הרצאה 1. קונספט ביולוגיה מולקולריתוהשלבים העיקריים של התפתחותו

הגדרת הנושא ביולוגיה מולקולרית

המונח "ביולוגיה מולקולרית" מקורו בחתן פרס נובל פרנסיס קריק, ש"נמאס להכריז על עצמו כתערובת של קריסטלוגרף, ביוכימאי, ביופיזיקאי וגנטיקאי כשנשאל על המקצוע שלו".

לאחר הפצצת האטום של הירושימה ונגסאקי ב-1945, החלו מדענים לברוח מהפיסיקה, וב-1947 חתן פרס נובלהפיזיקאי ארווין שרדינגר כתב את הספר "מהם חיים מנקודת מבט של פיזיקאי?", שמשך פיסיקאים ומתמטיקאים רבים לביולוגיה.

הגדרת המושג

ביולוגיה מולקולרית היא המדע של מנגנוני אחסון, רבייה, העברה ויישום של מידע גנטי, המבנה והתפקודים של ביו-פולימרים לא סדירים - חומצות גרעין וחלבונים.

החל בחקר תהליכים ביולוגיים ברמה המולקולרית-אטומית, הביולוגיה המולקולרית עברה למבנים תאיים על-מולקולריים מורכבים, וכיום פותרת בהצלחה בעיות של גנטיקה, פיזיולוגיה, אבולוציה ואקולוגיה.

שלבים עיקריים בהתפתחות הביולוגיה המולקולרית

1. תקופה רומנטית ראשונה 1935-1944

מקס דלבריק וסלבדור לוריא חקרו את הרבייה של פאגים ווירוסים, שהם קומפלקסים של חומצות גרעין עם חלבונים.

בשנת 1940, ג'ורג' בידל ואדוארד טייטום ניסחו את השערת "גן אחד, אנזים אחד". עם זאת, עדיין לא היה ידוע מהו גן במונחים פיזיקוכימיים.

2. תקופה רומנטית שנייה 1944-1953

התפקיד הגנטי של ה-DNA הוכח. ב-1953 הופיע דגם הסליל הכפול של DNA, שעליו זכו יוצריו ג'יימס ווטסון, פרנסיס קריק ומוריס וילקינס בפרס נובל.

3. תקופה דוגמטית 1953-1962

הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית מנוסחת:

העברת המידע הגנטי הולכת בכיווןDNA → RNA → חלבון.

ב-1962 הוא פוענח קוד גנטי.

4. תקופה אקדמית משנת 1962 ועד היום, שבה מאז 1974 יש תת-תקופת הנדסה גנטית.

אוק נובנה ה תגליות

1944 . עדות לתפקיד הגנטי של ה-DNA.אוסוולד אייברי, קולין מקלאוד, מקלין מקארתי.

1953 . ביסוס מבנה ה-DNA.ג'יימס ווטסון, פרנסיס קריק.

1961 . גילוי של ויסות גנטי של סינתזת אנזים.אנדרה לבוב, פרנסואה ג'ייקוב, ז'אק מונוד.

1962 . פענוח הקוד הגנטי.מרשל נירנברג, היינריך מאטי, סברו אוצ'ואה.

1967 סִינתֶזָה במבחנהDNA פעיל ביולוגית. ארתור קורנברג (מנהיג בלתי פורמלי של ביולוגיה מולקולרית).

1970 . סינתזת גנים כימית.גובינד מהקוראן.

1970 . גילוי האנזים הפוך טרנסקריפטאז ותופעת השעתוק ההפוך.הווארד טמין, דיוויד בולטימור, רנאטו דולבקו.

1974 . גילוי של אנזימי הגבלה.המילטון סמית', דניאל נתנס, ורנר ארבר.

1978 . גילוי של שחבור.פיליפ שארפ.

1982 . גילוי של שחבור אוטומטי.תומאסצ'ק.

עדות לתפקיד הגנטי של חומצות גרעין

1 . 1928. הניסויים של פרדריק גריפית.

גריפית' עבד עם פנאומוקוקים- חיידקים הגורמים לדלקת ריאות. הוא לקח שני זנים של פנאומוקוקים: קפסולרי ולא קפסולרי. קפסולרי - פתוגני (אריס), כאשר נדבקים בזן זה, עכברים מתים, לא קפסוליים - לא פתוגניים. כאשר הוזרקה לעכברים תערובת של פנאומוקוקי קפסולריים מומתים בחום (ולכן איבדו ארסיות) וחיידקים חיים שאינם קפסולריים, לא ארסיים, החיות מתו כתוצאה מהתפשטות של צורות ארסיות קפסולריות. גריפית' פירש את התופעה שהתגלתה כטרנספורמציה.

הַגדָרָה:

טרנספורמציה היא רכישה על ידי אורגניזם אחד של מאפיינים מסוימים של אורגניזם אחר עקב לכידת חלק מהמידע הגנטי שלו.

בשנת 1944, ניסוי זה חזר על עצמו על ידי אוסוולד אייברי, קולין מקלאוד ומקלין מקארתי בגרסה של ערבוב פנאומוקוקי אקפסולריים עם חלבונים, פוליסכרידים או DNA שנלקחו מכמוסות. כתוצאה מניסוי זה, התגלה טבעו של הגורם המשתנה.

התברר שה-DNA הוא הגורם המשתנה.

2 . 1952 ניסוי אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס. פאגים (בקטריופאג'ים) הם וירוסים המתרבים בחיידקים. ה. coli - coli(אובקטריה).

מהות החוויה:פאגים שבהם מעטפת החלבון סומנה עם גופרית רדיואקטיבית ( S 35 ), וה-DNA עם זרחן רדיואקטיבי (P 32), הודגרה עם חיידקים. לאחר מכן נשטפו החיידקים.

P 32 לא זוהה במי שטיפה, אלא בחיידקים - S 35 . לָכֵן, רק DNA נכנס פנימה.לאחר מספר דקות, יצאו מהחיידק עשרות פאגים מלאים המכילים גם מעטפת חלבון וגם DNA.

זה הוביל למסקנה הברורה ש זהו ה-DNA שמבצע תפקיד גנטי - הוא נושא מידע על יצירת עותקים חדשים של DNA, קרציה וסינתזה של חלבוני פאג'.

3 . 1957 ניסויי פרנקל-קונרת'.

פרנקל-קונרת' עבדה עם וירוס פסיפס הטבק (TMV). הנגיף הזה מכיל RNA, לא DNA. היה ידוע שזנים שונים של הנגיף גורמים לדפוסי נזק שונים לעלי הטבק. לאחר החלפת מעטפת החלבון, הנגיפים ה"מוסווים" גרמו לתבנית נגעים האופיינית לזן שה-RNA שלו מכוסה בחלבון זר.

לָכֵן, לא רק DNA, אלא גם RNA יכולים לשמש כנושא של מידע גנטי.

כיום קיימות מאות אלפי עדויות לתפקיד הגנטי של חומצות גרעין. השלושה שלעיל הם קלאסיקות.

הביולוגיה המולקולרית חוותה תקופה של התפתחות מהירה של שיטות מחקר משלה, אשר כעת שונה מביוכימיה. אלה כוללים, במיוחד, שיטות של הנדסה גנטית, שיבוט, ביטוי מלאכותי ונוקאאוט גנים. מכיוון שה-DNA הוא הנשא החומרי של מידע גנטי, הביולוגיה המולקולרית התקרבה משמעותית לגנטיקה, ובצומת נוצרה הגנטיקה המולקולרית, שהיא גם ענף של גנטיקה וביולוגיה מולקולרית. כשם שהביולוגיה המולקולרית עושה שימוש נרחב בווירוסים ככלי מחקר, וירולוגיה משתמשת בשיטות ביולוגיה מולקולרית כדי לפתור את בעיותיה. טכנולוגיית מחשב משמשת לניתוח מידע גנטי, ולכן צצו תחומים חדשים של גנטיקה מולקולרית, הנחשבים לעתים לתחומים מיוחדים: ביואינפורמטיקה, גנומיקה ופרוטאומיקה.

היסטוריה של התפתחות

התגלית המכוננת הזו הוכנה על ידי תקופה ארוכה של מחקר על הגנטיקה והביוכימיה של וירוסים וחיידקים.

בשנת 1928, פרדריק גריפית הראה לראשונה כי תמצית של חום הרג חיידקים פתוגנייםיכול להעביר פתוגניות לחיידקים לא מסוכנים. חקר הטרנספורמציה של חיידקים הוביל לאחר מכן לטיהור הגורם הפתוגני, שבניגוד לציפיות, התברר שהוא לא חלבון, אלא חומצת גרעין. חומצת הגרעין עצמה אינה מסוכנת; היא נושאת רק גנים שקובעים את הפתוגניות ותכונות אחרות של המיקרואורגניזם.

בשנות ה-50 של המאה ה-20, הוכח שלחיידקים יש תהליך מיני פרימיטיבי; הם מסוגלים להחליף DNA ופלסמידים חוץ-כרומוזומליים. גילוי הפלסמידים, כמו גם הטרנספורמציה, היוו את הבסיס לטכנולוגיית הפלסמידים, הנפוצה בביולוגיה מולקולרית. תגלית חשובה נוספת למתודולוגיה הייתה גילוי נגיפים ובקטריופאג'ים חיידקיים בתחילת המאה ה-20. פאג'ים יכולים גם להעביר חומר גנטי מתא חיידקי אחד למשנהו. זיהום של חיידקים על ידי פאג'ים מוביל לשינויים בהרכב ה-RNA החיידקי. אם ללא פאגים הרכב ה-RNA דומה להרכב ה-DNA החיידקי, אז לאחר ההדבקה ה-RNA הופך דומה יותר ל-DNA של בקטריופאג'. לפיכך, נקבע כי מבנה ה-RNA נקבע על ידי מבנה ה-DNA. בתורו, קצב סינתזת החלבון בתאים תלוי בכמות הקומפלקסים של חלבון RNA. כך זה התגבש הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית: DNA ↔ RNA → חלבון.

המשך הפיתוח של הביולוגיה המולקולרית לווה הן בפיתוח המתודולוגיה שלה, בפרט, בהמצאת שיטה לקביעת רצף הנוקלאוטידים של ה-DNA (W. Gilbert and F. Sanger, פרס נובל לכימיה 1980), והן בתגליות חדשות. בתחום המחקר על מבנה ותפקודם של גנים (ראה תולדות הגנטיקה). עד תחילת המאה ה-21 התקבלו נתונים על המבנה הראשוני של כל ה-DNA בבני אדם ומספר אורגניזמים אחרים, החשובים ביותר לרפואה, חקלאות ו מחקר מדעי, מה שהוביל להופעתם של כמה כיוונים חדשים בביולוגיה: גנומיקה, ביואינפורמטיקה וכו'.

ראה גם

• ביולוגיה מולקולרית (כתב עת)
• Transcriptomics
• פליאונטולוגיה מולקולרית
• EMBO- ארגון אירופי ביולוגים מולקולריים

סִפְרוּת

• הזמר מ., ברג פ.גנים וגנומים. - מוסקבה, 1998.
• Stent G., Kalindar R.גנטיקה מולקולרית. - מוסקבה, 1981.
• Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T.שיבוט מולקולרי. - 1989.
• פטרושב ל.י.ביטוי גנים. - M.: Nauka, 2000. - 000 p., ill. ISBN 5-02-001890-2

קישורים

• חומרים על ביולוגיה מולקולרית מהאקדמיה הרוסית למדעים

קרן ויקימדיה. 2010.

• מחוז ארדטובסקי, אזור ניז'ני נובגורוד
• מחוז ארזמאס של אזור ניז'ני נובגורוד

ראה מהי "ביולוגיה מולקולרית" במילונים אחרים:

ביולוגיה מולקולרית- לימודים בסיסיים תכונות וביטויים של חיים ברמה המולקולרית. הכיוונים החשובים ביותר במ. ב. הם מחקרים על הארגון המבני והתפקודי של המנגנון הגנטי של התאים והמנגנון ליישום מידע תורשתי... ... מילון אנציקלופדי ביולוגי

ביולוגיה מולקולרית- חוקר את התכונות והביטויים הבסיסיים של החיים ברמה המולקולרית. מגלה כיצד ובאיזו מידה צמיחה והתפתחות של אורגניזמים, אחסון והעברה של מידע תורשתי, טרנספורמציה של אנרגיה בתאים חיים ותופעות אחרות נגרמים על ידי... מילון אנציקלופדי גדול

ביולוגיה מולקולרית אנציקלופדיה מודרנית

ביולוגיה מולקולרית- BIOLOGY MOLECULAR, המחקר הביולוגי של המבנה והתפקוד של המולקולות המרכיבות אורגניזמים חיים. תחומי הלימוד העיקריים כוללים פיזיים ו תכונות כימיותחלבונים וחומצות NUCLEIC כגון DNA. ראה גם… … מילון אנציקלופדי מדעי וטכני

ביולוגיה מולקולרית- קטע בביולוגיה החוקר את התכונות והביטויים הבסיסיים של החיים ברמה המולקולרית. מגלה כיצד ובאיזו מידה צמיחה והתפתחות של אורגניזמים, אחסון והעברה של מידע תורשתי, טרנספורמציה של אנרגיה בתאים חיים ו... ... מילון מיקרוביולוגיה

ביולוגיה מולקולרית- - נושאי ביוטכנולוגיה EN ביולוגיה מולקולרית ... מדריך למתרגם טכני

ביולוגיה מולקולרית- ביולוגיה מולקולרית, חוקרת את התכונות והביטויים הבסיסיים של החיים ברמה המולקולרית. מגלה כיצד ובאיזו מידה צמיחה והתפתחות של אורגניזמים, אחסון והעברה של מידע תורשתי, טרנספורמציה של אנרגיה בתאים חיים ו... ... מילון אנציקלופדי מאויר

ביולוגיה מולקולרית- מדע שמטרתו להבין את טבען של תופעות חיים על ידי לימוד עצמים ומערכות ביולוגיות ברמה המתקרבת לרמה המולקולרית, ובמקרים מסוימים מגיעים לגבול זה. המטרה הסופית היא........... האנציקלופדיה הסובייטית הגדולה

ביולוגיה מולקולרית- חוקר את תופעות החיים ברמת מקרומולקולות (בעיקר חלבונים וחומצות גרעין) במבנים נטולי תאים (ריבוזומים וכו'), בווירוסים וכן בתאים. מטרה מ.ב. ביסוס התפקיד ומנגנון התפקוד של מקרומולקולות אלו בהתבסס על... ... אנציקלופדיה כימית

ביולוגיה מולקולרית- חוקר את התכונות והביטויים הבסיסיים של החיים ברמה המולקולרית. מגלה כיצד ובאיזו מידה צמיחה והתפתחות של אורגניזמים, אחסון והעברה של מידע תורשתי, טרנספורמציה של אנרגיה בתאים חיים ותופעות אחרות... ... מילון אנציקלופדי

ביולוגיה מולקולרית,מחקר מפורט של תאים חיים ושלהם רכיבים(אברונים), התחקות אחר תפקידן של תרכובות בודדות שניתן לזהות בתפקוד של מבנים אלה. תחום הביולוגיה המולקולרית כולל חקר כל התהליכים הקשורים לחיים, כגון תזונה והפרשה, נשימה, הפרשה, גדילה, רבייה, הזדקנות ומוות. ההישג החשוב ביותר של הביולוגיה המולקולרית הוא פענוח הקוד הגנטי והבהרת המנגנון שבאמצעותו התא משתמש במידע הנחוץ, למשל, לסינתזה של אנזימים. מחקר ביולוגי מולקולרי תורם גם להבנה מלאה יותר של תהליכי חיים אחרים - פוטוסינתזה, נשימה תאית ופעילות שרירים.

בביולוגיה מולקולרית מעדיפים לעבוד עם מערכות פשוטות יחסית, כמו אורגניזמים חד-תאיים (חיידקים, כמה אצות), שבהן מספר הרכיבים קטן יחסית, ולכן קל יותר להבחנה. אבל גם זה מצריך שיטות מתוחכמות מאוד על מנת לאתר במדויק חומרים בודדים ולהבדיל ביניהם מכל האחרים.

בהתבסס על גישות ומכשור פיזיקוכימי, פותחו מכשירים ושיטות מורכבים ורגישים המותאמים לעבודה עם תרכובות אורגניותמערכות חיים. שיטת האוטורדיוגרפיה מבוססת על הכללת אטומים רדיואקטיביים, מה שנקרא, בחומרים מסוימים. "תג רדיואקטיבי", המאפשר לך לעקוב - על ידי קרינה הנפלטת - את התמורות הכימיות של חומרים אלה. כאשר לומדים חומרים נמוכים מולקולריים, משתמשים בשיטות המאפשרות לשלב מולקולות קטנות של חומר לתוך מה שנקרא. מקרומולקולות גדולות מספיק כדי להבחין בהגדלה גבוהה במיקרוסקופ אלקטרוני תמסורת. קבע על ידי עקיפה בקרני רנטגן צורה כלליתמקרומולקולות, כפי שנעשה, למשל, עם חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA). להפריד בין תערובת של חומרים שונים בגודל ובהרכב הכימי, הבדלים במהירות תנועתם בשדה חשמלי (שיטת אלקטרופורזה) או קצבי דיפוזיה שונים בממס הזורם דרך שלב נייח, כגון נייר (שיטת כרומטוגרפיה) , משומשים.

באמצעות אנזימים מתאימים ניתן לקבוע את רצף הנוקלאוטידים של הגנים, וממנו את רצף חומצות האמינו של חלבונים מסונתזים. אם בבעלי חיים סוגים שוניםרצפי הנוקלאוטידים של גנים המקודדים לחלבונים המשותפים להם, למשל המוגלובין, קרובים, ניתן להסיק שבעבר לבעלי חיים אלו היה אב קדמון משותף. אם ההבדלים בגנים שלהם גדולים, אז ברור שההתבדלות של מינים מאב קדמון משותף התרחשה הרבה קודם לכן. מחקרים ביולוגיים מולקולריים כאלה פתחו גישה חדשה לחקר האבולוציה של אורגניזמים.

תרומה חשובה לרפואה צריכה להיעשות על ידי זיהוי וירוסים לפי הרכבם. בעזרתו ניתן, למשל, לקבוע כי נגיף הגורם למחלה מסוימת בבני אדם מקנן באופן טבעי בחיית בר כלשהי, ממנה מועברת המחלה לבני אדם. אם לא מתגלים תסמינים של המחלה בבעלי חיים המשמשים כמאגר של הנגיף הזה בטבע, אז כנראה שפועל כאן איזשהו מנגנון חסינות, ואז עולה משימה חדשה - ללמוד את המנגנון הזה כדי לנסות לכלול אותו מערכת החיסוןאדם.

ביולוגיה מולקולריתמאוחר lat. מולקולה, זעיר של Lat. מסה שומות; ביולוגיה) הוא מדע רפואי וביולוגי החוקר את תופעות החיים ברמת מקרומולקולות ביולוגיות - חלבונים וחומצות גרעין, כגון מערכות פשוטות, כמבנים נטולי תאים, וירוסים וכגבול, ברמה התאית. רוב החפצים הללו הם דוממים או ניחנים בביטויים יסודיים של חיים. עמדתו של מ' ב. במערכת הביול, המדעים נקבעים על ידי רעיונות לגבי הרמות המבניות של החומר החי, כלומר צורות חיים מפותחות אבולוציונית, החל בצעדים פרה-ביוטיים וכלה במערכות מורכבות: מולקולות אורגניות קטנות - מקרומולקולות - מבנים של תאים ותת-תאיים - אורגניזם, וכו', בהתאמה רמות ידע נבנות גם בקרים. מבחינה היסטורית מ.ב. נוצרו כתוצאה מחקר מקרומולקולות ביולוגיות, שבגללן M. b. נחשב כחלק של ביוכימיה (ראה). מ.ב. הוא, במקביל, מדע גבול שצמח בצומת של ביוכימיה, ביופיסיקה (ראה), כימיה אורגנית (ראה), ציטולוגיה (ראה) וגנטיקה (ראה). רעיון מ.ב. מורכב מחשיפת המנגנונים היסודיים של התהליכים הבסיסיים של החיים - תורשה (ראה), שונות (ראה), תנועה וכו' - באמצעות חקר ביול, מקרומולקולות. Molecular Biol. רעיונות מצאו קרקע פורייה בעיקר בגנטיקה – צמחה גנטיקה מולקולרית (ראו), וכאן הושגו תוצאות שתרמו להתפתחותו של מ.ב. והכרה בעקרונותיה. ייצוגים של מ.ב. בעלי ערך היוריסטי (קוגניטיבי), כי בכל רמות ההתפתחות של חומר חי, ביול, מקרומולקולות - קיימים ופועלים חלבונים (ראה) וחומצות גרעין (ראה). מסיבה זו, גבולות מ' ב. קשה להגדיר: מסתבר שזהו מדע חובק-כל.

השם "ביולוגיה מולקולרית" עצמו שייך לאנגלים. הקריסטלוגרף W.T. Astbury. התאריך הרשמי של הופעתו של מ. ב. הם רואים את 1953, כאשר ג'יי ווטסון ופ. קריק ביססו את מבנה ה-DNA והניחו הנחה, שאושרה מאוחר יותר, לגבי מנגנון השכפול שלו שעומד בבסיס התורשה. אבל הלאה לפחותמאז 1944, החל מיצירותיו של אייברי (O. Th. Avery), הצטברו עובדות המעידות על תפקידו הגנטי של ה-DNA; N.K. Koltsov הביע את הרעיון של סינתזת מטריצה ​​בצורה ברורה מאוד עוד בשנת 1928; המחקר של הבסיס המולקולרי של התכווצות השרירים החל בעבודותיהם של V.A. Engelhardt ו-M.N. Lyubimova, שפורסמו בשנים 1939-1942. מ.ב. התפתח גם בתחום המחקרים האבולוציוניים והסיסטמטיקה. בברית המועצות, היוזם של חקר חומצות גרעין ומחקר על היסודות המולקולריים של האבולוציה היה A. N. Belozersky.

מאפיין ייחודי של מ.ב. מורכב מאופי התצפיות, בטכניקות המתודולוגיות שלה ובתכנון הניסוי. מ.ב. אילץ ביולוגים להסתכל מחדש על הבסיס החומרי של החיים. עבור ביול מולקולרי. המחקר מאופיין בהשוואה של ביול, פונקציות עם כימיה. ופיזית מאפיינים (מאפיינים) של ביופולימרים ובעיקר המבנה המרחבי שלהם.

כדי להבין את חוקי המבנה של חומצות גרעין והתנהגותן בתא, יש חשיבות עצומה לעקרון השלמות הבסיס במבני דו-גדילי של חומצות גרעין, שהוקם בשנת 1953 על ידי ג'יי ווטסון ופ' קריק. של המשמעות יחסים מרחבייםמצא את ביטויו ברעיון ההשלמה של המשטחים של מקרומולקולות וקומפלקסים מולקולריים, מרכיב תנאי הכרחיביטויים של כוחות חלשים הפועלים רק במרחקים קצרים ותורמים ליצירת מורפול, מגוון של ביול. מבנים, הניידות התפקודית שלהם. כוחות חלשים אלו מעורבים ביצירת קומפלקסים כמו אנזים - מצע, אנטיגן - נוגדן, הורמון - קולטן וכו', בתופעות של הרכבה עצמית של מבנים ביולוגיים, למשל, ריבוזומים, ביצירת זוגות של חנקן. בסיסים במולקולות של חומצות גרעין וכו' תהליכים דומים.

מ.ב. הפנה את תשומת לב הביולוגים לחפצים פשוטים הניצבים בגבולות החיים, הציג רעיונות ו שיטות מדויקותכימיה ופיזיקה. תהליך המוטציה התפרש ברמה המולקולרית כאובדן, החדרה ותנועה של מקטעי DNA, החלפה של זוג בסיסים חנקניים במקטעים משמעותיים מבחינה תפקודית של הגנום (ראה מוטציה). תופעות המוטגנזה (ראה) תורגמו אפוא לכימיה. שפה. בזכות השיטות של מ'. התגלו הבסיס המולקולרי של תהליכים גנטיים כאלה בפרוקריוטים כמו רקומבינציה (q.v.), טרנסדוקציה (q.v.), טרנספורמציה (q.v.), טרנספקציה, סקסדוקציה. חלה התקדמות משמעותית בחקר מבנה הכרומטין והכרומוזומים של איקריוטים; שיפור שיטות הגידול וההכלאה של תאי בעלי חיים יצר את האפשרות לפתח את הגנטיקה של תאים סומטיים (ראה). ויסות שכפול ה-DNA התבטא במושג העתק של פ' יעקב וש' ברנר.

בתחום הביוסינתזה של חלבון, מה שנקרא עמדה מרכזית המאפיינת את התנועה הבאה של מידע גנטי: DNA -> שליח RNA -> חלבון. לפי ההנחה הזו, חלבון הוא מעין שסתום מידע המונע את החזרת המידע לרמת ה-RNA וה-DNA. בתהליך הפיתוח של מ.ב. בשנת 1970, H. Temin ו-D. Baltimore גילו את תופעת השעתוק ההפוך (בטבע, סינתזת DNA מתרחשת בוירוסים המכילים RNA אונקוגניים באמצעות אנזים מיוחד - Reverse Transcriptase). סינתזות של חלבונים וחומצות גרעין מתרחשות בהתאם לסוג סינתזות מטריצות, לשם התרחשותם, נדרשת מטריצה ​​(תבנית) - מולקולת הפולימר המקורית, שקובעת מראש את רצף הנוקלאוטידים (חומצות אמינו) בעותק המסונתז. תבניות כאלה לשכפול ותעתוק הן DNA ולתרגום - שליח RNA. הקוד הגנטי (ראה) מנסח דרך "לרשום" מידע תורשתי ב-RNA שליח; במילים אחרות, הוא מתאם את רצף הנוקלאוטידים בחומצות גרעין וחומצות אמינו בחלבונים. שעתוק קשור לביו-סינתזה של חלבון - סינתזה של RNA שליח על מטריצת DNA, מזורזת על ידי פולימראזות RNA; תרגום הוא סינתזה של חלבון על RNA שליח הקשור לריבוזום, המתרחשת על פי מנגנון מורכב מאוד, שבו מעורבים עשרות חלבוני עזר ו-RNA העברה (ראה ריבוזומים). הוויסות של סינתזת החלבון נחקר בעיקר ברמת השעתוק והוא מנוסח ברעיונות של פ' ג'ייקוב וג'יי מונוד על האופרון, חלבונים מדכאים, אפקט אלוסטרי, ויסות חיובי ושלילי. הטרוגני בתוכנו ועוד פחות שלם מהקודמים, סעיף מ' ב. הוא מספר בעיות בעלות אופי בסיסי ויישומי. אלה כוללים תיקון נזקי הגנום הנגרמים מקרינה קצרה, מוטגנים (ראה) והשפעות אחרות. שטח עצמאי גדול מורכב ממחקרים על מנגנון הפעולה של אנזימים, המבוססים על רעיונות לגבי המבנה התלת מימדי של חלבונים ותפקידם של כימיקלים חלשים. אינטראקציות. מ.ב. הבהירו פרטים רבים על המבנה וההתפתחות של וירוסים, במיוחד בקטריופאג'ים. מחקר ההמוגלובינים באנשים הסובלים מאנמיה חרמשית (ראה) והמוגלובינופתיות אחרות (ראה) סימן את תחילת המחקר של הבסיס המבני של "מחלות מולקולריות", "שגיאות" מולדות של חילוף החומרים (ראה מחלות תורשתיות). הענף האחרון של ההנדסה הגנטית (ראה) הוא פיתוח שיטות לבניית מבנים תורשתיים בצורה של מולקולות DNA רקומביננטיות.

בביול מולקולרי. נעשה שימוש בניסויים דרכים שונותכרומטוגרפיה (ראה) ואולטרה צנטריפוגה (ראה), ניתוח דיפרקציית רנטגן (ראה), מיקרוסקופיה אלקטרונית (ראה), ספקטרוסקופיה מולקולרית (תהודה פרמגנטית אלקטרונית ותהודה מגנטית גרעינית). החל השימוש בקרינת סינכרוטרון (ברמססטרהונג מגנטית), עקיפה של נויטרונים, ספקטרוסקופיה של מוסבאואר וטכנולוגיית לייזר. מערכות מודל והשגת מוטציות נמצאים בשימוש נרחב בניסויים. השימוש באיזוטופים רדיואקטיביים ו(במידה פחותה) כבדים הוא במ.ב. רגיל שיטה אנליטית, וכן שימוש בשיטות מתמטיות ומחשבים. אם ביולוגים מולקולריים מוקדמים יותר הונחו על ידי ח. arr. על פיזי שיטות שנוצרו לחקר פולימרים שאינם ביולוגיים. מקור, יש כיום מגמה גוברת לשימוש בכימיקלים. שיטות.

לפיתוח מ.ב. בברית המועצות חשיבות רבהקיבלה החלטה של ​​הוועד המרכזי של ה-CPSU ומועצת השרים של ברית המועצות "על צעדים להאצת התפתחות הביולוגיה המולקולרית והגנטיקה המולקולרית והשימוש בהישגיהם בכלכלה הלאומית", שפורסמה ב-20 במאי 1974. המחקר מתואם על ידי המועצה המדעית והטכנית הבין-מחלקתית לבעיות של ביולוגיה מולקולרית וגנטיקה מולקולרית בוועדה הממלכתית למדע וטכנולוגיה מועצת השרים של ברית המועצות והאקדמיה למדעים של ברית המועצות, המועצה המדעית לבעיות ביולוגיה מולקולרית של האקדמיה למדעים של ברית המועצות, מועצות דומות של האקדמיה למדעים של רפובליקות האיגוד והאקדמיות שלוחות. יצא לאור כתב העת "ביולוגיה מולקולרית" (משנת 1967) וכתב עת מופשט באותו שם. מחקר על מ.ב. מתנהלים במכונים של האקדמיה למדעים של ברית המועצות, האקדמיה למדעי הרפואה של ברית המועצות, האקדמיות הרפובליקניות למדעים, התעשייה המיקרוביולוגית הראשית ובמוסדות להשכלה גבוהה במדינה. ישנן מעבדות רבות בפרופיל זה הפועלות במדינות סוציאליסטיות. באירופה יש את הארגון האירופאי לביולוגיה מולקולרית (EMBO), המעבדה האירופית לביולוגיה מולקולרית (EMBL) בהיידלברג, והוועידה האירופית לביולוגיה מולקולרית (EMBC). ישנן מעבדות מיוחדות גדולות בארה"ב, צרפת, בריטניה, גרמניה ומדינות נוספות.

כתבי עת מיוחדים המוקדשים לבעיותיו של מ.ב בחו"ל: "כתב העת לביולוגיה מולקולרית", "מחקר חומצות גרעין", "דוחות ביולוגיה מולקולרית", "גן".

ביקורות על M. b. פורסם בסדרה "ביולוגיה מולקולרית" של VINITI, ב"התקדמות בחקר חומצות גרעין וביולוגיה מולקולרית", "התקדמות בביופיזיקה וביולוגיה מולקולרית", "סקירה שנתית של ביוכימיה", פרסומים של "סימפוזיה של קר אביב נמל על ביולוגיה כמותית". ".

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה: Ashmarin I. P. Molecular biology, L., 1977; בלוזרסקי א.נ ביולוגיה מולקולרית - שלב חדש של הכרת הטבע, מ', 1970; Bresler S. E. Molecular biology, L., 1973; Koltsov N. K. מולקולות תורשתיות, בול. מוסקבה מבחן about-va. טבע, מחלקה ביול., ת' 70, נ. 4, עמ'. 75, 1965; אוקטובר ומדע, עורך. א.פ. אלכסנדרובה וחב', עמ'. 393, 417, מ', 1977; Severin S.E. סוגיות עכשוויותביולוגיה פיסיקלית-כימית, בספר: 250 שנות האקדמיה למדעים של ברית המועצות, עמ'. 332, מ', 1977; ווטסון ג'יי ביולוגיה מולקולרית: גן, טרנס. מאנגלית, מ', 1978; Engelhardt V. A. Molecular Biology, בספר: התפתחות ביול, בברית המועצות, עורך. ב"ה ביכובסקי, עמ' 22. 598, מ', 1967.

אנו יכולים לומר שביולוגיה מולקולרית חוקרת את ביטויי החיים על מבנים או מערכות לא-חיות עם סימנים בסיסיים של פעילות חיונית (שיכולים להיות מקרומולקולות ביולוגיות בודדות, המתחמים שלהן או האברונים), ולומדת כיצד תהליכי המפתח המאפיינים חומר חי מתממשים באמצעות אינטראקציות כימיותותמורות.

ההפרדה של ביולוגיה מולקולרית מביוכימיה לתחום מדעי עצמאי מוכתבת על ידי העובדה שמשימתה העיקרית היא לחקור את המבנה והתכונות של מקרומולקולות ביולוגיות המעורבות בתהליכים שונים ולהבהיר את מנגנוני האינטראקציה ביניהן. ביוכימיה עוסקת בחקר התהליכים הממשיים של החיים, דפוסי התרחשותם באורגניזם חי והתמורות של מולקולות הנלוות לתהליכים אלו. בסופו של דבר, הביולוגיה המולקולרית מנסה לענות על השאלה מדוע מתרחש תהליך מסוים, בעוד שהביוכימיה עונה על השאלות היכן וכיצד, מנקודת מבט כימית, מתרחש התהליך המדובר.

כַּתָבָה

ביולוגיה מולקולרית כענף נפרד בביוכימיה החלה להתגבש בשנות ה-30 של המאה הקודמת. או אז, לצורך הבנה מעמיקה יותר של תופעת החיים, התעורר הצורך במחקר ממוקד ברמה המולקולרית של תהליכי אחסון והעברה של מידע תורשתי באורגניזמים חיים. לאחר מכן נקבעה משימת הביולוגיה המולקולרית בחקר המבנה, התכונות והאינטראקציה של חומצות גרעין וחלבונים. המונח "ביולוגיה מולקולרית" שימש לראשונה את המדען האנגלי וויליאם אסטברי בהקשר של מחקרים הקשורים להבהרת הקשרים בין המבנה המולקולרי לבין התכונות הפיזיקליות והביולוגיות של חלבונים פיברילרים, כגון קולגן, פיברין בדם או חלבונים מתכווצים בשרירים.

בימיה הראשונים של הביולוגיה המולקולרית, ה-RNA נחשב למרכיב של צמחים ופטריות, וה-DNA נחשב למרכיב טיפוסי של תאי בעלי חיים. החוקר הראשון שהוכיח ש-DNA כלול בצמחים היה אנדריי ניקולאביץ' בלוזרסקי, שבידד DNA של אפונה ב-1935. גילוי זה קבע את העובדה ש-DNA הוא חומצת גרעין אוניברסלית הקיימת בתאי צמחים ובעלי חיים.

הישג מרכזי היה ביסוסם של ג'ורג' בידל ואדוארד טייטום של קשר ישיר של סיבה ותוצאה בין גנים וחלבונים. בניסויים שלהם, הם חשפו תאי נוירוספורה ( נוירוספורהקראסה) קרינת רנטגן, שגרמה למוטציות. התוצאות שהתקבלו הראו שהדבר הוביל לשינויים בתכונות של אנזימים ספציפיים.

ב-1940 בודד אלברט קלוד גרגירים המכילים RNA ציטופלזמה מהציטופלזמה של תאי בעלי חיים, שהיו קטנים יותר מהמיטוכונדריה. הוא קרא להם מיקרוזומים. לאחר מכן, כאשר חוקרים את המבנה והמאפיינים של החלקיקים המבודדים, נקבע תפקידם הבסיסי בתהליך הביוסינתזה של חלבון. בשנת 1958, בסימפוזיון הראשון שהוקדש לחלקיקים אלו, הוחלט לקרוא לחלקיקים הללו ריבוזומים.

שלב חשוב נוסף בפיתוח הביולוגיה המולקולרית היו הנתונים מהניסוי של אוסוולד אייברי, קולין מקלאוד ומקלין מקארתי שפורסם ב-1944, שהראו שה-DNA הוא הגורם להתמרה של חיידקים. זו הייתה העדות הניסיונית הראשונה לתפקידו של ה-DNA בהעברת מידע תורשתי, והפריכה את הרעיון הרווח בעבר על אופי החלבון של גנים.

בתחילת שנות ה-50, פרדריק סנגר הראה ששרשרת חלבון היא רצף ייחודי של שאריות חומצות אמינו. בסוף שנות ה-50, מקס פרוץ וג'ון קנדרו פענחו את המבנה המרחבי של החלבונים הראשונים. כבר בשנת 2000, היו ידועים מאות אלפי רצפים טבעיים של חומצות אמינו ואלפי מבנים מרחביים של חלבונים.

בערך באותו זמן, מחקריו של ארווין צ'רגף אפשרו לו לנסח כללים המתארים את היחס בין הבסיסים החנקניים ב-DNA (הכללים קובעים שללא קשר להבדלים בין המינים ב-DNA, כמות הגואנין שווה לכמות הציטוזין, וכמות אדנין שווה לכמות הטמין), שעזרה מאוחר יותר לעשות את פריצת הדרך הגדולה ביותר בביולוגיה מולקולרית ואחת התגליות הגדולות ביותרבביולוגיה בכלל.

אירוע זה התרחש בשנת 1953, כאשר ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק, המבוסס על יצירותיהם של רוזלינד פרנקלין ומוריס וילקינס ניתוח מבני רנטגן DNA, ביסס את המבנה הדו-גדילי של מולקולת ה-DNA. תגלית זו אפשרה לענות על השאלה העקרונית לגבי יכולתו של נושא מידע תורשתי לשכפל את עצמו ולהבין את מנגנון העברת המידע הזה. אותם מדענים ניסחו את עקרון ההשלמה של בסיסים חנקניים, שהוא בעל חשיבות מרכזית להבנת מנגנון היווצרות מבנים על-מולקולריים. עיקרון זה, המשמש כעת לתיאור כל הקומפלקסים המולקולריים, מאפשר לנו לתאר ולחזות את התנאים להתרחשות של אינטראקציות בין-מולקולריות חלשות (לא ערכיות), הקובעות את האפשרות להיווצרות של שניוני, שלישוני וכו'. המבנה של מקרומולקולות, מהלך ההרכבה העצמית של מערכות ביולוגיות על-מולקולריות, הקובעות מגוון כה רחב של מבנים מולקולריים ומערכות התפקוד שלהם. ואז, ב-1953, קם מגזין המדעכתב עת לביולוגיה מולקולרית. בראשה עמד ג'ון קנדרו, שתחום העניין המדעי שלו היה חקר המבנה של חלבונים כדוריים (פרס נובל ב-1962 יחד עם מקס פרוץ). כתב עת דומה בשפה הרוסית בשם "ביולוגיה מולקולרית" נוסד בברית המועצות על ידי V.A. Engelhardt ב-1966.

בשנת 1958, פרנסיס קריק ניסח את מה שנקרא. הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית: הרעיון של חוסר הפיכות של זרימת מידע גנטי מ-DNA דרך RNA לחלבונים לפי הסכימה DNA → DNA (שכפול, יצירת עותק של DNA), DNA → RNA ( שעתוק, העתקת גנים), RNA → חלבון (תרגום, פענוח מידע על חלבוני המבנה). דוגמה זו תוקנה במידת מה בשנת 1970, תוך התחשבות בידע המצטבר, שכן תופעת השעתוק ההיפוך התגלתה באופן עצמאי על ידי הווארד טמין ודיוויד בולטימור: התגלה אנזים, reversease, שאחראי לתעתוק הפוך - היווצרות כפול- DNA גדילי על תבנית RNA חד-גדילית, המופיעה בנגיפים אונקוגניים. יש לציין שהדרישה הקפדנית לזרימת מידע גנטי מחומצות גרעין לחלבונים עדיין נותרה בבסיס הביולוגיה המולקולרית.

בשנת 1957, אלכסנדר סרגייביץ' ספירין, יחד עם אנדריי ניקולאביץ' בלוזרסקי, הראו כי, עם הבדלים משמעותיים בהרכב הנוקלאוטידים של ה-DNA מ אורגניזמים שונים, הרכב ה-RNA הכולל דומה. על סמך נתונים אלו הגיעו למסקנה המרעישה שסך ה-RNA של התא אינו יכול לפעול כנשא של מידע גנטי מ-DNA לחלבונים, מאחר והוא אינו תואם אותו בהרכבו. יחד עם זאת, הם שמו לב שיש שבריר מינורי של RNA, התואם לחלוטין בהרכב הנוקלאוטידים שלו ל-DNA ואשר יכול להיות נשא אמיתי של מידע גנטי מ-DNA לחלבונים. כתוצאה מכך, הם חזו את קיומן של מולקולות RNA קטנות יחסית שהן מקבילות מבחינה מבנית אזורים בודדים DNA ופועל כמתווכים בהעברת מידע גנטי הכלול ב-DNA אל הריבוזום, שם מולקולות חלבון מסונתזות באמצעות מידע זה. בשנת 1961 (ש. ברנר, פ. יעקב, מ. מסלסון מצד אחד ופ. גרוס, פרנסואה יעקב וז'אק מונוד היו הראשונים לקבל אישור ניסוי לקיומן של מולקולות כאלה - מידע (שליח) RNA. במקביל הם פיתחו את המושג והמודל של יחידה תפקודית של דנ"א - האופרון, שאיפשר להסביר בדיוק כיצד מתבצע ויסות ביטוי הגנים בפרוקריוטים. חקר מנגנוני הביוסינתזה של חלבונים ועקרונות המבנה המבני ארגון ותפעול של מכונות מולקולריות – ריבוזומים – אפשרו לגבש פוסטולציה המתארת ​​את תנועת המידע הגנטי, הנקראת הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית: DNA – mRNA הוא חלבון.

בשנת 1961 ובמהלך השנים הבאות ביצעו היינריך מתאי ומרשל נירנברג, ולאחר מכן הר קוראנה ורוברט הולי, מספר עבודות לפענוח הקוד הגנטי, וכתוצאה מכך נוצר קשר ישיר בין מבנה ה-DNA לבין ה-DNA. חלבונים מסונתזים ורצף הנוקלאוטידים שקובע את קבוצת חומצות האמינו בחלבון. כמו כן, התקבלו נתונים על האוניברסליות של הקוד הגנטי. התגליות זכו בפרס נובל ב-1968.

לפיתוח רעיונות מודרניים על תפקודי ה-RNA, גילוי ה-RNA הלא-מקודד היה מכריע, בהתבסס על תוצאות עבודתו של אלכסנדר סרגייביץ' ספירין יחד עם אנדריי ניקולאביץ' בלוזרסקי ב-1958, צ'רלס ברנר ושותפים למחברים ושאול שפיגלמן. בשנת 1961. סוג זה של RNA מהווה את עיקר ה-RNA הסלולרי. RNA לא מקודדים כוללים בעיקר RNA ריבוזמלי.

שיטות לטיפוח והכלאה של תאי בעלי חיים זכו להתפתחות משמעותית. בשנת 1963 גיבשו פרנסואה ג'ייקוב וסידני ברנר את הרעיון של רפליקון - רצף של גנים המשכפלים מטבעם שמסביר היבטים חשובים של ויסות שכפול הגנים.

בשנת 1967, במעבדה של A. S. Spirin, הוכח לראשונה שצורתו של RNA מקופל בצורה קומפקטית קובעת את המורפולוגיה של החלקיק הריבוזומלי.

בשנת 1968 התגלתה תגלית מהותית משמעותית. אוקאזאקי, לאחר שגילתה שברי DNA של הגדיל הפוגר תוך כדי לימוד תהליך השכפול, שנקראה על שמה שברי אוקאזאקי, הבהירה את מנגנון שכפול ה-DNA.

בשנת 1970, הווארד טמין ודיוויד בולטימור גילו באופן עצמאי תגלית משמעותית: הם גילו את האנזים revertase, שאחראי על שעתוק הפוך - יצירת DNA דו-גדילי על תבנית RNA חד-גדילית, המופיעה בנגיפים אונקוגניים המכילים RNA.

הישג חשוב נוסף של הביולוגיה המולקולרית היה ההסבר של מנגנון המוטציות ברמה המולקולרית. כתוצאה מסדרת מחקרים, הוקמו הסוגים העיקריים של מוטציות: כפילויות, היפוכים, מחיקות, טרנסלוקציות וטרנספוזיציות. זה איפשר לשקול שינויים אבולוציוניים מנקודת מבט של תהליכי גנים, ואפשר לפתח את תורת השעונים המולקולריים, המשמשת בפילוגניה.

בתחילת שנות ה-70 גובשו העקרונות הבסיסיים של תפקוד חומצות גרעין וחלבונים באורגניזם חי. נמצא כי חלבונים וחומצות גרעין בגוף מסונתזות באמצעות מנגנון מטריקס; מולקולת המטריצה ​​נושאת מידע מוצפן על רצף חומצות האמינו (בחלבון) או נוקלאוטידים (בחומצת גרעין). במהלך שכפול (שכפול DNA) או שעתוק (סינתזת mRNA), ה-DNA משמש כמטריצה ​​כזו; במהלך תרגום (סינתזת חלבונים) או שעתוק הפוך, mRNA משמש כמטריצה ​​כזו.

כך נוצרו תנאים מוקדמים תיאורטיים לפיתוח תחומים יישומיים בביולוגיה מולקולרית, בפרט הנדסה גנטית. בשנת 1972 פיתחו פול ברג, הרברט בור וסטנלי כהן טכנולוגיית שיבוט מולקולרי. אז הם היו הראשונים להשיג DNA רקומביננטי במבחנה. ניסויים יוצאי דופן אלו הניחו את היסודות להנדסה גנטית, והשנה נחשבת לתאריך הלידה של תחום מדעי זה.

ב-1977 התפתחו פרדריק סנגר, ובאופן עצמאי אלן מקסאם ו-וולטר גילברט שיטות שונותקביעת המבנה הראשוני (רצף) של DNA. שיטת Sanger, מה שנקרא שיטת סיום שרשרת, היא הבסיס לרצף המודרני. עיקרון הרצף מבוסס על שימוש בבסיסים מסומנים הפועלים כמסיימים בתגובת רצף מעגלית. שיטה זו הפכה לנפוצה בשל יכולתה לבצע ניתוח מהיר.

1976 - פרדריק. סנגר פיענח את רצף הנוקלאוטידים של ה-DNA של הפאג φΧ174, באורך של 5375 זוגות נוקלאוטידים.

1981 - מחלת תאי חרמש הופכת לראשונה מחלה גנטית, מאובחן באמצעות ניתוח DNA.

1982-1983 גילוי התפקוד הקטליטי של RNA במעבדות האמריקאיות של T. Check ו-S. Altman שינה את הרעיון הקיים של התפקיד הבלעדי של חלבונים. באנלוגיה לחלבונים קטליטיים - אנזימים, RNAs קטליטי נקראו ריבוזימים.

1987 קרי מולז גילתה את תגובת שרשרת הפולימראז, שבזכותה ניתן להגדיל באופן מלאכותי את מספר מולקולות ה-DNA בתמיסה לעבודה נוספת. כיום, זוהי אחת השיטות החשובות ביותר של ביולוגיה מולקולרית, המשמשת בחקר תורשתי ו מחלות ויראליות, בחקר הגנים ובזיהוי גנטי וביסוס קרבה וכו'.

ב-1990 פרסמו שלוש קבוצות של מדענים במקביל שיטה שאפשרה להשיג במהירות RNA פעיל תפקודית סינתטית (ריבוזימים מלאכותיים או מולקולות המקיימות אינטראקציה עם ליגנדים שונים - aptamers) במעבדה. שיטה זו נקראת "אבולוציה במבחנה". ומיד לאחר מכן, בשנים 1991-1993 במעבדה של א.ב. Quadruple הדגימה בניסוי את האפשרות של קיום, צמיחה והגברה של מולקולות RNA בצורה של מושבות על גבי מדיה מוצקה.

בשנת 1998, כמעט בו זמנית, קרייג מלו ואנדרו פייר תיארו מנגנון שנצפה בעבר במהלך ניסויי גנים עם חיידקים ופרחים הפרעות RNA, שבו מולקולת RNA דו-גדילית קטנה מובילה לדיכוי ספציפי של ביטוי גנים.

לגילוי המנגנון של התערבות RNA יש משמעות מעשית חשובה מאוד עבור הביולוגיה המולקולרית המודרנית. תופעה זו נמצאת בשימוש נרחב בניסויים מדעיים ככלי ל"כיבוי", כלומר, דיכוי הביטוי של גנים בודדים. מעניין במיוחד העובדה ששיטה זו מאפשרת דיכוי הפיך (זמני) של פעילות הגנים הנבדקים. מתבצע מחקר על האפשרות להשתמש בתופעה זו לטיפול במחלות ויראליות, גידוליות, ניווניות ומטבוליות. יש לציין שבשנת 2002 התגלו נגיפי פוליו מוטנטיים שהצליחו להימנע מהפרעות RNA, ולכן נדרשת עבודה קפדנית יותר כדי לפתח באמת שיטות יעילותטיפול המבוסס על תופעה זו.

בשנים 1999-2001, מספר קבוצות של חוקרים קבעו את מבנה הריבוזום החיידקי ברזולוציה של 5.5 עד 2.4 אנגסטרם.

פריט

קשה להפריז בהישגי הביולוגיה המולקולרית בהכרת הטבע החי. הצלחה רבה הושגה הודות לתפיסת מחקר מוצלחת: תהליכים ביולוגיים מורכבים נחשבים מנקודת מבט של מערכות מולקולריות אינדיבידואליות, המאפשרות שימוש בשיטות מחקר פיזיקוכימיות מדויקות. זה גם משך מוחות גדולים רבים מתחומים קשורים לתחום המדע הזה: כימיה, פיזיקה, ציטולוגיה, וירולוגיה, שגם הם השפיעו לטובה על קנה המידה ומהירות ההתפתחות ידע מדעיבאזור הזה. גילויים משמעותיים כמו קביעת מבנה ה-DNA, פענוח הקוד הגנטי ושינוי מלאכותי ממוקד של הגנום אפשרו להבין טוב יותר באופן משמעותי את הפרטים הספציפיים של תהליכי הפיתוח של אורגניזמים ולפתור בהצלחה מספר רב של יסודות ויישומיים חשובים, מדעיים, רפואיים ו בעיות חברתיות שנחשבו בלתי פתירות לפני זמן לא רב.

נושא חקר הביולוגיה המולקולרית הוא בעיקר חלבונים, חומצות גרעין וקומפלקסים מולקולריים (מכונות מולקולריות) המבוססים עליהם ועל התהליכים שבהם הם משתתפים.

חומצות גרעין הן פולימרים ליניאריים המורכבים מיחידות נוקלאוטידים (תרכובות של סוכר בן חמישה איברים עם קבוצת פוספט באטום החמישי של המחזור ואחד מארבעת הבסיסים החנקניים), המחוברות ביניהן על ידי קשר אסטר של קבוצות פוספט. לפיכך, חומצת גרעין היא פולימר פנטוז פוספט עם בסיסים חנקניים כתחליפים צדדיים. תרכובת כימיתשרשראות RNA נבדלות מ-DNA בכך שהראשונה מורכבת ממחזור בן חמישה אברים של ריבוז הפחמימה, בעוד שהאחרון מורכב מנגזרת של דה-הידרוקסיריבוז, דאוקסיריבוז. יתרה מכך, מבחינה מרחבית, מולקולות אלה שונות באופן קיצוני, שכן RNA היא מולקולה חד-גדילית גמישה, בעוד שה-DNA הוא מולקולה דו-גדילית.

חלבונים הם פולימרים ליניאריים, שהם שרשראות של חומצות אמינו אלפא המחוברות זו לזו בקשרי פפטידים, ומכאן שמם השני - פוליפפטידים. חלבונים טבעיים מכילים יחידות חומצות אמינו רבות ושונות - עד 20 בבני אדם - מה שקובע מגוון רחב של תכונות תפקודיות של מולקולות אלו. חלבונים מסוימים לוקחים חלק כמעט בכל תהליך בגוף ומבצעים משימות רבות: הם ממלאים את התפקיד של חומר בניין תאי, מספקים הובלה של חומרים ויונים, מזרזים תגובה כימית,- רשימה זו ארוכה מאוד. חלבונים יוצרים קונפורמציות מולקולריות יציבות ברמות שונות של ארגון (מבנים משניים ושלישוניים) וקומפלקסים מולקולריים, מה שמרחיב עוד יותר את הפונקציונליות שלהם. למולקולות אלו יכולות להיות ספציפיות גבוהה לביצוע משימות מסוימות עקב היווצרות מבנה כדורי מרחבי מורכב. המגוון הרחב של החלבונים מבטיח את העניין המתמיד של המדענים בסוג זה של מולקולות.

רעיונות מודרניים לגבי נושא הביולוגיה המולקולרית מבוססים על הכללה שהוצגה לראשונה ב-1958 על ידי פרנסיס קריק כדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית. המהות שלו הייתה הקביעה שמידע גנטי באורגניזמים חיים עובר שלבי יישום מוגדרים בהחלט: העתקה מ-DNA ל-DNA בכניסת הירושה, מ-DNA ל-RNA, ולאחר מכן מ-RNA לחלבון, והמעבר ההפוך אינו אפשרי. אמירה זו הייתה נכונה רק בחלקה, ולכן הדוגמה המרכזית תוקנה לאחר מכן מתוך עין לנתונים החדשים שהופיעו.

נכון לעכשיו, ידועות מספר דרכים ליישום חומר גנטי, המייצגות רצפים שונים של יישום שלושה סוגיםקיום מידע גנטי: DNA, RNA וחלבון. בתשע דרכים אפשריותיישומים מחולקים לשלוש קבוצות: אלו שלוש טרנספורמציות כלליות (כלליות), המתרחשות בדרך כלל ברוב האורגניזמים החיים; שלוש טרנספורמציות מיוחדות (מיוחדות), שבוצעו בכמה וירוסים או במיוחד תנאי מעבדה; שלוש טרנספורמציות לא ידועות (לא ידועות), שהיישום שלהן נחשב בלתי אפשרי.

טרנספורמציות כלליות כוללות את הדרכים הבאות ליישום הקוד הגנטי: DNA → DNA (שכפול), DNA → RNA (תעתוק), RNA → חלבון (תרגום).

כדי לבצע העברת מאפיינים תורשתיים, ההורים צריכים להעביר מולקולת DNA שלמה לצאצאיהם. התהליך שבו ניתן לסנתז עותק מדויק מה-DNA המקורי, ולפיכך ניתן להעביר חומר גנטי, נקרא שכפול. היא מתבצעת על ידי חלבונים מיוחדים המפרקים את המולקולה (מיישרים את הקטע שלה), מפרקים את הסליל הכפול ובאמצעות DNA פולימראז יוצרים עותק מדויק של מולקולת ה-DNA המקורית.

כדי להבטיח את חיי התא, עליו להתייחס כל הזמן לקוד הגנטי המוטבע בסליל הכפול של ה-DNA. עם זאת, מולקולה זו גדולה ומגושמת מכדי לשמש כמקור ישיר לחומר גנטי לסינתזת חלבון מתמשכת. לכן, במהלך יישום המידע המוטבע ב-DNA, ישנו שלב ביניים: סינתזה של mRNA, שהוא מולקולה חד-גדילית קטנה המשלימה לקטע מסוים של DNA המקודד לחלבון מסוים. תהליך השעתוק מסופק על ידי RNA פולימראז וגורמי שעתוק. לאחר מכן ניתן להעביר את המולקולה המתקבלת בקלות לחלק בתא האחראי על סינתזת החלבון - הריבוזום.

לאחר שה-RNA נכנס לריבוזום, מתחיל השלב האחרון של מימוש המידע הגנטי. במקביל, הריבוזום קורא את הקוד הגנטי מ-mRNA בשלישיות הנקראות קודונים ומסנתז את החלבון המתאים על סמך המידע המתקבל.

במהלך טרנספורמציות מיוחדות, הקוד הגנטי מתממש לפי הסכימה RNA → RNA (שכפול), RNA → DNA (שעתוק הפוך), DNA → חלבון (תרגום ישיר). שכפול מסוג זה מתממש בווירוסים רבים, שם הוא מתבצע על ידי האנזים RNA-תלוי RNA פולימראז. אנזימים דומים נמצאים גם בתאים אוקריוטיים, שם הם קשורים לתהליך השתקת ה-RNA. שעתוק הפוך נמצא ברטרו-וירוסים, שם הוא מבוצע על ידי האנזים תעתיק הפוך, וגם במקרים מסוימים ב תאים איקריוטיים, למשל, במהלך סינתזה טלומרית. שידור חי מתבצע רק בתנאים מלאכותיים במערכת מבודדת מחוץ לתא.

כל אחד משלושת המעברים האפשריים של מידע גנטי מחלבון לחלבון, RNA או DNA נחשב בלתי אפשרי. את המקרה של השפעת פריונים על חלבונים, כתוצאה מכך נוצר פריון דומה, ניתן לייחס באופן מותנה לסוג היישום של חלבון מידע גנטי → חלבון. עם זאת, פורמלית זה לא כזה, שכן זה לא משפיע על רצף חומצות האמינו בחלבון.

ההיסטוריה של מקור המונח "דוגמה מרכזית" מעניינת. מכיוון שמשמעות המילה דוגמה היא אמירה שאינה נתונה לספק, ולמילה עצמה יש קונוטציות דתיות ברורות, בחירתה כתיאור של עובדה מדעית אינה לגיטימית לחלוטין. לפי פרנסיס קריק עצמו, זו הייתה הטעות שלו. הוא רצה להעניק לתיאוריה המוצעת משמעות רבה יותר, להבדיל בינה לבין תיאוריות והשערות אחרות; מדוע החליט להשתמש במילה המלכותית הזו, לדעתו, מבלי להבין את משמעותה האמיתית? השם, לעומת זאת, דבק.

ביולוגיה מולקולרית היום

ההתפתחות המהירה של הביולוגיה המולקולרית, התעניינות ציבורית מתמדת בהתקדמות בתחום זה והחשיבות האובייקטיבית של המחקר הביאו להופעתם של מספר רב של מרכזי מחקר בביולוגיה מולקולרית גדולים ברחבי העולם. בין הגדולים, יש לציין את הדברים הבאים: המעבדה לביולוגיה מולקולרית בקיימברידג', המוסד המלכותי בלונדון - בבריטניה; מכונים לביולוגיה מולקולרית בפריז, מרסיי ושטרסבורג, מכון פסטר - בצרפת; מחלקות לביולוגיה מולקולרית באוניברסיטת הרווארד ובמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, באוניברסיטת ברקלי, במכון הטכנולוגי של קליפורניה, באוניברסיטת רוקפלר ובמכון לבריאות בת'סדה - בארה"ב; מכוני מקס פלנק, אוניברסיטאות בגטינגן ובמינכן, המכון המרכזי לביולוגיה מולקולרית בברלין, מכונים בינה והאלה - בגרמניה; מכון קרולינסקה בשטוקהולם בשוודיה.

ברוסיה, המרכזים המובילים בתחום זה הם המכון לביולוגיה מולקולרית על שמו. V.A. Engelhardt RAS, המכון לגנטיקה מולקולרית RAS, המכון לביולוגיה גנטית RAS, המכון לביולוגיה פיזיקלית וכימית על שמו. A. N. Belozersky University State University על שם. M.V. Lomonosov, המכון לביוכימיה על שמו. A.N.Bach RAS והמכון לחלבון RAS בפושצ'ינו.

כיום מכסה תחום העניין של ביולוגים מולקולריים טווח רחבבסיסי סוגיות מדעיות. התפקיד המוביל עדיין תפוס על ידי חקר המבנה של חומצות גרעין וביוסינתזה של חלבונים, חקר המבנה והתפקודים של מבנים תוך-תאיים ומשטחי תאים שונים. כמו כן תחומי מחקר חשובים הם חקר מנגנוני הקליטה והעברת אותות, מנגנונים מולקולרייםהובלה של תרכובות בתוך התא וכן מהתא לסביבה החיצונית ובחזרה. בין הכיוונים העיקריים של המחקר המדעי בתחום הביולוגיה המולקולרית היישומית, אחד מהעדיפויות הגבוהות ביותר הוא בעיית הופעת והתפתחות גידולים. כמו כן, תחום חשוב מאוד שנחקר על ידי ענף הביולוגיה המולקולרית - גנטיקה מולקולרית - הוא חקר הבסיס המולקולרי להתרחשות של מחלות תורשתיות, ומחלות ויראליות, כמו איידס, וכן פיתוח דרכים למנוע אותן ואולי גם לטפל בהן ברמת הגן. התגליות והפיתוחים של ביולוגים מולקולריים ב רפואה משפטית. מהפכה של ממש בתחום הזיהוי האישי נעשתה בשנות ה-80 על ידי מדענים מרוסיה, ארה"ב ובריטניה בזכות הפיתוח והיישום בפרקטיקה היומיומית של השיטה של ​​"טביעת אצבע גנומית" - זיהוי אדם על ידי DNA. המחקר בתחום זה אינו מפסיק עד היום; שיטות מודרניות מאפשרות לבסס את זהותו של אדם עם הסתברות לטעות של מיליארדית האחוז. כבר עכשיו, מתנהל פיתוח אקטיבי של פרויקט דרכונים גנטי, שצפוי להפחית מאוד את שיעור הפשיעה.

מֵתוֹדוֹלוֹגִיָה

כיום, לביולוגיה מולקולרית יש ארסנל נרחב של שיטות המאפשרות לה לפתור את הבעיות המתקדמות והמורכבות ביותר העומדות בפני מדענים.

אחת השיטות הנפוצות בביולוגיה מולקולרית הוא אלקטרופורזה של ג'ל, מה שפותר את הבעיה של הפרדת תערובת של מקרומולקולות לפי גודל או מטען. כמעט תמיד, לאחר הפרדת מקרומולקולות בג'ל, נעשה שימוש ב- blotting, שיטה המאפשרת העברת מקרומולקולות מהג'ל (ספוגות) אל פני הממברנה לנוחות עבודה נוספת איתן, בפרט הכלאה. הכלאה - יצירת DNA היברידי משתי שרשראות בעלות אופי שונה - היא שיטה שמשחקת תפקיד חשוב ב מחקר בסיסי. זה משמש כדי לקבוע מַשׁלִיםמקטעים ב-DNA שונה (DNA של מינים שונים), הוא משמש לחיפוש גנים חדשים, בעזרתו התגלתה הפרעות RNA, והעיקרון שלו היווה את הבסיס לטביעת אצבע גנומית.

תפקיד מרכזי בפרקטיקה המודרנית של מחקר ביולוגי מולקולרי ממלאת שיטת הרצף - קביעת רצף הנוקלאוטידים בחומצות גרעין וחומצות אמינו בחלבונים.

לא ניתן לדמיין ביולוגיה מולקולרית מודרנית ללא שיטת הפולימראז. תגובת שרשרת(PCR). הודות לשיטה זו, מספר העותקים של רצף DNA מסוים גדל (מוגבר) על מנת לקבל ממולקולה אחת כמות מספקת של חומר להמשך העבודה איתו. תוצאה דומה מושגת על ידי טכנולוגיית שיבוט מולקולרי, שבה רצף הנוקלאוטידים הנדרש מוכנס ל-DNA של חיידקים (מערכות חיות), ולאחר מכן רבייה של חיידקים מביאה לתוצאה הרצויה. גישה זו היא הרבה יותר מסובכת מבחינה טכנית, אך היא מאפשרת להשיג בו-זמנית את התוצאה של הביטוי של רצף הנוקלאוטידים הנחקר.

כמו כן במחקר ביולוגי מולקולרי, נעשה שימוש נרחב בשיטות אולטרה צנטריפוגה (להפרדת מקרומולקולות (כמויות גדולות), תאים, אברונים), שיטות מיקרוסקופיה אלקטרונים ופלורסנטיות, שיטות ספקטרופוטומטריות, ניתוח דיפרקציית רנטגן, אוטורדיוגרפיה וכו'.

הודות לקדמה טכנולוגית ולמחקר מדעי בתחומי הכימיה, הפיזיקה, הביולוגיה ומדעי המחשב, הציוד המודרני מאפשר לבודד, ללמוד ולשנות גנים בודדים ואת התהליכים בהם הם מעורבים.