Luento 1. Käsite molekyylibiologia ja sen kehityksen päävaiheet

Aiheen molekyylibiologian määritelmä

Termi "molekyylibiologia" tulee Nobel-palkitulta Francis Crickiltä, ​​joka "väsynyt julistamaan olevansa kristallografin, biokemistin, biofyysikon ja geneetiikan sekoitus, kun häneltä kysyttiin ammatistaan".

Hiroshiman ja Nagasakin atomipommituksen jälkeen vuonna 1945 tutkijat alkoivat paeta fysiikkaa, ja vuonna 1947 nobelisti fyysikko Erwin Schrödinger kirjoitti kirjan "Mitä on elämä fyysikon näkökulmasta?", joka houkutteli monia fyysikoita ja matemaatikoita biologian pariin.

Käsitteen määritelmä

Molekyylibiologia on tiedettä geneettisen tiedon varastoinnin, lisääntymisen, siirtämisen ja toteuttamisen mekanismeista, epäsäännöllisten biopolymeerien - nukleiinihappojen ja proteiinien - rakenteesta ja toiminnoista.

Alkaen biologisten prosessien tutkimuksesta molekyyli-atomitasolla, molekyylibiologia siirtyi monimutkaisiin supramolekulaarisiin solurakenteisiin ja ratkaisee tällä hetkellä menestyksekkäästi genetiikan, fysiologian, evoluution ja ekologian ongelmia.

Molekyylibiologian kehityksen päävaiheet

1. Ensimmäinen romanttinen ajanjakso 1935-1944

Max Delbrück ja Salvador Luria tutkivat faagien ja virusten lisääntymistä, jotka ovat nukleiinihappokomplekseja proteiinien kanssa.

Vuonna 1940 George Beadle ja Edward Tatum muotoilivat "yksi geeni, yksi entsyymi" -hypoteesin. Kuitenkin, mitä geeni on fysikaalis-kemiallisesti, ei vielä tiedetty.

2. Toinen romanttinen ajanjakso 1944-1953

DNA:n geneettinen rooli on todistettu. Vuonna 1953 ilmestyi DNA-kaksoiskierremalli, josta sen luojat James Watson, Francis Crick ja Maurice Wilkins palkittiin Nobel-palkinnolla.

3. Dogmaattinen ajanjakso 1953-1962

Molekyylibiologian keskeinen dogma on muotoiltu:

Geneettisen tiedon siirto menee siihen suuntaanDNA → RNA → proteiini.

Vuonna 1962 se salattiin geneettinen koodi.

4. Akateeminen kausi vuodesta 1962 nykypäivään, jossa on ollut vuodesta 1974 geenitekniikan osakausi.

loka nonovna e löytöjä

1944 . Todisteita DNA:n geneettisestä roolista. Oswald Avery, Colin McLeod, McLean McCarthy.

1953 . DNA:n rakenteen määrittäminen. James Watson, Francis Crick.

1961 . Entsyymisynteesin geneettisen säätelyn löytäminen. Andre Lvov, Francois Jacob, Jacques Monod.

1962 . Geneettisen koodin dekoodaus. Marshall Nirnberg, Heinrich Mattei, Severo Ochoa.

1967 Synteesi sisäänvitrobiologisesti aktiivinen DNA. Arthur Kornberg (molekyylibiologian epävirallinen johtaja).

1970 . Kemiallinen geenisynteesi. Koraanin Gobind.

1970 . Käänteiskopioijaentsyymin ja käänteiskopioijan ilmiön löytäminen. Howard Temin, David Baltimore, Renato Dulbecco.

1974 . Restriktioentsyymien löytäminen. Hamilton Smith, Daniel Nathans, Werner Arber.

1978 . Jatkoliitoksen löytö. Philip Sharp.

1982 . Autosplicingin löytö. ThomasCheck.

Todisteita nukleiinihappojen geneettisestä roolista

1 . 1928. Frederick Griffithin kokeet.

Griffith työskenteli pneumokokit- bakteerit, jotka aiheuttavat keuhkokuumetta. Hän otti kaksi pneumokokkikantaa: kapseli- ja ei-kapseli. Kapseli - patogeeninen (virulentti), kun hiiret infektoituvat tällä kannalla, hiiret kuolevat, ei-kapseli - ei-patogeeniset. Kun hiiriin injektoitiin lämmöllä tapettujen (ja siksi virulenttien) kapseli pneumokokkien ja elävien ei-kapselisten, ei-virulenttien bakteerien seosta, eläimet kuolivat kapselivirulenttien muotojen lisääntymisen seurauksena. Griffith tulkitsi löydetyn ilmiön transformaatioksi.

Määritelmä:

Transformaatio on sitä, että yksi organismi hankkii jonkin toisen organismin ominaisuudet, koska se sieppaa osan sen geneettisestä tiedosta.

Vuonna 1944 Oswald Avery, Colin McLeod ja McLean McCarthy toistivat tämän kokeen variantissa, jossa kapseli pneumokokkeja sekoitettiin proteiineihin, polysakkarideihin tai kapselista otettuun DNA:han. Tämän kokeen tuloksena muunnostekijän luonne paljastui.

DNA osoittautui transformoivaksi tekijäksi.

2 . 1952 Alfred Hershey ja Martha Chase kokeilevat. Faagit (bakteriofagit) ovat viruksia, jotka lisääntyvät bakteereissa. E. coli - coli(eubakteerit).

Kokemuksen ydin:faagit, joiden proteiinikuori oli leimattu radioaktiivisella rikillä ( S 35 ) ja DNA:ta, jossa oli radioaktiivista fosforia (P 32), inkuboitiin bakteerien kanssa. Sitten bakteerit pestiin pois.

P 32:ta ei havaittu huuhteluvedestä, mutta bakteereista - S 35 . Siten, Vain DNA pääsi sisään. Muutaman minuutin kuluttua bakteereista ilmestyi kymmeniä täysimittaisia ​​faageja, jotka sisälsivät sekä proteiinikuoren että DNA:n.

Tämä johti siihen selkeään johtopäätökseen Se on DNA, joka suorittaa geneettistä tehtävää - se kuljettaa tietoa uusien DNA-kopioiden luomisesta, punkkien ja faagiproteiinien synteesistä.

3 . 1957 Frenkel-Konrathin kokeet.

Frenkel-Konrath työskenteli tobacco mosaic viruksen (TMV) kanssa. Tämä virus sisältää RNA:ta, ei DNA:ta. Tiedettiin, että eri viruskannat aiheuttavat erilaisia ​​vaurioita tupakanlehdille. Proteiinikuoren vaihtamisen jälkeen "naamioituneet" virukset aiheuttivat vauriokuvion, joka on tyypillistä sille kannalle, jonka RNA oli peitetty vieraalla proteiinilla.

Siten, Ei vain DNA, vaan myös RNA voi toimia geneettisen tiedon kantajana.

Nykyään on olemassa satoja tuhansia todisteita nukleiinihappojen geneettisestä roolista. Edellä mainitut kolme ovat klassikoita.

Molekyylibiologia on kokenut omien tutkimusmenetelmiensä nopean kehityksen ajanjakson, joka nyt eroaa biokemiasta. Näitä ovat erityisesti geenitekniikan menetelmät, kloonaus, keinotekoinen ilmentäminen ja geenin poisto. Koska DNA on geneettisen tiedon aineellinen kantaja, molekyylibiologia on lähentynyt merkittävästi genetiikkaa, ja molekyyligenetiikka, joka on sekä genetiikan että molekyylibiologian haara, muodostui risteyksessä. Aivan kuten molekyylibiologia käyttää laajasti viruksia tutkimusvälineenä, virologia käyttää molekyylibiologian menetelmiä ongelmiensa ratkaisemiseen. Tietotekniikkaa käytetään geneettisen tiedon analysointiin, ja siksi on syntynyt uusia molekyyligenetiikan alueita, joita joskus pidetään erityisaineina: bioinformatiikka, genomiikka ja proteomiikka.

Kehityksen historia

Tämä tärkeä löytö valmistettiin pitkällä virusten ja bakteerien genetiikan ja biokemian tutkimuksella.

Vuonna 1928 Frederick Griffith osoitti ensimmäisen kerran, että ote lämpötapoi patogeeniset bakteerit voi siirtää patogeenisyyden vaarattomiin bakteereihin. Bakteerien transformaation tutkimus johti myöhemmin patogeenisen aineen puhdistukseen, joka vastoin odotuksia osoittautui ei proteiiniksi, vaan nukleiinihapoksi. Nukleiinihappo itsessään ei ole vaarallinen, se kantaa vain geenejä, jotka määrittävät mikro-organismin patogeenisyyden ja muut ominaisuudet.

1900-luvun 50-luvulla osoitettiin, että bakteereilla on primitiivinen seksuaalinen prosessi; ne pystyvät vaihtamaan kromosominulkoista DNA:ta ja plasmideja. Plasmidien löytäminen sekä transformaatio muodostivat perustan plasmiditeknologialle, joka on laajalle levinnyt molekyylibiologiassa. Toinen menetelmän kannalta tärkeä löytö oli bakteerivirusten ja bakteriofagien löytö 1900-luvun alussa. Faagit voivat myös siirtää geneettistä materiaalia bakteerisolusta toiseen. Faagien aiheuttama bakteeritartunta johtaa muutoksiin bakteerien RNA:n koostumuksessa. Jos ilman faageja RNA:n koostumus on samanlainen kuin bakteeri-DNA:n koostumus, niin infektion jälkeen RNA muuttuu samankaltaisemmaksi kuin bakteriofagin DNA. Siten todettiin, että RNA:n rakenne määräytyy DNA:n rakenteen perusteella. Proteiinisynteesin nopeus soluissa puolestaan ​​riippuu RNA-proteiinikompleksien määrästä. Näin se muotoiltiin molekyylibiologian keskeinen dogma: DNA ↔ RNA → proteiini.

Molekyylibiologian jatkokehitystä seurasi sekä sen metodologian kehittäminen, erityisesti menetelmän keksiminen DNA:n nukleotidisekvenssin määrittämiseksi (W. Gilbert ja F. Sanger, Nobelin kemianpalkinto 1980), että uusia löytöjä. geenien rakenteen ja toiminnan tutkimuksen alalla (ks. Genetiikan historia). 2000-luvun alkuun mennessä oli saatu tietoa ihmisten ja useiden muiden organismien DNA:n primäärirakenteesta, jotka ovat tärkeimpiä lääketieteen, maatalouden ja tieteellinen tutkimus, joka johti useiden uusien biologian suuntien syntymiseen: genomiikka, bioinformatiikka jne.

Katso myös

• Molekyylibiologia (lehti)
• Transkriptomiikka
• Molekyylipaleontologia
• EMBO- eurooppalainen järjestö molekyylibiologit

Kirjallisuus

• Laulaja M., Berg P. Geenit ja genomit. - Moskova, 1998.
• Stent G., Kalindar R. Molekyyligenetiikka. - Moskova, 1981.
• Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molekyylikloonaus. - 1989.
• Patrushev L. I. Geenien ilmentyminen. - M.: Nauka, 2000. - 000 s., ill. ISBN 5-02-001890-2

Linkit

• Materiaalit molekyylibiologiasta Venäjän tiedeakatemiasta

Wikimedia Foundation. 2010.

• Ardatovskin alue, Nižni Novgorodin alue
• Arzamasin alue Nižni Novgorodin alueella

Katso, mitä "molekyylibiologia" on muissa sanakirjoissa:

MOLEKYYLIBIOLOGIA- perusopintoja elämän ominaisuudet ja ilmentymät molekyylitasolla. Tärkeimmät suunnat M. b. ovat tutkimuksia solujen geneettisen laitteen rakenteellisesta ja toiminnallisesta organisoinnista ja perinnöllisen tiedon toteutusmekanismista... ... Biologinen tietosanakirja

MOLEKYYLIBIOLOGIA- tutkii elämän perusominaisuuksia ja ilmenemismuotoja molekyylitasolla. Selvittää, miten ja missä määrin organismien kasvu ja kehitys, perinnöllisen tiedon varastointi ja välittäminen, energian muuntuminen elävissä soluissa ja muut ilmiöt johtuvat... Suuri Ensyklopedinen sanakirja

MOLEKYYLIBIOLOGIA Nykyaikainen tietosanakirja

MOLEKYYLIBIOLOGIA- MOLEKULAARIBIOLOGIA, biologinen tutkimus elävien organismien muodostavien MOLEKYELIEN rakenteesta ja toiminnasta. Pääasiallisia opiskelualueita ovat fyysinen ja Kemialliset ominaisuudet proteiinit ja nukleiinihapot, kuten DNA. Katso myös… … Tieteellinen ja tekninen tietosanakirja

molekyylibiologia- Biologian osa, joka tutkii elämän perusominaisuuksia ja ilmenemismuotoja molekyylitasolla. Selvittää, miten ja missä määrin organismien kasvu ja kehitys, perinnöllisen tiedon varastointi ja välittäminen, energian muuntuminen elävissä soluissa ja... ... Mikrobiologian sanakirja

molekyylibiologia- - Biotekniikan aiheet FI molekyylibiologia ... Teknisen kääntäjän opas

Molekyylibiologia- MOLEKULAARIBIOLOGIA, tutkii elämän perusominaisuuksia ja ilmenemismuotoja molekyylitasolla. Selvittää, miten ja missä määrin organismien kasvu ja kehitys, perinnöllisen tiedon varastointi ja välittäminen, energian muuntuminen elävissä soluissa ja... ... Kuvitettu tietosanakirja

Molekyylibiologia- tiede, joka pyrkii ymmärtämään elämänilmiöiden luonnetta tutkimalla biologisia esineitä ja järjestelmiä tasolla, joka lähestyy molekyylitasoa ja joissakin tapauksissa saavuttaa tämän rajan. Lopullinen tavoite on...... Suuri Neuvostoliiton tietosanakirja

MOLEKYYLIBIOLOGIA- tutkii elämänilmiöitä makromolekyylien tasolla (pääasiassa proteiinit ja nukleiinihapot) soluttomissa rakenteissa (ribosomit jne.), viruksissa sekä soluissa. Tarkoitus M. b. näiden makromolekyylien roolin ja toimintamekanismin määrittäminen perustuen... ... Kemiallinen tietosanakirja

molekyylibiologia- tutkii elämän perusominaisuuksia ja ilmenemismuotoja molekyylitasolla. Selvittää, miten ja missä määrin organismien kasvu ja kehitys, perinnöllisen tiedon varastointi ja välittäminen, energian muuntuminen elävissä soluissa ja muut ilmiöt... ... tietosanakirja

MOLEKYYLIBIOLOGIA, elävien solujen ja niiden yksityiskohtainen tutkimus komponentit(organellit), jäljittää yksittäisten tunnistettavissa olevien yhdisteiden roolia näiden rakenteiden toiminnassa. Molekyylibiologian ala sisältää kaikkien elämään liittyvien prosessien, kuten ravinnon ja erittymisen, hengityksen, erittymisen, kasvun, lisääntymisen, ikääntymisen ja kuoleman, tutkimuksen. Molekyylibiologian tärkein saavutus on geneettisen koodin purkaminen ja mekanismin selvittäminen, jolla solu käyttää informaatiota, jota tarvitaan esimerkiksi entsyymien synteesiin. Molekyylibiologinen tutkimus auttaa myös ymmärtämään paremmin muita elämänprosesseja - fotosynteesiä, soluhengitystä ja lihastoimintaa.

Molekyylibiologiassa he työskentelevät mieluummin suhteellisen yksinkertaisten järjestelmien, kuten yksisoluisten organismien (bakteerit, jotkut levät), kanssa, joissa komponenttien lukumäärä on suhteellisen pieni ja siksi helpompi erottaa. Mutta tämäkin vaatii erittäin kehittyneitä menetelmiä, jotta yksittäiset aineet voidaan paikallistaa tarkasti ja erottaa ne kaikista muista.

Fysikaalis-kemiallisten lähestymistapojen ja instrumenttien perusteella on kehitetty monimutkaisia, herkkiä instrumentteja ja menetelmiä, jotka on mukautettu toimimaan orgaaniset yhdisteet elävät järjestelmät. Autoradiografiamenetelmä perustuu radioaktiivisten atomien, niin sanottujen, sisällyttämiseen tiettyihin aineisiin. "radioaktiivinen tunniste", jonka avulla voit jäljittää – säteilevän säteilyn avulla – näiden aineiden kemialliset muutokset. Pienimolekyylisiä aineita tutkittaessa käytetään menetelmiä, jotka mahdollistavat aineen pienten molekyylien yhdistämisen ns. riittävän suuria makromolekyylejä havaittavaksi suurella suurennuksellasa. Määritä röntgendiffraktiolla yleinen muoto makromolekyylejä, kuten tehtiin esimerkiksi deoksiribonukleiinihapolla (DNA). Erottaa seoksen aineista, jotka eroavat kooltaan ja kemiallisesta koostumuksestaan, erot niiden liikkumisnopeudessa sähkökentässä (elektroforeesimenetelmä) tai erilaiset diffuusionopeudet kiinteän faasin läpi virtaavassa liuottimessa, kuten paperissa (kromatografiamenetelmä) , käytetään.

Sopivia entsyymejä käyttämällä voidaan määrittää geenien nukleotidisekvenssi ja siitä syntetisoitujen proteiinien aminohapposekvenssi. Jos eläimissä erilaisia ​​tyyppejä Niille yhteisiä proteiineja, esimerkiksi hemoglobiinia, koodaavien geenien nukleotidisekvenssit ovat lähellä, voidaan päätellä, että näillä eläimillä oli aikaisemmin yhteinen esi-isä. Jos niiden geenien erot ovat suuria, on selvää, että lajien ero yhteisestä esi-isästä tapahtui paljon aikaisemmin. Tällaiset molekyylibiologiset tutkimukset ovat avanneet uuden lähestymistavan organismien evoluution tutkimukseen.

Virusten tunnistaminen niiden koostumuksen perusteella olisi annettava merkittävä panos lääketieteeseen. Sen avulla voidaan esimerkiksi todeta, että ihmisessä tietyn taudin aiheuttava virus pesii luonnollisesti jossain villieläimissä, josta tauti tarttuu ihmisiin. Jos eläimissä, jotka toimivat tämän viruksen säiliönä luonnossa, ei havaita taudin oireita, niin ilmeisesti täällä toimii jonkinlainen immuniteettimekanismi, ja sitten syntyy uusi tehtävä - tutkia tätä mekanismia, jotta voidaan yrittää sisällyttää se joukkoon immuunijärjestelmä henkilö.

MOLEKYYLIBIOLOGIA myöhäinen lat. molekyyli, Lat. moolimassa; biologia) on lääketieteen ja biologian tiede, joka tutkii elämän ilmiöitä biologisten makromolekyylien tasolla - proteiinit ja nukleiinihapot, kuten yksinkertaiset järjestelmät, soluvapaina rakenteina, viruksina ja rajana solutasolla. Suurin osa näistä esineistä on elottomia tai niillä on alkeellisia elämän ilmenemismuotoja. M:n asema b. biol-järjestelmässä tieteet määräävät ajatukset elävän aineen rakenteellisista tasoista, eli evoluutionaalisesti kehittyneistä elämänmuodoista alkaen prebioottisista vaiheista ja päättyen monimutkaisiin järjestelmiin: pienet orgaaniset molekyylit - makromolekyylit - solu- ja solun alaiset rakenteet - organismi, jne., vastaavasti tietotasoja rakennetaan myös Krimillä. Historiallisesti M. b. muodostuu biologisten makromolekyylien tutkimuksen tuloksena, minkä vuoksi M. b. pidetään biokemian osana (katso). M. b. on samalla rajatiede, joka syntyi biokemian, biofysiikan (katso), orgaanisen kemian (katso), sytologian (katso) ja genetiikan (katso) risteyksessä. Idea M. b. koostuu elämän perusprosessien - perinnöllisyyden (katso), vaihtelevuuden (katso), liikkeen jne. - alkeismekanismien paljastamisesta biolia, makromolekyylejä tutkimalla. Molecular Biol. ideat löysivät hedelmällisen maaperän erityisesti genetiikassa - molekyyligenetiikka syntyi (katso), ja juuri täällä saavutettiin tuloksia, jotka vaikuttivat M. b. ja sen periaatteiden tunnustaminen. Esitykset M. b. niillä on heuristinen (kognitiivinen) arvo, koska kaikilla elävän aineen kehitystasoilla biol, makromolekyylit - proteiinit (katso) ja nukleiinihapot (katso) ovat olemassa ja toimivat. Tästä syystä rajat M. b. vaikea määritellä: se osoittautuu kaiken kattavaksi tieteeksi.

Itse nimi "molekyylibiologia" kuuluu englanniksi. kristallografi W. T. Astbury. M. b.:n muodollinen ilmestymispäivä. He pitävät vuotta 1953, jolloin J. Watson ja F. Crick loivat DNA:n rakenteen ja tekivät oletuksen, joka myöhemmin vahvistettiin, sen replikaatiomekanismista, joka on perinnöllisyyden taustalla. Mutta päälle vähintään vuodesta 1944 lähtien Averyn (O. Th. Avery) teoksista lähtien on kertynyt tosiasioita, jotka osoittavat DNA:n geneettisen roolin; N.K. Koltsov ilmaisi ajatuksen matriisisynteesistä hyvin selkeässä muodossa jo vuonna 1928; lihasten supistumisen molekyyliperustan tutkimus alkoi V. A. Engelhardtin ja M. N. Lyubimovan teoksilla, jotka julkaistiin vuosina 1939-1942. M. b. kehitetty myös evoluutiotutkimuksen ja systematiikan alalla. Neuvostoliitossa nukleiinihappojen tutkimuksen ja evoluution molekyyliperustojen tutkimuksen aloittaja oli A. N. Belozersky.

Erottava piirre M. b. koostuu havaintojen luonteesta, sen metodologisista tekniikoista ja kokeen suunnittelusta. M. b. pakotti biologit katsomaan uudella tavalla elämän aineellista perustaa. Molekyylibiol. Tutkimusta leimaa biolin, funktioiden vertailu kemian kanssa. ja fyysistä biopolymeerien ominaisuudet (ominaisuudet) ja erityisesti niiden tilarakenne.

Nukleiinihappojen rakenteen lakien ja niiden käyttäytymisen ymmärtämiseksi solussa J. Watsonin ja F. Crickin vuonna 1953 perustama emäskomplementaarisuuden periaate nukleiinihappojen kaksijuosteisissa rakenteissa on äärimmäisen tärkeä. merkityksestä tilasuhteet löysi ilmaisunsa ideana makromolekyylien ja molekyylikompleksien pintojen komplementaarisuudesta, komponentista välttämätön edellytys heikkojen voimien ilmentymiä, jotka vaikuttavat vain lyhyillä etäisyyksillä ja edistävät morfolin muodostumista, biol. rakenteet, niiden toiminnallinen liikkuvuus. Nämä heikot voimat osallistuvat kompleksien, kuten entsyymi-substraatti, antigeeni-vasta-aine, hormoni-reseptori jne. muodostumiseen, biologisten rakenteiden, esimerkiksi ribosomien, itsekokoamisen ilmiöihin, typpiparien muodostumiseen. emäkset nukleiinihappomolekyyleissä jne. vastaavat prosessit.

M. b. ohjasi biologien huomion yksinkertaisiin elämän rajalla seisoviin esineisiin, esitteli ideoita ja tarkat menetelmät kemiaa ja fysiikkaa. Mutaatioprosessi on tulkittu molekyylitasolla DNA-segmenttien katoamiseksi, liittämiseksi ja liikkumiseksi, typpipitoisten emästen parin korvaamiseksi toiminnallisesti merkittävissä genomin osissa (katso Mutaatio). Mutageneesin ilmiöt (katso) käännettiin siksi kemiaksi. Kieli. Kiitos M:n menetelmistä. Sellaisten prokaryoottien geneettisten prosessien, kuten rekombinaatio (q.v.), transduktio (q.v.), transformaatio (q.v.), transfektio, sukupuoliduktio, molekyyliperusta paljastettiin. Merkittävää edistystä on saavutettu eukaryoottien kromatiinin ja kromosomien rakenteen tutkimisessa; eläinsolujen viljely- ja hybridisaatiomenetelmien parantaminen on luonut mahdollisuuden kehittää somaattisten solujen genetiikkaa (katso). F. Jacob ja S. Brenner ilmaisivat DNA-replikaation säätelyn replikonin käsitteellä.

Proteiinibiosynteesin alalla ns keskeinen postulaatti, joka luonnehtii seuraavaa geneettisen tiedon liikettä: DNA -> lähetti-RNA -> proteiini. Tämän postulaatin mukaan proteiini on eräänlainen informaatioventtiili, joka estää tiedon palautumisen RNA:n ja DNA:n tasolle. Kehitysprosessissa M. b. Vuonna 1970 H. Temin ja D. Baltimore löysivät käänteiskopioijan ilmiön (luonnossa DNA-synteesi tapahtuu onkogeenisissä RNA:ta sisältävissä viruksissa käyttämällä erityistä entsyymiä - käänteiskopioijaentsyymiä). Proteiinien ja nukleiinihappojen synteesi tapahtuu tyypin mukaan matriisisynteesiä, niiden esiintymistä varten tarvitaan matriisi (templaatti) - alkuperäinen polymeerimolekyyli, joka määrittää ennalta nukleotidien (aminohappojen) sekvenssin syntetisoidussa kopiossa. Tällaisia ​​templaatteja replikaatiota ja transkriptiota varten ovat DNA ja translaatiota varten lähetti-RNA. Geneettinen koodi (katso) muotoilee tavan "tallentaa" perinnöllistä tietoa lähetti-RNA:han, toisin sanoen se koordinoi nukleiinihappojen nukleotidisekvenssiä ja proteiineissa olevien aminohappojen sekvenssiä. Transkriptio liittyy proteiinien biosynteesiin - lähetti-RNA:iden synteesiin DNA-matriisissa, jota RNA-polymeraasit katalysoivat; translaatio on proteiinin synteesi ribosomiin liittyvällä lähetti-RNA:lla, mikä tapahtuu hyvin monimutkaisen mekanismin mukaisesti, jossa on mukana kymmeniä apuproteiineja ja siirto-RNA:ita (katso Ribosomit). Proteiinisynteesin säätelyä tutkitaan eniten transkriptiotasolla ja se on muotoiltu F. Jacobin ja J. Monodin ideoihin operonista, repressoriproteiineista, allosteerisesta vaikutuksesta, positiivisesta ja negatiivisesta säätelystä. Heterogeeninen sisällöltään ja vielä vähemmän täydellinen kuin edelliset, osa M. b. on joukko perustavanlaatuisia ja sovellettavia ongelmia. Näitä ovat lyhytaaltosäteilyn, mutageenien (katso) ja muiden vaikutusten aiheuttamien genomivaurioiden korjaaminen. Laaja itsenäinen ala koostuu entsyymien toimintamekanismin tutkimuksista, jotka perustuvat käsityksiin proteiinien kolmiulotteisesta rakenteesta ja heikkojen kemikaalien roolista. vuorovaikutuksia. M. b. selvensi monia yksityiskohtia virusten, erityisesti bakteriofagien, rakenteesta ja kehityksestä. Hemoglobiinien tutkimus henkilöillä, jotka kärsivät sirppisoluanemiasta (katso) ja muista hemoglobinopatioista (katso), merkitsi alkua "molekyylisairauksien", synnynnäisten aineenvaihdunnan "virheiden" rakenteellisen perustan tutkimukselle (katso Perinnölliset sairaudet). Geenitekniikan uusin haara (katso) kehittää menetelmiä perinnöllisten rakenteiden rakentamiseksi yhdistelmä-DNA-molekyylien muodossa.

Molekyylibiol. kokeita käytetään eri tavoilla kromatografia (katso) ja ultrasentrifugointi (katso), röntgendiffraktioanalyysi (katso), elektronimikroskopia (katso), molekyylispektroskopia (elektroniparamagneettinen ja ydinmagneettinen resonanssi). Synkrotronisäteilyn (magnetic bremsstrahlung) käyttö, neutronidiffraktio, Mössbauer-spektroskopia ja laserteknologia on alkanut. Mallijärjestelmiä ja mutaatioiden saamista käytetään laajasti kokeissa. Radioaktiivisten ja (vähemmässä määrin) raskaiden isotooppien käyttö on M. b. tavallinen analyyttinen menetelmä, sekä matemaattisten menetelmien ja tietokoneiden käyttö. Jos aikaisemmin molekyylibiologeja ohjasivat ch. arr. fyysisesti menetelmät, jotka on luotu ei-biol-polymeerien tutkimiseen. kemikaalien käyttö on nyt lisääntymässä. menetelmiä.

M. b.:n kehittämiseksi. Neuvostoliitossa hyvin tärkeä oli NKP:n keskuskomitean ja Neuvostoliiton ministerineuvoston päätös "Toimenpiteistä molekyylibiologian ja molekyyligenetiikan kehityksen ja niiden saavutusten kansantaloudessa hyödyntämisen nopeuttamiseksi", julkaistiin 20.5.1974. Tutkimusta koordinoi Valtion tiede- ja teknologiakomitean osastojen välinen molekyylibiologian ja molekyyligenetiikan tieteellis-tekninen neuvosto Neuvostoliiton ministerineuvosto ja Neuvostoliiton tiedeakatemia, molekyylibiologian ongelmien tieteellinen neuvosto. Neuvostoliiton tiedeakatemia, vastaavat liittotasavaltojen tiedeakatemian neuvostot ja alaakatemiat. Lehti "Molecular Biology" (vuodesta 1967) ja samanniminen abstrakti aikakauslehti julkaistaan. Tutkimus M. b. Ne suoritetaan Neuvostoliiton tiedeakatemian, Neuvostoliiton lääketieteen akatemian, tasavaltaisten tiedeakatemioiden, tärkeimmän mikrobiologisen teollisuuden instituuteissa ja maan korkeakouluissa. Sosialistisissa maissa toimii monia tämän profiilin laboratorioita. Euroopassa on Euroopan molekyylibiologian järjestö (EMBO), European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Heidelbergissä ja European Molecular Biology Conference (EMBC). Suuria erikoislaboratorioita on Yhdysvalloissa, Ranskassa, Isossa-Britanniassa, Saksassa ja muissa maissa.

Erikoisjulkaisut, jotka on omistettu M. b:n ongelmiin ulkomailla: “Journal of Molecular Biology”, “Nucleic Acids Research”, “Molecular Biology Reports”, “Gene”.

Arvostelut M. b. julkaistu VINITIn sarjassa "Molecular Biology", julkaisuissa "Progress in Nucleic Acids Research and Molecular Biology", "Progress in Biophysics and Molecular Biology", "Biochemistryn vuosikatsaus", "Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology" -julkaisuissa. ”.

Bibliografia: Ashmarin I.P. Molecular biology, Leningrad, 1977; Belozersky A. N. Molekyylibiologia - luonnontiedon uusi vaihe, M., 1970; Bresler S. E. Molecular biology, L., 1973; Koltsov N.K. Perinnölliset molekyylit, Bull. Moskova noin-va testi. luonto, osasto biol., t. 70, v. 4, s. 75, 1965; October and Science, toim. A.P. Alexandrova et ai., s. 393, 417, M., 1977; Severin S.E. Ajankohtaisiin kysymyksiin fysikaalinen ja kemiallinen biologia, kirjassa: 250 vuotta Neuvostoliiton tiedeakatemiasta, s. 332, M., 1977; Watson J. Molekyylibiologia: geeni, trans. Englannista, M., 1978; Engelhardt V. A. Molekyylibiologia, kirjassa: Development of Biol, in the USSR, toim. B. E. Bykhovsky, s. 598, M., 1967.

Voidaan sanoa, että molekyylibiologia tutkii elämän ilmenemismuotoja elottomissa rakenteissa tai järjestelmissä, joissa on alkeellisia merkkejä elintoiminnasta (jotka voivat olla yksittäisiä biologisia makromolekyylejä, niiden komplekseja tai organelleja), tutkien, kuinka elävää ainetta kuvaavat keskeiset prosessit toteutuvat kemiallisia vuorovaikutuksia ja muunnoksia.

Molekyylibiologian erottaminen biokemiasta itsenäiseksi tieteenalaksi sanelee se, että sen päätehtävänä on tutkia eri prosesseissa mukana olevien biologisten makromolekyylien rakennetta ja ominaisuuksia sekä selvittää niiden vuorovaikutuksen mekanismeja. Biokemia tutkii todellisia elämän prosesseja, niiden esiintymismalleja elävässä organismissa ja näitä prosesseja seuraavien molekyylien muunnoksia. Lopulta molekyylibiologia yrittää vastata kysymykseen, miksi tietty prosessi tapahtuu, kun taas biokemia vastaa kysymyksiin missä ja miten kemiallisesta näkökulmasta kyseinen prosessi tapahtuu.

Tarina

Molekyylibiologia erillisenä biokemian haarana alkoi muotoutua viime vuosisadan 30-luvulla. Silloin elämän ilmiön syvemmälle ymmärtämiselle syntyi tarve kohdennetulle tutkimukselle elävien organismien perinnöllisen tiedon varastointi- ja siirtoprosessien molekyylitasolla. Sitten määritettiin molekyylibiologian tehtävä nukleiinihappojen ja proteiinien rakenteen, ominaisuuksien ja vuorovaikutuksen tutkimuksessa. Termiä "molekyylibiologia" käytti ensimmäisenä englantilainen tiedemies William Astbury tutkimuksissa, jotka liittyivät fibrillaaristen proteiinien, kuten kollageenin, veren fibriinin tai lihasten supistumisproteiinien molekyylirakenteen ja fysikaalisten ja biologisten ominaisuuksien välisiin suhteisiin.

Molekyylibiologian alkuaikoina RNA:ta pidettiin kasvien ja sienten komponenttina ja DNA:ta tyypillisenä eläinsolujen komponenttina. Ensimmäinen tutkija, joka osoitti DNA:n olevan kasveissa, oli Andrei Nikolajevitš Belozersky, joka eristi herneen DNA:n vuonna 1935. Tämä löytö vahvisti sen tosiasian, että DNA on universaali nukleiinihappo, jota esiintyy kasvi- ja eläinsoluissa.

Suuri saavutus oli George Beadlen ja Edward Tatumin perustaminen suorasta syy-seuraussuhteesta geenien ja proteiinien välille. Kokeissaan he paljastivat Neurospora-soluja ( Neurosporacrassa) Röntgensäteily, joka aiheutti mutaatioita. Saadut tulokset osoittivat, että tämä johti muutoksiin tiettyjen entsyymien ominaisuuksissa.

Vuonna 1940 Albert Claude eristi sytoplasmista RNA:ta sisältäviä rakeita eläinsolujen sytoplasmasta, jotka olivat pienempiä kuin mitokondriot. Hän kutsui niitä mikrosomeiksi. Myöhemmin tutkittaessa eristettyjen hiukkasten rakennetta ja ominaisuuksia todettiin niiden perustavanlaatuinen rooli proteiinien biosynteesiprosessissa. Vuonna 1958 ensimmäisessä näille hiukkasille omistetussa symposiumissa näitä hiukkasia päätettiin kutsua ribosomeiksi.

Toinen tärkeä askel molekyylibiologian kehityksessä oli Oswald Averyn, Colin MacLeodin ja MacLean McCarthyn vuonna 1944 julkaistu kokeen tiedot, jotka osoittivat DNA:n olevan syy bakteerien transformaatioon. Tämä oli ensimmäinen kokeellinen todiste DNA:n roolista perinnöllisen tiedon välittämisessä, mikä kumosi aiemmin vallinneen käsityksen geenien proteiiniluonteesta.

Frederick Sanger osoitti 1950-luvun alussa, että proteiiniketju on ainutlaatuinen aminohappotähteiden sekvenssi. 50-luvun lopulla Max Perutz ja John Kendrew selvittivät ensimmäisten proteiinien spatiaalisen rakenteen. Jo vuonna 2000 tunnettiin satoja tuhansia luonnollisia aminohapposekvenssejä ja tuhansia proteiinien spatiaalisia rakenteita.

Samoihin aikoihin Erwin Chargaffin tutkimus antoi hänelle mahdollisuuden muotoilla säännöt, jotka kuvaavat typpipitoisten emästen suhdetta DNA:ssa (säännöissä sanotaan, että DNA:n lajieroista riippumatta guaniinin määrä on yhtä suuri kuin sytosiinin määrä ja adeniini on yhtä suuri kuin teminin määrä), joka myöhemmin auttoi tekemään suurimman läpimurron molekyylibiologiassa ja yhden suurimmat löydöt biologiassa yleensä.

Tämä tapahtuma tapahtui vuonna 1953, kun James Watson ja Francis Crick perustuivat Rosalind Franklinin ja Maurice Wilkinsin teoksiin. Röntgenrakenneanalyysi DNA loi DNA-molekyylin kaksijuosteisen rakenteen. Tämä löytö teki mahdolliseksi vastata peruskysymykseen perinnöllisen tiedon kantajan kyvystä toistaa itseään ja ymmärtää tällaisen tiedon välitysmekanismia. Nämä samat tutkijat muotoilivat typpipitoisten emästen komplementaarisuuden periaatteen, joka on avainasemassa supramolekyylisten rakenteiden muodostumismekanismin ymmärtämisessä. Tämä periaate, jota käytetään nyt kuvaamaan kaikkia molekyylikomplekseja, antaa meille mahdollisuuden kuvata ja ennustaa heikkojen (ei-valenttien) molekyylien välisten vuorovaikutusten esiintymisen olosuhteita, jotka määrittävät sekundääristen, tertiääristen jne. makromolekyylien rakenne, supramolekulaaristen biologisten järjestelmien itsensä kokoamisen kulku, jotka määräävät niin laajan valikoiman molekyylirakenteita ja niiden toiminnallisia kokonaisuuksia. Sitten, vuonna 1953, syntyi Tiede-lehti Journal of Molecular Biology. Sitä johti John Kendrew, jonka tieteellisten intressien alue oli globulaaristen proteiinien rakenteen tutkimus (Nobel-palkinto vuonna 1962 yhdessä Max Perutzin kanssa). V. A. Engelhardt perusti Neuvostoliitossa samanlaisen venäjänkielisen lehden nimeltä "Molecular Biology" vuonna 1966.

Vuonna 1958 Francis Crick muotoili ns. molekyylibiologian keskeinen dogma: ajatus geneettisen tiedon virtauksen peruuttamattomuudesta DNA:sta RNA:n kautta proteiineihin kaavion DNA → DNA (replikaatio, DNA:n kopion luominen), DNA → RNA ( transkriptio, geenien kopiointi), RNA → proteiini (translaatio, dekoodaus tietoa rakenneproteiineista). Tätä dogmaa korjattiin jonkin verran vuonna 1970 ottaen huomioon kertynyt tieto, koska käänteistranskription ilmiön löysivät itsenäisesti Howard Temin ja David Baltimore: löydettiin entsyymi, käänteiskopioija, joka on vastuussa käänteiskopioinnista - kaksoistranskription muodostumisesta. yksijuosteisessa RNA-templaatissa, jota esiintyy onkogeenisissä viruksissa. On huomattava, että tiukka vaatimus geneettisen tiedon kulkusta nukleiinihapoista proteiineihin on edelleen molekyylibiologian perusta.

Vuonna 1957 Alexander Sergeevich Spirin osoitti yhdessä Andrei Nikolajevitš Belozerskyn kanssa, että DNA:n nukleotidikoostumuksessa oli merkittäviä eroja erilaisia ​​organismeja, kokonais-RNA:iden koostumus on samanlainen. Näiden tietojen perusteella he tulivat sensaatiomaiseen johtopäätökseen, että solun kokonais-RNA ei voi toimia geneettisen tiedon kantajana DNA:sta proteiineihin, koska se ei vastaa sitä koostumukseltaan. Samalla he huomasivat, että RNA:ta on pieni osa, joka vastaa nukleotidikoostumukseltaan täysin DNA:ta ja joka voi olla todellinen geneettisen tiedon kantaja DNA:sta proteiineihin. Tämän seurauksena he ennustivat suhteellisen pienten RNA-molekyylien olemassaolon, jotka ovat rakenteellisesti analogisia yksittäisiä alueita DNA ja toimii välittäjinä DNA:n sisältämän geneettisen tiedon siirtämisessä ribosomiin, jossa proteiinimolekyylejä syntetisoidaan tätä tietoa käyttäen. Vuonna 1961 (S. Brenner, F. Jacob, M. Meselson toisaalta ja F. Gros, Francois Jacob ja Jacques Monod olivat ensimmäiset, jotka saivat kokeellisen vahvistuksen tällaisten molekyylien - informaatio (lähetti) RNA:n olemassaolosta. Samaan aikaan he kehittivät DNA:n toiminnallisen yksikön - operonin - käsitteen ja mallin, jonka avulla pystyttiin selittämään tarkasti, miten geeniekspression säätely prokaryooteissa tapahtuu Proteiinien biosynteesin mekanismien ja rakenteellisten periaatteiden tutkiminen molekyylikoneiden - ribosomien - organisointi ja toiminta mahdollisti geneettisen tiedon liikkumista kuvaavan postulaatin, jota kutsutaan molekyylibiologian keskeiseksi dogmaksi: DNA - mRNA on proteiini.

Vuonna 1961 ja muutaman seuraavan vuoden aikana Heinrich Matthai ja Marshall Nirenberg sekä sitten Har Korana ja Robert Holley suorittivat useita tutkimuksia geneettisen koodin tulkitsemiseksi, minkä seurauksena DNA:n rakenteen ja syntetisoidut proteiinit ja nukleotidisekvenssi, joka määrittää proteiinin aminohappojoukon. Tietoa saatiin myös geneettisen koodin universaalisuudesta. Löydökset palkittiin Nobel-palkinnolla vuonna 1968.

RNA:n toimintoja koskevien nykyaikaisten ideoiden kehittämisen kannalta ratkaisevaa oli ei-koodaavien RNA:iden löytäminen, joka perustui Alexander Sergeevich Spirinin ja Andrei Nikolaevich Belozerskyn vuonna 1958, Charles Brennerin ja muiden kirjoittajien sekä Saul Spiegelmanin työn tuloksiin. vuonna 1961. Tämän tyyppinen RNA muodostaa suurimman osan solujen RNA:sta. Ei-koodaaviin RNA:ihin kuuluvat ensisijaisesti ribosomaaliset RNA:t.

Eläinsolujen viljely- ja hybridisointimenetelmät ovat saaneet merkittävää kehitystä. Vuonna 1963 Francois Jacob ja Sidney Brenner muotoilivat ajatuksen replikonista - luontaisesti replikoituvien geenien sekvenssistä, joka selittää tärkeitä näkökohtia geenin replikaation säätelyssä.

Vuonna 1967 A. S. Spirinin laboratoriossa osoitettiin ensimmäisen kerran, että tiiviisti laskostuneen RNA:n muoto määrittää ribosomaalisen partikkelin morfologian.

Vuonna 1968 tehtiin merkittävä perustavanlaatuinen löytö. Okazaki, joka löysi jäljessä olevan juosteen DNA-fragmentteja tutkiessaan replikaatioprosessia, nimesi Okazaki-fragmentit hänen mukaansa, selvensi DNA:n replikaation mekanismia.

Vuonna 1970 Howard Temin ja David Baltimore tekivät itsenäisesti merkittävän löydön: he löysivät revertaasientsyymin, joka on vastuussa käänteistranskriptiosta - kaksijuosteisen DNA:n muodostumisesta yksijuosteiselle RNA-templaatille, jota esiintyy RNA:ta sisältävissä onkogeenisissä viruksissa.

Toinen tärkeä molekyylibiologian saavutus oli mutaatioiden mekanismin selittäminen molekyylitasolla. Tutkimussarjan tuloksena määritettiin mutaatioiden päätyypit: duplikaatiot, inversiot, deleetiot, translokaatiot ja transpositiot. Tämä mahdollisti evoluutiomuutosten tarkastelun geeniprosessien näkökulmasta ja mahdollisti fylogeniassa käytettävän molekyylikellojen teorian kehittämisen.

70-luvun alkuun mennessä muotoiltiin nukleiinihappojen ja proteiinien toiminnan perusperiaatteet elävässä organismissa. Todettiin, että kehon proteiinit ja nukleiinihapot syntetisoidaan matriisimekanismin avulla; matriisimolekyyli kuljettaa salattua tietoa aminohappojen (proteiinissa) tai nukleotidien (nukleiinihapossa) sekvenssistä. Replikaation (DNA-duplikaatio) tai transkription (mRNA-synteesi) aikana DNA toimii sellaisena matriisina, translaation (proteiinisynteesi) tai käänteistranskription aikana mRNA toimii sellaisena matriisina.

Siten luotiin teoreettiset edellytykset molekyylibiologian soveltavien alojen, erityisesti geenitekniikan, kehittämiselle. Vuonna 1972 Paul Berg, Herbert Boer ja Stanley Cohen kehittivät molekyylikloonausteknologiaa. Sitten he olivat ensimmäiset, jotka saivat rekombinantti-DNA:n in vitro. Nämä upeat kokeet loivat perustan geenitekniikalle, ja tätä vuotta pidetään tämän tieteenalan syntymäpäivänä.

Vuonna 1977 Frederick Sanger ja itsenäisesti Allan Maxam ja Walter Gilbert kehittivät erilaisia ​​menetelmiä DNA:n primäärirakenteen (sekvensoinnin) määrittäminen. Sanger-menetelmä, ns. ketjun lopetusmenetelmä, on nykyaikaisen sekvensoinnin perusta. Sekvensointiperiaate perustuu leimattujen emästen käyttöön, jotka toimivat terminaattoreina pyöreässä sekvensointireaktiossa. Tämä menetelmä on tullut laajalle, koska se pystyy suorittamaan analyysit nopeasti.

1976 - Frederick. Sanger salasi faagin φΧ174 DNA:n nukleotidisekvenssin, 5375 nukleotidiparia pitkä.

1981 - Sirppisolutauti tulee ensimmäiseksi geneettinen sairaus, diagnosoitu DNA-analyysillä.

RNA:n katalyyttisen toiminnan löytäminen T. Checkin ja S. Altmanin amerikkalaisissa laboratorioissa vuosina 1982-1983 muutti olemassa olevaa käsitystä proteiinien yksinomaisesta roolista. Analogisesti katalyyttisten proteiinien - entsyymien kanssa, katalyyttisiä RNA:ita kutsuttiin ribotsyymeiksi.

1987 Keri Mullez löysi polymeraasiketjureaktion, jonka ansiosta on mahdollista lisätä keinotekoisesti merkittävästi DNA-molekyylien määrää liuoksessa jatkotyöskentelyä varten. Nykyään tämä on yksi tärkeimmistä molekyylibiologian menetelmistä, jota käytetään perinnöllisten ja perinnöllisten sairauksien tutkimuksessa virustaudit geenien tutkimuksessa ja geneettisessä tunnistamisessa ja sukulaisuuden muodostamisessa jne.

Vuonna 1990 kolme tutkijaryhmää julkaisi samanaikaisesti menetelmän, joka mahdollisti synteettisen toiminnallisesti aktiivisen RNA:n (keinotekoiset ribotsyymit tai molekyylit, jotka ovat vuorovaikutuksessa erilaisten ligandien - aptameerien) nopean saamisen laboratoriossa. Tätä menetelmää kutsutaan "evoluutioksi in vitro". Ja pian sen jälkeen, vuosina 1991-1993, A.B.:n laboratoriossa. Quadruple osoitti kokeellisesti RNA-molekyylien olemassaolon, kasvun ja monistumisen mahdollisuuden pesäkkeiden muodossa kiinteällä alustalla.

Vuonna 1998, lähes samanaikaisesti, Craig Mello ja Andrew Fire kuvasivat mekanismia, joka havaittiin aiemmin geenikokeiden aikana bakteereilla ja kukilla. RNA:n häiriö, jossa pieni kaksijuosteinen RNA-molekyyli johtaa spesifiseen geeniekspression suppressioon.

RNA-interferenssimekanismin löytämisellä on erittäin tärkeä käytännön merkitys nykyaikaiselle molekyylibiologialle. Tätä ilmiötä käytetään laajalti tieteellisissä kokeissa välineenä "sammutukseen" eli yksittäisten geenien ilmentymisen tukahduttamiseen. Erityisen mielenkiintoista on se tosiasia, että tämä menetelmä mahdollistaa tutkittavien geenien aktiivisuuden palautuvan (tilapäisen) tukahdutuksen. Parhaillaan tutkitaan mahdollisuutta käyttää tätä ilmiötä virus-, kasvain-, rappeuma- ja aineenvaihduntasairauksien hoidossa. On huomattava, että vuonna 2002 löydettiin mutanttipolioviruksia, jotka pystyivät välttämään RNA:n häiriötä, joten tarvitaan enemmän vaivalloista työtä todellisen tehokkaita menetelmiä tähän ilmiöön perustuva hoito.

Vuosina 1999-2001 useat tutkijaryhmät määrittelivät bakteeriribosomin rakenteen 5,5 - 2,4 angströmin resoluutiolla.

Tuote

Molekyylibiologian saavutuksia elävän luonnon tuntemisessa on vaikea yliarvioida. Menestystä on saavutettu onnistuneen tutkimuskonseptin ansiosta: monimutkaisia ​​biologisia prosesseja tarkastellaan yksittäisten molekyylijärjestelmien näkökulmasta, mikä mahdollistaa tarkkojen fysikaalis-kemiallisten tutkimusmenetelmien käytön. Tämä houkutteli tälle tieteenalalle myös monia suuria mieliä läheisiltä aloilta: kemiasta, fysiikasta, sytologiasta, virologiasta, millä oli myös suotuisa vaikutus kehityksen mittakaavaan ja nopeuteen. tieteellinen tietämys tällä alueella. Sellaiset merkittävät löydöt kuin DNA:n rakenteen määrittäminen, geneettisen koodin purkaminen ja keinotekoisesti kohdennettu genomin muuntaminen ovat mahdollistaneet merkittävästi paremmin organismien kehitysprosessien erityispiirteiden ymmärtämisen ja onnistuneet ratkaisemaan lukuisia tärkeitä perustavanlaatuisia ja soveltavia tieteellisiä, lääketieteellisiä ja sosiaaliset ongelmat, joita ei niin kauan sitten pidetty ratkaisemattomina.

Molekyylibiologian tutkimuskohteena ovat pääasiassa proteiinit, nukleiinihapot ja niihin perustuvat molekyylikompleksit (molekyylikoneet) ja prosesseja, joihin ne osallistuvat.

Nukleiinihapot ovat lineaarisia polymeerejä, jotka koostuvat nukleotidiyksiköistä (yhdisteet viisijäsenisestä sokerista, jossa on fosfaattiryhmä syklin viidennessä atomissa ja yksi neljästä typpipitoisesta emäksestä), jotka on yhdistetty toisiinsa fosfaattiryhmien esterisidoksella. Siten nukleiinihappo on pentoosifosfaattipolymeeri, jossa on typpipitoisia emäksiä sivusubstituentteina. Kemiallinen koostumus RNA-ketjut eroavat DNA:sta siinä, että edellinen koostuu hiilihydraattiriboosin viisijäsenisestä syklistä, kun taas jälkimmäinen koostuu dehydroksiriboosijohdannaisesta, deoksiriboosista. Lisäksi spatiaalisesti nämä molekyylit eroavat radikaalisti, koska RNA on joustava yksijuosteinen molekyyli, kun taas DNA on kaksijuosteinen molekyyli.

Proteiinit ovat lineaarisia polymeerejä, jotka ovat alfa-aminohappoketjuja, jotka on liitetty toisiinsa peptidisidoksilla, mistä johtuu niiden toinen nimi - polypeptidit. Luonnolliset proteiinit sisältävät monia erilaisia ​​aminohappoyksiköitä – ihmisillä jopa 20 – mikä määrää näiden molekyylien monenlaisia ​​toiminnallisia ominaisuuksia. Tietyt proteiinit osallistuvat lähes kaikkiin kehon prosesseihin ja suorittavat monia tehtäviä: ne toimivat solujen rakennusmateriaalina, kuljettavat aineita ja ioneja, katalysoivat kemialliset reaktiot, - tämä lista on erittäin pitkä. Proteiinit muodostavat stabiileja molekyylikonformaatioita eri organisaatiotasoilla (sekundaari- ja tertiääriset rakenteet) ja molekyylikomplekseja, mikä entisestään laajentaa niiden toiminnallisuutta. Näillä molekyyleillä voi olla korkea spesifisyys tiettyjen tehtävien suorittamiseen monimutkaisen spatiaalisen pallomaisen rakenteen muodostumisen vuoksi. Proteiinien laaja valikoima takaa tutkijoiden jatkuvan kiinnostuksen tämäntyyppisiä molekyylejä kohtaan.

Nykyaikaiset ajatukset molekyylibiologian aiheesta perustuvat yleistykseen, jonka Francis Crick esitti ensimmäisen kerran vuonna 1958 molekyylibiologian keskeisenä dogmana. Sen ydin oli väite, että geneettinen informaatio elävissä organismeissa käy läpi tiukasti määritellyt toteutusvaiheet: kopiointi DNA:sta DNA:han perinnön sisääntulossa, DNA:sta RNA:han ja sitten RNA:sta proteiiniin, eikä käänteinen siirtyminen ole mahdollista. Tämä väite piti vain osittain totta, joten keskeistä dogmaa korjattiin myöhemmin esiin tulleita uusia tietoja silmällä pitäen.

Tällä hetkellä tunnetaan useita tapoja toteuttaa geneettistä materiaalia, jotka edustavat erilaisia ​​toteutusjaksoja kolme tyyppiä geneettisen tiedon olemassaolo: DNA, RNA ja proteiini. Yhdeksältä mahdollisia tapoja toteutukset on jaettu kolmeen ryhmään: nämä ovat kolme yleistä muutosta (yleistä), joita esiintyy normaalisti useimmissa elävissä organismeissa; kolme erityistä muutosta (erityinen), jotka suoritetaan joissakin viruksissa tai erityisissä viruksissa laboratorioolosuhteet; kolme tuntematonta muunnosa (tuntematon), joiden toteuttamista pidetään mahdottomaksi.

Yleiset muunnokset sisältävät seuraavat tavat toteuttaa geneettinen koodi: DNA → DNA (replikaatio), DNA → RNA (transkriptio), RNA → proteiini (translaatio).

Perinnöllisten ominaisuuksien siirtämiseksi vanhempien on siirrettävä täydellinen DNA-molekyyli jälkeläisilleen. Prosessia, jolla alkuperäisestä DNA:sta voidaan syntetisoida tarkka kopio ja siten siirtää geneettistä materiaalia, kutsutaan replikaatioksi. Sen suorittavat erityiset proteiinit, jotka purkavat molekyylin (oikaisevat sen osan), purkavat kaksoiskierteen ja luovat DNA-polymeraasin avulla tarkan kopion alkuperäisestä DNA-molekyylistä.

Solun elämän varmistamiseksi sen on jatkuvasti viitattava DNA:n kaksoiskierteeseen upotettuun geneettiseen koodiin. Tämä molekyyli on kuitenkin liian suuri ja kömpelö käytettäväksi suorana geneettisen materiaalin lähteenä jatkuvaan proteiinisynteesiin. Siksi DNA:n sisältämän tiedon toteuttamisprosessissa on välivaihe: mRNA:n synteesi, joka on pieni yksijuosteinen molekyyli, joka on komplementaarinen tiettyä proteiinia koodaavalle DNA-segmentille. Transkriptioprosessi suoritetaan RNA-polymeraasin ja transkriptiotekijöiden avulla. Tuloksena oleva molekyyli voidaan sitten helposti kuljettaa proteiinisynteesistä vastaavaan solun osaan - ribosomiin.

Sen jälkeen kun RNA on saapunut ribosomiin, alkaa geneettisen tiedon täytäntöönpanon viimeinen vaihe. Tässä tapauksessa ribosomi lukee geneettisen koodin mRNA:sta kodoneiksi kutsuttuina tripletteinä ja syntetisoi vastaavan proteiinin vastaanotetun tiedon perusteella.

Erityisten transformaatioiden aikana geneettinen koodi toteutetaan kaavion mukaisesti RNA→RNA (replikaatio), RNA→DNA (käänteistranskriptio), DNA→proteiini (suora translaatio). Tämän tyyppinen replikaatio tapahtuu monissa viruksissa, joissa sen suorittaa RNA-riippuvainen RNA-polymeraasientsyymi. Samanlaisia ​​entsyymejä löytyy eukaryoottisoluista, joissa ne liittyvät RNA:n hiljennysprosessiin. Käänteistranskriptiota löytyy retroviruksista, joissa se tapahtuu käänteiskopioijaentsyymin vaikutuksesta, ja joissain tapauksissa myös eukaryoottisolut esimerkiksi telomeerisynteesin aikana. Suora lähetys suoritetaan vain keinotekoisissa olosuhteissa eristetyssä järjestelmässä solun ulkopuolella.

Mitä tahansa kolmesta mahdollisesta geneettisen tiedon siirtymisestä proteiinista proteiiniin, RNA:han tai DNA:han pidetään mahdottomana. Tapaus prionien vaikutuksesta proteiineihin, jonka seurauksena samanlainen prioni muodostuu, voidaan ehdollisesti katsoa geneettisen informaation proteiinin → proteiinin toteutustyypiksi. Muodollisesti se ei kuitenkaan ole sellainen, koska se ei vaikuta proteiinin aminohapposekvenssiin.

Termin "keskeinen dogmi" alkuperähistoria on mielenkiintoinen. Koska sana dogma tarkoittaa yleisesti väitettä, jota ei ole epäilty ja sanalla itsessään on selkeät uskonnolliset konnotaatiot, sen valinta tieteellisen tosiasian kuvaukseksi ei ole täysin oikeutettu. Francis Crickin itsensä mukaan tämä oli hänen virheensä. Hän halusi antaa ehdotetulle teorialle suuremman merkityksen, erottaa sen muista teorioista ja hypoteeseista; Miksi hän päätti käyttää tätä majesteettista, hänen mielestään sanaa ymmärtämättä sen todellista merkitystä? Nimi jäi kuitenkin kiinni.

Molekyylibiologia tänään

Molekyylibiologian nopea kehitys, jatkuva yleinen kiinnostus alan edistystä kohtaan ja tutkimuksen objektiivinen merkitys ovat johtaneet siihen, että ympäri maailmaa on syntynyt suuri määrä suuria molekyylibiologian tutkimuskeskuksia. Suurimmista mainittakoon seuraavat: Laboratory of Molecular Biology Cambridgessa, Royal Institution Lontoossa - Isossa-Britanniassa; molekyylibiologian instituutit Pariisissa, Marseillessa ja Strasbourgissa, Pasteur-instituutti - Ranskassa; molekyylibiologian laitokset Harvardin yliopistossa ja Massachusetts Institute of Technologyssa, Berkeleyn yliopistossa, California Institute of Technologyssa, Rockefeller Universityssä ja Bethesda Institute of Healthissa - Yhdysvalloissa; Max Planck -instituutit, Göttingenin ja Münchenin yliopistot, Berliinin molekyylibiologian keskusinstituutti, Jenan ja Hallen instituutit - Saksassa; Karolinska Institutet Tukholmassa Ruotsissa.

Venäjällä tämän alan johtavat keskukset ovat nimetty molekyylibiologian instituutti. V.A. Engelhardt RAS, Institute of Molecular Genetics RAS, Institute of Gene Biology RAS, Institute of Physical and Chemical Biology nimetty. A. N. Belozersky Moskovan valtionyliopisto on nimetty. M.V. Lomonosov, Biokemian instituutti nimetty. A.N.Bach RAS ja Protein RAS -instituutti Pushchinossa.

Nykyään molekyylibiologien kiinnostusalue kattaa laaja valikoima perustavanlaatuinen tieteellisiä kysymyksiä. Johtava rooli on edelleen nukleiinihappojen rakenteen ja proteiinien biosynteesin tutkiminen, erilaisten solunsisäisten rakenteiden ja solupintojen rakenteen ja toiminnan tutkimukset. Tärkeitä tutkimusalueita ovat myös vastaanotto- ja signaalinsiirtomekanismien tutkiminen, molekyylimekanismit yhdisteiden kuljettaminen solun sisällä sekä solusta ulkoiseen ympäristöön ja takaisin. Sovellettavan molekyylibiologian tieteellisen tutkimuksen pääsuuntauksista yksi tärkeimmistä prioriteeteista on kasvainten syntymisen ja kehityksen ongelma. Myös erittäin tärkeä molekyylibiologian alan - molekyyligenetiikan - tutkima alue on molekyylien esiintymisen molekyyliperustan tutkiminen. perinnölliset sairaudet, ja virustaudit, kuten AIDS, sekä keinojen kehittäminen niiden ehkäisemiseksi ja mahdollisesti hoitamiseksi geenitasolla. Molekyylibiologien löydöt ja kehitys vuonna Oikeuslääketiede. Venäjän, Yhdysvaltojen ja Ison-Britannian tutkijat tekivät 80-luvulla todellisen vallankumouksen henkilötunnistuksen alalla "genomisen sormenjälkien" - yksilön tunnistamisen DNA:n - menetelmän kehittämisen ja päivittämisen ansiosta. Tämän alan tutkimus ei pysähdy tähän päivään asti, nykyaikaiset menetelmät mahdollistavat henkilön identiteetin toteamisen prosentin miljardisosan virhetodennäköisyydellä. Jo käynnissä on aktiivinen geneettisen passin hankkeen kehittäminen, jonka odotetaan vähentävän rikollisuutta huomattavasti.

Metodologia

Nykyään molekyylibiologialla on laaja arsenaali menetelmiä, joiden avulla se voi ratkaista edistyneimmät ja monimutkaisimmat tutkijoiden kohtaamat ongelmat.

Yksi yleisimmistä menetelmistä molekyylibiologiassa on geelielektroforeesi, joka ratkaisee ongelman makromolekyylien seoksen erottamisesta koon tai varauksen mukaan. Lähes aina geelissä olevien makromolekyylien erottamisen jälkeen käytetään blottausta, menetelmää, jonka avulla makromolekyylit voidaan siirtää geelistä (sorboitua) kalvon pinnalle niiden kanssa tehtävän jatkotyöskentelyn, erityisesti hybridisoinnin, helpottamiseksi. Hybridisaatio eli hybridi-DNA:n muodostaminen kahdesta eri luonteisesta ketjusta on menetelmä, jolla on tärkeä rooli perustutkimus. Sitä käytetään määrittämään täydentäviä segmenttejä eri DNA:ssa (eri lajien DNA), sitä käytetään uusien geenien etsimiseen, sen avulla löydettiin RNA-interferenssi ja sen periaate muodosti perustan genomisen sormenjälkien ottamiselle.

Tärkeä rooli molekyylibiologisen tutkimuksen nykyaikaisessa käytännössä on sekvensointimenetelmällä - nukleiinihappojen nukleotidisekvenssin ja proteiineissa olevien aminohappojen sekvenssin määrittämisellä.

Nykyaikaista molekyylibiologiaa ei voida kuvitella ilman polymeraasimenetelmää. ketjureaktio(PCR). Tämän menetelmän ansiosta tietyn DNA-sekvenssin kopioiden määrää lisätään (monistetaan), jotta yhdestä molekyylistä saadaan riittävä määrä ainetta sen kanssa jatkotyöskentelyyn. Samanlainen tulos saavutetaan molekyylikloonaustekniikalla, jossa vaadittu nukleotidisekvenssi viedään bakteerien (elävien järjestelmien) DNA:han, minkä jälkeen bakteerien lisääntyminen johtaa haluttuun tulokseen. Tämä lähestymistapa on teknisesti paljon monimutkaisempi, mutta sen avulla voidaan samanaikaisesti saada tulos tutkittavan nukleotidisekvenssin ilmentymisestä.

Myös molekyylibiologisessa tutkimuksessa käytetään laajasti ultrasentrifugointimenetelmiä (makromolekyylien (suurten määrien), solujen, organellien erottamiseen), elektroni- jaä, spektrofotometrisiä menetelmiä, röntgendiffraktioanalyysiä, autoradiografiaa jne.

Teknologisen kehityksen ja kemian, fysiikan, biologian ja tietojenkäsittelytieteen alan tieteellisen tutkimuksen ansiosta nykyaikaiset laitteet mahdollistavat yksittäisten geenien ja niihin liittyvien prosessien eristämisen, tutkimisen ja muuttamisen.