Lekcija 1. Koncepcija molekulārā bioloģija un tās attīstības galvenie posmi

Priekšmeta molekulārās bioloģijas definīcija

Termins "molekulārā bioloģija" nāk no Nobela prēmijas laureāta Frensisa Krika, kurš "apnicis sevi pasludināt par kristalogrāfa, bioķīmiķa, biofiziķa un ģenētiķa sajaukumu, kad viņam jautā par savu profesiju".

Pēc Hirosimas un Nagasaki atombombardēšanas 1945. gadā zinātnieki sāka bēgt no fizikas, un 1947. g. Nobela prēmijas laureāts fiziķis Ervins Šrēdingers uzrakstīja grāmatu “What is Life from a Physicist’s Point of Physicist’s Point?”, kas bioloģijai piesaistīja daudzus fiziķus un matemātiķus.

Jēdziena definīcija

Molekulārā bioloģija ir zinātne par ģenētiskās informācijas uzglabāšanas, pavairošanas, pārraides un ieviešanas mehānismiem, neregulāru biopolimēru - nukleīnskābju un olbaltumvielu - struktūru un funkcijām.

Sākot ar bioloģisko procesu izpēti molekulāri atomu līmenī, molekulārā bioloģija pārgāja uz sarežģītām supramolekulārām šūnu struktūrām un šobrīd veiksmīgi risina ģenētikas, fizioloģijas, evolūcijas un ekoloģijas problēmas.

Molekulārās bioloģijas attīstības galvenie posmi

1. Pirmais romantiskais periods 1935-1944

Makss Delbriks un Salvadors Lurija pētīja fāgu un vīrusu vairošanos, kas ir nukleīnskābju kompleksi ar olbaltumvielām.

1940. gadā Džordžs Bīdls un Edvards Teitums formulēja hipotēzi “viens gēns, viens enzīms”. Tomēr vēl nebija zināms, kas ir gēns fizikāli ķīmiskā izteiksmē.

2. Otrais romantiskais periods 1944-1953

DNS ģenētiskā loma ir pierādīta. 1953. gadā parādījās DNS dubultspirāles modelis, par kuru tā radītājiem Džeimsam Vatsonam, Frensisam Krikam un Morisam Vilkinsam tika piešķirta Nobela prēmija.

3. Dogmatiskais periods 1953-1962

Molekulārās bioloģijas galvenā dogma ir formulēta:

Ģenētiskās informācijas nodošana iet virzienāDNS → RNS → proteīns.

1962. gadā tas tika atšifrēts ģenētiskais kods.

4. Akadēmiskais periods no 1962. gada līdz mūsdienām, kurās kopš 1974. gada ir gēnu inženierijas apakšperiods.

okt nonovna e atklājumiem

1944. gads . Pierādījumi par DNS ģenētisko lomu. Osvalds Eiverijs, Kolins Makleods, Maklīns Makartijs.

1953. gads . DNS struktūras noteikšana. Džeimss Vatsons, Frensiss Kriks.

1961. gads . Fermentu sintēzes ģenētiskās regulēšanas atklāšana. Andrē Ļvovs, Fransuā Jēkabs, Žaks Monods.

1962. gads . Ģenētiskā koda atšifrēšana. Māršals Nirnbergs, Heinrihs Matejs, Severo Očoa.

1967. gads Sintēze iekšāvitrobioloģiski aktīvā DNS. Artūrs Kornbergs (neformāls molekulārās bioloģijas vadītājs).

1970. gads . Ķīmiskā gēnu sintēze. Korāna Gobinds.

1970. gads . Fermenta reversās transkriptāzes un reversās transkripcijas fenomena atklāšana. Hovards Temins, Deivids Baltimors, Renato Dulbeko.

1974. gads . Restrikcijas enzīmu atklāšana. Hamiltons Smits, Daniels Neitans, Verners Ārbers.

1978. gads . Savienojuma atklāšana. Filips Šārps.

1982. gads . Autosplicing atklāšana. ThomasCheck.

Pierādījumi par nukleīnskābju ģenētisko lomu

1 . 1928. gads. Frederika Grifita eksperimenti.

Grifits strādāja ar pneimokoki- baktērijas, kas izraisa pneimoniju. Viņš paņēma divus pneimokoku celmus: kapsulāro un nekapsulāro. Kapsulāras – patogēnas (virulentas), inficējot ar šo celmu, peles mirst, nekapsulāras – nepatogēnas. Kad pelēm tika injicēts karstumā nogalinātu (un līdz ar to zaudētu virulenci) kapsulāro pneimokoku un dzīvu, kapsulu neveidotu, nevirulentu baktēriju maisījums, dzīvnieki nomira kapsulāro virulento formu izplatīšanās rezultātā. Grifits atklāto fenomenu interpretēja kā transformāciju.

Definīcija:

Transformācija ir viena organisma dažu cita organisma īpašību iegūšana, jo tiek uztverta daļa no tā ģenētiskās informācijas.

1944. gadā šo eksperimentu atkārtoja Osvalds Averijs, Kolins Makleods un Maklīns Makartijs variantā, kad akapsulāros pneimokokus sajauc ar proteīniem, polisaharīdiem vai DNS, kas ņemta no kapsulārajiem. Šī eksperimenta rezultātā atklājās transformējošā faktora būtība.

DNS izrādījās transformējošais faktors.

2 . 1952. gads Alfrēds Heršijs un Marta Čeisa eksperimentē. Fāgi (bakteriofāgi) ir vīrusi, kas vairojas baktērijās. E. coli - coli(eubaktērijas).

Pieredzes būtība:fāgi, kuros proteīna apvalks bija marķēts ar radioaktīvo sēru ( S 35 ), un DNS ar radioaktīvo fosforu (P 32) tika inkubēta ar baktērijām. Pēc tam baktērijas tika nomazgātas.

P 32 netika atklāts skalojamajos ūdeņos, bet gan baktērijās S 35 . Tāpēc Iekšā iekļuva tikai DNS. Pēc dažām minūtēm no baktērijām parādījās desmitiem pilnvērtīgu fāgu, kas satur gan proteīna apvalku, gan DNS.

Tas noveda pie skaidra secinājuma, ka Tieši DNS veic ģenētisku funkciju – tā nes informāciju par jaunu DNS kopiju radīšanu, ērču un fāgu proteīnu sintēzi.

3 . 1957 Frenkel-Konrath eksperimenti.

Frenkel-Konrath strādāja ar tabakas mozaīkas vīrusu (TMV). Šis vīruss satur RNS, nevis DNS. Bija zināms, ka dažādi vīrusa celmi izraisa dažādus tabakas lapu bojājumu veidus. Pēc proteīna apvalka maiņas “slēptie” vīrusi izraisīja bojājumu modeli, kas raksturīgs celmam, kura RNS bija pārklāta ar svešu proteīnu.

Tāpēc Ne tikai DNS, bet arī RNS var kalpot par ģenētiskās informācijas nesēju.

Mūsdienās ir simtiem tūkstošu pierādījumu par nukleīnskābju ģenētisko lomu. Iepriekš minētie trīs ir klasika.

Molekulārā bioloģija ir piedzīvojusi savu pētījumu metožu straujas attīstības periodu, kas tagad atšķiras no bioķīmijas. Tie jo īpaši ietver gēnu inženierijas, klonēšanas, mākslīgās ekspresijas un gēnu izslēgšanas metodes. Tā kā DNS ir materiālais ģenētiskās informācijas nesējs, tad molekulārā bioloģija ir ievērojami pietuvinājusies ģenētikai, un krustpunktā veidojās molekulārā ģenētika, kas ir gan ģenētikas, gan molekulārās bioloģijas nozare. Tāpat kā molekulārā bioloģija plaši izmanto vīrusus kā pētniecības instrumentu, virusoloģija savu problēmu risināšanai izmanto molekulārās bioloģijas metodes. Datortehnoloģijas tiek izmantotas ģenētiskās informācijas analīzei, un tāpēc ir radušās jaunas molekulārās ģenētikas jomas, kuras dažkārt tiek uzskatītas par īpašām disciplīnām: bioinformātika, genomika un proteomika.

Attīstības vēsture

Šo pamatīgo atklājumu sagatavoja ilgstošs vīrusu un baktēriju ģenētikas un bioķīmijas izpētes periods.

1928. gadā Frederiks Grifits pirmo reizi parādīja, ka ekstrakts no karstuma nogalina patogēnās baktērijas var pārnest patogenitāti uz nebīstamām baktērijām. Pēc tam baktēriju transformācijas izpēte noveda pie patogēna aģenta attīrīšanas, kas, pretēji gaidītajam, izrādījās nevis proteīns, bet gan nukleīnskābe. Pati nukleīnskābe nav bīstama, tajā ir tikai gēni, kas nosaka mikroorganisma patogenitāti un citas īpašības.

20. gadsimta piecdesmitajos gados tika pierādīts, ka baktērijām ir primitīvs dzimumprocess, tās spēj apmainīties ar ekstrahromosomu DNS un plazmīdām. Plazmīdu atklāšana, kā arī transformācija veidoja molekulārajā bioloģijā plaši izplatītās plazmīdu tehnoloģijas pamatu. Vēl viens svarīgs metodoloģijas atklājums bija baktēriju vīrusu un bakteriofāgu atklāšana 20. gadsimta sākumā. Fāgi var arī pārnest ģenētisko materiālu no vienas baktēriju šūnas uz otru. Baktēriju inficēšanās ar fāgiem izraisa izmaiņas baktēriju RNS sastāvā. Ja bez fāgiem RNS sastāvs ir līdzīgs baktēriju DNS sastāvam, tad pēc inficēšanās RNS kļūst līdzīgāka bakteriofāga DNS. Tādējādi tika noskaidrots, ka RNS struktūru nosaka DNS struktūra. Savukārt olbaltumvielu sintēzes ātrums šūnās ir atkarīgs no RNS-olbaltumvielu kompleksu daudzuma. Tā tas tika formulēts molekulārās bioloģijas galvenā dogma: DNS ↔ RNS → proteīns.

Molekulārās bioloģijas tālāko attīstību pavadīja gan tās metodoloģijas attīstība, jo īpaši DNS nukleotīdu secības noteikšanas metodes izgudrošana (W. Gilbert un F. Sanger, Nobela prēmija ķīmijā 1980), gan jauni atklājumi. gēnu uzbūves un funkcionēšanas pētījumu jomā (sk. Ģenētikas vēsture). Līdz 21. gadsimta sākumam bija iegūti dati par visu DNS primāro struktūru cilvēkiem un vairākiem citiem organismiem, kas ir vissvarīgākie medicīnai, lauksaimniecībai un zinātniskie pētījumi, kas noveda pie vairāku jaunu virzienu rašanās bioloģijā: genomika, bioinformātika utt.

Skatīt arī

• Molekulārā bioloģija (žurnāls)
• Transkriptomika
• Molekulārā paleontoloģija
• EMBO- Eiropas organizācija molekulārie biologi

Literatūra

• Dziedātājs M., Bergs P. Gēni un genomi. - Maskava, 1998.
• Stents G., Kalindars R. Molekulārā ģenētika. - Maskava, 1981.
• Sambrūks Dž., Fričs E.F., Maniatiss T. Molekulārā klonēšana. - 1989. gads.
• Patruševs L.I. Gēnu ekspresija. - M.: Nauka, 2000. - 000 lpp., ill. ISBN 5-02-001890-2

Saites

• Materiāli par molekulāro bioloģiju no Krievijas Zinātņu akadēmijas

Wikimedia fonds. 2010. gads.

• Ardatovskas rajons, Ņižņijnovgorodas apgabals
• Ņižņijnovgorodas apgabala Arzamas rajons

Skatiet, kas ir “molekulārā bioloģija” citās vārdnīcās:

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA- mācās pamata dzīvības īpašības un izpausmes molekulārā līmenī. Svarīgākie virzieni M. b. ir pētījumi par šūnu ģenētiskā aparāta strukturālo un funkcionālo organizāciju un iedzimtās informācijas īstenošanas mehānismu... ... Bioloģiskā enciklopēdiskā vārdnīca

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA- pēta dzīvības pamatīpašības un izpausmes molekulārā līmenī. Noskaidro, kā un cik lielā mērā organismu augšanu un attīstību, iedzimtas informācijas uzglabāšanu un nodošanu, enerģijas transformāciju dzīvās šūnās un citas parādības izraisa... Lielā enciklopēdiskā vārdnīca

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA Mūsdienu enciklopēdija

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA- MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA, bioloģiskais pētījums par dzīvo organismu veidojošo Molekulu uzbūvi un darbību. Galvenās studiju jomas ietver fizisko un Ķīmiskās īpašības olbaltumvielas un NULEĪNSKĀBES, piemēram, DNS. Skatīt arī… … Zinātniskā un tehniskā enciklopēdiskā vārdnīca

molekulārā bioloģija- bioloģijas sadaļa, kas pēta dzīvības pamatīpašības un izpausmes molekulārā līmenī. Noskaidro, kā un cik lielā mērā notiek organismu augšana un attīstība, iedzimtas informācijas uzglabāšana un nodošana, enerģijas transformācija dzīvās šūnās un... ... Mikrobioloģijas vārdnīca

molekulārā bioloģija- - Biotehnoloģijas tēmas EN molekulārā bioloģija ... Tehniskā tulkotāja rokasgrāmata

Molekulārā bioloģija- MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA, pēta dzīvības pamatīpašības un izpausmes molekulārā līmenī. Noskaidro, kā un cik lielā mērā notiek organismu augšana un attīstība, iedzimtas informācijas uzglabāšana un nodošana, enerģijas transformācija dzīvās šūnās un... ... Ilustrētā enciklopēdiskā vārdnīca

Molekulārā bioloģija- zinātne, kuras mērķis ir izprast dzīvības parādību būtību, pētot bioloģiskos objektus un sistēmas līmenī, kas tuvojas molekulārajam līmenim un dažos gadījumos sasniedz šo robežu. Galīgais mērķis ir...... Lielā padomju enciklopēdija

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA- pēta dzīvības parādības makromolekulu (galvenokārt proteīnu un nukleīnskābju) līmenī bezšūnu struktūrās (ribosomās u.c.), vīrusos, kā arī šūnās. Mērķis M. b. noteikt šo makromolekulu lomu un funkcionēšanas mehānismu, pamatojoties uz... Ķīmiskā enciklopēdija

molekulārā bioloģija- pēta dzīvības pamatīpašības un izpausmes molekulārā līmenī. Noskaidro, kā un cik lielā mērā notiek organismu augšana un attīstība, iedzimtas informācijas uzglabāšana un nodošana, enerģijas transformācija dzīvās šūnās un citas parādības... ... enciklopēdiskā vārdnīca

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA, detalizēta dzīvo šūnu un to izpēte sastāvdaļas(organellus), izsekojot atsevišķu identificējamu savienojumu lomai šo struktūru funkcionēšanā. Molekulārās bioloģijas joma ietver visu ar dzīvību saistīto procesu izpēti, piemēram, uzturu un izdalīšanos, elpošanu, sekrēciju, augšanu, vairošanos, novecošanos un nāvi. Molekulārās bioloģijas svarīgākais sasniegums ir ģenētiskā koda atšifrēšana un mehānisma noskaidrošana, kā šūna izmanto informāciju, kas nepieciešama, piemēram, enzīmu sintēzei. Molekulāri bioloģiskā izpēte veicina arī pilnīgāku izpratni par citiem dzīvības procesiem – fotosintēzi, šūnu elpošanu un muskuļu darbību.

Molekulārajā bioloģijā viņi dod priekšroku darbam ar salīdzinoši vienkāršām sistēmām, piemēram, vienšūnas organismiem (baktērijām, dažām aļģēm), kurās komponentu skaits ir salīdzinoši mazs, un tāpēc tos ir vieglāk atšķirt. Bet pat tas prasa ļoti sarežģītas metodes, lai precīzi lokalizētu atsevišķas vielas un atšķirtu tās no visām pārējām.

Pamatojoties uz fizikāli ķīmiskajām pieejām un instrumentiem, ir izstrādāti sarežģīti, jutīgi instrumenti un metodes, kas pielāgotas darbam ar organiskie savienojumi dzīvās sistēmas. Autoradiogrāfijas metode ir balstīta uz radioaktīvo atomu, tā saukto, iekļaušanu noteiktās vielās. “radioaktīvais marķējums”, kas ļauj ar izstarotā starojuma palīdzību izsekot šo vielu ķīmiskajām pārvērtībām. Pētot mazmolekulārās vielas, tiek izmantotas metodes, kas ļauj apvienot mazas vielas molekulas t.s. pietiekami lielas makromolekulas, lai tās varētu novērot ar lielu palielinājumu transmisijas elektronu mikroskopā. Nosaka ar rentgenstaru difrakciju vispārēja forma makromolekulas, kā tas tika darīts, piemēram, ar dezoksiribonukleīnskābi (DNS). Lai atdalītu vielu maisījumu, kas atšķiras pēc izmēra un ķīmiskā sastāva, atšķirības to kustības ātrumā elektriskā laukā (elektroforēzes metode) vai dažādu difūzijas ātrumu šķīdinātājā, kas plūst cauri stacionārai fāzei, piemēram, papīrā (hromatogrāfijas metode) , tiek izmantoti.

Izmantojot atbilstošus enzīmus, iespējams noteikt gēnu nukleotīdu secību un no tās sintezēto proteīnu aminoskābju secību. Ja dzīvniekos dažādi veidi Gēnu, kas kodē tiem kopīgās olbaltumvielas, piemēram, hemoglobīnu, nukleotīdu secības ir tuvas, var secināt, ka agrāk šiem dzīvniekiem bijis kopīgs sencis. Ja to gēnu atšķirības ir lielas, tad ir skaidrs, ka sugu novirzīšanās no kopīgā senča notikusi daudz agrāk. Šādi molekulāri bioloģiskie pētījumi ir pavēruši jaunu pieeju organismu evolūcijas izpētei.

Būtisks ieguldījums medicīnā jādod vīrusu identificēšanai pēc to sastāva. Ar tās palīdzību iespējams, piemēram, konstatēt, ka vīruss, kas cilvēkam izraisa konkrētu slimību, dabiski ligzdo kādā savvaļas dzīvniekā, no kura slimība tiek pārnesta uz cilvēkiem. Ja dzīvniekiem, kas dabā kalpo kā šī vīrusa rezervuārs, netiek konstatēti slimības simptomi, tad, acīmredzot, šeit darbojas kaut kāds imunitātes mehānisms, un tad rodas jauns uzdevums - izpētīt šo mehānismu, lai mēģinātu. lai to iekļautu imūnsistēma persona.

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA vēlu lats. molekula, lat deminutīvs. molu masa; bioloģija) ir medicīnas un bioloģijas zinātne, kas pēta dzīvības parādības bioloģisko makromolekulu līmenī - proteīnu un nukleīnskābju, piemēram, vienkāršas sistēmas, kā bezšūnu struktūras, vīrusi un, kā robeža, šūnu līmenī. Lielākā daļa šo objektu ir nedzīvi vai apveltīti ar elementārām dzīvības izpausmēm. M. amats b. sistēmā biol zinātnes nosaka priekšstati par dzīvās vielas strukturālajiem līmeņiem, t.i., evolucionāri attīstītām dzīvības formām, sākot ar prebiotiskiem soļiem un beidzot ar sarežģītām sistēmām: mazām organiskām molekulām - makromolekulām - šūnu un subcelulārām struktūrām - organismu, utt., attiecīgi zināšanu līmeņi tiek būvēti arī Krimā. Vēsturiski M. b. radās bioloģisko makromolekulu izpētes rezultātā, kuru dēļ M. b. tiek uzskatīta par bioķīmijas nozari (sk.). M. b. ir tajā pašā laikā robežzinātne, kas radās bioķīmijas, biofizikas (sk.), organiskās ķīmijas (sk.), citoloģijas (sk.) un ģenētikas (sk.) krustpunktā. Ideja M. b. sastāv no dzīvības pamatprocesu – iedzimtības (sk.), mainīguma (sk.), kustību uc – elementāro mehānismu atklāšanas, pētot biolu, makromolekulas. Molekulārā biol. idejas atrada auglīgu augsni īpaši ģenētikā - radās molekulārā ģenētika (sk.), un tieši šeit tika sasniegti rezultāti, kas veicināja M. b. un tās principu atzīšanu. M. b. ir heiristiskā (kognitīvā) vērtība, jo visos dzīvās vielas attīstības līmeņos pastāv un darbojas biols, makromolekulas - olbaltumvielas (sk.) un nukleīnskābes (sk.). Šī iemesla dēļ robežas M. b. grūti definēt: izrādās, ka tā ir visaptveroša zinātne.

Pats nosaukums “molekulārā bioloģija” pieder angļu valodai. kristalogrāfs V. T. Astberijs. Oficiālais datums, kad parādījās M. b. Viņi uzskata, ka tas ir 1953. gads, kad J. Vatsons un F. Kriks izveidoja DNS struktūru un izdarīja pieņēmumu, kas vēlāk apstiprinājās, par tās replikācijas mehānismu, kas ir iedzimtības pamatā. Bet tālāk vismaz kopš 1944. gada, sākot ar Eiveri (O. Th. Avery) darbiem, uzkrājušies fakti, kas liecina par DNS ģenētisko lomu; N.K.Koļcovs ideju par matricas sintēzi ļoti skaidrā formā izteica tālajā 1928. gadā; muskuļu kontrakcijas molekulārā pamata izpēte sākās ar V. A. Engelharda un M. N. Ļubimovas darbiem, kas publicēti 1939.-1942. M. b. attīstījās arī evolūcijas studiju un sistemātikas jomā. PSRS nukleīnskābju izpētes un evolūcijas molekulāro pamatu pētījumu iniciators bija A. N. Belozerskis.

Atšķirīga iezīme M. b. sastāv no novērojumu būtības, metodoloģiskajiem paņēmieniem un eksperimenta plānošanas. M. b. piespieda biologus no jauna paskatīties uz dzīves materiālo pamatu. Par molekulāro biol. Pētījumiem raksturīgs biol, funkciju salīdzinājums ar ķīmiju. un fizisko biopolimēru īpašības (īpašības) un īpaši to telpiskā struktūra.

Lai izprastu nukleīnskābju struktūras likumus un to uzvedību šūnā, ārkārtīgi svarīgs ir bāzu komplementaritātes princips nukleīnskābju divu virkņu struktūrās, ko 1953. gadā iedibināja J. Vatsons un F. Kriks. no nozīmes telpiskās attiecības atrada savu izpausmi idejā par makromolekulu un molekulāro kompleksu virsmu komplementaritāti, komponentu nepieciešamais nosacījums vāju spēku izpausmes, kas darbojas tikai nelielos attālumos un veicina morfola veidošanos, biol daudzveidību. struktūras, to funkcionālā mobilitāte. Šie vājie spēki ir iesaistīti tādu kompleksu veidošanā kā enzīms - substrāts, antigēns - antiviela, hormons - receptors utt., bioloģisko struktūru, piemēram, ribosomu, pašsavienošanās parādībās, veidojot slāpekļa pārus. bāzes nukleīnskābju molekulās utt. līdzīgi procesi.

M. b. vērsa biologu uzmanību uz vienkāršiem objektiem, kas stāv uz dzīves robežām, iepazīstināja ar idejām un precīzas metodesķīmija un fizika. Mutācijas process molekulārā līmenī ir interpretēts kā DNS segmentu zudums, ievietošana un pārvietošana, slāpekļa bāzu pāra aizstāšana funkcionāli nozīmīgos genoma segmentos (sk. Mutācija). Tāpēc mutaģenēzes parādības (sk.) tika pārtulkotas ķīmijā. valodu. Pateicoties M. metodēm. tika atklāts tādu prokariotu ģenētisko procesu molekulārais pamats kā rekombinācija (q.v.), transdukcija (q.v.), transformācija (q.v.), transfekcija, seksdukcija. Ievērojams progress panākts hromatīna un eikariotu hromosomu struktūras izpētē; dzīvnieku šūnu kultivēšanas un hibridizācijas metožu pilnveidošana ir radījusi iespēju attīstīt somatisko šūnu ģenētiku (sk.). DNS replikācijas regulējumu replikona koncepcijā izteica F. Džeikobs un S. Brenners.

Olbaltumvielu biosintēzes jomā t.s centrālais postulāts, kas raksturo šādu ģenētiskās informācijas kustību: DNS -> messenger RNS -> proteīns. Saskaņā ar šo postulātu olbaltumvielas ir sava veida informācijas vārsts, kas novērš informācijas atgriešanos RNS un DNS līmenī. Attīstības procesā M. b. 1970. gadā H. Temins un D. Baltimors atklāja reversās transkripcijas fenomenu (dabā DNS sintēze notiek onkogēnos RNS saturošos vīrusos, izmantojot īpašu enzīmu – reverso transkriptāzi). Olbaltumvielu un nukleīnskābju sintēze notiek atkarībā no veida matricu sintēzes, to rašanās gadījumā ir nepieciešama matrica (veidne) - oriģinālā polimēra molekula, kas iepriekš nosaka nukleotīdu (aminoskābju) secību sintezētajā kopijā. Šādas veidnes replikācijai un transkripcijai ir DNS, bet tulkošanai - ziņotāja RNS. Ģenētiskais kods (sk.) formulē veidu, kā “ierakstīt” iedzimto informāciju ziņojuma RNS, citiem vārdiem sakot, tas koordinē nukleotīdu secību nukleīnskābēs un aminoskābju olbaltumvielās. Transkripcija ir saistīta ar proteīnu biosintēzi – RNS kurjeru sintēzi uz DNS matricas, ko katalizē RNS polimerāzes; translācija ir ar ribosomu saistītā ziņneses RNS proteīna sintēze, kas notiek pēc ļoti sarežģīta mehānisma, kurā ir iesaistīti desmitiem palīgproteīnu un pārneses RNS (sk. Ribosomas). Olbaltumvielu sintēzes regulēšana visvairāk pētīta transkripcijas līmenī un formulēta F. Džeikoba un J. Monoda priekšstatos par operonu, represorproteīniem, allosterisko efektu, pozitīvo un negatīvo regulējumu. Satura ziņā neviendabīgs un vēl mazāk pilnīgs nekā iepriekšējie, sadaļa M. b. ir vairākas fundamentālas un lietišķas problēmas. Tie ietver īsviļņu starojuma, mutagēnu (sk.) un citu ietekmju izraisīto genoma bojājumu labošanu. Lielu neatkarīgu jomu veido fermentu darbības mehānisma pētījumi, kuru pamatā ir idejas par olbaltumvielu trīsdimensiju struktūru un vājo ķīmisko vielu lomu. mijiedarbības. M. b. precizēja daudzas vīrusu, īpaši bakteriofāgu, struktūras un attīstības detaļas. Hemoglobīna izpēte cilvēkiem, kuri cieš no sirpjveida šūnu anēmijas (sk.) un citām hemoglobinopātijām (sk.), iezīmēja “molekulāro slimību”, iedzimtu vielmaiņas “kļūdu” strukturālās bāzes izpētes sākumu (sk. Iedzimtas slimības). Jaunākā gēnu inženierijas nozare (sk.) izstrādā metodes iedzimtu struktūru konstruēšanai rekombinanto DNS molekulu veidā.

Molekulārajā biol. tiek izmantoti eksperimenti dažādi veidi hromatogrāfija (sk.) un ultracentrifugēšana (sk.), rentgenstaru difrakcijas analīze (sk.), elektronu mikroskopija (sk.), molekulārā spektroskopija (elektronu paramagnētiskā un kodolmagnētiskā rezonanse). Ir uzsākta sinhrotrona (magnētiskā bremsstrahlung) starojuma, neitronu difrakcijas, Mössbauer spektroskopijas un lāzertehnoloģiju izmantošana. Eksperimentos plaši tiek izmantotas modeļu sistēmas un mutāciju iegūšana. Radioaktīvo un (mazākā mērā) smago izotopu izmantošana ir M. b. parasts analītiskā metode, kā arī matemātisko metožu un datoru izmantošana. Ja agrāk molekulārie biologi vadījās pēc Ch. arr. uz fizisko metodes, kas radītas nebiolu polimēru izpētei. izcelsme, tagad ir vērojama pieaugoša tendence izmantot ķīmiskās vielas. metodes.

Par attīstību M. b. PSRS liela nozīme bija PSKP CK un PSRS Ministru padomes lēmums “Par pasākumiem molekulārās bioloģijas un molekulārās ģenētikas attīstības paātrināšanai un to sasniegumu izmantošanai tautsaimniecībā”, publicēts 1974. gada 20. maijā. Pētījumus koordinē Molekulārās bioloģijas un molekulārās ģenētikas starpresoru zinātniski tehniskā padome pie Valsts zinātnes un tehnikas komitejas PSRS Ministru padome un PSRS Zinātņu akadēmija, Molekulārās bioloģijas problēmu zinātniskā padome. PSRS Zinātņu akadēmija, līdzīgas savienības republiku Zinātņu akadēmijas padomes un nozaru akadēmijas. Tiek izdots žurnāls "Molecular Biology" (kopš 1967. gada) un abstrakts žurnāls ar tādu pašu nosaukumu. Pētījumi par M. b. tiek veiktas PSRS Zinātņu akadēmijas, PSRS Medicīnas zinātņu akadēmijas institūtos, republikas Zinātņu akadēmijās, Galvenās Mikrobioloģiskās nozares institūtos un valsts augstskolās. Sociālistiskajās valstīs darbojas daudzas šāda profila laboratorijas. Eiropā ir Eiropas Molekulārās bioloģijas organizācija (EMBO), Eiropas Molekulārās bioloģijas laboratorija (EMBL) Heidelbergā un Eiropas Molekulārās bioloģijas konference (EMBC). Lielas specializētās laboratorijas ir ASV, Francijā, Lielbritānijā, Vācijā un citās valstīs.

Speciālie periodiskie izdevumi, kas veltīti M. dzimušā ārzemēs problēmām: “Journal of Molecular Biology”, “Nucleic Acids Research”, “Molecular Biology Reports”, “Gene”.

Atsauksmes par M. b. publicēti VINITI sērijā “Molekulārā bioloģija”, “Progress in Nucleic Acids Research and Molecular Biology”, “Progress in Biophysics and Molecular Biology”, “Ikgadējais bioķīmijas pārskats”, “Cold Spring Harbor Simposia on Quantitative Biology” publikācijas. ”.

Bibliogrāfija: Ashmarin I.P. Molekulārā bioloģija, Ļeņingrada, 1977; Belozerskis A. N. Molekulārā bioloģija - jauns dabas zināšanu posms, M., 1970; Bresler S. E. Molekulārā bioloģija, L., 1973; Koļcovs N.K. Iedzimtas molekulas, Bull. Maskava par-va tests. daba, nod. biol., 70. t., v. 4. lpp. 75, 1965; oktobris un zinātne, red. A.P. Aleksandrova et al., lpp. 393, 417, M., 1977; Severins S. E. Mūsdienu problēmas fizikālā un ķīmiskā bioloģija, grāmatā: PSRS Zinātņu akadēmijas 250 gadi, lpp. 332, M., 1977; Vatsons Dž. Molekulārā bioloģija: gēns, trans. no angļu val., M., 1978; Engelhards V. A. Molekulārā bioloģija, grāmatā: Development of Biol, in the USSR, ed. B. E. Bykhovskis, lpp. 598, M., 1967. gads.

Var teikt, ka molekulārā bioloģija pēta dzīvības izpausmes uz nedzīvām struktūrām vai sistēmām ar elementārām vitālās aktivitātes pazīmēm (kas var būt atsevišķas bioloģiskas makromolekulas, to kompleksi vai organoīdi), pētot, kā tiek realizēti dzīvu vielu raksturojošie galvenie procesi. ķīmiskās mijiedarbības un pārvērtības.

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

Stāsts

Molekulārā bioloģija kā atsevišķa bioķīmijas nozare sāka veidoties pagājušā gadsimta 30. gados. Tieši tad, lai dziļāk izprastu dzīvības fenomenu, radās nepieciešamība pēc mērķtiecīgiem pētījumiem dzīvu organismu iedzimtās informācijas uzglabāšanas un nodošanas procesu molekulārā līmenī. Tad tika noteikts molekulārās bioloģijas uzdevums nukleīnskābju un olbaltumvielu struktūras, īpašību un mijiedarbības izpētē. Terminu “molekulārā bioloģija” pirmo reizi lietoja angļu zinātnieks Viljams Astberijs pētījumos, kas saistīti ar fibrilāro proteīnu, piemēram, kolagēna, asins fibrīna vai muskuļu kontraktilo proteīnu, molekulārās struktūras saistību ar fizikālajām un bioloģiskajām īpašībām.

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

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

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

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

1950. gadu sākumā Frederiks Sangers parādīja, ka olbaltumvielu ķēde ir unikāla aminoskābju atlikumu secība. 50. gadu beigās Max Perutz un John Kendrew atšifrēja pirmo proteīnu telpisko struktūru. Jau 2000. gadā bija zināmi simtiem tūkstošu dabisko aminoskābju secību un tūkstošiem proteīnu telpisko struktūru.

Aptuveni tajā pašā laikā Ervina Šargafa pētījumi ļāva viņam formulēt noteikumus, kas apraksta slāpekļa bāzu attiecību DNS (noteikumi nosaka, ka neatkarīgi no DNS sugu atšķirībām guanīna daudzums ir vienāds ar citozīna daudzumu un adenīns ir vienāds ar temīna daudzumu), kas vēlāk palīdzēja panākt vislielāko izrāvienu molekulārajā bioloģijā un vienu no lielākie atklājumi bioloģijā vispār.

Šis notikums notika 1953. gadā, kad Džeimss Vatsons un Frensiss Kriks, pamatojoties uz Rozalindas Franklinas un Morisa Vilkinsa darbiem Rentgena struktūras analīze DNS, izveidoja DNS molekulas divpavedienu struktūru. Šis atklājums ļāva atbildēt uz pamatjautājumu par iedzimtas informācijas nesēja spēju vairoties un izprast šādas informācijas pārraides mehānismu. Šie paši zinātnieki formulēja slāpekļa bāzu komplementaritātes principu, kas ir ļoti svarīgs, lai izprastu supramolekulāro struktūru veidošanās mehānismu. Šis princips, ko tagad izmanto, lai aprakstītu visus molekulāros kompleksus, ļauj aprakstīt un prognozēt vājas (nevalentas) starpmolekulāras mijiedarbības rašanās apstākļus, kas nosaka sekundāro, terciāro utt. makromolekulu uzbūve, supramolekulāro bioloģisko sistēmu pašsavienošanās gaita, kas nosaka tik daudzveidīgas molekulārās struktūras un to funkcionālās kopas. Tad, 1953. gadā, radās Zinātnes žurnāls Molekulārās bioloģijas žurnāls. To vadīja Džons Kendrū, kura zinātnisko interešu joma bija globulāro proteīnu struktūras izpēte (Nobela prēmija 1962. gadā kopā ar Maksu Perucu). Līdzīgu žurnālu krievu valodā ar nosaukumu “Molekulārā bioloģija” PSRS dibināja V. A. Engelhards 1966. gadā.

1958. gadā Frensiss Kriks formulēja t.s. Molekulārās bioloģijas centrālā dogma: ideja par ģenētiskās informācijas plūsmas neatgriezeniskumu no DNS caur RNS uz proteīniem saskaņā ar shēmu DNS → DNS (replikācija, DNS kopijas izveidošana), DNS → RNS ( transkripcija, gēnu kopēšana), RNS → proteīns (tulkošana, informācijas par proteīnu struktūras dekodēšana). Šī dogma tika nedaudz koriģēta 1970. gadā, ņemot vērā uzkrātās zināšanas, jo reversās transkripcijas fenomenu neatkarīgi atklāja Hovards Temins un Deivids Baltimors: tika atklāts enzīms, reversais, kas ir atbildīgs par reverso transkripciju - dubultās transkripcijas veidošanos. virknes DNS uz vienpavedienu RNS veidnes, kas rodas onkogēnos vīrusos. Jāatzīmē, ka stingrā prasība par ģenētiskās informācijas plūsmu no nukleīnskābēm uz olbaltumvielām joprojām ir molekulārās bioloģijas pamatā.

1957. gadā Aleksandrs Sergejevičs Spirins kopā ar Andreju Nikolajeviču Belozerski parādīja, ka ar būtiskām atšķirībām DNS nukleotīdu sastāvā no plkst. dažādi organismi, kopējo RNS sastāvs ir līdzīgs. Pamatojoties uz šiem datiem, viņi nonāca pie sensacionāla secinājuma, ka šūnas kopējā RNS nevar darboties kā ģenētiskās informācijas nesējs no DNS uz olbaltumvielām, jo ​​pēc sastāva tai neatbilst. Tajā pašā laikā viņi pamanīja, ka ir neliela RNS daļa, kas savā nukleotīdu sastāvā pilnībā atbilst DNS un kas var būt patiess ģenētiskās informācijas nesējs no DNS uz olbaltumvielām. Rezultātā viņi prognozēja salīdzinoši mazu RNS molekulu esamību, kas ir strukturāli analogas atsevišķas jomas DNS un darbojas kā starpnieki DNS ietvertās ģenētiskās informācijas pārnesē uz ribosomu, kur, izmantojot šo informāciju, tiek sintezētas olbaltumvielu molekulas. 1961. gadā (S. Brenners, F. Džeikobs, M. Mezelsons no vienas puses un F. Gross, Fransuā Džeikobs un Žaks Monods bija pirmie, kas ieguva eksperimentālu apstiprinājumu šādu molekulu - informācijas (ziņnesis) RNS esamībai. tajā pašā laikā tika izstrādāta DNS funkcionālās vienības - operona koncepcija un modelis, kas ļāva precīzi izskaidrot, kā notiek gēnu ekspresijas regulēšana prokariotos Olbaltumvielu biosintēzes mehānismu un strukturālās struktūras principu izpēte molekulāro mašīnu - ribosomu - organizācija un darbība ļāva formulēt postulātu, kas apraksta ģenētiskās informācijas kustību, ko sauc par molekulārās bioloģijas centrālo dogmu: DNS - mRNS ir proteīns.

1961. gadā un dažu nākamo gadu laikā Heinrihs Matthai un Marshall Nirenberg, bet pēc tam Har Korana un Robert Holley veica vairākus darbus, lai atšifrētu ģenētisko kodu, kā rezultātā tika izveidota tieša saikne starp DNS struktūru un sintezētie proteīni un nukleotīdu secība, kas nosaka aminoskābju kopumu proteīnā. Tika iegūti arī dati par ģenētiskā koda universālumu. Atklājumiem tika piešķirta Nobela prēmija 1968. gadā.

Mūsdienu ideju attīstībai par RNS funkcijām izšķiroša bija nekodējošu RNS atklāšana, pamatojoties uz Aleksandra Sergejeviča Spirina un Andreja Nikolajeviča Belozerska 1958. gada darba rezultātiem, Čārlzu Brenneru un līdzautoriem un Saulu Spīgelmanu. 1961. gadā. Šis RNS veids veido lielāko daļu šūnu RNS. Nekodējošās RNS galvenokārt ietver ribosomu RNS.

Dzīvnieku šūnu kultivēšanas un hibridizācijas metodes ir guvušas ievērojamu attīstību. 1963. gadā Fransuā Džeikobs un Sidnijs Brenners formulēja ideju par replikonu - raksturīgi replikējošu gēnu secību, kas izskaidro svarīgus gēnu replikācijas regulēšanas aspektus.

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

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

1970. gadā Hovards Temins un Deivids Baltimors neatkarīgi veica nozīmīgu atklājumu: viņi atklāja enzīmu revertāzi, kas ir atbildīga par reverso transkripciju – divpavedienu DNS veidošanos uz vienpavedienu RNS šablona, ​​kas notiek onkogēnos vīrusos, kas satur RNS.

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

Līdz 70. gadu sākumam tika formulēti nukleīnskābju un olbaltumvielu funkcionēšanas pamatprincipi dzīvā organismā. Tika konstatēts, ka olbaltumvielas un nukleīnskābes organismā tiek sintezētas, izmantojot matricas mehānismu, matricas molekula nes šifrētu informāciju par aminoskābju (olbaltumvielām) vai nukleotīdu (nukleīnskābē) secību. Replikācijas (DNS dublēšanās) vai transkripcijas (mRNS sintēze) laikā DNS kalpo kā šāda matrica; translācijas (olbaltumvielu sintēzes) vai reversās transkripcijas laikā mRNS kalpo kā šāda matrica.

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

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

1976. gads - Frederiks. Sanger atšifrēja 5375 nukleotīdu pāru garā fāga φΧ174 DNS nukleotīdu secību.

1981. gads — sirpjveida šūnu slimība kļūst par pirmo ģenētiska slimība, diagnosticēts, izmantojot DNS analīzi.

No 1982. līdz 1983. gadam RNS katalītiskās funkcijas atklāšana T. Čeka un S. Altmena Amerikas laboratorijās mainīja esošo priekšstatu par proteīnu ekskluzīvo lomu. Pēc analoģijas ar katalītiskajiem proteīniem - fermentiem, katalītiskās RNS sauca par ribozīmiem.

1987 Keri Mullez atklāj polimerāzes ķēdes reakciju, pateicoties kurai ir iespējams mākslīgi būtiski palielināt DNS molekulu skaitu šķīdumā turpmākam darbam. Mūsdienās šī ir viena no svarīgākajām molekulārās bioloģijas metodēm, ko izmanto iedzimtības un vīrusu slimības, gēnu izpētē un ģenētiskajā identificēšanā un radniecības nodibināšanā utt.

1990. gadā trīs zinātnieku grupas vienlaikus publicēja metodi, kas ļāva laboratorijā ātri iegūt sintētisku funkcionāli aktīvo RNS (mākslīgos ribozīmus jeb molekulas, kas mijiedarbojas ar dažādiem ligandiem – aptamēriem). Šo metodi sauc par "evolūciju in vitro". Un drīz pēc tam, 1991.-1993.gadā laboratorijā A.B. Quadruple eksperimentāli pierādīja RNS molekulu pastāvēšanas, augšanas un pastiprināšanas iespēju koloniju veidā uz cietas barotnes.

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

RNS traucējumu mehānisma atklāšanai ir ļoti svarīga praktiska nozīme mūsdienu molekulārajā bioloģijā. Šo fenomenu plaši izmanto zinātniskos eksperimentos kā līdzekli “izslēgšanai”, tas ir, atsevišķu gēnu ekspresijas nomākšanai. Īpaši interesanti ir fakts, ka šī metode ļauj atgriezeniski (īslaicīgi) nomākt pētāmo gēnu aktivitāti. Šobrīd tiek pētītas iespējas izmantot šo fenomenu vīrusu, audzēju, deģeneratīvu un vielmaiņas slimību ārstēšanā. Jāatzīmē, ka 2002. gadā tika atklāti mutanti poliomielīta vīrusi, kas spēja izvairīties no RNS iejaukšanās, tāpēc ir nepieciešams rūpīgāks darbs, lai izstrādātu patiesu. efektīvas metodesārstēšana, kuras pamatā ir šī parādība.

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

Lieta

Molekulārās bioloģijas sasniegumus dzīvās dabas zināšanās ir grūti pārvērtēt. Lieli panākumi gūti, pateicoties veiksmīgai pētniecības koncepcijai: sarežģīti bioloģiskie procesi tiek aplūkoti no atsevišķu molekulāro sistēmu perspektīvas, kas ļauj izmantot precīzas fizikāli ķīmiskās izpētes metodes. Tas šai zinātnes jomai piesaistīja arī daudzus izcilus prātus no radniecīgām jomām: ķīmijas, fizikas, citoloģijas, virusoloģijas, kas arī labvēlīgi ietekmēja attīstības mērogu un ātrumu. zinātniskās zināšanasšajā jomā. Tādi nozīmīgi atklājumi kā DNS struktūras noteikšana, ģenētiskā koda atšifrēšana un mākslīgi mērķtiecīga genoma modifikācija ļāvuši būtiski labāk izprast organismu attīstības procesu specifiku un veiksmīgi atrisināt neskaitāmas nozīmīgas fundamentālas un lietišķas zinātnes, medicīnas un sociālās problēmas, kuras ne tik sen tika uzskatītas par neatrisināmām.

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

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

Olbaltumvielas ir lineāri polimēri, kas ir alfa aminoskābju ķēdes, kas savienotas viena ar otru ar peptīdu saitēm, tāpēc to otrais nosaukums - polipeptīdi. Dabiskās olbaltumvielas satur daudz dažādu aminoskābju vienību – līdz pat 20 cilvēkiem –, kas nosaka šo molekulu daudzveidīgās funkcionālās īpašības. Atsevišķi proteīni piedalās gandrīz visos procesos organismā un veic daudzus uzdevumus: pilda šūnu būvmateriāla lomu, nodrošina vielu un jonu transportu, katalizē. ķīmiskās reakcijas, - šis saraksts ir ļoti garš. Olbaltumvielas veido stabilas molekulārās konformācijas dažādos organizācijas līmeņos (sekundārās un terciārās struktūras) un molekulāros kompleksus, kas vēl vairāk paplašina to funkcionalitāti. Šīm molekulām var būt augsta specifika noteiktu uzdevumu veikšanai, jo veidojas sarežģīta telpiskā lodveida struktūra. Olbaltumvielu daudzveidība nodrošina pastāvīgu zinātnieku interesi par šāda veida molekulām.

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

Šobrīd ir zināmi vairāki ģenētiskā materiāla ieviešanas veidi, kas atspoguļo dažādas ieviešanas secības trīs veidiģenētiskās informācijas esamība: DNS, RNS un olbaltumvielas. Deviņos iespējamie veidi realizācijas iedala trīs grupās: tās ir trīs vispārīgas transformācijas (vispārīgas), kas parasti notiek lielākajā daļā dzīvo organismu; trīs īpašas transformācijas (īpašas), kas veiktas dažos vīrusos vai īpašās laboratorijas apstākļi; trīs nezināmas transformācijas (nezināmas), kuru īstenošana tiek uzskatīta par neiespējamu.

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

Lai veiktu iedzimto īpašību nodošanu, vecākiem ir jānodod pilnīga DNS molekula saviem pēcnācējiem. Procesu, kurā no sākotnējās DNS var sintezēt precīzu kopiju un tādējādi pārnest ģenētisko materiālu, sauc par replikāciju. To veic īpaši proteīni, kas atšķetina molekulu (iztaisno tās sekciju), atritina dubulto spirāli un, izmantojot DNS polimerāzi, izveido precīzu sākotnējās DNS molekulas kopiju.

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

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

Īpašu transformāciju laikā ģenētiskais kods tiek realizēts pēc shēmas RNS→RNS (replikācija), RNS→DNS (reversā transkripcija), DNS→proteīns (tiešā translācija). Šāda veida replikācija notiek daudzos vīrusos, kur to veic no RNS atkarīga RNS polimerāze. Līdzīgi fermenti ir atrodami eikariotu šūnās, kur tie ir saistīti ar RNS klusēšanas procesu. Reversā transkripcija ir sastopama retrovīrusos, kur tā tiek veikta enzīma reversās transkriptāzes ietekmē, kā arī dažos gadījumos eikariotu šūnas, piemēram, telomēru sintēzes laikā. Tiešraide tiek veikta tikai mākslīgos apstākļos izolētā sistēmā ārpus šūnas.

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

Interesanta ir jēdziena “centrālā dogma” rašanās vēsture. Tā kā vārds dogma kopumā nozīmē apgalvojumu, kas nav pakļauts šaubām, un pašam vārdam ir skaidra reliģiska nozīme, tā izvēle kā zinātniska fakta apraksts nav gluži leģitīma. Pēc paša Frensisa Krika domām, tā bija viņa kļūda. Viņš vēlējās piedāvātajai teorijai piešķirt lielāku nozīmi, atšķirt to no citām teorijām un hipotēzēm; Kāpēc viņš nolēma lietot šo majestātisko, viņaprāt, vārdu, nesaprotot tā patieso nozīmi? Nosaukums tomēr piekliboja.

Molekulārā bioloģija šodien

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

Krievijā vadošie centri šajā jomā ir nosauktais Molekulārās bioloģijas institūts. V.A.Engelhards RAS, Molekulārās ģenētikas institūts RAS, Gēnu bioloģijas institūts RAS, Fizikālās un ķīmiskās bioloģijas institūts nosaukts pēc. Nosaukta A. N. Belozerska Maskavas Valsts universitāte. M.V. Lomonosova vārdā nosauktais Bioķīmijas institūts. A.N.Baha RAS un Proteīna RAS institūtu Puščino.

Šodien aptver molekulāro biologu interešu joma plaša spektra fundamentāli zinātniskiem jautājumiem. Vadošo lomu joprojām ieņem nukleīnskābju struktūras un olbaltumvielu biosintēzes izpēte, dažādu intracelulāro struktūru un šūnu virsmu uzbūves un funkciju pētījumi. Svarīgas pētniecības jomas ir arī signālu uztveršanas un pārraides mehānismu izpēte, molekulārie mehānismi savienojumu transportēšana šūnas iekšienē, kā arī no šūnas uz ārējo vidi un atpakaļ. Starp galvenajiem zinātnisko pētījumu virzieniem lietišķās molekulārās bioloģijas jomā viena no augstākajām prioritātēm ir audzēju rašanās un attīstības problēma. Arī ļoti svarīga joma, ko pēta molekulārās bioloģijas nozare - molekulārā ģenētika - ir rašanās molekulārā pamata izpēte. iedzimtas slimības, un vīrusu slimības, piemēram, AIDS, kā arī veidu izstrāde, kā tās novērst un, iespējams, arī ārstēt gēnu līmenī. Molekulāro biologu atklājumi un attīstība tiesu medicīna. Īstu revolūciju personas identifikācijas jomā 80. gados veica Krievijas, ASV un Lielbritānijas zinātnieki, pateicoties “genomiskā pirkstu nospiedumu noņemšanas” metodes izstrādei un ieviešanai ikdienas praksē - indivīda identificēšanai pēc DNS. Pētījumi šajā jomā neapstājas līdz šai dienai, mūsdienu metodes ļauj noteikt personas identitāti ar vienas miljardās daļas kļūdas iespējamību. Jau šobrīd notiek aktīva ģenētiskās pases projekta izstrāde, kas paredz ievērojami samazināt noziedzības līmeni.

Metodoloģija

Mūsdienās molekulārajai bioloģijai ir plašs metožu arsenāls, kas ļauj atrisināt vismodernākās un sarežģītākās problēmas, ar kurām saskaras zinātnieki.

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

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

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

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

Pateicoties tehnoloģiskajam progresam un zinātniskajiem pētījumiem ķīmijas, fizikas, bioloģijas un datorzinātņu jomās, modernas iekārtas ļauj izolēt, pētīt un mainīt atsevišķus gēnus un procesus, kuros tie ir iesaistīti.