Молекулярлық биология нені зерттейді. Мамандығы молекулярлық биолог. Нуклеин қышқылдарының генетикалық рөлін анықтау

Нуклеин қышқылдары мен ақуыз биосинтезін зерттеудегі жетістіктер медицинада, ауыл шаруашылығында және басқа да бірқатар салаларда практикалық маңызы зор бірқатар әдістерді жасауға мүмкіндік берді.

Генетикалық кодты және тұқым қуалайтын ақпаратты сақтау мен жүзеге асырудың негізгі принциптерін зерттегеннен кейін молекулалық биологияның дамуы тоқтап қалды, өйткені гендермен манипуляциялауға, оларды оқшаулауға және өзгертуге мүмкіндік беретін әдістер болмаған. Бұл әдістердің пайда болуы 1970-1980 жылдары болды. Бұл ғылымның бүгінгі күнге дейін өркендеп келе жатқан саласының дамуына қуатты серпін берді. Ең алдымен, бұл әдістер жеке гендерді алуға және оларды басқа организмдердің жасушаларына енгізуге (молекулярлық клондау және трансгенез, ПТР), сондай-ақ гендердегі нуклеотидтер тізбегін анықтау әдістеріне (ДНҚ және РНҚ секвенциясы) қатысты. Бұл әдістер төменде толығырақ қарастырылады. Біз ең қарапайым негізгі әдіс электрофорезден бастаймыз, содан кейін күрделі әдістерге көшеміз.

ДНҚ ЭЛЕКТРОФОРЕЗІ

Бұл ДНҚ-мен жұмыс істеудің негізгі әдісі, ол қажетті молекулаларды оқшаулау және нәтижелерді талдау үшін барлық дерлік әдістермен бірге қолданылады. Гель электрофорезі ДНҚ фрагменттерін ұзындығы бойынша бөлу үшін қолданылады. ДНҚ – қышқыл, оның молекулаларында протонды бөліп, теріс заряд алатын фосфор қышқылының қалдықтары болады (1-сурет).

Сондықтан электр өрісінде ДНҚ молекулалары анодқа – оң зарядталған электродқа қарай жылжиды. Бұл заряд тасымалдаушы иондары бар электролит ерітіндісінде болады, соның арқасында бұл ерітінді ток өткізеді. Фрагменттерді бөлу үшін полимерлерден (агароза немесе полиакриламид) жасалған тығыз гель қолданылады. ДНҚ молекулалары оған неғұрлым көп болса, соғұрлым ұзағырақ болады, сондықтан ең ұзын молекулалар ең баяу, ал ең қысқасы - ең жылдам қозғалады (2-сурет). Электрофорезге дейін немесе одан кейін гель ДНҚ-мен байланысатын және ультракүлгін сәуледе флуоресцентті бояғыштармен өңделеді және гельдегі жолақтардың үлгісі алынады (3-суретті қараңыз). Үлгідегі ДНҚ фрагменттерінің ұзындықтарын анықтау үшін оларды маркермен салыстырады, яғни бір гельге параллель орналасқан стандартты ұзындықтағы фрагменттердің жиынтығы (4-сурет).

ДНҚ-мен жұмыс істеудің ең маңызды құралдары тірі жасушаларда ДНҚ трансформациясын жүзеге асыратын ферменттер: ДНҚ полимеразалары, ДНҚ лигазалары және рестриктаза эндонуклеазалары немесе рестриктазалар. ДНҚ полимеразаДНҚ шаблонының синтезі жүзеге асырылады, бұл ДНҚ пробиркада таралуына мүмкіндік береді. ДНҚ лигазаларыДНҚ молекулаларын біріктіріңіз немесе олардағы бос жерлерді емдеңіз. Рестрикциялық эндонуклеазалар, немесе шектейді, ДНҚ молекулаларын қатаң анықталған реттілік бойынша кесіңіз, бұл ДНҚ-ның жалпы массасынан жеке фрагменттерді кесіп алуға мүмкіндік береді. Бұл фрагменттерде кейбір жағдайларда жеке гендер болуы мүмкін.

шектейді

Рестриктазалармен танылған тізбектер симметриялы және үзілістер мұндай тізбектің ортасында немесе ығысуымен (ДНҚ-ның екі тізбегінде бір жерде) болуы мүмкін. Іс-әрекет схемасы әртүрлі түрлерішектеу суретте көрсетілген. 1. Бірінші жағдайда «доғал» деп аталатын ұштар алынады, ал екіншісінде - «жабысқақ» ұштар. Түбінің «жабысқақ» ұштары болған жағдайда, тізбек екіншісіне қарағанда қысқа, қалыптасқан екі ұшында бірдей симметриялы дәйектілікпен бір жіпті бөлім қалыптасады.

Кез келген ДНҚ берілген рестриктеуші ферментпен үзілгенде соңғы реттілік бірдей болады және оларда комплементарлы тізбектері болғандықтан қайта қосылуға болады. Бір молекуланы құру үшін оларды ДНҚ лигазасымен байланыстыруға болады. Осылайша, екі түрлі ДНҚ фрагменттерін біріктіріп, деп аталатынды алуға болады рекомбинантты ДНҚ. Бұл тәсіл молекулалық клондау әдісінде қолданылады, бұл жеке гендерді алуға және оларды генде кодталған ақуызды құра алатын жасушаларға енгізуге мүмкіндік береді.

молекулалық клондау

Молекулярлық клондау екі ДНҚ молекуласын пайдаланады - қызығушылық гені бар кірістіру және векторы- Тасымалдаушы қызметін атқаратын ДНҚ. Кірістіру ферменттердің көмегімен векторға «тігіледі», жаңа, рекомбинантты ДНҚ молекуласын алады, содан кейін бұл молекула иесі жасушаларға енгізіледі және бұл жасушалар қоректік ортада колониялар түзеді. Колония - бұл бір жасушаның ұрпағы, яғни клон, колонияның барлық жасушалары генетикалық жағынан бірдей және бірдей рекомбинантты ДНҚ-ны қамтиды. Осыдан «молекулярлық клондау» термині пайда болды, яғни бізді қызықтыратын ДНҚ фрагменті бар жасушалардың клонын алу. Бізді қызықтыратын кірістіру бар колониялар алынғаннан кейін, бұл кірістіруді әртүрлі әдістермен сипаттауға болады, мысалы, оның нақты ретін анықтау. Жасушалар, егер құрамында функционалды ген болса, кірістіру арқылы кодталған ақуызды да жасай алады.

Жасушаларға рекомбинантты молекула енгізілгенде, бұл жасушалардың генетикалық трансформациясы жүреді. Трансформация- организм жасушасының қоршаған ортадан бос ДНҚ молекуласын сіңіру және оның геномға бірігу процесі, бұл мұндай жасушада ДНҚ доноры-ағзаға тән жаңа тұқым қуалайтын белгілердің пайда болуына әкеледі. . Мысалы, егер енгізілген молекулада антибиотикалық ампициллинге төзімділік гені болса, онда трансформацияланған бактериялар оның қатысуымен өседі. Трансформация алдында олардың өліміне ампициллин себеп болды, яғни трансформацияланған жасушаларда жаңа белгі пайда болады.

ВЕКТОРЛАР

Вектор бірқатар қасиеттерге ие болуы керек:

Біріншіден, бұл оңай басқаруға болатын салыстырмалы түрде шағын ДНҚ молекуласы.

Екіншіден, ДНҚ жасушада сақталуы және көбеюі үшін оның репликациясын қамтамасыз ететін белгілі бір реттілік болуы керек (репликацияның бастауы немесе репликацияның бастауы).

Үшіншіден, оның құрамында болуы керек маркер гені, бұл вектор енгізілген ұяшықтарды ғана таңдауды қамтамасыз етеді. Әдетте бұл антибиотиктерге төзімділік гендер - содан кейін антибиотиктің қатысуымен векторы жоқ барлық жасушалар өледі.

Гендерді клондау көбінесе бактериялық жасушаларда жүзеге асырылады, өйткені оларды өсіру оңай және тез көбейеді. Бактерия жасушасында әдетте бактериялар үшін қажетті барлық гендер – бактерия хромосомасынан тұратын ұзындығы бірнеше миллион жұп негізді құрайтын бір үлкен дөңгелек ДНҚ молекуласы болады. Оған қоса, кейбір бактерияларда шағын (бірнеше мың негізгі жұп) дөңгелек ДНҚ бар, деп аталады плазмидалар(Cурет 2). Оларда негізгі ДНҚ сияқты ДНҚ-ның репликациялану (ори) қабілетін қамтамасыз ететін нуклеотидтер тізбегі болады. Плазмидалар негізгі (хромосомалық) ДНҚ-ға тәуелсіз репликацияланады, сондықтан олар жасушада көптеген көшірмелерде болады. Бұл плазмидалардың көпшілігі антибиотиктерге төзімділік гендерін тасымалдайды, бұл плазмидті тасымалдаушы жасушаларды қалыпты жасушалардан ажыратуға мүмкіндік береді. Көбінесе тетрациклин және амициллин сияқты екі антибиотикке төзімділік беретін екі гені бар плазмидалар қолданылады. Бар қарапайым әдістербактерияның негізгі хромосомасының ДНҚ-сынан бос осындай плазмидті ДНҚ-ны бөліп алу.

ТРАНГЕНЕЗДІҢ МАҢЫЗЫ

Гендердің бір организмнен екіншісіне ауысуы деп аталады трансгенез, және осындай өзгертілген организмдер - трансгендік. Микробтық жасушаларға генді тасымалдау әдісі медицинаға арналған рекомбинантты ақуыз препараттарын алу үшін қолданылады, атап айтқанда, иммундық қабылдамауды тудырмайтын адам белоктары - интерферондар, инсулин және басқа ақуыздық гормондар, жасушалардың өсу факторлары, сондай-ақ протеиндерді өндіруге арналған ақуыздар. вакциналар. Күрделі жағдайларда, ақуызды модификациялау тек эукариот жасушаларында дұрыс жүргізілгенде, трансгенді жасуша дақылдары немесе трансгенді жануарлар, атап айтқанда, сүтке қажетті ақуыздарды бөлетін малдар (ең алдымен ешкілер) қолданылады немесе олардың қанынан ақуыздар бөлінеді. . Осылайша антиденелер, қанның ұю факторлары және басқа белоктар алынады. трансгенез арқылы алынған мәдени өсімдіктергербицидтер мен зиянкестерге төзімді және басқа да пайдалы қасиеттері бар. Ағынды суларды тазарту және ластанумен күресу үшін трансгенді микроорганизмдерді қолдану арқылы тіпті мұнайды ыдырататын трансгенді микробтар да бар. Сонымен қатар, трансгендік технологиялар өте қажет ғылыми зерттеулер- бүгінгі күні биологияның дамуын модификациялау және генді тасымалдау әдістерін күнделікті қолданусыз елестету мүмкін емес.

молекулалық клондау технологиясы

кірістірулер

Кез келген организмнен жеке генді алу үшін одан барлық хромосомалық ДНҚ бөлініп, бір немесе екі рестриктазамен ыдырайды. Ферменттер бізді қызықтыратын генді кесіп тастамай, оның жиектерінде үзіліс жасайтындай етіп таңдалады, ал плазмидтік ДНҚ-да төзімділік гендерінің бірінде, мысалы, ампициллинге бір үзіліс жасайды.

Молекулярлық клондау процесі келесі қадамдарды қамтиды:

Кесу және тігу – кірістіру мен вектордан бір рекомбинантты молекуланы құру.

Трансформация – рекомбинантты молекуланың жасушаларға енуі.

Таңдау – кірістірумен векторды алған ұяшықтарды таңдау.

кесу және тігу

Плазмидтік ДНҚ-ны бірдей рестриктазалармен өңдейді және плазмидаға 1 үзіліс енгізетін мұндай рестриктаза таңдалса, ол сызықты молекулаға айналады. Нәтижесінде барлық ДНҚ фрагменттерінің ұштарында бірдей жабысқақ ұштар пайда болады. Температура төмендеген сайын бұл ұштар кездейсоқ қосылып, ДНҚ лигазасымен байланады (3-суретті қараңыз).

Әртүрлі құрамдағы дөңгелек ДНҚ қоспасы алынады: олардың кейбіреулерінде бактериялық ДНҚ-мен байланысқан хромосомалық ДНҚ-ның белгілі бір ДНҚ тізбегі болады, басқаларында біріктірілген хромосомалық ДНҚ фрагменттері болады, ал басқаларында тотықсызданған шеңберлі плазмида немесе оның димері болады. (Cурет 4).

түрлендіру

Әрі қарай, бұл қоспасы жүзеге асырылады генетикалық трансформацияплазмидалары жоқ бактериялар. Трансформация- организм жасушасының қоршаған ортадан бос ДНҚ молекуласын сіңіру және оның геномға бірігу процесі, бұл мұндай жасушада ДНҚ доноры-ағзаға тән жаңа тұқым қуалайтын белгілердің пайда болуына әкеледі. . Әрбір жасушаға бір ғана плазмида еніп, көбейе алады. Мұндай жасушалар антибиотик тетрациклині бар қатты қоректік ортаға орналастырылады. Плазмиданы алмаған жасушалар бұл ортада өспейді, ал плазмиданы тасымалдайтын жасушалар колониялар түзеді, олардың әрқайсысында тек бір жасушаның ұрпақтары болады, т.б. колониядағы барлық жасушалар бірдей плазмиданы тасымалдайды (5-суретті қараңыз).

Таңдау

Келесі тапсырма кірістіруі бар вектор енгізілген ұяшықтарды ғана оқшаулау және оларды кірістірусіз тек векторды тасымалдайтын немесе мүлде тасымалдамайтын ұяшықтардан ажырату болып табылады. Бұл дұрыс ұяшықтарды таңдау процесі деп аталады таңдау. Ол үшін өтініш беріңіз селективті маркерлер- әдетте вектордағы антибиотиктерге төзімділік гендер, және таңдаулы ақпарат құралдарықұрамында антибиотиктер немесе басқа селективті заттар бар.

Біз қарастырып отырған мысалда ампициллиннің қатысуымен өсірілген колониялардың жасушалары екі ортада субкультураланады: біріншісінде ампициллин, екіншісінде тетрациклин бар. Құрамында тек плазмидасы бар колониялар екі ортада да өседі, ал плазмидаларда енгізілген хромосомалық ДНҚ бар колониялар тетрациклин бар ортада өспейді (5-сурет). Олардың ішінде бізді қызықтыратын гені барлары арнайы әдістермен таңдалып, жеткілікті мөлшерде өсіріліп, плазмидтік ДНҚ бөлініп алынады. Одан рекомбинантты ДНҚ алу үшін қолданылған рестритазаларды қолдана отырып, қызығушылық тудыратын жеке ген кесіледі. Бұл геннің ДНҚ-сы нуклеотидтердің реттілігін анықтауға, жаңа қасиеттерді алу үшін кез келген ағзаға енгізуге немесе қажетті ақуызды синтездеуге болады. Бұл генді оқшаулау әдісі деп аталады молекулалық клондау.

ФЛЮРЕСЦЕНТТЫ БЕЛГІЛЕР

Флуоресцентті белоктарды эукариотты организмдерді зерттеуде маркер гендер ретінде қолдану өте ыңғайлы. Бірінші флуоресцентті ақуыздың гені, жасыл флуоресцентті ақуыз (GFP) Aqeuorea victoria медузасынан бөлініп, әртүрлі модельдік организмдерге енгізілді (6-суретті қараңыз) 2008 жылы О.Шимомура, М.Чалфи және Р.Циен осы ақуызды ашқаны және қолданғаны үшін Нобель сыйлығын алды.

Содан кейін басқа флуоресцентті ақуыздардың гендері - қызыл, көк, сары - оқшауланған. Бұл гендер қажетті қасиеттері бар белоктарды алу үшін жасанды түрде өзгертілген. Флуоресцентті ақуыздардың әртүрлілігі күріш. 7, әртүрлі флуоресцентті ақуыздарға арналған гендер бар бактериялары бар Петри табақшасын көрсетеді.

флуоресцентті ақуыздарды қолдану

Флуоресцентті протеин гені кез келген басқа ақуыздың генімен біріктірілуі мүмкін, содан кейін трансляция кезінде бір белок түзіледі - трансляциялық синтез ақуызы немесе синтезфлуоресценциялайтын (біріктіру ақуызы). Осылайша, мысалы, жасушадағы қызығушылық тудыратын кез келген ақуыздардың локализациясын (орналасқан жерін), олардың қозғалысын зерттеуге болады. Флуоресцентті ақуыздарды тек белгілі бір жасуша түрлерінде экспрессиялау арқылы осы түрлердің жасушаларын таңбалауға болады көп жасушалы организм(8-суретті қараңыз - тінтуірдің миы, онда жеке нейрондар флуоресцентті ақуыз гендерінің белгілі бір тіркесіміне байланысты әртүрлі түстерге ие). Флуоресцентті протеиндер қазіргі молекулалық биологияда таптырмас құрал болып табылады.

ПТР

Гендерді алудың тағы бір әдісі деп аталады полимеразды тізбекті реакция (ПТР). Ол ДНҚ репликациясы кезінде жасушаларда болатындай ДНҚ полимеразаларының комплементарлы тізбек бойымен ДНҚ-ның екінші тізбегін аяқтау қабілетіне негізделген.

Бұл әдістегі репликацияның шығу тегі деп аталатын ДНҚ-ның екі кішкентай бөлігімен беріледі тұқымдар,немесе праймерлер. Бұл праймерлер ДНҚ-ның екі тізбегіндегі қызығушылық генінің ұштарын толықтырады. Біріншіден, ген бөлініп алынатын хромосомалық ДНҚ тұқымдармен араласады және 99 ° C дейін қызады. Бұл сутегі байланыстарының үзілуіне және ДНҚ жіптерінің ажырауына әкеледі. Осыдан кейін температура шамамен 50-70 С дейін төмендетіледі (тұқымдардың ұзындығы мен дәйектілігіне байланысты). Бұл жағдайда праймерлер хромосомалық ДНҚ-ның комплементарлы аймақтарына бекітіліп, қалыпты қос спираль түзеді (9-суретті қараңыз). Осыдан кейін ДНҚ синтезіне қажетті барлық төрт нуклеотид пен ДНҚ полимеразасының қоспасы қосылады. Фермент праймерлердің қосылу нүктесінен қос тізбекті ДНҚ құру арқылы праймерлерді ұзартады, яғни. геннің ұштарынан бір тізбекті хромосома молекуласының соңына дейін.

Егер қоспаны енді қайтадан қыздырса, хромосомалық және жаңадан синтезделген тізбектер таралады. Салқындағаннан кейін тұқымдар қайтадан оларға қосылады, олар көп мөлшерде қабылданады (10-суретті қараңыз).

Жаңадан синтезделген тізбектерде олар бірінші синтез басталған соңына дейін емес, керісінше, ДНҚ тізбектері антипараллель болғандықтан қосылады. Сондықтан синтездің екінші циклінде мұндай тізбектерде тек генге сәйкес келетін тізбек аяқталады (11-суретті қараңыз).

Бұл әдісте қайнауға шыдайтын және 70-80°С температурада жұмыс істейтін термофильді бактериялардың ДНҚ-полимеразасы қолданылады, оны әр уақытта қосудың қажеті жоқ, бірақ тәжірибенің басында оны қосу жеткілікті. Қыздыру және салқындату процедураларын бір реттілікпен қайталай отырып, біз әрбір циклдегі реттілік санын екі есе көбейте аламыз, екі ұшында енгізілген тұқымдармен шектелген (12-суретті қараңыз).

Мұндай 25-ке жуық циклден кейін геннің көшірмелерінің саны миллионнан астам есе артады. Мұндай шамаларды пробиркаға енгізілген хромосомалық ДНҚ-дан оңай бөліп алып, әртүрлі мақсатта қолдануға болады.

ДНҚ секвенциясы

Тағы бір маңызды жетістік - ДНҚ-дағы нуклеотидтердің реттілігін анықтау әдістерінің дамуы - ДНҚ секвенциясы(ағылшын тілінен sequence - sequence). Ол үшін сипатталған әдістердің бірін қолдана отырып, басқа ДНҚ-дан таза гендерді алу қажет. Содан кейін ДНҚ тізбектері қыздыру арқылы бөлінеді және оларға радиоактивті фосфор немесе флуоресцентті таңбамен белгіленген праймер қосылады. Бір тізбекті толықтыратын бір тұқым алынғанын ескеріңіз. Содан кейін ДНҚ полимераза және 4 нуклеотид қоспасы қосылады. Мұндай қоспаны 4 бөлікке бөліп, әрқайсысына нуклеотидтердің біреуін қосып, дезоксирибозаның үшінші атомында гидроксил тобы болмайтындай етіп өзгертеді. Егер мұндай нуклеотид синтезделген ДНҚ тізбегіне кірсе, онда оның ұзаруы жалғаса алмайды, өйткені полимеразаның келесі нуклеотидті қосатын жері болмайды. Сондықтан мұндай нуклеотидті қосқаннан кейін ДНҚ синтезі үзіледі. Дидеоксинуклеотидтер деп аталатын бұл нуклеотидтер әдеттегіден әлдеқайда аз қосылады, сондықтан тізбектің аяқталуы тек анда-санда және әр тізбекте әртүрлі жерлерде болады. Нәтижесінде әрқайсысының соңында бірдей нуклеотиді бар әртүрлі ұзындықтағы тізбектердің қоспасы пайда болады. Осылайша, тізбектің ұзындығы зерттелген тізбектегі нуклеотидтер санына сәйкес келеді, мысалы, егер бізде аденилдидеоксинуклеотид болса және алынған тізбектердің ұзындығы 2, 7 және 12 нуклеотидтер болса, онда аденин екінші, жетінші және он екінші позицияларда болды. ген. Алынған тізбектердің қоспасын электрофорез көмегімен өлшемі бойынша оңай бөлуге болады, ал синтезделген тізбектерді рентгендік пленкадағы радиоактивтілік арқылы анықтауға болады (10-суретті қараңыз).

Суреттің төменгі жағында радиоавтограф деп аталатын сурет шығады. Оны төменнен жоғары қарай жылжытып, әр аймақтың бағандарының үстіндегі әріпті оқи отырып, біз қолтаңбаның оң жағындағы суретте көрсетілген нуклеотидтер тізбегін аламыз. Синтезді дидеоксинуклеотидтер ғана емес, сонымен қатар қанттың үшінші позициясына қандай да бір химиялық топ, мысалы, флуоресцентті бояғышты қосатын нуклеотидтер де тоқтатады. Егер әрбір нуклеотид өз бояуымен таңбаланса, онда синтезделген тізбектерді бөлу арқылы алынған аймақтар басқа жарықпен жарқырайды. Бұл барлық нуклеотидтер үшін бір пробиркада реакцияны бір уақытта жүргізуге және алынған тізбектерді ұзындығы бойынша бөлу арқылы нуклеотидтерді түсі бойынша анықтауға мүмкіндік береді (11-суретті қараңыз).

Мұндай әдістер жеке гендердің ретін анықтауға ғана емес, сонымен бірге тұтас геномдарды оқуға мүмкіндік берді. Қазіргі уақытта гендердегі нуклеотидтер тізбегін анықтаудың одан да жылдам әдістері жасалды. Егер бірінші адам геномын үлкен халықаралық консорциум бірінші берілген әдіспен 12 жылда, екіншісі екіншісін пайдаланып үш жылда шифрласа, енді мұны бір айда жасауға болады. Бұл адамның көптеген ауруларға бейімділігін болжауға және оларды болдырмау үшін алдын ала шаралар қабылдауға мүмкіндік береді.

ХХ ғасырдың 40-жылдарының басында биохимия, биофизика, генетика, цитохимия, микробиология мен вирусологияның көптеген бөлімдерінің дамуы. тіршілік құбылыстарын молекулалық деңгейде зерттеуге тығыз әкелді. Бұл ғылымдардың бір мезгілде және әртүрлі жақтан қол жеткізген табыстары дененің негізгі басқару жүйелері молекулалық деңгейде жұмыс істейтінін және осы ғылымдардың одан әрі прогресінің ашылуына байланысты болатынын түсінуге әкелді. биологиялық функцияларорганизмдердің денелерін құрайтын молекулалар, олардың синтезі мен ыдырауына қатысуы, жасушадағы қосылыстардың өзара түрленуі мен көбеюі, сондай-ақ осы жағдайда болатын энергия мен ақпарат алмасу. Осылайша, осы биологиялық пәндердің химия және физикамен түйіскен жерінде мүлдем жаңа сала – молекулалық биология пайда болды.

Биохимиядан айырмашылығы, қазіргі молекулярлық биологияның назары негізінен биополимерлердің ең маңызды кластарының - ақуыздар мен нуклеин қышқылдарының құрылымы мен қызметін зерттеуге бағытталған, олардың біріншісі метаболикалық реакциялардың мүмкіндігін анықтайды, ал екіншісі - метаболикалық реакциялардың мүмкіндігін анықтайды. арнайы ақуыздардың биосинтезі. Демек, молекулалық биология мен биохимияны, генетиканың, микробиологияның және вирусологияның сәйкес салаларын нақты ажырату мүмкін емес екені анық.

Молекулалық биологияның пайда болуы жаңа зерттеу әдістерінің дамуымен тығыз байланысты болды, олар қазірдің өзінде тиісті тарауларда талқыланды. Электрондық микроскопияның және микроскопиялық техниканың басқа әдістерінің дамуымен қатар 1950 жылдары жасалған жасушалық элементтерді фракциялау әдістері маңызды рөл атқарды. Олар дифференциалды центрифугалаудың жетілдірілген әдістеріне негізделген (А. Клод, 1954). Осы уақытқа дейін биополимерлерді оқшаулау мен фракциялаудың жеткілікті сенімді әдістері болды. Бұған, атап айтқанда, А.Тиселиус ұсынған (1937; Нобель сыйлығы, 1948) электрофорез көмегімен ақуызды фракциялау әдісі, нуклеин қышқылдарын бөліп алу және тазарту әдістері (Э.Кэй, А.Даунс, М.Севаг, А.Мирский және т.б.). Сонымен бірге әлемнің көптеген зертханаларында хроматографиялық талдаудың әртүрлі әдістері жасалды (А. Мартин және Р. Синг, 1941; Нобель сыйлығы, 1952), кейіннен айтарлықтай жетілдірілді.

Рентгендік дифракциялық талдау биополимерлердің құрылымын ашуда баға жетпес қызмет атқарды. Рентгендік дифракциялық талдаудың негізгі принциптері Лондон университетінің Кингс колледжінде В.Браггтың жетекшілігімен бір топ зерттеушілермен әзірленді, олардың құрамына Дж.Бернал, А.Лондсдейл, У.Астбери, Дж.Робертсон және т.б.

Профессор Московскийдің зерттеулерін ерекше атап өтуге болады мемлекеттік университетіА.Р.Кизел протоплазма биохимиясы туралы (1925 - 1929), олардың молекулалық биологияның кейінгі қалыптасуы үшін үлкен маңызы болды. Кизел кез келген протоплазма оның барлық маңызды құрылымдық және функционалдық ерекшеліктерін анықтайтын арнайы белок денесі - пластинкаларға негізделген деген берік түсінікке соққы берді. Ол пластинкалардың тек миксомицеттерде, содан кейін белгілі бір даму сатысында болатын белок екенін және протоплазмада тұрақты құрамдас – біртұтас қаңқалық ақуыздың болмайтынын көрсетті. Осылайша, протоплазманың құрылымы мен белоктардың функционалдық рөлі мәселесін зерттеу басталды дұрыс жолжәне оның дамуы үшін орын алды. Кисельдің зерттеулері химияны зерттеуді ынталандырып, әлем мойындады құрамдас бөліктержасушалар.

Ағылшын кристаллографы Лидс университетінің профессоры У.Астбери алғаш рет қолданған «молекулярлық биология» термині 1940 жылдардың басында (1945 жылға дейін) пайда болған болуы мүмкін. 1930 жылдары Астбери жүргізген ақуыздар мен ДНҚ-ның іргелі рентгендік дифракциялық зерттеулері осы биополимерлердің қайталама құрылымын кейіннен сәтті дешифрлеуге негіз болды. 1963 жылы Дж.Берналь былай деп жазды: «Оған ескерткішті бүкіл молекулалық биология – өзі атаған және шын мәнінде негізін салған ғылым орнатады» * , Әдебиетте бұл термин алғаш рет, бәлкім, 1946 жылы пайда болды. Ағылшындық «Nature» журналында жарияланған У.Астберидің «Органикалық және фибриллярлық қосылыстардың рентгендік дифракциялық анализінің прогрессі» атты мақаласында ** . Астбери өзінің Гарви лекциясында (1950) былай деп атап көрсетті: «Молекулярлық биология терминінің қазір кеңінен қолданылып жатқанына қуаныштымын, бірақ мен оны алғаш ұсынғаным екіталай. Бұл маған ұнады және мен оны көптен бері таратуға тырыстым. ” ***. 1950 жылдың өзінде-ақ Астбери молекулалық биология ең алдымен макромолекулалардың құрылымы мен конформациясымен айналысатыны анық болды, оларды зерттеу тірі ағзалардың қызметін түсіну үшін шешуші мәнге ие.

* (биогр. Мем. Рой жолдастар. Соц, 1963, т. 9, 29.)

** (В.Т. Асбери. Органикалық және талшықты құрылымдарды рентгендік талдаудың барысы.- Табиғат,. 1946, т. 157, 121.)

*** (В.Т. Асбери. шытырман оқиғалар Молекулалық биология. Томас Спрингфилд, 1952, б. 3.)

Молекулалық биологияның алдында, шын мәнінде, жалпы биология сияқты міндеттер – тіршіліктің мәнін және оның негізгі құбылыстарын, атап айтқанда тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік туралы білімдер тұр. Қазіргі молекулярлық биология ең алдымен гендердің құрылымы мен қызметін, жүзеге асыру жолдары мен механизмдерін ашуға арналған. генетикалық ақпараторганизмдер онтогенездің әртүрлі кезеңдерінде және оны оқудың әртүрлі кезеңдерінде. Ол гендердің белсенділігі мен жасуша дифференциациясының реттелуінің нәзік тетіктерін ашуға, мутагенездің табиғатын және эволюциялық процестің молекулалық негіздерін түсіндіруге арналған.

Нуклеин қышқылдарының генетикалық рөлін анықтау

Молекулярлық биологияны дамыту үшін ең жоғары мәнмынадай жаңалықтар ашты. 1944 жылы американдық зерттеушілер О.Эвери, К.Маклеод (Нобель сыйлығы, 1923 ж.) және М.Маккарти пневмококктардан бөлінген ДНҚ молекулаларының трансформациялық белсенділікке ие екенін көрсетті. Бұл ДНҚ-ларды дезоксирибонуклеазамен гидролиздегеннен кейін олардың трансформациялау белсенділігі толығымен жойылды. Осылайша, жасушадағы генетикалық функциялармен қамтамасыз етілген ақуыз емес, ДНҚ екендігі алғаш рет сенімді түрде дәлелденді.

Әділдік үшін айта кету керек, бактериялық трансформация құбылысы Эвери, Маклеод және Маккартидің ашылуынан әлдеқайда ертерек ашылған. 1928 жылы Ф.Гриффит мақала жариялады, онда ол инкапсулирленген вирулентті штаммның өлген жасушаларын вирулентсіз (капсулирленбеген) пневмококктарға қосқаннан кейін алынған жасушалар қоспасы тышқандар үшін өлімге әкелетінін хабарлады. Сонымен қатар, осы қоспаны жұқтырған жануарлардан оқшауланған тірі пневмококк жасушалары қазірдің өзінде вирулентті және полисахаридті капсулаға ие болды. Сонымен, бұл тәжірибеде өлген пневмококк жасушаларының кейбір компоненттерінің әсерінен бактериялардың капсулдалмаған түрі капсула түзетін вирулентті түрге айналатыны көрсетілді. 16 жылдан кейін Эвери, МакЛеод және МакКарти осы тәжірибеде өлген пневмококк жасушаларын өздерінің дезоксирибонуклеин қышқылымен алмастырды және трансформациялық белсенділікке ие ДНҚ екенін көрсетті (сонымен қатар 7 және 25 тарауларды қараңыз). Бұл жаңалықтың маңыздылығын асыра бағалау қиын. Ол дүние жүзіндегі көптеген зертханаларда нуклеин қышқылдарын зерттеуді ынталандырды және ғалымдарды ДНҚ-ға назар аударуға мәжбүр етті.

Эвери, Маклеод және Маккартидің ашылуымен қатар, 50-жылдардың басында біршама көп санынуклеин қышқылдарының өмірде ерекше рөл атқаратынын және генетикалық функцияны атқаратынының тікелей және жанама дәлелі. Мұны, атап айтқанда, жасушадағы ДНҚ локализациясының сипаты және Р.Вендреллидің (1948) деректері бір жасушадағы ДНҚ құрамының қатаң тұрақты және плоидтылық дәрежесімен корреляцияланатынын көрсетті: гаплоидты жыныс жасушаларында ДНҚ. диплоидты соматикалық жасушалардың жартысы. ДНҚ-ның айқын метаболикалық тұрақтылығы да ДНҚ-ның генетикалық рөлін дәлелдеді. 1950 жылдардың басында белгілі мутагендік факторлардың көпшілігі негізінен нуклеин қышқылдарына және, атап айтқанда, ДНҚ-ға әсер ететінін көрсететін көптеген түрлі фактілер жинақталды (Р. Хотчкисс, 1949; Г. Эфрусси-Тейлор, 1951; E. Freese, 1957 және т.б.).

Нуклеин қышқылдарының генетикалық рөлін анықтауда әртүрлі фагтар мен вирустарды зерттеу ерекше маңызға ие болды. 1933 жылы Д.Шлезингер ішек таяқшасының бактериофагынан ДНҚ тапты. У.Стэнли (1935 ж., Нобель сыйлығы, 1946 ж.) темекі мозаикалық вирусын (ТМВ) кристалдық күйде бөліп алғаннан бері өсімдік вирустарын зерттеудің жаңа кезеңі басталды. 1937-1938 жж. Ротамстед ауылшаруашылық станциясының (Англия) қызметкерлері Ф.Боуден мен Н.Пири олармен бөлінген көптеген өсімдік вирустары глобулиндер емес, рибонуклеопротеидтер және міндетті компонент ретінде нуклеин қышқылы бар екенін көрсетті. 40-жылдардың басында Г.Шраммның (1940), П.А.Агатовтың (1941), Г.Миллер мен В.Стэнлидің (1941) еңбектері жарық көрді, бұл ақуыз компонентінің айтарлықтай химиялық модификациясы әкелмейтінін көрсетеді. ТМВ жұқпалылығын жоғалту. Бұл ақуыз компонентінің тасымалдаушы бола алмайтынын көрсетті тұқым қуалайтын қасиеттервирус, көптеген микробиологтар сенуді жалғастырды. Өсімдік вирустарындағы нуклеин қышқылының (РНҚ) генетикалық рөлінің пайдасына сенімді дәлелдемелерді 1956 жылы Тюбингендегі Г.Шрамм (ГФР) және Калифорниядағы (АҚШ) Х.Френкель-Конрат алды. Бұл зерттеушілер бір мезгілде дерлік және бір-бірінен тәуелсіз РНҚ-ны ТМВ-дан бөліп алып, оның белок емес, инфекциялық қасиеті бар екенін көрсетті: темекі өсімдіктерін осы РНҚ-мен жұқтыру нәтижесінде оларда қалыпты вирустық бөлшектер түзіліп, көбейген. Бұл РНҚ-да барлық вирустық компоненттердің, соның ішінде вирустық ақуыздың синтезі мен жинақталуына арналған ақпарат бар екенін білдірді. 1968 жылы И.Г.Атабеков белоктың өсімдіктерді жұқтыруының өзінде маңызды рөл атқаратынын анықтады – ақуыздың табиғаты иелік ететін өсімдіктердің спектрін анықтайды.

1957 жылы Френкель-Конрат алғаш рет оның құрамдас бөліктерінен – РНҚ мен ақуыздан ТМВ реконструкциясын жүргізді. Кәдімгі бөлшектермен бірге ол РНҚ бір штаммнан, ал ақуыз басқа штаммнан болатын аралас «гибридтерді» алды. Мұндай будандардың тұқым қуалаушылығы РНҚ арқылы толық анықталды, ал вирустардың ұрпақтары РНҚ бастапқы аралас бөлшектерді алу үшін пайдаланылған штаммға жатады. Кейінірек А.Гирер, Г.Шустер және Г.Шрамм (1958) және Г.Витман (1960 - 1966) тәжірибелері TMV нуклеинді компонентінің химиялық модификациясы осы вирустың әртүрлі мутанттарының пайда болуына әкелетінін көрсетті.

1970 жылы Д.Балтимор мен Г.Темин генетикалық ақпараттың берілуі ДНҚ-дан РНҚ-ға ғана емес, керісінше болуы мүмкін екенін анықтады. Олар кейбір онкогенді РНҚ бар вирустарда (онкорнавирустарда) РНҚ тізбектеріндегі комплементарлы ДНҚ синтездеуге қабілетті кері транскриптаза деп аталатын арнайы ферментті тапты. Бұл ірі жаңалық РНҚ-сы бар вирустардың генетикалық ақпаратының иесінің геномына ену механизмін түсінуге және олардың онкогендік әрекетінің табиғатына жаңаша қарауға мүмкіндік берді.

Нуклеин қышқылдарының ашылуы және олардың қасиеттерін зерттеу

Нуклеин қышқылдары терминін 1889 жылы неміс биохимигі Р.Альтман енгізді, бұл қосылыстарды 1869 жылы швейцариялық дәрігер Ф.Мишер ашқаннан кейін. Мишер бірнеше апта бойы сұйылтылған тұз қышқылымен ірің жасушаларын шығарып, қалған бөлігінде дерлік таза ядролық материал алды. Ол бұл материалды «жасуша ядроларына тән зат» деп санады және оны нуклеин деп атады. Өзінің қасиеттері бойынша нуклеин белоктардан күрт ерекшеленді: ол қышқылдырақ болды, күкірт жоқ, бірақ құрамында фосфор көп, ол тез ериді. сілтілерде, бірақ сұйылтылған қышқылдарда ерімейді.

Мишер өзінің нуклеинге қатысты бақылауларының нәтижелерін журналда жариялау үшін Ф.Гоппе-Сейлерге жіберді. Ол сипаттаған заттың ерекше болғаны соншалық (ол кезде құрамында фосфоры бар барлық биологиялық қосылыстардан тек лецитин ғана белгілі болатын) Гоппе-Сейлер Мишердің тәжірибелеріне сенбей, қолжазбаны оған қайтарып, қызметкерлері Н.Плош пен Н.Любавинге: басқа материал бойынша оның қорытындыларын тексеру. Мишердің «Іріңді жасушалардың химиялық құрамы туралы» еңбегі екі жылдан кейін (1871) жарық көрді. Сонымен бірге Гоппе-Сейлердің және оның әріптестерінің ірің жасушаларының, құстардың, жыландардың және басқа жасушалардың эритроциттерінің құрамы туралы еңбектері жарық көрді. Келесі үш жылда нуклеин жануарлар жасушалары мен ашытқылардан бөлініп алынды.

Мишер өз жұмысында әртүрлі нуклеиндерді егжей-тегжейлі зерттеу олардың арасындағы айырмашылықтарды анықтауға әкелуі мүмкін екенін атап өтті, осылайша нуклеин қышқылдарының спецификалық идеясын болжауға болады. Лосось сүтін зерттей отырып, Мишер олардың құрамындағы нуклеиннің тұз түрінде болатынын және ол протамин деп атаған негізгі белокпен байланысты екенін анықтады.

1879 жылы А.Коссель Гоппе-Сейлердің лабораториясында нуклеиндерді зерттей бастады. 1881 жылы ол нуклеиннен гипоксантинді бөліп алды, бірақ сол кезде ол осы негіздің шығу тегіне әлі де күмәнданды және гипоксантин белоктардың ыдырау өнімі болуы мүмкін деп есептеді. 1891 жылы нуклеин гидролизі өнімдерінің арасынан Коссель аденин, гуанин, фосфор қышқылы және қант қасиеті бар басқа затты ашты. Нуклеин қышқылдарының химиясы бойынша зерттеулері үшін Коссель 1910 жылы Нобель сыйлығына ие болды.

Нуклеин қышқылдарының құрылымын ашудағы одан әрі прогресс П.Левин мен оның әріптестерінің (1911 - 1934) зерттеулерімен байланысты. 1911 жылы П.Левин мен В.Якобс аденозин мен гуанозиннің көмірсулық компонентін анықтады; олар бұл нуклеозидтердің құрамында D-рибоза бар екенін анықтады. 1930 жылы Левин дезоксирибонуклеозидтердің көмірсулық компоненті 2-дезокси-D-рибоза екенін көрсетті. Оның жұмысынан нуклеин қышқылдары нуклеотидтерден, яғни фосфорланған нуклеозидтерден түзілетіні белгілі болды. Левин нуклеин қышқылдарындағы (РНҚ) байланыстың негізгі түрі 2", 5" фосфодиэфирлік байланыс деп есептеді. Бұл түсінік қате болып шықты. Ағылшын химигі А.Тоддтың (Нобель сыйлығы, 1957 ж.) және оның әріптестерінің, сондай-ақ ағылшын биохимигі Р.Мархэм мен Дж.Смиттің еңбектерінің арқасында РНҚ-дағы байланыстың негізгі түрі 50-жылдардың басында белгілі болды. 3", 5" - фосфодиэфирлік байланыс.

Левин әртүрлі нуклеин қышқылдары көмірсулар компонентінің табиғаты бойынша әр түрлі болуы мүмкін екенін көрсетті: олардың кейбіреулерінде қант дезоксирибозасы, ал басқаларында рибоза бар. Сонымен қатар, нуклеин қышқылдарының бұл екі түрі негіздердің біреуінің табиғаты бойынша ерекшеленді: пентозды нуклеин қышқылдарының құрамында урацил, ал дезоксипентозды нуклеин қышқылдарының құрамында тимин болатын. Дезоксипентоза нуклеин қышқылы (қазіргі терминологияда дезоксирибонуклеин қышқылы - ДНҚ) әдетте бұзаулардың тимусынан (тәтті безінен) көп мөлшерде оңай бөлініп алынды. Сондықтан оны тимонуклеин қышқылы деп атады. Пентозалық типті нуклеин қышқылының (РНҚ) көзі негізінен ашытқы мен бидай ұрықтары болды. Бұл түр жиі ашытқы нуклеин қышқылы деп аталды.

1930 жылдардың басында өсімдік жасушалары ашытқы типті нуклеин қышқылымен сипатталады деген түсінік жеткілікті түрде тамыр жайды, ал тимонуклеин қышқылы жануарлар жасушаларының ядроларына ғана тән болды. Нуклеин қышқылдарының екі түрі, РНҚ және ДНҚ, сәйкесінше өсімдік және жануарлар нуклеин қышқылдары деп аталды. Алайда, А.Н.Белозерскийдің алғашқы зерттеулері көрсеткендей, нуклеин қышқылдарының мұндай бөлінуі негізсіз. 1934 жылы Белозерский алғаш рет тимонуклеин қышқылын ашты өсімдік жасушалары: бұршақ көшеттерінен ДНҚ-ға тән тимин-пиримидин негізін бөліп алып, анықтады. Содан кейін ол басқа өсімдіктерден (соя тұқымы, бұршақ) тиминді тапты. 1936 жылы А.Н.Белозерский мен И.И.Дубровская жылқы каштанының көшеттерінен ДНҚ препаратын бөліп алды. Сонымен қатар, 1940 жылдары Англияда Д.Дэвидсон және оның әріптестері жүргізген бірқатар зерттеулер өсімдік нуклеин қышқылының (РНҚ) көптеген жануарлар жасушаларында болатынын сенімді түрде көрсетті.

Р.Фельген мен Г.Розенбек (1924) жасаған ДНҚ үшін цитохимиялық реакцияның кең таралуы және Дж.Брахеттің (1944) РНҚ-ға реакциясы осы нуклеиндерді артықшылықты локализациялау мәселесін тез және біржақты шешуге мүмкіндік берді. жасушадағы қышқылдар. ДНҚ ядрода, ал РНҚ негізінен цитоплазмада шоғырланатыны анықталды. Кейінірек РНҚ цитоплазмада да, ядрода да болатыны анықталды, сонымен қатар цитоплазмалық ДНҚ анықталды.

Нуклеин қышқылдарының алғашқы құрылымы туралы мәселеге келетін болсақ, 1940 жылдардың ортасына қарай П.Левиннің идеясы ғылымда берік орнықты, оған сәйкес барлық нуклеин қышқылдары бір типке сәйкес құрылады және бірдей тетрануклеотид деп аталатындардан тұрады. блоктар. Бұл блоктардың әрқайсысында, Левин бойынша, төрт түрлі нуклеотидтер бар. Нуклеин қышқылдарының құрылымының тетрануклеотидтік теориясы бұл биополимерлерді ерекшеліктен айырды. Сондықтан ол кезде тірі заттардың барлық ерекшеліктері тек мономерлерінің табиғаты әлдеқайда алуан түрлі (20 аминқышқылдары) ақуыздармен байланысты болуы таңқаларлық емес.

Нуклеин қышқылдарының тетрануклеотидтік құрылымы теориясындағы алғашқы алшақтықты ағылшын химигі Дж.Гуландтың (1945 - 1947) аналитикалық мәліметтері жасады. Нуклеин қышқылдарының құрамын негіздік азотпен анықтағанда, ол Левин теориясы бойынша болуы керек болғандай негіздердің эквимолярлық қатынасын алған жоқ. Ақырында нуклеин қышқылдарының құрылымының тетрануклеотидтік теориясы Э.Чаргафф пен оның әріптестерінің (1949 - 1951) зерттеулерінің нәтижесінде күйреді. Чаргафф қышқылдық гидролиз нәтижесінде ДНҚ-дан бөлінген негіздерді бөлу үшін қағаз хроматографиясын қолданды. Бұл негіздердің әрқайсысы спектрофотометриялық әдіспен дәл анықталған. Чаргафф шығу тегі әр түрлі ДНҚ-дағы негіздердің эквимолярлық қатынасынан елеулі ауытқуларды байқады және алғаш рет ДНҚ-ның айқын түр ерекшелігі бар екенін нақты айтты. Осымен тірі жасушадағы ақуыз спецификасы концепциясының гегемониясы аяқталды. Әртүрлі шығу тегі ДНҚ-ны талдай отырып, Чаргафф ДНҚ құрамының бірегей заңдылықтарын тауып, тұжырымдады, ол ғылымға Чаргафф ережелері деген атпен енді. Осы ережелерге сәйкес барлық ДНҚ-да шығу тегіне қарамастан аденин мөлшері тимин мөлшеріне (А=Т), гуаниннің мөлшері цитозиннің мөлшеріне (G=C), пуриндер пиримидиндер санына тең (G + A = C + T), 6-амин тобы бар негіздер саны 6-кето топтары бар негіздер санына тең (A + C = G + T). Сонымен қатар, осындай қатаң сандық сәйкестіктерге қарамастан, әртүрлі түрлердің ДНҚ-сы A+T:G+C қатынасының мәні бойынша ерекшеленеді. Кейбір ДНҚ-да гуанин мен цитозиннің мөлшері аденин мен тиминнің мөлшерінен басым болады (Чаргафф бұл ДНҚ-ны GC типті ДНҚ деп атады); басқа ДНҚ-да гуанин мен цитозинге қарағанда аденин мен тимин көбірек болды (бұл ДНҚ-лар AT типті ДНҚ деп аталды). Чаргаффтың ДНҚ құрамы туралы мәліметтері молекулалық биологияда ерекше рөл атқарды. Дәл осылар 1953 жылы Дж.Уотсон мен Ф.Крик жасаған ДНҚ құрылымын ашуға негіз болды.

Сонау 1938 жылы У.Астбери мен Ф.Белл рентгендік дифракциялық талдауды қолдана отырып, ДНҚ-дағы негіз жазықтықтары молекуланың ұзын осіне перпендикуляр болуы керек және үстіңгі жағында жатқан пластиналар дестесіне ұқсайтынын көрсетті. бір-бірінен. Рентгендік дифракциялық талдау техникасының жетілдірілуімен 1952 - 1953 жж. жеке байланыстардың ұзындығын және көлбеу бұрыштарын бағалауға мүмкіндік беретін жинақталған ақпарат. Бұл ДНҚ молекуласының қант-фосфатты діңгегіндегі пентозалық қалдықтар сақиналарының бағдарлану сипатын ең үлкен ықтималдықпен көрсетуге мүмкіндік берді. 1952 жылы С.Фарберг ДНҚ-ның екі алыпсатарлық моделін ұсынды, ол бір тізбекті молекуланы өзіне бүктелген немесе бұралған. ДНҚ құрылымының бұдан кем емес алыпсатарлық моделін 1953 жылы Л.Полинг (Нобель сыйлығының лауреаты, 1954) және Р.Кори ұсынған. Бұл модельде ДНҚ-ның үш бұралған тізбегі ұзын спиралді құрады, оның өзегі фосфат топтарымен ұсынылған, ал негіздері оның сыртында орналасқан. 1953 жылға қарай М.Уилкинс пен Р.Франклин ДНҚ-ның айқынырақ рентгендік дифракциялық үлгілерін алды. Олардың талдауы Фарберг, Полинг және Кори үлгілерінің толық сәтсіздігін көрсетті. Чаргафф мәліметтерін пайдалана отырып, жеке мономерлердің молекулалық модельдерінің әртүрлі комбинацияларын және рентгендік дифракция деректерін салыстыра отырып, Дж.Уотсон мен Ф.Крик 1953 жылы ДНҚ молекуласы қос тізбекті спираль болуы керек деген қорытындыға келді. Чаргафф ережелері ұсынылған ДНҚ үлгісіндегі негіздердің ықтимал реттелген комбинацияларының санын қатты шектеді; олар Уотсон мен Крикке ДНҚ молекуласында белгілі бір негізді жұптастыру – тиминмен аденин және цитозинмен гуанин болуы керек деп ұсынды. Басқаша айтқанда, ДНҚ-ның бір тізбегіндегі аденин екінші тізбектегі тиминге әрқашан қатаң сәйкес келеді, ал бір тізбектегі гуанин екінші тізбектегі цитозинге міндетті түрде сәйкес келеді. Осылайша, Уотсон мен Крик бірінші болып ДНҚ-ның комплементарлы құрылымының аса маңызды принципін тұжырымдады, оған сәйкес бір ДНҚ тізбегі екіншісін толықтырады, яғни бір тізбектің негізгі тізбегі басқа (комплементарлы) тізбектегі негіз тізбегін бірегей түрде анықтайды. . ДНҚ құрылымында оның нақты көбею мүмкіндігі бар екені белгілі болды. ДНҚ құрылымының бұл моделі қазіргі уақытта жалпы қабылданған. Крик, Уотсон және Вилкинс ДНҚ құрылымын ашқаны үшін 1962 жылы Нобель сыйлығымен марапатталды.

Айта кету керек, макромолекулалардың нақты көбеюі және тұқым қуалайтын ақпаратты беру механизмі идеясы біздің елімізде пайда болды. 1927 жылы Н.К.Кольцов жасушаның көбеюі кезінде молекулалардың көбеюі бар ата-аналық молекулалардың дәл автокаталитикалық көбеюі арқылы жүреді деп ұсынды. Рас, сол кезде Кольцов бұл қасиетке ДНҚ молекулаларымен емес, функционалдық маңызы сол кезде белгісіз болатын ақуыздық табиғаттың молекулаларымен берілді. Дегенмен, макромолекулалардың автокаталитикалық көбеюі және тұқым қуалайтын қасиеттердің берілу механизмі туралы идеяның өзі пайғамбарлық болып шықты: ол қазіргі молекулалық биологияның жетекші идеясы болды.

А.Н.Белозерскийдің зертханасында А.С.Спирин, Г.Н.Зайцева, Б.Ф.Ванюшин, С.О.Урисон, А.С.Антонов және т.б. организмдердің алуан түрлілігі Чаргафф ашқан заңдылықтарды және ДНҚ ұсынған құрылымының молекулалық моделіне толық сәйкестігін толық растады. және Крик. Бұл зерттеулер әртүрлі бактериялардың, саңырауқұлақтардың, балдырлардың, актиномицеттердің ДНҚ, жоғары сатыдағы өсімдіктер, омыртқасыздар мен омыртқалылардың композициялық ерекшелігі бар. Құрамындағы айырмашылықтар (AT-негіз жұптарының мазмұны) маңызды таксономиялық белгі болып табылатын микроорганизмдерде әсіресе айқын көрінеді. Жоғары сатыдағы өсімдіктер мен жануарларда ДНҚ құрамындағы түр өзгерістері әлдеқайда аз байқалады. Бірақ бұл олардың ДНҚ-сы ерекше емес дегенді білдірмейді. Негіздердің құрамынан басқа, спецификалық олардың ДНҚ тізбектеріндегі реттілігімен анықталады.

Кәдімгі негіздермен қатар ДНҚ мен РНҚ-да қосымша азотты негіздер табылды. Осылайша, Г.Уайт (1950) өсімдіктер мен жануарлардың ДНҚ-сында 5-метилцитозинді, ал Д.Данн мен Дж.Смит (1958) кейбір ДНҚ-да метилденген аденинді тапты. Ұзақ уақыт бойы метилцитозин жоғары сатыдағы организмдердің генетикалық материалының белгісі болып саналды. 1968 жылы А.Н.Белозерский, Б.Ф.Ванюшин және Н.А.Кокурина оны бактериялардың ДНҚ-сында да табуға болатынын анықтады.

1964 жылы М.Голд пен Дж.Хурвиц ДНҚ-ның табиғи түрленуін – оның метилденуін жүзеге асыратын ферменттердің жаңа класын ашты. Бұл ашылудан кейін цитозин мен аденин қалдықтарының арнайы реттілікпен спецификалық метилденуі нәтижесінде дайын ДНҚ полинуклеотидтік тізбегінде шағын (аз мөлшердегі) негіздер пайда болатыны белгілі болды. Атап айтқанда, Б.Ф.Ванюшин, Я.И.Бурьянов және А.Н.Белозерский (1969) деректері бойынша E. coli ДНҚ-да адениннің метилденуі терминациялық кодондарда болуы мүмкін. А.Н.Белозерский мен оның әріптестерінің (1968 - 1970), сондай-ақ М.Месельсон (АҚШ) және В.Арбер (Швейцария) (1965 - 1969) мәліметтері бойынша метилдену ДНҚ молекулаларына бірегей жеке белгілер береді және әрекетімен үйлеседі. арнайы нуклеазалар, жасушадағы ДНҚ синтезін бақылайтын күрделі механизмнің бөлігі болып табылады. Басқаша айтқанда, белгілі бір ДНҚ-ның метилдену сипаты оның берілген жасушада көбеюі мүмкін бе деген сұрақты алдын ала анықтайды.

Бір мезгілде дерлік ДНҚ метилазалары мен рестриктаза эндонуклеазаларын оқшаулау және қарқынды зерттеу басталды; 1969-1975 жж осы ферменттердің кейбіреулерімен ДНҚ-да танылатын нуклеотидтер тізбегі анықталды (X. Boyer, X. Smith, S. Lynn, K. Murray). Әртүрлі ДНҚ рестриктазамен гидролизденген кезде ұштары бірдей «жабысқақ» үлкен фрагменттер бөлініп шығады. Бұл ұсақ вирустардағыдай (Д. Натанс, С. Адлер, 1973 - 1975) гендердің құрылымын талдауға ғана емес, сонымен қатар әртүрлі геномдарды құруға мүмкіндік береді. Осы ерекше шектеу ферменттерінің ашылуымен гендік инженерия нақты шындыққа айналды. Кішкентай плазмидтік ДНҚ-ға енгізілген әртүрлі шығу тегі гендер оңай енеді әртүрлі жасушалар. Сонымен, белгілі бір антибиотиктерге төзімділік беретін биологиялық белсенді плазмидалардың жаңа түрі алынды (С. Коэн, 1973), ішек таяқшасының плазмидаларына бақа мен дрозофиланың рибосомалық гендері енгізілді (Дж. Морроу, 1974; X. Бойер, Д. Хогнесс, Р.Дэвис, 1974 - 1975). Осылайша, олардың гендік қорына әртүрлі гендерді енгізу және біріктіру арқылы түбегейлі жаңа организмдерді алудың нақты жолдары ашық. Бұл жаңалықты бүкіл адамзат игілігіне бағыттауға болады.

1952 жылы Г.Уайт пен С.Коэн Т-жұп фагтардың ДНҚ-сында әдеттен тыс негіз – 5-гидроксиметилцитозин бар екенін анықтады. Кейінірек Э.Волкин мен Р.Синшеймердің (1954) және Коэннің (1956) еңбектерінен гидроксиметилцитозин қалдықтарының толық немесе ішінара глюкозидтенуі мүмкін екендігі белгілі болды, нәтижесінде фаг ДНҚ молекуласы гидролитикалық әсерден қорғалады. нуклеазалар.

1950 жылдардың басында Д.Данн мен Дж.Смиттің (Англия), С.Заменхофтың (АҚШ) және А.Вакердің (Германия) еңбектерінен көптеген жасанды негіз аналогтарын ДНҚ-ға енгізуге болатыны белгілі болды, кейде олардың орнын ауыстырады. тимин 50% дейін. Әдетте, бұл алмастырулар ДНҚ репликациясында, транскрипциясында және трансляциясында қателіктерге және мутанттардың пайда болуына әкеледі. Осылайша, Дж.Мармур (1962) кейбір фагтардың ДНҚ-сында тиминнің орнына оксиметилурацил болатынын анықтады. 1963 жылы И.Такахаши мен Дж.Мармур фагтардың бірінің ДНҚ-сында тиминнің орнына урацил болатынын анықтады. Осылайша, нуклеин қышқылдары бұрын бөлінген басқа принцип бұзылды. П.Левиннің еңбектерінен бері солай деп есептелді белгіДНҚ – тимин, РНҚ – урацил. Бұл белгі әрқашан сенімді бола бермейтіні белгілі болды және нуклеин қышқылдарының екі түрінің химиялық табиғатындағы түбегейлі айырмашылық, бүгінгі күні көрінетіндей, тек көмірсулар компонентінің табиғаты болып табылады.

Фагтарды зерттеу барысында нуклеин қышқылдарының ұйымдастырылуының көптеген ерекше белгілері ашылды. 1953 жылдан бастап барлық ДНҚ екі тізбекті сызықты молекулалар, ал РНҚ тек бір тізбекті деп есептелді. Бұл позиция 1961 жылы Р.Синшеймер φ X 174 фагының ДНҚ-сы бір тізбекті дөңгелек молекуламен бейнеленетінін анықтаған кезде айтарлықтай сілкінді. Алайда кейінірек бұл формада бұл ДНҚ тек вегетативті фаг бөлшекте болатыны және бұл фагтың ДНҚ-ның репликативті түрі де қос тізбекті екендігі белгілі болды. Сонымен қатар, кейбір вирустардың РНҚ-сы екі тізбекті болуы мүмкін екендігі өте күтпеген болып шықты. РНҚ-ның макромолекулярлық ұйымының бұл жаңа түрін 1962 жылы П.Гоматос, И.Тамм және басқа зерттеушілер жануарлардың кейбір вирустарында және өсімдік жарасының ісік вирусында ашқан. Жақында В.И.Агол және А.А.Богданов (1970) сызықты РНҚ молекулаларынан басқа тұйық немесе циклді молекулалардың да болатынын анықтады. Олар циклдік қос тізбекті РНҚ-ны, атап айтқанда, энцефаломиелокардит вирусында анықтады. X.Дево, Л.Тиноко, Т.И.Тихоненко, Е.И.Будовский және басқалардың (1960 - 1974) еңбектерінің арқасында бактериофагтарда генетикалық материалды ұйымдастырудың (төлеудің) негізгі ерекшеліктері белгілі болды.

1950 жылдардың аяғында американдық ғалым П.Доти қыздыру ДНҚ денатурациясын тудыратынын, ол негіз жұптары арасындағы сутектік байланыстардың үзілуімен және комплементарлы тізбектердің бөлінуімен жүретінін анықтады. Бұл процесс «спиральді-орамдық» фазалық ауысу сипатына ие және кристалдардың балқуына ұқсайды. Сондықтан Доти ДНҚ ДНҚ балқуының термиялық денатурация процесін атады. Баяу салқындату кезінде молекулалардың ренатурациясы жүреді, яғни комплементарлы жартылардың қайта бірігуі.

Ренатурация принципін 1960 жылы Дж.Мармур мен К.Шильдкраут әртүрлі микроорганизмдердің ДНҚ-сының «гибридтену» дәрежесін анықтау үшін пайдаланды. Кейіннен Э.Болтон мен Б.Маккарти ДНҚ-агар бағандары деп аталатын әдісті ұсына отырып, бұл әдісті жетілдірді. Бұл әдіс әртүрлі ДНҚ-ның нуклеотидтер тізбегінің гомология дәрежесін зерттеуде және әртүрлі организмдердің генетикалық байланысын түсіндіруде таптырмас әдіс болып шықты. Доти ашқан ДНҚ-ның денатурациясы Дж.Мандель мен А.Херши сипаттаған метилденген альбуминдегі хроматографиямен үйлесімде * (1960) және тығыздық градиентінде центрифугалау (әдіс 1957 жылы М. Месельсон, Ф. Сталь және Д.Виноград) жеке комплементарлы ДНҚ жіптерін бөлу, оқшаулау және талдау үшін кеңінен қолданылады Мысалы, В.Шибальский (АҚШ) ламбда фагының ДНҚ-сын бөлу үшін осы әдістерді қолдана отырып, 1967 - 1969 жылдары екі фаг тізбегі де бар екенін көрсетті. генетикалық тұрғыдан белсенді және бір емес, өйткені бұл (S. Spiegelman, 1961). Ламбда фагының екі ДНҚ тізбегінің де генетикалық маңызы туралы идеяны алғаш рет КСРО-да С.Е.Бреслер (1961) айтқанын атап өткен жөн.

* (Бактериялар мен вирустардың генетикасы бойынша еңбектері үшін А.Херши М.Дельбрюкпен және С.Луриямен бірге 1969 жылы Нобель сыйлығының лауреаты атанды.)

Геномның ұйымдастырылуы мен функционалдық белсенділігін түсіну үшін ДНҚ нуклеотидтерінің тізбегін анықтау өте маңызды. Мұндай анықтау әдістерін іздеу әлемнің көптеген зертханаларында жүргізіледі. 1950 жылдардың аяғынан бастап М. Бир және оның әріптестері АҚШ-та электронды микроскопия арқылы ДНҚ тізбегін құруға тырысты, бірақ әлі күнге дейін нәтиже болмады. 1950 жылдардың басында Синсхаймер, Чаргафф және басқа зерттеушілердің ДНҚ-ның ферментативті ыдырауы туралы алғашқы еңбектерінен ДНҚ молекуласындағы әртүрлі нуклеотидтер кездейсоқ емес, бірақ біркелкі емес таралатыны белгілі болды. Ағылшын химигі К.Бартон (1961) бойынша пиримидиндер (70%-дан астам) негізінен сәйкес блоктар түрінде шоғырланған. А.Л.Мазин және Б.Ф.Ванюшин (1968 - 1969) әр түрлі ДНҚ-ның пиримидинді біріктіру дәрежесі әр түрлі болатынын және жануарлар ағзаларының ДНҚ-сында төменнен жоғарыға қарай жылжыған сайын оның айтарлықтай өсетінін анықтады. Сонымен, организмдердің эволюциясы олардың геномдарының құрылымында да көрініс табады. Сондықтан эволюциялық процесті тұтастай түсіну үшін нуклеин қышқылдарының құрылымын салыстырмалы түрде зерттеудің маңызы ерекше. Биологиялық маңызды полимерлердің құрылымын және ең алдымен ДНҚ-ны талдау филогенетика мен таксономияның көптеген нақты мәселелерін шешу үшін өте маңызды.

Бір қызығы, моллюскалардың гемоглобиндерін зерттеген, молекулалық биологияның идеяларын осыдан тура 100 жыл бұрын болжаған ағылшын физиологы Э.Ланкестердің: «Жануарлар мен өсімдіктердің әртүрлі түрлері мен тектерінің химиялық айырмашылықтары бірдей. маңыздылығыолардың пайда болу тарихын, сондай-ақ пішіндеріндегі айырмашылықтарын түсіндіру. Егер біз организмдердің молекулалық ұйымдасуы мен қызметіндегі айырмашылықтарды нақты анықтай алатын болсақ, морфологиялық бақылауларға қарағанда әртүрлі организмдердің шығу тегі мен эволюциясын әлдеқайда жақсы түсіне алар едік»*. Систематика үшін биохимиялық зерттеулердің маңызы да болды. В.Л.Комаров атап көрсеткендей, «барлық жүрегінде тіпті таза морфологиялық ерекшеліктері, соның негізінде біз түрлерді жіктеп, белгілейміз, дәл биохимиялық айырмашылықтар жатыр» ** .

* (Э.Р. Ланкестер. Uber das Vorcommen фон 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.)

** (В.Л.Комаров. Таңдамалы еңбектер, 1-том. М.-Л., КСРО ҒА баспасы, 1945, 331-бет.)

А.В.Благовещенский мен С.Л.Иванов сонау 1920 жылдары біздің елде олардың биохимиялық құрамын салыстырмалы талдау негізінде организмдердің эволюциясы мен систематикасының кейбір мәселелерін ашуға алғашқы қадамдар жасады (2 тарауды қараңыз). Салыстырмалы талдаубелоктар мен нуклеин қышқылдарының құрылымы қазір таксономистер үшін барған сайын айқын құралға айналуда (21 тарауды қараңыз). Молекулярлық биологияның бұл әдісі жүйедегі жекелеген түрлердің орнын нақтылауға ғана емес, сонымен қатар организмдердің жіктелуінің принциптеріне жаңаша көзқараспен қарауды қажет етеді, ал кейде бүкіл жүйені тұтастай қайта қарауды қажет етеді. мысалы, микроорганизмдердің систематикасымен болды. Болашақта геномның құрылымын талдау организмдердің хемосистематикасында орталық орынды алатыны сөзсіз.

Молекулалық биологияның дамуы үшін ДНҚ репликациясының және транскрипциясының механизмдерін ашудың үлкен маңызы болды (24-тарауды қараңыз).

Белок биосинтезі

Ақуыз биосинтезі мәселесін шешудегі маңызды өзгеріс нуклеин қышқылдарын зерттеудегі жетістіктермен байланысты. 1941 жылы Т.Касперсон (Швеция), 1942 жылы Дж.Брахет (Бельгия) белсенді ақуыз синтезі бар ұлпаларда РНҚ мөлшерінің жоғарылайтынына назар аударды. Олар рибонуклеин қышқылдары ақуыз синтезінде шешуші рөл атқарады деген қорытындыға келді. 1953 жылы Э.Гейл мен Д.Фокс РНҚ-ның белок биосинтезіне тікелей қатысуының тікелей дәлелдерін алған сияқты: олардың мәліметтері бойынша рибонуклеаза бактерия жасушаларының лизаттарына аминқышқылдарының қосылуын айтарлықтай басады. Осыған ұқсас мәліметтерді В.Ольфри, М.Дели және А.Мирский (1953) бауыр гомогенаттары бойынша алған. Кейінірек Э.Гейл РНҚ-ның ақуыз синтезіндегі жетекші рөлі туралы айтқан дұрыс пікірінен бас тартып, активтену деп қате сенді. ақуыз синтезіжасушасыз жүйеде табиғаты белгісіз басқа заттың әсерінен пайда болды. 1954 жылы П.Замечник, Д.Литлфилд, Р.Б.Хесин-Люри және басқалары аминқышқылдарының ең белсенді қосылуы жасуша асты бөлшектердің РНҚ-ға бай фракцияларында – микросомаларда болатынын анықтады. П.Замечник және Э.Келлер (1953 - 1954) АТФ регенерациясы жағдайында үстіңгі қабаттың қатысуымен аминқышқылдарының қосылуы айтарлықтай күшейетінін анықтады. П.Сикевиц (1952) және М.Хоугланд (1956) микросомаларға аминқышқылдарының қосылуының күрт стимуляциясына жауап беретін үстіңгі қабаттан ақуыздық фракцияны (рН 5 фракциясы) бөліп алды. Протеиндермен қатар, үстіңгі қабатта қазір трансферттік РНҚ (tRNAs) деп аталатын төмен молекулалық РНҚ-ның арнайы класы табылды. 1958 жылы Хоугланд пен Замечник, сондай-ақ П.Берг, Р.Свит және Ф.Аллен және басқа да көптеген зерттеушілер әрбір амин қышқылы белсендіру үшін өзінің арнайы ферменті, АТФ және арнайы тРНҚ қажет екенін анықтады. tRNAs тек адаптерлер функциясын орындайтыны белгілі болды, яғни пайда болатын ақуыз молекуласындағы сәйкес амин қышқылы үшін нуклеиндік матрицада (мРНҚ) орын табатын құрылғылар. Бұл зерттеулер Ф.Криктің (1957) адаптерлік гипотезасын толық растады, ол жасушада синтезделген ақуыздың аминқышқылдарының қалдықтарының нуклеиндік матрицада дұрыс орналасуына қажетті полинуклеотидтік адаптерлердің болуын қамтамасыз етті. Кейінірек француз ғалымы Ф.Чапвилл (1962) АҚШ-тағы Ф.Липманның (Нобель сыйлығы, 1953) зертханасында синтезделген белок молекуласындағы амин қышқылының орналасуын толығымен анықтайтынын өте тапқырлықпен және біржақты түрде көрсетті. ол қосылған арнайы тРНҚ. Криктің адаптер гипотезасын Хоугланд пен Замечник жасаған.

1958 жылға қарай белок синтезінің келесі негізгі кезеңдері белгілі болды: 1) аминоацил аденилат түзе отырып, АТФ қатысында «рН 5 фракциясынан» белгілі бір ферментпен амин қышқылының активтенуі; 2) белсендірілген амин қышқылының аденозинмонофосфаттың (АМФ) бөлінуімен белгілі бір тРНҚ-ға қосылуы; 3) аминоацил-тРНҚ (амин қышқылымен жүктелген тРНҚ) микросомалармен байланысуы және тРНҚ бөлінуімен аминқышқылдарының ақуызға қосылуы. Хогланд (1958) белок синтезінің соңғы сатысында гуанозинтрифосфат (ГТФ) қажет екенін атап өтті.

Трансферттік РНҚ және ген синтезі

тРНҚ ашылғаннан кейін оларды фракциялау және нуклеотидтер тізбегін анықтау үшін белсенді іздеулер басталды. Ең үлкен жетістікке американдық биохимик Р.Холли жетті. 1965 жылы ашытқыдан аланин тРНҚ құрылымын құрды. Рибонуклеазаларды (гуанил РНаз және панкреатикалық RNase) пайдалана отырып, Холли нуклеин қышқылының молекуласын бірнеше фрагменттерге бөлді, олардың әрқайсысында нуклеотидтер тізбегін жеке анықтады, содан кейін бүкіл аланин тРНҚ молекуласының тізбегін қайта құрды. Нуклеотидтер тізбегін талдаудың бұл әдісі блок әдісі деп аталады. Холлидің еңбегі, негізінен, ол РНҚ молекуласын өзіне дейінгі көптеген адамдар сияқты кішкене бөліктерге ғана емес, сонымен қатар үлкен фрагменттерге (төрттен және жартыға) бөлуді үйренді. Бұл оған жеке кішкене бөліктерді дұрыс жинауға және сол арқылы бүкіл тРНҚ молекуласының толық нуклеотидтер тізбегін қайта құруға мүмкіндік берді (Нобель сыйлығы, 1968).

Бұл әдісті дүние жүзіндегі көптеген зертханалар бірден қабылдады. Келесі екі жылда КСРО-да және шетелде ол шифрленді бастапқы құрылымбірден бірнеше тРНҚ. А.А.баев (1967) және оның әріптестері ашытқы валин тРНҚ-да нуклеотидтер тізбегін алғаш рет құрды. Қазіргі уақытта оннан астам әртүрлі жеке тРНҚ зерттелді. Нуклеотидтер тізбегін анықтауда ерекше рекордты Кембриджде Ф.Сенгер мен Г.Браунли орнатты. Бұл зерттеушілер олигонуклеотидтерді бөлу және E. coli жасушаларынан 5 S (рибосомалық) РНҚ деп аталатын секвенирлеудің таңқаларлық талғампаз әдісін жасады (1968). Бұл РНҚ 120 нуклеотид қалдықтарынан тұрады және тРНҚ-дан айырмашылығы, молекуланың жеке фрагменттері үшін бірегей бағдар ретінде қызмет ететін нуклеотидтер тізбегін талдауды айтарлықтай жеңілдететін қосымша кіші негіздер жоқ. Қазіргі уақытта Сэнгер және Браунли әдісін қолданудың арқасында Дж.Эбель (Франция) және басқа зерттеушілер зертханасында ұзын рибосомалық РНҚ және кейбір вирустық РНҚ-ның ретін зерттеу жұмыстары сәтті жүргізілуде.

А.А.Баев және әріптестері (1967) жартысында кесілген валин тРНҚ ерітіндідегі өзінің макромолекулярлық құрылымын қалпына келтіретінін және біріншілік құрылымындағы ақауға қарамастан, бастапқы (туған) молекуланың функционалдық белсенділігіне ие екенін анықтады. Бұл тәсіл – белгілі бір фрагменттерді алып тастағаннан кейін кесілген макромолекуланы қайта құру – өте перспективалы болып шықты. Ол қазір белгілі бір тРНҚ-ның жеке бөлімдерінің функционалдық рөлін түсіндіру үшін кеңінен қолданылады.

IN Соңғы жылдарыЖеке тРНҚ-ның кристалдық препараттарын алуда үлкен жетістікке қол жеткізілді. Көптеген тРНҚ АҚШ пен Англияның бірнеше зертханаларында кристалданған. Бұл рентгендік дифракциялық талдау арқылы тРНҚ құрылымын зерттеуге мүмкіндік берді. 1970 жылы Р.Бок Висконсин университетінде өзі жасаған бірнеше тРНҚ-ның алғашқы рентгендік үлгілері мен үш өлшемді модельдерін ұсынды. Бұл модельдер тРНҚ-дағы жеке функционалдық белсенді учаскелердің локализациясын анықтауға және осы молекулалардың жұмыс істеуінің негізгі принциптерін түсінуге көмектеседі.

Ақуыз синтезінің механизмін ашу және осы процестің ерекшелігі мәселесін шешу үшін генетикалық кодтың табиғатын ашу маңызды болды (24-тарауды қараңыз), оны әсірелеусіз, ең басты жетістігі деп санауға болады. 20 ғасырдағы жаратылыстану ғылымдары.

Р.Холлидің тРНҚ-ның біріншілік құрылымын ашуы Г.Корананың* (АҚШ) олигонуклеотидтердің синтезі жөніндегі жұмыстарына серпін беріп, оларды нақты биологиялық құрылым – аланин тРНҚ кодтайтын ДНҚ молекуласының синтезіне бағыттады. Осыдан 15 жыл бұрын Құран жасаған қысқа олигонуклеотидтердің химиялық синтезінің алғашқы қадамдары 1970 жылы алғашқы ген синтезімен аяқталды. Құран және оның әріптестері алдымен жеке нуклеотидтерден 8-12 нуклеотид қалдықтарының қысқа фрагменттерін химиялық жолмен синтездеді. Берілген нуклеотидтер тізбегі бар бұл фрагменттер 4-5 нуклеотидтің қабаттасуы бар өздігінен екі тізбекті комплементарлы бөліктерді құрады. Содан кейін бұл дайын бөліктер ДНҚ лигаза ферментінің көмегімен дұрыс ретпен ұшынан ұшына біріктірілді. Осылайша, ДНҚ молекулаларының репликациясынан айырмашылығы, А.Корнберг ** (24 тарауды қараңыз) бойынша Құран алдын ала жоспарланған бағдарлама бойынша табиғи екі тізбекті ДНҚ молекуласын қайта құруға қол жеткізді. Холли сипаттаған тРНҚ тізбегі. Сол сияқты, қазір басқа гендердің синтезі бойынша жұмыстар жүргізілуде (М. Н. Колосов, З. А. Шабарова, Д. Г. Норре, 1970 - 1975).

* (Генетикалық кодты зерттегені үшін Г.Коран мен М.Ниренберг 1968 жылы Нобель сыйлығына ие болды.)

** (Полимераза мен ДНҚ синтезін ашқаны үшін А.Корнберг, РНҚ синтезі үшін С.Очоа 1959 жылы Нобель сыйлығының лауреаты атанды.)

Микросомалар, рибосомалар, трансляция

1950 жылдардың ортасында микросомалар жасушадағы ақуыз синтезінің орталығы болып табылады деп есептелді. Микросомалар терминін алғаш рет 1949 жылы А.Клод ұсақ түйіршіктердің фракциясына қатысты енгізді. Кейінірек ақуыз синтезіне мембраналар мен түйіршіктерден тұратын микросомалардың бүкіл бөлігі емес, тек шағын рибонуклеопротеин бөлшектері жауап беретіні белгілі болды. Бұл бөлшектерді 1958 жылы Р.Робертс рибосомалар деп атады.

Бактериялық рибосомалардың классикалық зерттеулерін 1958-1959 жылдары А.Тизье мен Дж.Уотсон жүргізді. Бактериялардың рибосомалары өсімдіктер мен жануарларға қарағанда біршама кішірек болып шықты. Дж.Литтлтон (1960), М.Кларк (1964) және Э.Н.Светайло (1966) жоғары сатыдағы өсімдіктер мен митохондриялардың хлоропласттарының рибосомалары бактериялық типке жататынын көрсетті. А.Тизье және басқалары (1958) рибосомалардың әрқайсысында бір РНҚ молекуласы бар екі тең емес суббірліктерге диссоциацияланатынын анықтады. 50-жылдардың соңында әрбір рибосомалық РНҚ молекуласы бірнеше қысқа фрагменттерден тұрады деп есептелді. Алайда 1960 жылы А.С.Спирин бірінші болып суббөлшектерде РНҚ үздіксіз молекуламен бейнеленетінін көрсетті. Д.Уоллер (1960) крахмал гельдік электрофорез көмегімен рибосомалық ақуыздарды бөліп алып, олардың өте гетерогенді екенін анықтады. Алғашында көптеген адамдар Уоллердің деректеріне күмән келтірді, өйткені рибосома ақуызы, мысалы, TMV ақуызы сияқты, қатаң біртекті болуы керек сияқты көрінді. Қазіргі уақытта Д.Уоллер, Р.Траут, П.Трауб және басқа биохимиктер зерттеулерінің нәтижесінде нақты рибосомалық бөлшектердің құрамына құрылымы жағынан мүлдем басқа 50-ден астам белоктар кіретіні белгілі болды. 1963 жылы А.С.Спирин бірінші болып рибосомалық суббөлшектерді ашты және рибосомалардың белгілі бір жағдайларда ашыла алатын ықшам бұралған рибонуклеопротеидті тізбек екенін көрсетті. 1967-1968 жж М.Номура рибосомалық РНҚ мен ақуыздан биологиялық белсенді суббірлікті толығымен қалпына келтіріп, тіпті ақуыз бен РНҚ әртүрлі микроорганизмдерге жататын рибосомаларды алды.

Рибосомалық РНҚ-ның рөлі әлі анық емес. Бұл рибосомалық бөлшектің пайда болуы кезінде көптеген рибосомалық ақуыздардың әрқайсысы қатаң белгіленген орын табатын бірегей ерекше матрица деп болжанады (А.С. Спирин, 1968).

А.Рич (1962) мРНҚ тізбегі арқылы өзара байланысқан бірнеше рибосомалардың агрегаттарын ашты. Бұл комплекстер полисомалар деп аталды. Полисомалардың ашылуы Рич пен Уотсонға (1963) полипептидтік тізбектің синтезі рибосомада жүреді, ол иРНҚ тізбегі бойымен қозғалады деп айтуға мүмкіндік берді. Рибосома мРНҚ тізбегі бойымен қозғалған кезде бөлшекте ақпарат оқылады және ақуыздың полипептидтік тізбегі пайда болады және мРНҚ-ның босатылған оқылатын ұшына жаңа рибосомалар кезекпен бекітіледі. Рич пен Уотсонның мәліметтерінен жасушадағы полисомалардың маңыздылығы матрицаны бірнеше рибосомалардың бірінен соң бірін оқуы арқылы белоктың жаппай өндірілуінде жатыр деген қорытындыға келді.

М.Ниренберг, С.Очоа, Ф.Липман, Г.Корана және т.б зерттеулерінің нәтижесінде 1963 – 1970 ж.ж. Трансляция процесіне мРНҚ, рибосомалар, АТФ және аминоацил-тРНҚ-мен қатар көптеген түрлі факторлар қатысатыны белгілі болды және трансляция процесінің өзін шартты түрде үш кезеңге бөлуге болады - инициация, трансляцияның өзі және терминация.

Аударма инициациясы біріншінің синтезін білдіреді пептидтік байланыскүрделі рибосомада – матрицалық полинуклеотид – аминоацил-тРНҚ. Мұндай инициаторлық белсенділікке кез келген аминоацил-тРНҚ емес, формилметионил-тРНҚ ие. Бұл затты алғаш рет 1964 жылы Ф.Сенгер мен К.Маркер бөліп алған. С.Бретчер және К.Маркер (1966) формилметионил-тРНҚ-ның инициаторлық қызметі оның рибосоманың пептидил орталығына жақындығы жоғарылауымен байланысты екенін көрсетті. Трансляцияны бастау үшін С.Очоа, Ф.Гро және басқа ғылыми орталықтардың зертханаларында оқшауланған кейбір ақуызды инициация факторлары да өте маңызды. Рибосомада бірінші пептидтік байланыс пайда болғаннан кейін трансляцияның өзі басталады, яғни полипептидтің С-ұшына аминоацил қалдығының дәйекті қосылуы. Аударма процесінің көптеген детальдарын К.Монро мен Дж.Бишоп (Англия), И.Рыхлик пен Ф.Шорм (Чехословакия), Ф.Липман, М.Бретчер, В.Гильберт (АҚШ) және басқа зерттеушілер зерттеді. 1968 жылы А.С.Спирин рибосоманың механизмін түсіндіру үшін түпнұсқа гипотезаны ұсынды. Трансляция кезінде тРНҚ мен мРНҚ-ның барлық кеңістіктік қозғалысын қамтамасыз ететін қозғаушы механизм рибосома суббөлшектерінің мерзімді ашылуы және жабылуы болып табылады. Аударманың аяқталуы оқуға болатын матрицаның өзінде кодталады, онда терминация кодондары бар. С.Бреннер (1965 - 1967) көрсеткендей, үштік UAA, UAG және UGA осындай кодондар болып табылады. М.Капеччи (1967) да белокты тоқтатудың арнайы факторларын анықтады. А.С.Спирин мен Л.П.Гаврилова белок факторларының қатысуынсыз рибосомаларда (1972 - 1975 ж.) «ферменттік емес» деп аталатын ақуыз синтезін сипаттады. Бұл жаңалық ақуыз биосинтезінің шығу тегі мен эволюциясын түсіну үшін маңызды.

Гендік және белок белсенділігінің реттелуі

Ақуыз синтезінің ерекшелігі мәселесінен кейін молекулалық биологияда белок синтезін реттеу мәселесі, немесе сол сияқты гендердің белсенділігін реттеу мәселесі бірінші орында тұрды.

Жасушалардың функционалдық теңсіздігі және онымен байланысты гендердің репрессиясы мен активтенуі генетиктердің назарын көптен бері аударып келеді, бірақ соңғы уақытқа дейін гендердің белсенділігін бақылаудың нақты механизмі белгісіз болып қалды.

Гендердің реттеушілік белсенділігін түсіндірудің алғашқы әрекеттері гистон белоктарын зерттеумен байланысты болды. Тіпті Стейдменнің жұбайлары * ХХ ғасырдың 40-жылдарының басында. бұл құбылыста негізгі рөлді гистондар атқара алады деп ұсынды. Кейіннен олар гистон белоктарының химиялық табиғатындағы айырмашылықтар туралы алғашқы анық мәліметтерді алды. Қазіргі уақытта бұл гипотезаны растайтын фактілердің саны жыл сайын артып келеді.

* (Э.Стедман, Э.Стедман. Жасуша ядроларының негізгі белоктары.- Философия. Транс. Рой. соц. Лондон, 1951, т. 235, 565 - 595.)

Сонымен бірге бәрі жинақталады Көбірекдеректер гендік белсенділікті реттеу ген бөлімдерінің гистон протеинінің молекулаларымен қарапайым әрекеттесуінен әлдеқайда күрделі процесс. 1960-1962 жж Хесин-Люри зертханасында фаг гендері бір мезгілде оқыла бастайтыны анықталды: Т2 фагының гендерін ерте гендерге бөлуге болады, олардың жұмыс істеуі инфекцияның алғашқы минуттарында орын алды. бактериялық жасуша, ал кейінгілері ерте гендердің жұмысын аяқтағаннан кейін мРНҚ синтездей бастады.

1961 жылы француз биохимигі Ф.Якоб пен Ж.Моно гендердің белсенділігін реттеу схемасын ұсынды, ол жалпы жасушаның реттеу механизмдерін түсінуде ерекше рөл атқарды. Джейкоб және Монод схемасы бойынша ДНҚ құрылымдық (ақпараттық) гендермен қатар гендер-реттеушілер мен ген-операторлардан тұрады. Реттеуші ген индукторға да, оператор геніне де қосыла алатын белгілі бір заттың – репрессордың синтезін кодтайды. Оператор гені құрылымдық гендермен байланысқан, ал реттеуші ген олардан біршама қашықтықта орналасқан. Егер ортада индуктор болмаса, мысалы, лактоза, онда реттеуші генмен синтезделген репрессор оператор генімен байланысады және оны блоктай отырып, бүкіл оперонның жұмысын (оператормен бірге құрылымдық гендердің блогы) өшіреді. бұл оларды басқарады). Бұл жағдайда фермент түзілмейді. Егер ортада индуктор (лактоза) пайда болса, онда реттеуші геннің өнімі репрессор лактозаға байланысып, блокты оператор генінен алып тастайды. Бұл жағдайда ферменттің синтезін кодтайтын құрылымдық геннің жұмысы мүмкін болады және фермент (лактоза) ортада пайда болады.

Джейкоб пен Монодтың пікірінше, бұл реттеу схемасы барлық бейімделгіш ферменттерге қатысты және репрессия кезінде де, ферменттің түзілуі реакция өнімінің артық мөлшерімен басылған кезде де, индукция кезінде де, субстрат енгізу кезінде ферменттің синтезі. Гендік белсенділікті реттеуді зерттегені үшін Джейкоб пен Монод 1965 жылы Нобель сыйлығына ие болды.

Бастапқыда бұл схема тым алыс көрінді. Алайда кейінірек бұл принцип бойынша гендердің реттелуі тек бактерияларда ғана емес, басқа организмдерде де жүретіні белгілі болды.

1960 жылдан бастап молекулярлық биологияда эукариоттық организмдердегі хроматиннің геномы мен құрылымын зерттеу маңызды орын алды (Дж. Боннер, Р. Бриттен, В. Олфри, П. Уолкер, Ю. С. Ченцов). , И.Б.Збарский және т.б.) және транскрипцияны реттеу (А.Мирский, Г.П. Георгиев, М. Бернстиль, Д. Голль, Р. Цанев, Р. И. Салганик). Ұзақ уақыт бойы репрессордың табиғаты белгісіз және даулы болып қалды. 1968 жылы М.Пташне (АҚШ) белоктың репрессор екенін көрсетті. Ол оны Дж.Уотсонның зертханасында бөліп алып, репрессордың шын мәнінде индукторға (лактозаға) жақындығы барын және сонымен бірге лак оперонының оператор генін «танатынын» және онымен арнайы байланысатынын анықтады.

Соңғы 5 - 7 жылда ген белсенділігінің басқа бақылаушы жасушасы - промотордың болуы туралы деректер алынды. Реттеуші генінде синтезделген өнім бекітілген оператор сайтының жанында - ақуыздық затрепрессор, басқа сайт бар, ол да гендік белсенділікті реттеу жүйесінің мүшелеріне жатқызылуы керек. Осы бөлімге тіркелген ақуыз молекуласыРНҚ полимераза ферменті. Промоторлық аймақта ДНҚ-дағы бірегей нуклеотидтер тізбегін және РНҚ-полимераза ақуызының ерекше конфигурациясын өзара тану керек. Промоторға іргелес оперон гендерінің берілген тізбегі бар генетикалық ақпаратты оқу процесін жүзеге асыру тану тиімділігіне байланысты болады.

Джейкоб пен Монод сипаттаған схемадан басқа жасушада гендерді реттеудің басқа механизмдері бар. Ф.Якоб пен С.Бреннер (1963) бактериялардың ДНҚ репликациясының реттелуі жасуша мембранасы арқылы белгілі бір жолмен басқарылатынын анықтады. Джейкобтың (1954 ж.) әртүрлі профагтарды индукциялау бойынша жүргізген тәжірибелері лизогендік бактериялар жасушасында әртүрлі мутагендік факторлардың әсерінен профаг генінің селективті репликациясы басталып, иесі геномының репликациясы бітеліп қалатынын нанымды түрде көрсетті. 1970 жылы Ф.Белл шағын ДНҚ молекулалары ядродан цитоплазмаға өтіп, сол жерде транскрипциялануы мүмкін екенін хабарлады.

Осылайша, геннің белсенділігін репликация, транскрипция және трансляция деңгейінде реттеуге болады.

Ферменттердің синтезін ғана емес, олардың белсенділігін де реттеуді зерттеуде айтарлықтай жетістіктерге қол жеткізілді. А.Новик пен Л.Сзилард жасушадағы ферменттердің белсенділігін реттеу құбылыстарын сонау 1950 жылдары көрсетті. Г.Умбаргер (1956) жасушада ферменттің белсенділігін басудың өте ұтымды тәсілі бар екенін анықтады. соңғы өнімкері байланыс реакцияларының тізбектері. Дж.Моно, Дж.Чандж, Ф.Джейкоб, А.Пурди және басқа зерттеушілер (1956 - 1960) бекіткеніндей, ферменттердің белсенділігін реттеуді аллостериялық принцип бойынша жүргізуге болады. Фермент немесе оның суббірлігі субстратқа жақындықтан басқа, реакция тізбегі өнімдерінің біріне ұқсастыққа ие. Мұндай сигнал өнімінің әсерінен фермент өзінің конформациясын активтілігін жоғалтатындай өзгертеді. Нәтижесінде ферментативті реакциялардың барлық тізбегі ең басында өшіріледі. Д.Виман және Р.Вудворд (1952; Нобель сыйлығының лауреаты, 1965) ферментативті реакциялардағы ақуыз конформациялық өзгерістерінің маңызды рөлін және белгілі бір мағынада аллостериялық әсердің болуын көрсетті.

Белоктардың құрылысы мен қызметі

Т.Осборн, Г.Гофмайстер, А.Гурбер, Ф.Шульц және т.б. аяғы XIXВ. Көптеген жануарлар мен өсімдік ақуыздары кристалды түрде алынған. Шамамен сол уақытта белгілі бір ақуыздардың молекулалық массалары әртүрлі физикалық әдістерді қолдану арқылы анықталды. Сонымен, 1891 жылы А.Сабанеев пен Н.Александров сопақ буминнің молекулалық салмағы 14000; 1905 жылы Э.Рид гемоглобиннің молекулалық салмағы 48000 екенін анықтады.Белоктардың полимерлі құрылымын 1871 жылы Г.Гласиветц пен Д.Габерман ашты. Белоктардағы жеке аминқышқылдары қалдықтарының пептидтік байланысы туралы идеяны Т.Кюртиус (1883) ұсынды. Амин қышқылдарының химиялық конденсациясы (Э. Шаал, 1871; Г. Шифф, 1897; Л. Балбиано және Д. Траскиатти, 1900) және гетерополипептидтердің синтезі (Э. Фишер, 1902 - 1907, Нобель сыйлығы, 1111) бойынша жұмыс. негізгі қағидаларының дамуына әкелді химиялық құрылымыбелоктар.

Бірінші кристалдық ферментті (уреазаны) 1926 жылы Дж. Самнер (Нобель сыйлығы, 1946 ж.), ал 1930 жылы Дж. Нортроп (Нобель сыйлығы, 1946) кристалды пепсинді алды. Осы жұмыстардан кейін ферменттердің белоктық сипатқа ие екендігі белгілі болды. 1940 жылы М.Куниц кристалды РНазды бөліп алды. 1958 жылға қарай 100-ден астам кристалдық ферменттер және 500-ден астам кристалдық емес ферменттер белгілі болды. Жеке белоктардың жоғары тазартылған препараттарын алу олардың бастапқы құрылымын және макромолекулярлық ұйымын ашуға ықпал етті.

Молекулярлық биологияның жалпы және адам генетикасының дамуы үшін, атап айтқанда, Л.Полингтің (1940) ауыр тұқым қуалайтын ауруы, орақ жасушалы анемиямен ауыратын адамдардың эритроциттерінен бөлініп алынған анормальды гемоглобин S-ды ашуының үлкен маңызы болды. 1955-1957 жж В.Инграм гемоглобин S-нің сілтімен және трипсинмен гидролиздену өнімдерін талдау үшін Ф.Сэнгер (қағаздағы хроматография кезінде жеке пептидтерден пайда болған дақтар) жасаған «саусақ ізі» әдісін қолданды. 1961 жылы Инграм гемоглобин S қалыпты гемоглобиннен тек бір амин қышқылы қалдығының табиғатында ерекшеленетінін хабарлады: қалыпты гемоглобинде глутамин қышқылының қалдығы тізбектің жетінші орнында, ал гемоглобин S-де валин қалдығы болады. Осылайша, Полингтің (1949) орақ жасушалы анемияның молекулалық сипаттағы ауру екендігі туралы болжамы толық расталды. Гемоглобин макромолекуласының әрбір жартысында бір ғана аминқышқылы қалдығының тұқым қуалайтын өзгерісі гемоглобиннің оттегінің төмен концентрациясында оңай еріу қабілетін жоғалтып, кристалдануын бастайды, бұл жасуша құрылымының бұзылуына әкеледі. Бұл зерттеулер ақуыздың құрылымы геномда кодталған аминқышқылдарының қатаң анықталған тізбегі екенін анық көрсетті. К.Анфинсеннің (1951) еңбектері макромолекуланың бірегей биологиялық белсенді конформациясын қалыптастырудағы белоктың біріншілік құрылымының ерекше маңыздылығын дәлелдеді. Анфинсен қалпына келтіру нәтижесінде жоғалатын панкреатиялық рибонуклеазаның биологиялық белсенді макроқұрылымы аминқышқылдарының ретімен алдын ала анықталғанын және цистеин қалдықтарының SH топтарының тотығуы кезінде қатаң түрде дисульфидті айқаспалы байланыстардың пайда болуымен өздігінен қайта пайда болуы мүмкін екенін көрсетті. ферменттің пептидтік тізбегінің анықталған орындары.

Бүгінгі күні әсер ету механизмі егжей-тегжейлі зерттелді. үлкен санферменттер мен көптеген белоктардың құрылымы анықталды.

1953 жылы Ф.Сэнгер инсулиннің аминқышқылдарының ретін белгіледі. : Бұл ақуыз екі дисульфидті айқаспалы байланыс арқылы қосылған екі полипептидтік тізбектен тұрады. Тізбектердің бірінде 21 ғана амин қышқылы қалдығы болса, екіншісінде 30 қалдық бар. Сэнгер бұл салыстырмалы түрде қарапайым ақуыздың құрылымын ашуға шамамен 10 жыл жұмсады. 1958 жылы осы тамаша зерттеуі үшін оған Нобель сыйлығы берілді. В.Стейн және С.Мур (1957) аминқышқылдарының автоматты анализаторын жасағаннан кейін белоктардың ішінара гидролизі өнімдерін анықтау айтарлықтай жеделдеді. 1960 жылы Стейн мен Мур бұл туралы хабарлады. олар пептидтік тізбегі 124 амин қышқылының қалдықтарымен ұсынылған рибонуклеазаның ретін анықтай алды. Сол жылы Тюбингендегі (Германия) Г.Шраммның зертханасында Ф.Андерер және т.б.ТМВ ақуызындағы аминқышқылдарының ретін анықтады. Содан кейін миоглобин (А.Эдмунсон) және адам гемоглобинінің α- және β-тізбегінде (Г.Брауницер, Э.Шредер және т.б.), жұмыртқа ақуызынан лизоцимде (Дж.Джоллет, Д.Кейфилд) аминқышқылдарының реті анықталды. . 1963 жылы Ф.Шорм және Б.Кейл (Чехословакия) химотрипсиноген молекуласындағы аминқышқылдарының ретін анықтады. Сол жылы трипсиногеннің аминқышқылдарының реттілігі анықталды (Ф.Шорм, Д.Уолш). 1965 жылы К.Такахаши Т1 рибонуклеазаның біріншілік құрылымын белгіледі. Содан кейін тағы бірнеше белоктар үшін аминқышқылдарының реті анықталды.

Белгілі болғандай, белгілі бір құрылымды анықтаудың дұрыстығының соңғы дәлелі оның синтезі болып табылады. 1969 жылы Р.Мерифильд (АҚШ) алғаш рет панкреатиялық рибонуклеазаның химиялық синтезін жүргізді. Мерифилд қатты фазалық тасымалдаушыда жасаған синтез әдісін қолдана отырып, Стейн мен Мур сипаттаған реттілікке сәйкес тізбекке бірінен соң бірі амин қышқылын қосты. Нәтижесінде ол панкреатиялық рибонуклеаза А-ға қасиеттері жағынан бірдей ақуыз алды. Рибонуклеазаның құрылымын ашқаны үшін В.Стейн, С.Мур және К.Анфинсен 1972 жылы Нобель сыйлығының лауреаты атанды. Бұл табиғи ақуыз синтезі алдын ала жоспарланған реттілікке сәйкес кез келген ақуызды құру мүмкіндігін көрсете отырып, үлкен перспективаларды ашады.

У.Астберидің (1933) рентгендік зерттеулерінен белок молекулаларының пептидтік тізбектері қандай да бір қатаң анықталған жолмен бұралған немесе қабаттасатыны анықталды. Сол уақыттан бері көптеген авторлар белок тізбектерінің қатпарлану жолдары туралы әртүрлі гипотезаларды білдірді, бірақ 1951 жылға дейін барлық модельдер эксперименттік деректерге сәйкес келмейтін алыпсатарлық конструкциялар болып қала берді. 1951 жылы Л.Полинг пен Р.Кори белоктардың екінші реттік құрылымының теориясы, α-спираль теориясы түпкілікті тұжырымдалған тамаша еңбектер сериясын жариялады. Сонымен қатар, белоктардың да үшінші реттік құрылымы бар екені белгілі болды: пептидтік тізбектің α-спиралы біршама жинақы құрылым құра отырып, белгілі бір жолмен бүктелуі мүмкін.

1957 жылы Дж.Кендрю және оның әріптестері алғаш рет миоглобин құрылымының үш өлшемді моделін ұсынды. Бұл модель 1961 жылы пайда болғанға дейін бірнеше жыл бойы жетілдірілді қорытынды жұмысосы ақуыздың кеңістіктік құрылымының сипаттамасымен. 1959 жылы М.Перуц және оның әріптестері гемоглобиннің үш өлшемді құрылымын анықтады. Зерттеушілер бұл жұмысқа 20 жылдан астам уақыт жұмсады (гемоглобиннің алғашқы рентгендік сәулелерін 1937 жылы Перуц алған). Гемоглобин молекуласы төрт суббірліктен тұратындықтан, оның ұйымын ашқандықтан, Перуц алдымен белоктың төрттік құрылымын сипаттады. Белоктардың үш өлшемді құрылымын анықтаудағы жұмыстары үшін Кендру мен Перуц 1962 жылы Нобель сыйлығымен марапатталды.

Перуцтің гемоглобин құрылымының кеңістіктік моделін құруына РҰҚСАТ БЕРІЛДІ. жануарлар жасушаларында оттегінің тасымалдануын жүзеге асыратын белгілі белоктың жұмыс істеу механизмін түсінуге жақындау. Сонау 1937 жылы Ф.Гауровиц гемоглобиннің оттегімен, ауамен әрекеттесуі белок құрылымының өзгеруімен қатар жүруі керек деген қорытындыға келді. 1960 жылдары Перуц және оның әріптестері гемоглобин тізбегінде оның тотығуынан кейін оттегімен байланысу нәтижесінде темір атомдарының ығысуынан туындаған елеулі ығысуын анықтады. Осы негізде белок макромолекулаларының «тыныс алуы» туралы идеялар қалыптасты.

1960 жылы Д.Филлипс және оның әріптестері лизоцим молекуласының рентгендік дифракциялық зерттеулерін бастады. 1967 жылға қарай олар осы ақуыздың ұйымдасуының егжей-тегжейлерін және оның молекуласындағы жеке атомдардың локализациясын анықтай алды. Сонымен қатар Филлипс субстратқа (триацетилглюкозамин) лизоцимнің қосылу сипатын анықтады. Бұл осы ферменттің механизмін қайта құруға мүмкіндік берді. Сонымен, біріншілік құрылымы мен макромолекулярлық ұйымын білу көптеген ферменттердің белсенді орталықтарының табиғатын анықтауға ғана емес, сонымен бірге осы макромолекулалардың қызмет ету механизмін толық ашуға мүмкіндік берді.

Электрондық микроскопиялық әдістерді қолдану коллаген, фибриноген, жиырылғыш бұлшықет фибрилдері және т.б. сияқты күрделі белок түзілімдерінің макромолекулярлық ұйымдасу принциптерін ашуға көмектесті. 1950 жылдардың аяғында бұлшықеттің жиырылу аппаратының үлгілері ұсынылды. Бұлшықеттің жиырылуының механизмін түсіну үшін В.А.Энгельгардт пен М.Н.Любимованың (1939) миозиннің АТФаза белсенділігін ашуының ерекше маңызы болды. Бұл бұлшықеттің жиырылу актісі аденозин үшфосфор қышқылының әсерінен жиырылғыш ақуыздың физикалық-химиялық қасиеттері мен макромолекулярлық ұйымының өзгеруіне негізделгенін білдірді (сонымен қатар 11 тарауды қараңыз).

Вирусологиялық зерттеулер биологиялық құрылымдарды жинақтау принциптерін түсіну үшін маңызды болды (25-тарауды қараңыз).

Шешілмеген мәселелер

Қазіргі молекулярлық биологияның негізгі жетістіктеріне негізінен нуклеин қышқылдарын зерттеу нәтижесінде қол жеткізілді. Дегенмен, бұл салада да барлық мәселелер шешілген. Атап айтқанда, геномның барлық нуклеотидтер тізбегін дешифрлеу үшін үлкен күш қажет болады. Бұл мәселе, өз кезегінде, ДНҚ гетерогенділігі мәселесімен тығыз байланысты және жасушаның жалпы генетикалық материалынан жеке молекулаларды бөлшектеудің және оқшаулаудың жаңа жетілдірілген әдістерін жасауды талап етеді.

Осы уақытқа дейін күш-жігер негізінен белоктар мен нуклеин қышқылдарын бөлек зерттеуге бағытталған. Жасушада бұл биополимерлер бір-бірімен тығыз байланыста және негізінен нуклеопротеидтер түрінде қызмет етеді. Сондықтан белоктар мен нуклеин қышқылдарының өзара әрекеттесуін зерттеу қажеттілігі қазіргі уақытта ерекше өткір болды. Нуклеин қышқылдарының белгілі бір бөлімдерін белоктар арқылы тану мәселесі бірінші орынға шығарылады. Осы биополимерлердің өзара әрекеттесуін зерттеуге бағытталған қадамдар қазірдің өзінде белгіленген, онсыз хромосомалардың, рибосомалардың және басқа құрылымдардың құрылымы мен функцияларын толық түсіну мүмкін емес. Онсыз гендердің белсенділігін реттеуді түсіну және ақуыз синтездеу механизмдерінің жұмысының принциптерін шешу мүмкін емес. Джейкоб пен Монодтың жұмыстарынан кейін ядролық материал синтезіндегі мембраналардың реттеушілік маңызы туралы кейбір жаңа деректер пайда болды. Бұл ДНҚ репликациясын реттеудегі мембраналардың рөлін тереңірек зерттеу мәселесін қояды. Жалпы алғанда гендердің белсенділігін және жалпы жасуша белсенділігін реттеу мәселесі қазіргі молекулярлық биологияның маңызды мәселелерінің біріне айналды.

Биофизиканың қазіргі жағдайы

Молекулалық биология мәселелерімен тығыз байланыста биофизиканың дамуы жалғасты. Биологияның бұл саласына деген қызығушылық, бір жағынан, әртүрлі сәулелердің ағзаға әсерін жан-жақты зерттеу қажеттілігімен, екінші жағынан, физикалық және молекулалық деңгейде болатын тіршілік құбылыстарының физика-химиялық негіздері.

Молекулярлық құрылымдар және оларда болып жатқан процестер туралы нақты ақпарат алу жаңа физикалық және химиялық әдістерді қолдану нәтижесінде мүмкін болды. Электрохимия жетістіктері негізінде ион-селективті электродтарды қолдану арқылы биоэлектрлік потенциалдарды өлшеу әдісін жетілдіру мүмкін болды (Г.Эйзенман, Б.П. Никольский, Хури, 50-60 ж.). Белоктардың конформациялық өзгерістерін зерттеуге мүмкіндік беретін инфрақызыл спектроскопия (лазерлік құрылғыларды қолдану арқылы) барған сайын практикаға енуде (И. Плотников, 1940). Сондай-ақ, құнды ақпарат электронды парамагниттік резонанс әдісі (Е. К. Завойский, 1944) және биохимилюминесценттік әдіс (Б. Н. Тарусов және т.б., 1960) арқылы, атап айтқанда, тотығу процестері кезінде электрондардың тасымалдануын бағалауға мүмкіндік береді.

1950 жылдарға қарай биофизика күшті позицияға ие болды. Білікті мамандарды дайындау қажет. Егер 1911 жылы Еуропада тек Венгриядағы Печ университетінде биофизика кафедрасы болса, 1973 жылға қарай мұндай кафедралар барлық ірі университеттерде дерлік бар.

1960 жылы биофизиктердің халықаралық қоғамы ұйымдастырылды. 1961 жылы тамызда Стокгольмде бірінші Халықаралық биофизикалық конгресс өтті. Екінші конгресс 1965 жылы Парижде, үшінші конгресс 1969 жылы Бостонда, төртінші съезд 1972 жылы Мәскеуде өтті.

Биофизикада әртүрлі мазмұндағы екі саланың – молекулалық биофизика мен жасушалық биофизиканың арасында айқын айырмашылық бар. Бұл ерекшелік ұйымдық өрнекті де алады: биофизиканың осы екі саласының жеке бөлімдері құрылуда. Мәскеу университетінде 1953 жылы биология және топырақтану факультетінде бірінші биофизика кафедрасы құрылды, ал сәл кейінірек физика факультетінде биофизика кафедрасы пайда болды. Басқа көптеген университеттерде кафедралар дәл осындай принцип бойынша ұйымдастырылды.

Молекулалық биофизика

Соңғы жылдары молекулалық биофизика мен молекулалық биология арасындағы байланыс барған сайын нығая түсті және қазіргі уақытта олардың арасындағы бөлу сызығының қай жерде орналасқанын анықтау қиынға соғады. Тұқым қуалайтын ақпарат мәселесіне жалпы шабуылда биофизика мен молекулалық биология арасындағы мұндай ынтымақтастық сөзсіз.

негізгі бағыты зерттеу жұмысынуклеин қышқылдары – ДНҚ және РНҚ физикасын зерттейді. Жоғарыда аталған әдістерді қолдану және ең алдымен рентгендік дифракциялық талдау нуклеин қышқылдарының молекулалық құрылымын ашуға ықпал етті. Қазіргі уақытта бұл қышқылдардың ерітінділердегі әрекетін зерттеу бойынша қарқынды зерттеулер жүргізілуде. Тұтқырлықтың, оптикалық және электрлік параметрлердің өзгеруімен зерттелетін «спиралды-орамдық» конформациялық ауысуларға ерекше назар аударылады. Мутагенез механизмдерін зерттеуге байланысты иондаушы сәулеленудің ерітінділердегі нуклеин қышқылдарының әрекетіне әсерін, сондай-ақ сәулеленудің вирустар мен фагтардың нуклеин қышқылдарына әсерін зерттеуге арналған зерттеулер әзірленуде. Кейбір спектрлік аймақтары нуклеин қышқылдарымен жақсы сіңетіні белгілі ультракүлгін сәулеленудің әсері жан-жақты талдаудан өтті. Үлкен үлес салмағыЗерттеудің бұл түрі электронды парамагниттік резонанс әдісімен нуклеин қышқылдары мен ақуыздардың белсенді радикалдарын анықтау болып табылады. Бұл әдісті қолдану арқылы тұтас тәуелсіз бағыттың пайда болуы байланысты.

ДНҚ және РНҚ ақпаратын кодтау және оның белок синтезі кезінде берілуі мәселесі молекулалық биофизиканы бұрыннан қызықтырды және физиктер бұл мәселеге қатысты белгілі бір ойларды бірнеше рет білдірді (Э.Шредингер, Г.Гамов). Генетикалық кодты ашу ДНҚ спиралының құрылымы, оның жіптерінің сырғу және бұралу механизмі, зерттеу бойынша көптеген теориялық және эксперименттік зерттеулерді тудырды. физикалық күшосы процестерге қатысады.

Молекулярлық биофизика молекулалық биологияға ақуыз молекулаларының құрылымын рентгендік дифракциялық талдаудың көмегімен зерттеуде айтарлықтай көмек көрсетеді, оны алғаш рет 1930 жылы Дж.Бернал қолданған. Физикалық әдістерді биохимиялық (ферменттік әдістермен) біріктіріп қолдану нәтижесінде бірқатар белоктардың молекулалық конформациясы мен аминқышқылдарының орналасу реті анықталды.

Жасушалар мен оның органеллаларында күрделі мембраналық жүйелердің болуын анықтаған заманауи электронды микроскопиялық зерттеулер олардың молекулалық құрылымын түсіну әрекеттерін ынталандырды (10 және 11 тарауларды қараңыз). In vivo зерттелген Химиялық құрамымембраналар және, атап айтқанда, олардың липидтерінің қасиеттері. Соңғыларының шамадан тыс тотығуға және тізбекті тотығудың ферментативті емес реакцияларына қабілетті екені анықталды (Ю.А.Владимиров және Ф.Ф.Литвин, 1959; Б.Н.Тарусов және т.б., 1960; И.И. Иванов, 1967), мембрана дисфункциясының бұзылуына әкеледі. Мембраналардың құрамын зерттеу үшін математикалық модельдеу әдістері де қолданыла бастады (В. Ц. Пресман, 1964 - 1968; М. М. Шемякин, 1967; Ю. А. Овчинников, 1972).

Жасуша биофизикасы

50-жылдары термодинамика туралы нақты түсініктердің қалыптасуы биофизика тарихындағы маңызды оқиға болды. биологиялық процестер, нәтижесінде термодинамиканың екінші заңына қайшы тірі жасушаларда энергияның тәуелсіз генерациялану мүмкіндігі туралы болжамдар ақыры жойылды. Бұл заңның биологиялық жүйелердегі жұмысын түсіну бельгиялық ғалым И.Пригожиннің (1945)* биологиялық термодинамикаға тұжырымдамасын енгізуімен байланысты. ашық жүйелерқоршаған ортамен энергия мен зат алмасады. Пригожин термодинамиканың екінші заңына сәйкес жұмыс процестері кезінде тірі жасушаларда оң энтропия түзілетінін көрсетті. Ол енгізген теңдеулер стационар деп аталатын жағдайдың (бұрын оны динамикалық тепе-теңдік деп те атайтын) пайда болу шарттарын анықтады, бұл жағдайда шама бос энергия(негентропия) жасушаларға тағаммен бірге түсетін оның тұтынуын өтейді, ал оң энтропия шығарылады. Бұл жаңалық жасушалардың сыртқы және ішкі ортасы арасындағы ажырамас байланыс туралы жалпы биологиялық идеяны нығайтты. Ол тірі жүйелердің термодинамикасын, соның ішінде модельдеу әдісін нақты зерттеудің бастауын белгіледі (А. Бертон, 1939; А. Г. Пасынский, 1967).

* (жалпы теорияашық жүйелерді алғаш рет 1932 жылы Л.Берталанфи ұсынған.)

Биотермодинамиканың негізгі принципіне сәйкес, қажетті жағдайТіршіліктің болуы оның биохимиялық процестерінің дамуында стационарлық болып шығады, оны жүзеге асыру үшін көптеген метаболикалық реакциялардың жылдамдығын үйлестіру қажет. Жаңа биофизикалық термодинамика негізінде реакциялардың осы координациясын қамтамасыз ететін және оны тұрақты ететін сыртқы және ішкі факторларды бөліп көрсететін тенденция пайда болды. Соңғы екі онжылдықта ингибиторлар және әсіресе антиоксиданттар жүйесінің стационарлық жағдайын сақтауда үлкен рөл анықталды (Б. Н. Тарусов және А. И. Журавлев, 1954, 1958). Стационарлық дамудың сенімділігі қоршаған орта факторларымен (температура) және жасуша ортасының физика-химиялық қасиеттерімен байланысты екені анықталды.

Биотермодинамиканың қазіргі принциптері бейімделу механизміне физика-химиялық түсініктеме беруге мүмкіндік берді. Біздің мәліметтеріміз бойынша, қоршаған орта жағдайларына бейімделу, егер олар өзгерген кезде, организм биологиялық дамуда стационарлық орната алса ғана болады. химиялық реакциялар(Б. Н. Тарусов, 1974). Стационарлық жағдайды in vivo бағалауға және оның мүмкін болатын бұзушылықтарын болжауға мүмкіндік беретін жаңа әдістерді әзірлеу мәселесі туындады. Биотермодинамикаға өзін-өзі реттейтін жүйелердің кибернетикалық принциптерін енгізу және биологиялық бейімделу процестерін зерттеу үлкен пайда әкеледі. Стационарлық күйдің тұрақтылығы мәселесін шешу үшін, атап айтқанда, липидтердің тотығуының ферментативті емес реакцияларын қамтитын қоздырғыш факторлар деп аталатындарды ескеру маңызды екені белгілі болды. IN Соңғы уақыттірі жасушалардың липидті фазаларындағы тотығу процестерін және мембраналардың реттеуші қызметін бұзатын белсенді радикал өнімдерінің өсуін зерттеу барған сайын кеңейіп келеді. Бұл процестер туралы ақпарат көзі белсенді пероксид радикалдарын да, биолипидтердің асқын тотығы қосылыстарын анықтау болып табылады (А. Таппель, 1965; И. И. Иванов, 1965; Е. Б. Бурлакова, 1967 және т.б.). Радикалдарды анықтау үшін тірі жасушалардың липидтерінде олардың рекомбинациясы кезінде пайда болатын биохимилюминесценция қолданылады.

Стационарлық күйдің тұрақтылығы туралы физика-химиялық идеялар негізінде өсімдіктердің ингибиторлық антиоксиданттық жүйелердің бұзылуы ретінде қоршаған орта жағдайларының өзгеруіне бейімделуі туралы биофизикалық идеялар пайда болды (Б. Н. Тарусов, Я. Е. Доскоч, Б. М. Китлаев, А. М. Агавердиев, А. М. 1968 - 1972). Бұл аязға төзімділік пен тұзға төзімділік сияқты қасиеттерді бағалауға, сондай-ақ ауыл шаруашылығы өсімдіктерін таңдауда тиісті болжамдар жасауға мүмкіндік ашты.

1950 жылдары ультра әлсіз жарқырау ашылды - спектрдің көрінетін және инфрақызыл бөліктеріндегі бірқатар биологиялық объектілердің биохимилюминесценциясы (Б. Н. Тарусов, А. И. Журавлев, А. И. Поливода). Бұл фотокөбейткіштердің көмегімен өте әлсіз жарық ағындарын тіркеу әдістерін жасау нәтижесінде мүмкін болды (Л. А. Кубецкий, 1934). Тірі жасушада болатын биохимиялық реакциялардың нәтижесі болып табылатын биохимилюминесценция ферменттер арасындағы электрон тасымалдау тізбектеріндегі маңызды тотығу процестерін бағалауға мүмкіндік береді. Биохимилюминесценцияның ашылуы мен зерттелуінің теориялық және практикалық маңызы зор. Осылайша, Б.Н.Тарусов пен Ю. иондаушы сәулелену, канцерогенез және басқа да бұзылулармен қалыпты функцияларжасушалар.

1950 жылдары ядролық физиканың қарқынды дамуына байланысты биофизикадан радиобиология пайда болды. биологиялық әрекетиондаушы сәулелену. Жасанды радиоактивті изотоптарды алу, термоядролық қару жасау, ядролық реакторларжәне атом энергиясын практикалық пайдаланудың басқа нысандарының дамуы организмдерді одан қорғау мәселесін өзінің барлық өткірлігімен қойды. зиянды әсериондаушы сәулелену, дамуы теориялық негіздерісәулелік аурудың алдын алу және емдеу. Ол үшін ең алдымен жасушаның қай компоненттері мен метаболизм буындары ең осал екенін анықтау қажет болды.

Биофизика мен радиобиологияның зерттеу объектісі радиациялық энергияның әсерінен тірі субстраттарда болатын алғашқы химиялық реакциялардың табиғатын түсіндіру болды. Мұнда бұл құбылыстың механизмдерін түсіну ғана емес, сонымен қатар физикалық энергияның химиялық энергияға алмасу процесіне әсер ете білу, оның «пайдалы» әсер ету коэффициентін азайту маңызды болды. Бұл бағыттағы жұмыс КСРО-дағы Н.Н.Семенов (1933) және Англиядағы Д.Хиншельвуд (1935) мектебінің зерттеулерімен басталды.

Радиобиологиялық зерттеулерде әртүрлі организмдердің радиацияға төзімділік дәрежесін зерттеу маңызды орын алды. Радиорезистенттіктің жоғарылауы (мысалы, шөлді кеміргіштерде) жасуша мембранасының липидтерінің жоғары антиоксиданттық белсенділігіне байланысты екені анықталды (М. Чанг және т.б., 1964; Н. К. Огрызов және т.б., 1969). Бұл жүйелердің антиоксиданттық қасиеттерін қалыптастыруда токоферолдар, К витамині және тио қосылыстары маңызды рөл атқаратыны анықталды (И.И. Иванов және т.б., 1972). Соңғы жылдары мутагенездің механизмдерін зерттеу де көп көңіл бөлді. Осы мақсатта нуклеин қышқылдары мен ақуыздардың in vitro, сондай-ақ вирустар мен фагтардың әрекетіне иондаушы сәулеленудің әсері зерттеледі (А. Густафсон, 1945 - 1950).

Химиялық қорғаудың тиімділігін одан әрі арттыру үшін күрес, неғұрлым тиімді ингибиторлар мен тежеу ​​принциптерін іздеу осы бағыттағы биофизиканың негізгі міндеттері болып қала береді.

Биополимерлердің жоғары химиялық белсенділігін анықтайтын қозу күйлерін зерттеуде прогреске қол жеткізілді. Ең сәттісі фотобиологиялық процестердің бастапқы сатысында пайда болатын қозу күйлерін зерттеу болды - фотосинтез және көру.

Осылайша, өсімдік пигменттік жүйелерінің молекулаларының бастапқы активтенуін түсінуге қатты үлес қосылды. Қозған күйлердің энергиясын белсендірілген пигменттерден басқа субстраттарға жоғалтпай берудің (миграциясының) үлкен маңызы анықталды. Бұл идеяларды дамытуда А.Н.Терениннің (1947 және одан кейінгі) теориялық еңбектері үлкен рөл атқарды. А.А.Красновский (1949) хлорофилл мен оның аналогтарының қайтымды фотохимиялық тотықсыздану реакциясын ашып, зерттеді. Енді жақын болашақта жасанды жағдайларда фотосинтезді көбейту мүмкін болады деген жалпы пікір бар (сонымен қатар 5 тарауды қараңыз).

Биофизиктер бұлшықеттердің жиырылуы мен механизмдерінің табиғатын ашу бойынша жұмысын жалғастыруда жүйке толқуыжәне мінез-құлық (11-тарауды қараңыз). Қозған күйден қалыпты күйге өту механизмдерін зерттеу де қазіргі маңыздылыққа ие болды. Қозған күй қазір автокаталитикалық реакцияның нәтижесі ретінде қарастырылады, ал тежелу токоферол сияқты қосылыстардың молекулалық қайта құрылуы нәтижесінде тежеуші антиоксиданттық белсенділіктің күрт мобилизациясының салдары ретінде қарастырылады (И. И. Иванов, О. Р. Колс, 1966; О. Р. Колс, 1970).

Биофизиканың ең маңызды жалпы мәселесі тірі материяның сапалы физикалық және химиялық ерекшеліктерін білу болып қала береді. Тірі биополимерлердің калийді таңдамалы түрде байланыстыру немесе поляризациялау қабілеті сияқты қасиеттер электр тоғы, оны денеден өте мұқият алып тастаумен де сақтау мүмкін емес. Сондықтан жасуша биофизикасы тірі материяны өмір бойы зерттеудің критерийлері мен әдістерін қарқынды түрде дамытуды жалғастыруда.

Молекулярлық биологияның жастығына қарамастан, оның осы саладағы жетістіктері шынымен таң қалдырады. Салыстырмалы түрде қысқа мерзімде геннің табиғаты және оның ұйымдастырылуының, көбеюінің және қызмет етуінің негізгі принциптері белгіленді. Оның үстіне гендердің in vitro репродукциясы ғана жүргізіліп қоймай, сонымен бірге геннің өзін толық синтездеу де алғаш рет аяқталды. Генетикалық код толығымен ашылып, белок биосинтезінің ерекшелігінің ең маңызды биологиялық мәселесі шешілді. Жасушадағы ақуыздың түзілу механизмдері мен негізгі жолдары анықталып, зерттелді. Көптің бастапқы құрылымы тасымалдау РНҚ- нуклеиндік шаблондардың тілін синтезделген ақуыздың аминқышқылдарының тізбегінің тіліне аударатын арнайы адаптер молекулалары. Көптеген белоктардың аминқышқылдарының тізбегі толығымен ашылды және олардың кейбіреулерінің кеңістіктік құрылымы анықталды. Бұл фермент молекулаларының қызмет ету принципі мен егжей-тегжейлерін түсіндіруге мүмкіндік берді. Ферменттердің бірі рибонуклеазаның химиялық синтезі жүргізілді. Әртүрлі субклеткалық бөлшектердің, көптеген вирустар мен фагтардың ұйымдасуының негізгі принциптері белгіленіп, олардың жасушадағы биогенезінің негізгі жолдары ашылды. Гендердің белсенділігін реттеу жолдарын түсіну және тіршілік әрекетінің реттеуші механизмдерін түсіндіру тәсілдері ашылды. Бұл ашылулардың қарапайым тізімі 20 ғасырдың екінші жартысы екенін көрсетеді. биологиядағы орасан зор прогреспен ерекшеленді, бұл ең алдымен биологиялық маңызды макромолекулалардың – нуклеин қышқылдары мен белоктардың құрылымы мен қызметтерін терең зерттеуге байланысты.

Молекулярлық биологияның жетістіктері бүгінде тәжірибеде қолданылуда және медицинада, ауыл шаруашылығында және кейбір салаларда нақты нәтижелер береді. Бұл ғылымның қайтарымы күн сайын арта түсетіні сөзсіз. Дегенмен, негізгі нәтиже әлі де молекулярлық биология жетістіктерінің әсерінен өмірдің ең құпия құпияларын ашу жолында шексіз мүмкіндіктердің бар екеніне сенімділік күшейе түскенін ескеру керек.

Болашақта, шамасы, материя қозғалысының биологиялық түрін зерттеудің жаңа жолдары ашылады – биология молекулалық деңгейден атомдық деңгейге өтеді. Дегенмен, қазір молекулалық биологияның дамуын алдағы 20 жылда да нақты болжайтын бірде-бір зерттеуші жоқ шығар.

сұхбат

Пирогов Сергей – 2012 жылы «Піл мен Жираф» ұйымдастырған биология пәнінен олимпиадаға дайындыққа қатысушы.
Биологиядан Халықаралық Универсиаданың жеңімпазы
Ломоносов» олимпиадасының жеңімпазы
Облыстық кезең жеңімпазы Бүкілресейлік олимпиадабиология пәнінен 2012 ж
Мәскеу мемлекеттік университетінде оқиды. М.В. Ломоносов атындағы биология факультетінде: молекулалық биология кафедрасы, 6 курс студенті. Молекулалық генетика институтының Жануарлардың биохимиялық генетикасы зертханасында жұмыс істейді.

– Серёжа, оқырмандардың сұрақтары болса, сізге қоя алады ма?

Иә, әрине, сіз бірден сұрақ қоя аласыз. Бұл салада:

Сұрақ қою үшін осы жерді басыңыз.

– Әңгімені мектептен бастайық, сізде керемет мектеп болған жоқ па?

Мен Мәскеудің өте әлсіз мектебінде, сондай орташа орта мектепте оқыдым. Рас, бізде Мәскеу көркем театрында тамаша мұғалім болды, соның арқасында бізде мектептің негізінен номиналды «өнер тарихы» бағыты болды.

-Биология ше?

Біздің биология пәнінің мұғалімі өте егде тартқан, керең, өткір әйел болатын, бәрі одан қорқады. Бірақ оның пәніне деген сүйіспеншілік қосылмады. Мен бала кезімнен, бес жасымнан биологияға құмар болдым. Мен барлығын өзім оқыдым, негізінен анатомия мен зоология пәндерімен айналыстым. Сондықтан мектеп заттарыөз мүдделеріме параллель болды. Олимпиада бәрін өзгертті.

- Ол туралы көбірек айтып берші.

7-сыныпта мен муниципалды кезеңге алғаш рет қатыстым (әрине, бірден барлық пәндер бойынша, өйткені мен мұғалімдердің жіберуіне негіз болған жалғыз оқушы болдым). Және ол биологиядан жеңіске жетті. Содан кейін мектеп мұны күлкілі, бірақ өте қызықты емес факт ретінде қарастырды.

- Бұл сізге мектепте көмектесті ме?

Жақсы оқығаныма қарамастан, мен биология пәнінің мұғалімінен «пияз кесіндісінің сызбасында тамыры сұр емес, қоңыр түске боялу керек» деген сияқты ұқыптылықпен жиі алғаным есімде. Мұның бәрі өте көңілсіз болды. 8-сыныпта тағы да олимпиадаға бардым, бірақ қандай да бір себептермен мені биологиядан жібермеді. Бірақ басқа пәндерден жеңімпаз және жүлдегер атанды.

-9-сыныпта не болды?

9-сыныпта аудандық кезеңге өткен жоқпын. Дәл сол жерде мен күтпеген жерден әлсіз, шекаралық ұпай жинадым, бірақ ол облыстық кезеңге өтті. Оның күшті ынталандырушы күші болды - мен қаншалықты білмейтінімді және мұның барлығын қанша адам білетінін түсіну (ұлттық масштабта қанша адам бар екенін елестетуден қорықтым).

- Қалай дайындалғаныңызды айтыңыз.

Қарқынды өз бетінше оқу, кітап дүкендеріне бару және өткен жылғы мыңдаған тапсырмалар емдік әсер етті. Мен теория бойынша ең жоғары ұпайлардың бірін жинадым (бұл мен үшін де күтпеген жағдай болды), практикалық кезеңге өттім ... және одан өте алмадым. Ол кезде практикалық кезеңнің барын да білмедім.

– Олимпиада сізге әсер етті ме?

Менің өмірім түбегейлі өзгерді. Мен көптеген басқа олимпиадалар туралы білдім, әсіресе мен СБО-ға ғашық болдым. Кейіннен ол көпті көрсетті жақсы нәтижелер, кейбіреулері жеңіп, «Ломоносовскаяның» арқасында емтихансыз түсу құқығын алды. Сонымен бірге мен әлі күнге дейін біркелкі емес тыныс алатын өнер тарихынан олимпиадаларды жеңдім. Рас, ол практикалық турлармен дос болмады. 11-сыныпта мен соңғы кезеңге жеттім, бірақ Fortune қолайлы болмады, бұл жолы теориялық кезеңнің жауап матрицасын толтыруға уақыт болмады. Бірақ бұл практикалық туралы тым көп алаңдамауға мүмкіндік берді.

- Сіз көптеген олимпиадаларды кездестірдіңіз бе?

Иә, менің ой-өрісім кеңейген құрдастарымның ортасында жолым болды деп әлі де ойлаймын. Олимпиаданың екінші жағы пәнді үйлесімді оқуға ынталандырумен қатар, олимпиадалармен танысу болды. Қазірдің өзінде сол кезде мен көлденең байланыс кейде тік байланысқа қарағанда пайдалырақ екенін байқадым - оқу лагеріндегі мұғалімдермен.

– Университетке қалай түстіңіз? Сіз факультетті таңдадыңыз ба?

11-сыныптан кейін Мәскеу мемлекеттік университетінің биология факультетіне оқуға түстім. Менің сол кездегі жолдастарымның көпшілігі ФББ пайдасына таңдау жасады, бірақ бұл жерде менің Бүкілресейлік жеңімпаз атанбағаным басты рөл атқарды. Сондықтан мен математикадан ішкі емтихан тапсыруым керек еді, және онда, әсіресе мектепте - мен жоғарыға ғашық болдым - мен күшті емес едім. Мектепте дайындық өте нашар болды (тіпті С бөліміне түгелдей дерлік дайын болмадық). Қызығушылықтар бойынша, сол кездің өзінде мен, сайып келгенде, қабылдау орнына қарамастан, кез келген нәтижеге жетуге болатынын болжадым. Кейінірек, негізінен ылғалды биологияға ауысқан көптеген FBB түлектері бар екені белгілі болды және керісінше - көптеген жақсы биоинформатиктер әуесқой ретінде басталды. Осы кезде маған биология факультетіндегі контингент ФББшныйға ұқсамайтындай көрінді. Бұл жерде мен, әрине, қателестім.

Сіз білдіңіз бе?

Қызықты

Сіз білдіңіз бе?

Қызықты

«Піл мен Жираф» лагерінде биохимия және молекулалық биология пәндері бойынша ауысымдар өткізіледі, мұнда мектеп оқушылары Мәскеу мемлекеттік университетінің тәжірибелі оқытушыларымен бірге тәжірибелер жасап, олимпиадаларға дайындалады.

© Сұхбаттасқан Решетов Денис. Фотосуреттерді Сергей Пирогов сыйлады.

Молекулалық биология,биологиялық объектілер мен жүйелерді молекулалық деңгейге жақындайтын, ал кейбір жағдайларда осы шекке жететін деңгейде зерттеу арқылы тіршілік құбылыстарының табиғатын білуді өзіне міндет етіп қоятын ғылым. Бұл жағдайда түпкі мақсат – тұқымқуалаушылық, өз түрінің көбеюі, белок биосинтезі, қозғыштық, өсу мен даму, ақпаратты сақтау және беру, энергияның өзгеруі, қозғалғыштық сияқты тіршілікке тән көріністерді қалай және қаншалықты дәрежеде нақтылау. т.б. , биологиялық маңызды заттардың молекулаларының құрылымына, қасиеттеріне және өзара әрекеттесуіне, ең алдымен жоғары молекулалы биополимерлердің екі негізгі класына – белоктар мен нуклеин қышқылдарына байланысты. М.б.-ның айрықша белгісі. - жансыз объектілердегі немесе тіршіліктің ең қарапайым көріністерімен сипатталатын тіршілік құбылыстарын зерттеу. Бұлар биологиялық түзілістержасуша деңгейінен және одан төмен: оқшауланған жасуша ядролары, митохондриялар, рибосомалар, хромосомалар, жасуша мембраналары сияқты жасуша асты органеллалар; одан әрі – жанды және жансыз табиғаттың шекарасында тұрған жүйелер – вирустар, соның ішінде бактериофагтар және тірі заттың ең маңызды құрамдас бөліктері – нуклеин қышқылдары мен белоктардың молекулаларымен аяқталады.

М.ның дамуының негізін генетика, биохимия, элементар процестер физиологиясы және т.б ғылымдар салды.Оның даму бастауларына сәйкес М.б. ажырағысыз байланысты молекулалық генетика, ол маңызды бөлігі болып қала береді

М.б.-ның айрықша белгісі. оның үш өлшемділігі болып табылады. М.б. мәні. М.Перуц оны биологиялық функцияларды молекулалық құрылым тұрғысынан түсіндіруде көреді. М. б. молекуланың бүкіл құрылымының рөлі мен қатысуының мәнін біле отырып, «қалай» деген сұраққа жауап алуды мақсат етеді және бір жағынан байланысын анықтай отырып, «неге» және «неліктен» сұрақтарына жауап алуды мақсат етеді. молекуланың қасиеттері (қайтадан, ең алдымен белоктар мен нуклеин қышқылдары) мен оның атқаратын қызметтері арасындағы және екінші жағынан, өмірлік белсенділік көріністерінің жалпы кешеніндегі осындай жеке функциялардың рөлі.

Негізгі жетістіктермолекулалық биология.Міне, осы жетістіктердің толық тізімі жоқ: ДНҚ-ның, РНҚ мен рибосомалардың барлық түрлерінің биологиялық қызметінің құрылымы мен механизмін ашу, генетикалық кодты ашу; кері транскрипцияны, яғни РНҚ шаблонында ДНҚ синтезін ашу; тыныс алу пигменттерінің қызмет ету механизмдерін зерттеу; үш өлшемді құрылымды ашу және оның ферменттердің әсеріндегі функционалдық рөлі, матрицалық синтез принципі және ақуыз биосинтезінің механизмдері; вирустардың құрылымын және олардың репликациялану механизмдерін, антиденелердің біріншілік және ішінара кеңістіктік құрылымын ашу; жеке гендерді оқшаулау, химиялық, содан кейін биологиялық (ферменттік) гендердің синтезі, оның ішінде адам, жасушадан тыс (in vitro); гендердің бір ағзадан екіншісіне, оның ішінде адам жасушаларына ауысуы; жеке белоктардың, негізінен ферменттердің, сондай-ақ нуклеин қышқылдарының көбеюінің химиялық құрылымының тез дамып келе жатқан шифрын ашу; нуклеин қышқылының молекулаларынан басталып, көпкомпонентті ферменттерге, вирустарға, рибосомаларға және т.б. өтетін күрделілігі бар кейбір биологиялық объектілердің «өздігінен жиналу» құбылыстарын ашу; биологиялық функциялар мен процестерді реттеудің аллостериялық және басқа да негізгі принциптерін түсіндіру.

Молекулярлық биологияның мәселелері.Көрсетілген маңызды міндеттермен қатар М. («тану», өзін-өзі жинақтау және біріктіру заңдылықтарын білу) жақын болашақтағы ғылыми ізденістің өзекті бағыты құрылымды ашуға мүмкіндік беретін әдістерді әзірлеу, содан кейін жоғары молекулалық үш өлшемді, кеңістіктік ұйымдастыру. нуклеин қышқылдары. Қолданылуы М.б.-ның пайда болуы мен табыстылығын қамтамасыз еткен барлық маңызды әдістерді физиктер (ультрацентрифугалау, рентгендік дифракциялық талдау, электронды микроскопия, ядролық магниттік резонанс және т.б.) ұсынып, дамытты. Барлық дерлік жаңа физикалық эксперименттік тәсілдер (мысалы, компьютерлерді пайдалану, синхротрон немесе бремсстрахлунг, радиация, лазерлік технология және т.б.) М.б. мәселелерін тереңдетіп зерттеу үшін жаңа мүмкіндіктер ашады. арасында сыни тапсырмаларпрактикалық сипатқа ие, оның жауабын М.б. күтеді, бірінші кезекте қатерлі өсудің молекулалық негізі мәселесі, содан кейін - алдын алу және мүмкін жеңу жолдары. тұқым қуалайтын аурулар- молекулалық аурулар. Биологиялық катализдің молекулалық негізін, яғни ферменттердің әрекетін түсіндіру үлкен маңызға ие болады. Қазіргі заманғы маңызды бағыттардың ішінде М.б. гормондардың, улы және дәрілік заттардың әсер етуінің молекулалық механизмдерін ашуға, сондай-ақ жасушалық құрылымдардың молекулалық құрылымы мен жұмысының егжей-тегжейлерін білуге ​​деген ұмтылысты қамтуы керек. биологиялық мембраналарзаттардың енуін және тасымалдануын реттеуге қатысады. Алыстағы мақсаттар M. b. - жүйке процестерінің табиғатын білу, есте сақтау механизмдері және т.б.. Маңызды жаңадан пайда болған бөлімдердің бірі М. б. - деп аталатын. гендік инженерия, ол микробтардан бастап төменгі (бір жасушалы) және адаммен аяқталатын тірі организмдердің генетикалық аппаратының (геномының) мақсатты жұмыс істеуін (соңғы жағдайда, ең алдымен, оларды түбегейлі емдеу мақсатында) мақсат етіп қояды. тұқым қуалайтын аурулар және генетикалық ақауларды түзету).

МБ қызметінің маңызды бағыттары:

– Молекулалық генетика– жасушаның генетикалық аппаратының құрылымдық-функционалдық ұйымдастырылуын және тұқым қуалайтын ақпаратты жүзеге асыру механизмін зерттеу

– Молекулалық вирусология – вирустардың жасушалармен әрекеттесуінің молекулалық механизмдерін зерттейтін ғылым

– Молекулярлық иммунология – организмнің иммундық реакцияларының заңдылықтарын зерттейтін ғылым

– Молекулярлық даму биологиясы – жасушалардың гетерогенділігінің пайда болуын зерттеу жеке дамуорганизмдер мен жасушаның мамандануы

Негізгі зерттеу объектілері: Вирустар (соның ішінде бактериофагтар), Жасушалар және субклеткалық құрылымдар, Макромолекулалар, Көп жасушалы организмдер.