekulārā bioloģija tagad ir diezgan plaši izmantots, lai gan maz ticams, ka es biju pirmais, kas to ierosinājis. Man tas patika, un es jau sen esmu mēģinājis to izplatīt. ”***. Jau 1950. gadā Astberijs bija skaidrs, ka molekulārā bioloģija galvenokārt nodarbojas ar makromolekulu uzbūvi un konformāciju, kuru izpētei ir izšķiroša nozīme dzīvo organismu funkcionēšanas izpratnē.

* (biogr. Atm. Biedri Roy. Soc, 1963, v. 9, 29.)

** (V. T. Astberijs. Organisko un šķiedru struktūru rentgena analīzes gaita.- Daba,. 1946, v. 157, 121.)

*** (V. T. Astberijs. Piedzīvojumi molekulārajā bioloģijā. Thomas Springfield, 1952, lpp. 3.)

Molekulārā bioloģija faktiski ir saskārusies ar tādiem pašiem uzdevumiem kā bioloģija kopumā - zināšanas par dzīves būtību un tās pamatparādībām, jo ​​īpaši, piemēram, iedzimtību un mainīgumu. Mūsdienu molekulārā bioloģija galvenokārt ir paredzēta, lai atšifrētu gēnu struktūru un funkcijas, organismu ģenētiskās informācijas realizācijas veidus un mehānismus dažādos ontoģenēzes posmos un dažādos tās lasīšanas posmos. Tas ir paredzēts, lai atklātu smalkos gēnu aktivitātes regulēšanas un šūnu diferenciācijas mehānismus, lai noskaidrotu mutaģenēzes būtību un evolūcijas procesa molekulāro pamatu.

Nukleīnskābju ģenētiskās lomas noteikšana

Molekulārās bioloģijas attīstībai augstākā vērtība bija šādi atklājumi. 1944. gadā amerikāņu pētnieki O. Eiverijs, K. Makleods (Nobela prēmija, 1923. gads) un M. Makartijs pierādīja, ka no pneimokokiem izolētām DNS molekulām piemīt transformējoša aktivitāte. Pēc šo DNS hidrolīzes ar dezoksiribonukleāzi to transformējošā aktivitāte pilnībā izzuda. Tādējādi pirmo reizi tika pārliecinoši pierādīts, ka ar ģenētiskām funkcijām šūnā ir piešķirta DNS, nevis olbaltumviela.

Taisnības labad jāatzīmē, ka baktēriju transformācijas fenomens tika atklāts daudz agrāk nekā Eiverija, Makleoda un Makartija atklāšana. 1928. gadā F. Grifits publicēja rakstu, kurā viņš ziņoja, ka pēc iekapsulēta virulentā celma nogalināto šūnu pievienošanas nevirulentiem (nekapsulētiem) pneimokokiem iegūtais šūnu maisījums kļūst nāvējošs pelēm. Turklāt dzīvās pneimokoku šūnas, kas izolētas no dzīvniekiem, kas inficēti ar šo maisījumu, jau bija virulentas, un tām bija polisaharīda kapsula. Tādējādi šajā eksperimentā tika parādīts, ka dažu nogalināto pneimokoku šūnu komponentu ietekmē baktēriju neiekapsulētā forma pārvēršas kapsulu veidojošā virulentā formā. Sešpadsmit gadus vēlāk Eiverija, Makleods un Makartijs šajā eksperimentā aizstāja veselas nogalinātās pneimokoku šūnas ar to dezoksiribonukleīnskābi un parādīja, ka tieši DNS ir transformējošā aktivitāte (sk. arī 7. un 25. nodaļu). Šī atklājuma nozīmi ir grūti pārvērtēt. Tas stimulēja nukleīnskābju izpēti daudzās laboratorijās visā pasaulē un piespieda zinātniekus pievērsties DNS.

Līdz ar Eiverija, Makleoda un Makartija atklāšanu 50. gadu sākumā diezgan daudz liels skaits tieši un netieši pierādījumi tam, ka nukleīnskābes spēlē izcilu lomu dzīvē un veic ģenētisku funkciju. To īpaši liecināja DNS lokalizācijas būtība šūnā un R. Vendrelli (1948) dati, ka DNS saturs vienā šūnā ir stingri nemainīgs un korelē ar ploiditātes pakāpi: haploīdās dzimumšūnās DNS ir uz pusi mazāk nekā diploīdajās somatiskajās šūnās. Izteiktā DNS vielmaiņas stabilitāte arī liecināja par labu DNS ģenētiskajai lomai. Līdz 50. gadu sākumam bija sakrājies daudz dažādu faktu, kas liecināja, ka lielākā daļa zināmo mutagēno faktoru galvenokārt iedarbojas uz nukleīnskābēm un jo īpaši uz DNS (R. Hotchkiss, 1949; G. Ephrussi-Taylor, 1951; E. Freese, 1957 un citi).

Īpaša nozīme nukleīnskābju ģenētiskās lomas noteikšanā bija dažādu fāgu un vīrusu izpētei. 1933. gadā D. Šlesingers Escherichia coli bakteriofāgā atrada DNS. Kopš V. Stenlija (1935, Nobela prēmija, 1946) izdalīja tabakas mozaīkas vīrusu (TMV) kristāliskā stāvoklī, ir sācies jauns posms augu vīrusu izpētē. 1937. - 1938. gadā. Rothamsted lauksaimniecības stacijas (Anglija) darbinieki F. Bowden un N. Pirie parādīja, ka daudzi viņu izolētie augu vīrusi nav globulīni, bet ir ribonukleoproteīni un satur nukleīnskābi kā obligātu sastāvdaļu. 40. gadu pašā sākumā tika publicēti G. Šrama (1940), P. A. Agatova (1941), G. Millera un V. Stenlija (1941) darbi, kas liecina, ka manāma proteīna komponenta ķīmiskā modifikācija neizraisa. līdz TMV infekciozitātes zudumam. Tas norādīja, ka proteīna komponents nevar būt vīrusa iedzimto īpašību nesējs, kā turpināja uzskatīt daudzi mikrobiologi. Pārliecinošus pierādījumus par labu nukleīnskābes (RNS) ģenētiskajai lomai augu vīrusos 1956. gadā ieguva G. Šramms Tībingenā (FRG) un H. Frenkels-Konrats Kalifornijā (ASV). Šie pētnieki gandrīz vienlaikus un neatkarīgi viens no otra izolēja RNS no TMV un parādīja, ka tai, nevis olbaltumvielai, ir infekciozitāte: tabakas augu inficēšanās rezultātā ar šo RNS tajās izveidojās un savairojās normālas vīrusu daļiņas. Tas nozīmēja, ka RNS satur informāciju visu vīrusu komponentu, tostarp vīrusa proteīna, sintēzei un montāžai. 1968. gadā I. G. Atabekovs konstatēja, ka pašu augu inficēšanā liela nozīme ir olbaltumvielām - saimniekaugu spektru nosaka proteīna raksturs.

1957. gadā Frenkel-Konrat pirmo reizi veica TMV rekonstrukciju no tā sastāvdaļām - RNS un olbaltumvielām. Kopā ar normālām daļiņām viņš saņēma jauktus "hibrīdus", kuros RNS bija no viena celma, bet olbaltumvielas no cita. Šādu hibrīdu iedzimtību pilnībā noteica RNS, un vīrusu pēcnācēji piederēja tam celmam, kura RNS tika izmantota sākotnējo jaukto daļiņu iegūšanai. Vēlāk A. Gierer, G. Schuster un G. Schramm (1958) un G. Witman (1960 - 1966) eksperimenti parādīja, ka TMV nukleīna komponenta ķīmiskā modifikācija noved pie dažādu šī vīrusa mutantu parādīšanās.

1970. gadā D. Baltimora un G. Temins atklāja, ka ģenētiskās informācijas pārnešana var notikt ne tikai no DNS uz RNS, bet arī otrādi. Dažos onkogēnos RNS saturošos vīrusos (onkornavīrusos) viņi atrada īpašu enzīmu, tā saukto reverso transkriptāzi, kas spēj sintezēt komplementāru DNS uz RNS ķēdēm. Šis lielais atklājums ļāva izprast RNS saturošu vīrusu ģenētiskās informācijas ievietošanas mehānismu saimnieka genomā un no jauna aplūkot to onkogēnās darbības raksturu.

Nukleīnskābju atklāšana un to īpašību izpēte

Terminu nukleīnskābes ieviesa vācu bioķīmiķis R. Altmans 1889. gadā pēc tam, kad šos savienojumus 1869. gadā atklāja Šveices ārsts F. Mišers. Mišers vairākas nedēļas ekstrahēja strutas šūnas ar atšķaidītu sālsskābi un pārējā daļā ieguva gandrīz tīru kodolmateriālu. Šo materiālu viņš uzskatīja par raksturīgu "šūnu kodolu vielu un nosauca to par nukleīnu. Pēc īpašībām nukleīns krasi atšķīrās no olbaltumvielām: bija skābāks, nesaturēja sēru, bet saturēja daudz fosfora, tas bija viegli šķīst sārmos, bet nešķīst atšķaidītās skābēs.

Mišers nosūtīja savu novērojumu rezultātus par nukleīnu F. Gope-Seyler publicēšanai žurnālā. Viņa aprakstītā viela bija tik neparasta (tolaik no visiem bioloģiskajiem fosforu saturošajiem savienojumiem bija zināms tikai lecitīns), ka Gope-Seylers neticēja Mišera eksperimentiem, atdeva viņam manuskriptu un lika saviem darbiniekiem N. Plošam un N. Ļubavinam pārbaudiet viņa secinājumus par citiem materiāliem. Miesšera darbs "Par strutu šūnu ķīmisko sastāvu" tika publicēts divus gadus vēlāk (1871). Tajā pašā laikā tika publicēti Gopes-Seilera un viņa līdzstrādnieku darbi par strutas šūnu, putnu, čūsku un citu šūnu eritrocītu sastāvu. Nākamo trīs gadu laikā nukleīns tika izolēts no dzīvnieku šūnām un rauga.

Savā darbā Mišers atzīmēja, ka detalizēta dažādu nukleīnu izpēte var radīt atšķirības starp tiem, tādējādi paredzot ideju par nukleīnskābju specifiku. Pētot laša pienu, Mišers atklāja, ka tajos esošais nukleīns ir sāls veidā un ir saistīts ar galveno proteīnu, ko viņš nosauca par protamīnu.

1879. gadā A. Kosels Gopes-Seilera laboratorijā sāka pētīt nukleīnus. 1881. gadā viņš izdalīja hipoksantīnu no nukleīna, taču tolaik vēl šaubījās par šīs bāzes izcelsmi un uzskatīja, ka hipoksantīns varētu būt olbaltumvielu sadalīšanās produkts. 1891. gadā starp nukleīnu hidrolīzes produktiem Kosels atklāja adenīnu, guanīnu, fosforskābi un citu vielu ar cukura īpašībām. Par pētījumiem par nukleīnskābju ķīmiju Koselam 1910. gadā tika piešķirta Nobela prēmija.

Tālākais progress nukleīnskābju struktūras atšifrēšanā saistīts ar P. Levina un kolēģu (1911 - 1934) pētījumiem. 1911. gadā P. Levins un V. Džeikobs identificēja adenozīna un guanozīna ogļhidrātu sastāvdaļu; viņi atklāja, ka šie nukleozīdi satur D-ribozi. 1930. gadā Levins parādīja, ka dezoksiribonukleozīdu ogļhidrātu sastāvdaļa ir 2-deoksi-D-riboze. No viņa darba kļuva zināms, ka nukleīnskābes tiek veidotas no nukleotīdiem, t.i., fosforilētiem nukleozīdiem. Levins uzskatīja, ka galvenais saišu veids nukleīnskābēs (RNS) ir 2", 5" fosfodiestera saite. Šis priekšstats izrādījās nepareizs. Pateicoties angļu ķīmiķa A. Toda (Nobela prēmija, 1957) un viņa līdzstrādnieku, kā arī angļu bioķīmiķu R. Markhema un Dž. Smita darbam, 50. gadu sākumā kļuva zināms, ka galvenais saišu veids RNS. ir 3", 5" - fosfodiestera saite.

Levins parādīja, ka dažādas nukleīnskābes var atšķirties pēc ogļhidrātu komponenta rakstura: dažas no tām satur cukura dezoksiribozi, bet citas satur ribozi. Turklāt šie divi nukleīnskābju veidi atšķīrās pēc vienas bāzes rakstura: pentozes tipa nukleīnskābes saturēja uracilu, bet deoksipentozes tipa nukleīnskābes saturēja timīnu. Dezoksipentozes nukleīnskābe (mūsdienu terminoloģijā dezoksiribonukleīnskābe - DNS) parasti tika viegli izolēta lielos daudzumos no teļu aizkrūts dziedzera (saldā dziedzera). Tāpēc to sauca par timonukleīnskābi. Pentozes tipa nukleīnskābes (RNS) avots galvenokārt bija raugs un kviešu dīgļi. Šo veidu bieži sauca par rauga nukleīnskābi.

30. gadu sākumā diezgan stingri iesakņojās uzskats, ka augu šūnām raksturīga rauga tipa nukleīnskābe, bet timonukleīnskābe bija raksturīga tikai dzīvnieku šūnu kodoliem. Divu veidu nukleīnskābes, RNS un DNS, toreiz sauca attiecīgi par augu un dzīvnieku nukleīnskābēm. Tomēr, kā parādīja agrīnie A. N. Belozerska pētījumi, šāds nukleīnskābju sadalījums ir nepamatots. 1934. gadā Belozerskis pirmo reizi atklāja timonukleīnskābi augu šūnās: no zirņu stādiem viņš izolēja un identificēja DNS raksturīgo timīna-pirimidīna bāzi. Tad viņš atklāja timīnu citos augos (sojas sēklās, pupās). 1936. gadā A. N. Belozerskis un I. I. Dubrovskaja DNS preparatīvi izolēja no zirgkastaņu stādiem. Turklāt virkne pētījumu, ko 40. gados Anglijā veica D. Deividsons un viņa kolēģi, pārliecinoši parādīja, ka augu nukleīnskābi (RNS) satur daudzas dzīvnieku šūnas.

Plašā R. Felgena un G. Rozenbeka (1924) izstrādātās DNS citoķīmiskās reakcijas un J. Bračeta (1944) reakcijas uz RNS izmantošana ļāva ātri un nepārprotami atrisināt šo nukleīnu preferenciālās lokalizācijas jautājumu. skābes šūnā. Izrādījās, ka DNS ir koncentrēta kodolā, bet RNS pārsvarā ir koncentrēta citoplazmā. Vēlāk tika konstatēts, ka RNS atrodas gan citoplazmā, gan kodolā, turklāt tika identificēta citoplazmas DNS.

Kas attiecas uz jautājumu par nukleīnskābju primāro struktūru, tad līdz 40. gadu vidum zinātnē stingri nostiprinājās P. Levina ideja, saskaņā ar kuru visas nukleīnskābes ir veidotas pēc viena veida un sastāv no viena tā sauktā tetranukleotīda. bloki. Katrs no šiem blokiem, pēc Levina teiktā, satur četrus dažādus nukleotīdus. Tetranukleotīdu teorija par nukleīnskābju struktūru lielā mērā atņēma šiem biopolimēriem specifiskumu. Tāpēc nav pārsteidzoši, ka tolaik visa dzīvo būtņu specifika bija saistīta tikai ar olbaltumvielām, kuru monomēru daba ir daudz daudzveidīgāka (20 aminoskābes).

Pirmo robu nukleīnskābju tetranukleotīdu struktūras teorijā radīja angļu ķīmiķa J. Gouland (1945 - 1947) analītiskie dati. Nosakot nukleīnskābju sastāvu pēc bāzes slāpekļa, viņš neieguva bāzu ekvimolāro attiecību, kādai tai vajadzēja būt pēc Levina teorijas. Visbeidzot, E. Čargafa un viņa līdzstrādnieku (1949 - 1951) pētījumu rezultātā sabruka tetranukleotīdu teorija par nukleīnskābju uzbūvi. Chargaff izmantoja papīra hromatogrāfiju, lai atdalītu bāzes, kas izdalījās no DNS skābes hidrolīzes rezultātā. Katra no šīm bāzēm tika precīzi noteikta spektrofotometriski. Čārgafs pamanīja būtiskas novirzes no bāzu ekvimolārās attiecības dažādas izcelsmes DNS un pirmo reizi noteikti norādīja, ka DNS ir izteikta sugas specifika. Tas beidza proteīna specifiskuma koncepcijas hegemoniju dzīvā šūnā. Analizējot dažādas izcelsmes DNS, Šargafs atklāja un formulēja unikālus DNS sastāva modeļus, kas zinātnē ienāca ar nosaukumu Chargaff's rule. Saskaņā ar šiem noteikumiem visā DNS, neatkarīgi no izcelsmes, adenīna daudzums ir vienāds ar timīna daudzumu (A = T), guanīna daudzums ir vienāds ar citozīna daudzumu (G = C), purīni ir vienāds ar pirimidīnu daudzumu (G + A = C + T), bāzu daudzums ar 6-aminogrupām ir vienāds ar bāzu skaitu ar 6-keto grupām (A + C = G + T). Tajā pašā laikā, neskatoties uz tik stingrām kvantitatīvām atbilstībām, dažādu sugu DNS atšķiras A+T:G+C attiecības vērtībā. Dažās DNS guanīna un citozīna daudzums dominē pār adenīna un timīna daudzumu (Šargafs nosauca šīs DNS GC tipa DNS); citas DNS saturēja vairāk adenīna un timīna nekā guanīns un citozīns (šīs DNS sauca par AT tipa DNS). Chargaff iegūtajiem datiem par DNS sastāvu bija izcila loma molekulārajā bioloģijā. Tieši tie veidoja pamatu DNS struktūras atklāšanai, ko 1953. gadā veica J. Vatsons un F. Kriks.

Vēl 1938. gadā V. Astberijs un F. Bels, izmantojot rentgenstaru difrakcijas analīzi, parādīja, ka DNS pamatplaknēm jābūt perpendikulārām molekulas garajai asij un it kā jāatgādina plākšņu kaudze, kas atrodas uz augšu. viens no otra. Uzlabojot rentgenstaru difrakcijas analīzes tehniku, līdz 1952.-1953. uzkrātā informācija, kas ļāva spriest par atsevišķu saišu garumu un slīpuma leņķiem. Tas ļāva ar vislielāko varbūtību attēlot pentozes atlieku gredzenu orientācijas raksturu DNS molekulas cukura-fosfāta mugurkaulā. 1952. gadā S. Farbergs ierosināja divus spekulatīvus DNS modeļus, kas attēloja vienpavediena molekulu, kas salocīta vai savīti uz sevi. Ne mazāk spekulatīvu DNS struktūras modeli 1953. gadā ierosināja L. Polings (Nobela prēmijas laureāts, 1954) un R. Korijs. Šajā modelī trīs savīti DNS pavedieni veidoja garu spirāli, kuras kodolu attēloja fosfātu grupas, un bāzes atradās ārpus tās. Līdz 1953. gadam M. Vilkinss un R. Franklins ieguva skaidrākus DNS rentgenstaru difrakcijas modeļus. Viņu analīze parādīja Farberga, Polinga un Korija modeļu pilnīgu neveiksmi. Izmantojot Čārgafa datus, salīdzinot dažādas atsevišķu monomēru molekulāro modeļu kombinācijas un rentgenstaru difrakcijas datus, J. Vatsons un F. Kriks 1953. gadā nonāca pie secinājuma, ka DNS molekulai ir jābūt divpavedienu spirālei. Chargaff noteikumi nopietni ierobežoja iespējamo pasūtīto bāzu kombināciju skaitu ierosinātajā DNS modelī; viņi ieteica Vatsonam un Krikam, ka DNS molekulā ir jābūt noteiktam bāzes savienojumam - adenīnam ar timīnu un guanīnam ar citozīnu. Citiem vārdiem sakot, adenīns vienā DNS virknē vienmēr stingri atbilst timīnam otrā virknē, un guanīns vienā virknē noteikti atbilst citozīnam otrā. Tādējādi Vatsons un Kriks pirmo reizi formulēja ārkārtīgi svarīgas DNS komplementārās struktūras principu, saskaņā ar kuru viena DNS virkne papildina otru, t.i., vienas virknes bāzes secība unikāli nosaka bāzu secību otrā (komplementāra). ) dzīslu. Kļuva skaidrs, ka jau pašā DNS struktūrā slēpjas tās precīzas vairošanās potenciāls. Šis DNS struktūras modelis pašlaik ir vispārpieņemts. Krikam, Vatsonam un Vilkinsam 1962. gadā tika piešķirta Nobela prēmija par DNS struktūras atšifrēšanu.

Jāatzīmē, ka ideja par mehānismu precīzai makromolekulu reproducēšanai un iedzimtas informācijas pārraidei radās mūsu valstī. 1927. gadā N. K. Koļcovs ierosināja, ka šūnu reprodukcijas laikā molekulu reprodukcija notiek, precīzi autokatalītiski atražojot esošās mātes molekulas. Tiesa, toreiz Koļcovs šo īpašumu apveltīja nevis ar DNS molekulām, bet gan ar proteīna rakstura molekulām, kuru funkcionālā nozīme toreiz nebija zināma. Neskatoties uz to, pati ideja par makromolekulu autokatalītisko reprodukciju un iedzimto īpašību pārnešanas mehānismu izrādījās pravietiska: tā kļuva par mūsdienu molekulārās bioloģijas vadošo ideju.

A. N. Belozerska laboratorijā A. S. Spirins, G. N. Zaiceva, B. F. Vanjušins, S. O. Urisons, A. S. Antonovs un citi dažādi organismi pilnībā apstiprināja Šargafa atklātos modeļus un pilnīgu atbilstību Vatsona ierosinātajam DNS struktūras molekulārajam modelim. un Kriks. Šie pētījumi ir parādījuši, ka dažādu baktēriju, sēnīšu, aļģu, aktinomicītu, augstāko augu, bezmugurkaulnieku un mugurkaulnieku DNS ir īpašs sastāvs. Īpaši izteiktas sastāva (AT-bāzes pāru satura) atšķirības ir mikroorganismos, kas izrādās svarīga taksonomiskā pazīme. Augstākiem augiem un dzīvniekiem DNS sastāva sugu variācijas ir daudz mazāk izteiktas. Bet tas nenozīmē, ka viņu DNS ir mazāk specifiska. Papildus bāzu sastāvam specifiskumu lielā mērā nosaka to secība DNS ķēdēs.

Kopā ar parastajām bāzēm DNS un RNS tika atrastas papildu slāpekļa bāzes. Tādējādi G. Vaits (1950) atrada 5-metilcitozīnu augu un dzīvnieku DNS, un D. Danns un J. Smits (1958) atrada metilētu adenīnu dažās DNS. Ilgu laiku metilcitozīns tika uzskatīts par augstāko organismu ģenētiskā materiāla pazīmi. 1968. gadā A. N. Belozerskis, B. F. Vanjušins un N. A. Kokurina atklāja, ka to var atrast arī baktēriju DNS.

1964. gadā M. Gold un J. Hurwitz atklāja jaunu enzīmu klasi, kas veic DNS dabisko modifikāciju – tās metilēšanu. Pēc šī atklājuma kļuva skaidrs, ka nelielas (nelielos daudzumos) bāzes rodas jau gatavā DNS polinukleotīdu ķēdē specifiskas citozīna un adenīna atlieku metilēšanas rezultātā īpašās sekvencēs. Jo īpaši, saskaņā ar B. F. Vanyushin, Ya. I. Buryanov un A. N. Belozersky (1969), adenīna metilēšana E. coli DNS var notikt terminējošajos kodonos. Pēc A. N. Belozerska un kolēģu (1968 - 1970), kā arī M. Meselsona (ASV) un V. Ārbera (Šveice) (1965 - 1969) domām, metilēšana piešķir DNS molekulām unikālas individuālas iezīmes un kombinācijā ar specifiskas nukleāzes, ir daļa no sarežģīta mehānisma, kas kontrolē DNS sintēzi šūnā. Citiem vārdiem sakot, konkrētas DNS metilēšanas raksturs nosaka jautājumu par to, vai tā var vairoties noteiktā šūnā.

Gandrīz tajā pašā laikā sākās DNS metilāžu un restrikcijas endonukleāžu izolēšana un intensīva izpēte; 1969. - 1975. gadā ir noteiktas nukleotīdu sekvences, ko DNS atpazīst daži no šiem enzīmiem (X. Boyer, X. Smith, S. Lynn, K. Murray). Kad dažādas DNS tiek hidrolizētas ar restrikcijas enzīmu, tiek izdalīti diezgan lieli fragmenti ar identiskiem "lipīgajiem" galiem. Tas ļauj ne tikai analizēt gēnu struktūru, kā tas tiek darīts mazos vīrusos (D. Nathans, S. Adler, 1973-1975), bet arī konstruēt dažādus genomus. Līdz ar šo specifisko restrikcijas enzīmu atklāšanu gēnu inženierija ir kļuvusi par taustāmu realitāti. Mazās plazmīdās iestrādāti dažādas izcelsmes DNS gēni jau ir viegli ievadāmi dažādās šūnās. Tātad tika iegūtas jauna veida bioloģiski aktīvas plazmīdas, kas nodrošina rezistenci pret noteiktām antibiotikām (S. Cohen, 1973), Escherichia coli plazmīdās tika ievadīti vardes un Drosophila ribosomālie gēni (J. Morrow, 1974; X. Boyer, D Hogness, R. Deiviss, 1974-1975). Tādējādi ir atvērti reāli ceļi principiāli jaunu organismu iegūšanai, to genofondā ieviešot un integrējot dažādus gēnus. Šo atklājumu var novirzīt visas cilvēces labā.

1952. gadā G. Vaits un S. Koens atklāja, ka T-even fāgu DNS satur neparastu bāzi – 5-hidroksimetilcitozīnu. Vēlāk no E. Volkina un R. Sinsheimera (1954) un Koena (1956) darbiem kļuva zināms, ka hidroksimetilcitozīna atliekas var pilnībā vai daļēji glikozizēties, kā rezultātā fāga DNS molekula tiek pasargāta no hidrolītiskās iedarbības. no nukleāzēm.

50. gadu sākumā no D. Danna un Dž. Smita (Anglija), S. Zamenhofa (ASV) un A. Vakera (Vācija) darbiem kļuva zināms, ka DNS var iekļaut daudzus mākslīgo bāzes analogus, dažkārt tos aizstājot. līdz 50% timīna. Parasti šīs aizvietošanas izraisa kļūdas DNS replikācijā, transkripcijā un translācijā un mutantu parādīšanos. Tādējādi J. Marmurs (1962) atklāja, ka dažu fāgu DNS timīna vietā satur oksimetiluracilu. 1963. gadā I. Takahaši un Dž. Marmurs atklāja, ka viena fāga DNS timīna vietā satur uracilu. Tādējādi sabruka cits princips, saskaņā ar kuru nukleīnskābes iepriekš tika atdalītas. Kopš P. Levina darba laikiem pastāv uzskats, ka timīns ir DNS pazīme, bet uracils – RNS. Kļuva skaidrs, ka šī zīme ne vienmēr ir uzticama, un būtiskā atšķirība abu veidu nukleīnskābju ķīmiskajā dabā, kā šķiet šodien, ir tikai ogļhidrātu komponenta būtība.

Fāgu izpētē ir atklātas daudzas neparastas nukleīnskābju organizācijas iezīmes. Kopš 1953. gada tiek uzskatīts, ka visa DNS ir divpavedienu lineāras molekulas, savukārt RNS ir tikai vienpavedienu. Šī pozīcija tika ievērojami satricināta 1961. gadā, kad R. Sinsheimers atklāja, ka fāga φ X 174 DNS attēlo vienpavedienu apļveida molekula. Taču vēlāk izrādījās, ka šādā formā šī DNS eksistē tikai veģetatīvā fāga daļiņā, un arī šī fāga DNS replikatīvā forma ir divpavedienu. Turklāt diezgan negaidīti izrādījās, ka dažu vīrusu RNS var būt divpavedienu. Šo jauno RNS makromolekulārās organizācijas veidu 1962. gadā atklāja P. Gomatos, I. Tamm un citi dažu dzīvnieku vīrusu un augu brūču audzēja vīrusa pētnieki. Nesen V. I. Agols un A. A. Bogdanovs (1970) konstatēja, ka papildus lineārajām RNS molekulām pastāv arī slēgtas vai cikliskas molekulas. Viņi atklāja ciklisku divpavedienu RNS, jo īpaši encefalomielokardīta vīrusā. Pateicoties X. Deveaux, L. Tinoko, T. I. Tihonenko, E. I. Budovski un citu (1960 - 1974) darbiem, kļuva zināmas galvenās ģenētiskā materiāla organizēšanas (ieguldīšanas) iezīmes bakteriofāgos.

50. gadu beigās amerikāņu zinātnieks P. Dotijs atklāja, ka karsēšana izraisa DNS denaturāciju, ko pavada ūdeņraža saišu pārtraukšana starp bāzu pāriem un komplementāru ķēžu atdalīšanās. Šim procesam ir "spirālveida spoles" fāzes pārejas raksturs un tas atgādina kristālu kušanu. Tāpēc Dotijs sauca DNS DNS termiskās denaturācijas procesu par kušanu. Ar lēnu dzesēšanu notiek molekulu renaturācija, t.i., komplementāru pušu atkalapvienošanās.

Renaturācijas principu 1960. gadā izmantoja J. Marmur un K. Schildkraut, lai noteiktu dažādu mikroorganismu DNS "hibridizācijas" pakāpi. Pēc tam E. Boltons un B. Makartijs uzlaboja šo metodi, piedāvājot tā saukto DNS agara kolonnu metodi. Šī metode izrādījās neaizstājama dažādu DNS nukleotīdu secību homoloģijas pakāpes izpētē un dažādu organismu ģenētisko saistību noskaidrošanā. DNS denaturēšana, ko atklāj Doty, kombinācijā ar hromatogrāfiju uz metilēta albumīna, ko aprakstījuši J. Mandels un A. Hershey* (1960) un blīvuma gradienta centrifugēšana (metodi 1957. gadā izstrādāja M. Meselsons, F. Stāls un D. Winograd) plaši izmanto atsevišķu komplementāru DNS virkņu atdalīšanai, izolēšanai un analīzei Piemēram, V. Šibaļskis (ASV), izmantojot šīs metodes lambda fāga DNS atdalīšanai, 1967. - 1969. gadā parādīja, ka abas fāgu ķēdes ir ģenētiski aktīvas. , nevis vienu, kā tas tika uzskatīts (S. Spiegelman, 1961). Jāatzīmē, ka pirmo reizi ideju par abu lambda fāga DNS virkņu ģenētisko nozīmi PSRS izteica SE Bresler (1961).

* (Par darbu pie baktēriju un vīrusu ģenētikas A. Heršijs kopā ar M. Delbriku un S. Luriju 1969. gadā saņēma Nobela prēmiju.)

Lai izprastu genoma organizāciju un funkcionālo aktivitāti, DNS nukleotīdu secības noteikšana ir ārkārtīgi svarīga. Šādas noteikšanas metožu meklēšana tiek veikta daudzās laboratorijās visā pasaulē. Kopš 50. gadu beigām M. Bērs un viņa līdzstrādnieki ir mēģinājuši noteikt DNS secību, izmantojot elektronu mikroskopiju ASV, taču līdz šim bez panākumiem. 50. gadu sākumā no pirmajiem Sinsheimera, Šargafa un citu pētnieku darbiem par DNS fermentatīvo degradāciju kļuva zināms, ka dažādi nukleotīdi DNS molekulā ir sadalīti, lai gan ne nejauši, bet nevienmērīgi. Pēc angļu ķīmiķa C. Barton (1961) domām, pirimidīni (vairāk nekā 70%) koncentrējas galvenokārt atbilstošo bloku veidā. A. L. Mazins un B. F. Vanyušins (1968-1969) atklāja, ka dažādām DNS ir atšķirīga pirimidīna kohēzijas pakāpe un ka dzīvnieku organismu DNS tas ievērojami palielinās, virzoties no zemākas uz augstāku. Tādējādi organismu evolūcija atspoguļojas arī to genomu struktūrā. Tāpēc, lai izprastu evolūcijas procesu kopumā, īpaši svarīga ir nukleīnskābju struktūras salīdzinošā izpēte. Bioloģiski svarīgu polimēru un, pirmkārt, DNS struktūras analīze ir ārkārtīgi svarīga daudzu īpašu filoģenētikas un taksonomijas problēmu risināšanai.

Interesanti, ka angļu fiziologs E. Lankesters, kurš pētīja gliemju hemoglobīnus, molekulārās bioloģijas idejas paredzēja tieši pirms 100 gadiem, rakstīja: “Tikpat svarīgas ir ķīmiskās atšķirības starp dažādām dzīvnieku un augu sugām un ģintīm. to rašanās vēsturi kā to formu. Ja mēs spētu skaidri konstatēt atšķirības organismu molekulārajā organizācijā un funkcionēšanā, mēs varētu daudz labāk izprast dažādu organismu izcelsmi un evolūciju, nekā pamatojoties uz morfoloģiskiem novērojumiem" * . Bioķīmisko pētījumu nozīmi taksonomijā uzsvēra arī V. L. Komarovs, kurš rakstīja, ka “visu pat tīri morfoloģisko zīmju pamatā, uz kuru pamata mēs klasificējam un nosakām sugas, ir tieši bioķīmiskās atšķirības”**.

* (E. R. Lankesters. Uber das Vorcommen von Hemoglobin in den Muskeln der Mollusken und die Verbreitung desselben in den lebendigen Organismen.- "Pfluger" s Archiv fur die gesammte Physiol., 1871, Bd 4, 319.)

** (V. L. Komarovs. Darbu izlase, 1. sēj. M.-L., PSRS Zinātņu akadēmijas apgāds, 1945, 331. lpp.)

A. V. Blagoveščenskis un S. L. Ivanovs jau pagājušā gadsimta 20. gados mūsu valstī spēra pirmos soļus, lai noskaidrotu atsevišķus organismu evolūcijas un sistemātikas jautājumus, pamatojoties uz to bioķīmiskā sastāva salīdzinošo analīzi (sk. 2. nodaļu). Salīdzinošā analīze proteīnu un nukleīnskābju struktūra tagad kļūst par taksonomiem arvien taustāmāku instrumentu (sk. 21. nodaļu). Šī molekulārās bioloģijas metode ļauj ne tikai noskaidrot atsevišķu sugu stāvokli sistēmā, bet arī liek no jauna apskatīt pašus organismu klasifikācijas principus un dažreiz pārskatīt visu sistēmu kopumā. , kā tas notika, piemēram, ar mikroorganismu sistemātiku. Neapšaubāmi, nākotnē būs nepieciešama genoma struktūras analīze centrālā atrašanās vieta organismu ķīmijsistemātikā.

Liela nozīme molekulārās bioloģijas attīstībā bija DNS replikācijas un transkripcijas mehānismu atšifrēšanai (sk. 24. nodaļu).

Olbaltumvielu biosintēze

Svarīga maiņa olbaltumvielu biosintēzes problēmas risināšanā ir saistīta ar progresu nukleīnskābju izpētē. 1941. gadā T. Kaspersona (Zviedrija) un 1942. gadā J. Brachet (Beļģija) vērsa uzmanību uz to, ka audos ar aktīvu olbaltumvielu sintēzi ir palielināts RNS daudzums. Viņi secināja, ka ribonukleīnskābēm ir izšķiroša loma olbaltumvielu sintēzē. Šķiet, ka 1953. gadā E. Geils un D. Fokss ir saņēmuši tiešus pierādījumus par RNS tiešu iesaistīšanos olbaltumvielu biosintēzē: saskaņā ar viņu datiem ribonukleāze ievērojami nomāca aminoskābju iekļaušanu baktēriju šūnu lizātos. Līdzīgus datus par aknu homogenātiem ieguva V. Olfri, M. Deli un A. Mirskis (1953). Vēlāk E. Geils noraidīja viņa pareizo ideju par RNS vadošo lomu proteīnu sintēzē, kļūdaini uzskatot, ka proteīnu sintēzes aktivizēšana bezšūnu sistēmā notikusi kādas citas nezināmas dabas vielas ietekmē. 1954. gadā P. Zamechnik, D. Littlefield, R. B. Khesin-Lurie un citi atklāja, ka visaktīvākā aminoskābju iekļaušana notiek ar RNS bagātajās subcelulāro daļiņu frakcijās - mikrosomās. P. Zamečniks un E. Kellers (1953 - 1954) atklāja, ka aminoskābju iekļaušana supernatanta klātbūtnē ATP reģenerācijas apstākļos ir ievērojami pastiprināta. P. Sikevics (1952) un M. Hoaglands (1956) no supernatanta izolēja proteīna frakciju (pH 5 frakcija), kas bija atbildīga par asu aminoskābju iekļaušanas mikrosomās stimulāciju. Kopā ar olbaltumvielām supernatantā tika atrasta īpaša zemas molekulmasas RNS klase, ko tagad sauc par pārneses RNS (tRNS). 1958. gadā Hoagland un Zamechnik, kā arī P. Berg, R. Sweet un F. Allen un daudzi citi pētnieki atklāja, ka katras aminoskābes aktivizēšanai ir nepieciešams savs īpašs enzīms ATP un specifiska tRNS. Kļuva skaidrs, ka tRNS pilda tikai adapteru funkcijas, t.i., ierīces, kas atrod vietu nukleīna matricā (mRNS) atbilstošajai aminoskābei topošajā proteīna molekulā. Šie pētījumi pilnībā apstiprināja F. Crick (1957) adaptera hipotēzi, kas paredzēja polinukleotīdu adapteru esamību šūnā, kas nepieciešami pareizai sintezētā proteīna aminoskābju atlikumu izkārtojumam uz nukleīna matricas. Daudz vēlāk franču zinātnieks F. Čapvils (1962) F. Lipmana laboratorijā (Nobela prēmija, 1953) ASV ļoti ģeniāli un nepārprotami parādīja, ka aminoskābes atrašanās vietu sintezētā proteīna molekulā pilnībā nosaka specifiska tRNS, kurai tā ir pievienota. Krika adaptera hipotēzi izstrādāja Hoagland un Zamechnik.

Līdz 1958. gadam kļuva zināmi šādi galvenie proteīnu sintēzes posmi: 1) aminoskābes aktivācija ar specifisku enzīmu no "pH 5 frakcijas" ATP klātbūtnē ar aminoaciladenilāta veidošanos; 2) aktivētas aminoskābes piesaiste specifiskai tRNS ar adenozīna monofosfāta (AMP) izdalīšanos; 3) aminoacil-tRNS (ar aminoskābi ielādēta tRNS) saistīšanās ar mikrosomām un aminoskābju iekļaušana proteīnā ar tRNS izdalīšanos. Hoagland (1958) atzīmēja, ka proteīnu sintēzes pēdējā posmā ir nepieciešams guanozīna trifosfāts (GTP).

RNS pārnese un gēnu sintēze

Pēc tRNS atklāšanas sākās aktīvi to frakcionēšanas un nukleotīdu secības noteikšanas meklējumi. Vislielākos panākumus guva amerikāņu bioķīmiķis R. Holijs. 1965. gadā viņš izveidoja alanīna tRNS struktūru no rauga. Izmantojot ribonukleāzes (guanilRNāzi un aizkuņģa dziedzera RNāzi), Holija sadalīja nukleīnskābes molekulu vairākos fragmentos, katrā no tiem atsevišķi noteica nukleotīdu secību un pēc tam rekonstruēja visas alanīna tRNS molekulas secību. Šo nukleotīdu secības analīzes veidu sauc par bloka metodi. Hollija nopelns galvenokārt bija fakts, ka viņš iemācījās sadalīt RNS molekulu ne tikai mazos gabaliņos, kā daudzi to darīja pirms viņa, bet arī lielos fragmentos (ceturtdaļās un uz pusēm). Tas viņam deva iespēju pareizi salikt kopā atsevišķus mazus gabalus un tādējādi atjaunot visas tRNS molekulas pilnīgu nukleotīdu secību (Nobela prēmija, 1968).

Šo metodi nekavējoties pieņēma daudzas laboratorijas visā pasaulē. Nākamo divu gadu laikā PSRS un ārzemēs tika atšifrēta vairāku tRNS primārā struktūra. A. A. Baev (1967) un kolēģi pirmo reizi izveidoja nukleotīdu secību rauga valīna tRNS. Līdz šim ir pētīti vairāk nekā ducis dažādu individuālu tRNS. Savdabīgu rekordu nukleotīdu secības noteikšanā Kembridžā uzstādīja F. Sendžers un Dž. Braunlijs. Šie pētnieki izstrādāja pārsteidzoši elegantu metodi oligonukleotīdu atdalīšanai un tā sauktās 5S (ribosomu) RNS sekvencēšanai no E. coli šūnām (1968). Šī RNS sastāv no 120 nukleotīdu atlikumiem un, atšķirībā no tRNS, nesatur papildu nelielas bāzes, kas ievērojami atvieglo nukleotīdu secības analīzi, kalpojot par unikālu orientieri atsevišķiem molekulas fragmentiem. Šobrīd, pateicoties Sangera un Braunlija metodes izmantošanai, Dž.Ebela (Francija) un citu pētnieku laboratorijā veiksmīgi tiek virzīts darbs pie garo ribosomu RNS un dažu vīrusu RNS secību izpētes.

A. A. Baevs un kolēģi (1967) atklāja, ka uz pusēm pārgriezta valīna tRNS atjauno tā makromolekulāro struktūru šķīdumā un, neskatoties uz primārās struktūras defektu, tai piemīt sākotnējās (native) molekulas funkcionālā aktivitāte. Šī pieeja - pārgrieztas makromolekulas rekonstrukcija pēc atsevišķu fragmentu noņemšanas - izrādījās ļoti daudzsološa. Tagad to plaši izmanto, lai noskaidrotu noteiktu tRNS atsevišķu sadaļu funkcionālo lomu.

Pēdējos gados ir gūti lieli panākumi atsevišķu tRNS kristālisku preparātu iegūšanā. Daudzas tRNS jau ir kristalizētas vairākās laboratorijās ASV un Anglijā. Tas ļāva izpētīt tRNS struktūru, izmantojot rentgenstaru difrakcijas analīzi. 1970. gadā R. Boks prezentēja pirmos rentgena modeļus un vairāku tRNS trīsdimensiju modeļus, ko viņš bija izveidojis Viskonsinas Universitātē. Šie modeļi palīdz noteikt atsevišķu funkcionāli aktīvo vietu lokalizāciju tRNS un izprast šo molekulu darbības pamatprincipus.

Olbaltumvielu sintēzes mehānisma atklāšanā un problēmas risināšanā ārkārtīgi svarīga bija ģenētiskā koda būtības atšifrēšana (skat. 24. nodaļu), ko bez pārspīlējuma var uzskatīt par vadošo dabaszinātņu sasniegumu 20. gadsimtā. šī procesa specifiku.

R.Holija tRNS primārās struktūras atklājums deva impulsu G.Koranas* (ASV) darbam pie oligonukleotīdu sintēzes un virzīja tos uz specifiskas bioloģiskas struktūras – alanīna tRNS kodējošas DNS molekulas – sintēzi. Pirmie soļi īso oligonukleotīdu ķīmiskajā sintēzē, ko Korāns izveidoja gandrīz pirms 15 gadiem, kulminācija bija 1970. gadā ar pirmo gēnu sintēzi. Korāns un viņa līdzstrādnieki vispirms ķīmiski sintezēja īsus 8–12 nukleotīdu atlieku fragmentus no atsevišķiem nukleotīdiem. Šie fragmenti ar noteiktu nukleotīdu secību veidoja spontāni divpavedienu komplementārus gabalus ar 4–5 nukleotīdu pārklāšanos. Pēc tam šie gatavie gabali tika savienoti no gala līdz galam pareizajā secībā, izmantojot enzīmu DNS ligāzi. Tādējādi atšķirībā no DNS molekulu replikācijas, pēc A. Kornberga ** (skat. 24. nodaļu), Korānam izdevās no jauna izveidot dabisku divpavedienu DNS molekulu pēc iepriekš plānotas programmas saskaņā ar Hollija aprakstītā tRNS secība. Līdzīgi šobrīd notiek darbs pie citu gēnu sintēzes (M. N. Kolosovs, Z. A. Šabarova, D. G. Knorre, 1970 - 1975).

* (Par ģenētiskā koda izpēti G. Korānam un M. Nirenbergam 1968. gadā tika piešķirta Nobela prēmija.)

** (Par polimerāzes un DNS sintēzes atklāšanu A. Kornbergs un par RNS sintēzi S. Očoa 1959. gadā saņēma Nobela prēmiju.)

Mikrosomas, ribosomas, tulkojums

1950. gadu vidū tika uzskatīts, ka mikrosomas ir proteīnu sintēzes centrs šūnā. Terminu mikrosomas pirmo reizi 1949. gadā ieviesa A. Klods, lai apzīmētu mazu granulu frakciju. Vēlāk izrādījās, ka par proteīnu sintēzi ir atbildīga nevis visa mikrosomu frakcija, kas sastāv no membrānām un granulām, bet tikai nelielas ribonukleoproteīna daļiņas. Šīs daļiņas 1958. gadā R. Roberts nosauca par ribosomām.

Klasiskos baktēriju ribosomu pētījumus veica A. Tisier un J. Watson 1958.-1959.gadā. Baktēriju ribosomas izrādījās nedaudz mazākas nekā augu un dzīvnieku ribosomas. J. Littleton (1960), M. Clark (1964) un E. N. Svetailo (1966) parādīja, ka augstāko augu un mitohondriju hloroplastu ribosomas pieder pie baktēriju tipa. A. Tisier un citi (1958) atklāja, ka ribosomas sadalās divās nevienlīdzīgās apakšvienībās, kurās katrā ir viena RNS molekula. 50. gadu beigās tika uzskatīts, ka katra ribosomu RNS molekula sastāv no vairākiem īsiem fragmentiem. Tomēr AS Spirin 1960. gadā bija pirmais, kas parādīja, ka RNS apakšdaļiņās attēlo nepārtraukta molekula. D. Waller (1960), atdalot ribosomu proteīnus, izmantojot cietes gēla elektroforēzi, atklāja, ka tie ir ļoti neviendabīgi. Sākumā daudzi šaubījās par Vallera datiem, jo ​​šķita, ka ribosomu proteīnam jābūt stingri viendabīgam, piemēram, TMV proteīnam. Šobrīd D. Vallera, R. Foreles, P. Trauba un citu bioķīmiķu pētījumu rezultātā kļuvis zināms, ka faktisko ribosomu daļiņu sastāvā ir vairāk nekā 50 pēc uzbūves pilnīgi atšķirīgas olbaltumvielas. AS Spirin 1963. gadā bija pirmais, kas atklāja ribosomu apakšdaļiņas un parādīja, ka ribosomas ir kompakti savīta ribonukleoproteīna virkne, kas noteiktos apstākļos var izvērsties. 1967. - 1968. gadā M. Nomura pilnībā rekonstruēja bioloģiski aktīvu apakšvienību no ribosomu RNS un proteīna un pat ieguva ribosomas, kurās proteīns un RNS piederēja dažādiem mikroorganismiem.

Ribosomu RNS loma joprojām nav skaidra. Tiek pieņemts, ka tā ir tā unikālā specifiskā matrica, uz kuras ribosomu daļiņas veidošanās laikā katrs no daudzajiem ribosomu proteīniem atrod stingri noteiktu vietu (AS Spirin, 1968).

A. Ričs (A. Rich, 1962) atklāja vairāku ribosomu agregātus, kas savstarpēji savienoti ar mRNS virkni. Šos kompleksus sauca par polisomām. Polisomu atklāšana ļāva Ričam un Vatsonam (1963) ierosināt, ka polipeptīdu ķēdes sintēze notiek ribosomā, kas it kā pārvietojas pa mRNS ķēdi. Ribosomai pārvietojoties pa mRNS ķēdi, daļiņā tiek nolasīta informācija un veidojas proteīna polipeptīda ķēde, un jaunas ribosomas pārmaiņus pievienojas atbrīvotajam mRNS nolasīšanas galam. No Riča un Vatsona datiem izriet, ka polisomu nozīme šūnā ir proteīna masveida ražošanā, secīgi nolasot matricu ar vairākām ribosomām vienlaikus.

M. Nirenberga, S. Očoa, F. Lipmana, G. Korānas un citu pētījumu rezultātā 1963. - 1970. g. kļuva zināms, ka līdzās mRNS, ribosomām, ATP un aminoacil-tRNS, translācijas procesā piedalās liels skaits dažādu faktoru, un pašu translācijas procesu var nosacīti iedalīt trīs posmos - iniciācija, pati translācija un beigu.

Tulkošanas ierosināšana nozīmē pirmās peptīdu saites sintēzi kompleksajā ribosomā – polinukleotīda šablonā – aminoacil-tRNS. Šāda iniciatora aktivitāte piemīt nevis jebkurai aminoacil-tRNS, bet gan formilmetionil-tRNS. Pirmo reizi šo vielu 1964. gadā izolēja F. Sendžers un K. Markers. S. Bretcher un K. Marker (1966) parādīja, ka formilmetionil-tRNS iniciatora funkcija ir saistīta ar tās palielināto afinitāti pret ribosomas peptidilcentru. Tulkošanas uzsākšanai ārkārtīgi svarīgi ir arī daži proteīnu iniciācijas faktori, kas tika izolēti S. Ochoa, F. Gro un citu pētniecības centru laboratorijās. Pēc pirmās peptīdu saites izveidošanās ribosomā sākas pati translācija, t.i., secīga aminoacilatlikuma pievienošana polipeptīda C-galam. Daudzas tulkošanas procesa detaļas pētīja K. Monro un J. Bišops (Anglija), I. Rikliks un F. Šorms (Čehoslovākija), F. Lipmans, M. Brečers, V. Gilberts (ASV) un citi pētnieki. 1968. gadā A. S. Spirins izvirzīja oriģinālu hipotēzi, lai izskaidrotu ribosomas mehānismu. Vadošais mehānisms, kas nodrošina visas tRNS un mRNS telpiskās kustības translācijas laikā, ir periodiska ribosomu apakšdaļiņu atvēršana un aizvēršana. Tulkošanas beigas ir iekodētas pašā lasāmajā matricā, kas satur beigu kodonus. Kā rāda S. Brenners (1965 - 1967), tripleti UAA, UAG un UGA ir šādi kodoni. M. Capecci (1967) arī identificēja īpašus proteīna terminācijas faktorus. AS Spirin un LP Gavrilova aprakstīja tā saukto "neenzimātisko" proteīnu sintēzi ribosomās (1972 - 1975) bez proteīna faktoru līdzdalības. Šis atklājums ir svarīgs, lai izprastu olbaltumvielu biosintēzes izcelsmi un attīstību.

Gēnu un olbaltumvielu aktivitātes regulēšana

Pēc proteīnu sintēzes specifikas problēmas molekulārajā bioloģijā pirmajā vietā izrādījās proteīnu sintēzes regulēšanas problēma jeb, kas ir tas pats, gēnu aktivitātes regulēšanas problēma.

Šūnu funkcionālā neekvivalence un ar to saistītā gēnu apspiešana un aktivizēšana jau sen ir piesaistījusi ģenētiķu uzmanību, taču līdz nesenam laikam patiesais gēnu aktivitātes kontroles mehānisms palika nezināms.

Pirmie mēģinājumi izskaidrot gēnu regulējošo aktivitāti bija saistīti ar histona proteīnu izpēti. Pat Stīdmena laulātie * XX gadsimta 40. gadu sākumā. ierosināja, ka tieši histoniem var būt galvenā loma šajā parādībā. Pēc tam viņi ieguva pirmos skaidrus datus par atšķirībām histona proteīnu ķīmiskajā dabā. Šobrīd ar katru gadu pieaug faktu skaits, kas liecina par labu šai hipotēzei.

* (E. Stedman, E. Stedman. Šūnu kodolu pamatolbaltumvielas.- Filozofs. Trans. Rojs. soc. Londona, 1951, v. 235, 565–595.)

Tajā pašā laikā uzkrājas arvien lielāks datu apjoms, kas liecina, ka gēnu aktivitātes regulēšana ir daudz sarežģītāks process nekā vienkārša gēnu sekciju mijiedarbība ar histona proteīna molekulām. 1960. - 1962. gadā R. B. Khesin-Lurie laboratorijā tika konstatēts, ka fāgu gēnus sāk nolasīt nevienlaicīgi: T2 fāga gēnus var iedalīt agrīnajos, kuru darbība notika pirmajās baktērijas inficēšanās minūtēs. šūna, un vēlīnās, kuras sāka sintezēt mRNS pēc agrīno gēnu darba pabeigšanas.

1961. gadā franču bioķīmiķi F. Džeikobs un J. Monods ierosināja shēmu gēnu aktivitātes regulēšanai, kurai bija izņēmuma loma šūnas regulēšanas mehānismu izpratnē kopumā. Pēc Jēkaba ​​un Monoda shēmas, DNS bez strukturālajiem (informatīvajiem) gēniem satur arī gēnus-regulatorus un gēnus-operatorus. Regulatora gēns kodē konkrētas vielas sintēzi - represoru, kas var pievienoties gan induktora, gan operatora gēnam. Operatora gēns ir saistīts ar strukturālajiem gēniem, savukārt regulatora gēns atrodas zināmā attālumā no tiem. Ja vidē nav induktora, piemēram, laktozes, tad regulatora gēna sintezētais represors saistās ar operatora gēnu un, to bloķējot, izslēdz visa operona (struktūrgēnu bloka kopā ar operatoru) darbu. kas tos kontrolē). Šādos apstākļos enzīmu veidošanās nenotiek. Ja barotnē parādās induktors (laktoze), tad regulatora gēna produkts represors saistās ar laktozi un noņem bloku no operatora gēna. Šajā gadījumā kļūst iespējams fermenta sintēzi kodējošā strukturālā gēna darbs, un barotnē parādās ferments (laktoze).

Pēc Jēkaba ​​un Monoda domām, šī regulēšanas shēma ir piemērojama visiem adaptīvajiem enzīmiem un var notikt gan represiju laikā, kad fermenta veidošanos nomāc reakcijas produkta pārpalikums, gan indukcijas laikā, kad substrāta ievadīšana izraisa. fermenta sintēze. Par gēnu aktivitātes regulēšanas pētījumiem Jēkabam un Monodam 1965. gadā tika piešķirta Nobela prēmija.

Sākotnēji šī shēma šķita pārāk tāla. Taču vēlāk izrādījās, ka gēnu regulēšana pēc šī principa notiek ne tikai baktērijās, bet arī citos organismos.

Kopš 1960. gada ievērojamu vietu molekulārajā bioloģijā ir ieņēmuši pētījumi par genoma organizāciju un hromatīna struktūru eikariotu organismos (J. Bonner, R. Britten, V. Olfrijs, P. Vokers, Ju. S. Čencovs , I. B. Zbarskis un citi .) un transkripcijas regulēšana (A. Mirskis, G. P. Georgijevs, M. Bernstīls, D. Golls, R. Tsaņevs, R. I. Salgaņiks). Ilgu laiku represora būtība palika nezināma un pretrunīga. 1968. gadā M. Ptašne (ASV) parādīja, ka proteīns ir represors. Viņš to izolēja J. Vatsona laboratorijā un atklāja, ka represoram patiešām ir afinitāte pret induktoru (laktozi) un vienlaikus "atpazīst" lac operona operatora gēnu un specifiski saistās ar to.

Pēdējo 5 - 7 gadu laikā ir iegūti dati par citas gēnu aktivitātes kontroles šūnas - promotora klātbūtni. Izrādījās, ka blakus operatora vietai, kurai pievienots uz gēna regulatora sintezētais produkts - represora proteīna viela, atrodas vēl viena vieta, kas arī būtu attiecināma uz regulējošās sistēmas dalībniekiem. par gēnu aktivitāti. Šai vietai ir pievienota enzīma RNS polimerāzes proteīna molekula. Promotora reģionā ir jānotiek savstarpējai DNS unikālās nukleotīdu secības un RNS polimerāzes proteīna specifiskās konfigurācijas atpazīšanai. Ģenētiskās informācijas nolasīšanas procesa īstenošana ar noteiktu operona gēnu secību blakus promotoram būs atkarīga no atpazīšanas efektivitātes.

Papildus Džeikoba un Monoda aprakstītajai shēmai šūnā ir arī citi gēnu regulēšanas mehānismi. F. Jacob un S. Brenner (1963) konstatēja, ka baktēriju DNS replikācijas regulēšanu noteiktā veidā kontrolē šūnu membrāna. Jēkaba ​​(1954) eksperimenti par dažādu profāgu indukciju pārliecinoši parādīja, ka dažādu mutagēno faktoru ietekmē lizogēno baktēriju šūnā sākas selektīva profāga gēna replikācija un tiek bloķēta saimnieka genoma replikācija. 1970. gadā F. Bells ziņoja, ka mazas DNS molekulas var nokļūt no kodola citoplazmā un tur tikt pārrakstītas.

Tādējādi gēnu aktivitāti var regulēt replikācijas, transkripcijas un translācijas līmenī.

Ievērojams progress panākts ne tikai enzīmu sintēzes, bet arī to darbības regulējuma izpētē. A. Novik un L. Szilard norādīja uz enzīmu aktivitātes regulēšanas parādībām šūnā vēl pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados. G. Umbarger (1956) atklāja, ka šūnā ir ļoti racionāls veids, kā nomākt fermenta aktivitāti ar šāda veida reakciju ķēdes galaproduktu. atsauksmes. Kā konstatējuši J. Monod, J. Change, F. Jacob, A. Purdy un citi pētnieki (1956 - 1960), fermentu aktivitātes regulēšanu var veikt pēc allosteriskā principa. Fermentam vai vienai no tā apakšvienībām papildus afinitātei pret substrātu ir afinitāte pret kādu no reakcijas ķēdes produktiem. Šāda signāla produkta ietekmē ferments maina savu konformāciju tā, ka tas zaudē aktivitāti. Rezultātā visa fermentatīvo reakciju ķēde tiek izslēgta pašā sākumā. D. Vimans un R. Vudvards (1952; Nobela prēmijas laureāts, 1965) norādīja uz proteīnu konformācijas izmaiņu būtisko lomu enzīmu reakcijās un zināmā mērā uz alosteriskā efekta klātbūtni.

Olbaltumvielu struktūra un funkcija

T. Osborna, G. Hofmeistera, A. Gurbera, F. Šulca un daudzu citu darbu rezultātā 19. gadsimta beigās. Daudzas dzīvnieku un augu olbaltumvielas ir iegūtas kristāliskā formā. Aptuveni tajā pašā laikā noteiktu olbaltumvielu molekulmasa tika noteikta, izmantojot dažādas fizikālās metodes. Tātad 1891. gadā A. Sabanejevs un N. Aleksandrovs ziņoja, ka ovalbumīna molekulmasa ir 14 000; 1905. gadā E. Rīds atklāja, ka hemoglobīna molekulmasa ir 48 000. Olbaltumvielu polimēru struktūru 1871. gadā atklāja G. Glasivecs un D. Gabermans. Ideju par atsevišķu aminoskābju atlikumu peptīdu saiti olbaltumvielās izvirzīja T. Kērcijs (1883). Darbs pie aminoskābju ķīmiskās kondensācijas (E. Schaal, 1871; G. Schiff, 1897; L. Balbiano un D. Traschiatti, 1900) un heteropolipeptīdu sintēzi (E. Fišers, 1902 - 1907, Nobela prēmija, 1902) noveda pie olbaltumvielu ķīmiskās struktūras pamatprincipu izstrādes.

Pirmo kristālisko enzīmu (ureāzi) 1926. gadā ieguva Dž. Samners (Nobela prēmija, 1946.), bet 1930. gadā J. Nortrops (Nobela prēmija, 1946.) ieguva kristālisko pepsīnu. Pēc šiem darbiem kļuva skaidrs, ka fermenti ir proteīna raksturs. 1940. gadā M. Kunits izolēja kristālisko RNāzi. Līdz 1958. gadam jau bija zināmi vairāk nekā 100 kristālisku enzīmu un vairāk nekā 500 nekristālisku enzīmu. Augsti attīrītu atsevišķu proteīnu preparātu iegūšana veicināja to primārās struktūras un makromolekulārās organizācijas atšifrēšanu.

Liela nozīme molekulārās bioloģijas attīstībā kopumā un jo īpaši cilvēka ģenētikas attīstībā bija L. Paulinga (1940) atklājumam par patoloģisku hemoglobīnu S, kas izolēts no eritrocītiem cilvēkiem ar smagu iedzimtu slimību, sirpjveida šūnu anēmiju. 1955. - 1957. gadā Lai analizētu hemoglobīna S hidrolīzes produktus ar sārmu un tripsīnu, V. Ingrams izmantoja F. Sangera izstrādāto "pirkstu nospiedumu" metodi (plankumi, ko veido atsevišķi peptīdi hromatogrāfijas laikā uz papīra). 1961. gadā Ingrams ziņoja, ka hemoglobīns S no parastā hemoglobīna atšķiras tikai ar vienas aminoskābes atlikuma būtību: normālā hemoglobīnā glutamīnskābes atlikums atrodas ķēdes septītajā pozīcijā, bet hemoglobīnā S – valīna atlikums. Tādējādi pilnībā apstiprinājās Polinga pieņēmums (1949), ka sirpjveida šūnu anēmija ir molekulāras dabas slimība. Iedzimtas izmaiņas tikai vienā aminoskābes atlikumā katrā hemoglobīna makromolekulas pusē noved pie tā, ka hemoglobīns zaudē spēju viegli šķīst pie zemas skābekļa koncentrācijas un sāk kristalizēties, kā rezultātā tiek izjaukta šūnu struktūra. Šie pētījumi skaidri parādīja, ka proteīna struktūra ir stingri noteikta aminoskābju secība, kas ir kodēta genomā. K. Anfinsena (1951) darbi liecināja par proteīna primārās struktūras ārkārtējo nozīmi unikālas bioloģiski aktīvas makromolekulas konformācijas veidošanā. Anfinsens parādīja, ka aizkuņģa dziedzera ribonukleāzes bioloģiski aktīvā makrostruktūra, kas tiek zaudēta atjaunošanas rezultātā, ir iepriekš noteikta ar aminoskābju secību un var spontāni parādīties cisteīna atlieku SH grupu oksidācijas laikā, stingri veidojot disulfīda šķērssaites. noteiktas fermenta peptīdu ķēdes vietas.

Līdz šim ir detalizēti pētīts liela skaita enzīmu darbības mehānisms un noteikta daudzu olbaltumvielu struktūra.

1953. gadā F. Sanger izveidoja insulīna aminoskābju secību. : Šis proteīns sastāv no divām polipeptīdu ķēdēm, kas savienotas ar divām disulfīdu šķērssaistēm. Viena no ķēdēm satur tikai 21 aminoskābes atlikumu, bet otrā - 30 atlikumus. Sanger pavadīja apmēram 10 gadus, lai atšifrētu šī salīdzinoši vienkāršā proteīna struktūru. 1958. gadā viņam par šo izcilo pētījumu tika piešķirta Nobela prēmija. Pēc V. Steina un S. Mūra (1957) izveidošanas automātiskā aminoskābju analizatora, proteīnu daļējas hidrolīzes produktu identificēšana ievērojami paātrinājās. 1960. gadā par to jau ziņoja Steins un Mūrs. ka viņi varēja noteikt ribonukleāzes secību, kuras peptīdu ķēdi attēlo 124 aminoskābju atlikumi. Tajā pašā gadā G. Šramma laboratorijā Tībingenā (Vācija) F. Anderers un citi noteica aminoskābju secību TMV proteīnā. Pēc tam tika noteikta aminoskābju secība cilvēka hemoglobīna mioglobīnā (A. Edmunsons) un α- un β-ķēdes (G. Braunicers, E. Šrēders u.c.), lizocīms no olu proteīna (J. Jollet, D. Keyfield) . 1963. gadā F. Šorms un B. Keils (Čehoslovākija) izveidoja aminoskābju secību himotripsinogēna molekulā. Tajā pašā gadā tika noteikta tripsinogēna aminoskābju secība (F. Shorm, D. Walsh). 1965. gadā K. Takahaši izveidoja ribonukleāzes T1 primāro struktūru. Pēc tam aminoskābju secība tika noteikta vēl vairākiem proteīniem.

Kā zināms, galīgais pierādījums konkrētas struktūras definīcijas pareizībai ir tās sintēze. 1969. gadā R. Merifīlds (ASV) bija pirmais, kurš veica aizkuņģa dziedzera ribonukleāzes ķīmisko sintēzi. Izmantojot savu sintēzes metodi uz cietās fāzes nesēja, Merifīlds ķēdei pievienoja vienu aminoskābi pēc otras saskaņā ar Steina un Mūra aprakstīto secību. Rezultātā viņš saņēma proteīnu, kas pēc kvalitātes bija identisks aizkuņģa dziedzera ribonukleāzei A. Par ribonukleāzes struktūras atklāšanu V. Šteins, S. Mūrs un K. Anfinsens 1972. gadā saņēma Nobela prēmiju. Šī dabiskā proteīnu sintēze paver lielas perspektīvas, norādot uz iespēju izveidot jebkurus proteīnus saskaņā ar iepriekš izplānotu secību.

No V. Astberija (W. Astbury, 1933) veiktajiem rentgena pētījumiem izriet, ka olbaltumvielu molekulu peptīdu ķēdes ir savītas vai sakrautas kaut kādā stingri noteiktā veidā. Kopš tā laika daudzi autori ir izteikuši dažādas hipotēzes par to, kā tiek salocītas olbaltumvielu ķēdes, taču līdz 1951. gadam visi modeļi palika spekulatīvas konstrukcijas, kas neatbilda eksperimentālajiem datiem. 1951. gadā L. Polings un R. Korijs publicēja virkni izcilu darbu, kuros beidzot tika formulēta proteīnu sekundārās struktūras teorija, α-spirāles teorija. Līdz ar to arī kļuva zināms, ka proteīniem ir arī terciārā struktūra: peptīdu ķēdes α-spirāle var būt noteiktā veidā salocīta, veidojot diezgan kompaktu struktūru.

1957. gadā J. Kendrew un viņa līdzstrādnieki pirmo reizi ierosināja trīsdimensiju mioglobīna struktūras modeli. Pēc tam šis modelis tika pilnveidots vairākus gadus, līdz 1961. gadā parādījās pēdējais darbs ar šī proteīna telpiskās struktūras raksturojumu. 1959. gadā M. Perutz un kolēģi izveidoja hemoglobīna trīsdimensiju struktūru. Pētnieki šim darbam pavadīja vairāk nekā 20 gadus (pirmos hemoglobīna rentgena starus Perutz ieguva 1937. gadā). Tā kā hemoglobīna molekula sastāv no četrām apakšvienībām, atšifrējot tās organizāciju, Perutz tādējādi vispirms aprakstīja proteīna ceturtdaļējo struktūru. Par darbu proteīnu trīsdimensiju struktūras noteikšanā Kendrū un Perucs 1962. gadā saņēma Nobela prēmiju.

Peruca hemoglobīna struktūras telpiskā modeļa izveide ATĻAUTA. tuvoties šī proteīna funkcionēšanas mehānisma izpratnei, kas, kā zināms, veic skābekļa transportēšanu dzīvnieku šūnās. Tālajā 1937. gadā F. Gaurovics nonāca pie secinājuma, ka hemoglobīna mijiedarbībai ar skābekli, gaisu jāpavada izmaiņas proteīna struktūrā. Sešdesmitajos gados Perucs un kolēģi atklāja ievērojamas izmaiņas hemoglobīna ķēdēs pēc tā oksidēšanās, ko izraisīja dzelzs atomu nobīde saistīšanās ar skābekli rezultātā. Pamatojoties uz to, tika veidotas idejas par olbaltumvielu makromolekulu "elpošanu".

1960. gadā D. Filipss un viņa līdzstrādnieki sāka lizocīma molekulas rentgenstaru difrakcijas pētījumus. Līdz 1967. gadam viņi vairāk vai mazāk spēja noskaidrot šī proteīna organizācijas detaļas un atsevišķu atomu lokalizāciju tās molekulā. Turklāt Phillips noskaidroja lizocīma pievienošanas būtību substrātam (triacetilglikozamīns). Tas ļāva atjaunot šī fermenta mehānismu. Tādējādi zināšanas par primāro struktūru un makromolekulāro organizāciju ļāva ne tikai noteikt daudzu enzīmu aktīvo centru raksturu, bet arī pilnībā atklāt šo makromolekulu darbības mehānismu.

Elektronu mikroskopijas metožu izmantošana palīdzēja atklāt tādu sarežģītu proteīnu veidojumu kā kolagēna, fibrinogēna, kontraktilās muskuļu fibrilus uc makromolekulārās organizācijas principus. 50. gadu beigās tika piedāvāti muskuļu kontraktilā aparāta modeļi. Īpaši svarīgi, lai izprastu muskuļu kontrakcijas mehānismu, bija V. A. Engelgarda un M. N. Ļubimovas (1939) atklājums par miozīna ATPāzes aktivitāti. Tas nozīmēja, ka muskuļu kontrakcijas pamatā ir kontraktilā proteīna fizikāli ķīmisko īpašību un makromolekulārās organizācijas izmaiņas adenozīntrifosforskābes ietekmē (sk. arī 11. nodaļu).

Virusoloģiskie pētījumi ir bijuši būtiski, lai izprastu bioloģisko struktūru komplektēšanas principus (sk. 25. nodaļu).

Neatrisinātas problēmas

Galvenie sasniegumi mūsdienu molekulārajā bioloģijā ir sasniegti galvenokārt nukleīnskābju izpētes rezultātā. Tomēr pat šajā jomā ne visas problēmas ir atrisinātas. Jo īpaši būs jāpieliek lielas pūles, lai atšifrētu visu genoma nukleotīdu secību. Šī problēma savukārt ir nesaraujami saistīta ar DNS neviendabīguma problēmu un prasa izstrādāt jaunas progresīvas metodes atsevišķu molekulu frakcionēšanai un izolēšanai no kopējā šūnas ģenētiskā materiāla.

Līdz šim centieni galvenokārt bija vērsti uz atsevišķu olbaltumvielu un nukleīnskābju izpēti. Šūnā šie biopolimēri ir nesaraujami saistīti viens ar otru un funkcionē galvenokārt nukleoproteīnu veidā. Tāpēc nepieciešamība pētīt proteīnu un nukleīnskābju mijiedarbību šobrīd ir kļuvusi īpaši aktuāla. Problēma par noteiktu nukleīnskābju sekciju atpazīšanu ar proteīniem tiek izvirzīta priekšplānā. Jau ir izklāstīti soļi, lai pētītu šādu biopolimēru mijiedarbību, bez kuras nav iedomājama pilnīga izpratne par hromosomu, ribosomu un citu struktūru struktūru un funkcijām. Bez tā nav iespējams arī izprast gēnu aktivitātes regulējumu un beidzot atšifrēt proteīnu sintezēšanas mehānismu darbības principus. Pēc Jēkaba ​​un Monoda darba parādījās daži jauni dati par membrānu normatīvo nozīmi kodolmateriālu sintēzē. Tas rada problēmu padziļinātai membrānu lomas DNS replikācijas regulēšanā izpētei. Kopumā gēnu aktivitātes regulēšanas un šūnu aktivitātes problēma kopumā ir kļuvusi par vienu no svarīgākajām mūsdienu molekulārās bioloģijas problēmām.

Pašreizējais biofizikas stāvoklis

Ciešā saistībā ar molekulārās bioloģijas problēmām turpinājās biofizikas attīstība. Interesi par šo bioloģijas jomu veicināja, no vienas puses, nepieciešamība veikt visaptverošu pētījumu par dažāda veida starojuma ietekmi uz ķermeni, un, no otras puses, nepieciešamība pētīt fizisko un fizisko. -dzīvības parādību ķīmiskie pamati, kas notiek molekulārā līmenī.

Precīzas informācijas iegūšana par molekulārajām struktūrām un tajās notiekošajiem procesiem kļuva iespējama jaunu smalko fizikālo un ķīmisko metožu izmantošanas rezultātā. Pamatojoties uz elektroķīmijas sasniegumiem, bija iespējams pilnveidot bioelektrisko potenciālu mērīšanas metodi, izmantojot jonu selektīvos elektrodus (G. Eisenman, B. P. Nikolsky, Khuri, 50-60s). Arvien biežāk praksē ienāk infrasarkanā spektroskopija (ar lāzera iekārtu izmantošanu), kas dod iespēju pētīt proteīnu konformācijas izmaiņas (I. Plotņikovs, 1940). Vērtīgu informāciju sniedz arī elektronu paramagnētiskās rezonanses metode (E. K. Zavoisky, 1944) un bioķīmiluminiscences metode (B. N. Tarusovs et al., 1960), kas jo īpaši ļauj spriest par elektronu transportēšanu oksidatīvo procesu laikā.

1950. gados biofizika jau ieguva spēcīgas pozīcijas. Ir nepieciešams apmācīt kvalificētus speciālistus. Ja 1911. gadā Eiropā tikai Pečas Universitātē Ungārijā bija biofizikas katedra, tad līdz 1973. gadam šādas katedras ir gandrīz visās lielākajās universitātēs.

1960. gadā tika nodibināta Starptautiskā biofiziķu biedrība. 1961. gada augustā Stokholmā notika pirmais starptautiskais biofizikas kongress. Otrais kongress notika 1965. gadā Parīzē, trešais - 1969. gadā Bostonā, ceturtais - 1972. gadā Maskavā.

Biofizikā ir skaidri nošķirtas divas dažāda satura jomas – molekulārā biofizika un šūnu biofizika. Šī atšķirība iegūst arī organizatorisko izpausmi: tiek veidotas atsevišķas šo divu biofizikas jomu nodaļas. Maskavas Universitātē pirmā biofizikas katedra tika izveidota 1953. gadā Bioloģijas un augsnes zinātņu fakultātē, un nedaudz vēlāk Biofizikas katedra parādījās Fizikas fakultātē. Pēc tāda paša principa katedras tika organizētas arī daudzās citās augstskolās.

Molekulārā biofizika

Pēdējos gados saikne starp molekulāro biofiziku un molekulāro bioloģiju ir kļuvusi arvien spēcīgāka, un tagad dažreiz ir grūti noteikt, kur atrodas robežlīnija starp tām. Vispārējā uzbrukumā iedzimtības informācijas problēmai šāda biofizikas un molekulārās bioloģijas sadarbība ir neizbēgama.

Galvenais virziens pētnieciskajā darbā ir nukleīnskābju - DNS un RNS fizikas izpēte. Iepriekš minēto metožu izmantošana un, galvenais, rentgenstaru difrakcijas analīze veicināja nukleīnskābju molekulārās struktūras atšifrēšanu. Pašlaik notiek intensīvi pētījumi, lai pētītu šo skābju uzvedību šķīdumos. Īpaša uzmanība tiek pievērsta "spirāles-spoles" konformācijas pārejām, kuras pēta pēc viskozitātes, optisko un elektrisko parametru izmaiņām. Saistībā ar mutaģenēzes mehānismu izpēti tiek izstrādāti pētījumi, lai pētītu jonizējošā starojuma ietekmi uz nukleīnskābju uzvedību šķīdumos, kā arī starojuma ietekmi uz vīrusu un fāgu nukleīnskābēm. Ultravioletā starojuma ietekme, kura dažus spektrālos reģionus, kā zināms, labi absorbē nukleīnskābes, tika pakļauta visaptverošai analīzei. Liela daļa šāda veida pētījumos ir nukleīnskābju un olbaltumvielu aktīvo radikāļu noteikšana ar elektronu paramagnētiskās rezonanses metodi. Ar šīs metodes izmantošanu ir saistīta vesela neatkarīga virziena rašanās.

DNS un RNS informācijas kodēšanas problēma un tās pārraide proteīnu sintēzes laikā ir jau sen interesējusi molekulāro biofiziku, un fiziķi vairākkārt ir izteikuši noteiktus apsvērumus par šo tēmu (E. Šrēdingers, G. Gamovs). Ģenētiskā koda atšifrēšana izraisīja daudzus teorētiskus un eksperimentālus pētījumus par DNS spirāles uzbūvi, tās pavedienu slīdēšanas un vērpšanas mehānismu un šajos procesos iesaistīto fizisko spēku izpēti.

Molekulārā biofizika sniedz ievērojamu palīdzību molekulārajai bioloģijai proteīnu molekulu struktūras izpētē ar rentgenstaru difrakcijas analīzes palīdzību, ko 1930. gadā pirmo reizi izmantoja Dž. Bernāls. Tieši fizikālo metožu izmantošanas rezultātā kombinācijā ar bioķīmiskām (enzīmu metodēm) tika atklāta vairāku proteīnu molekulārā konformācija un aminoskābju secība.

Mūsdienu elektronu mikroskopiskie pētījumi, kas atklāja sarežģītu membrānu sistēmu klātbūtni šūnās un to organoīdos, stimulēja mēģinājumus izprast to molekulāro struktūru (sk. 10. un 11. nodaļu). Membrānu ķīmiskais sastāvs un jo īpaši to lipīdu īpašības tiek pētītas in vivo. Tika konstatēts, ka pēdējie spēj pārmērīgi oksidēties un neenzimātiskas ķēdes oksidācijas reakcijas (Yu. A. Vladimirov un F. F. Litvin, 1959; B. N. Tarusov et al., 1960; I. I. Ivanov, 1967), izraisot membrānas disfunkciju. Lai pētītu membrānu sastāvu, sāka izmantot arī matemātiskās modelēšanas metodes (V. Ts. Presman, 1964 - 1968; M. M. Shemyakin, 1967; Yu. A. Ovchinnikov, 1972).

Šūnu biofizika

Nozīmīgs notikums biofizikas vēsturē bija skaidru priekšstatu veidošanās 20. gadsimta 50. gados par bioloģisko procesu termodinamiku, kā rezultātā radās pieņēmumi par neatkarīgas enerģijas ģenerēšanas iespēju dzīvās šūnās, pretēji otrajam termodinamikas likumam. , beidzot pazuda. Izpratne par šī likuma darbību bioloģiskajās sistēmās ir saistīta ar beļģu zinātnieka I. Prigožina (1945) * bioloģiskajā termodinamikā jēdzienu par atvērtām sistēmām, kas apmainās ar enerģiju un vielu ar ārējo vidi. Prigožins parādīja, ka dzīvās šūnās darba procesu laikā veidojas pozitīva entropija saskaņā ar otro termodinamikas likumu. Viņa ieviestie vienādojumi noteica apstākļus, kādos rodas tā sauktais stacionārais stāvoklis (agrāk to sauca arī par dinamisko līdzsvaru), kuros brīvās enerģijas daudzums (negentropija), kas šūnās nonāk ar pārtiku, kompensē tās patēriņu, un pozitīva entropija ir izvade. Šis atklājums nostiprināja vispārējo bioloģisko ideju par nedalāmu saikni starp šūnu ārējo un iekšējo vidi. Tas iezīmēja sākumu reālai dzīvo sistēmu termodinamikas izpētei, tostarp modelēšanas metodei (A. Burton, 1939; A. G. Pasynsky, 1967).

* (vispārējā teorija atvērtās sistēmas pirmo reizi izvirzīja L. Bertalanfijs 1932. gadā.)

Saskaņā ar biotermodinamikas pamatprincipu dzīvības pastāvēšanas nepieciešams nosacījums ir stacionaritāte tās bioķīmisko procesu attīstībā, kuru īstenošanai nepieciešams saskaņot daudzu vielmaiņas reakciju ātrumus. Uz jaunās biofizikālās termodinamikas pamata ir parādījusies tendence, kas izceļ ārējos un iekšējos faktorus, kas nodrošina šo reakciju koordināciju un padara to stabilu. Pēdējo divu desmitgažu laikā ir atklāta liela nozīme inhibitoru un īpaši antioksidantu sistēmas stacionārā stāvokļa uzturēšanā (B. N. Tarusovs un A. I. Žuravļevs, 1954, 1958). Konstatēts, ka stacionāras attīstības drošums ir saistīts ar vides faktoriem (temperatūra) un šūnu vides fizikāli ķīmiskajām īpašībām.

Mūsdienu biotermodinamikas principi ir ļāvuši sniegt adaptācijas mehānisma fizikāli ķīmisko interpretāciju. Saskaņā ar mūsu datiem, pielāgošanās vides apstākļiem var notikt tikai tad, ja, tiem mainoties, organisms spēj noteikt stacionaritāti bioķīmisko reakciju attīstībā (B.N. Tarusovs, 1974). Radās jautājums par jaunu metožu izstrādi, kas ļautu novērtēt stacionāro stāvokli in vivo un paredzēt tā iespējamos pārkāpumus. Lielu labumu sola pašregulējošo sistēmu kibernētisko principu ieviešana biotermodinamikā un bioloģiskās adaptācijas procesu pētīšana. Kļuva skaidrs, ka, lai atrisinātu stacionārā stāvokļa stabilitātes problēmu, ir svarīgi ņemt vērā tā sauktos traucējošos faktorus, kas jo īpaši ietver lipīdu oksidācijas neenzīmu reakcijas. AT pēdējie laiki arvien vairāk paplašinās pētījumi par peroksidācijas procesiem dzīvo šūnu lipīdu fāzēs un aktīvo radikāļu produktu augšanu, kas izjauc membrānu regulējošās funkcijas. Informācijas avots par šiem procesiem ir gan aktīvo peroksīda radikāļu, gan biolipīdu peroksīdu savienojumu noteikšana (A. Tappel, 1965; I. I. Ivanov, 1965; E. B. Burlakova, 1967 u.c.). Radikāļu noteikšanai izmanto bioķīmiluminiscenci, kas notiek dzīvo šūnu lipīdos to rekombinācijas laikā.

Pamatojoties uz fizikāli ķīmiskajām idejām par līdzsvara stāvokļa stabilitāti, radās biofizikālās idejas par augu pielāgošanos vides apstākļu izmaiņām kā inhibējošo antioksidantu sistēmu pārkāpumu (B. N. Tarusovs, Ya. E. Doskoch, B. M. Kitlaev, A. M. Agaverdiev, 1968-1972). Tas pavēra iespēju izvērtēt tādas īpašības kā salizturību un sāļu toleranci, kā arī veikt attiecīgas prognozes lauksaimniecības augu atlasē.

50. gados tika atklāts īpaši vājš spīdums - vairāku bioloģisko objektu bioķīmiluminiscence spektra redzamajā un infrasarkanajā daļā (B. N. Tarusovs, A. I. Žuravļevs, A. I. Polivoda). Tas kļuva iespējams, izstrādājot metodes īpaši vāju gaismas plūsmu reģistrēšanai, izmantojot fotopavairotājus (L. A. Kubetsky, 1934). Tā kā bioķīmisko reakciju rezultātā notiek dzīvā šūnā, bioķīmiluminiscence ļauj spriest par svarīgiem oksidācijas procesiem elektronu pārneses ķēdēs starp enzīmiem. Bioķīmiluminiscences atklāšanai un izpētei ir liela teorētiska un praktiska nozīme. Tātad B. N. Tarusovs un Ju. B. Kudrjašovs atzīmē nepiesātināto taukskābju oksidācijas produktu lielo lomu patoloģisku stāvokļu rašanās mehānismā, kas attīstās jonizējošā starojuma ietekmē, kanceroģenēzē un citos normālo funkciju pārkāpumos. no šūnas.

50. gados saistībā ar kodolfizikas straujo attīstību no biofizikas radās radiobioloģija, kas pēta jonizējošā starojuma bioloģisko iedarbību. Mākslīgo radioaktīvo izotopu ražošana, kodoltermisko ieroču, atomreaktoru radīšana un citu atomenerģijas praktiskas izmantošanas veidu attīstība radīja visu akūtu organismu aizsardzības problēmu no jonizējošā starojuma kaitīgās ietekmes, attīstot teorētiskie pamati staru slimības profilakse un ārstēšana. Lai to izdarītu, vispirms bija jānoskaidro, kuras šūnas sastāvdaļas un vielmaiņas saites ir visneaizsargātākās.

Pētījuma objekts biofizikā un radiobioloģijā bija primāro ķīmisko reakciju būtības noskaidrošana, kas notiek dzīvos substrātos starojuma enerģijas ietekmē. Šeit bija svarīgi ne tikai izprast šīs parādības mehānismus, bet arī spēt ietekmēt fiziskās enerģijas apmaiņas procesu pret ķīmisko enerģiju, samazināt tā "lietderīgās" darbības koeficientu. Darbu šajā virzienā aizsāka mācības N. N. Semenova (1933) skolā PSRS un D. Hinšelvuda (1935) Anglijā.

Nozīmīgu vietu radiobioloģiskajos pētījumos ieņēma dažādu organismu radiācijas pretestības pakāpes izpēte. Tika konstatēts, ka paaugstināta radiorezistence (piemēram, tuksneša grauzējiem) ir saistīta ar šūnu membrānas lipīdu augsto antioksidantu aktivitāti (M. Chang et al., 1964; N. K. Ogryzov et al., 1969). Izrādījās, ka tokoferoliem, K vitamīnam un tio savienojumiem ir liela nozīme šo sistēmu antioksidantu īpašību veidošanā (II Ivanov et al., 1972). Pēdējos gados lielu uzmanību ir piesaistījuši arī mutaģenēzes mehānismu pētījumi. Šim nolūkam tiek pētīta jonizējošā starojuma ietekme uz nukleīnskābju un olbaltumvielu uzvedību in vitro, kā arī vīrusos un fāgos (A. Gustafsons, 1945 - 1950).

Cīņa par tālāku ķīmiskās aizsardzības efektivitātes paaugstināšanu, efektīvāku inhibitoru meklēšana un inhibēšanas principi joprojām ir galvenie biofizikas uzdevumi šajā virzienā.

Ir gūti panākumi biopolimēru ierosināto stāvokļu izpētē, kas nosaka to augsto ķīmisko aktivitāti. Visveiksmīgākais bija fotobioloģisko procesu primārajā posmā - fotosintēzes un redzes - ierosināto stāvokļu izpēte.

Tādējādi ir dots ievērojams ieguldījums augu pigmentu sistēmu molekulu primārās aktivizēšanas izpratnē. Tika konstatēta ierosināto stāvokļu enerģijas pārneses (migrācijas) bez zudumiem no aktivētajiem pigmentiem lielā nozīme uz citiem substrātiem. Liela loma šo ideju attīstībā bija A. N. Terenina teorētiskajiem darbiem (1947 un vēlāk). A. A. Krasnovskis (1949) atklāja un pētīja hlorofila un tā analogu atgriezeniskas fotoķīmiskās reducēšanas reakciju. Šobrīd valda vispārējs uzskats, ka tuvākajā nākotnē būs iespējams reproducēt fotosintēzi mākslīgos apstākļos (sk. arī 5. nodaļu).

Biofiziķi turpina darbu, lai atklātu muskuļu kontrakcijas būtību un nervu ierosmes un vadīšanas mehānismus (sk. 11. nodaļu). Šobrīd aktuāla ir kļuvusi arī pārejas no satraukta stāvokļa uz normālu stāvokli mehānismu izpēte. Uzbudinātais stāvoklis tagad tiek uzskatīts par autokatalītiskas reakcijas rezultātu, un inhibīcija tiek uzskatīta par inhibējošās antioksidantu aktivitātes straujas mobilizācijas sekām, kas rodas molekulāro pārkārtojumu rezultātā tādos savienojumos kā tokoferols (I. I. Ivanov, O. R. Kols, 1966; O. R. Kols, 1970).

Visnozīmīgākā biofizikas vispārējā problēma joprojām ir zināšanas par dzīvās vielas kvalitatīvajām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām. Tādas īpašības kā dzīvo biopolimēru spēja selektīvi saistīt kāliju vai polarizēt elektrība, nevar saglabāt pat ar visrūpīgāko izņemšanu no ķermeņa. Tāpēc šūnu biofizika turpina intensīvi izstrādāt kritērijus un metodes dzīvās vielas mūža izpētei.

Neskatoties uz molekulārās bioloģijas jaunību, tās sasniegtais progress šajā jomā ir patiesi satriecošs. Salīdzinoši īsā laikā ir noskaidrota gēna būtība un tā organizācijas, vairošanās un funkcionēšanas pamatprincipi. Turklāt ir veikta ne tikai gēnu reprodukcija in vitro, bet arī pirmo reizi pabeigta paša gēna pilnīga sintēze. Ģenētiskais kods ir pilnībā atšifrēts un ir atrisināta svarīgākā bioloģiskā problēma, kas saistīta ar proteīnu biosintēzes specifiku. Ir identificēti un izpētīti galvenie proteīna veidošanās veidi un mehānismi šūnā. Daudzu transporta RNS primārā struktūra, specifiskas adaptera molekulas, kas pārvērš nukleīna šablonu valodu sintezētā proteīna aminoskābju secības valodā, ir pilnībā noteikta. Daudzu proteīnu aminoskābju secība ir pilnībā atšifrēta un noteikta telpiskā struktūra daži no tiem. Tas ļāva noskaidrot fermentu molekulu darbības principu un detaļas. Tika veikta viena no fermentiem, ribonukleāzes, ķīmiskā sintēze. Ir izveidoti dažādu subcelulāro daļiņu, daudzu vīrusu un fāgu organizēšanas pamatprincipi, kā arī noskaidroti galvenie to bioģenēzes ceļi šūnā. Atklātas pieejas gēnu aktivitātes regulēšanas veidu izpratnei un vitālās aktivitātes regulējošo mehānismu noskaidrošanai. Jau vienkāršs šo atklājumu saraksts liecina, ka 20. gs. otrā puse. tika atzīmēts ar milzīgu progresu bioloģijā, kas galvenokārt ir saistīts ar padziļinātu bioloģiski svarīgu makromolekulu - nukleīnskābju un olbaltumvielu - struktūras un funkciju izpēti.

Molekulārās bioloģijas sasniegumi jau šodien tiek izmantoti praksē un sniedz taustāmus rezultātus medicīnā, lauksaimniecība un dažas nozares. Nav šaubu, ka šīs zinātnes atdeve pieaugs ar katru dienu. Tomēr par galveno rezultātu joprojām jāuzskata tas, ka molekulārās bioloģijas panākumu ietekmē nostiprinājusies pārliecība par neierobežotu iespēju esamību ceļā uz dzīves noslēpumaino noslēpumu atklāšanu.

Nākotnē acīmredzot tiks atvērti jauni veidi, kā pētīt matērijas kustības bioloģisko formu - bioloģija pāries no molekulārā līmeņa uz atomu līmeni. Tomēr šobrīd, iespējams, nav neviena pētnieka, kurš varētu reāli prognozēt molekulārās bioloģijas attīstību pat nākamajiem 20 gadiem.

(Molekular biologe/-biologin)

• Tips

  Profesija pēc absolvēšanas

• Algu

  3667-5623 € mēnesī

Molekulārie biologi pēta molekulāros procesus kā visu dzīvības procesu pamatu. Pamatojoties uz rezultātiem, viņi izstrādā koncepcijas bioķīmisko procesu izmantošanai, piemēram, medicīniskajos pētījumos un diagnostikā vai biotehnoloģijā. Turklāt viņi var būt saistīti ar farmaceitisko produktu ražošanu, produktu izstrādi, kvalitātes nodrošināšanu vai farmācijas konsultācijām.

Molekulārā biologa pienākumi

Molekulārie biologi var strādāt dažādās jomās. Piemēram, tie attiecas uz pētījumu rezultātu izmantošanu ražošanā tādās jomās kā gēnu inženierija, proteīnu ķīmija vai farmakoloģija (zāļu atklāšana). Ķīmijas un farmācijas nozarēs tie atvieglo jaunizveidoto produktu pārnešanu no pētniecības uz ražošanu, produktu mārketingu un lietotāju konsultācijām.

Zinātniskajos pētījumos molekulārie biologi pēta organisko savienojumu ķīmiski fizikālās īpašības, kā arī ķīmiskos procesus (šūnu metabolisma jomā) dzīvos organismos un publicē pētījumu rezultātus. Augstskolās pasniedz studentus, gatavojas lekcijām un semināriem, pārbauda rakstiskos darbus, kārto eksāmenus. Patstāvīga zinātniskā darbība iespējama tikai pēc maģistra un doktora grāda iegūšanas.

Kur strādā molekulārie biologi?

Molekulārbiologi atrod darbu, piemēram

• pētniecības institūtos, piemēram, zinātnes un medicīnas jomās
• augstākās izglītības iestādēs
• ķīmiski farmaceitiskajā rūpniecībā
• vides aizsardzības departamentos

Molekulārbiologa alga

Algu līmenis, ko saņem molekulārie biologi Vācijā, ir

• no 3667€ līdz 5623€ mēnesī

(saskaņā ar dažādiem statistikas birojiem un nodarbinātības dienestiem Vācijā)

Detalizēti molekulārā biologa uzdevumi un pienākumi

Kāda ir profesijas molekulārais biologs būtība

Molekulārie biologi pēta molekulāros procesus kā visu dzīvības procesu pamatu. Pamatojoties uz rezultātiem, viņi izstrādā koncepcijas bioķīmisko procesu izmantošanai, piemēram, medicīniskajos pētījumos un diagnostikā vai biotehnoloģijā. Turklāt viņi var būt saistīti ar farmaceitisko produktu ražošanu, produktu izstrādi, kvalitātes nodrošināšanu vai farmācijas konsultācijām.

Molekulārā bioloģija

Molekulārā bioloģija jeb molekulārā ģenētika nodarbojas ar nukleīnskābju struktūras un biosintēzes izpēti un procesiem, kas saistīti ar šīs informācijas pārraidi un realizāciju proteīnu veidā. Tas ļauj izprast sāpīgos šo funkciju traucējumus un, iespējams, tos izārstēt ar gēnu terapijas palīdzību. Ir biotehnoloģijas un gēnu inženierijas saskarnes, kurās tiek radīti vienkārši organismi, piemēram, baktērijas un raugs, lai ar mērķtiecīgu mutāciju palīdzību rūpnieciskā mērogā padarītu pieejamas farmakoloģiskas vai komerciālas nozīmes vielas.

Molekulārās bioloģijas teorija un prakse

Ķīmiskā un farmaceitiskā rūpniecība piedāvā daudzas nodarbinātības jomas molekulārajiem biologiem. Rūpnieciskos apstākļos viņi analizē biotransformācijas procesus vai izstrādā un uzlabo procesus aktīvo sastāvdaļu un farmaceitisko starpproduktu mikrobioloģiskai ražošanai. Turklāt viņi ir iesaistīti jaunizveidoto produktu pārejā no pētniecības uz ražošanu. Veicot pārbaudes uzdevumus, viņi nodrošina, ka ražošanas iekārtas, aprīkojums, analītiskās metodes un visi jutīgo produktu, piemēram, farmācijas, ražošanas posmi vienmēr atbilst noteiktajiem kvalitātes standartiem. Turklāt molekulārie biologi konsultē lietotājus par jaunu produktu lietošanu.

Vadošajiem amatiem bieži nepieciešama maģistra programma.

Molekulārie biologi pētniecībā un izglītībā

Zinātnes un pētniecības jomā molekulārie biologi nodarbojas ar tādām tēmām kā proteīnu atpazīšana, transportēšana, locīšana un kodifikācija šūnā. Pētījumu rezultāti, kas ir pamatā praktisks pielietojums dažādās jomās, tos publicēt un tādējādi padarīt pieejamus citiem zinātniekiem un studentiem. Konferencēs un kongresos viņi apspriež un prezentē zinātniskās darbības rezultātus. Molekulārie biologi lasa lekcijas un seminārus, vada zinātnisko darbu un veic eksāmenus.

Patstāvīgai zinātniskai darbībai nepieciešams maģistra grāds un doktora grāds.