Мамандығы молекулярлық биолог. Молекулярлық биология және молекулалық биотехнология әдістері. Трансферттік РНҚ және ген синтезі

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 көп мөлшердекөшірмелер. 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 әдісімен гербицидтер мен зиянкестерге төзімді және басқа да пайдалы қасиеттері бар мәдени өсімдіктер алынады. 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 медиақұрамында 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.

Молекулалық биология қазіргі кезде биохимиядан ерекшеленетін өзіндік зерттеу әдістерінің қарқынды даму кезеңін бастан өткерді. Оларға, атап айтқанда, гендік инженерия, клондау, жасанды экспрессия және гендік нокаут әдістері жатады. ДНҚ генетикалық ақпараттың материалдық тасымалдаушысы болғандықтан, молекулалық биология генетикаға анағұрлым жақындай түсті, ал генетиканың да, молекулалық биологияның да бөлімі болып табылатын түйіспеде молекулалық генетика қалыптасты. Молекулалық биология вирустарды зерттеу құралы ретінде кеңінен пайдаланатыны сияқты, вирусология да өз мәселелерін шешу үшін молекулалық биология әдістерін пайдаланады. Талдау үшін генетикалық ақпараткомпьютерлік технология қатысады, соған байланысты молекулалық генетиканың жаңа бағыттары пайда болды, олар кейде арнайы пәндер болып саналады: биоинформатика, геномика және протеомика.

Даму тарихы

Бұл жаңалық вирустар мен бактериялардың генетикасы мен биохимиясын зерттеудің ұзақ кезеңімен дайындалды.

1928 жылы Фредерик Гриффит алғаш рет жылумен өлтірілген патогенді бактериялардың сығындысы патогенділік белгісін қатерсіз бактерияларға бере алатынын көрсетті. Бактериялық трансформацияны зерттеу одан әрі ауру қоздырғышын тазартуға әкелді, ол күткенге қарамастан, ақуыз емес, нуклеин қышқылы болып шықты. Нуклеин қышқылының өзі қауіпті емес, ол тек микроорганизмнің патогенділігін және басқа қасиеттерін анықтайтын гендерді алып жүреді.

ХХ ғасырдың 50-жылдары бактерияларда қарабайыр жыныстық процесс бар, олар хромосомадан тыс ДНҚ, плазмидалармен алмасуға қабілетті екендігі көрсетілді. Плазмидалардың ашылуы, сондай-ақ трансформациялар молекулалық биологияда кең таралған плазмидтік технологияның негізін құрады. Әдістеме үшін тағы бір маңызды жаңалық 20 ғасырдың басында бактериялық вирустардың, бактериофагтардың ашылуы болды. Фагтар сонымен қатар генетикалық материалды бір бактерия жасушасынан екіншісіне тасымалдай алады. Бактерияларды фагтармен жұқтыру бактериялық РНҚ құрамының өзгеруіне әкеледі. Егер фагтарсыз РНҚ құрамы бактериялық ДНҚ құрамына ұқсас болса, инфекциядан кейін РНҚ бактериофаг ДНҚ-ға көбірек ұқсайды. Осылайша, РНҚ құрылымы ДНҚ құрылымымен анықталатыны анықталды. Өз кезегінде жасушалардағы ақуыз синтезінің жылдамдығы РНҚ-ақуыз кешендерінің мөлшеріне байланысты. Ол осылай тұжырымдалған Молекулярлық биологияның орталық догмасы:ДНҚ ↔ РНҚ → ақуыз.

Молекулярлық биологияның одан әрі дамуы оның әдістемесінің дамуымен де, атап айтқанда, ДНҚ-ның нуклеотидтер тізбегін анықтау әдісінің ойлап табылуымен (В. Гилберт пен Ф. Сэнгер, 1980 ж. химия бойынша Нобель сыйлығы) және жаңа гендердің құрылымы мен қызметін зерттеу саласындағы жаңалықтар (қараңыз. Генетика тарихы). TO XXI ғасырдың басығасырда медицина, ауыл шаруашылығы және ғылыми зерттеулер үшін ең маңызды адам ДНҚ және басқа да бірқатар организмдердің бастапқы құрылымы туралы мәліметтер алынды, бұл биологияда бірнеше жаңа салалардың: геномика, биоинформатика және т.б. пайда болуына әкелді.

да қараңыз

• Молекулалық биология (журнал)
• Транскриптомия
• Молекулярлық палеонтология
• EMBO - Еуропалық молекулалық биология ұйымы

Әдебиет

• Әнші М., Берг П.Гендер мен геномдар. - Мәскеу, 1998 ж.
• Стент Г., Калиндар Р. Молекулалық генетика. - Мәскеу, 1981 ж.
• Самбрук Дж., Фрич Э.Ф., Маниатис Т.Молекулярлық клондау. - 1989 жыл.
• Патрушев Л.И.Гендердің экспрессиясы. - М.: Наука, 2000. - 000 б., сырқат. ISBN 5-02-001890-2

Сілтемелер

Викимедиа қоры. 2010 ж.

• Нижний Новгород облысының Ардатовский ауданы
• Нижний Новгород облысының Арзамас ауданы

Басқа сөздіктерде «Молекулалық биология» деген не екенін қараңыз:

МОЛЕКУЛЯЛЫҚ БИОЛОГИЯ- негіздерін зерттейді. молекулалық деңгейде тіршіліктің қасиеттері мен көріністері. М.б.дағы ең маңызды бағыттар. жасушалардың генетикалық аппаратының құрылымдық және функционалдық ұйымдастырылуын және тұқым қуалайтын ақпаратты жүзеге асыру механизмін зерттеу ... ... Биологиялық энциклопедиялық сөздік

МОЛЕКУЛЯЛЫҚ БИОЛОГИЯ- тіршіліктің негізгі қасиеттері мен көріністерін молекулалық деңгейде зерттейді. Ағзалардың өсуі мен дамуы, тұқым қуалайтын ақпараттың сақталуы мен берілуі, тірі жасушалардағы энергияның түрленуі және басқа да құбылыстардың қалай және қаншалықты ... байланысты екенін анықтайды. Үлкен энциклопедиялық сөздік

МОЛЕКУЛЯЛЫҚ БИОЛОГИЯ Қазіргі энциклопедия

МОЛЕКУЛЯЛЫҚ БИОЛОГИЯ- МОЛЕКУЛЯЛЫҚ БИОЛОГИЯ, тірі ағзаларды құрайтын МОЛЕКУЛАЛАРДЫҢ құрылысы мен қызметін биологиялық тұрғыдан зерттейтін ғылым. Негізгі оқу бағыттары физикалық және Химиялық қасиеттеріақуыздар және ДНҚ сияқты НУКЛЕИН ҚЫШҚЫЛДАР. қараңыз…… Ғылыми-техникалық энциклопедиялық сөздік

молекулалық биология- молекулалық деңгейде тіршіліктің негізгі қасиеттері мен көріністерін зерттейтін биол. бөлімі. Ағзалардың қалай және қандай дәрежеде өсуі мен дамуын, тұқым қуалайтын ақпараттың сақталуы мен берілуін, тірі жасушалардағы энергияның түрленуін және ... ... Микробиология сөздігі

молекулалық биология- — Биотехнология тақырыптары EN молекулалық биология … Техникалық аудармашының анықтамалығы

Молекулалық биология- МОЛЕКУЛАЛЫҚ БИОЛОГИЯ, тіршіліктің негізгі қасиеттері мен көріністерін молекулалық деңгейде зерттейді. Ағзалардың қалай және қандай дәрежеде өсуі мен дамуын, тұқым қуалайтын ақпараттың сақталуы мен берілуін, тірі жасушалардағы энергияның түрленуін және ... ... Иллюстрацияланған энциклопедиялық сөздік

Молекулалық биология- биологиялық объектілер мен жүйелерді молекулалық деңгейге жақындайтын, ал кейбір жағдайларда осы шекке жеткен деңгейде зерттеу арқылы тіршілік құбылыстарының табиғатын білуді өзіне міндет етіп қоятын ғылым. Мұның түпкі мақсаты – …… Ұлы Совет энциклопедиясы

МОЛЕКУЛЯЛЫҚ БИОЛОГИЯ- жасушасыз құрылымдардағы (рибосомалар және т.б.), вирустардағы, сондай-ақ жасушалардағы макромолекулалар (ch.arr. белоктар және нуклеин қышқылдары) деңгейіндегі тіршілік құбылыстарын зерттейді. М.ның мақсаты. ... ... негізінде осы макромолекулалардың рөлі мен қызмет ету механизмін белгілеу. Химиялық энциклопедия

молекулалық биология- тіршіліктің негізгі қасиеттері мен көріністерін молекулалық деңгейде зерттейді. Ағзалардың өсуі мен дамуын, тұқым қуалаушылық ақпараттың сақталуы мен берілуін, тірі жасушалардағы энергияның айналуын және басқа да құбылыстарды ... ... қалай және қаншалықты өсетінін анықтайды. энциклопедиялық сөздік

Кітаптар

• Жасушаның молекулалық биологиясы. Проблемалық кітап, Дж.Уилсон, Т.Хант. Америкалық авторлардың кітабы Б.Альбертс, Д.Брей, Дж.Льюис және т.б. «Жасушаның молекулалық биологиясы» оқулығының 2-басылымына қосымша болып табылады.Мақсаты тереңдету болып табылатын сұрақтар мен тапсырмалардан тұрады. ..

Молекулалық биология / м лɛ КімгеДжʊ ле / молекулалық негізді қарастыратын биологияның бір саласы биологиялық белсенділікбиомолекулалар арасында әртүрлі жүйелержасушалар, соның ішінде ДНҚ, РНҚ, белоктар және олардың биосинтезі арасындағы өзара әрекеттесу және осы өзара әрекеттесулердің реттелуі. Жазылуда табиғат 1961 жылы Астбери молекулалық биологияны сипаттады:

Әдістеме емес, әдіс деп аталатын көзқарас, көзқарас іргелі ғылымдарсәйкес молекулалық жоспар үшін классикалық биологияның кең ауқымды көріністерін төменнен іздеудің жетекші идеясымен. Ол, атап айтқанда, қатысты пішіндербиологиялық молекулалар және [...] негізінен үш өлшемді және құрылымдық - бұл, алайда, бұл жай ғана морфологияны нақтылау дегенді білдірмейді. Ол бір мезгілде генезисі мен қызметін зерттеуі керек.

Басқа биология ғылымдарымен байланысы

Молекулалық биология саласындағы зерттеушілер молекулярлық биологияны өсірудің нақты әдістерін қолданады, бірақ оларды генетика мен биохимияның әдістерімен және идеяларымен көбірек біріктіреді. Бұл пәндер арасында анықталған шекара жоқ. Бұл өрістер арасындағы қатынастың бір ықтимал түрін бейнелейтін келесі диаграммада көрсетілген:

• Биохимия оқу болып табылады химиялық заттаржәне тірі организмдерде болатын өмірлік процестер. Биохимиктерге биомолекулалардың рөлі, қызметі және құрылымына назар аудару қиын. үшін химияны оқу биологиялық процестержәне биологиялық белсенді молекулалардың синтезі биохимияның мысалдары болып табылады.
• Генетика организмдердегі генетикалық айырмашылықтардың әсерін зерттейді. Бұл көбінесе қалыпты құрамдастың (мысалы, бір геннің) жоқтығынан туындауы мүмкін. «Мутантты» зерттеу – «жабайы тип» немесе қалыпты фенотип деп аталатынға қатысты бір немесе бірнеше функционалдық құрамдастары бар организмдер. Генетикалық өзара әрекеттесу (эпистаз) мұндай «нокаут» зерттеулерінің қарапайым түсіндірмесі арқылы жиі шатастырылады.
• Молекулалық биология репликация, транскрипция, трансляция және жасуша қызметінің процестерінің молекулалық негіздерін зерттеу болып табылады. Молекулярлық биологияның орталық догмасы, онда генетикалық материал РНҚ-ға транскрипцияланады, содан кейін белокқа аударылады, бірақ тым жеңілдетілгеніне қарамастан, бұл саланы түсіну үшін әлі де жақсы бастама болып табылады. Сурет РНҚ үшін жаңа рөлдердің пайда болуына байланысты қайта қаралды.

Молекулалық биологияның әдістері

Молекулалық клондау

Ақуыздың қызметін зерттеудің ең негізгі молекулалық биология әдістерінің бірі молекулалық клондау болып табылады. Бұл әдістемеде қызығушылық танытатын ақуызды кодтайтын ДНҚ полимеразды тізбекті реакция (ПТР) және/немесе плазмидадағы шектеу ферменттері (экспрессия векторы) арқылы клондалады. Вектордың 3 ерекше белгісі бар: репликацияның шығу тегі, көп клондау учаскесі (MCS) және таңдалатын маркер, әдетте антибиотиктерге төзімді. Жоғары ағындағы көп клондау учаскесі клондалған геннің экспрессиясын реттейтін промотор және транскрипцияның басталу аймағы болып табылады. Бұл плазмидті бактерия немесе жануар жасушаларына енгізуге болады. ДНҚ-ны енгізу бактериялық жасушаларжалаңаш ДНҚ-ны қабылдау трансформациясы, жасушадан жасуша конъюгациясы немесе вирустық вектормен трансдукция арқылы жасалуы мүмкін. ДНҚ-ны эукариоттық жасушаларға, мысалы, жануарлар жасушаларына физикалық немесе химиялық жолмен енгізу трансфекция деп аталады. Кальций фосфатының трансфекциясы, электропорация, микроинъекция және липосомалық трансфекция сияқты бірнеше түрлі трансфекция әдістері бар. Плазмида геномға интеграциялануы мүмкін, нәтижесінде тұрақты трансфекция болады немесе трансфекция өтпелі деп аталатын геномға тәуелсіз қалуы мүмкін.

Қызығушылық танытқан ақуыздарды кодтайтын ДНҚ қазір жасушаның ішінде және белоктар енді экспрессиялануы мүмкін. Протеинге қызығушылықты білдіруге көмектесетін индукцияланатын промоторлар және арнайы жасушалық сигналдық факторлар сияқты әртүрлі жүйелер жоғары деңгейлер. Содан кейін ақуыздың көп мөлшерін бактериялық немесе эукариоттық жасушадан алуға болады. Ақуызды әртүрлі жағдайларда ферментативті белсенділікке сынауға болады, ақуызды кристалдануға болады, осылайша оның үшінші құрылымын зерттеуге болады немесе фармацевтикалық өнеркәсіпте ақуызға қарсы жаңа препараттардың белсенділігін зерттеуге болады.

полимеразды тізбекті реакция

Макромолекулаларды тазарту және зерттеу

Шарттар Солтүстік , батысЖәне шығыстық Blotting бастапқыда терминде ойнаған молекулалық биология әзілінен шығады Оңтүстік желі, Эдвин Саутерн сипаттаған әдіске сәйкес, БЛОТТЕНГЕН ДНҚ будандастыру үшін. Патрисия Томас, РНҚ-ны блоттауды жасаушы, содан кейін ол белгілі болды солтүстік - дақ, шын мәнінде бұл терминді қолданбаңыз.

Оңтүстік дақ

Өзінің өнертапқышы, биолог Эдвин Саутерннің атымен аталған Southern Blot - бұл ДНҚ үлгісінде белгілі бір ДНҚ тізбегінің болуын зерттеу әдісі. ДНҚ үлгілері рестрикция ферменті (рестриктеуші фермент) қорытылуына дейін немесе одан кейін гельдік электрофорез арқылы бөлінеді, содан кейін капиллярларды тазарту арқылы мембранаға тасымалданады. Содан кейін мембрана таңбаланған ДНҚ зондының әсеріне ұшырайды, оның негізгі тізбегі қызықтыратын ДНҚ-ға қосымша болып табылады. Southern blotting ДНҚ үлгілерінен нақты ДНҚ тізбегін анықтау үшін ПТР сияқты басқа әдістердің мүмкіндігіне байланысты ғылыми зертханада азырақ қолданылады. Бұл дақтар әлі де кейбір қолданбалар үшін пайдаланылады, мысалы, трансгенді тышқандардағы трансген көшірмелерінің санын өлшеу немесе эмбриондық дің жасушаларының инженерлік гендік нокаут сызықтарында.

солтүстік дақ

Солтүстік дақ диаграммасы

Шығыс дақтары

Молекулярлық биологиядан туындайтын клиникалық зерттеулер мен медициналық терапия ішінара гендік терапиямен қамтылған. Молекулярлық биологияны немесе молекулалық жасуша биологиясын медицинаға қолдану енді молекулалық медицина деп аталады. Молекулалық биология білім беруді, әрекеттерді және ережелерді түсінуде де маңызды рөл атқарады. әртүрлі бөліктержаңа препараттарға, ауруды диагностикалауға және жасуша физиологиясын түсінуге тиімді қолданылатын жасушалар.

әрі қарай оқу

• Коэн, СН, Чанг, НКД, Бойер, Х. & Хелинг, РБ Биологиялық функционалды бактериялық плазмидалардың құрылысы in vitro .

«Био/моль/мәтін» байқауына арналған комикс: Бүгін молекулярлық биолог Test Tube сізді таңғажайып ғылым - молекулалық биология әлемінде бағыттайды! Біз оның даму кезеңдері бойынша тарихи экскурсиядан бастаймыз, 1933 жылдан бергі негізгі жаңалықтар мен тәжірибелерді сипаттаймыз. Сондай-ақ біз гендермен манипуляциялауға, оларды өзгертуге және оқшаулауға мүмкіндік берген молекулалық биологияның негізгі әдістерін нақты сипаттайтын боламыз. Бұл әдістердің пайда болуы молекулалық биологияның дамуына күшті серпін болды. Сондай-ақ биотехнологияның рөлін еске түсіріп, біреуіне тоқталайық ең танымал тақырыптарбұл салада – CRISPR/Cas жүйелерін пайдаланып геномды өңдеу.

Байқаудың бас демеушісі және «Сколтех» номинациясының серіктесі.

Байқаудың демеушісі Diaem компаниясы: биологиялық зерттеулер мен өндіріске арналған жабдықтарды, реагенттерді және шығын материалдарын ең ірі жеткізуші.

Компания «Көрермендер таңдауы» сыйлығына демеушілік жасады.

Байқаудың «Кітап» демеушісі - «Альпина нон-фантастика»

1. Кіріспе. Молекулярлық биологияның мәні

Ол макромолекулалар деңгейінде организмдердің тіршілік әрекетінің негіздерін зерттейді. Молекулалық биологияның мақсаты – олардың құрылымы мен қасиеттері туралы білім негізінде осы макромолекулалардың рөлі мен қызмет ету механизмдерін анықтау.

Тарихи тұрғыдан молекулалық биология нуклеин қышқылдары мен белоктарды зерттейтін биохимия салаларының дамуы кезінде қалыптасты. Биохимия зат алмасуды зерттейтін болса, Химиялық құрамытірі жасушалар, организмдер және оларда жүргізілетін химиялық процестер, молекулалық биология генетикалық ақпаратты беру, көбейту және сақтау механизмдерін зерттеуге бағытталған.

Ал молекулалық биологияның зерттеу объектісі нуклеин қышқылдарының өзі – дезоксирибонуклеин (ДНҚ), рибонуклеин (РНҚ) – және белоктар, сонымен қатар олардың макромолекулярлық кешендері – хромосомалар, рибосомалар, белоктар мен нуклеин қышқылдарының биосинтезін қамтамасыз ететін мультиферменттік жүйелер. Молекулярлық биология да зерттеу объектілерімен шектеседі және ішінара сәйкес келеді молекулалық генетика, вирусология, биохимия және басқа да бірқатар биологиялық ғылымдар.

2. Молекулалық биологияның даму кезеңдері бойынша тарихи экскурсия

Биохимияның жеке саласы ретінде молекулалық биология өткен ғасырдың 30-жылдарында дами бастады. Сол кездің өзінде генетикалық ақпаратты беру және сақтау процестерін зерттеу үшін молекулалық деңгейде тіршілік құбылысын түсіну қажет болды. Дәл осы уақытта молекулалық биологияның міндеті белоктар мен нуклеин қышқылдарының қасиеттерін, құрылысын және өзара әрекеттесуін зерттеуде белгіленді.

«Молекулярлық биология» термині алғаш рет қолданылған 1933 жыл Уильям Астбери фибриллярлық ақуыздарды (коллаген, қан фибрині, жиырылғыш бұлшықет ақуыздары) зерттеу кезінде. Асбери бұл белоктардың молекулалық құрылымы мен биологиялық, физикалық сипаттамалары арасындағы байланысты зерттеді. Молекулалық биологияның пайда болуының басында РНҚ тек өсімдіктер мен саңырауқұлақтардың, ал ДНҚ тек жануарлардың құрамдас бөлігі болып саналды. Және ішінде 1935 Андрей Белозерскийдің бұршақ ДНҚ-сын ашуы ДНҚ әрбір тірі жасушада болатынын анықтауға әкелді.

IN 1940 Джордж Бидл мен Эдвард Татамның гендер мен белоктар арасындағы себептік байланысты орнатуы үлкен жетістік болды. Ғалымдардың «Бір ген – бір фермент» гипотезасы белоктың ерекше құрылымы гендер арқылы реттеледі деген тұжырымдамаға негіз болды. Генетикалық ақпарат белоктардың бастапқы құрылымын реттейтін ДНҚ-дағы нуклеотидтердің арнайы тізбегі арқылы кодталған деп есептеледі. Кейінірек көптеген белоктардың төрттік құрылымы бар екені дәлелденді. Мұндай құрылымдардың түзілуіне әртүрлі пептидтік тізбектер қатысады. Осыған сүйене отырып, ген мен фермент арасындағы қатынас туралы ереже біршама өзгерді, енді ол «Бір ген – бір полипептид» сияқты естіледі.

IN 1944 1999 жылы американдық биолог Освальд Эвери және оның әріптестері (Колин Маклеод пен Маклин МакКарти) бактериялардың трансформациясын тудыратын зат ақуыздар емес, ДНҚ екенін дәлелдеді. Эксперимент ДНҚ-ның тұқым қуалайтын ақпаратты берудегі рөлінің дәлелі болды, гендердің ақуыздық табиғаты туралы ескірген білімді сызып тастады.

1950 жылдардың басында Фредерик Сэнгер белок тізбегі аминқышқылдары қалдықтарының бірегей тізбегі екенін көрсетті. IN 1951 Және 1952 жылдары ғалым екі полипептидтік тізбектің толық тізбегін анықтады - сиыр инсулині IN(30 амин қышқылы қалдықтары) және А(21 амин қышқылы қалдықтары) сәйкесінше.

Шамамен сол уақытта, в 1951–1953 Эрвин Чаргафф ДНҚ-дағы азотты негіздердің қатынасының ережелерін тұжырымдады. Ережеге сәйкес, тірі ағзалардың ДНҚ-ның түрлік айырмашылығына қарамастан, аденин (А) мөлшері тиминнің (Т) мөлшеріне, ал гуаниннің (G) мөлшері цитозиннің мөлшеріне тең болады. (С).

IN 1953 жыл дәлелдеді генетикалық рөлДНҚ. Джеймс Уотсон мен Фрэнсис Крик Розалинд Франклин мен Морис Вилкинс алған ДНҚ рентгендік сәулесіне сүйене отырып, ДНҚ-ның кеңістіктік құрылымын анықтады және тұқым қуалаушылықтың негізінде жатқан оның репликациялану (екі еселену) механизмі туралы кейінірек расталған болжамды алға тартты.

1958 жыл – Фрэнсис Криктің молекулярлық биологияның орталық догмасының қалыптасуы: генетикалық ақпаратты беру ДНҚ → РНҚ → ақуыз бағытында жүреді.

Догманың мәні жасушаларда ДНҚ-дан белгілі бір бағытталған ақпарат ағыны болады, ол өз кезегінде төрт әріптен тұратын бастапқы генетикалық мәтін болып табылады: A, T, G және C. Ол жазылған қос спиральОсы әріптердің реттілігі түріндегі ДНҚ – нуклеотидтер.

Бұл мәтін транскрипциялануда. Және процесс деп аталады транскрипция. Бұл процесс кезінде РНҚ синтезделеді, ол генетикалық мәтінмен бірдей, бірақ айырмашылығы бар: РНҚ-да Т-ның орнына U (урацил) болады.

Бұл РНҚ деп аталады хабаршы РНҚ (мРНҚ), немесе матрица (мРНҚ). Хабар таратумРНҚ нуклеотидтердің триплет тізбегі түріндегі генетикалық кодты қолдану арқылы жүзеге асырылады. Бұл процесс барысында ДНҚ және РНҚ нуклеин қышқылдарының мәтіні төрт әріптік мәтіннен аминқышқылдарының жиырма әріптік мәтініне аударылады.

Бар болғаны жиырма табиғи аминқышқылдары бар, ал нуклеин қышқылдарының мәтінінде төрт әріп бар. Осының арқасында төрт әріпті әліпбиден жиырма әріпті әліпбиге көшу бар. генетикалық код, онда әрбір үш нуклеотид амин қышқылына сәйкес келеді. Сонымен төрт әріптен тұтас 64 үш әріпті комбинация жасауға болады, оның үстіне 20 аминқышқылдары бар.Осыдан генетикалық код міндетті түрде дегенерация қасиетіне ие болуы керек деген қорытынды шығады. Алайда, ол кезде генетикалық код белгісіз болды, оның үстіне ол тіпті дешифрланбады, бірақ Крик өзінің орталық догмасын тұжырымдап қойған болатын.

Соған қарамастан, кодтың болуы керек деген сенімділік болды. Осы уақытқа дейін бұл кодтың үштік сипаты бар екендігі дәлелденді. Бұл нуклеин қышқылдарындағы үш әріпті білдіреді ( кодондар) кез келген амин қышқылына сәйкес келеді. Бұл кодондардың 64-і бар, олар 20 амин қышқылын кодтайды. Бұл әрбір амин қышқылы бірден бірнеше кодонға сәйкес келетінін білдіреді.

Осылайша, орталық догма - бұл жасушада ақпараттың бағытталған ағыны: ДНҚ → РНҚ → ақуыз болатынын айтатын постулат деп қорытынды жасауға болады. Крик орталық догманың негізгі мазмұнын атап өтті: ақпараттың кері ағыны болуы мүмкін емес, ақуыз генетикалық ақпаратты өзгертуге қабілетті емес.

Бұл орталық догманың негізгі мағынасы: ақуыз ақпаратты ДНҚ-ға (немесе РНҚ) өзгертуге және түрлендіруге қабілетті емес, ағын әрқашан тек бір бағытта жүреді.

Осыдан біраз уақыттан кейін орталық догма тұжырымдалған кезде белгісіз жаңа фермент табылды, - кері транскриптазаРНҚ-дан ДНҚ синтездейді. Фермент генетикалық ақпарат ДНҚ-да емес, РНҚ-да кодталған вирустарда табылды. Мұндай вирустарды ретровирустар деп атайды. Олардың ішінде РНҚ-сы бар вирустық капсуласы және арнайы ферменті бар. Фермент бұл вирустық РНҚ шаблонына сәйкес ДНҚ синтездейтін кері транскриптаза болып табылады және бұл ДНҚ содан кейін жасушадағы вирустың одан әрі дамуы үшін генетикалық материал ретінде қызмет етеді.

Әрине, бұл жаңалық молекулярлық биологтар арасында үлкен сілкініс пен үлкен дау тудырды, өйткені орталық догмаға негізделген бұл мүмкін емес деп есептелді. Алайда, Крик бұл мүмкін емес деп ешқашан айтпағанын бірден түсіндірді. Ол тек ақуыздан нуклеин қышқылдарына ақпарат ағыны ешқашан бола алмайтынын және қазірдің өзінде нуклеин қышқылдарының ішінде кез келген процестердің болуы әбден мүмкін екенін айтты: ДНҚ-да ДНҚ, РНҚ-да ДНҚ, ДНҚ-да РНҚ және РНҚ-да синтезі.

Орталық догма тұжырымдалғаннан кейін әлі де бірқатар сұрақтар қалды: ДНҚ (немесе РНҚ) құрайтын төрт нуклеотидтің алфавиті белоктарды құрайтын аминқышқылдарының 20 әріптік алфавитін қалай кодтайды? Генетикалық кодтың мәні неде?

Генетикалық кодтың болуы туралы алғашқы идеяларды Александр Даунс тұжырымдаған ( 1952 г.) ​​және Георгий Гамов ( 1954 Г.). Ғалымдар нуклеотидтер тізбегі кем дегенде үш буынды қамтуы керек екенін көрсетті. Кейіннен мұндай реттілік үш нуклеотидтен тұратыны дәлелденді кодон (үштік). Дегенмен, қандай нуклеотидтер қандай амин қышқылын қосуға жауапты деген сұрақ туындайды ақуыз молекуласы, 1961 жылға дейін ашық қалды.

Және ішінде 1961 Маршалл Ниренберг Генрих Маттеймен бірге жүйені хабар тарату үшін пайдаланды in vitro. Үлгі ретінде олигонуклеотид пайдаланылды. Оның құрамында тек урацил қалдықтары болды, ал одан синтезделген пептидке тек фенилаланин амин қышқылы ғана кірді. Осылайша, кодонның мәні алғаш рет анықталды: кодон UUU фенилаланинді кодтайды. Кейінірек Хар Құран UCUCUCUCUCUC нуклеотидтер тізбегі серин-лейцин-серин-лейцин аминқышқылдарының жиынтығын кодтайтынын анықтады. Жалпы алғанда, Ниренберг пен Құранның еңбектерінің арқасында 1965 жылы генетикалық код толығымен ашылды. Әрбір триплет белгілі бір амин қышқылын кодтайтыны белгілі болды. Ал кодондардың орналасу реті белоктағы аминқышқылдарының орналасу ретін анықтайды.

Белоктар мен нуклеин қышқылдарының қызмет етуінің негізгі принциптері 70-ші жылдардың басында тұжырымдалған. Белоктар мен нуклеин қышқылдарының синтезі матрицалық механизм бойынша жүзеге асатыны анықталды. Үлгі молекуласы аминқышқылдарының немесе нуклеотидтердің реттілігі туралы кодталған ақпаратты тасымалдайды. Репликация немесе транскрипция кезінде шаблон ДНҚ, ал трансляция және кері транскрипция кезінде мРНҚ болады.

Осылайша, молекулалық биология, оның ішінде гендік инженерия салаларын қалыптастырудың алғы шарттары жасалды. Ал 1972 жылы Пол Берг әріптестерімен молекулалық клондау технологиясын жасады. Ғалымдар алғашқы рекомбинантты ДНҚ-ны алды in vitro. Бұл көрнекті жаңалықтар молекулалық биологияның жаңа бағытының негізін құрады және 1972 Содан бері жыл гендік инженерияның туған күні болып саналды.

3. Молекулалық биологияның әдістері

Нуклеин қышқылдарын, ДНҚ құрылымын және ақуыз биосинтезін зерттеудегі орасан зор жетістіктер медицинада, ауыл шаруашылығында және жалпы ғылымда үлкен маңызы бар бірқатар әдістердің жасалуына әкелді.

Генетикалық кодты және тұқым қуалайтын ақпаратты сақтаудың, берудің және жүзеге асырудың негізгі принциптерін зерттегеннен кейін молекулалық биологияны одан әрі дамыту үшін арнайы әдістер қажет болды. Бұл әдістер гендерді басқаруға, өзгертуге және оқшаулауға мүмкіндік береді.

Мұндай әдістердің пайда болуы 1970-1980 жылдары болды. Бұл молекулалық биологияның дамуына үлкен серпін берді. Ең алдымен, бұл әдістер гендерді өндіруге және оларды басқа организмдердің жасушаларына енгізуге, сондай-ақ гендердегі нуклеотидтер тізбегін анықтау мүмкіндігіне тікелей байланысты.

3.1. ДНҚ электрофорезі

ДНҚ электрофорезіДНҚ-мен жұмыс істеудің негізгі әдісі болып табылады. ДНҚ электрофорезі барлық дерлік басқа әдістермен бірге қажетті молекулаларды бөліп алу және нәтижелерді одан әрі талдау үшін қолданылады. Гельдік электрофорез әдісінің өзі ДНҚ фрагменттерін ұзындығы бойынша бөлу үшін қолданылады.

Электрофорезге дейін немесе одан кейін гель ДНҚ-мен байланыса алатын бояғыштармен өңделеді. Бояғыштар ультракүлгін сәуледе флуоресценцияланады, нәтижесінде гельдегі жолақтардың үлгісі пайда болады. ДНҚ фрагменттерінің ұзындығын анықтау үшін оларды салыстыруға болады маркерлер- бірдей гельге қолданылатын стандартты ұзындықтағы фрагменттердің жиынтықтары.

Флуоресцентті ақуыздар

Эукариотты организмдерді зерттегенде маркер гендер ретінде флуоресцентті белоктарды қолдану ыңғайлы. Бірінші жасыл флуоресцентті ақуыздың гені ( жасыл флуоресцентті протеин, GFP) медузадан оқшауланған Ақуорея Викториясодан кейін әртүрлі организмдерге енгізілген. Осыдан кейін басқа түсті флуоресцентті протеиндерге арналған гендер бөлініп алынды: көк, сары, қызыл. Қызықты қасиеттері бар ақуыздарды алу үшін мұндай гендер жасанды түрде өзгертілді.

Жалпы, ДНҚ молекуласымен жұмыс істеудің ең маңызды құралдары жасушаларда бірқатар ДНҚ трансформациясын жүзеге асыратын ферменттер болып табылады: ДНҚ полимераза, ДНҚ лигазаларыЖәне шектейді (рестрикциялық эндонуклеазалар).

трансгенез

трансгенезОл гендердің бір организмнен екінші организмге ауысуы деп аталады. Мұндай организмдер деп аталады трансгендік.

Рекомбинантты ақуыз препараттары гендерді микроорганизм жасушаларына тасымалдау арқылы ғана алынады. Бұл ақуыздардың көпшілігі интерферондар, инсулин, кейбір ақуыздық гормондар, сондай-ақ бірқатар вакциналарды өндіруге арналған ақуыздар.

Басқа жағдайларда сүтке қажетті белоктарды бөлетін эукариоттардың немесе трансгенді жануарлардың, негізінен малдың жасуша дақылдары қолданылады. Осылайша антиденелер, қанның ұю факторлары және басқа да белоктар алынады. алу үшін трансгенез әдісі қолданылады мәдени өсімдіктерзиянкестер мен гербицидтерге төзімді және трансгенді микроорганизмдердің көмегімен ағынды суларды тазартады.

Жоғарыда айтылғандардың барлығынан басқа, трансгендік технологиялар ғылыми зерттеулерде таптырмас, өйткені генді модификациялау және тасымалдау әдістерін қолдану арқылы биологияның дамуы тезірек жүреді.

Шектеулер

Рестриктазалармен танылған тізбектер симметриялы, сондықтан үзілістердің кез келген түрі осындай тізбектің ортасында немесе ДНҚ молекуласының бір немесе екі тізбегінің ығысуымен болуы мүмкін.

Кез келген ДНҚ-ны рестрикциялық ферментпен бөлгенде фрагменттердің ұшындағы тізбектер бірдей болады. Олар қайта қосыла алады, себебі оларда қосымша сайттар бар.

Осы тізбектерді пайдаланып бір молекуланы алуға болады ДНҚ лигазалары. Осының арқасында екі түрлі ДНҚ фрагменттерін біріктіріп, рекомбинантты ДНҚ алуға болады.

3.2. ПТР

Әдіс ДНҚ полимеразаларының жасушадағы ДНҚ репликация процесіндегідей комплементарлы тізбек бойымен ДНҚ-ның екінші тізбегін аяқтау қабілетіне негізделген.

3.3. ДНҚ секвенциясы

Секвенирлеу әдісінің қарқынды дамуы зерттелетін организмнің геномының деңгейінде оның сипаттамаларын тиімді анықтауға мүмкіндік береді. Мұндай геномдық және постгеномдық технологиялардың басты артықшылығы – адам ауруларының генетикалық табиғатын алдын ала анықтау мақсатында зерттеу және зерттеу мүмкіндіктерін арттыру. қажетті шараларжәне аурудан аулақ болыңыз.

Ауқымды зерттеулер арқылы әртүрлі топтағы адамдардың әртүрлі генетикалық ерекшеліктері туралы қажетті мәліметтер алуға, сол арқылы медицина әдістерін дамытуға болады. Осыған байланысты әртүрлі ауруларға генетикалық бейімділікті анықтау бүгінгі күні өте танымал.

Ұқсас әдістер іс жүзінде бүкіл әлемде, соның ішінде Ресейде де кеңінен қолданылады. Ғылыми прогреске байланысты мұндай әдістер елімізде де енгізілуде медициналық зерттеулержәне жалпы медициналық тәжірибе.

4. Биотехнология

Биотехнология- гендік инженерия арқылы тірі организмдерді немесе олардың жүйелерін технологиялық мәселелерді шешу үшін пайдалану, сонымен қатар қажетті қасиеттері бар тірі организмдерді құру мүмкіндіктерін зерттейтін пән. Биотехнология химия, микробиология, биохимия және, әрине, молекулалық биология әдістерін қолданады.

Биотехнологияның дамуының негізгі бағыттары (биотехнологиялық процестердің принциптері өнеркәсіптің барлық салаларында өндіріске енгізілуде):

1. Азық-түлік пен мал азығының жаңа түрлерін жасау және өндіру.
2. Микроорганизмдердің жаңа штаммдарын алу және зерттеу.
3. Өсімдіктердің жаңа сорттарын өсіру, сонымен қатар өсімдіктерді аурулар мен зиянкестерден қорғау құралдарын жасау.
4. Экология қажеттіліктеріне биотехнология әдістерін қолдану. Мұндай биотехнологиялық әдістер қалдықтарды қайта өңдеу, ағынды суларды тазарту, пайдаланылған ауа және топырақты санитарлық тазарту үшін қолданылады.
5. Медицина қажеттілігі үшін витаминдер, гормондар, ферменттер, сарысулар өндіру. Биотехнологтар бұрын емделмейтін деп саналатын жетілдірілген дәрілерді жасап жатыр.

Биотехнологияның басты жетістігі – гендік инженерия.

Генетикалық инженерия- рекомбинантты РНҚ және ДНҚ молекулаларын алу, жасушалардан жеке гендерді бөліп алу, гендерді манипуляциялау және оларды басқа организмдерге (бактерияларға, ашытқыларға, сүтқоректілерге) енгізу технологиялары мен әдістерінің жиынтығы. Мұндай организмдер өндіруге қабілетті соңғы өнімдерқажетті қасиеттерімен.

Гендік инженерия әдістері табиғатта гендердің жаңа, бұрын болмаған комбинацияларын құруға бағытталған.

Гендік инженерияның жетістіктері туралы айтқанда, клондау тақырыбын қозғамау мүмкін емес. Клондаужыныссыз көбею арқылы әртүрлі ағзалардың бірдей ұрпақтарын алу үшін қолданылатын биотехнология әдістерінің бірі.

Басқаша айтқанда, клондауды организмнің немесе жасушаның генетикалық жағынан бірдей көшірмелерін жасау процесі ретінде қарастыруға болады. Ал клондалған организмдер тек сыртқы белгілері бойынша ғана емес, генетикалық құрамы жағынан да ұқсас немесе толығымен бірдей.

1966 жылы атышулы Долли қойы бірінші клондалған сүтқоректі болды. Ол ядролық трансплантация арқылы алынды соматикалық жасушажұмыртқаның цитоплазмасына енеді. Долли ядролық донор қойының генетикалық көшірмесі болды. Табиғи жағдайда екі ата-анадан генетикалық материалдың жартысын алған бір ұрықтанған жұмыртқадан жеке адам қалыптасады. Алайда клондау кезінде генетикалық материал бір адамның жасушасынан алынды. Алдымен зиготадан ДНҚ-ның өзі бар ядро ​​жойылды. Сосын олар ересек қой жасушасынан ядроны алып тастап, ядросыз сол зиготаға отырғызды, содан кейін оны ересек адамның жатырына ауыстырып, өсіп, дамуына мүмкіндік берді.

Дегенмен, барлық клондау әрекеттері сәтті болған жоқ. Долли клондауымен қатар басқа 273 жұмыртқада ДНҚ ауыстыру тәжірибесі жүргізілді. Бірақ бір жағдайда ғана тірі ересек жануар толығымен дамып, өсе алады. Доллиден кейін ғалымдар сүтқоректілердің басқа түрлерін клондауға тырысты.

Гендік инженерияның бір түрі геномды өңдеу.

CRISPR/Cas құралы бактериялардың иммундық қорғаныс жүйесінің элементіне негізделген, оны ғалымдар жануарлардың немесе өсімдіктердің ДНҚ-сына кез келген өзгерістер енгізуге бейімдеген.

CRISPR/Cas - жасушалардағы жеке гендермен манипуляциялаудың биотехнологиялық әдістерінің бірі. Бұл технология үшін көптеген қосымшалар бар. CRISPR/Cas зерттеушілерге әртүрлі гендердің қызметін анықтауға мүмкіндік береді. Ол үшін ДНҚ-дан зерттелетін генді алып тастап, дененің қандай функцияларына әсер еткенін зерттеу керек.

Жүйенің кейбір практикалық қолданбалары:

1. Ауыл шаруашылығы. CRISPR/Cas жүйелері арқылы дақылдарды жақсартуға болады. Атап айтқанда, оларды дәмді және қоректік, сондай-ақ ыстыққа төзімді ету. Өсімдіктерге басқа қасиеттерді беруге болады: мысалы, жаңғақтардан (жержаңғақ немесе жаңғақ) аллерген генін кесіп тастаңыз.
2. Медицина, тұқым қуалайтын аурулар.Ғалымдар CRISPR/Cas әдісін адам геномынан орақ тәрізді жасушалық анемия және т.б. сияқты ауруларды тудыруы мүмкін мутацияларды жою үшін пайдалануды мақсат етеді. Теориялық тұрғыдан CRISPR/Cas АИТВ дамуын тоқтата алады.
3. Гендік жетек. CRISPR/Cas жеке жануардың немесе өсімдіктің геномын ғана емес, түрдің гендік қорын да өзгерте алады. Бұл тұжырымдама ретінде белгілі «гендік жетек». Әрбір тірі организм гендерінің жартысын ұрпақтарына береді. Бірақ CRISPR/Cas пайдалану генді тасымалдау мүмкіндігін 100%-ға дейін арттыруы мүмкін. Бұл қалаған белгінің бүкіл популяцияға тезірек таралуы үшін маңызды.

Швейцариялық ғалымдар CRISPR/Cas геномын өңдеу әдісін айтарлықтай жетілдірді және модернизациялады, осылайша оның мүмкіндіктерін кеңейтті. Дегенмен, ғалымдар CRISPR/Cas жүйесін пайдалана отырып, бір уақытта тек бір генді өзгерте алды. Бірақ қазір ETH Zurich зерттеушілері жасушадағы 25 генді бір уақытта өзгерте алатын әдісті ойлап тапты.

Соңғы техника үшін мамандар Cas12a ферментін қолданды. Генетиктер тарихта алғаш рет маймылдарды сәтті клондады. «Танымал механика»;

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 молекулалық биополимерлердің екі негізгі класына байланысты (Биополимерлерді қараңыз) - белоктар мен нуклеин қышқылдары. М.б.-ның айрықша белгісі. - жансыз объектілердегі немесе тіршіліктің ең қарапайым көріністерімен сипатталатын тіршілік құбылыстарын зерттеу. Бұлар биологиялық түзілістержасуша деңгейінен төмен: оқшауланған жасуша ядролары, митохондриялар, рибосомалар, хромосомалар сияқты жасуша асты органеллалар, жасуша мембраналары; әрі қарай – өмір сүру шекарасында тұрған жүйелер мен жансыз табиғат, - вирустар, соның ішінде бактериофагтар және тірі заттың ең маңызды компоненттерінің молекулаларымен аяқталатын - нуклеин қышқылдары (Нуклеин қышқылдарын қараңыз) және ақуыздар (Белоктарды қараңыз).

М. б. - биохимия (Қараңыз: Биохимия), биофизика (Қараңыз: Биофизика) және биоорганикалық химия (Биоорганикалық химияны қараңыз) қамтылған бұрыннан қалыптасқан зерттеу салаларымен тығыз байланысты жаратылыстанудың жаңа саласы. Мұндағы айырмашылық тек қолданылатын әдістер мен қолданылатын тәсілдердің іргелі сипатын ескеру негізінде ғана мүмкін болады.

М.ның дамуының негізін генетика, биохимия, элементар процестер физиологиясы және т.б ғылымдар салды.Оның даму бастауларына сәйкес М.б. молекулалық генетикамен тығыз байланысты (Молекулалық генетиканы қараңыз) , ол қазірдің өзінде үлкен дәрежеде дербес пәнге айналғанымен, M. банкингінің маңызды бөлігін құрап келеді. М.-ның оқшаулануы. биохимиядан келесі ойлар туындайды. Биохимияның міндеттері негізінен белгілі бір химиялық заттардың белгілі бір биологиялық функциялар мен процестерге қатысуын анықтаумен және олардың түрлену сипатын түсіндірумен шектеледі; жетекші рөл реактивтілік және негізгі белгілер туралы ақпаратқа жатады химиялық құрылымыкәдімгі арқылы білдірді химиялық формула. Осылайша, мәні бойынша назар негізгі валентке әсер ететін трансформацияларға бағытталған химиялық байланыстар. Сонымен қатар, Л. Полинг атап өткендей , биологиялық жүйелерде және тіршілік әрекетінің көріністерінде бір молекуланың ішінде әрекет ететін негізгі-валентті байланыстарға емес, молекулааралық өзара әрекеттесулерді анықтайтын байланыстардың әртүрлі түрлеріне (электростатикалық, ван-дер-Ваальс, сутектік байланыстар және т.б.) басты мән беру керек. .

Биохимиялық зерттеудің соңғы нәтижесі белгілі бір жүйе түрінде ұсынылуы мүмкін химиялық теңдеулер, әдетте олардың кескіні жазықтықта, яғни екі өлшемде толығымен таусылады. М.б.-ның айрықша белгісі. оның үш өлшемділігі болып табылады. М.б. мәні. М.Перуц оны биологиялық функцияларды молекулалық құрылым тұрғысынан түсіндіруде көреді. Егер бұрын биологиялық объектілерді зерттеген кезде «не», яғни қандай заттар бар деген сұраққа және «қай жерде» деген сұраққа - қандай ұлпалар мен мүшелерде жауап беру керек болса, онда М.б. Молекуланың бүкіл құрылымының рөлі мен қатысуының мәнін біле отырып, «қалай» деген сұраққа жауап алуды және «неліктен» және «не үшін» деген сұрақтарға жауап алуды өзінің міндетіне қояды. бір жағынан, молекуланың қасиеттері (қайтадан, ең алдымен, белоктар мен нуклеин қышқылдары) және оның атқаратын қызметтері арасындағы байланыстар және екінші жағынан, өмірлік белсенділік көріністерінің жалпы кешеніндегі осындай жеке функциялардың рөлі.

Макромолекуланың жалпы құрылымында атомдардың өзара орналасуы және олардың топтастырылуы, олардың кеңістіктік байланыстары шешуші рөлге ие болады. Бұл жеке, жеке құрамдас бөліктерге де, жалпы молекуланың жалпы конфигурациясына да қатысты. Нақ қатаң анықталған көлемдік құрылымның пайда болуы нәтижесінде биополимерлердің молекулалары сол қасиеттерге ие болады, соның арқасында олар материалдық негіз ретінде қызмет ете алады. биологиялық функциялар. Тірілерді зерттеуге деген көзқарастың бұл принципі М.б.

Тарихи анықтама.Биологиялық мәселелерді молекулярлық деңгейде зерттеудің үлкен маңызын И.П.Павлов болжаған , өмір туралы ғылымның соңғы сатысы – тірі молекуланың физиологиясы туралы айтқан. Терминнің өзі «М. б.» алғаш рет ағылшын тілінде қолданылған. ғалымдар У.Астбери коллаген, қан фибрині немесе жиырылғыш бұлшықет ақуыздары сияқты фибриллярлық (талшықты) ақуыздардың молекулалық құрылымы мен физикалық және биологиялық қасиеттері арасындағы байланысты анықтауға байланысты зерттеулерге қолдануда. «М. б.» болат 1950 жылдардың басынан бері. 20 ғасыр

М.-ның пайда болуы. жетілген ғылым ретінде Кембриджде (Ұлыбритания) Дж.Уотсон мен Ф.Крик дезоксирибонуклеин қышқылының (ДНҚ) үш өлшемді құрылымын ашқан 1953 жылға сілтеме жасау әдетке айналған. Бұл осы құрылымның бөлшектері тұқым қуалайтын ақпараттың материалдық тасымалдаушысы ретінде ДНҚ-ның биологиялық функцияларын қалай анықтайтыны туралы айтуға мүмкіндік берді. Негізінде, ДНҚ-ның бұл рөлі американдық генетик О.Т.Эвери мен әріптестерінің жұмысының нәтижесінде біршама ертерек (1944) белгілі болды (Молекулалық генетиканы қараңыз), бірақ бұл функцияның қаншалықты тәуелді болатыны белгісіз болды. молекулалық құрылымДНҚ. Бұл В.Л.Брэггтің, Дж.Берналдың және басқалардың зертханалары ақуыздың макромолекулалары мен нуклеин қышқылдарының кеңістіктік құрылымын егжей-тегжейлі білу үшін осы әдісті қолдануды қамтамасыз ететін рентгендік дифракциялық талдаудың жаңа принциптерін жасағаннан кейін ғана мүмкін болды.

Молекулалық ұйымдасу деңгейлері. 1957 жылы Дж.Кендрю Миоглобин а-ның үш өлшемді құрылымын құрды , ал одан кейінгі жылдары мұны М.Перуц гемоглобин а-ға қатысты жасады. Макромолекулалардың кеңістіктік ұйымдастырылуының әртүрлі деңгейлері туралы идеялар тұжырымдалған. Бастапқы құрылым - бұл алынған полимер молекуласының тізбегіндегі жеке бірліктердің (мономерлер) тізбегі. Ақуыздар үшін мономерлер амин қышқылдары болып табылады. , нуклеин қышқылдары үшін – нуклеотидтер. Биополимердің сызықты, жіп тәрізді молекуласы сутектік байланыстардың пайда болуы нәтижесінде кеңістікте белгілі бір түрде сыйып кету қабілетіне ие, мысалы, Л.Полинг көрсеткендей белоктар жағдайында, ол қабылдай алады. спираль пішіні. Бұл қосалқы құрылым деп аталады. Екінші реттік құрылымы бар молекуланың үш өлшемді кеңістікті толтырып, бір жолмен одан әрі бүктелуі үшінші реттік құрылым деп аталады. Соңында, үш өлшемді құрылымы бар молекулалар бір-біріне қатысты кеңістікте тұрақты орналасқан және төрттік құрылым ретінде белгіленген нәрсені құра отырып, өзара әрекеттесе алады; оның жеке құрамдас бөліктері әдетте суббірліктер деп аталады.

Молекулалық үш өлшемді құрылымның молекуланың биологиялық функцияларын қалай анықтайтынының ең айқын мысалы - ДНҚ. Ол қос спиралдың құрылымына ие: өзара қарама-қарсы бағытта (антипараллельді) өтетін екі жіп бір-бірін айналдыра бұрап, негіздердің өзара бірін-бірі толықтыратын орналасуымен қосарланған спираль құрайды, яғни бір тізбектің белгілі бір негізіне қарсы орналасатындай етіп. әрқашан сутектік байланыстардың түзілуін жақсы қамтамасыз ететін негіз болып табылады: адепин (А) тиминмен (Т), гуанинмен (G) цитозинмен (С) жұптасады. Мұндай құрылым ДНҚ-ның аса маңызды биологиялық қызметтері үшін оңтайлы жағдай жасайды: генетикалық ақпараттың осы ағынының сапалық өзгермейтіндігін сақтай отырып, жасушаның бөліну процесінде тұқым қуалайтын ақпараттың сандық көбеюі. Жасуша бөлінгенде шаблон немесе шаблон қызметін атқаратын ДНҚ қос спиралының жіптері ашылады және олардың әрқайсысында ферменттердің әсерінен комплементарлы жаңа тізбек синтезделеді. Осының нәтижесінде бір ата-аналық ДНҚ молекуласынан екі толық бірдей еншілес молекулалар алынады (Жасуша, Митозды қараңыз).

Сол сияқты гемоглобин жағдайында оның биологиялық қызметі – оттегін өкпеге қайтымды тіркеп, одан кейін тіндерге беру қабілеті – гемоглобиннің үш өлшемді құрылымының ерекшеліктерімен және оның өзгерістерімен тығыз байланысты екені анықталды. оның физиологиялық рөлін жүзеге асыру процесі. O 2-ні байланыстыру және диссоциациялау кезінде гемоглобин молекуласының конформациясында кеңістіктік өзгерістер орын алады, бұл оның құрамындағы темір атомдарының оттегіге сәйкестігінің өзгеруіне әкеледі. Тыныс алу кезіндегі кеуде қуысының көлемінің өзгеруін еске түсіретін гемоглобин молекуласының мөлшерінің өзгеруі гемоглобинді «молекулярлық өкпе» деп атауға мүмкіндік берді.

Тірі объектілердің ең маңызды белгілерінің бірі - олардың тіршілік әрекетінің барлық көріністерін мұқият реттей алуы. М.-ның үлкен үлесі. В ғылыми жаңалықтараллостериялық эффект деп аталатын жаңа, бұрын белгісіз реттеуші механизмнің ашылуын қарастыру керек. Бұл төмен заттардың қабілетінде жатыр молекулалық салмақ- деп аталатын. лигандтар - макромолекулалардың ерекше биологиялық функцияларын өзгерту үшін, ең алдымен каталитикалық әсер ететін белоктар - ферменттер, гемоглобин, биологиялық мембраналардың құрылысына қатысатын рецепторлық ақуыздар (Биологиялық мембраналарды қараңыз), синаптикалық берілісте (Синапстарды қараңыз) және т.б.

Үш биотикалық ағын.М.-ның идеялары аясында. тіршілік құбылыстарының жиынтығын үш ағымның қосындысының нәтижесі ретінде қарастыруға болады: зат алмасу құбылыстарында, яғни ассимиляция мен диссимиляцияда өз көрінісін табатын зат ағымы; өмірдің барлық көріністерінің қозғаушы күші болып табылатын энергия ағыны; және әрбір организмнің дамуы мен өмір сүруінің барлық алуан түрлі процестерін ғана емес, сонымен қатар үздіксіз ұрпақтар тізбегіне енетін ақпарат ағыны. Тірі әлем туралы ілімге биоматериалдардың дамуы арқылы енгізілген ақпарат ағыны идеясы оған өзіндік ерекше, қайталанбас із қалдырады.

Молекулалық биологияның ең маңызды жетістіктері.М. ықпалының шапшаңдығы, ауқымы және тереңдігі. тірі табиғатты зерттеудің іргелі мәселелерін түсінудегі прогресс, мысалы, атомдық физиканың дамуына кванттық теорияның әсерімен дұрыс салыстырылады. Бұл революциялық әсерді өзара байланысты екі жағдай анықтады. Бір жағынан, химиялық және физикалық эксперименттер түріне жақындай отырып, қарапайым жағдайларда тіршілік әрекетінің маңызды көріністерін зерттеу мүмкіндігін ашу шешуші рөл атқарды. Екінші жағынан, осы жағдайдың салдары ретінде биологиялық есептерді шығаруға нақты ғылымдар өкілдерінің - физиктердің, химиктердің, кристаллографтардың, содан кейін математиктердің айтарлықтай бөлігінің жылдам араласуы болды. Біріктірілген бұл жағдайлар әдеттен тыс жағдайға әкелді жылдам қарқынМ.б. дамуы, оның небәрі екі онжылдықта қол жеткізген табыстарының саны мен маңызы. Міне, осы жетістіктердің толық тізімі жоқ: ДНҚ-ның, РНҚ мен рибосомалардың барлық түрлерінің биологиялық қызметінің құрылымы мен механизмін ашу (Рибосомаларды қараңыз) , генетикалық кодты ашу (Генетикалық кодты қараңыз) ; кері транскрипцияның ашылуы (Транскрипцияны қараңыз) , яғни РНҚ шаблонында ДНҚ синтезі; тыныс алу пигменттерінің қызмет ету механизмдерін зерттеу; үш өлшемді құрылымды ашу және оның ферменттердің әрекетіндегі функционалдық рөлі (Ферменттерді қараңыз) , матрицалық синтез принципі және ақуыз биосинтезінің механизмдері; вирустардың құрылымын (Вирустарды қараңыз) және олардың репликациялану механизмдерін, антиденелердің бастапқы және ішінара кеңістіктік құрылымын ашу; жеке гендердің оқшаулануы , химиялық, содан кейін биологиялық (ферменттік) гендердің синтезі, оның ішінде адам, жасушадан тыс (in vitro); гендердің бір ағзадан екіншісіне, оның ішінде адам жасушаларына ауысуы; жылдам дешифрлеу химиялық құрылымыжеке белоктардың, негізінен ферменттердің, сондай-ақ нуклеин қышқылдарының көбеюі; 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.

Редукционизм және интеграция.М. б. тірі объектілерді зерттеудегі осы бағыттың соңғы кезеңі болып табылады, ол «редукционизм», яғни күрделі тіршілік функцияларын молекулалық деңгейде болып жатқан құбылыстарға қысқартуға ұмтылу, сондықтан физика және химия әдістерімен зерттеуге қол жетімді. . Қол жеткізілген M. b. жетістіктері бұл тәсілдің тиімділігін көрсетеді. Сонымен қатар, табиғи жағдайда жасушада, ұлпада, мүшеде және бүкіл ағзада күрделілігі жоғары жүйелермен айналысатынын ескеру қажет. Мұндай жүйелер төменгі деңгейдің құрамдас бөліктерінен олардың құрылымдық және функционалдық ұйымжәне жаңа қасиеттермен. Сондықтан, молекулалық және іргелес деңгейлерде ашу үшін қол жетімді үлгілер туралы білім егжей-тегжейлі болғандықтан, М. б. өмір құбылыстарын зерттеуде одан әрі даму желісі ретінде интеграция механизмдерін түсіну міндеті туындайды. Мұндағы бастапқы нүкте молекулааралық әрекеттесу күштерін зерттеу болып табылады – сутегі байланыстары, ван-дер-Ваальс, электростатикалық күштер және т.б. Олардың комбинациясы және кеңістіктік орналасуы бойынша олар «интегративті ақпарат» деп атауға болатын нәрсені құрайды. Оны жоғарыда аталған ақпарат ағынының негізгі бөліктерінің бірі ретінде қарастырған жөн. М.ның ауданында. интеграцияның мысалдары күрделі түзілімдердің олардың қоспасынан өздігінен жиналу құбылыстары болуы мүмкін. құрамдас бөліктер. Бұған, мысалы, олардың суббірліктерінен көпкомпонентті белоктардың түзілуі, олардың құрамдас бөліктерінен – белоктар мен нуклеин қышқылдарынан вирустардың түзілуі, рибосомалардың белок пен нуклеиндік компоненттер бөлінгеннен кейін бастапқы құрылымының қалпына келуі және т.б. жатады. Бұл құбылыстарды зерттеу биополимер молекулаларының негізгі құбылыстарын «танумен» тікелей байланысты. Мұндағы мәселе – белок молекулаларындағы немесе нуклеотидтердегі – нуклеин қышқылдарындағы амин қышқылдарының қандай комбинациялары жеке молекулалардың қатаң спецификалық, алдын ала анықталған құрамы мен құрылымы бар кешендердің түзілуімен байланысу процестері кезінде бір-бірімен әрекеттесетінін анықтау. Оларға олардың суббірліктерінен күрделі белоктардың түзілу процестері жатады; әрі қарай, нуклеин қышқылының молекулалары арасындағы селективті өзара әрекеттесу, мысалы, тасымалдау және матрица (бұл жағдайда генетикалық кодтың ашылуы біздің ақпаратымызды айтарлықтай кеңейтті); ақырында, бұл белоктар да, нуклеин қышқылдары да қатысатын көптеген құрылымдардың (мысалы, рибосомалар, вирустар, хромосомалар) түзілуі. Тиісті заңдылықтарды ашу, осы өзара әрекеттесулердің негізінде жатқан «тіл» туралы білім, олардың бірі болып табылады. сыни аймақтарМ.б., әлі де оның дамуын күтуде. Бұл аймақ бүкіл биосфераның іргелі мәселелерінің қатарына жатады.

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. Қазіргі уақытта бұл ДНҚ-ның үш өлшемді құрылымының (қос спираль) жалпы жоспарына қатысты қол жеткізілді, бірақ ол туралы нақты білімсіз. бастапқы құрылым. Аналитикалық әдістерді дамытудағы қарқынды ілгерілеу алдағы жылдары осы мақсаттарға қол жеткізуді сенімді түрде күтуге мүмкіндік береді. Бұл жерде, әрине, негізгі үлестер туыстас ғылымдардың, ең алдымен физика мен химияның өкілдерінен келеді. Қолданылуы М.б.-ның пайда болуы мен табысын қамтамасыз еткен ең маңызды әдістердің барлығын физиктер (ультрацентрифугалау, рентгендік дифракциялық талдау, электронды микроскопия, ядролық магниттік резонанс және т.б.) ұсынған және әзірлеген. Барлық дерлік жаңа физикалық эксперименттік тәсілдер (мысалы, компьютерлерді пайдалану, синхротрон немесе бремсстрахлунг, радиация, лазерлік технология және т.б.) М.б. мәселелерін тереңдетіп зерттеуге жаңа мүмкіндіктер ашады. арасында сыни тапсырмаларпрактикалық сипаты, оның жауабын М.б. күтеді, бірінші кезекте қатерлі өсудің молекулалық негізі мәселесі, содан кейін - тұқым қуалайтын аурулардың алдын алу, мүмкін жеңу жолдары - «молекулярлық аурулар» (Қараңыз Молекулалық аурулар ). Үлкен мәнбиологиялық катализдің молекулалық негіздерін, яғни ферменттердің әрекетін түсіндіруге ие болады. Қазіргі заманғы маңызды бағыттардың ішінде М.б. гормондардың әсер етуінің молекулалық механизмдерін ашуға деген ұмтылысты қамтуы керек (Гормондарды қараңыз) , улы және дәрілік заттар, сондай-ақ жасушалық құрылымдардың молекулалық құрылымы мен қызметі туралы мәліметтерді білу үшін биологиялық мембраналарзаттардың енуін және тасымалдануын реттеуге қатысады. Алыстағы мақсаттар M. b. - жүйке процестерінің табиғатын білу, есте сақтау механизмдері (Жадты қараңыз) және т.б. М. б. маңызды жаңадан пайда болған бөлімдердің бірі. - деп аталатын. гендік инженерия, ол микробтардан бастап төменгі (бір жасушалы) және адаммен аяқталатын тірі ағзалардың генетикалық аппаратының (Геномының) мақсатты жұмысын (соңғы жағдайда, ең алдымен, түбегейлі емдеу мақсатында) қояды. тұқым қуалайтын аурулар (Қараңыз. Тұқым қуалайтын аурулар) және генетикалық ақауларды түзету ). Адамның генетикалық негізіне неғұрлым ауқымды араласулар аз немесе аз алыс болашақта ғана талқылануы мүмкін, өйткені бұл жағдайда техникалық және іргелі кедергілер туындайды. Микробтарға, өсімдіктерге қатысты және бұл мүмкін, ал бет - х. Жануарлар үшін мұндай перспективалар (мысалы, ауадан азотты бекітетін аппараты бар және тыңайтқыштарды қажет етпейтін мәдени өсімдіктердің сорттарын алу) жігерлендіреді. Олар қазірдің өзінде қол жеткізілген табыстарға негізделген: гендерді оқшаулау және синтездеу, гендерді бір ағзадан екіншісіне беру, экономикалық немесе медициналық маңызды заттарды өндіруші ретінде жаппай жасуша дақылдарын пайдалану.

Молекулярлық биология бойынша зерттеулерді ұйымдастыру.М.-ның қарқынды дамуы. тудырды үлкен санмамандандырылған ғылыми орталықтар. Олардың саны тез өсуде. Ең ірісі: Ұлыбританияда – Кембридждегі молекулалық биология зертханасы, Лондондағы Корольдік институт; Францияда – Париждегі, Марсельдегі, Страсбургтегі молекулалық биология институттары, Пастер институты; АҚШ-та - департаменттер M. b. Бостондағы университеттер мен институттарда (Гарвард университеті, Массачусетс технологиялық институты), Сан-Франциско (Беркли), Лос-Анджелес (Калифорния технологиялық институты), Нью-Йорк (Рокфеллер университеті), Бетездадағы денсаулық институттары және т.б.; Германияда – Макс Планк институттары, Геттинген және Мюнхен университеттері; Швецияда, Стокгольмдегі Каролинска институты; ГДР-да – Берлиндегі Орталық молекулалық биология институты, Йена және Галле институттары; Венгрияда - Сегед қаласындағы биологиялық орталық. КСРО-да алғашқы мамандандырылған институт М. 1957 жылы Мәскеуде КСРО Ғылым академиясының жүйесінде құрылды (қараңыз. ); содан кейін мыналар құрылды: Мәскеудегі КСРО ҒА биоорганикалық химия институты, Пущинодағы белоктар институты, Атом энергиясы институтының (Мәскеу) биологиялық бөлімі және М.б. Новосібірдегі ғылым академиясының Сібір бөлімшесінің институттарында, Мәскеу мемлекеттік университетінің биоорганикалық химияның ведомствоаралық зертханасында, Киевтегі Украина КСР Ғылым академиясының молекулалық биология және генетика секторында (кейін институт) ; М. б. бойынша маңызды жұмыс. Ленинградтағы жоғары молекулалық қосылыстар институтында, КСРО ҒА-ның бірқатар кафедралары мен зертханаларында және басқа да бөлімшелерде жүргізіледі.

Жеке ғылыми орталықтармен қатар кең көлемдегі ұйымдар пайда болды. IN Батыс ЕуропаМ. бойынша еуропалық ұйым пайда болды. (EMBO), оған 10-нан астам ел қатысады. КСРО-да 1966 жылы Молекулярлық биология институтында М.Б. бойынша ғылыми кеңес құрылды, ол осы білім саласындағы үйлестіруші және ұйымдастырушы орталық болып табылады. туралы монографиялардың кең сериясын шығарды ең маңызды бөлімдерМ.б., жүйелі түрде ұйымдастырылады» қысқы мектептер» бойынша М.б., конференциялар мен симпозиумдар өткізіледі өзекті мәселелерМ. б. Болашақта М. бойынша ғылыми кеңестер береді. КСРО Медицина ғылымдары академиясында және көптеген республикалық ғылым академияларында құрылды. «Молекулалық биология» журналы 1966 жылдан бастап шығарылады (жылына 6 нөмір).

КСРО-да қысқа мерзім ішінде М. саласындағы зерттеушілердің айтарлықтай тобы өсті; бұлар өз мүдделерін басқа салалардан жартылай ауыстырған аға буын ғалымдары; көбіне олар көптеген жас зерттеушілер. қалыптасуы мен дамуына белсене қатысқан жетекші ғалымдардың арасынан М.б. КСРО-да А.А.баев, А.Н.Белозерский, А.Е.Браунштейн, Ю.А.Овчинников, А.С.Спирин, М.М.Шемякин, В.А.Энгельгардт сияқтыларды атауға болады. М.-ның жаңа жетістіктері. мен молекулалық генетика КОКП Орталық Комитеті мен КСРО Министрлер Кеңесінің (1974 ж. мамыр) «Молекулярлық биология мен молекулалық генетиканың дамуын жеделдету шаралары және олардың жетістіктерін ұлттық экономика».

Лит.:Вагнер Р., Митчелл Г., Генетика және метаболизм, транс. ағылшын тілінен, М., 1958; Сент-Джорги және А., Биоэнергетика, транс. ағылшын тілінен, М., 1960; Анфинсен К., Молекулалық негіздерэволюция, транс. ағылшын тілінен, М., 1962; Стэнли В., Валенс Е., Вирустар және өмірдің табиғаты, транс. ағылшын тілінен, М., 1963; Молекулалық генетика, транс. бірге. Ағылшын тілі, 1 бөлім, М., 1964; Волкенштейн М.В., Молекулалар және өмір. Молекулалық биофизикаға кіріспе, М., 1965; Гауровиц Ф., Белоктардың химиясы және функциялары, транс. ағылшын тілінен, М., 1965; Bresler S. E., Молекулярлық биологияға кіріспе, 3-ші басылым, М. - Л., 1973; Инграм В., макромолекулалардың биосинтезі, транс. ағылшын тілінен, М., 1966; Энгельхардт В.А., Молекулалық биология, кітапта: КСРО-дағы биологияның дамуы, М., 1967; Молекулалық биологияға кіріспе, транс. ағылшын тілінен, М., 1967; Уотсон, Дж., Геннің молекулалық биологиясы, транс. ағылшын тілінен, М., 1967; Finean J., Биологиялық ультрақұрылымдар, транс. ағылшын тілінен, М., 1970; Бендолл, Дж., бұлшықеттер, молекулалар және қозғалыс, транс. ағылшын тілінен, М., 1970; Ичас М., Биологиялық код, транс. ағылшын тілінен, М., 1971; Вирустардың молекулалық биологиясы, М., 1971; Белок биосинтезінің молекулалық негіздері, М., 1971; Бернхард С., Ферменттердің құрылымы мен қызметі, транс. ағылшын тілінен, М., 1971; Спирин А.С., Гаврилова Л.П., Рибосома, 2-ші басылым, М., 1971; Френкель-Конрат Х., Вирустардың химиясы мен биологиясы, транс. ағылшын тілінен, М., 1972; Смит С., Ханевальт Ф., Молекулярлық фотобиология. Инактивация және қалпына келтіру процестері, транс. ағылшын тілінен, М., 1972; Харрис Г., Адам биохимиялық генетика негіздері, транс. ағылшын тілінен, М., 1973 ж.

В.А.Энгельхардт.

Ұлы Совет энциклопедиясы. - М.: Совет энциклопедиясы. 1969-1978 .