المحاضرة 1. المفهوم البيولوجيا الجزيئيةوالمراحل الرئيسية لتطورها

تعريف موضوع البيولوجيا الجزيئية

يأتي مصطلح "البيولوجيا الجزيئية" من فرانسيس كريك الحائز على جائزة نوبل، والذي "سئم من إعلان نفسه خليطًا من عالم البلورات، وعالم الكيمياء الحيوية، وعالم الفيزياء الحيوية، وعالم الوراثة عندما سُئل عن مهنته".

بعد إلقاء القنبلة الذرية على هيروشيما وناغازاكي عام 1945، بدأ العلماء في الهروب من الفيزياء، وفي عام 1947 حائز على جائزة نوبلكتب الفيزيائي إروين شرودنغر كتاب “ما هي الحياة من وجهة نظر الفيزيائي؟” والذي جذب العديد من علماء الفيزياء والرياضيات إلى علم الأحياء.

تعريف المفهوم

البيولوجيا الجزيئية هي علم آليات تخزين وتكاثر ونقل وتنفيذ المعلومات الوراثية، وبنية ووظائف البوليمرات الحيوية غير المنتظمة - الأحماض النووية والبروتينات.

بدءًا من دراسة العمليات البيولوجية على المستوى الذري الجزيئي، انتقلت البيولوجيا الجزيئية إلى الهياكل الخلوية فوق الجزيئية المعقدة، وهي حاليًا تحل بنجاح مشاكل علم الوراثة وعلم وظائف الأعضاء والتطور والبيئة.

المراحل الرئيسية في تطور البيولوجيا الجزيئية

1. الفترة الرومانسية الأولى 1935-1944

درس ماكس ديلبروك وسلفادور لوريا تكاثر العاثيات والفيروسات، وهي عبارة عن مجمعات من الأحماض النووية مع البروتينات.

في عام 1940، صاغ جورج بيدل وإدوارد تاتوم فرضية «جين واحد، إنزيم واحد». ومع ذلك، فإن ماهية الجين من الناحية الفيزيائية والكيميائية لم تكن معروفة بعد.

2. الفترة الرومانسية الثانية 1944-1953

لقد تم إثبات الدور الجيني للحمض النووي. في عام 1953، ظهر نموذج الحلزون المزدوج للحمض النووي، والذي حصل مبتكروه جيمس واتسون وفرانسيس كريك وموريس ويلكنز على جائزة نوبل.

3. الفترة العقائدية 1953-1962

تمت صياغة العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية:

نقل المعلومات الوراثية يسير في الاتجاهالحمض النووي → الحمض النووي الريبي → البروتين.

وفي عام 1962 تم فك شفرته الكود الجيني.

4. الفترة الأكاديمية من عام 1962 إلى الوقت الحاضر، حيث يوجد منذ عام 1974 فترة الهندسة الوراثية الفرعية.

أكتوبر نونوفنا ه الاكتشافات

1944 . دليل على الدور الجيني للحمض النووي.أوزوالد أفيري، كولين ماكليود، ماكلين مكارثي.

1953 . إنشاء بنية الحمض النووي.جيمس واتسون، فرانسيس كريك.

1961 . اكتشاف التنظيم الجيني لتخليق الإنزيم.أندريه لفوف، فرانسوا جاكوب، جاك مونو.

1962 . فك الشفرة الوراثية.مارشال نيرنبرج، هاينريش ماتي، سيفيرو أوتشوا.

1967 توليف فيالمختبرالحمض النووي النشط بيولوجيا. آرثر كورنبرج (زعيم غير رسمي للبيولوجيا الجزيئية).

1970 . التوليف الجيني الكيميائي.جوبيند القرآن.

1970 . اكتشاف إنزيم النسخ العكسي وظاهرة النسخ العكسي.هوارد تيمين، ديفيد بالتيمور، ريناتو دولبيكو.

1974 . اكتشاف إنزيمات التقييد.هاميلتون سميث، دانيال ناثانز، فيرنر أربر.

1978 . اكتشاف الربط.فيليب شارب.

1982 . اكتشاف الربط التلقائي.توماس تشيك.

دليل على الدور الجيني للأحماض النووية

1 . 1928. تجارب فريدريك جريفيث.

عمل جريفيث مع المكورات الرئوية- البكتيريا المسببة للالتهاب الرئوي. لقد تناول سلالتين من المكورات الرئوية: المحفظة وغير المحفظة. المحفظة - مسببة للأمراض (خبيثة)، عند الإصابة بهذه السلالة، تموت الفئران، غير المحفظة - غير المسببة للأمراض. عندما تم حقن الفئران بمزيج من المكورات الرئوية المحفظة التي تم قتلها بالحرارة (وبالتالي فقدت ضراوتها) والبكتيريا الحية غير المحفظة وغير الخبيثة، ماتت الحيوانات نتيجة لتكاثر الأشكال الفيروسية المحفظة. فسر جريفيث الظاهرة المكتشفة على أنها تحول.

تعريف:

التحول هو اكتساب كائن حي لبعض خصائص كائن حي آخر نتيجة الاستيلاء على جزء من معلوماته الوراثية.

في عام 1944، تم تكرار هذه التجربة من قبل أوزوالد أفيري وكولين ماكلويد وماكلين مكارثي في ​​طريقة خلط المكورات الرئوية المحفظة مع البروتينات أو السكريات أو الحمض النووي المأخوذ من المكورات الرئوية المحفظة. ونتيجة لهذه التجربة تم الكشف عن طبيعة عامل التحويل.

تبين أن الحمض النووي هو عامل التحويل.

2 . 1952 تجربة ألفريد هيرشي ومارثا تشيس. العاثيات (العاثيات) هي فيروسات تتكاثر في البكتيريا. ه.القولونية - القولونية(البكتيريا).

جوهر التجربة:العاثيات التي تم فيها تمييز طبقة البروتين بالكبريت المشع (س 35 ) ، وتم تحضين الحمض النووي مع الفوسفور المشع (P 32) بالبكتيريا. ثم تم غسل البكتيريا.

لم يتم اكتشاف P 32 في المياه الجارية، ولكن في البكتيريا -س 35 . لذلك، فقط الحمض النووي دخل إلى الداخل.وبعد بضع دقائق، ظهرت العشرات من العاثيات الكاملة التي تحتوي على غلاف بروتيني وحمض نووي من البكتيريا.

وهذا أدى إلى نتيجة واضحة مفادها إن الحمض النووي هو الذي يؤدي وظيفة وراثية - فهو يحمل معلومات حول إنشاء نسخ جديدة من الحمض النووي والقراد وتخليق بروتينات العاثيات.

3 . 1957 تجارب فرنكل-كونراث.

عملت Frenkel-Konrath مع فيروس تبرقش التبغ (TMV). هذا الفيروس يحتوي على RNA وليس DNA. ومن المعروف أن سلالات الفيروس المختلفة تسبب أنماطًا مختلفة من الضرر لأوراق التبغ. وبعد تغيير الغلاف البروتيني، تسببت الفيروسات "المقنعة" في ظهور نمط آفة مميز للسلالة التي كان الحمض النووي الريبوزي (RNA) الخاص بها مغطى ببروتين غريب.

لذلك، ليس فقط الحمض النووي، ولكن أيضًا الحمض النووي الريبي (RNA) يمكن أن يكون بمثابة حامل للمعلومات الوراثية.

اليوم، هناك مئات الآلاف من الأدلة على الدور الجيني للأحماض النووية. الثلاثة المذكورة أعلاه هي الكلاسيكية.

لقد شهدت البيولوجيا الجزيئية فترة من التطور السريع لطرق البحث الخاصة بها، والتي تختلف الآن عن الكيمياء الحيوية. وتشمل هذه، على وجه الخصوص، أساليب الهندسة الوراثية، والاستنساخ، والتعبير الاصطناعي، وتعطيل الجينات. نظرًا لأن الحمض النووي هو الناقل المادي للمعلومات الوراثية، فقد أصبح البيولوجيا الجزيئية أقرب بكثير إلى علم الوراثة، وقد تم تشكيل علم الوراثة الجزيئية، وهو فرع من علم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية، عند التقاطع. وكما يستخدم علم الأحياء الجزيئي الفيروسات على نطاق واسع كأداة بحث، يستخدم علم الفيروسات أساليب البيولوجيا الجزيئية لحل مشاكله. تُستخدم تكنولوجيا الكمبيوتر لتحليل المعلومات الوراثية، وبالتالي ظهرت مجالات جديدة في علم الوراثة الجزيئية، والتي تعتبر أحيانًا تخصصات خاصة: المعلوماتية الحيوية، وعلم الجينوم، وعلم البروتينات.

تاريخ التطور

تم إعداد هذا الاكتشاف الأساسي من خلال فترة طويلة من البحث في علم الوراثة والكيمياء الحيوية للفيروسات والبكتيريا.

في عام 1928، أظهر فريدريك جريفيث لأول مرة أن المستخلص يقتل بالحرارة البكتيريا المسببة للأمراضيمكن أن تنقل المرضية إلى البكتيريا غير الخطرة. أدت دراسة التحول البكتيري في وقت لاحق إلى تنقية العامل الممرض، والذي، على عكس التوقعات، تبين أنه ليس بروتينا، بل حمض نووي. الحمض النووي في حد ذاته ليس خطيرا، فهو يحمل فقط الجينات التي تحدد القدرة المرضية وغيرها من خصائص الكائنات الحية الدقيقة.

في الخمسينيات من القرن العشرين، تبين أن البكتيريا لديها عملية جنسية بدائية، فهي قادرة على تبادل الحمض النووي والبلازميدات خارج الصبغي. شكل اكتشاف البلازميدات، وكذلك التحول، أساس تكنولوجيا البلازميدات المنتشرة في البيولوجيا الجزيئية. ومن الاكتشافات المهمة الأخرى للمنهجية اكتشاف الفيروسات البكتيرية والعاثيات في بداية القرن العشرين. يمكن للعاثيات أيضًا نقل المادة الوراثية من خلية بكتيرية إلى أخرى. تؤدي عدوى البكتيريا بالعاثيات إلى تغيرات في تكوين الحمض النووي الريبي البكتيري. إذا كان تكوين الحمض النووي الريبي (RNA) بدون العاثيات مشابهًا لتكوين الحمض النووي البكتيري، فبعد الإصابة، يصبح الحمض النووي الريبي (RNA) أكثر تشابهًا مع الحمض النووي للعاثية. وهكذا، ثبت أن بنية الحمض النووي الريبي (RNA) يتم تحديدها من خلال بنية الحمض النووي (DNA). بدوره، يعتمد معدل تخليق البروتين في الخلايا على كمية مجمعات البروتين RNA. هذه هي الطريقة التي تمت صياغتها العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية:الحمض النووي ↔ الحمض النووي الريبي → البروتين.

كان التطوير الإضافي للبيولوجيا الجزيئية مصحوبًا بتطوير منهجيته، على وجه الخصوص، اختراع طريقة لتحديد تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي (W. Gilbert and F. Sanger، جائزة نوبل في الكيمياء 1980)، والاكتشافات الجديدة في مجال البحث في بنية وعمل الجينات (انظر تاريخ علم الوراثة). وبحلول بداية القرن الحادي والعشرين، تم الحصول على بيانات حول البنية الأولية لجميع الحمض النووي في البشر وعدد من الكائنات الحية الأخرى، وأهمها للطب والزراعة و بحث علميمما أدى إلى ظهور عدة اتجاهات جديدة في علم الأحياء: علم الجينوم والمعلوماتية الحيوية وما إلى ذلك.

أنظر أيضا

• البيولوجيا الجزيئية (مجلة)
• علم النسخ
• علم الحفريات الجزيئية
• إمبو- المنظمة الأوروبية علماء الأحياء الجزيئية

الأدب

• المغني م.، بيرج ب.الجينات والجينومات. - موسكو 1998.
• ستنت جي، كاليندار آر.علم الوراثة الجزيئية. - موسكو 1981.
• سامبروك جيه، فريتش إي إف، مانياتيس تي.الاستنساخ الجزيئي. - 1989.
• باتروشيف إل.التعبير الجيني. - م: نوكا، 2000. - 000 ص، مريض. ردمك 5-02-001890-2

روابط

• مواد عن البيولوجيا الجزيئية من الأكاديمية الروسية للعلوم

مؤسسة ويكيميديا. 2010.

• منطقة أرداتوفسكي، منطقة نيجني نوفغورود
• منطقة أرزاماس في منطقة نيجني نوفغورود

انظر ما هو "البيولوجيا الجزيئية" في القواميس الأخرى:

البيولوجيا الجزيئية- الدراسات الأساسية خصائص ومظاهر الحياة على المستوى الجزيئي. أهم الاتجاهات في M. b. هي دراسات التنظيم الهيكلي والوظيفي للجهاز الوراثي للخلايا وآلية تنفيذ المعلومات الوراثية... ... القاموس الموسوعي البيولوجي

البيولوجيا الجزيئية- يستكشف الخصائص والمظاهر الأساسية للحياة على المستوى الجزيئي. يكتشف كيف وإلى أي مدى يحدث نمو وتطور الكائنات الحية، وتخزين ونقل المعلومات الوراثية، وتحويل الطاقة في الخلايا الحية وغيرها من الظواهر... القاموس الموسوعي الكبير

البيولوجيا الجزيئية الموسوعة الحديثة

البيولوجيا الجزيئية- البيولوجيا الجزيئية، الدراسة البيولوجية لبنية وعمل الجزيئات التي تشكل الكائنات الحية. تشمل المجالات الرئيسية للدراسة الجسدية و الخواص الكيميائيةالبروتينات والأحماض النووية مثل الحمض النووي. أنظر أيضا… … القاموس الموسوعي العلمي والتقني

البيولوجيا الجزيئية- قسم من علم الأحياء يستكشف الخصائص والمظاهر الأساسية للحياة على المستوى الجزيئي. يكتشف كيف وإلى أي مدى نمو وتطور الكائنات الحية، وتخزين ونقل المعلومات الوراثية، وتحويل الطاقة في الخلايا الحية و... ... قاموس علم الأحياء الدقيقة

البيولوجيا الجزيئية- - موضوعات التكنولوجيا الحيوية EN البيولوجيا الجزيئية ... دليل المترجم الفني

البيولوجيا الجزيئية- البيولوجيا الجزيئية، تستكشف الخصائص الأساسية ومظاهر الحياة على المستوى الجزيئي. يكتشف كيف وإلى أي مدى نمو وتطور الكائنات الحية، وتخزين ونقل المعلومات الوراثية، وتحويل الطاقة في الخلايا الحية و... ... القاموس الموسوعي المصور

البيولوجيا الجزيئية- علم يهدف إلى فهم طبيعة الظواهر الحياتية من خلال دراسة الأجسام والأنظمة البيولوجية على مستوى يقترب من المستوى الجزيئي، وفي بعض الحالات يصل إلى هذا الحد. الهدف النهائي هو...... الموسوعة السوفيتية الكبرى

البيولوجيا الجزيئية- يدرس ظواهر الحياة على مستوى الجزيئات الكبيرة (أساسا البروتينات والأحماض النووية) في الهياكل الخالية من الخلايا (الريبوسومات، وما إلى ذلك)، في الفيروسات، وكذلك في الخلايا. الغرض م. ب. تحديد دور وآلية عمل هذه الجزيئات الكبيرة بناءً على... ... الموسوعة الكيميائية

البيولوجيا الجزيئية- يستكشف الخصائص والمظاهر الأساسية للحياة على المستوى الجزيئي. يكتشف كيف وإلى أي مدى نمو وتطور الكائنات الحية، وتخزين ونقل المعلومات الوراثية، وتحول الطاقة في الخلايا الحية وغيرها من الظواهر... ... القاموس الموسوعي

البيولوجيا الجزيئية،دراسة تفصيلية للخلايا الحية ومكوناتها عناصر(العضيات)، وتتبع دور المركبات الفردية التي يمكن التعرف عليها في عمل هذه الهياكل. يشمل مجال البيولوجيا الجزيئية دراسة جميع العمليات المرتبطة بالحياة، مثل التغذية والإفراز والتنفس والإفراز والنمو والتكاثر والشيخوخة والموت. إن أهم إنجاز للبيولوجيا الجزيئية هو فك رموز الشفرة الوراثية وتوضيح الآلية التي تستخدم بها الخلية المعلومات الضرورية، على سبيل المثال، لتخليق الإنزيمات. تساهم الأبحاث البيولوجية الجزيئية أيضًا في فهم أكثر اكتمالًا لعمليات الحياة الأخرى - التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي ونشاط العضلات.

في البيولوجيا الجزيئية، يفضلون العمل مع أنظمة بسيطة نسبيًا، مثل الكائنات وحيدة الخلية (البكتيريا، وبعض الطحالب)، حيث يكون عدد المكونات صغيرًا نسبيًا، وبالتالي يسهل تمييزها. ولكن حتى هذا يتطلب أساليب معقدة للغاية من أجل تحديد موقع المواد الفردية بدقة وتمييزها عن جميع المواد الأخرى.

استنادًا إلى الأساليب والأدوات الفيزيائية والكيميائية، تم تطوير أدوات وأساليب معقدة وحساسة وتكييفها للعمل معها مركبات العضويةالأنظمة الحية. تعتمد طريقة التصوير الشعاعي الذاتي على إدراج الذرات المشعة في مواد معينة، ما يسمى. "العلامة المشعة"، والتي تتيح لك تتبع - عن طريق الإشعاع المنبعث - التحولات الكيميائية لهذه المواد. عند دراسة المواد ذات الجزيئات المنخفضة، يتم استخدام الأساليب التي تجعل من الممكن الجمع بين جزيئات صغيرة من المادة في ما يسمى. جزيئات كبيرة بما يكفي لملاحظة عند التكبير العالي في المجهر الإلكتروني النافذ. تحديد بواسطة حيود الأشعة السينية الشكل العامالجزيئات الكبيرة، كما حدث، على سبيل المثال، مع الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA). لفصل خليط من المواد التي تختلف في الحجم والتركيب الكيميائي، أو الاختلافات في سرعة حركتها في مجال كهربائي (طريقة الرحلان الكهربائي) أو معدلات انتشار مختلفة في مذيب يتدفق خلال مرحلة ثابتة، مثل الورق (طريقة الكروماتوغرافيا) ، يستخدم.

باستخدام الإنزيمات المناسبة، من الممكن تحديد تسلسل النيوكليوتيدات للجينات، ومنه تسلسل الأحماض الأمينية للبروتينات المركبة. إذا في الحيوانات أنواع مختلفةإن تسلسلات النيوكليوتيدات للجينات التي تشفر البروتينات المشتركة بينها، على سبيل المثال الهيموجلوبين، متقاربة، ويمكننا أن نستنتج أنه في الماضي كان لهذه الحيوانات سلف مشترك. إذا كانت الاختلافات في جيناتهم كبيرة، فمن الواضح أن اختلاف الأنواع عن سلف مشترك قد حدث قبل ذلك بكثير. لقد فتحت مثل هذه الدراسات البيولوجية الجزيئية مقاربة جديدة لدراسة تطور الكائنات الحية.

يجب تقديم مساهمة مهمة في الطب من خلال تحديد الفيروسات من خلال تركيبها. وبمساعدتها، من الممكن، على سبيل المثال، إثبات أن الفيروس الذي يسبب مرضًا معينًا لدى البشر يعشش بشكل طبيعي في بعض الحيوانات البرية، التي ينتقل منها المرض إلى الإنسان. إذا لم يتم اكتشاف أي أعراض للمرض في الحيوانات التي تعمل كمستودع لهذا الفيروس في الطبيعة، فمن الواضح أن هناك نوعًا من آلية المناعة تعمل هنا، ومن ثم تنشأ مهمة جديدة - لدراسة هذه الآلية من أجل المحاولة لإدراجه في الجهاز المناعيشخص.

البيولوجيا الجزيئيةوقت متأخر. جزيء تصغير لات. كتلة الشامات علم الأحياء) هو علم طبي وبيولوجي يدرس ظواهر الحياة على مستوى الجزيئات البيولوجية الكبيرة - البروتينات والأحماض النووية، مثل أنظمة بسيطة، كهياكل خالية من الخلايا والفيروسات، وكحد، على المستوى الخلوي. معظم هذه الأشياء جامدة أو تتمتع بمظاهر الحياة الأولية. موقف م. ب. في نظام البيول، يتم تحديد العلوم من خلال أفكار حول المستويات الهيكلية للمادة الحية، أي أشكال الحياة المتطورة تطوريًا، بدءًا من خطوات ما قبل الحيوية وانتهاءً بالأنظمة المعقدة: الجزيئات العضوية الصغيرة - الجزيئات الكبيرة - الهياكل الخلوية وتحت الخلوية - الكائن الحي، وما إلى ذلك، يتم أيضًا بناء مستويات المعرفة على التوالي في شبه جزيرة القرم. تاريخيا م.ب. تشكلت نتيجة لدراسة الجزيئات البيولوجية الكبيرة، والتي بسببها M. b. يعتبر قسما من الكيمياء الحيوية (انظر). م.ب. هو، في الوقت نفسه، علم حدودي نشأ عند تقاطع الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية (انظر)، والكيمياء العضوية (انظر)، وعلم الخلايا (انظر) وعلم الوراثة (انظر). فكرة م.ب. يتكون من الكشف عن الآليات الأولية للعمليات الأساسية للحياة - الوراثة (انظر)، والتقلب (انظر)، والحركة، وما إلى ذلك - من خلال دراسة البيول، والجزيئات الكبيرة. البيول الجزيئي. وجدت الأفكار أرضًا خصبة خاصة في علم الوراثة - فقد نشأ علم الوراثة الجزيئية (انظر)، وهنا تم تحقيق النتائج التي ساهمت في تطور M. b. والاعتراف بمبادئها. تمثيلات م. ب. لها قيمة إرشادية (معرفية)، لأنه على جميع مستويات تطور المادة الحية، توجد البيول والجزيئات الكبيرة - البروتينات (انظر) والأحماض النووية (انظر) وتعمل. ولهذا السبب فإن حدود م.ب. من الصعب تحديده: فقد تبين أنه علم شامل.

اسم "البيولوجيا الجزيئية" نفسه ينتمي إلى اللغة الإنجليزية. عالم البلورات دبليو تي أستبري. التاريخ الرسمي لظهور م. ب. لقد أخذوا في الاعتبار عام 1953، عندما أسس ج. واتسون وإف. كريك بنية الحمض النووي وقدموا افتراضًا، تم تأكيده لاحقًا، حول آلية تكراره التي تكمن وراء الوراثة. ولكن على على الأقلمنذ عام 1944، بدءا من أعمال Avery (O. Th. Avery)، تراكمت الحقائق التي تشير إلى الدور الجيني للحمض النووي؛ أعرب N. K. Koltsov عن فكرة تركيب المصفوفة بشكل واضح للغاية في عام 1928؛ بدأت دراسة الأساس الجزيئي لتقلص العضلات بأعمال V. A. Engelhardt و M. N. Lyubimova، التي نُشرت في 1939-1942. م.ب. كما تطورت في مجال الدراسات التطورية والنظاميات. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، كان البادئ بدراسة الأحماض النووية والبحث عن الأسس الجزيئية للتطور هو A. N. Belozersky.

سمة مميزة لـ M. b. يتكون في طبيعة الملاحظات وتقنياتها المنهجية وتصميم التجربة. م.ب. أجبر علماء الأحياء على إلقاء نظرة جديدة على الأساس المادي للحياة. للبيول الجزيئي. يتميز البحث بمقارنة الوظائف الحيوية مع الكيمياء. والجسدية خصائص (خصائص) البوليمرات الحيوية وخاصة بنيتها المكانية.

لفهم قوانين بنية الأحماض النووية وسلوكها في الخلية، فإن مبدأ التكامل الأساسي في الهياكل ذات السلسلة الثنائية للأحماض النووية، الذي أنشأه ج. واتسون و ف. كريك، في عام 1953، له أهمية قصوى. من الأهمية العلاقات المكانيةوجدت تعبيرها في فكرة التكامل بين أسطح الجزيئات الكبيرة والمجمعات الجزيئية، وهو مكون شرط ضروريمظاهر القوى الضعيفة التي تعمل فقط على مسافات قصيرة وتساهم في خلق المورفول وتنوع البيول. الهياكل وحركتها الوظيفية. وتشارك هذه القوى الضعيفة في تكوين مجمعات مثل الإنزيم - الركيزة، المستضد - الجسم المضاد، الهرمون - المستقبل، وما إلى ذلك، في ظواهر التجميع الذاتي للهياكل البيولوجية، على سبيل المثال، الريبوسومات، في تكوين أزواج من النيتروجين القواعد في جزيئات الأحماض النووية، وما إلى ذلك عمليات مماثلة.

م.ب. وجه انتباه علماء الأحياء إلى الأشياء البسيطة التي تقف على حدود الحياة، وقدم الأفكار و طرق دقيقةالكيمياء والفيزياء. تم تفسير عملية الطفرة على المستوى الجزيئي على أنها فقدان وإدخال وحركة أجزاء الحمض النووي، واستبدال زوج من القواعد النيتروجينية في الأجزاء المهمة وظيفيًا من الجينوم (انظر الطفرة). وبالتالي، تمت ترجمة ظاهرة الطفرات (انظر) إلى الكيمياء. لغة. بفضل أساليب م. تم الكشف عن الأساس الجزيئي لهذه العمليات الجينية في بدائيات النوى مثل إعادة التركيب (qv)، والتحول (qv)، والتحول (qv)، وترنسفكأيشن، والجنس. تم إحراز تقدم كبير في دراسة بنية الكروماتين والكروموسومات في حقيقيات النوى؛ أدى تحسين طرق زراعة وتهجين الخلايا الحيوانية إلى خلق إمكانية تطوير وراثة الخلايا الجسدية (انظر). تم التعبير عن تنظيم تكرار الحمض النووي في مفهوم النسخ المتماثل بواسطة F. Jacob وS. Brenner.

في مجال التخليق الحيوي للبروتين، ما يسمى مسلمة مركزية تميز حركة المعلومات الوراثية التالية: الحمض النووي -> الحمض النووي الريبي المرسال -> البروتين. وفقا لهذه الفرضية، البروتين هو نوع من صمام المعلومات الذي يمنع عودة المعلومات إلى مستوى الحمض النووي الريبي (RNA) والحمض النووي (DNA). في عملية تطوير M. b. في عام 1970، اكتشف H. Temin وD. Baltimore ظاهرة النسخ العكسي (في الطبيعة، يحدث تخليق الحمض النووي في الفيروسات التي تحتوي على الحمض النووي الريبي (RNA) باستخدام إنزيم خاص - النسخ العكسي). يتم تصنيع البروتينات والأحماض النووية حسب النوع توليفات المصفوفةلحدوثها، مطلوب مصفوفة (قالب) - جزيء البوليمر الأصلي، الذي يحدد مسبقًا تسلسل النيوكليوتيدات (الأحماض الأمينية) في النسخة المركبة. مثل هذه القوالب للنسخ والنسخ هي DNA وللترجمة - messenger RNA. يقوم الرمز الجيني (انظر) بصياغة طريقة "لتسجيل" المعلومات الوراثية في الحمض النووي الريبي المرسال؛ وبعبارة أخرى، فهو ينسق تسلسل النيوكليوتيدات في الأحماض النووية والأحماض الأمينية في البروتينات. يرتبط النسخ بالتخليق الحيوي للبروتين - تخليق الرنا المرسال على مصفوفة الدنا، المحفز بواسطة بوليميرات الرنا؛ الترجمة هي تخليق البروتين على الحمض النووي الريبوزي الرسول المرتبط بالريبوسوم، والذي يحدث وفقًا لآلية معقدة للغاية، حيث تشارك العشرات من البروتينات المساعدة وRNAs الناقلة (انظر الريبوسومات). تتم دراسة تنظيم تخليق البروتين على مستوى النسخ ويتم صياغته في أفكار F. Jacob و J. Monod حول الأوبون والبروتينات الكابتة والتأثير التفارغي والتنظيم الإيجابي والسلبي. غير متجانس في محتواه وحتى أقل اكتمالا من الأجزاء السابقة، قسم M. b. هو عدد من المشاكل ذات الطبيعة الأساسية والتطبيقية. وتشمل هذه إصلاح تلف الجينوم الناجم عن إشعاع الموجات القصيرة والمطفرة (انظر) وغيرها من التأثيرات. وتتكون منطقة مستقلة كبيرة من دراسات آلية عمل الإنزيمات، بناءً على أفكار حول البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات ودور المواد الكيميائية الضعيفة. التفاعلات. م.ب. وأوضح الكثير من التفاصيل حول بنية وتطور الفيروسات، وخاصة العاثيات. تمثل دراسة الهيموجلوبين لدى الأشخاص الذين يعانون من فقر الدم المنجلي (انظر) واعتلالات الهيموجلوبين الأخرى (انظر) بداية دراسة الأساس الهيكلي لـ "الأمراض الجزيئية"، و"الأخطاء" الأيضية الفطرية (انظر الأمراض الوراثية). أحدث فرع من فروع الهندسة الوراثية (انظر) هو تطوير طرق لبناء الهياكل الوراثية في شكل جزيئات الحمض النووي المؤتلف.

في البيولوجيا الجزيئية. يتم استخدام التجارب طرق مختلفةاللوني (انظر) والطرد المركزي الفائق (انظر)، تحليل حيود الأشعة السينية (انظر)، المجهر الإلكتروني (انظر)، التحليل الطيفي الجزيئي (الإلكترون المغنطيسي والرنين المغناطيسي النووي). بدأ استخدام إشعاع السنكروترون (bremsstrahlung) وحيود النيوترونات ومطياف موسباور وتكنولوجيا الليزر. تستخدم الأنظمة النموذجية والحصول على الطفرات على نطاق واسع في التجارب. استخدام النظائر المشعة والثقيلة (بدرجة أقل) موجود في M. b. عادي المنهج التحليليوكذلك استخدام الأساليب الرياضية وأجهزة الكمبيوتر. إذا كان علماء الأحياء الجزيئية يسترشدون في وقت سابق بالفصل. وصول. على المادية طرق تم إنشاؤها لدراسة البوليمرات غير البيولوجية. في الأصل، هناك الآن اتجاه متزايد نحو استخدام المواد الكيميائية. طُرق.

لتطوير M. ب. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية أهمية عظيمةصدر قرار اللجنة المركزية للحزب الشيوعي السوفييتي ومجلس وزراء اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية "بشأن التدابير الرامية إلى تسريع تطوير البيولوجيا الجزيئية وعلم الوراثة الجزيئية واستخدام إنجازاتها في الاقتصاد الوطني"، الذي نُشر في 20 مايو 1974. يتم تنسيق البحث من قبل المجلس العلمي والتقني المشترك بين الإدارات المعني بمشاكل البيولوجيا الجزيئية وعلم الوراثة الجزيئية في لجنة الدولة للعلوم والتكنولوجيا، ومجلس وزراء اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية وأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، والمجلس العلمي المعني بمشاكل البيولوجيا الجزيئية في الاتحاد السوفياتي. أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، ومجالس مماثلة لأكاديمية العلوم في جمهوريات الاتحاد والأكاديميات الفرعية. يتم نشر مجلة "البيولوجيا الجزيئية" (منذ عام 1967) ومجلة مجردة تحمل نفس الاسم. بحث عن M. ب. يتم إجراؤها في معاهد أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، وأكاديمية العلوم الطبية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، والأكاديميات الجمهورية للعلوم، والصناعة الميكروبيولوجية الرئيسية، وفي مؤسسات التعليم العالي في البلاد. هناك العديد من المختبرات لهذا الملف تعمل في البلدان الاشتراكية. يوجد في أوروبا المنظمة الأوروبية للبيولوجيا الجزيئية (EMBO)، والمختبر الأوروبي للبيولوجيا الجزيئية (EMBL) في هايدلبرغ، والمؤتمر الأوروبي للبيولوجيا الجزيئية (EMBC). توجد مختبرات متخصصة كبيرة في الولايات المتحدة الأمريكية وفرنسا وبريطانيا العظمى وألمانيا ودول أخرى.

دوريات خاصة مخصصة لمشاكل بكالوريوس الطب في الخارج: "مجلة البيولوجيا الجزيئية"، "أبحاث الأحماض النووية"، "تقارير البيولوجيا الجزيئية"، "الجينات".

تعليقات حول M. b. منشورة في سلسلة "البيولوجيا الجزيئية" لفينيتي، في "التقدم في أبحاث الأحماض النووية والبيولوجيا الجزيئية"، "التقدم في الفيزياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية"، "المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية"، منشورات "ندوات كولد سبرينج هاربور حول البيولوجيا الكمية" ".

فهرس: Ashmarin I. P. البيولوجيا الجزيئية، لينينغراد، 1977؛ Belozersky A. N. البيولوجيا الجزيئية - مرحلة جديدة من معرفة الطبيعة، م، 1970؛ بريسلر S. E. البيولوجيا الجزيئية، L.، 1973؛ Koltsov N. K. الجزيئات الوراثية، الثور. موسكو اختبار حول فا. الطبيعة، قسم. بيول، ر 70، ق. 4، ص. 75، 1965؛ أكتوبر والعلوم، أد. أ.ب. ألكسندروفا وآخرون، ص. 393، 417، م، 1977؛ سيفيرين إس.إي. قضايا معاصرةالبيولوجيا الفيزيائية والكيميائية، في الكتاب: 250 سنة من أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، ص. 332، م، 1977؛ واتسون ج. البيولوجيا الجزيئية: الجينات، العابرة. من الإنجليزية، م.، 1978؛ Engelhardt V. A. البيولوجيا الجزيئية، في كتاب: تطوير البيول، في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، أد. بي إي بيخوفسكي، ص. 598، م، 1967.

يمكننا القول أن البيولوجيا الجزيئية تدرس مظاهر الحياة على الهياكل أو الأنظمة غير الحية ذات العلامات الأولية للنشاط الحيوي (والتي يمكن أن تكون جزيئات بيولوجية كبيرة فردية أو مجمعاتها أو عضياتها)، وتدرس كيفية تحقيق العمليات الرئيسية التي تميز المادة الحية من خلال التفاعلات الكيميائيةوالتحولات.

إن فصل البيولوجيا الجزيئية عن الكيمياء الحيوية إلى مجال مستقل من العلوم تمليه حقيقة أن مهمتها الرئيسية هي دراسة بنية وخصائص الجزيئات البيولوجية الكبيرة المشاركة في العمليات المختلفة وتوضيح آليات تفاعلها. تتناول الكيمياء الحيوية دراسة العمليات الفعلية للحياة وأنماط حدوثها في الكائن الحي وتحولات الجزيئات التي تصاحب هذه العمليات. في النهاية، تحاول البيولوجيا الجزيئية الإجابة على سؤال لماذا تحدث عملية معينة، بينما تجيب الكيمياء الحيوية على أسئلة أين وكيف تحدث العملية المعنية من وجهة نظر كيميائية.

قصة

بدأت البيولوجيا الجزيئية كفرع منفصل من الكيمياء الحيوية في التبلور في الثلاثينيات من القرن الماضي. عندها، من أجل فهم أعمق لظاهرة الحياة، نشأت الحاجة إلى بحث مستهدف على المستوى الجزيئي لعمليات تخزين ونقل المعلومات الوراثية في الكائنات الحية. ثم تم تحديد مهمة البيولوجيا الجزيئية في دراسة بنية وخصائص وتفاعل الأحماض النووية والبروتينات. تم استخدام مصطلح "البيولوجيا الجزيئية" لأول مرة من قبل العالم الإنجليزي ويليام أستبري في سياق الدراسات المتعلقة بتوضيح العلاقات بين التركيب الجزيئي والخصائص الفيزيائية والبيولوجية للبروتينات الليفية، مثل الكولاجين أو فيبرين الدم أو بروتينات العضلات المقلصة.

في الأيام الأولى للبيولوجيا الجزيئية، كان الحمض النووي الريبي (RNA) يعتبر أحد مكونات النباتات والفطريات، وكان الحمض النووي (DNA) مكونًا نموذجيًا للخلايا الحيوانية. أول باحث أثبت أن الحمض النووي موجود في النباتات هو أندريه نيكولاييفيتش بيلوزيرسكي، الذي عزل الحمض النووي للبازلاء في عام 1935. أثبت هذا الاكتشاف حقيقة أن الحمض النووي هو حمض نووي عالمي موجود في الخلايا النباتية والحيوانية.

كان الإنجاز الرئيسي هو إنشاء جورج بيدل وإدوارد تاتوم لعلاقة السبب والنتيجة المباشرة بين الجينات والبروتينات. وفي تجاربهم، كشفوا عن خلايا الأبواغ العصبية ( نيوروسبوراكراسا) الأشعة السينية التي تسبب الطفرات. وأظهرت النتائج التي تم الحصول عليها أن هذا أدى إلى تغييرات في خصائص إنزيمات معينة.

في عام 1940، عزل ألبرت كلود حبيبات تحتوي على الحمض النووي الريبي السيتوبلازمي من سيتوبلازم الخلايا الحيوانية، والتي كانت أصغر من الميتوكوندريا. أطلق عليها اسم الميكروسومات. بعد ذلك، عند دراسة بنية وخصائص الجزيئات المعزولة، تم تحديد دورها الأساسي في عملية التخليق الحيوي للبروتين. وفي عام 1958، في الندوة الأولى المخصصة لهذه الجسيمات، تقرر تسمية هذه الجسيمات بالريبوسومات.

خطوة أخرى مهمة في تطور البيولوجيا الجزيئية كانت البيانات المأخوذة من تجربة أوزوالد أفيري وكولين ماكلويد وماكلين مكارثي المنشورة في عام 1944، والتي أظهرت أن الحمض النووي هو سبب التحول البكتيري. وكان هذا أول دليل تجريبي على دور الحمض النووي في نقل المعلومات الوراثية، مما يفضح الفكرة السائدة سابقًا حول الطبيعة البروتينية للجينات.

في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي، أظهر فريدريك سانجر أن سلسلة البروتين هي تسلسل فريد من بقايا الأحماض الأمينية. في أواخر الخمسينيات، تمكن ماكس بيروتز وجون كيندرو من فك رموز البنية المكانية للبروتينات الأولى. بالفعل في عام 2000، كانت مئات الآلاف من تسلسلات الأحماض الأمينية الطبيعية والآلاف من الهياكل المكانية للبروتينات معروفة.

في نفس الوقت تقريبًا، سمحت أبحاث إيروين تشارجاف له بصياغة قواعد تصف نسبة القواعد النيتروجينية في الحمض النووي (تنص القواعد على أنه بغض النظر عن اختلافات الأنواع في الحمض النووي، فإن كمية الجوانين تساوي كمية السيتوزين، وكمية الجوانين. الأدينين يساوي كمية التيمين)، مما ساعد فيما بعد على تحقيق أعظم طفرة في علم الأحياء الجزيئي وأحد الإنجازات أعظم الاكتشافاتفي علم الأحياء بشكل عام.

حدث هذا الحدث في عام 1953، عندما قام جيمس واتسون وفرانسيس كريك، بناءً على أعمال روزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز التحليل الهيكلي بالأشعة السينيةالحمض النووي، أنشأ البنية المزدوجة لجزيء الحمض النووي. جعل هذا الاكتشاف من الممكن الإجابة على السؤال الأساسي حول قدرة حامل المعلومات الوراثية على إعادة إنتاج نفسه وفهم آلية نقل هذه المعلومات. صاغ هؤلاء العلماء أنفسهم مبدأ تكامل القواعد النيتروجينية، وهو أمر ذو أهمية أساسية لفهم آلية تكوين الهياكل فوق الجزيئية. هذا المبدأ، المستخدم الآن لوصف جميع المجمعات الجزيئية، يسمح لنا بوصف والتنبؤ بظروف حدوث تفاعلات ضعيفة (غير متكافئة) بين الجزيئات، والتي تحدد إمكانية تكوين تفاعلات ثانوية وثلاثية وما إلى ذلك. هيكل الجزيئات الكبيرة، وهو مسار التجميع الذاتي للأنظمة البيولوجية فوق الجزيئية، والتي تحدد مجموعة واسعة من الهياكل الجزيئية ومجموعاتها الوظيفية. ثم نشأ في عام 1953 مجلة العلوممجلة البيولوجيا الجزيئية. كان يرأسها جون كيندرو، الذي كان مجال اهتماماته العلمية هو دراسة بنية البروتينات الكروية (جائزة نوبل عام 1962 مع ماكس بيروتز). تأسست مجلة مماثلة باللغة الروسية تسمى "البيولوجيا الجزيئية" في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية على يد في. أ. إنجلهاردت في عام 1966.

في عام 1958، صاغ فرانسيس كريك ما يسمى. العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية: فكرة عدم رجعة تدفق المعلومات الوراثية من الحمض النووي عبر الحمض النووي الريبي (RNA) إلى البروتينات وفقًا لمخطط الحمض النووي → الحمض النووي (النسخ المتماثل وإنشاء نسخة من الحمض النووي) والحمض النووي → الحمض النووي الريبي ( النسخ، نسخ الجينات)، RNA → البروتين (ترجمة وفك تشفير المعلومات حول البروتينات الهيكلية). تم تصحيح هذه العقيدة إلى حد ما في عام 1970، مع الأخذ بعين الاعتبار المعرفة المتراكمة، حيث تم اكتشاف ظاهرة النسخ العكسي بشكل مستقل من قبل هوارد تيمين وديفيد بالتيمور: تم اكتشاف إنزيم عكسي مسؤول عن النسخ العكسي - تكوين النسخ المزدوج. الحمض النووي الذي تقطعت به السبل على قالب الحمض النووي الريبي المفرد الذين تقطعت بهم السبل، والذي يحدث في الفيروسات المسرطنة. تجدر الإشارة إلى أن المتطلب الصارم لتدفق المعلومات الوراثية من الأحماض النووية إلى البروتينات لا يزال يشكل أساس البيولوجيا الجزيئية.

في عام 1957، أظهر ألكسندر سيرجيفيتش سبيرين، مع أندريه نيكولايفيتش بيلوزرسكي، أنه مع وجود اختلافات كبيرة في تكوين النوكليوتيدات في الحمض النووي من الحمض النووي كائنات مختلفة، تكوين إجمالي RNAs مشابه. بناءً على هذه البيانات، توصلوا إلى نتيجة مثيرة مفادها أن إجمالي الحمض النووي الريبوزي (RNA) للخلية لا يمكن أن يعمل كحامل للمعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى البروتينات، لأنه لا يطابقه في التركيب. وفي الوقت نفسه، لاحظوا أن هناك جزءًا صغيرًا من الحمض النووي الريبي (RNA)، والذي يتوافق تمامًا في تكوينه النوكليوتيدي مع الحمض النووي والذي يمكن أن يكون حاملًا حقيقيًا للمعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى البروتينات. ونتيجة لذلك، توقعوا وجود جزيئات RNA صغيرة نسبيًا ومتشابهة من الناحية الهيكلية المناطق الفرديةويعمل الحمض النووي كوسيط في نقل المعلومات الجينية الموجودة في الحمض النووي إلى الريبوسوم، حيث يتم تصنيع جزيئات البروتين باستخدام هذه المعلومات. في عام 1961 (S. Brenner، F. Jacob، M. Meselson من ناحية، وF. Gros، فرانسوا جاكوب وجاك مونود كانوا أول من حصل على تأكيد تجريبي لوجود مثل هذه الجزيئات - معلومات (رسول) RNA. في وفي الوقت نفسه، طوروا مفهوم ونموذج الوحدة الوظيفية للحمض النووي - الأوبون، مما جعل من الممكن شرح كيفية تنظيم التعبير الجيني في بدائيات النوى بالضبط. تنظيم وتشغيل الآلات الجزيئية - الريبوسومات - جعل من الممكن صياغة مسلمة تصف حركة المعلومات الوراثية، تسمى العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية: DNA - mRNA عبارة عن بروتين.

في عام 1961 وعلى مدى السنوات القليلة التالية، قام هاينريش ماثاي ومارشال نيرنبرغ، ومن ثم هار كورانا وروبرت هولي، بالعديد من الأعمال لفك الشفرة الوراثية، ونتيجة لذلك تم إنشاء علاقة مباشرة بين بنية الحمض النووي والحمض النووي. البروتينات المصنعة وتسلسل النيوكليوتيدات الذي يحدد مجموعة الأحماض الأمينية في البروتين. كما تم الحصول على بيانات حول عالمية الشفرة الوراثية. وقد حصلت هذه الاكتشافات على جائزة نوبل عام 1968.

بالنسبة لتطوير الأفكار الحديثة حول وظائف الحمض النووي الريبوزي (RNA)، كان اكتشاف الحمض النووي الريبوزي (RNA) غير المشفر أمرًا حاسمًا، استنادًا إلى نتائج عمل ألكسندر سيرجيفيتش سبيرين مع أندريه نيكولاييفيتش بيلوزرسكي في عام 1958، وتشارلز برينر والمؤلفين المشاركين وشاول سبيجلمان في عام 1961. يشكل هذا النوع من الحمض النووي الريبي (RNA) الجزء الأكبر من الحمض النووي الريبي (RNA) الخلوي. تتضمن RNAs غير المشفرة في المقام الأول RNA الريبوسوم.

لقد شهدت طرق زراعة وتهجين الخلايا الحيوانية تطورًا كبيرًا. في عام 1963، صاغ فرانسوا جاكوب وسيدني برينر فكرة النسخ المتماثل - وهي سلسلة من الجينات المتكاثرة بطبيعتها والتي تشرح الجوانب المهمة لتنظيم تكرار الجينات.

في عام 1967، في مختبر A. S. Spirin، تم إثبات لأول مرة أن شكل الحمض النووي الريبي (RNA) المطوي بشكل مضغوط يحدد شكل جسيم الريبوسوم.

وفي عام 1968، تم اكتشاف اكتشاف أساسي مهم. بعد أن اكتشفت أوكازاكي شظايا الحمض النووي للشريط المتخلف أثناء دراسة عملية التكاثر، أطلقت على شظايا أوكازاكي اسمها، وأوضحت آلية تكرار الحمض النووي.

في عام 1970، قام هوارد تيمين وديفيد بالتيمور بشكل مستقل باكتشاف مهم: لقد اكتشفوا إنزيم الرجوع، المسؤول عن النسخ العكسي - تكوين الحمض النووي المزدوج تقطعت بهم السبل على قالب الحمض النووي الريبي المفرد الذين تقطعت بهم السبل، والذي يحدث في الفيروسات المسرطنة التي تحتوي على الحمض النووي الريبي.

ومن الإنجازات المهمة الأخرى للبيولوجيا الجزيئية تفسير آلية الطفرات على المستوى الجزيئي. ونتيجة لسلسلة من الدراسات، تم تحديد الأنواع الرئيسية من الطفرات: الازدواجية، والانقلابات، والحذف، والانتقالات، والتحويلات. هذا جعل من الممكن النظر في التغيرات التطورية من وجهة نظر العمليات الجينية، وجعل من الممكن تطوير نظرية الساعات الجزيئية، والتي تستخدم في علم التطور.

بحلول بداية السبعينيات، تم صياغة المبادئ الأساسية لعمل الأحماض النووية والبروتينات في كائن حي. لقد وجد أن البروتينات والأحماض النووية في الجسم يتم تصنيعها باستخدام آلية المصفوفة؛ حيث يحمل جزيء المصفوفة معلومات مشفرة حول تسلسل الأحماض الأمينية (في البروتين) أو النيوكليوتيدات (في الحمض النووي). أثناء النسخ (تضاعف الحمض النووي) أو النسخ (تخليق الرنا المرسال)، يعمل الحمض النووي كمصفوفة، وأثناء الترجمة (تخليق البروتين) أو النسخ العكسي، يعمل الرنا المرسال كمصفوفة.

وهكذا، تم إنشاء المتطلبات النظرية لتطوير المجالات التطبيقية للبيولوجيا الجزيئية، وخاصة الهندسة الوراثية. في عام 1972، قام بول بيرج، وهربرت بوير، وستانلي كوهين بتطوير تكنولوجيا الاستنساخ الجزيئي. ثم كانوا أول من حصل على الحمض النووي المؤتلف في المختبر. وقد أرست هذه التجارب المتميزة أسس الهندسة الوراثية، ويعتبر هذا العام تاريخ ميلاد هذا المجال العلمي.

في عام 1977، قام فريدريك سانجر، وبشكل مستقل بتطوير آلان ماكسام ووالتر جيلبرت أساليب مختلفةتحديد البنية الأولية (التسلسل) للحمض النووي. تعتبر طريقة سانجر، أو ما يسمى بطريقة إنهاء السلسلة، أساس التسلسل الحديث. يعتمد مبدأ التسلسل على استخدام القواعد الموسومة التي تعمل كعناصر إنهاء في تفاعل التسلسل الدائري. أصبحت هذه الطريقة منتشرة على نطاق واسع نظرًا لقدرتها على إجراء التحليل بسرعة.

1976 - فريدريك. قام سانجر بفك رموز تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي للعاثية التي يبلغ طولها φΧ174، 5375 زوجًا من النيوكليوتيدات.

1981 - مرض فقر الدم المنجلي يصبح الأول الامراض الوراثية، ويتم تشخيصه باستخدام تحليل الحمض النووي.

1982-1983 أدى اكتشاف الوظيفة التحفيزية للحمض النووي الريبي (RNA) في المختبرات الأمريكية لـ T. Check وS. Altman إلى تغيير الفكرة الحالية عن الدور الحصري للبروتينات. قياسا على البروتينات الحفزية - الإنزيمات، كانت الرناوات الحفزية تسمى الريبوزيمات.

1987 اكتشف كيري موليز تفاعل البوليميراز المتسلسل، والذي بفضله يمكن زيادة عدد جزيئات الحمض النووي بشكل مصطنع في المحلول لمزيد من العمل. واليوم، يعد هذا أحد أهم طرق البيولوجيا الجزيئية، ويستخدم في دراسة الجينات والوراثة الأمراض الفيروسية، في دراسة الجينات وفي التحديد الجيني وإقامة القرابة، وما إلى ذلك.

في عام 1990، نشرت ثلاث مجموعات من العلماء في وقت واحد طريقة مكنت من الحصول بسرعة على الحمض النووي الريبي (RNA) الاصطناعي النشط وظيفيًا (الريبوزيمات الاصطناعية أو الجزيئات التي تتفاعل مع مختلف الروابط - الأبتامرات) في المختبر. تسمى هذه الطريقة "التطور في المختبر". وبعد فترة وجيزة، في 1991-1993 في مختبر أ.ب. أثبتت التجارب الرباعية إمكانية وجود ونمو وتضخيم جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) على شكل مستعمرات على الوسائط الصلبة.

في عام 1998، في وقت واحد تقريبًا، وصف كريج ميلو وأندرو فاير آلية لوحظت سابقًا أثناء تجارب الجينات على البكتيريا والزهور تدخل الحمض النووي الريبي، حيث يؤدي جزيء RNA صغير مزدوج الجديلة إلى قمع محدد للتعبير الجيني.

إن اكتشاف آلية تداخل الحمض النووي الريبوزي (RNA) له أهمية عملية بالغة الأهمية بالنسبة للبيولوجيا الجزيئية الحديثة. وتستخدم هذه الظاهرة على نطاق واسع في التجارب العلمية كأداة "للإيقاف"، أي قمع التعبير عن الجينات الفردية. ومما يثير الاهتمام بشكل خاص حقيقة أن هذه الطريقة تسمح بالقمع العكسي (المؤقت) لنشاط الجينات قيد الدراسة. وتجري الأبحاث حول إمكانية استخدام هذه الظاهرة لعلاج الأمراض الفيروسية والأورام والتنكسية والتمثيل الغذائي. تجدر الإشارة إلى أنه في عام 2002، تم اكتشاف فيروسات شلل الأطفال الطافرة التي كانت قادرة على تجنب تداخل الحمض النووي الريبوزي (RNA)، لذلك هناك حاجة إلى المزيد من العمل المضني لتطوير لقاح حقيقي. طرق فعالةالعلاج على أساس هذه الظاهرة.

في الفترة 1999-2001، حددت عدة مجموعات من الباحثين بنية الريبوسوم البكتيري بدقة تتراوح بين 5.5 إلى 2.4 أنجستروم.

غرض

من الصعب المبالغة في تقدير إنجازات البيولوجيا الجزيئية في معرفة الطبيعة الحية. لقد تم تحقيق نجاح كبير بفضل مفهوم البحث الناجح: حيث يتم النظر في العمليات البيولوجية المعقدة من منظور الأنظمة الجزيئية الفردية، مما يسمح باستخدام أساليب البحث الفيزيائية والكيميائية الدقيقة. وقد اجتذب هذا أيضًا العديد من العقول العظيمة من المجالات ذات الصلة بهذا المجال من العلوم: الكيمياء، والفيزياء، وعلم الخلايا، وعلم الفيروسات، والتي كان لها أيضًا تأثير مفيد على حجم وسرعة التطور معرفة علميةفي هذه المنطقة. إن مثل هذه الاكتشافات المهمة مثل تحديد بنية الحمض النووي، وفك رموز الشفرة الوراثية، والتعديل المستهدف بشكل مصطنع للجينوم، أتاحت فهمًا أفضل بكثير لخصائص عمليات تطور الكائنات الحية وحل العديد من المشكلات العلمية والطبية والتطبيقية الهامة بنجاح. المشاكل الاجتماعية التي كانت تعتبر غير قابلة للحل منذ وقت ليس ببعيد.

موضوع دراسة البيولوجيا الجزيئية هو بشكل أساسي البروتينات والأحماض النووية والمجمعات الجزيئية (الآلات الجزيئية) القائمة عليها والعمليات التي تشارك فيها.

الأحماض النووية عبارة عن بوليمرات خطية تتكون من وحدات نيوكليوتيدات (مركبات من سكر خماسي الأعضاء مع مجموعة فوسفات في الذرة الخامسة من الدورة وواحدة من القواعد النيتروجينية الأربعة)، مترابطة بواسطة رابطة استر من مجموعات الفوسفات. وبالتالي، فإن الحمض النووي عبارة عن بوليمر فوسفات البنتوز مع قواعد نيتروجينية كبدائل جانبية. التركيب الكيميائيتختلف سلاسل الحمض النووي الريبوزي (RNA) عن الحمض النووي (DNA) في أن الأول يتكون من دورة خماسية من ريبوز الكربوهيدرات، بينما يتكون الأخير من مشتق ديهيدروكسي ريبوز، ديوكسي ريبوز. علاوة على ذلك، تختلف هذه الجزيئات بشكل مكاني، حيث أن الحمض النووي الريبي (RNA) هو جزيء مرن أحادي الشريط، في حين أن الحمض النووي (DNA) هو جزيء مزدوج الشريط.

البروتينات عبارة عن بوليمرات خطية، وهي عبارة عن سلاسل من أحماض ألفا الأمينية المرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد، ومن هنا اسمها الثاني - البوليببتيدات. تحتوي البروتينات الطبيعية على العديد من وحدات الأحماض الأمينية المختلفة - ما يصل إلى 20 وحدة في البشر - والتي تحدد مجموعة واسعة من الخصائص الوظيفية لهذه الجزيئات. تشارك بروتينات معينة في كل عملية في الجسم تقريبًا وتؤدي العديد من المهام: فهي تلعب دور مواد البناء الخلوية، وتوفر نقل المواد والأيونات، وتحفز التفاعلات الكيميائية- هذه القائمة طويلة جدًا. تشكل البروتينات توافقات جزيئية مستقرة على مستويات مختلفة من التنظيم (الهياكل الثانوية والثالثية) والمجمعات الجزيئية، مما يزيد من توسيع وظائفها. يمكن أن تتمتع هذه الجزيئات بخصوصية عالية لأداء مهام معينة بسبب تكوين بنية كروية مكانية معقدة. يضمن التنوع الكبير في البروتينات الاهتمام المستمر للعلماء بهذا النوع من الجزيئات.

تعتمد الأفكار الحديثة حول موضوع البيولوجيا الجزيئية على تعميم تم طرحه لأول مرة في عام 1958 من قبل فرانسيس كريك باعتباره العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية. كان جوهرها هو التأكيد على أن المعلومات الوراثية في الكائنات الحية تمر بمراحل محددة بدقة من التنفيذ: النسخ من الحمض النووي إلى الحمض النووي عند مدخل الميراث، ومن الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي، ثم من الحمض النووي الريبي إلى البروتين، والانتقال العكسي غير ممكن. وكان هذا البيان صحيحًا جزئيًا فقط، لذلك تم تصحيح العقيدة المركزية لاحقًا مع مراعاة البيانات الجديدة التي ظهرت.

في الوقت الحالي، هناك عدة طرق معروفة لتنفيذ المادة الجينية، تمثل تسلسلات مختلفة للتنفيذ ثلاثة أنواعوجود المعلومات الوراثية: DNA، RNA، والبروتين. في الساعة التاسعة الطرق الممكنةوتنقسم التطبيقات إلى ثلاث مجموعات: هذه هي ثلاثة تحولات عامة (عامة)، والتي تحدث بشكل طبيعي في معظم الكائنات الحية؛ ثلاثة تحولات خاصة (خاصة)، تتم في بعض الفيروسات أو في حالات خاصة ظروف المختبر; ثلاثة تحولات مجهولة (غير معروفة) يعتبر تنفيذها مستحيلا.

تشمل التحولات العامة الطرق التالية لتنفيذ الشفرة الوراثية: DNA→DNA (النسخ المتماثل)، DNA→RNA (النسخ)، RNA→protein (الترجمة).

ولتنفيذ عملية نقل الخصائص الوراثية، يحتاج الآباء إلى نقل جزيء الحمض النووي الكامل إلى أحفادهم. العملية التي يمكن من خلالها تصنيع نسخة طبق الأصل من الحمض النووي الأصلي، وبالتالي يمكن نقل المادة الوراثية، تسمى النسخ المتماثل. يتم تنفيذها بواسطة بروتينات خاصة تعمل على تفكيك الجزيء (تصويب قسمه)، وتفكيك الحلزون المزدوج، وباستخدام بوليميراز الحمض النووي، إنشاء نسخة طبق الأصل من جزيء الحمض النووي الأصلي.

لضمان حياة الخلية، يجب الرجوع باستمرار إلى الشفرة الوراثية المضمنة في الحلزون المزدوج للحمض النووي. ومع ذلك، فإن هذا الجزيء كبير جدًا وأخرق بحيث لا يمكن استخدامه كمصدر مباشر للمادة الوراثية لتخليق البروتين المستمر. ولذلك، في عملية تنفيذ المعلومات الواردة في الحمض النووي، هناك مرحلة وسيطة: تركيب mRNA، وهو جزيء صغير مفرد الجديلة مكمل لجزء معين من الحمض النووي الذي يشفر بروتين معين. تتم عملية النسخ بواسطة بوليميراز RNA وعوامل النسخ. يمكن بعد ذلك توصيل الجزيء الناتج بسهولة إلى جزء الخلية المسؤول عن تخليق البروتين - الريبوسوم.

بعد دخول الحمض النووي الريبوزي (RNA) إلى الريبوسوم، تبدأ المرحلة الأخيرة من تنفيذ المعلومات الوراثية. في هذه الحالة، يقرأ الريبوسوم الشفرة الوراثية من mRNA في ثلاثة توائم تسمى الكودونات ويقوم بتركيب البروتين المقابل بناءً على المعلومات الواردة.

أثناء التحولات الخاصة، يتم تنفيذ الكود الجيني وفقًا لمخطط RNA→RNA (النسخ المتماثل)، RNA→DNA (النسخ العكسي)، DNA→protein (الترجمة المباشرة). يحدث التكاثر من هذا النوع في العديد من الفيروسات، حيث يتم تنفيذه بواسطة إنزيم بوليميراز RNA المعتمد على RNA. تم العثور على إنزيمات مماثلة في الخلايا حقيقية النواة، حيث ترتبط بعملية إسكات الحمض النووي الريبي (RNA). تم العثور على النسخ العكسي في الفيروسات القهقرية، حيث يتم تنفيذه تحت تأثير إنزيم النسخ العكسي، وكذلك في بعض الحالات في الخلايا حقيقية النواةعلى سبيل المثال، أثناء تخليق التيلومير. يتم البث المباشر فقط في ظروف اصطناعية وفي نظام معزول خارج الخلية.

يعتبر أي من التحولات الثلاثة المحتملة للمعلومات الوراثية من البروتين إلى البروتين أو RNA أو DNA مستحيلاً. حالة تأثير البريونات على البروتينات، ونتيجة لذلك يتم تشكيل بريون مماثل، يمكن أن تعزى بشكل مشروط إلى نوع تنفيذ بروتين المعلومات الوراثية → البروتين. ومع ذلك، فهو ليس كذلك من الناحية الرسمية، لأنه لا يؤثر على تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين.

إن تاريخ أصل مصطلح "العقيدة المركزية" مثير للاهتمام. وبما أن كلمة دوغما بشكل عام تعني قولاً لا يقبل الشك، والكلمة نفسها لها دلالات دينية واضحة، فإن اختيارها كوصف لحقيقة علمية ليس مشروعاً تماماً. وفقا لفرانسيس كريك نفسه، كان هذا خطأه. لقد أراد أن يعطي النظرية المقترحة أهمية أكبر، لتمييزها عن النظريات والفرضيات الأخرى؛ ولماذا قرر استخدام هذه الكلمة المهيبة في رأيه دون أن يفهم معناها الحقيقي؟ لكن الاسم بقي عالقا.

البيولوجيا الجزيئية اليوم

أدى التطور السريع في علم الأحياء الجزيئي والاهتمام العام المستمر بالتقدم في هذا المجال والأهمية الموضوعية للبحث إلى ظهور عدد كبير من مراكز أبحاث البيولوجيا الجزيئية الكبيرة حول العالم. ومن بين أكبر هذه المختبرات ينبغي ذكر ما يلي: مختبر البيولوجيا الجزيئية في كامبريدج، والمعهد الملكي في لندن - في المملكة المتحدة؛ معاهد البيولوجيا الجزيئية في باريس ومرسيليا وستراسبورغ، معهد باستور - في فرنسا؛ أقسام البيولوجيا الجزيئية في جامعة هارفارد، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجامعة بيركلي، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وجامعة روكفلر، ومعهد بيثيسدا للصحة - في الولايات المتحدة الأمريكية؛ معاهد ماكس بلانك، جامعات غوتنغن وميونيخ، المعهد المركزي للبيولوجيا الجزيئية في برلين، معاهد في يينا وهالي - في ألمانيا؛ معهد كارولينسكا في ستوكهولم، السويد.

في روسيا، المراكز الرائدة في هذا المجال هي معهد البيولوجيا الجزيئية الذي يحمل اسمه. V. A. Engelhardt RAS، معهد علم الوراثة الجزيئية RAS، معهد علم الأحياء الجيني RAS، معهد البيولوجيا الفيزيائية والكيميائية الذي سمي على اسم. جامعة A. N. Belozersky موسكو الحكومية سميت باسم. M. V. لومونوسوف، معهد الكيمياء الحيوية الذي سمي على اسم. A.N.Bach RAS ومعهد البروتين RAS في بوششينو.

اليوم يغطي مجال اهتمام علماء الأحياء الجزيئية مدى واسعأساسي القضايا العلمية. لا يزال الدور الرائد يشغله دراسة بنية الأحماض النووية والتخليق الحيوي للبروتين، ودراسات بنية ووظائف مختلف الهياكل داخل الخلايا وأسطح الخلايا. ومن مجالات البحث المهمة أيضًا دراسة آليات الاستقبال ونقل الإشارات، الآليات الجزيئيةنقل المركبات داخل الخلية وكذلك من الخلية إلى البيئة الخارجية وبالعكس. من بين الاتجاهات الرئيسية للبحث العلمي في مجال البيولوجيا الجزيئية التطبيقية، واحدة من أعلى الأولويات هي مشكلة ظهور وتطور الأورام. كما أن من المجالات المهمة جداً التي يدرسها فرع البيولوجيا الجزيئية – علم الوراثة الجزيئية – هو دراسة الأساس الجزيئي لحدوث الأمراض الوراثيةوالأمراض الفيروسية، مثل الإيدز، بالإضافة إلى تطوير طرق الوقاية منها وربما علاجها على مستوى الجينات. اكتشافات وتطورات علماء الأحياء الجزيئية في الطب الشرعي. حدثت ثورة حقيقية في مجال تحديد الهوية الشخصية في الثمانينيات من قبل علماء من روسيا والولايات المتحدة وبريطانيا العظمى بفضل تطوير وتنفيذ طريقة "البصمات الجينومية" في الممارسة اليومية - تحديد هوية الفرد عن طريق الحمض النووي. ولا تتوقف الأبحاث في هذا المجال حتى يومنا هذا، فالطرق الحديثة تجعل من الممكن تحديد هوية الشخص مع احتمال خطأ يصل إلى واحد على مليار من النسبة المئوية. ويجري بالفعل تطوير نشط لمشروع جواز السفر الجيني، والذي من المتوقع أن يقلل بشكل كبير من معدل الجريمة.

المنهجية

تمتلك البيولوجيا الجزيئية اليوم ترسانة واسعة من الأساليب التي تسمح لها بحل المشكلات الأكثر تقدمًا وتعقيدًا التي تواجه العلماء.

واحدة من الطرق الأكثر شيوعا في البيولوجيا الجزيئية هو هلام الكهربائيالذي يحل مشكلة فصل خليط من الجزيئات الكبيرة حسب الحجم أو الشحنة. دائمًا تقريبًا، بعد فصل الجزيئات الكبيرة في الجل، يتم استخدام النشاف، وهي طريقة تسمح بنقل الجزيئات الكبيرة من الجل (الممتصة) إلى سطح الغشاء لتسهيل العمل عليها، وخاصة التهجين. التهجين - تكوين الحمض النووي الهجين من سلسلتين ذات طبيعة مختلفة - هو أسلوب يلعب دورًا مهمًا في بحث أساسي. يتم استخدامه لتحديد مكملشرائح في DNA مختلفة (DNA لأنواع مختلفة)، يتم استخدامه للبحث عن جينات جديدة، وبمساعدته تم اكتشاف تداخل الحمض النووي الريبي (RNA)، وشكل مبدأه أساس البصمات الجينومية.

تلعب طريقة التسلسل دورًا رئيسيًا في الممارسة الحديثة للبحث البيولوجي الجزيئي - تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في الأحماض النووية والأحماض الأمينية في البروتينات.

ولا يمكن تصور علم الأحياء الجزيئي الحديث بدون طريقة البوليميراز. تفاعل تسلسلي(PCR). بفضل هذه الطريقة، يتم زيادة (تضخيم) عدد نسخ تسلسل معين من الحمض النووي من أجل الحصول على كمية كافية من المادة من جزيء واحد لمزيد من العمل معها. ويتم تحقيق نتيجة مماثلة عن طريق تقنية الاستنساخ الجزيئي، حيث يتم إدخال تسلسل النيوكليوتيدات المطلوب في الحمض النووي للبكتيريا (الأنظمة الحية)، وبعد ذلك يؤدي تكاثر البكتيريا إلى النتيجة المرجوة. يعد هذا النهج أكثر تعقيدًا من الناحية الفنية، ولكنه يسمح بالحصول في نفس الوقت على نتيجة التعبير عن تسلسل النيوكليوتيدات قيد الدراسة.

أيضًا في الأبحاث البيولوجية الجزيئية، تُستخدم على نطاق واسع طرق الطرد المركزي الفائق (لفصل الجزيئات الكبيرة (الكميات الكبيرة)، والخلايا، والعضيات)، وطرق الفحص المجهري الإلكتروني والفلوري، وطرق قياس الطيف الضوئي، وتحليل حيود الأشعة السينية، والتصوير الشعاعي الذاتي، وما إلى ذلك.

بفضل التقدم التكنولوجي والبحث العلمي في مجالات الكيمياء والفيزياء والأحياء وعلوم الكمبيوتر، تتيح المعدات الحديثة عزل ودراسة وتغيير الجينات الفردية والعمليات التي تشارك فيها.