Uygulamalı Moleküler Biyoloji. Moleküler biyolojinin konusu, görevleri ve hedefleri Bize onun hakkında daha fazla bilgi verin

"Bio / mol / text" yarışması için çizgi romanlar: Bugün, moleküler biyolog Test tüpü, şaşırtıcı bilim - moleküler biyoloji dünyasında size rehberlik edecek! Gelişiminin aşamaları boyunca tarihi bir gezi ile başlayacağız ve 1933'ten bu yana ana keşifleri ve deneyleri anlatacağız. Ayrıca, genleri manipüle etmeyi, değiştirmeyi ve izole etmeyi mümkün kılan moleküler biyolojinin ana yöntemlerini de açıkça anlatacağız. Bu yöntemlerin ortaya çıkması, moleküler biyolojinin gelişimi için güçlü bir itici güç olarak hizmet etti. Biyoteknolojinin rolünü de hatırlayalım ve bu alandaki en popüler konulardan birine değinelim - CRISPR / Cas sistemlerini kullanarak genom düzenleme.

Yarışmanın genel sponsoru ve Skoltech adaylığının ortağı -.

Yarışmanın sponsoru Diaem şirketidir: biyolojik araştırma ve üretim için en büyük ekipman, reaktifler ve sarf malzemeleri tedarikçisi.

Şirket, Halkın Seçimi Ödülü'nün sponsoruydu.

Yarışmanın "Kitap" sponsoru - "Alpina kurgu dışı"

1. Giriş. Moleküler Biyolojinin Özü

Organizmaların yaşamının temellerini makromoleküller düzeyinde inceler. Moleküler biyolojinin amacı, yapıları ve özellikleri hakkındaki bilgilere dayanarak bu makromoleküllerin rol ve işleyiş mekanizmalarını belirlemektir.

Tarihsel olarak, moleküler biyoloji, nükleik asitleri ve proteinleri inceleyen biyokimya alanlarının gelişimi sırasında oluşmuştur. Biyokimya, canlı hücrelerin, organizmaların ve bunların içinde yürütülen kimyasal süreçlerin metabolizmasını, kimyasal bileşimini incelerken, moleküler biyoloji, genetik bilginin iletim, üreme ve depolama mekanizmalarının çalışmasına odaklanır.

Ve moleküler biyolojinin incelenmesinin amacı, nükleik asitlerin kendileri - deoksiribonükleik (DNA), ribonükleik (RNA) - ve proteinlerin yanı sıra makromoleküler kompleksleri - kromozomlar, ribozomlar, proteinlerin ve nükleik asitlerin biyosentezini sağlayan multienzim sistemleridir. Moleküler biyoloji ayrıca araştırma nesneleri ile sınırlıdır ve moleküler genetik, viroloji, biyokimya ve bir dizi diğer ilgili biyolojik bilimlerle örtüşür.

2. Moleküler biyolojinin gelişim aşamaları boyunca tarihsel gezi

Ayrı bir biyokimya dalı olarak moleküler biyoloji, geçen yüzyılın 30'lu yıllarında gelişmeye başladı. O zaman bile, genetik bilginin iletilmesi ve depolanması süreçlerini incelemek için moleküler düzeyde yaşam olgusunu anlamak gerekli hale geldi. O zamanlar, proteinlerin ve nükleik asitlerin özelliklerinin, yapısının ve etkileşiminin incelenmesinde moleküler biyolojinin görevi kuruldu.

İlk kez "moleküler biyoloji" terimi kullanılmıştır. 1933 yıl William Astbury, fibriler proteinlerin (kollajen, kan fibrin, kasların kasılma proteinleri) çalışması sırasında. Astbury, bu proteinlerin moleküler yapısı ile biyolojik, fiziksel özellikleri arasındaki ilişkiyi inceledi. Moleküler biyolojinin ortaya çıkışının başlangıcında, RNA sadece bitkilerin ve mantarların bir bileşeni olarak kabul edildi ve DNA sadece hayvanların bir bileşeniydi. Ve 1935 Andrey Belozersky'nin bezelyede DNA'yı keşfetmesi, DNA'nın her canlı hücrede bulunduğu gerçeğinin ortaya çıkmasına neden oldu.

V 1940 George Beadle ve Edward Tatem tarafından genler ve proteinler arasında nedensel bir ilişki kurulması muazzam bir başarıydı. Bilim adamlarının "Bir gen - bir enzim" hipotezi, bir proteinin spesifik yapısının genler tarafından düzenlendiği kavramının temelini oluşturdu. Genetik bilginin, proteinlerin birincil yapısını düzenleyen DNA'daki özel bir nükleotid dizisi tarafından kodlandığına inanılmaktadır. Daha sonra birçok proteinin kuaterner bir yapıya sahip olduğu kanıtlandı. Bu tür yapıların oluşumunda çeşitli peptit zincirleri rol oynar. Buna dayanarak, gen ve enzim arasındaki ilişkiye ilişkin hüküm biraz değiştirildi ve şimdi "Bir gen - bir polipeptit" gibi geliyor.

V 1944 Amerikalı biyolog Oswald Avery ve meslektaşları (Colin McLeod ve McLean McCarthy), bakterilerin dönüşümüne neden olan maddenin protein değil DNA olduğunu kanıtladılar. Deney, kalıtsal bilgilerin iletilmesinde DNA'nın rolünün kanıtı olarak hizmet etti ve genlerin protein doğası hakkında eski bilgileri sildi.

1950'lerin başında Frederic Sanger, bir protein zincirinin benzersiz bir amino asit kalıntıları dizisi olduğunu gösterdi. V 1951 ve 1952 yıl, bilim adamı iki polipeptit zincirinin tam dizisini belirledi - sığır insülini V(30 amino asit kalıntısı) ve A(21 amino asit kalıntısı).

Yaklaşık aynı zamanlarda, 1951–1953 Erwin Chargaff, DNA'daki azotlu bazların oranı için kuralları formüle etti. Kurala göre, canlıların DNA'larındaki tür farklılıklarına bakılmaksızın, adenin (A) miktarı timin (T) miktarına, guanin (G) miktarı ise sitozin miktarına eşittir. (C).

V 1953 DNA'nın genetik rolü kanıtlanmıştır. James Watson ve Francis Crick, Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins tarafından elde edilen bir DNA radyografisine dayanarak, DNA'nın uzamsal yapısını oluşturdular ve kalıtımın altında yatan replikasyon (iki katına çıkma) mekanizması hakkında daha sonra doğrulanmış bir varsayım ortaya koydular.

1958 yıl - Francis Crick tarafından moleküler biyolojinin merkezi dogmasının oluşumu: genetik bilginin aktarımı DNA → RNA → protein yönünde gider.

Dogmanın özü, hücrelerde DNA'dan belirli bir yönlü bilgi akışı olmasıdır, bu da sırayla dört harften oluşan orijinal genetik metindir: A, T, G ve C. Çift olarak yazılmıştır. bu harflerin form dizilerindeki DNA sarmalı - nükleotidler.

Bu metin deşifre edilmiştir. Ve sürecin kendisi denir transkripsiyon... Bu süreç sırasında, genetik metinle aynı olan, ancak bir farkla RNA sentezlenir: RNA'da T yerine U (urasil) vardır.

Bu RNA'ya denir haberci RNA (mRNA), veya matris (mRNA). Yayın mRNA, üçlü nükleotid dizileri biçimindeki genetik kod kullanılarak gerçekleştirilir. Bu işlem sırasında, DNA ve RNA nükleik asitlerinin metni, dört harfli bir metinden yirmi harfli bir amino asit metnine çevrilir.

Sadece yirmi doğal amino asit vardır ve nükleik asitlerin metninde dört harf vardır. Bu nedenle, her üç nükleotide bir amino asidin karşılık geldiği genetik kod aracılığıyla dört harfli alfabeden yirmi harfli alfabeye bir çeviri vardır. Böylece, 20 amino asit varken, dört harften 64'e kadar üç harfli kombinasyon yapabilirsiniz.Bundan, genetik kodun mutlaka dejenerasyon özelliğine sahip olması gerektiği sonucu çıkar. Bununla birlikte, o sırada genetik kod bilinmiyordu, dahası, onu deşifre etmeye bile başlamamışlardı, ancak Crick zaten merkezi dogmasını formüle etmişti.

Yine de, kodun var olması gerektiğine dair bir kesinlik vardı. O zamana kadar bu kodun üçlü olduğu kanıtlanmıştı. Bu, nükleik asitlerde özellikle üç harfin ( kodonlar) herhangi bir amino aside karşılık gelir. Bu kodonlardan sadece 64 tanesi vardır, 20 amino asidi kodlarlar. Bu, birkaç kodonun aynı anda her amino aside karşılık geldiği anlamına gelir.

Böylece, merkezi dogmanın, hücrede yönlendirilmiş bir bilgi akışının meydana geldiğine dair bir varsayım olduğu sonucuna varabiliriz: DNA → RNA → protein. Crick, merkezi dogmanın ana içeriğini vurguladı: ters bilgi akışı gerçekleşemez, protein genetik bilgiyi değiştiremez.

Bu, merkezi dogmanın ana anlamıdır: bir protein, bilgiyi DNA'ya (veya RNA'ya) değiştiremez ve dönüştüremez, akış her zaman sadece bir yönde ilerler.

Bundan bir süre sonra, merkezi dogmanın formülasyonu sırasında bilinmeyen yeni bir enzim keşfedildi - ters transkriptaz DNA'yı RNA'dan sentezler. Enzim, genetik bilginin DNA'da değil RNA'da kodlandığı virüslerde keşfedildi. Bu virüslere retrovirüsler denir. RNA ve özel bir enzim içeren viral bir kapsülleri vardır. Enzim, DNA'yı bu viral RNA'nın şablonuna göre sentezleyen revers transkriptazdır ve bu DNA daha sonra virüsün hücrede daha da gelişmesi için genetik materyal görevi görür.

Tabii ki, bu keşif moleküler biyologlar arasında büyük bir şoka ve birçok tartışmaya neden oldu, çünkü merkezi dogmaya dayanarak bunun olamayacağına inanılıyordu. Ancak, Crick hemen bunun imkansız olduğunu asla söylemediğini açıkladı. Sadece bir proteinden nükleik asitlere hiçbir zaman bilgi akışı olamayacağını ve zaten herhangi bir tür nükleik asitin içinde süreçlerin oldukça mümkün olduğunu söyledi: DNA için DNA sentezi, RNA için DNA, DNA için RNA ve RNA için RNA.

Merkezi dogmanın formüle edilmesinden sonra, bir dizi soru kaldı: DNA'yı (veya RNA'yı) oluşturan dört nükleotitten oluşan alfabe, proteinleri oluşturan 20 harfli amino asit alfabesini nasıl kodluyor? Genetik kodun özü nedir?

Genetik kodun varlığına ilişkin ilk fikirler Alexander Downs tarafından formüle edildi ( 1952 g.) ve Georgy Gamov ( 1954 G.). Bilim adamları, nükleotit dizisinin en az üç bağlantı içermesi gerektiğini göstermiştir. Daha sonra böyle bir dizinin üç nükleotitten oluştuğu kanıtlandı. kodon (üçlü). Bununla birlikte, bir protein molekülüne hangi amino asidin dahil edilmesinden hangi nükleotitlerin sorumlu olduğu sorusu 1961'e kadar açık kaldı.

Ve 1961 Marshall Nirenberg, Heinrich Mattei ile birlikte yayın yapmak için sistemi kullandı. laboratuvar ortamında... Şablon olarak bir oligonükleotit alındı. Yalnızca urasil kalıntılarından oluşuyordu ve ondan sentezlenen peptit, yalnızca amino asit fenilalanin içeriyordu. Böylece ilk kez kodonun anlamı belirlendi: UUU kodonu fenilalanin kodlar. Onlardan sonra, Kuran-ı Kerim, UCUCUCUCUCUC nükleotid dizisinin bir dizi serin-lösin-serin-lösin amino asitlerini kodladığını öğrendi. Genel olarak, Nirenberg ve Kuran'ın çalışmaları sayesinde, 1965 yıl, genetik kod tamamen çözüldü. Her üçlünün belirli bir amino asidi kodladığı ortaya çıktı. Ve kodonların sırası, proteindeki amino asitlerin sırasını belirler.

Proteinlerin ve nükleik asitlerin işleyişinin ana ilkeleri 70'lerin başında formüle edildi. Proteinlerin ve nükleik asitlerin sentezinin bir matris mekanizması ile gerçekleştirildiği kaydedildi. Şablon molekül, amino asitlerin veya nükleotitlerin dizisi hakkında kodlanmış bilgileri taşır. Replikasyon veya transkripsiyon sırasında şablon DNA'dır; translasyon ve ters transkripsiyon sırasında mRNA'dır.

Böylece, genetik mühendisliği de dahil olmak üzere moleküler biyolojide yönlerin oluşumu için ön koşullar yaratıldı. Ve 1972'de Paul Berg ve meslektaşları moleküler klonlama teknolojisini geliştirdiler. Bilim adamları ilk rekombinant DNA'yı aldı laboratuvar ortamında... Bu olağanüstü keşifler, moleküler biyolojide yeni bir yönün temelini oluşturdu ve 1972 o zamandan bu yana geçen yıl, genetik mühendisliğinin doğum tarihi olarak kabul ediliyor.

3. Moleküler biyoloji yöntemleri

Nükleik asitler, DNA yapısı ve protein biyosentezi araştırmalarındaki muazzam ilerlemeler, tıpta, tarımda ve genel olarak bilimde büyük önem taşıyan bir dizi yöntemin yaratılmasına yol açmıştır.

Genetik kodu ve kalıtsal bilgiyi saklamanın, aktarmanın ve gerçekleştirmenin temel ilkelerini inceledikten sonra, moleküler biyolojinin daha da geliştirilmesi için özel yöntemler gerekli hale geldi. Bu yöntemler, genleri manipüle etmeyi, değiştirmeyi ve izole etmeyi mümkün kılacaktır.

Bu tür yöntemlerin ortaya çıkışı 1970'lerde ve 1980'lerde gerçekleşti. Bu, moleküler biyolojinin gelişimine büyük bir ivme kazandırdı. Her şeyden önce, bu yöntemler, genlerin üretimi ve diğer organizmaların hücrelerine girişlerinin yanı sıra genlerdeki nükleotit dizisini belirleme yeteneği ile doğrudan ilgilidir.

3.1. DNA elektroforezi

DNA elektroforezi DNA ile çalışmanın temel yöntemidir. DNA elektroforezi, istenen molekülleri izole etmek ve sonuçları daha fazla analiz etmek için neredeyse tüm diğer yöntemlerle birlikte kullanılır. Jel elektroforez yöntemi, DNA parçalarını uzunluklarına göre ayırmak için kullanılır.

Elektroforezden önce veya sonra jel, DNA'ya bağlanabilen boyalarla işlenir. Boyalar ultraviyole ışıkta floresan oluşturarak jelde bir şerit deseni oluşturur. DNA parçalarının uzunluklarını belirlemek için, bunlar ile karşılaştırılabilirler. işaretçiler tarafından- aynı jel üzerine uygulanan standart uzunluktaki parça setleri.

Floresan proteinler

Ökaryotik organizmaları incelerken, işaretleyici genler olarak floresan proteinleri kullanmak kullanışlıdır. İlk yeşil floresan proteinin geni ( yeşil floresan proteini, GFP) denizanasından izole edilmiş Akeuorea victoria ve daha sonra çeşitli organizmalara tanıtıldı. Bundan sonra, diğer renklerin floresan proteinlerinin genleri izole edildi: mavi, sarı, kırmızı. Bu tür genler, ilgilenilen özelliklere sahip proteinler üretmek için yapay olarak modifiye edildi.

Genel olarak, bir DNA molekülü ile çalışmak için en önemli araçlar, hücrelerde bir dizi DNA dönüşümü gerçekleştiren enzimlerdir: DNA polimeraz, DNA ligazları ve Kısıtlama enzimleri (kısıtlama endonükleazları).

transgenez

transgenez genlerin bir organizmadan diğerine aktarılmasına denir. Ve bu tür organizmalara denir transgenik.

Rekombinant protein preparatları, genlerin mikroorganizmaların hücrelerine aktarılmasıyla elde edilir. Temel olarak, bu tür protein preparatları interferonlar, insülin, bazı protein hormonları ve bir takım aşıların üretimi için proteinler.

Diğer durumlarda, gerekli proteinleri süte salgılayan, çoğunlukla çiftlik hayvanları olmak üzere ökaryotların veya transgenik hayvanların hücre kültürleri kullanılır. Bu şekilde antikorlar, pıhtılaşma faktörleri ve diğer proteinler elde edilir. Zararlılara ve herbisitlere dayanıklı kültür bitkileri elde etmek için transgenez yöntemi kullanılır ve transgenik mikroorganizmalar yardımıyla atık su arıtılır.

Yukarıdakilerin tümüne ek olarak, transgenik teknolojiler bilimsel araştırmalarda vazgeçilmezdir, çünkü modifikasyon ve gen transferi yöntemlerinin kullanılmasıyla biyolojinin gelişimi daha hızlıdır.

Kısıtlama enzimleri

Restriksiyon endonükleazları tarafından tanınan dizilimler simetriktir, bu nedenle her türlü kırılma böyle bir dizinin ortasında ya da DNA molekülünün bir ya da her iki zincirinde bir kayma ile meydana gelebilir.

Herhangi bir DNA bir kısıtlama enzimi ile parçalandığında, parçaların uçlarındaki diziler aynı olacaktır. Tamamlayıcı bölgeleri olduğu için tekrar bağlantı kurabilecekler.

Bu dizileri kullanarak tek bir molekül elde edebilirsiniz. DNA ligazları... Bu sayede iki farklı DNA'nın parçalarını birleştirmek ve rekombinant DNA elde etmek mümkündür.

3.2. PCR

Yöntem, DNA polimerazların, bir hücrede DNA replikasyonu sürecinde olduğu gibi tamamlayıcı iplik boyunca ikinci DNA zincirini tamamlama kabiliyetine dayanır.

3.3. DNA dizilimi

Sıralama yönteminin hızlı gelişimi, çalışılan organizmanın özelliklerini genom düzeyinde etkili bir şekilde belirlemeyi mümkün kılar. Bu tür genomik ve post-genomik teknolojilerin temel avantajı, gerekli önlemleri önceden almak ve hastalıklardan kaçınmak için insan hastalıklarının genetik doğası üzerine araştırma ve çalışma olanaklarının artmasıdır.

Geniş çaplı araştırmalarla, farklı insan gruplarının çeşitli genetik özellikleri hakkında gerekli verileri elde etmek ve böylece tıp yöntemlerini geliştirmek mümkündür. Bu nedenle, çeşitli hastalıklara genetik yatkınlığın belirlenmesi günümüzde oldukça popülerdir.

Bu tür yöntemler, Rusya da dahil olmak üzere neredeyse tüm dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır. Bilimsel ilerleme nedeniyle, bu tür yöntemler genel olarak tıbbi araştırmalara ve tıbbi uygulamalara dahil edilmektedir.

4. Biyoteknoloji

biyoteknoloji- Canlı organizmaları veya sistemlerini teknolojik problemleri çözmek için kullanma olanaklarını ve aynı zamanda genetik mühendisliği yoluyla istenen özelliklere sahip canlı organizmalar yaratmayı inceleyen bir disiplin. Biyoteknoloji, kimya, mikrobiyoloji, biyokimya ve tabii ki moleküler biyoloji yöntemlerini uygular.

Biyoteknolojinin gelişiminin ana yönleri (biyoteknolojik süreçlerin ilkeleri tüm endüstrilerin üretimine dahil edilmiştir):

1. Yeni yiyecek ve hayvan yemi türlerinin oluşturulması ve üretimi.
2. Yeni mikroorganizma suşlarının elde edilmesi ve incelenmesi.
3. Yeni bitki çeşitleri yetiştirmenin yanı sıra bitkileri hastalıklardan ve zararlılardan korumak için araçlar yaratmak.
4. Biyoteknoloji yöntemlerinin çevresel ihtiyaçlara uygulanması. Bu tür biyoteknoloji yöntemleri atık geri dönüşümü, atık su arıtımı, atık hava ve toprak temizliği için kullanılmaktadır.
5. İlaç ihtiyacına yönelik vitamin, hormon, enzim, serum üretimi. Biyoteknoloji uzmanları, daha önce tedavi edilemez olarak kabul edilen gelişmiş ilaçlar geliştiriyorlar.

Genetik mühendisliği, biyoteknolojide büyük bir ilerlemedir.

Genetik mühendisliği- rekombinant RNA ve DNA molekülleri üretmek, tek tek genleri hücrelerden izole etmek, genleri manipüle etmek ve bunları diğer organizmalara (bakteri, maya, memeliler) sokmak için bir dizi teknoloji ve yöntem. Bu tür organizmalar, istenen, değiştirilmiş özelliklere sahip son ürünler üretme yeteneğine sahiptir.

Genetik mühendisliği yöntemleri, doğada önceden var olmayan yeni gen kombinasyonları oluşturmayı amaçlar.

Genetik mühendisliğinin başarılarından bahsetmişken, klonlama konusuna değinmemek mümkün değil. klonlama- Bu, eşeysiz üreme yoluyla farklı organizmaların özdeş torunlarını elde etmek için kullanılan biyoteknoloji yöntemlerinden biridir.

Başka bir deyişle klonlama, bir organizmanın veya hücrenin genetik olarak özdeş kopyalarını oluşturma süreci olarak düşünülebilir. Ve klonlanan organizmalar sadece görünüş olarak değil, aynı zamanda genetik içerik olarak da benzer veya tamamen aynıdır.

Ünlü koyun Dolly, 1966'da klonlanan ilk memeli oldu. Somatik bir hücrenin çekirdeğinin yumurtanın sitoplazmasına nakledilmesiyle elde edildi. Dolly, nükleer bir donör koyunun genetik bir kopyasıydı. Doğal koşullar altında, genetik materyalin yarısını iki ebeveynden almış bir döllenmiş yumurtadan bir birey oluşur. Ancak klonlama sırasında genetik materyal bir bireyin hücresinden alındı. İlk olarak, çekirdek, DNA'nın kendisinin bulunduğu zigottan çıkarıldı. Daha sonra yetişkin bir koyunun hücresinden çekirdek çıkarılarak çekirdeksiz zigota implante edilmiş ve daha sonra bir yetişkinin rahmine nakledilerek büyüme ve gelişme imkanı sağlanmıştır.

Ancak, tüm klonlama girişimleri başarılı olmamıştır. Dolly'nin klonlamasına paralel olarak diğer 273 yumurta üzerinde bir DNA değiştirme deneyi yapıldı. Ancak yalnızca bir durumda, tamamen gelişip büyüyebilen yaşayan bir yetişkin hayvan vardı. Dolly'den sonra bilim adamları diğer memeli türlerini klonlamaya çalıştılar.

Genetik mühendisliğinin türlerinden biri, genom düzenleme.

CRISPR / Cas aracı, bilim adamlarının hayvanların veya bitkilerin DNA'sında herhangi bir değişiklik meydana getirmek için adapte ettikleri, bakterilerin bağışıklık savunma sisteminin bir unsuruna dayanmaktadır.

CRISPR / Cas, hücrelerdeki bireysel genleri manipüle etmek için kullanılan biyoteknolojik yöntemlerden biridir. Bu teknoloji için sayısız uygulama var. CRISPR / Cas, araştırmacıların farklı genlerin işlevini anlamalarını sağlar. Bunu yapmak için, çalışılan geni DNA'dan kesmeniz ve hangi vücut fonksiyonlarının etkilendiğini incelemeniz yeterlidir.

Sistemin bazı pratik uygulamaları:

1. Tarım. Tarımsal ürünler, CRISPR/Cas sistemleri ile geliştirilebilir. Yani, onları daha lezzetli ve daha besleyici ve aynı zamanda ısıya dayanıklı hale getirmek için. Bitkileri başka özelliklerle donatmak mümkündür: örneğin, fındıklardan (fıstık veya fındık) bir alerjen genini kesmek.
2. Tıp, kalıtsal hastalıklar. Bilim adamları, orak hücreli anemi vb. hastalıklara yol açabilecek mutasyonları insan genomundan çıkarmak için CRISPR/Cas kullanma amacına sahiptir. Teoride, CRISPR/Cas, HIV gelişimini durdurabilir.
3. Gen sürücüsü. CRISPR / Cas, yalnızca tek bir hayvan veya bitkinin genomunu değil, aynı zamanda bir türün gen havuzunu da değiştirebilir. Bu kavram olarak bilinir gen sürücüsü... Her canlı organizma genlerinin yarısını yavrularına aktarır. Ancak CRISPR/Cas kullanımı, gen aktarımı olasılığını %100'e kadar artırabilir. Bu, istenen özelliğin popülasyonda daha hızlı yayılması için önemlidir.

İsviçreli bilim adamları, CRISPR / Cas genom düzenleme yöntemini önemli ölçüde geliştirdi ve modernize etti, böylece yeteneklerini genişletti. Ancak bilim adamları, CRISPR / Cas sistemini kullanarak bir seferde yalnızca bir geni değiştirebildiler. Ancak şimdi, İsviçre Zürih Yüksek Teknik Okulu'ndaki araştırmacılar, bir hücredeki 25 geni aynı anda değiştirmenin mümkün olduğu bir yöntem geliştirdiler.

En son teknik için uzmanlar Cas12a enzimini kullandı. Tarihte ilk kez, genetikçiler maymunları başarıyla klonladılar. "Popüler Mekanik";

Nikolenko S. (2012). Genomik: problem ifadesi ve sıralama yöntemleri. "Postnauka".

röportaj yapmak

Sergey Pirogov, 2012 yılında "Fil ve Zürafa" tarafından düzenlenen Biyoloji Olimpiyatı'na hazırlık katılımcısıdır.
Biyolojide Uluslararası Universiade kazananı
Lomonosov Olimpiyatı'nın galibi
2012'de Tüm Rusya Biyoloji Olimpiyatı'nın bölgesel aşamasında ödül sahibi
Moskova Devlet Üniversitesi'nde eğitim. M.V. Lomonosov Biyoloji Fakültesi'nde: Moleküler Biyoloji Bölümü, 6. yıl. Moleküler Genetik Enstitüsü'nde hayvan biyokimyasal genetiği laboratuvarında çalışır.

- Seryozha, okuyucuların soruları varsa, size sorabilirler mi?

Evet, elbette, hemen soru sorabilirsiniz. Bu alanda:

Soru sormak için tıklayın.

- Okulla başlayalım, süper havalı bir okulunuz yok gibi mi?

Çok zayıf bir Moskova okulunda okudum, böyle ortalama bir okulun okulu. Doğru, harika bir MHC öğretmenimiz vardı, onun sayesinde birçok yönden okulun nominal bir "sanat eleştirisi" yönelimini aldık.

- Ya biyoloji?

Biyolojimiz, herkesin korktuğu çok yaşlı, sağır ve sert bir kadın tarafından yürütüldü. Ancak konusuna olan aşk eklenmedi. Çocukluğumdan beri, beş yaşımdan beri biyoloji beni büyüledi. Her şeyi kendim okurum, özellikle anatomi ve zoolojiye büyük ilgi duyarım. Yani okul konuları benim ilgi alanlarıma paralel olarak vardı. Olimpiyatlar her şeyi değiştirdi.

- Bize bundan daha fazla bahset.

7. sınıfta belediye aşamasına ilk kez katıldım (elbette, öğretmenlerin göndermek için sebepleri olan tek öğrenci olduğum için hemen hemen tüm derslerde aynı anda). Ve biyolojide kazanan oldu. Sonra okul buna komik ama çok da ilginç olmayan bir gerçek olarak tepki gösterdi.

- Okulda sana yardımcı oldu mu?

Harika çalışmalarıma rağmen, bir biyoloji öğretmeninden sık sık "ampulün kesik çiziminde kökler griye değil kahverengiye boyanmalı" gibi laf kalabalığı olan bir dörtlü aldığımı hatırlıyorum. Hepsi oldukça iç karartıcıydı. 8. sınıfta yine olimpiyatlara gittim ama nedense biyolojiye gönderilmedim. Ama diğer konularda kazanan ve ödül kazanan oldu.

- Peki 9. sınıfta ne oldu?

9. sınıfta ilçe aşamasına gitmedim. Orada beklenmedik bir şekilde zayıf, sınırda bir puan aldım, ancak yine de bölgesel sahneye geçmeyi başardım. Bunun güçlü bir motive edici gücü vardı - ne kadar çok şey bilmediğimin ve kaç kişinin tüm bunları bildiğinin farkındalığı (ulusal ölçekte böyle kaç kişiyi hayal etmekten bile korktum).

- Bize nasıl hazırlandığını anlat.

Yoğun kendi kendine çalışma, kitapçı baskınları ve geçen yılki binlerce ödevin iyileştirici bir etkisi oldu. Teori için en yüksek puanlardan birini aldım (ki bu benim için de tamamen beklenmedikti), pratik aşamaya gittim ... ve başarısız oldu. O zaman, hala pratik bir aşamanın varlığından haberdar değildim.

- Olimpiyatlar sizi etkiledi mi?

Hayatım kökten değişti. Diğer birçok olimpiyat hakkında bilgi edindim, özellikle SSS'ye aşık oldum. Daha sonra, birçoğunda iyi sonuçlar gösterdi, bazılarını kazandı, "Lomonosovskaya" sayesinde sınavsız girme hakkını elde etti. Aynı zamanda, bugüne kadar düzensiz nefes aldığım sanat tarihinde olimpiyatları kazandım. Doğru, pratik turlarla dostane şartlarda değildi. 11. sınıfta yine de son aşamaya ulaştım, ancak Fortune destekleyici değildi ve bu sefer teorik aşamanın cevap matrisini dolduracak zamanım olmadı. Ancak bu, pratik hakkında çok fazla endişelenmemeyi mümkün kıldı.

- Olimpiyatların çoğuyla tanıştınız mı?

Evet, hala ufkumu büyük ölçüde genişleten yaşıtlarım arasında çok şanslı olduğumu düşünüyorum. Olimpiyatların diğer tarafı, konuyu daha uyumlu bir şekilde inceleme motivasyonunun yanı sıra, Olimpiyatlarla tanışmaktı. O zamanlar, yatay iletişimin bazen dikey iletişimden daha faydalı olduğunu fark ettim - eğitim kamplarındaki öğretmenlerle.

- Üniversiteye nasıl girdiniz? Fakülte seçtiniz mi?

11. sınıftan sonra Moskova Devlet Üniversitesi biyoloji bölümüne girdim. O zamanki yoldaşlarımın çoğu FBB lehine bir seçim yaptı, ancak Tüm Rusya'da madalya sahibi olamadığım gerçeği birincil rol oynadı. Bu yüzden matematikte ve özellikle okulda bir iç sınavı geçmem gerekecekti - daha yüksek olanı çok daha fazla sevdim - güçlü değildim. Ve okul çok kötü hazırlanmıştı (neredeyse tüm C bölümüne bile hazır değildik). İlgi alanları açısından, o zaman bile, giriş yerinden bağımsız olarak nihayetinde herhangi bir sonuca varabileceğinizi tahmin ettim. Daha sonra, ağırlıklı olarak ıslak biyolojiye geçen birçok FBB mezununun olduğu ve bunun tersi olduğu ortaya çıktı - birçok iyi biyoinformatik amatör olarak başladı. Her ne kadar o anda bana biyoloji bölümündeki birliğin FBB'den çok daha zayıf olacağı görünüyordu. Bunda kesinlikle yanılmışım.

Biliyor musun?

ilginç

Biliyor musun?

ilginç

Fil ve Zürafa kampında, okul çocuklarının Moskova Devlet Üniversitesi'nden deneyimli öğretmenlerle birlikte deneyler yaptığı ve ayrıca Olimpiyatlara hazırlandığı biyokimya ve moleküler biyoloji oturumları var.

© Denis Reshetov'un röportajı. Fotoğraflar nazikçe Sergey Pirogov tarafından sağlandı.

31.2

Arkadaşlar için!

referans

Moleküler biyoloji, Nisan 1953'te biyokimyadan doğdu. Görünüşü, DNA molekülünün yapısını keşfeden James Watson ve Francis Crick'in isimleriyle ilişkilidir. Keşif, genetik, bakteri ve virüslerin biyokimyasının incelenmesiyle mümkün oldu. Moleküler biyolog mesleği yaygın değildir, ancak bugün modern toplumdaki rolü çok büyüktür. Genetik düzeyde ortaya çıkanlar da dahil olmak üzere çok sayıda hastalık, bilim adamlarının bu soruna çözüm aramasını gerektirir.

Faaliyetlerin tanımı

Virüsler ve bakteriler sürekli mutasyona uğrar, bu da ilaçların bir kişiye yardım etmeyi bıraktığı ve hastalıkların tedavisinin zorlaştığı anlamına gelir. Moleküler biyolojinin görevi, bu sürecin önüne geçmek ve hastalık için yeni bir çare geliştirmektir. Bilim adamları köklü bir şemaya göre çalışır: hastalığın nedenini bloke etmek, kalıtım mekanizmalarını ortadan kaldırmak ve böylece hastanın durumunu hafifletmek. Dünya çapında moleküler biyologların hastalara yardımcı olmak için yeni tedaviler geliştirdiği çok sayıda merkez, klinik ve hastane var.

İş sorumlulukları

Bir moleküler biyolog, hücre içindeki süreçleri incelemekten sorumludur (örneğin, tümörlerin gelişimi sırasında DNA'daki değişiklikler). Ayrıca uzmanlar, DNA'nın özelliklerini, tüm organizma ve tek bir hücre üzerindeki etkilerini inceler. Bu tür çalışmalar, örneğin, vücudu enfeksiyonlar, kalıtsal hastalıklar için analiz etmenize ve biyolojik ilişkiyi belirlemenize izin veren PCR (polimeraz zincir reaksiyonu) temelinde gerçekleştirilir.

Kariyer büyümesinin özellikleri

Moleküler biyolog mesleği, alanında oldukça umut vericidir ve bugün geleceğin tıp meslekleri sıralamasında ilk olduğunu iddia etmektedir. Bu arada, bir moleküler biyolog her zaman bu alanda kalmak zorunda değildir. Mesleğini değiştirme arzusu varsa, laboratuvar ekipmanı için satış yöneticileri olarak yeniden eğitim alabilir, çeşitli araştırmalar için cihazlar geliştirmeye başlayabilir veya kendi işini açabilir.

XX yüzyılın 40'lı yıllarının başlarında biyokimya, biyofizik, genetik, sitokimya, mikrobiyoloji ve virolojinin birçok dalının gelişimi. onu moleküler düzeyde yaşam fenomenlerinin çalışmasına yaklaştırdı. Bu bilimlerin aynı anda ve farklı yönlerden elde ettiği başarılar, vücudun ana kontrol sistemlerinin moleküler düzeyde çalıştığının ve bu bilimlerin daha da ilerlemesinin, bu bilimlerin daha da ilerlemesinin, bu bilimlerin açıklanmasına bağlı olacağı gerçeğinin anlaşılmasına yol açtı. organizmaların vücudunu oluşturan moleküllerin biyolojik işlevleri, sentez ve bozunmaya katılımları, hücredeki bileşiklerin karşılıklı dönüşümleri ve üremelerinin yanı sıra bu sırada meydana gelen enerji ve bilgi alışverişi. Böylece, bu biyolojik disiplinlerin kimya ve fizik ile birleştiği yerde, tamamen yeni bir dal ortaya çıktı - moleküler biyoloji.

Biyokimyanın aksine, modern moleküler biyolojinin dikkati esas olarak en önemli biyopolimer sınıflarının - proteinler ve nükleik asitlerin - ilki metabolik reaksiyonların olasılığını belirleyen ve ikincisi - yapı ve işlevinin incelenmesine odaklanır. - spesifik proteinlerin biyosentezi. Bu nedenle, moleküler biyoloji ve biyokimya, genetik, mikrobiyoloji ve virolojinin ilgili bölümleri arasında net bir ayrım yapmanın imkansız olduğu açıktır.

Moleküler biyolojinin ortaya çıkışı, ilgili bölümlerde daha önce tartışılmış olan yeni araştırma yöntemlerinin gelişimi ile yakından ilişkiliydi. Elektron mikroskobu ve diğer mikroskobik teknoloji yöntemlerinin gelişmesiyle birlikte, 50'lerde geliştirilen hücresel elementlerin parçalanma yöntemleri önemli bir rol oynadı. Bunlar, gelişmiş diferansiyel santrifüjleme yöntemlerine dayanıyordu (A. Claude, 1954). Bu zamana kadar, biyopolimerlerin izolasyonu ve fraksiyonlanması için zaten oldukça güvenilir yöntemler vardı. Bu, özellikle, A. Tiselius (1937; Nobel Ödülü, 1948) tarafından proteinlerin elektroforez kullanılarak fraksiyonlanması için önerilen yöntemi, nükleik asitlerin izolasyonu ve saflaştırılması için yöntemleri (E. Key, A. Downs, M. Sevag, A. Mirsky, vb.). Buna paralel olarak, dünyadaki birçok laboratuvarda, daha sonra önemli ölçüde geliştirilmiş olan çeşitli kromatografik analiz yöntemleri geliştirildi (A. Martin ve R. Sing, 1941; Nobel Ödülü, 1952).

X-ışını yapısal analizi, biyopolimerlerin yapısının deşifre edilmesinde paha biçilmez bir hizmet oynamıştır. X-ışını yapısal analizinin temel ilkeleri, King's College, University of London'da W. Bragg liderliğinde J. Bernal, A. Lonsdale, W. Astbury, J. Robertson ve diğerleri.

Moskova Devlet Üniversitesi profesörü A. R. Kizel'in, moleküler biyolojinin daha sonraki gelişimi için büyük önem taşıyan protoplazmanın (1925 - 1929) biyokimyası üzerine yaptığı çalışmalardan özel olarak bahsedilmelidir. Kızel, tüm protoplazmanın kalbinde özel bir protein gövdesi - plakalar, sanki onun en önemli yapısal ve işlevsel özelliklerini belirliyormuş gibi - bulunduğuna dair köklü düşünceye bir darbe vurdu. Plakaların sadece miksomycetlerde ve daha sonra belirli bir gelişme aşamasında bulunan bir protein olduğunu ve protoplazmada sabit bir bileşen - tek bir iskelet proteini - olmadığını gösterdi. Böylece, protoplazmanın yapısı sorununun incelenmesi ve proteinlerin fonksiyonel rolü doğru yolu aldı ve gelişimi için kapsam kazandı. Kiesel'in araştırması, hücreyi oluşturan parçaların kimyasının araştırılmasını teşvik ederek dünya çapında tanınırlık kazandı.

İlk olarak Leeds Üniversitesi'nden İngiliz kristalograf W. Astbury tarafından kullanılan "moleküler biyoloji" terimi, muhtemelen 1940'ların başlarında (1945'ten önce) ortaya çıktı. 1930'larda Astbury tarafından gerçekleştirilen, proteinlerin ve DNA'nın temel X-ışını yapısal çalışmaları, bu biyopolimerlerin ikincil yapısının daha sonra başarılı bir şekilde deşifre edilmesinin temelini oluşturdu. 1963'te J. Bernal şunları yazdı: "Ona bir anıt, tüm moleküler biyoloji tarafından dikilecek - onun dediği ve aslında kurduğu bilim" * İngiliz dergisinde yayınlanan " Nature "** dergisinde yayınlanan organik ve fibriler bileşiklerin analizi. Astbury (1950), Harvey Dersinde şunları kaydetti: "Moleküler biyoloji teriminin şimdiden yaygın olarak kullanılmasından memnunum, ancak bunu ilk öneren ben olmam pek olası değil. Onu sevdim ve uzun süredir yaymaya çalışıyorum. " Daha 1950'de Astbury, moleküler biyolojinin öncelikle, canlı organizmaların işleyişini anlamak için çok önemli olan makromoleküllerin yapısı ve konformasyonuyla ilgilendiği konusunda netti.

* (biyografi mem. Arkadaşlar Roy. Soc, 1963, v. 9, 29.)

** (W.T. Astbury. Organik ve lifli yapıların X-ışını analizinin ilerlemesi.- Doğa ,. 1946, v. 157, 121.)

*** (W.T. Astbury. Moleküler Biyolojide Maceralar. Thomas Springfield, 1952, s. 3.)

Moleküler biyoloji, aslında, bir bütün olarak tüm biyolojiyle aynı görevlerle karşı karşıyaydı - yaşamın özü ve özellikle kalıtım ve değişkenlik gibi temel fenomenleri hakkında bilgi. Modern moleküler biyoloji, öncelikle, genlerin yapısını ve işlevini, organizmaların genetik bilgilerinin farklı ontogenez aşamalarında ve okumasının farklı aşamalarında gerçekleştirilme yollarını ve mekanizmalarını deşifre etmeyi amaçlamaktadır. Mutajenezin doğasını ve evrimsel sürecin moleküler temelini aydınlatmak için gen aktivitesinin ve hücre farklılaşmasının süptil mekanizmalarını ortaya çıkarmak için tasarlanmıştır.

Nükleik asitlerin genetik rolünün belirlenmesi

Aşağıdaki keşifler moleküler biyolojinin gelişimi için büyük önem taşıyordu. 1944'te Amerikalı araştırmacılar O. Avery, K. McLeod (Nobel Ödülü, 1923) ve M. McCarthy, pnömokoklardan izole edilen DNA moleküllerinin dönüştürücü aktiviteye sahip olduğunu gösterdi. Bu DNA'ların deoksiribonükleaz ile hidrolizinden sonra transformasyon aktiviteleri tamamen ortadan kalktı. Böylece bir hücrede genetik fonksiyonların protein değil, DNA olduğu ilk kez inandırıcı bir şekilde ispatlanmış oldu.

Adil olmak gerekirse, bakteriyel transformasyon olgusunun Avery, McLeod ve McCarthy'nin keşiflerinden çok daha önce keşfedildiği belirtilmelidir. 1928'de F. Griffith, kapsüllenmiş bir virülent suşun öldürülmüş hücrelerini virülent olmayan (kapsüllenmemiş) pnömokoklara ekledikten sonra, ortaya çıkan hücre karışımının fareler için ölümcül hale geldiğini bildirdiği bir makale yayınladı. Ayrıca, bu karışımla enfekte olmuş hayvanlardan izole edilen canlı pnömokok hücreleri zaten öldürücüydü ve bir polisakkarit kapsülüne sahipti. Böylece, bu deneyde, öldürülen pnömokok hücrelerinin bazı bileşenlerinin etkisi altında, kapsüllenmemiş bakteri formunun, kapsül oluşturan virülent bir forma dönüştürüldüğü gösterilmiştir. 16 yıl sonra, Avery, McLeod ve McCarthy, bu deneyde öldürülen bütün pnömokok hücrelerini deoksiribonükleik asitleriyle değiştirdiler ve dönüştürücü aktiviteye sahip olanın DNA olduğunu gösterdiler (ayrıca bkz. 7. ve 25. bölümler). Bu keşfin önemi fazla tahmin edilemez. Dünyadaki birçok laboratuvarda nükleik asitlerin araştırılmasını teşvik etti ve bilim adamlarının DNA'ya odaklanmasını sağladı.

50'lerin başında Avery, McLeod ve McCarthy'nin keşfiyle birlikte, nükleik asitlerin yaşamda özel bir rol oynadığına ve genetik bir işlev taşıdığına dair oldukça büyük miktarda doğrudan ve dolaylı kanıt zaten birikmişti. Bu, özellikle, hücrede DNA'nın lokalizasyonunun doğası ve R. Vendreli'nin (1948) verileriyle, hücre başına DNA içeriğinin kesinlikle sabit olduğu ve ploidi derecesi ile korele olduğu belirtilmiştir: haploid germ hücrelerinde, DNA, diploid somatik hücrelerdekinin yarısıdır. DNA'nın genetik rolü, belirgin metabolik kararlılığıyla da desteklendi. 50'lerin başında, bilinen mutajenik faktörlerin çoğunun esas olarak nükleik asitler ve özellikle DNA üzerinde etkili olduğunu gösteren birçok çeşitli gerçek birikmişti (R. Hochkiss, 1949; G. Ephrussi-Taylor, 1951; E. Freese, 1957, vb.).

Çeşitli fajların ve virüslerin incelenmesi, nükleik asitlerin genetik rolünün belirlenmesinde özellikle önemliydi. 1933'te D. Schlesinger, Escherichia coli bakteriyofajında ​​DNA buldu. W. Stanley'nin (1935, Nobel Ödülü, 1946) tütün mozaik virüsünün (TMV) kristal halinde izolasyonundan bu yana, bitki virüslerinin araştırılmasında yeni bir aşama başladı. 1937 - 1938'de. Rothamstead Tarım İstasyonunun (İngiltere) çalışanları olan F. Bowden ve N. Peary, izole ettikleri birçok bitki virüsünün globulin olmadığını, ribonükleoproteinler olduğunu ve temel bir bileşen olarak nükleik asit içerdiğini gösterdi. 40'lı yılların başında, G. Schramm (1940), PA Agatov (1941), G. Miller ve W. Stanley'nin (1941) çalışmaları yayınlandı, bu da protein bileşeninin gözle görülür bir kimyasal modifikasyonunun yol açmadığını gösteriyor. TMV'nin enfektivite kaybı. Bu, birçok mikrobiyologun inanmaya devam ettiği gibi, protein bileşeninin virüsün kalıtsal özelliklerinin taşıyıcısı olamayacağını gösterdi. Bitki virüslerinde nükleik asidin (RNA) genetik rolü lehine ikna edici kanıtlar 1956'da Tübingen'de (Almanya) G. Schramm ve California'da (ABD) H. Frenkel-Konrath tarafından elde edildi. Bu araştırmacılar, neredeyse aynı anda ve birbirlerinden bağımsız olarak TMV'den izole edilmiş RNA'yı ve enfektiviteye sahip olanın protein değil, olduğunu gösterdi: tütün bitkilerinin bu RNA ile enfeksiyonunun bir sonucu olarak, normal viral partiküller oluştu ve içlerinde çoğaldı. . Bu, RNA'nın viral protein de dahil olmak üzere tüm viral bileşenlerin sentezi ve montajı için bilgi içerdiği anlamına geliyordu. 1968'de I. G. Atabekov, proteinin bitkilerin kendisinin enfeksiyonunda önemli bir rol oynadığını belirledi - proteinin doğası, konakçı bitkilerin spektrumunu belirler.

1957'de Frenkel-Konrat ilk kez TMV'nin kurucu bileşenlerinden - RNA ve proteinden yeniden yapılandırılmasını gerçekleştirdi. Normal parçacıklarla birlikte, RNA'nın bir suştan ve proteinin diğerinden olduğu karışık "melezler" elde etti. Bu tür melezlerin kalıtımı tamamen RNA tarafından belirlendi ve virüslerin yavruları, orijinal karışık parçacıkları elde etmek için RNA'sı kullanılan suşa aitti. Daha sonra, A. Girer, G. Schuster ve G. Schramm (1958) ve G. Vitman'ın (1960 - 1966) deneyleri, TMV nükleik asit bileşeninin kimyasal modifikasyonunun bu virüsün çeşitli mutantlarının ortaya çıkmasına yol açtığını gösterdi.

1970'de D. Baltimore ve G. Temin, genetik bilgi transferinin sadece DNA'dan RNA'ya değil, aynı zamanda tam tersi de gerçekleşebileceğini belirledi. Bazı onkojenik RNA içeren virüslerde (onkornavirüsler), RNA iplikleri üzerinde tamamlayıcı olarak DNA sentezleyebilen ters transkriptaz adı verilen özel bir enzim buldular. Bu büyük keşif, RNA içeren virüslerin genetik bilgisinin konakçı genomuna girme mekanizmasını anlamayı ve onkojenik etkilerinin doğasına yeni bir bakış açısı getirmeyi mümkün kıldı.

Nükleik asitlerin keşfi ve özelliklerinin incelenmesi

Nükleik asitler terimi, bu bileşiklerin 1869'da İsviçreli doktor F. Miescher tarafından keşfedilmesinden sonra, 1889'da Alman biyokimyacı R. Altmann tarafından tanıtıldı. Miescher, birkaç hafta boyunca seyreltik hidroklorik asit ile irin hücrelerini çıkardı ve geri kalanında neredeyse saf bir nükleer malzeme elde etti. Bu malzemeyi karakteristik bir "hücre çekirdeği maddesi olarak kabul etti ve buna nüklein adını verdi. Özelliklerinde, nüklein proteinlerden keskin bir şekilde farklıydı: daha asidikti, kükürt içermiyordu, ancak çok fazla fosfor içeriyordu, alkalilerde iyi çözünürdü. , ancak seyreltik asitlerde çözünmedi.

Misher, çekirdekle ilgili gözlemlerinin sonuçlarını dergide yayınlanmak üzere F. Hoppe-Seiler'e gönderdi. Tarif ettiği madde o kadar olağandışıydı ki (o zamanlar, tüm biyolojik fosfor içeren bileşiklerden sadece lesitin biliniyordu), Hoppe-Seiler Mischer'in deneylerine inanmadı, el yazmasını kendisine geri verdi ve meslektaşlarına talimat verdi N. Plosh ve N. Lyubavin, sonuçlarını diğer materyallerle ilgili olarak kontrol edecek ... Misher'in "Pus Hücrelerinin Kimyasal Bileşimi Üzerine" adlı çalışması iki yıl sonra (1871) yayınlandı. Aynı zamanda Hoppe-Seiler ve işbirlikçilerinin irin hücrelerinin, kuşların eritrositlerinin, yılanların ve diğer hücrelerin bileşimi üzerine çalışmaları yayınlandı. Sonraki üç yıl boyunca, nüklein hayvan hücrelerinden ve mayalardan izole edildi.

Misher, çalışmasında, farklı nükleinlerin ayrıntılı bir çalışmasının, aralarında farklılıkların kurulmasına yol açabileceğini ve böylece nükleik asitlerin özgüllüğü fikrini öngördüğünü kaydetti. Somon sütünü araştıran Miescher, nükleinin tuz şeklinde olduğunu ve protamin adını verdiği temel bir proteinle ilişkili olduğunu buldu.

1879'da A. Kossel, Hoppe-Seiler laboratuvarında nüklein üzerine çalışmaya başladı. 1881'de hipoksantini nükleinden izole etti, ancak o zaman hala bu bazın kökeninden şüphe duyuyor ve hipoksantinin protein bozunmasının bir ürünü olabileceğine inanıyordu. 1891'de Kossel, nüklein hidrolizinin ürünleri arasında adenin, guanin, fosforik asit ve şeker özelliklerine sahip başka bir maddeyi keşfetti. Nükleik asitlerin kimyası üzerine yaptığı araştırmalar için Kossel, 1910'da Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Nükleik asitlerin yapısının deşifre edilmesindeki diğer ilerlemeler, P. Levin ve meslektaşlarının (1911 - 1934) araştırmalarıyla ilişkilidir. 1911'de P. Levin ve V. Jacobs, adenosin ve guanozinin karbonhidrat bileşenini tanımladı; D-ribozun bu nükleositlerin bir parçası olduğunu buldular. 1930'da Levin, deoksiribonükleositlerin karbonhidrat bileşeninin 2-deoksi-D-riboz olduğunu gösterdi. Çalışmalarından, nükleik asitlerin nükleotidlerden, yani fosforile edilmiş nükleositlerden yapıldığı biliniyordu. Levin, nükleik asitlerdeki (RNA) ana bağ tipinin 2 ", 5" -fosfodiester bağı olduğuna inanıyordu. Bu görüşün yanlış olduğu ortaya çıktı. İngiliz kimyager A. Todd'un (Nobel Ödülü, 1957) ve işbirlikçilerinin yanı sıra İngiliz biyokimyacılar R. Markham ve J. Smith'in çalışmaları sayesinde, 50'lerin başında RNA'daki ana bağ türünün olduğu biliniyordu. 3", 5" - fosfodiester bağıdır.

Levin, farklı nükleik asitlerin karbonhidrat bileşeninin doğasında farklılık gösterebileceğini gösterdi: bazıları şeker deoksiriboz içerirken diğerleri riboz içerir. Ek olarak, bu iki nükleik asit türü, bazlardan birinin doğası bakımından farklılık gösteriyordu: pentoz tipi nükleik asitler urasil içeriyordu ve deoksipentoz tipi nükleik asitler timin içeriyordu. Deoksipentoz nükleik asit (modern terminolojide, deoksiribonükleik asit - DNA) genellikle buzağıların timusundan (timus bezi) büyük miktarlarda kolayca izole edildi. Bu nedenle timonükleik asit olarak adlandırılır. Pentoz tipi nükleik asidin (RNA) kaynağı esas olarak maya ve buğday tohumuydu. Bu tip genellikle maya nükleik asidi olarak adlandırılır.

1930'ların başında, maya tipi nükleik asidin bitki hücrelerinin özelliği olduğu ve timonükleik asidin yalnızca hayvan hücrelerinin çekirdeğinin özelliği olduğu fikri, oldukça sağlam bir şekilde kök saldı. İki tür nükleik asit - RNA ve DNA - sırasıyla bitki ve hayvan nükleik asitleri olarak adlandırıldı. Bununla birlikte, A.N. Belozersky'nin erken çalışmalarının gösterdiği gibi, böyle bir nükleik asit bölünmesi haksızdır. 1934'te Belozersky ilk olarak bitki hücrelerinde timonükleik asidi keşfetti: bezelye fidelerinden DNA'nın özelliği olan timin-pirimidin bazını izole etti ve tanımladı. Daha sonra diğer bitkilerde (soya fasulyesi tohumları, fasulye) timini keşfetti. 1936'da A. N. Belozersky ve I. I. Dubrovskaya, at kestanesi fidelerinden hazırlayıcı DNA izole etti. Ayrıca 1940'larda İngiltere'de D. Davidson ve meslektaşları tarafından yapılan bir dizi çalışma, birçok hayvan hücresinde bitki nükleik asidinin (RNA) bulunduğunu inandırıcı bir şekilde göstermiştir.

DNA'ya sitokimyasal reaksiyonun yaygın kullanımı ve J. Brachet'in (1944) R. Felgen ve G. Rosenbeck (1924) tarafından geliştirilen RNA'ya reaksiyonu, baskın lokalizasyon sorununu oldukça hızlı ve net bir şekilde çözmeyi mümkün kılmıştır. hücredeki bu nükleik asitlerin DNA'nın çekirdekte yoğunlaştığı, RNA'nın ise esas olarak sitoplazmada yoğunlaştığı ortaya çıktı. Daha sonra RNA'nın hem sitoplazmada hem de çekirdekte bulunduğu keşfedildi ve ayrıca sitoplazmik DNA tanımlandı.

Nükleik asitlerin birincil yapısı söz konusu olduğunda, 40'lı yılların ortalarında, P. Levin'in fikri, tüm nükleik asitlerin aynı tipe göre inşa edildiği ve aynı şekilde oluştuğu bilimde sağlam bir şekilde yerleşmiştir. -tetranükleotid blokları denir. Levin'e göre bu blokların her biri dört farklı nükleotid içerir. Nükleik asitlerin yapısının tetranükleotid teorisi, bu biyopolimerleri özgüllükten büyük ölçüde mahrum etti. Bu nedenle, canlıların tüm özgüllüğünün o zamanlar yalnızca monomerlerinin doğası çok daha çeşitli (20 amino asit) olan proteinlerle ilişkilendirilmesi şaşırtıcı değildir.

Nükleik asitlerin tetranükleotit yapısı teorisindeki ilk boşluk, İngiliz kimyager J. Guland'ın (1945 - 1947) analitik verileriyle yapıldı. Bazların nitrojeni ile nükleik asitlerin bileşimini belirlerken, Levin'in teorisine göre olması gerektiği gibi, eşmolar bir baz oranı almadı. Son olarak, nükleik asitlerin yapısının tetranükleotid teorisi, E. Chargaff ve işbirlikçilerinin (1949 - 1951) araştırmasının bir sonucu olarak çöktü. Asit hidrolizinin bir sonucu olarak DNA'dan ayrılan bazları ayırmak için Chargaff kağıt kromatografisini kullandı. Bu bazların her biri spektrofotometrik olarak kesin olarak belirlendi. Chargaff, farklı kökenlere sahip DNA'daki eşmolar baz oranından önemli sapmalar fark etti ve ilk kez DNA'nın belirgin bir tür özgüllüğüne sahip olduğunu kesinlikle belirtti. Böylece canlı hücrede protein özgüllüğü kavramının hegemonyası sona ermiştir. Farklı kökenlere sahip DNA'ları analiz eden Chargaff, Chargaff'ın kuralları adı altında bilime giren benzersiz DNA kompozisyon modellerini keşfetti ve formüle etti. Bu kurallara göre tüm DNA'larda, kökeni ne olursa olsun, adenin miktarı timin miktarına (A=T), guanin miktarı sitozin miktarına (G=C), guanin miktarına eşittir. pürinler, pirimidinlerin miktarına (G + A = C + T), 6-amino gruplu bazların miktarı, 6-keto gruplu bazların sayısına eşittir (A + C = G + T). Aynı zamanda, bu tür katı nicel yazışmalara rağmen, farklı türlerin DNA'sı A + T: G + C oranının değerinde farklılık gösterir. Bazı DNA'larda, guanin ve sitozin miktarı, adenin ve timin miktarına üstün gelir (Chargaff, bunlara DNA'yı GC-tipi DNA olarak adlandırır); diğer DNA'lar, guanin ve sitozinden daha fazla adenin ve timin içeriyordu (bu DNA'lara AT-tipi DNA adı verildi). Chargaff tarafından elde edilen DNA bileşimi verileri moleküler biyolojide istisnai bir rol oynadı. 1953'te J. Watson ve F. Crick tarafından yapılan DNA yapısının keşfinin temelini oluşturdular.

1938'de W. Astbury ve F. Bell, X-ışını kırınım analizini kullanarak, DNA'daki baz düzlemlerin molekülün uzun eksenine dik olması gerektiğini ve sanki yukarıda bir levha yığınına benzemesi gerektiğini gösterdiler. diğeri. 1952 - 1953'e kadar X-ışını yapısal analiz tekniğinin geliştirilmesiyle. Bireysel bağların uzunluğunu ve eğim açılarını yargılamayı mümkün kılan bilgiler birikmiştir. Bu, DNA molekülünün şeker-fosfat omurgasındaki pentoz kalıntılarının halkalarının yöneliminin doğasını en büyük olasılıkla temsil etmeyi mümkün kıldı. 1952'de S. Farberg, kendi üzerine katlanmış veya bükülmüş tek sarmallı bir molekülü temsil eden iki spekülatif DNA modeli önerdi. DNA yapısının eşit derecede spekülatif bir modeli 1953'te L. Pauling (Nobel ödüllü, 1954) ve R. Corey tarafından önerildi. Bu modelde, üç bükülmüş DNA ipliği, çekirdeği fosfat gruplarıyla temsil edilen uzun bir sarmal oluşturdu ve bazlar bunun dışına yerleştirildi. 1953'te M. Wilkins ve R. Franklin, DNA'nın daha net X-ışını kırınım modellerini elde etti. Analizleri, Farberg, Pauling ve Corey modellerinin tam tutarsızlığını gösterdi. Chargaff'ın verilerini kullanarak, bireysel monomerlerin moleküler modellerinin farklı kombinasyonlarını ve X-ışını yapısal analiz verilerini karşılaştıran J. Watson ve F. Crick, 1953'te DNA molekülünün çift sarmallı bir sarmal olması gerektiği sonucuna vardı. Chargaff'ın kuralları, önerilen DNA modelindeki olası sıralı baz kombinasyonlarının sayısını keskin bir şekilde sınırladı; Watson ve Crick'e DNA molekülünün belirli bir baz eşleşmesine sahip olması gerektiğini önerdiler - adenin ile timin ve guanin ile sitozin. Başka bir deyişle, bir DNA zincirindeki adenin, diğer zincirdeki timine her zaman kesin olarak karşılık gelir ve bir zincirdeki guanin, diğerindeki sitozine zorunlu olarak karşılık gelir. Bu nedenle, Watson ve Crick, DNA'nın tamamlayıcı yapısının son derece önemli ilkesini formüle eden ilk kişilerdi, buna göre bir DNA zinciri diğerini tamamlıyor, yani bir zincirin baz dizisi diğer (tamamlayıcı) dizideki baz dizisini benzersiz bir şekilde belirliyor. . DNA'nın yapısının, onun tam olarak yeniden üretilme potansiyelini içerdiği aşikar hale geldi. DNA yapısının bu modeli artık genel olarak kabul edilmektedir. Crick, Watson ve Wilkins, DNA'nın yapısını deşifre ettikleri için 1962'de Nobel Ödülü'ne layık görüldüler.

Makromoleküllerin tam olarak çoğaltılması ve kalıtsal bilgilerin iletilmesi için bir mekanizma fikrinin ülkemizden kaynaklandığına dikkat edilmelidir. 1927'de N, K. Koltsov, hücre çoğalması sırasında moleküllerin çoğaltılmasının, mevcut ana moleküllerin tam otokatalitik yeniden üretilmesiyle gerçekleştiğini öne sürdü. Doğru, o zaman Koltsov bu özelliği DNA moleküllerine değil, o sırada fonksiyonel önemi bilinmeyen protein moleküllerine verdi. Bununla birlikte, makromoleküllerin otokatalitik üreme fikri ve kalıtsal özelliklerin iletilme mekanizmasının kendisi kehanet oldu: modern moleküler biyolojinin yol gösterici fikri oldu.

A.S.Spirin, G.N. Zaitseva, B.F. Vanyushin, S.O. Uryson, A.S. çeşitli organizmalar, Chargaff tarafından keşfedilen kalıpları ve Watson ve Crick tarafından önerilen DNA yapısının moleküler modeline tam uyumu tam olarak doğruladı. Bu çalışmalar, çeşitli bakteri, mantar, alg, aktinomisetler, yüksek bitkiler, omurgasızlar ve omurgalıların DNA'sının spesifik bileşime sahip olduğunu göstermiştir. Bileşimdeki farklılıklar (AT-baz çiftlerinin içeriği), önemli bir taksonomik özellik olan mikroorganizmalarda özellikle belirgindir. Daha yüksek bitki ve hayvanlarda, DNA bileşimindeki tür varyasyonları çok daha az belirgindir. Ancak bu, DNA'larının daha az spesifik olduğu anlamına gelmez. Bazların bileşimine ek olarak, özgüllük büyük ölçüde DNA dizilerindeki dizileriyle belirlenir.

Normal bazların yanı sıra, DNA ve RNA'nın bileşiminde ilave azotlu bazlar bulundu. Böylece, G. White (1950) bitki ve hayvanların DNA'sında 5-metilsitosin buldu ve D. Dunn ve J. Smith (1958) bazı DNA'larda metillenmiş adenin buldu. Uzun bir süre boyunca, metilsitozin, yüksek organizmaların genetik materyalinin ayırt edici bir özelliği olarak kabul edildi. 1968'de A.N. Belozersky, B.F. Vanyushin ve N.A. Kokurina, bakteri DNA'sında da bulunabileceğini belirledi.

1964'te M. Gold ve J. Hurwitz, DNA'yı doğal olarak değiştiren yeni bir enzim sınıfı keşfetti - metilasyonu. Bu keşiften sonra, özel dizilerdeki sitozin ve adenin kalıntılarının spesifik metilasyonunun bir sonucu olarak, bitmiş polinükleotit DNA zincirinde minör (küçük miktarlarda bulunan) bazların zaten göründüğü ortaya çıktı. Özellikle, B.F. Vanyushin, Ya.I. Bur'yanov ve A.N. Belozersky (1969) verilerine göre, E. coli DNA'sındaki adenin metilasyonu, sonlandırma kodonlarında meydana gelebilir. ANBelozersky ve meslektaşlarına (1968 - 1970) ve ayrıca M. Meselson (ABD) ve V. Arber'e (İsviçre) (1965 - 1969) göre, metilasyon DNA moleküllerine benzersiz bireysel özellikler verir ve spesifik eylemle birlikte nükleazlar, bir hücrede DNA sentezini kontrol eden karmaşık bir mekanizmanın parçasıdır. Başka bir deyişle, belirli bir DNA'nın metilasyonunun doğası, belirli bir hücrede çoğalıp çoğalmayacağı sorusunu belirler.

Hemen hemen aynı zamanda, DNA metilazları ve restriksiyon endonükleazlarının izolasyonu ve yoğun çalışması başladı; 1969 - 1975 bu enzimlerin bazıları tarafından DNA'da tanınan yerleşik nükleotid dizileri (H. Boyer, H. Smith, S. Lynn, K. Murray). Farklı DNA'lar bir kısıtlama enzimi tarafından hidrolize edildiğinde, aynı yapışkan uçlara sahip oldukça büyük parçalar parçalanır. Bu, küçük virüslerde olduğu gibi (D. Nathans, S. Adler, 1973 - 1975) sadece genlerin yapısını analiz etmeyi değil, aynı zamanda çeşitli genomlar oluşturmayı da mümkün kılar. Bu spesifik kısıtlama enzimlerinin keşfiyle, genetik mühendisliği somut bir gerçeklik haline geldi. Küçük plazmit DNA'larına yerleştirilen farklı kökenlere sahip genler, farklı hücrelere zaten kolayca dahil edilir. Böylece, belirli antibiyotiklere direnç sağlayan yeni bir biyolojik olarak aktif plazmit türü elde edildi (S. Cohen, 1973), kurbağa ve Drosophila'nın ribozomal genleri, Escherichia coli plazmitlerine dahil edildi (J. Morrow, 1974; H. Boyer). , D. Hogness, R. Davis, 1974 - 1975). Böylece, çeşitli genleri gen havuzlarına dahil ederek ve entegre ederek temelde yeni organizmalar elde etmenin gerçek yolları keşfedildi. Bu keşif tüm insanlığın yararına olabilir.

1952'de G. White ve S. Cohen, T-çift fajların DNA'sının alışılmadık bir baz - 5-hidroksimetilsitozin içerdiğini keşfetti. Daha sonra, E. Vol'kin ve R. Sinsheimer (1954) ve Cohen'in (1956) çalışmalarından, oksimetilsitozin kalıntılarının tamamen veya kısmen glukozidize edilebileceği ve bunun bir sonucu olarak faj DNA molekülünün hidrolitikten korunduğu biliniyordu. nükleazların eylemi.

50'li yılların başında, D. Dunn ve J. Smith (İngiltere), S. Zamenhof (ABD) ve A. Wacker'ın (Almanya) çalışmalarından, DNA'ya birçok yapay baz analogunun, bazen de dahil edilebileceği biliniyordu. %50'ye kadar timin yerine geçer. Tipik olarak, bu ikameler replikasyon, DNA transkripsiyonu ve translasyonunda hatalara ve mutantların ortaya çıkmasına neden olur. Böylece, J. Marmur (1962), bazı fajların DNA'sının timin yerine oksimetilurasil içerdiğini belirledi. 1963'te I. Takahashi ve J. Marmur, fajlardan birinin DNA'sının timin yerine urasil içerdiğini keşfetti. Böylece daha önce nükleik asitlerin ayrıştırıldığı bir başka ilke de çökmüştür. P. Levin'in çalıştığı zamandan beri, DNA'nın ayırt edici özelliğinin timin ve RNA'nın urasil olduğuna inanılıyordu. Bu özelliğin her zaman güvenilir olmadığı ve iki tür nükleik asidin kimyasal yapısındaki temel farkın, bugüne kadar göründüğü gibi, yalnızca karbonhidrat bileşeninin doğası olduğu ortaya çıktı.

Fajların çalışmasında, nükleik asitlerin organizasyonunun birçok olağandışı işareti keşfedildi. 1953'ten beri, tüm DNA'nın çift sarmallı doğrusal moleküller olduğuna ve RNA'nın yalnızca tek sarmallı olduğuna inanılmaktadır. Bu durum, 1961'de, R. Sinsheimer faj φ X 174'ün DNA'sının tek iplikli dairesel bir molekül tarafından temsil edildiğini keşfettiğinde önemli ölçüde sarsıldı. Doğru, daha sonra bu DNA'nın bu formda sadece bitkisel faj parçacığında var olduğu ve bu fajın DNA'sının replikatif formunun da çift sarmallı olduğu ortaya çıktı. Ek olarak, bazı virüslerin RNA'sının çift sarmallı olabileceği oldukça beklenmedik bir şekilde ortaya çıktı. RNA'nın bu yeni makromoleküler organizasyonu, 1962'de P. Gomatos, I. Tamm ve diğer araştırmacılar tarafından bazı hayvan virüslerinde ve bitkilerin yara tümörü virüsünde keşfedildi. Son zamanlarda, V. I. Agol ve A. A. Bogdanov (1970), lineer RNA moleküllerine ek olarak, kapalı veya siklik moleküllerin de olduğunu tespit etti. Döngüsel çift sarmallı RNA, özellikle ensefalomyelokardit virüsünde onlar tarafından tespit edildi. H. Devo, L. Tinoko, T. I. Tikhonenko, E. I. Budovsky ve diğerlerinin (1960 - 1974) çalışmaları sayesinde, bakteriyofajlardaki genetik materyalin organizasyonunun (paketlenmesinin) ana özellikleri biliniyordu.

1950'lerin sonlarında, Amerikalı bilim adamı P. Doty, ısıtıldığında, baz çiftleri arasındaki hidrojen bağlarının kopması ve tamamlayıcı zincirlerin ayrılmasıyla birlikte DNA'nın denatürasyonunun meydana geldiğini buldu. Bu süreç, bir "spiral-bobin" faz geçişi karakterine sahiptir ve kristallerin erimesine benzer. Bu nedenle Doty, DNA DNA erimesinin termal denatürasyon sürecini çağırdı. Yavaş soğutma üzerine, moleküllerin renatürasyonu, yani tamamlayıcı yarıların yeniden birleşmesi meydana gelir.

1960 yılında renatürasyon ilkesi, J. Marmur ve K. Shildkraut tarafından farklı mikroorganizmaların DNA'sının "melezlenebilirlik" derecesini belirlemek için kullanıldı. Daha sonra E. Bolton ve B. McCarthy, DNA-agar kolonları olarak adlandırılan yöntemi önererek bu tekniği geliştirdiler. Bu yöntemin, farklı DNA'ların nükleotid dizisinin homoloji derecesinin incelenmesinde ve farklı organizmaların genetik ilişkisinin aydınlatılmasında vazgeçilmez olduğu ortaya çıktı. Açık Doty DNA denatürasyonu, J. Mandel ve A. Hershey * (1960) tarafından metillenmiş albümin üzerinde açıklanan kromatografi ve bir yoğunluk gradyanında santrifüjleme (yöntem 1957'de M. Meselson, F. Stahl ve D. Vinograd), bireysel tamamlayıcı DNA ipliklerinin ayrılması, izolasyonu ve analizi için yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, V. Shibalski (ABD), bir lambda fajının DNA'sını ayırmak için bu teknikleri kullanarak, 1967-1969'da her iki faj zincirinin de genetik olarak aktif olduğunu göstermiştir. , ve bir değil, bunun düşünüldüğü gibi (S. Spigelman, 1961). Bir lambda fajının her iki DNA zincirinin genetik önemi fikrinin ilk olarak SSCB'de S.E.Bresler (1961) tarafından ifade edildiğine dikkat edilmelidir.

* (A. Hershey, M. Delbrück ve S. Luria ile birlikte bakteri ve virüslerin genetiği konusundaki çalışmaları nedeniyle 1969 Nobel Ödülü'ne layık görüldü.)

DNA nükleotid dizisinin belirlenmesi, genomun organizasyonunu ve fonksiyonel aktivitesini anlamak için büyük önem taşımaktadır. Böyle bir belirleme için yöntem arayışları dünya çapında birçok laboratuvarda yürütülmektedir. Amerika Birleşik Devletleri'nde, M. Beer ve meslektaşları, 1950'lerin sonlarından beri elektron mikroskobu kullanarak DNA dizisini oluşturmaya çalışıyorlar, ancak şimdiye kadar başarılı olamadılar. 50'li yılların başlarında, Sinsheimer, Chargaff ve diğer araştırmacıların DNA'nın enzimatik bozunması üzerine ilk çalışmalarından, DNA molekülündeki farklı nükleotitlerin kaotik olmasa da eşit olmayan bir şekilde dağıldığı biliniyordu. İngiliz kimyager K. Barton'a (1961) göre, pirimidinler (bunların% 70'inden fazlası) esas olarak karşılık gelen bloklar şeklinde konsantre edilir. A. L. Mazin ve B. F. Vanyushin (1968 - 1969), farklı DNA'ların değişen derecelerde pirimidin kohezyonuna sahip olduğunu ve hayvan organizmalarının DNA'sında düşükten yükseğe geçişle belirgin şekilde arttığını belirledi. Böylece, organizmaların evrimi, genomlarının yapısına yansır. Bu nedenle, evrim sürecini bir bütün olarak anlamak için nükleik asitlerin yapısının karşılaştırmalı bir incelemesi özellikle önemlidir. Biyolojik olarak önemli polimerlerin ve her şeyden önce DNA'nın yapısının analizi, filogenetik ve taksonominin birçok özel sorununu çözmek için son derece önemlidir.

Yumuşakçaların hemoglobinlerini inceleyen İngiliz fizyolog E. Lankester'ın moleküler biyolojinin fikirlerini tam olarak 100 yıl önce öngördüğünü belirtmek ilginçtir: formları. organizmalar olsaydı, farklı organizmaların kökenini ve evrimini morfolojik gözlemlere dayanarak çok daha iyi anlayabiliriz "*. Biyokimyasal çalışmaların sistematik için önemi, "türleri sınıflandırdığımız ve oluşturduğumuz temelindeki tüm tamamen morfolojik karakterlerin bile biyokimyasal farklılıklara dayandığını" yazan V.L. Komarov tarafından da vurgulanmıştır **.

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

** (V.L. Komarov. Seçilmiş eserler, cilt 1. M.-L., SSCB Bilimler Akademisi Yayınevi, 1945, s. 331.)

A. V. Blagoveshchensky ve S. L. Ivanov, 1920'lerde, biyokimyasal bileşimlerinin karşılaştırmalı bir analizi temelinde organizmaların evrimi ve sistematiği ile ilgili bazı soruları netleştirmek için ülkemizde ilk adımları attı (bkz. Bölüm 2). Proteinlerin ve nükleik asitlerin yapısının karşılaştırmalı analizi, şimdi taksonomistler için giderek daha somut bir yardımcı haline geliyor (bkz. Bölüm 21). Bu moleküler biyoloji yöntemi, yalnızca sistemdeki bireysel türlerin konumunu netleştirmeyi mümkün kılmakla kalmaz, aynı zamanda organizmaların sınıflandırılmasının ilkelerine yeni bir bakış atmamızı ve bazen tüm sistemi bir bütün olarak gözden geçirmemizi sağlar. örneğin, mikroorganizmaların taksonomisi ile oldu. Kuşkusuz, gelecekte genom yapısının analizi, organizmaların kemosistematiğinde merkezi bir yer tutacaktır.

DNA replikasyonu ve transkripsiyon mekanizmalarının deşifre edilmesi moleküler biyolojinin gelişimi için büyük önem taşıyordu (bkz. Bölüm 24).

protein biyosentezi

Protein biyosentezi probleminin çözümünde önemli bir kayma, nükleik asitlerin incelenmesindeki ilerlemelerle ilişkilidir. 1941'de T. Casperson (İsveç) ve 1942'de J. Brachet (Belçika) aktif protein sentezine sahip dokuların artan miktarda RNA içerdiğine dikkat çekti. Ribonükleik asitlerin protein sentezinde çok önemli bir rol oynadığı sonucuna vardılar. 1953'te E. Gale ve D. Fox, RNA'nın protein biyosentezine doğrudan katılımının doğrudan kanıtını elde etmiş görünüyordu: verilerine göre, ribonükleaz, amino asitlerin bakteri hücre lizatlarına dahil edilmesini önemli ölçüde bastırdı. Benzer veriler V. Alfrey, M. Delhi ve A. Mirsky (1953) tarafından karaciğer homojenatları üzerinde elde edilmiştir. Daha sonra, E. Gale, RNA'nın protein sentezindeki lider rolü hakkında ifade ettiği doğru fikri reddetti ve yanlışlıkla hücresiz sistemde protein sentezinin aktivasyonunun bilinmeyen başka bir maddenin etkisi altında gerçekleştiğine inandı. 1954'te P. Zamechnik, D. Littlefield, RB Khesin-Lurie ve diğerleri, amino asitlerin en aktif dahil edilmesinin, hücre altı parçacıkların - mikrozomların RNA açısından zengin fraksiyonlarında meydana geldiğini buldular. P. Zamechnik ve E. Keller (1953 - 1954), ATP rejenerasyonu koşulları altında süpernatan fraksiyonunun varlığında amino asitlerin dahil edilmesinin belirgin şekilde arttığını buldular. P. Sikewitz (1952) ve M. Hoagland (1956), mikrozomlara amino asitlerin dahil edilmesinin keskin bir şekilde uyarılmasından sorumlu olan süpernatan sıvıdan bir protein fraksiyonu (pH 5 fraksiyonu) izole etti. Proteinlerle birlikte, süpernatanda, şimdi taşıma RNA'ları (tRNA'lar) olarak adlandırılan özel bir düşük moleküler ağırlıklı RNA sınıfı bulundu. 1958'de Hoagland ve Zamechnik'in yanı sıra P. Berg, R. Sweet ve F. Allen ve diğer birçok araştırmacı, her amino asidin aktivasyonunun kendi özel enzimi, ATP ve spesifik tRNA'yı gerektirdiğini keşfetti. tRNA'ların yalnızca adaptörlerin, yani nükleik asit matrisinde (mRNA) karşılık gelen amino asidin oluşturan protein molekülündeki yerini bulan uyarlamaların işlevini yerine getirdiği ortaya çıktı. Bu çalışmalar, hücrede sentezlenen proteinin amino asit kalıntılarının nükleik matris üzerinde doğru düzenlenmesi için gerekli olan polinükleotit adaptörlerinin varlığını sağlayan F. Crick'in (1957) adaptör hipotezini tamamen doğruladı. Çok daha sonra, Fransız bilim adamı F. Chapville (1962), F. Lipman'ın (Nobel Ödülü, 1953) ABD'deki laboratuarında çok esprili ve açık bir şekilde, sentezlenmiş bir protein molekülündeki bir amino asidin yerinin tamamen, bağlı olduğu spesifik tRNA. Crick'in bağdaştırıcı hipotezi Hoagland ve Zamechnik tarafından geliştirilmiştir.

1958 yılına gelindiğinde, protein sentezinin aşağıdaki ana aşamaları bilinir hale geldi: 1) aminoasiladenilat oluşumu ile ATP mevcudiyetinde "pH 5 fraksiyonundan" spesifik bir enzim tarafından bir amino asidin aktivasyonu; 2) adenosin monofosfatın (AMP) salınımı ile aktifleştirilmiş bir amino asidin spesifik bir tRNA'ya bağlanması; 3) aminoasil-tRNA'nın (amino asit yüklü tRNA) mikrozomlarla bağlanması ve tRNA'nın salınması ile amino asitlerin proteine ​​dahil edilmesi. Hoagland (1958), protein sentezinin son aşamasında guanozin trifosfatın (GTP) gerekli olduğunu belirtmiştir.

Transport RNA ve gen sentezi

tRNA'nın keşfinden sonra, bunların fraksiyonlanması ve nükleotid dizisinin belirlenmesi için aktif bir araştırma başladı. En büyük başarı Amerikalı biyokimyacı R. Holly tarafından sağlandı. 1965 yılında mayadan alanin tRNA yapısını kurdu. Ribonükleazları (guanil RNAse ve pankreatik RNAse) kullanarak Holly, nükleik asit molekülünü birkaç parçaya böldü, her birinde ayrı ayrı nükleotit dizisini belirledi ve ardından tüm alanin tRNA molekülünün dizisini yeniden yapılandırdı. Nükleotid dizisini analiz etmenin bu yoluna blok yöntemi denir. Holly'nin değeri, esas olarak, RNA molekülünü kendisinden önce birçoklarının yaptığı gibi sadece küçük parçalara değil, aynı zamanda büyük parçalara da (çeyrek ve yarıya) bölmeyi öğrenmesinden kaynaklanıyordu. Bu ona tek tek küçük parçaları doğru bir şekilde bir araya getirme ve böylece tüm tRNA molekülünün tam nükleotid dizisini yeniden oluşturma fırsatı verdi (Nobel Ödülü, 1968).

Bu teknik, dünyadaki birçok laboratuvar tarafından hemen benimsendi. Sonraki iki yıl boyunca, birkaç tRNA'nın birincil yapısı SSCB'de ve yurtdışında deşifre edildi. A. A. Baev (1967) ve meslektaşları, maya valin tRNA'sındaki nükleotid dizisini ilk belirleyenlerdi. Bugüne kadar, bir düzineden fazla farklı bireysel tRNA incelenmiştir. Nükleotid dizisinin belirlenmesinde bir tür rekor Cambridge'de F. Senger ve G. Brownlee tarafından belirlendi. Bu araştırmacılar, oligonükleotitleri ayırmak için şaşırtıcı derecede zarif bir yöntem geliştirdiler ve E. coli hücrelerinden 5 S (ribozomal) RNA olarak adlandırılan diziyi oluşturdular (1968). Bu RNA, 120 nükleotit kalıntısından oluşur ve tRNA'nın aksine, nükleotit dizisinin analizini önemli ölçüde kolaylaştıran ve molekülün ayrı ayrı parçaları için benzersiz işaretler olarak hizmet eden ilave küçük bazlar içermez. Şu anda, Sanger ve Brownlee yönteminin kullanılması sayesinde, J. Ebel (Fransa) ve diğer araştırmacıların laboratuvarında uzun ribozomal RNA'ların ve bazı viral RNA'ların dizilişine yönelik çalışmalar başarıyla ilerlemektedir.

AA Baev ve diğerleri (1967), yarıya kesilen valin tRNA'nın çözeltideki makromoleküler yapısını eski haline getirdiğini ve birincil yapıdaki bir kusura rağmen orijinal (doğal) molekülün fonksiyonel aktivitesine sahip olduğunu buldu. Bu yaklaşımın - belirli parçaların çıkarılmasından sonra kesilmiş bir makromolekülün yeniden yapılandırılması - çok umut verici olduğu ortaya çıktı. Artık belirli tRNA'ların bireysel bölgelerinin fonksiyonel rolünü aydınlatmak için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Son yıllarda, bireysel tRNA'ların kristalli preparasyonlarının hazırlanmasında büyük başarılar elde edilmiştir. Şimdi ABD ve İngiltere'deki birçok laboratuvarda birçok tRNA zaten kristalize edilmiştir. Bu, X-ışını yapısal analizini kullanarak tRNA'nın yapısını incelemeyi mümkün kıldı. 1970 yılında, R. Bock, Wisconsin Üniversitesi'nde yarattığı birkaç tRNA'nın ilk X-ışını kırınım modellerini ve üç boyutlu modellerini sundu. Bu modeller, tRNA'daki bireysel fonksiyonel olarak aktif bölgelerin lokalizasyonunu belirlemeye ve bu moleküllerin işleyişinin temel ilkelerini anlamaya yardımcı olur.

20. yüzyılda doğa biliminin önde gelen fethi olarak kabul edilebilecek olan genetik kodun doğasının deşifre edilmesi (bkz. Bölüm 24), protein sentezi mekanizmasını ortaya çıkarmak ve bu sürecin özgüllüğü.

R. Holly'nin tRNA'nın birincil yapısını açıklaması, G. Korana'nın * (ABD) oligonükleotitlerin sentezi üzerindeki çalışmalarına ivme kazandırdı ve onları belirli bir biyolojik yapının sentezine yönlendirdi - alanin tRNA'yı kodlayan bir DNA molekülü. Kuran'ın yaklaşık 15 yıl önce yaptığı kısa oligonükleotitlerin kimyasal sentezindeki ilk adımlar, 1970 yılında bir genin ilk senteziyle tamamlandı. Korana ve işbirlikçileri ilk önce kimyasal yollarla bireysel nükleotitlerden 8-12 nükleotit kalıntısının kısa parçalarını sentezlediler. Belirli bir nükleotid dizisine sahip bu fragmanlar, 4-5 nükleotidlik bir örtüşme ile kendiliğinden çift sarmallı tamamlayıcı parçalar oluşturdu. Daha sonra istenen sırada bu bitmiş parçalar, DNA ligaz enzimi kullanılarak dönüşümlü olarak uçtan uca birleştirildi. Böylece, A. Kornberg'e ** göre DNA moleküllerinin kopyalanmasının aksine (bkz. Bölüm 24), Kuran, tRNA dizisine göre önceden belirlenmiş bir programa göre doğal bir çift sarmallı DNA molekülünü yeniden yaratabilmiştir. Holly tarafından tarif edilmiştir. Benzer şekilde, diğer genlerin sentezi üzerinde de çalışmalar devam etmektedir (MN Kolosov, Z.A. Shabarova, DG Knorre, 1970 - 1975).

* (Genetik kodun incelenmesi için G. Korana ve M. Nirenberg, 1968'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü.)

** (Polimeraz ve DNA sentezinin keşfi için A. Kornberg ve 1959'da RNA S. Ochoa'nın sentezi için Nobel Ödülü'ne layık görüldü.)

Mikrozomlar, ribozomlar, çeviri

1950'lerin ortalarında, mikrozomların hücredeki protein sentezinin merkezi olduğuna inanılıyordu. Mikrozomlar terimi ilk olarak 1949'da A. Claude tarafından küçük granüllerin fraksiyonunu belirtmek için tanıtıldı. Daha sonra, zarlardan ve granüllerden oluşan mikrozomların tamamının protein sentezinden değil, sadece küçük ribonükleoprotein partiküllerinden sorumlu olduğu ortaya çıktı. 1958'de bu parçacıklar R. Roberts ribozomları tarafından isimlendirildi.

Bakteriyel ribozomların klasik çalışmaları, 1958 - 1959'da A. Tissier ve J. Watson tarafından gerçekleştirildi. Bakteriyel ribozomların bitki ve hayvanlardan biraz daha küçük olduğu bulundu. J. Littleton (1960), M. Clarke (1964) ve E.N. Svetailo (1966), yüksek bitkilerin ve mitokondrilerin kloroplastlarının ribozomlarının bakteri tipine ait olduğunu gösterdi. A. Tissier ve diğerleri (1958), ribozomların bir RNA molekülü içeren iki eşit olmayan alt birime ayrıldığını buldu. 1950'lerin sonlarında, her ribozomal RNA molekülünün birkaç kısa parçadan oluştuğuna inanılıyordu. Ancak 1960 yılında A.S.Spirin ilk kez alt parçacıklardaki RNA'nın sürekli bir molekül tarafından temsil edildiğini gösterdi. D. Waller (1960), nişasta jel elektroforezi kullanarak ribozomal proteinleri ayırarak, bunların çok heterojen olduklarını buldu. İlk başta, çoğu kişi Waller'ın verilerinden şüphe etti, çünkü ribozom proteininin TMV proteini gibi kesinlikle homojen olması gerektiği görülüyordu. Şu anda, D. Waller, R. Trout, P. Traub ve diğer biyokimyacıların çalışmalarının bir sonucu olarak, uygun ribozomal parçacıkların bileşiminin, yapı olarak tamamen farklı 50'den fazla protein içerdiği biliniyordu. 1963'te A.S. Spirin, ribozomal alt birimleri açan ve ribozomların belirli koşullar altında açılabilen kompakt şekilde bükülmüş bir ribonükleoprotein ipliği olduğunu gösteren ilk kişiydi. 1967-1968 M. Nomura, ribozomal RNA ve proteinden biyolojik olarak aktif bir alt birimi tamamen yeniden yapılandırdı ve hatta protein ve RNA'nın farklı mikroorganizmalara ait olduğu ribozomlar elde etti.

Şimdiye kadar, ribozomal RNA'nın rolü belirsizdir. Bir ribozomal parçacığın oluşumu sırasında, çok sayıda ribozomal proteinin her birinin üzerinde kesin olarak tanımlanmış bir yer bulduğu benzersiz spesifik matris olduğu varsayılır (A.S. Spirin, 1968).

A. Rich (1962), bir mRNA dizisiyle birbirine bağlanan birkaç ribozomun kümelerini keşfetti. Bu komplekslere polisom adı verildi. Polisomların keşfi, Rich ve Watson'ın (1963) polipeptit zincirinin sentezinin, mRNA zinciri boyunca hareket eden ribozom üzerinde gerçekleştiğini önermesine izin verdi. Ribozom mRNA zinciri boyunca hareket ettikçe, parçacıkta bilgi okunur ve proteinin polipeptit zinciri oluşur ve yeni ribozomlar dönüşümlü olarak mRNA'nın serbest bırakılan okuma ucuna eklenir. Rich ve Watson'ın verilerinden, hücredeki polisomun öneminin, matrisin bir kerede birkaç ribozom tarafından ardışık olarak okunmasıyla proteinin toplu üretiminden oluştuğunu takip etti.

1963 - 1970 yıllarında M. Nirenberg, S. Ochoa, F. Lipman, G. Korana ve diğerlerinin araştırması sonucunda. mRNA, ribozomlar, ATP ve aminoasil-tRNA ile birlikte, çeviri sürecinde çok sayıda çeşitli faktörün yer aldığı ve çeviri sürecinin şartlı olarak üç aşamaya bölünebileceği biliniyordu - başlatma, çevirinin kendisi ve sonlandırma.

Çeviri başlatma, ribozom – şablon polinükleotit – aminoasil-tRNA kompleksindeki ilk peptit bağının sentezi anlamına gelir. Bu başlatıcı aktiviteye herhangi bir aminoasil-tRNA değil, formilmetionil-tRNA sahiptir. Bu madde ilk olarak 1964 yılında F. Senger ve K. Marker tarafından izole edilmiştir. S. Bretcher ve K. Marker (1966), formilmetionil-tRNA'nın başlatıcı işlevinin, ribozomun peptidil merkezine artan afinitesinden kaynaklandığını gösterdi. Çeviri başlangıcı için, S. Ochoa, F. Gro ve diğer araştırma merkezlerinin laboratuvarlarında izole edilen bazı protein başlatma faktörleri de son derece önemlidir. Ribozomda ilk peptit bağının oluşumundan sonra, asıl translasyon, yani aminoasil kalıntısının polipeptitin C-terminaline ardışık bağlanması başlar. Yayın sürecinin birçok detayı K. Monroe ve J. Bishop (İngiltere), I. Rykhlik ve F. Schorm (Çekoslovakya), F. Lipman, M. Bretcher, W. Gilbert (ABD) ve diğer araştırmacılar tarafından incelenmiştir. 1968'de A.S.Spirin, ribozomun mekanizmasını açıklamak için orijinal bir hipotez önerdi. Translasyon sırasında tRNA ve mRNA'nın tüm uzaysal hareketlerini sağlayan itici mekanizma, ribozom alt birimlerinin periyodik olarak açılıp kapanmasıdır. Çevirinin sonu, sonlandırma kodonlarını içeren okunabilir matrisin kendisinde kodlanmıştır. S. Brenner (1965 - 1967) tarafından gösterildiği gibi, bu tür kodonlar UAA, UAG ve UGA üçlüleridir. M. Capecchi (1967) ayrıca özel protein sonlandırma faktörleri tanımladı. AS Spirin ve LP Gavrilova, protein faktörlerinin katılımı olmadan ribozomlarda (1972 - 1975) sözde "enzimatik olmayan" protein sentezini tanımladı. Bu keşif, protein biyosentezinin kökenini ve evrimini anlamak için önemlidir.

Gen ve protein aktivitesinin düzenlenmesi

Protein sentezinin özgüllüğü probleminden sonra, protein sentezinin düzenlenmesi veya aynı şey olan gen aktivitesinin düzenlenmesi probleminin moleküler biyolojide ilk sırada olduğu ortaya çıktı.

Hücrelerin fonksiyonel eşitsizliği ve buna bağlı olarak genlerin baskılanması ve aktivasyonu uzun zamandır genetikçilerin dikkatini çekmiştir, ancak yakın zamana kadar gen aktivitesinin gerçek kontrol mekanizması bilinmiyordu.

Genlerin düzenleyici aktivitesini açıklamaya yönelik ilk girişimler, histon proteinlerinin incelenmesiyle ilişkilendirildi. Steadman eşleri bile * XX yüzyılın 40'lı yıllarının başında. Bu fenomende ana rolü oynayabilecek olanın histonlar olduğu fikrini dile getirdi. Daha sonra, histon proteinlerinin kimyasal yapısındaki farklılıklar hakkında ilk net verileri aldılar. Şu anda, bu hipotezi destekleyen gerçeklerin sayısı her yıl artmaktadır.

* (E. Stedman, E. Stedman. Hücre çekirdeğinin temel proteinleri - Phylosoph. Trans. Roy. Soc. Londra, 1951, v. 235, 565 - 595.)

Aynı zamanda, gen aktivitesinin düzenlenmesinin, gen bölgelerinin histon proteinlerinin molekülleri ile basit etkileşiminden çok daha karmaşık bir süreç olduğunu gösteren giderek daha fazla veri birikmektedir. 1960-1962 RB Khesin-Lurie laboratuvarında, faj genlerinin eşzamanlı olmayan bir şekilde okunmaya başladığı bulundu: T2 faj genleri, işleyişi bakteri hücresinin enfeksiyonunun ilk dakikalarında meydana gelen erken genlere bölünebilir. ve erken genlerin tamamlanmasından sonra mRNA'yı sentezlemeye başlayan geç genler.

1961'de Fransız biyokimyacılar F. Jacob ve J. Monod, genel olarak hücrenin düzenleyici mekanizmalarını anlamada istisnai bir rol oynayan gen aktivitesinin düzenlenmesi için bir plan önerdiler. Jacob ve Monod şemasına göre DNA, yapısal (bilgisel) genlerin yanı sıra düzenleyici genler ve operatör genler de içerir. Gen regülatörü, hem indükleyici hem de operatör genine eklenebilen bir baskılayıcı olan spesifik bir maddenin sentezini kodlar. Operatör geni yapısal genlere bağlıdır ve düzenleyici gen onlardan biraz uzakta bulunur. Ortamda indükleyici, örneğin laktoz yoksa, düzenleyici gen tarafından sentezlenen baskılayıcı, operatör genine bağlanır ve onu bloke ederek, tüm operonun (operatörle birlikte bir yapısal gen bloğu) çalışmasını kapatır. onları kontrol eden). Bu koşullar altında enzim oluşmaz. Ortamda bir indükleyici (laktoz) belirirse, düzenleyici genin ürünü - baskılayıcı - laktoza bağlanır ve bloğu operatör geninden kaldırır. Bu durumda enzimin sentezini kodlayan yapısal genin çalışması mümkün hale gelir ve ortamda enzim (laktoz) belirir.

Jacob ve Monod'a göre, bu düzenleme şeması tüm adaptif enzimler için geçerlidir ve enzim oluşumu reaksiyon ürününün fazlalığı tarafından baskılandığında hem baskılama sırasında hem de bir substrat eklenmesi enzim sentezine neden olduğunda indüksiyon sırasında gerçekleşebilir. Jacob ve Monod, gen aktivitesinin düzenlenmesi konusundaki çalışmaları nedeniyle 1965 yılında Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Başlangıçta, bu plan çok uzak görünüyordu. Ancak daha sonra bu prensibe göre gen düzenlemesinin sadece bakterilerde değil, diğer organizmalarda da gerçekleştiği anlaşıldı.

1960'dan beri, moleküler biyolojide önemli bir yer, ökaryotik organizmalarda genom organizasyonu ve kromatin yapısı çalışmaları tarafından işgal edilmiştir (J. Bonner, R. Britten, W. Alfrey, P. Walker, Yu.S. Chentsov, IB Zbarsky, vb.) . .) ve transkripsiyonun düzenlenmesi (A. Mirsky, G. P. Georgiev, M. Bernstil, D. Goll, R. Tsanev, R. I. Salganik). Bastırıcının doğası uzun süre bilinmezliğini korudu ve tartışmalıydı. 1968'de M. Ptashne (ABD) bir proteinin bir baskılayıcı olduğunu gösterdi. Onu J. Watson'ın laboratuvarında izole etti ve baskılayıcının gerçekten de indükleyici (laktoz) için bir afiniteye sahip olduğunu ve aynı zamanda lac operon'un gen operatörünü "tanıdığını" ve spesifik olarak ona bağlandığını buldu.

Son 5-7 yılda, bir promotör olan başka bir gen aktivitesinin kontrol hücresinin varlığına ilişkin veriler elde edildi. Gen düzenleyicide sentezlenen ürünün, baskılayıcının protein maddesinin eklendiği operatör bölgesinin yakınında, düzenleyici sistemin üyelerine de atfedilmesi gereken başka bir sitenin olduğu ortaya çıktı. gen aktivitesi. Bu bölgeye RNA polimeraz enziminin bir protein molekülü eklenir. Promoter bölgesinde, DNA'daki benzersiz nükleotid dizisinin karşılıklı tanınması ve RNA polimeraz proteininin spesifik konfigürasyonu gerçekleşmelidir. Promotöre bitişik operonun belirli bir gen dizisi ile genetik bilgiyi okuma işleminin uygulanması, tanıma verimliliğine bağlı olacaktır.

Jacob ve Monod tarafından açıklanan şemaya ek olarak, hücrede başka gen düzenleme mekanizmaları da vardır. F. Jacob ve S. Brenner (1963), bakteri DNA replikasyonunun düzenlenmesinin hücre zarı tarafından belirli bir şekilde kontrol edildiğini buldu. Jacob'ın (1954) çeşitli profajların uyarılması üzerindeki deneyleri, çeşitli mutajenik faktörlerin etkisi altında, lizojenik bakteri hücresinde profaj geninin seçici replikasyonunun başladığını ve konakçı genomun replikasyonunun bloke edildiğini ikna edici bir şekilde göstermiştir. 1970 yılında F. Bell, küçük DNA moleküllerinin çekirdekten sitoplazmaya geçebileceğini ve orada kopyalanabileceğini bildirdi.

Böylece gen aktivitesinin düzenlenmesi replikasyon, transkripsiyon ve translasyon düzeyinde gerçekleştirilebilir.

Sadece enzim sentezinin düzenlenmesinin değil, aynı zamanda aktivitelerinin de incelenmesinde önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Hücredeki enzim aktivitesinin düzenlenmesi fenomeni, 50'li yıllarda A. Novik ve L. Szilard tarafından işaret edildi. G. Umbarger (1956), hücrede, geri besleme zincirinin son ürünü tarafından enzim aktivitesini bastırmanın çok rasyonel bir yolu olduğunu belirledi. J. Monod, J. Changer, F. Jacob, A. Purdy ve diğer araştırmacılar (1956 - 1960) tarafından kurulduğu gibi, enzim aktivitesinin düzenlenmesi allosterik prensibe göre gerçekleştirilebilir. Bir enzim veya alt birimlerinden biri, bir substrata olan afinitesine ek olarak, reaksiyon zincirinin ürünlerinden birine de afiniteye sahiptir. Böyle bir sinyal ürününün etkisi altında enzim, konformasyonunu değiştirerek aktivitesini kaybeder. Sonuç olarak, tüm enzimatik reaksiyonlar zinciri en baştan kapatılır. D. Weyman ve R. Woodward (1952; Nobel Ödülü sahibi, 1965), enzimatik reaksiyonlarda protein konformasyonel değişikliklerin temel rolüne ve bir anlamda allosterik bir etkinin varlığına dikkat çekti.

Protein yapısı ve işlevi

XIX yüzyılın sonunda T. Osborne, G. Hofmeister, A. Gürber, F. Schulz ve diğerlerinin çalışmalarının bir sonucu olarak. birçok hayvan ve bitki proteini kristal formda elde edilmiştir. Aynı zamanda, bazı proteinlerin moleküler ağırlıklarını belirlemek için çeşitli fiziksel yöntemler kullanıldı. Böylece, 1891'de A. Sabaneev ve N. Aleksandrov, ovalbüminin moleküler ağırlığının 14.000 olduğunu bildirdi; 1905'te E. Reid, hemoglobinin moleküler ağırlığının 48.000 olduğunu tespit etti.Proteinlerin polimer yapısı 1871'de G. Glazivets ve D. Haberman tarafından keşfedildi. Proteinlerdeki bireysel amino asit kalıntılarının peptit bağı fikri, T. Curtius (1883) tarafından ortaya atılmıştır. Amino asitlerin kimyasal yoğunlaşması (E. Schaal, 1871; G. Schiff, 1897; L. Balbiano ve D. Truschiatti, 1900) ve heteropolipeptidlerin sentezi (E. Fischer, 1902 - 1907, Nobel Ödülü, 1902) üzerinde çalışın. proteinlerin kimyasal yapısının temel ilkelerinin geliştirilmesine yol açmıştır.

İlk kristalli enzim (üreaz) 1926'da J. Sumner (Nobel Ödülü, 1946) tarafından elde edildi ve 1930'da J. Northrop (Nobel Ödülü, 1946) kristalli pepsin aldı. Bu çalışmalardan sonra enzimlerin protein yapısında olduğu anlaşıldı. 1940'ta M. Kunits kristalli RNAse'yi izole etti. 1958'de 100'den fazla kristalli enzim zaten biliniyordu ve 500'den fazla enzim kristal olmayan biçimde izole edildi. Tek tek proteinlerin yüksek oranda saflaştırılmış preparasyonlarının hazırlanması, birincil yapılarının ve makromoleküler organizasyonlarının deşifre edilmesine katkıda bulunmuştur.

Genel olarak moleküler biyolojinin ve özellikle insan genetiğinin gelişimi için büyük önem taşıyan, L. Pauling (1940) tarafından şiddetli kalıtsal bir hastalığı olan kişilerin eritrositlerinden izole edilen anormal hemoglobin S'nin keşfiydi - orak hücreli anemi. 1955 - 1957 V. Ingram, alkali ve tripsin ile hemoglobin S hidroliz ürünlerini analiz etmek için F. Senger tarafından geliştirilen "parmak izleri" (kağıt üzerinde kromatografi sırasında tek tek peptitlerin oluşturduğu noktalar) yöntemini kullandı. 1961'de Ingram, hemoglobin S'nin normal hemoglobinden sadece bir amino asit kalıntısı niteliğinde farklı olduğunu bildirdi: zincirin yedinci konumunda normal hemoglobinde bir glutamik asit kalıntısı ve hemoglobin S'de bir valin kalıntısı var. Bu tam olarak doğrulandı (1949) Pauling'in orak hücreli aneminin moleküler nitelikte bir hastalık olduğu varsayımı. Hemoglobin makromolekülünün her yarısında sadece bir amino asit kalıntısındaki kalıtsal değişiklik, hemoglobinin düşük oksijen konsantrasyonlarında kolayca çözülme yeteneğini kaybetmesine ve kristalleşmeye başlamasına ve bu da hücre yapısının ihlaline yol açar. Bu çalışmalar, bir proteinin yapısının, genomda kodlanmış, kesin olarak tanımlanmış bir amino asit dizisi olduğunu açıkça göstermiştir. Bir makromolekülün benzersiz biyolojik olarak aktif konformasyonunun oluşumunda bir proteinin birincil yapısının istisnai önemi, K. Anfinsen'in (1951) çalışmalarıyla kanıtlanmıştır. Anfinsen, azalma sonucunda kaybedilen pankreatik ribonükleazın biyolojik olarak aktif makro yapısının amino asit dizisi tarafından önceden belirlendiğini ve sistein kalıntılarının SH-gruplarının oksidasyonu üzerine spontan olarak yeniden ortaya çıkabileceğini ve kesin olarak tanımlanmış sitelerde disülfid çapraz bağlarının oluşumu ile ortaya çıkabileceğini göstermiştir. enzimin peptit zinciri.

Bugüne kadar çok sayıda enzimin etki mekanizması detaylı olarak incelenmiş ve birçok proteinin yapısı belirlenmiştir.

1953'te F. Senger, insülinin amino asit dizisini oluşturdu. : Bu protein, iki disülfid çapraz bağıyla birbirine bağlanan iki polipeptit zincirinden oluşur. Zincirlerden biri sadece 21 amino asit kalıntısı içerirken, diğeri 30 kalıntı içerir. Sanger, bu nispeten basit proteinin yapısını deşifre etmek için yaklaşık 10 yıl harcadı. 1958'de bu olağanüstü araştırma için Nobel Ödülü'ne layık görüldü. W. Stein ve S. Moore (1957) tarafından otomatik bir amino asit analiz cihazının oluşturulmasından sonra, proteinlerin kısmi hidroliz ürünlerinin tanımlanması önemli ölçüde hızlandırıldı. 1960'da Stein ve Moore bunu zaten bildirdiler. peptit zinciri 124 amino asit tortusu ile temsil edilen ribonükleaz dizisini belirleyebildiklerini. Aynı yıl G. Schramm'ın Tübingen'deki (Almanya) laboratuvarında F. Anderer ve diğerleri, TMV proteinindeki amino asit dizisini belirlediler. Daha sonra amino asit dizisi miyoglobinde (A. Edmunson) ve insan hemoglobininin a- ve β zincirlerinde (G. Braunitzer, E. Schroeder ve diğerleri), tavuk yumurtası proteininden lizozimde (J. Jollet, D. Keyfield) belirlendi. . 1963'te F. Schorm ve B. Keil (Çekoslovakya), kimotripsinojen molekülündeki amino asit dizisini belirledi. Aynı yıl tripsinojenin amino asit dizisi belirlendi (F. Schorm, D. Walsh). 1965'te K. Takahashi, ribonükleaz T1'in birincil yapısını kurdu. Daha sonra amino asit dizisi birkaç proteinde daha belirlendi.

Bildiğiniz gibi, belirli bir yapının tanımının doğruluğunun nihai kanıtı, onun sentezidir. 1969'da, R. Merifield (ABD), pankreas ribonükleazını kimyasal olarak sentezleyen ilk kişiydi. Merifield, katı fazlı bir taşıyıcı üzerinde geliştirdiği sentez yöntemini kullanarak, Stein ve Moore tarafından tarif edilen diziye uygun olarak zincire ardı ardına amino asitler ekledi. Sonuç olarak, pankreas ribonükleaz A ile aynı niteliklere sahip bir protein elde etti. Ribonükleaz V. Stein'ın yapısının açıklanması için S. Moore ve K. Anfinsen 1972'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü. Bu doğal protein sentezi, önceden planlanmış bir sıraya göre herhangi bir protein yaratma olasılığını gösteren büyük umutlar açar.

W. Astbury'nin (1933) X-ışını kırınım çalışmalarından, protein moleküllerinin peptit zincirlerinin kesin olarak tanımlanmış bir şekilde büküldüğü veya katlandığı takip edildi. O zamandan beri, birçok yazar protein zincirlerini katlama yöntemleri hakkında çeşitli hipotezler dile getirdi, ancak 1951'e kadar tüm modeller deneysel verilere karşılık gelmeyen spekülatif yapılar olarak kaldı. 1951'de L. Pauling ve R. Corey, proteinlerin ikincil yapısı teorisinin - a-sarmal teorisinin - nihayet formüle edildiği bir dizi parlak çalışma yayınladı. Bununla birlikte, proteinlerin de üçüncül bir yapıya sahip olduğu da biliniyordu: peptit zincirinin α-sarmalı, oldukça kompakt bir yapı oluşturarak belirli bir şekilde katlanabilir.

1957'de J. Kendrew ve çalışma arkadaşları ilk kez miyoglobin yapısının üç boyutlu bir modelini önerdiler. Bu model daha sonra birkaç yıl boyunca rafine edildi, 1961'de bu proteinin uzamsal yapısının karakterizasyonu ile son çalışma ortaya çıkana kadar. 1959'da M. Perutz ve arkadaşları hemoglobinin üç boyutlu yapısını oluşturdular. Araştırmacılar bu çalışmaya 20 yıldan fazla zaman harcadılar (ilk hemoglobin radyografileri 1937'de Perutz tarafından elde edildi). Hemoglobin molekülü dört alt birimden oluştuğu için, organizasyonunu deşifre eden Perutz, böylece ilk önce bir proteinin kuaterner yapısını tanımladı. Kendrew ve Perutz, 1962 yılında proteinlerin üç boyutlu yapısını belirleme çalışmaları nedeniyle Nobel Ödülü'ne layık görüldüler.

Perutz ENABLED tarafından hemoglobin yapısının uzaysal bir modelinin oluşturulması. Bildiğiniz gibi hayvan hücrelerinde oksijen transferini gerçekleştiren bu proteinin işleyişinin mekanizmasını anlamaya daha da yaklaşın. 1937'de F. Gaurovitz, hemoglobinin oksijen, hava ile etkileşimine, protein yapısındaki bir değişikliğin eşlik etmesi gerektiği sonucuna vardı. 1960'larda Perutz ve işbirlikçileri, oksijen ile bağlanmanın bir sonucu olarak demir atomlarındaki bir kaymanın neden olduğu oksidasyondan sonra hemoglobin zincirlerinde gözle görülür bir yer değiştirme keşfettiler. Bu temelde, protein makromoleküllerinin "solunum" hakkında fikirler oluşturuldu.

1960 yılında, D. Phillips ve işbirlikçileri, lizozim molekülünün X-ışını yapısal çalışmalarına başladı. 1967'ye gelindiğinde, bu proteinin organizasyonunun ayrıntılarını ve molekülündeki tek tek atomların lokalizasyonunu aşağı yukarı doğru bir şekilde oluşturmayı başardılar. Ek olarak, Phillips lizozimin substrata (triasetilglukozamin) bağlanmasının doğasını buldu. Bu, bu enzimin çalışma mekanizmasını yeniden yaratmayı mümkün kıldı. Böylece, birincil yapı ve makromoleküler organizasyon bilgisi, yalnızca birçok enzimin aktif merkezlerinin doğasını belirlemeyi değil, aynı zamanda bu makromoleküllerin işleyiş mekanizmasını da tam olarak ortaya çıkarmayı mümkün kılmıştır.

Elektron mikroskobu yöntemlerinin kullanılması, kolajen, fibrinojen filamentleri, kasılan kas fibrilleri vb. gibi karmaşık protein oluşumlarının makromoleküler organizasyonunun ilkelerini ortaya çıkarmaya yardımcı oldu. 50'lerin sonlarında, kas kasılma aparatının modelleri önerildi. V.A.Engel'gardt ve M.N.Lyubimova (1939) tarafından miyozinin ATPaz aktivitesinin keşfi, kas kasılma mekanizmasını anlamak için olağanüstü bir öneme sahipti. Bu, kas kasılma eyleminin, adenozin trifosforik asidin etkisi altında kasılma proteininin fizikokimyasal özelliklerinde ve makromoleküler organizasyonundaki bir değişikliğe dayandığı anlamına geliyordu (ayrıca bkz. Bölüm 11).

Biyolojik yapıların bir araya getirilmesi ilkelerini anlamak için virolojik çalışmalar gerekliydi (bkz. Bölüm 25).

çözülmemiş sorunlar

Modern moleküler biyolojideki ana ilerlemeler, esas olarak nükleik asitlerin incelenmesi sonucunda elde edilmiştir. Bununla birlikte, bu alanda bile, tüm sorunlar çözülmüş olmaktan uzaktır. Özellikle genomun tüm nükleotid dizisinin kodunun çözülmesi büyük çabalar gerektirecektir. Bu problem, sırayla, DNA heterojenliği problemi ile ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır ve hücrenin toplam genetik materyalinden tek tek moleküllerin ayrıştırılması ve izolasyonu için yeni gelişmiş yöntemlerin geliştirilmesini gerektirir.

Şimdiye kadar, çabalar esas olarak proteinlerin ve nükleik asitlerin ayrı çalışmasına odaklandı. Hücrede, bu biyopolimerler ayrılmaz bir şekilde birbirine bağlıdır ve esas olarak nükleoproteinler şeklinde işlev görür. Bu nedenle, proteinlerin ve nükleik asitlerin etkileşimini inceleme ihtiyacı artık özellikle akut hale geldi. Nükleik asitlerin belirli bölgelerinin proteinleri tarafından tanınma sorunu vurgulanmıştır. Kromozomların, ribozomların ve diğer yapıların yapı ve işlevlerinin tam olarak anlaşılmasının mümkün olmadığı bu biyopolimerlerin böyle bir etkileşiminin incelenmesine yönelik adımlar zaten ana hatlarıyla belirtilmiştir. Bu olmadan, gen aktivitesinin düzenlenmesini anlamak ve nihayet protein sentezleme mekanizmalarının ilkelerini deşifre etmek de imkansızdır. Jacob ve Monod'un çalışmasından sonra, nükleer materyalin sentezinde zarların düzenleyici rolü hakkında bazı yeni veriler ortaya çıktı. Bu, DNA replikasyonunun düzenlenmesinde zarların rolüne dair daha derin bir çalışma problemini ortaya çıkarır. Genel olarak gen aktivitesini ve genel olarak hücresel aktiviteyi düzenleme problemi modern moleküler biyolojinin en önemli problemlerinden biri haline gelmiştir.

Biyofiziğin mevcut durumu

Biyofizik, moleküler biyolojinin problemleriyle yakın bağlantılı olarak gelişti. Biyolojinin bu alanına ilgi, bir yandan, çeşitli radyasyon türlerinin vücut üzerindeki etkilerinin kapsamlı bir çalışmasına duyulan ihtiyaçla, diğer yandan, fiziksel ve fizikokimyasal temelleri inceleme ihtiyacı ile teşvik edildi. moleküler düzeyde meydana gelen yaşam olayları.

Moleküler yapılar ve bunlarda meydana gelen süreçler hakkında doğru bilgiler, yeni ince fizikokimyasal yöntemlerin kullanılması sonucunda mümkün olmuştur. Elektrokimyanın başarılarına dayanarak, iyon seçici elektrotlar kullanarak biyoelektrik potansiyelleri ölçme yöntemini geliştirmek mümkün olmuştur (G. Eisenman, B. P. Nikol'skii, Khuri, 1950'ler - 1960'lar). Proteinlerin konformasyonel değişikliklerini incelemeyi mümkün kılan kızılötesi spektroskopi (lazer cihazlarının kullanımıyla) giderek yaygınlaşmaktadır (I. Plotnikov, 1940). Değerli bilgiler ayrıca elektron paramanyetik rezonans yöntemi (EK Zavoisky, 1944) ve özellikle oksidatif süreçler sırasında elektronların taşınmasını yargılamaya izin veren biyokemolüminesan yöntemi (BN Tarusov ve diğerleri, 1960) ile sağlanır.

50'li yıllara gelindiğinde, biyofizik zaten güçlü bir konum kazanıyor. Nitelikli uzmanların yetiştirilmesine ihtiyaç vardır. 1911'de Avrupa'da sadece Pecs Üniversitesi'nde, Macaristan'da bir biyofizik bölümü varsa, 1973'te bu tür bölümler neredeyse tüm büyük üniversitelerde var.

1960 yılında Uluslararası Biyofizikçiler Derneği kuruldu. Ağustos 1961'de ilk Uluslararası Biyofizik Kongresi Stockholm'de yapıldı. İkinci kongre 1965'te Paris'te, üçüncüsü 1969'da Boston'da ve dördüncüsü 1972'de Moskova'da yapıldı.

Biyofizikte, farklı içerikteki iki alan arasında açık bir ayrım vardır - moleküler biyofizik ve hücresel biyofizik. Bu ayrım aynı zamanda örgütsel bir ifade alır: bu iki biyofizik alanının ayrı bölümleri yaratılmaktadır. Moskova Üniversitesi'nde ilk biyofizik bölümü 1953'te Biyoloji ve Toprak Bilimi Fakültesi'nde kuruldu; biraz sonra Fizik Fakültesi'nde Biyofizik Bölümü kuruldu. Diğer birçok üniversitedeki bölümler de aynı doğrultuda örgütlendi.

moleküler biyofizik

Son yıllarda moleküler biyofizik ve moleküler biyoloji arasındaki ilişki giderek güçlendi ve şimdi aralarındaki arayüzün nerede olduğunu belirlemek bazen zor. Kalıtsal bilgi sorununa genel bir saldırıda, biyofizik ile moleküler biyolojinin bu tür bir işbirliği kaçınılmazdır.

Araştırmanın ana yönü, nükleik asitlerin fiziğinin incelenmesidir - DNA ve RNA. Yukarıdaki yöntemlerin kullanımı ve hepsinden önemlisi, X-ışını yapısal analizi, nükleik asitlerin moleküler yapısının deşifre edilmesine katkıda bulunmuştur. Şu anda, bu asitlerin çözeltilerdeki davranışlarını incelemek için yoğun araştırmalar devam etmektedir. Viskozite, optik ve elektrik göstergelerindeki değişikliklerle incelenen "spiral-bobin" konformasyonel geçişlerine özellikle dikkat edilir. Mutajenez mekanizmalarının incelenmesiyle bağlantılı olarak, iyonlaştırıcı radyasyonun çözeltilerdeki nükleik asitlerin davranışı üzerindeki etkisinin yanı sıra radyasyonun virüslerin ve fajların nükleik asitleri üzerindeki etkisini incelemek için çalışmalar geliştirilmektedir. Ultraviyole radyasyonun etkisi, bazı spektral bölgelerinin nükleik asitler tarafından iyi emildiği bilinen kapsamlı bir analize tabi tutuldu. Elektron paramanyetik rezonans yöntemiyle nükleik asitlerin ve proteinlerin aktif radikallerinin saptanması bu tür araştırmalarda büyük bir paya sahiptir. Bu yöntemin kullanımı, tamamen bağımsız bir yönün ortaya çıkmasıyla ilişkilidir.

DNA ve RNA bilgilerinin kodlanması ve protein sentezi sırasında aktarılması sorunu uzun zamandır moleküler biyofiziğin ilgi alanı olmuştur ve fizikçiler bu konuyla ilgili belirli düşünceleri defalarca dile getirmişlerdir (E. Schrödinger, G. Gamow). Genetik kodun deşifre edilmesi, DNA sarmalının yapısı, ipliklerinin kayma ve bükülme mekanizması ve bu süreçlerde yer alan fiziksel kuvvetlerin incelenmesi üzerine çok sayıda teorik ve deneysel çalışmaya neden olmuştur.

Moleküler biyofizik, moleküler biyolojiye, ilk olarak 1930'da J. Bernal tarafından kullanılan X-ışını kırınım analizini kullanarak protein moleküllerinin yapısını incelemede önemli yardım sağlar. Fiziksel yöntemlerin biyokimyasal (enzimatik yöntemler) ile kombinasyon halinde kullanılmasının bir sonucu olarak, bir dizi proteindeki amino asitlerin moleküler yapısı ve dizisi ortaya çıktı.

Hücrelerde ve organellerinde karmaşık zar sistemlerinin varlığını ortaya çıkaran modern elektron mikroskobik çalışmalar, moleküler yapılarını anlama girişimlerini teşvik etti (bkz. Bölüm 10 ve 11). Membranların hayati kimyasal bileşimi ve özellikle lipidlerinin özellikleri araştırılmaktadır. İkincisinin, peroksidasyon ve zincir oksidasyonunun enzimatik olmayan reaksiyonlarına sahip olduğu bulundu (Yu. A. Vladimirov ve F. F. Litvin, 1959; B. N. Tarusov ve diğerleri, 1960; I. I. Ivanov, 1967), bu da membran fonksiyonlarının ihlaline yol açar. . Zarların bileşimini incelemek için matematiksel modelleme yöntemleri de kullanıldı (V. Ts. Presman, 1964 - 1968; M. M. Shemyakin, 1967; Yu. A. Ovchinnikov, 1972).

hücre biyofiziği

Biyofizik tarihinde önemli bir olay, 50'li yıllarda biyolojik süreçlerin termodinamiğinin net bir şekilde anlaşılmasının oluşmasıydı, bunun sonucunda ikinci yasaya rağmen canlı hücrelerde bağımsız enerji üretimi olasılığı hakkındaki varsayımlar ortaya çıktı. termodinamik sonunda ortadan kayboldu. Bu yasanın biyolojik sistemlerde işleyişini anlamak, Belçikalı bilim adamı I. Prigogine (1945) * tarafından dış çevre ile enerji ve madde alışverişi yapan açık sistemler kavramının biyolojik termodinamiğine girmesiyle ilişkilidir. Prigogine, termodinamiğin ikinci yasasına göre çalışma süreçleri sırasında canlı hücrelerde pozitif entropinin oluştuğunu gösterdi. Getirdiği denklemler, gıda ile hücrelere giren serbest enerji (negentropi) miktarının tüketimini telafi ettiği ve pozitif entropinin, durağan durumun (önceden dinamik denge olarak da adlandırılır) ortaya çıktığı koşulları belirledi. türetilmiş. Bu keşif, hücrelerin dış ve iç ortamı arasında ayrılmaz bir bağlantı olduğuna dair genel biyolojik fikri destekledi. Modelleme yöntemi de dahil olmak üzere "canlı" sistemlerin termodinamiğinin gerçek çalışmasının başlangıcını işaret etti (A. Burton, 1939; A. G. Pasynsky, 1967).

* (Açık sistemlerin genel teorisi ilk olarak 1932'de L. Bertalanffy tarafından ortaya atıldı.)

Biyotermodinamiğin temel ilkesine göre, yaşamın varlığı için gerekli bir koşul, uygulanması için sayısız metabolik reaksiyon oranlarını koordine etmenin gerekli olduğu biyokimyasal süreçlerinin gelişiminde durağanlıktır. Yeni biyofiziksel termodinamik temelinde, reaksiyonların bu koordinasyonunu sağlayan ve onu kararlı hale getiren dış ve iç faktörleri ayırt eden bir yön ortaya çıkmıştır. Son yirmi yılda, inhibitörler sisteminin ve özellikle antioksidanların sabit durumunu korumada büyük bir rol ortaya çıkmıştır (BN Tarusov ve AI Zhuravlev, 1954, 1958). Durağan gelişimin güvenilirliğinin, hücre ortamının çevresel faktörleri (sıcaklık) ve fizikokimyasal özellikleri ile ilişkili olduğu bulunmuştur.

Modern biyotermodinamik ilkeleri, adaptasyon mekanizmasının fizikokimyasal bir yorumunu vermeyi mümkün kılmıştır. Verilerimize göre, çevresel koşullara uyum, ancak onları değiştirirken vücut biyokimyasal reaksiyonların gelişiminde durağanlık kurabiliyorsa gerçekleşebilir (BN Tarusov, 1974). Durağan durumu in vivo değerlendirmeyi ve olası ihlallerini tahmin etmeyi mümkün kılacak yeni yöntemlerin geliştirilmesiyle ilgili soru ortaya çıktı. Kendi kendini düzenleyen sistemlerin sibernetik ilkelerinin biyotermodinamikte tanıtılması ve biyolojik adaptasyon süreçlerinin araştırılması büyük faydalar vaat ediyor. Kararlı bir durumun stabilitesi problemini çözmek için, özellikle lipit oksidasyonunun enzimatik olmayan reaksiyonlarını içeren sözde rahatsız edici faktörleri hesaba katmanın önemli olduğu ortaya çıktı. Son zamanlarda, canlı hücrelerin lipid fazlarındaki peroksidasyon süreçleri ve zarların düzenleyici fonksiyonlarını bozan aktif radikal ürünlerin büyümesi üzerine giderek daha fazla çalışma genişlemektedir. Bu süreçler hakkında bilgi kaynağı, hem aktif peroksit radikallerinin hem de biyolipidlerin peroksit bileşiklerinin tespitidir (A. Tappel, 1965; I. I. Ivanov, 1965; EB Burlakova, 1967 ve diğerleri). Radikalleri tespit etmek için, rekombinasyonları sırasında canlı hücrelerin lipidlerinde meydana gelen biyokemolüminesans kullanılır.

Durağan bir durumun stabilitesi hakkındaki fizikokimyasal fikirler temelinde, önleyici antioksidan sistemlerin ihlali olarak bitkilerin çevresel koşullardaki değişikliklere adaptasyonu hakkında biyofiziksel fikirler ortaya çıktı (B.N. Tarusov, Ya.E. Doskoch, B.M. Kitlaev, A.M. Agaverdiev , 1968 - 1972). Bu, dona dayanıklılık ve tuz toleransı gibi özelliklerin değerlendirilmesinin yanı sıra tarım bitkileri yetiştirirken uygun tahminlerde bulunma olasılığını açtı.

50'lerde, süper zayıf ışıldama keşfedildi - spektrumun görünür ve kızılötesi kısımlarındaki bir dizi biyolojik nesnenin biyokemolüminesansı (BN Tarusov, AI Zhuravlev, AI Polivoda). Bu, fotoçoğaltıcı tüpler kullanılarak süper zayıf ışık akılarının kaydedilmesi için yöntemlerin geliştirilmesinin bir sonucu olarak mümkün oldu (L.A. Kubetsky, 1934). Canlı bir hücrede meydana gelen biyokimyasal reaksiyonların bir sonucu olarak, biyokemolüminesans, enzimler arasındaki elektron taşıma zincirlerindeki önemli oksidatif süreçleri yargılamayı mümkün kılar. Biyokemolüminesansın keşfi ve incelenmesi, büyük teorik ve pratik öneme sahiptir. Bu nedenle, BN Tarusov ve Yu.B. Kudryashov, doymamış yağ asitlerinin oksidasyon ürünlerinin, kanserojenez ve diğer normal hücre fonksiyonları bozuklukları sırasında iyonlaştırıcı radyasyonun etkisi altında gelişen patolojik koşulların başlangıcı mekanizmasındaki önemli rolüne dikkat çekiyor.

1950'lerde nükleer fiziğin hızlı gelişimi ile bağlantılı olarak, iyonlaştırıcı radyasyonun biyolojik etkisini inceleyen biyofizikten radyobiyoloji ortaya çıktı. Yapay radyoaktif izotopların üretimi, termonükleer silahların yaratılması, atomik reaktörler ve atom enerjisinin diğer pratik kullanım biçimlerinin geliştirilmesi, organizmaları iyonlaştırıcı radyasyonun zararlı etkilerinden koruma sorununu ve teorik bilimlerin gelişimini acil bir şekilde gündeme getirdi. radyasyon hastalığının önlenmesi ve tedavisi için temeller. Bunu yapmak için, her şeyden önce, hücrenin hangi bileşenlerinin ve metabolik bağlantıların en savunmasız olduğunu bulmak gerekiyordu.

Biyofizik ve radyobiyoloji çalışmasının amacı, radyasyon enerjisinin etkisi altında canlı substratlarda meydana gelen birincil kimyasal reaksiyonların doğasının aydınlatılmasıydı. Burada sadece bu fenomenin mekanizmalarını anlamak değil, aynı zamanda fiziksel enerjiyi kimyasal enerji ile değiştirme sürecini etkileyebilmek, "yararlı" etki katsayısını azaltmak önemliydi. Bu yöndeki çalışmalar, SSCB'de N. N. Semenov (1933) ve İngiltere'de D. Hinshelwood (1935) okulunun çalışmasının temelini attı.

Radyobiyolojik araştırmalarda önemli bir yer, çeşitli organizmaların radyasyon direnci derecesinin incelenmesiyle işgal edilmiştir. Artan radyo-direncinin (örneğin çöl kemirgenlerinin) hücre zarı lipidlerinin yüksek antioksidan aktivitesinden kaynaklandığı bulunmuştur (M. Chang ve diğerleri, 1964; NK Ogryzov ve diğerleri, 1969). Bu sistemlerin antioksidan özelliklerinin oluşmasında tokoferoller, K vitamini ve tiyo bileşiklerinin önemli rol oynadığı ortaya çıkmıştır (II Ivanov ve ark., 1972). Son yıllarda mutajenez mekanizmaları üzerine yapılan çalışmalar da büyük ilgi görmüştür. Bu amaçla, iyonlaştırıcı radyasyonun nükleik asitlerin ve proteinlerin in vitro, ayrıca virüsler ve fajlardaki davranışları üzerindeki etkisi araştırılmaktadır (A. Gustafson, 1945-1950).

Kimyasal korumanın etkinliğini daha da artırma mücadelesi, daha etkili inhibitörler ve inhibisyon ilkeleri arayışı, bu yönde biyofiziğin ana görevleri olmaya devam etmektedir.

Yüksek kimyasal aktivitelerini belirleyen biyopolimerlerin uyarılmış durumlarının incelenmesi ilerlemiştir. En başarılı olanı, fotobiyolojik süreçlerin - fotosentez ve görme - birincil aşamasında ortaya çıkan heyecanlı durumların incelenmesiydi.

Böylece, bitki pigment sistemlerinin moleküllerinin birincil aktivasyonunun anlaşılmasına önemli bir katkı yapılmıştır. Aktive edilmiş pigmentlerden diğer substratlara kayıp olmadan uyarılmış hallerin enerjisinin transferinin (göçünün) büyük değeri belirlenmiştir. A. N. Terenin'in (1947 ve sonrası) teorik çalışmaları bu fikirlerin gelişmesinde önemli bir rol oynamıştır. AA Krasnovsky (1949), klorofil ve analoglarının tersinir fotokimyasal indirgenmesinin reaksiyonunu keşfetti ve araştırdı. Artık yakın gelecekte yapay koşullarda fotosentezin yeniden üretilmesinin mümkün olacağına dair genel bir inanç var (ayrıca bkz. Bölüm 5).

Biyofizikçiler, kas kasılmasının doğasını ve sinir uyarımı ve iletim mekanizmalarını ortaya çıkarmak için çalışmaya devam ediyor (bkz. Bölüm 11). Uyarılmış bir durumdan normal bir duruma geçiş mekanizmalarına ilişkin çalışmalar da güncel bir önem kazanmıştır. Şimdi uyarılmış bir durum, bir otokatalitik reaksiyonun bir sonucu olarak kabul edilir ve inhibisyon, tokoferol gibi bileşiklerdeki moleküler yeniden düzenlemelerin bir sonucu olarak inhibitör antioksidan aktivitenin keskin bir mobilizasyonunun bir sonucudur (I.I. Ivanov, O.R. Kols, 1966; O.R. Kols, 1970).

Biyofiziğin en önemli genel sorunu, canlı maddenin niteliksel fiziksel ve kimyasal özelliklerinin bilgisi olmaya devam etmektedir. Canlı biyopolimerlerin potasyumu seçici olarak bağlama veya elektrik akımını polarize etme yeteneği gibi özellikler, vücuttan en dikkatli şekilde uzaklaştırılsa bile korunamaz. Bu nedenle, hücre biyofiziği, canlı maddenin in vivo çalışması için yoğun bir şekilde kriterler ve yöntemler geliştirmeye devam ediyor.

Moleküler biyolojinin gençliğine rağmen, bu alanda elde ettiği başarılar gerçekten çarpıcı. Nispeten kısa bir süre içinde, genin doğası ve organizasyonu, üremesi ve işleyişinin temel ilkeleri oluşturulmuştur. Ayrıca, genlerin yalnızca in vitro üremesi gerçekleştirilmekle kalmamış, aynı zamanda ilk kez genin kendisinin tam sentezi de tamamlanmıştır. Genetik kod tamamen deşifre edildi ve protein biyosentezinin özgüllüğü gibi en önemli biyolojik sorun çözüldü. Hücrede protein oluşumunun ana yolları ve mekanizmaları tanımlanmış ve araştırılmıştır. Birçok taşıyıcı RNA'nın birincil yapısı - nükleik matrislerin dilini sentezlenen proteinin amino asit dizisinin diline çeviren spesifik adaptör molekülleri - tam olarak belirlenmiştir. Birçok proteinin amino asit dizisi tamamen deşifre edilmiş ve bazılarının uzamsal yapısı oluşturulmuştur. Bu, enzim moleküllerinin işleyişinin ilkesini ve ayrıntılarını netleştirmeyi mümkün kıldı. Enzimlerden biri olan ribonükleazın kimyasal sentezi gerçekleştirilmiştir. Çeşitli hücre altı parçacıkların, birçok virüsün ve fajın organizasyonunun temel ilkeleri belirlendi ve hücredeki biyogenezlerinin ana yolları çözüldü. Gen aktivitesini düzenleme yollarını anlamaya ve hayati aktivitenin düzenleyici mekanizmalarını aydınlatmaya yönelik yaklaşımlar açıklanmıştır. Zaten basit bir liste bu keşiflerin XX yüzyılın ikinci yarısında olduğunu gösteriyor. Biyolojideki muazzam ilerleme, öncelikle biyolojik olarak önemli makromoleküllerin - nükleik asitler ve proteinlerin yapısı ve işlevlerinin derinlemesine incelenmesinden kaynaklanmaktadır.

Moleküler biyolojinin başarıları halihazırda pratikte kullanılmaktadır ve tıpta, tarımda ve bazı endüstrilerde somut sonuçlar vermektedir. Hiç şüphe yok ki bu bilimin etkisi her geçen gün artacaktır. Ancak yine de göz önünde bulundurulması gereken asıl sonuç, moleküler biyolojinin başarılarının da etkisiyle, yaşamın en mahrem sırlarını ortaya çıkarma yolunda sınırsız olanakların varlığına duyulan güvenin güçlendiğidir.

Gelecekte, görünüşe göre, maddenin biyolojik hareket biçimini incelemenin yeni yolları keşfedilecek - biyoloji moleküler seviyeden atomik seviyeye geçecek. Bununla birlikte, belki de, önümüzdeki 20 yıl için bile moleküler biyolojinin gelişimini gerçekçi bir şekilde tahmin edebilecek tek bir araştırmacı yok.

Moleküler Biyoloji / m ə benɛ NSJʊ benər / DNA, RNA, proteinler ve bunların biyosentezleri arasındaki etkileşimler ve bu etkileşimlerin düzenlenmesi dahil olmak üzere çeşitli hücre sistemlerindeki biyomoleküller arasındaki biyolojik aktivitenin moleküler temeli ile ilgilenen bir biyoloji dalıdır. Kayıt Doğa 1961'de Astbury moleküler biyolojiyi şöyle tanımladı:

Bir yaklaşım olarak bir teknik değil, ilgili moleküler plan için klasik biyolojinin büyük ölçekli tezahürlerini aramanın önde gelen fikriyle sözde temel bilimler açısından bir yaklaşım. Özellikle şunlarla ilgilenmektedir: formlar biyolojik moleküller ve [...] ağırlıklı olarak üç boyutlu ve yapısal - bu, bunun sadece morfolojinin bir iyileştirmesi olduğu anlamına gelmez. Aynı zamanda oluşumu ve işlevi keşfetmesi gerekir.

Diğer biyolojik bilimlerle ilişkisi

Moleküler biyoloji alanındaki araştırmacılar, moleküler biyolojiyi aşmak için özel yöntemler kullanıyorlar, ancak giderek daha fazla bunları genetik ve biyokimyadan gelen yöntem ve fikirlerle birleştiriyorlar. Bu disiplinler arasında kesin bir çizgi yoktur. Bu, alanlar arasındaki olası bir ilişki türünü gösteren aşağıdaki şemada gösterilmektedir:

• biyokimya canlı organizmalarda meydana gelen kimyasalların ve yaşamsal süreçlerin incelenmesidir. Biyokimyacılar, biyomoleküllerin rolü, işlevi ve yapısına odaklanmayı zor buluyor. Biyolojik süreçlerin arkasındaki kimya çalışması ve biyolojik olarak aktif moleküllerin sentezi biyokimya örnekleridir.
• Genetik organizmalardaki genetik farklılıkların etkisinin incelenmesidir. Genellikle normal bir bileşenin (örneğin bir gen) yokluğundan çıkarılabilir. "Mutantlar" çalışması - "vahşi tip" veya normal fenotip ile ilgili olarak bir veya daha fazla işlevsel bileşene sahip organizmalar. Genetik etkileşimler (epistasis) genellikle bu tür "nakavt" çalışmaların basit yorumlarını karıştırır.
• Moleküler Biyoloji replikasyon, transkripsiyon, translasyon ve hücre fonksiyonu süreçlerinin moleküler temelinin incelenmesidir. Genetik materyalin RNA'ya kopyalandığı ve daha sonra proteine ​​çevrildiği moleküler biyolojinin merkezi dogması, aşırı basitleştirilmesine rağmen, alanı anlamak için hala iyi bir başlangıç ​​noktası sağlar. Resim, RNA için ortaya çıkan yeni roller ışığında yeniden tanımlanmıştır.

Moleküler biyoloji yöntemleri

moleküler klonlama

Protein fonksiyonunu incelemek için en temel moleküler biyoloji tekniklerinden biri moleküler klonlamadır. Bu teknikte, ilgilenilen bir proteini kodlayan DNA, bir plazmit (ifade vektörü) içinde polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) ve/veya kısıtlama enzimleri ile klonlanır. Vektörün 3 ayırt edici özelliği vardır: bir replikasyon orijini, bir çoklu klonlama bölgesi (MCS) ve genellikle antibiyotiğe dirençli seçilebilir bir işaretçi. Yukarı akış çoklu klonlama siteleri, klonlanmış genin ekspresyonunu düzenleyen promotör bölgeler ve transkripsiyonel başlatma bölgeleridir. Bu plazmit, bakteri veya hayvan hücrelerine yerleştirilebilir. DNA'nın bakteri hücrelerine katılması, çıplak DNA alımı kullanılarak transformasyon, hücre-hücre temasları kullanılarak konjugasyon veya bir viral vektör kullanılarak transdüksiyon yoluyla yapılabilir. DNA'nın hayvan hücreleri gibi ökaryotik hücrelere fiziksel veya kimyasal yollarla katılmasına transfeksiyon denir. Kalsiyum fosfat transfeksiyonu, elektroporasyon, mikroenjeksiyon ve lipozomal transfeksiyon gibi birkaç farklı transfeksiyon yöntemi mevcuttur. Plazmit genoma entegre edilebilir, bu da stabil transfeksiyonla sonuçlanır veya geçici transfeksiyon olarak adlandırılan genomdan bağımsız kalabilir.

İlgilenilen DNA kodlayan proteinler artık hücrenin içindedir ve proteinler artık ifade edilebilir. İndüklenebilir promotörler ve spesifik hücresel sinyal faktörleri gibi çeşitli sistemler, protein ilgisinin yüksek seviyelerde ifade edilmesine yardımcı olur. Daha sonra bakteriyel veya ökaryotik hücreden büyük miktarlarda protein geri kazanılabilir. Bir protein, çeşitli durumlarda enzimatik aktivite için test edilebilir, protein kristalleştirilebilir, böylece üçüncül yapısı incelenebilir veya farmasötik endüstrisinde, proteine ​​karşı yeni ilaçların aktivitesi araştırılabilir.

Polimeraz zincirleme reaksiyonu

Makromolekül lekeleme ve araştırma

Şartlar kuzey , Batı ve Oryantal lekeleme, başlangıçta moleküler biyoloji olandan, terimde oynanan bir şakayı alır. güney ağı BLOTTED DNA hibridizasyonu için Edwin Southern tarafından açıklanan prosedürü takip ederek. Patricia Thomas, daha sonra RNA blotlamanın geliştiricisi olarak tanındı. kuzey - lekeleme, gerçekten bu terimi kullanmayın.

Güney lekelenmesi

Adını mucidi biyolog Edwin South'tan alan Southern blot, bir DNA örneğinde belirli bir DNA dizisinin varlığını incelemek için kullanılan bir yöntemdir. Kısıtlama enzimi (kısıtlama enzimi) sindirimlerinden önce veya sonra DNA örnekleri jel elektroforezi ile ayrıldı ve ardından kılcal etki kullanılarak blotlama yoluyla membrana aktarıldı. Zar daha sonra, ilgili DNA'dakine tamamlayıcı bir baz dizisine sahip olan etiketli bir DNA probuna maruz bırakılır. Southern lekeleme, PCR gibi diğer yöntemlerin DNA örneklerinden spesifik DNA dizilerini tespit etme yeteneği nedeniyle bilimsel laboratuvarda daha az kullanılır. Bununla birlikte, bu lekeler, transgenik farelerde bir transgen kopya sayısının ölçülmesi veya nakavt embriyonik kök hücre hatlarının gen mühendisliği gibi bazı uygulamalar için hala kullanılmaktadır.

kuzey lekeleme

Kuzey leke grafiği

Doğu lekeleme

Moleküler biyolojiden kaynaklanan klinik araştırmalar ve tıbbi tedaviler kısmen gen tedavisi kapsamındadır. Moleküler biyoloji veya moleküler hücre biyolojisi yaklaşımlarının tıpta uygulanması artık moleküler tıp olarak adlandırılmaktadır. Moleküler biyoloji, yeni ilaçları etkili bir şekilde hedeflemek, hastalıkları teşhis etmek ve hücre fizyolojisini anlamak için kullanılabilen hücrelerin çeşitli bölümlerinin oluşumunu, eylemlerini ve düzenlemelerini anlamada da önemli bir rol oynar.

daha fazla okuma

• Cohen, SN, Chang, NKD, Boyer, H. & Heling, RB Biyolojik Olarak Fonksiyonel Bakteriyel Plazmitlerin İnşası laboratuvar ortamında .