Što ukratko proučava molekularna biologija. Predmet, zadaće i ciljevi molekularne biologije. Struktura i funkcija proteina

Molekularna biologija

znanost koja kao svoj zadatak postavlja poznavanje prirode životnih pojava proučavanjem bioloških objekata i sustava na razini koja se približava molekularnoj razini, au nekim slučajevima i dostiže ovu granicu. Konačni je cilj u ovom slučaju razjasniti kako i u kojoj mjeri karakteristične manifestacije života, kao što su nasljednost, reprodukcija vlastite vrste, biosinteza proteina, ekscitabilnost, rast i razvoj, pohranjivanje i prijenos informacija, transformacije energije, pokretljivost, razjašnjavaju kako i u kojoj mjeri karakteristične manifestacije života. itd., nastaju zbog strukture, svojstava i međudjelovanja molekula biološki važnih tvari, prvenstveno dviju glavnih klasa biopolimera velike molekularne težine (vidi Biopolimeri) - proteina i nukleinskih kiselina. Posebnost M. b. - proučavanje fenomena života na neživim objektima ili onima koji se odlikuju najprimitivnijim manifestacijama života. To su biološke tvorevine od stanične razine i niže: substanične organele, kao što su izolirane stanične jezgre, mitohondriji, ribosomi, kromosomi, stanične membrane; dalje - sustavi koji stoje na granici žive i nežive prirode - virusi, uključujući bakteriofage, a završavaju s molekulama najvažnijih komponenti žive tvari - nukleinskih kiselina (Vidi Nukleinske kiseline) i proteina (Vidi Proteini).

M. b. - novo područje prirodnih znanosti, usko povezano s davno utvrđenim područjima istraživanja, koja pokrivaju biokemija (Vidi Biokemija), biofizika (Vidi Biofizika) i bioorganska kemija (Vidi Bioorganska kemija). Razlika je ovdje moguća samo na temelju uzimanja u obzir korištenih metoda i temeljne prirode korištenih pristupa.

Temelj na kojem se razvio M. položile su znanosti poput genetike, biokemije, fiziologije elementarnih procesa itd. Prema podrijetlu svog razvoja, M. b. neraskidivo povezana s molekularnom genetikom (vidi Molekularna genetika) , koje i dalje čini važan dio M. bankarstva, iako se već dobrim dijelom formiralo u samostalnu disciplinu. M.-ova izolacija. iz biokemije diktiraju sljedeća razmatranja. Zadaci biokemije uglavnom su ograničeni na utvrđivanje sudjelovanja određenih kemijskih tvari u određenim biološkim funkcijama i procesima i razjašnjavanje prirode njihovih transformacija; vodeću ulogu imaju informacije o reaktivnosti i o glavnim značajkama kemijske strukture, izražene uobičajenim kemijska formula. Dakle, u biti, pozornost je usmjerena na transformacije koje utječu na glavne valentne kemijske veze. U međuvremenu, kako je naglasio L. Pauling , u biološkim sustavima i manifestacijama vitalne aktivnosti, glavnu važnost treba dati ne glavnim valentnim vezama koje djeluju unutar iste molekule, već različitim vrstama veza koje određuju međumolekulske interakcije (elektrostatske, van der Waalsove, vodikove veze itd.) .

Krajnji rezultat biokemijskog istraživanja može se prikazati u obliku sustava kemijskih jednadžbi, koji se obično potpuno iscrpljuje njihovim prikazom u ravnini, tj. u dvije dimenzije. Posebnost M. b. je njegova trodimenzionalnost. Bit M. b. M. Perutz to vidi u tumačenju bioloških funkcija u terminima molekularne strukture. Možemo reći da ako je prije, proučavajući biološke objekte, bilo potrebno odgovoriti na pitanje "što", odnosno koje su tvari prisutne, i na pitanje "gdje" - u kojim tkivima i organima, onda je M. b. postavlja sebi zadaću dobiti odgovore na pitanje "kako", spoznavši bit uloge i sudjelovanja cijele strukture molekule, te na pitanja "zašto" i "zašto", saznavši, na s jedne strane, veze između svojstava molekule (opet prvenstveno proteina i nukleinskih kiselina) i funkcija koje ona obavlja, a s druge strane, uloga takvih pojedinačnih funkcija u ukupnom kompleksu manifestacija vitalne aktivnosti.

Međusobni raspored atoma i njihovo grupiranje u općoj strukturi makromolekule, njihovi prostorni odnosi dobivaju odlučujuću ulogu. To se odnosi kako na pojedinačne, pojedinačne komponente, tako i na ukupnu konfiguraciju molekule kao cjeline. Kao rezultat nastanka strogo određene volumetrijske strukture, molekule biopolimera poprimaju ona svojstva, zbog kojih mogu poslužiti kao materijalna osnova bioloških funkcija. Ovo načelo pristupa proučavanju živoga najkarakterističnije je, tipično obilježje M. b.

Povijesna referenca. Velika vrijednost istraživanja bioloških problema na molekularnoj razini predvidio je I. P. Pavlov , koji je govorio o posljednjem koraku u znanosti o životu – fiziologiji žive molekule. Sam pojam „M. b." prvi put je korišten u engleskom jeziku. znanstvenika W. Astburyja u primjeni na istraživanja koja se odnose na razjašnjavanje odnosa između molekularne strukture i fizičkih i bioloških svojstava fibrilarnih (vlaknastih) proteina, kao što su kolagen, krvni fibrin ili kontraktilni mišićni proteini. Široko se koristi izraz "M. b." čelika od ranih 1950-ih. 20. stoljeće

Pojava M.-a. kao zrelu znanost, uobičajeno je spominjati 1953. godinu, kada su J. Watson i F. Crick u Cambridgeu (Velika Britanija) otkrili trodimenzionalnu strukturu deoksiribonukleinske kiseline (DNK). To je omogućilo govoriti o tome kako detalji ove strukture određuju biološke funkcije DNK kao materijalnog nositelja nasljednih informacija. Načelno je ova uloga DNA postala poznata nešto ranije (1944.) kao rezultat rada američkog genetičara O. T. Averyja i suradnika (vidi Molekularna genetika), ali nije bilo poznato u kojoj mjeri ta funkcija ovisi o molekularnoj strukturi DNK. DNK. To je postalo moguće tek nakon što su laboratoriji W. L. Bragga, J. Bernala i drugih razvili nove principe difrakcijske analize X-zraka, koji su osigurali korištenje ove metode za detaljno poznavanje prostorne strukture proteinskih makromolekula i nukleinskih kiselina.

Razine molekularne organizacije. Godine 1957. J. Kendrew ustanovio je trodimenzionalnu strukturu mioglobina a , a u narednim godinama to je učinio M. Perutz u vezi s hemoglobinom a. Formulirane su ideje o različitim razinama prostorne organizacije makromolekula. Primarna struktura je niz pojedinačnih jedinica (monomera) u lancu nastale polimerne molekule. Za proteine, monomeri su aminokiseline. , za nukleinske kiseline – Nukleotidi. Linearna, nitasta molekula biopolimera, kao rezultat nastanka vodikovih veza, ima sposobnost uklapanja u prostor na određeni način, npr. u slučaju proteina, kako je pokazao L. Pauling, može uzeti obliku spirale. To se naziva sekundarna struktura. Tercijarna struktura je kada se molekula koja ima sekundarnu strukturu dalje presavija na ovaj ili onaj način, ispunjavajući trodimenzionalni prostor. Konačno, molekule koje imaju trodimenzionalnu strukturu mogu stupiti u interakciju, pravilno smještene u prostoru jedna u odnosu na drugu i tvoreći ono što je označeno kao kvaternarna struktura; njegove pojedinačne komponente se obično nazivaju podjedinicama.

Najočitiji primjer kako molekularna trodimenzionalna struktura određuje biološke funkcije molekule je DNK. Ima strukturu dvostruke zavojnice: dvije niti koje teku u međusobno suprotnom smjeru (antiparalelno) uvijaju se jedna oko druge tvoreći dvostruku zavojnicu s međusobno komplementarnim rasporedom baza, tj. tako da nasuprot određene baze jednog lanca stoji je uvijek takva baza koja najbolje osigurava stvaranje vodikovih veza: adepin (A) se sparuje s timinom (T), gvanin (G) s citozinom (C). Takva struktura stvara optimalne uvjete za najvažnije biološke funkcije DNA: kvantitativno umnažanje nasljednih informacija u procesu stanične diobe, uz zadržavanje kvalitativne nepromjenjivosti tog protoka genetskih informacija. Dijeljenjem stanice lanci dvostruke spirale DNA, koji služe kao predložak, odnosno predložak, odmotaju se i na svakom od njih pod djelovanjem enzima sintetizira se komplementaran novi lanac. Kao rezultat toga, dvije potpuno identične molekule kćeri dobivene su iz jedne roditeljske molekule DNA (vidi Stanica, Mitoza).

Slično, u slučaju hemoglobina, pokazalo se da je njegova biološka funkcija - sposobnost reverzibilnog vezanja kisika u plućima i zatim predaje tkivima - usko povezana sa značajkama trodimenzionalne strukture hemoglobina i njegovim promjenama u proces provedbe svoje fiziološke uloge. Prilikom vezanja i disocijacije O 2 dolazi do prostornih promjena u konformaciji molekule hemoglobina, što dovodi do promjene afiniteta atoma željeza sadržanih u njemu prema kisiku. Promjene u veličini molekule hemoglobina, nalik promjenama volumena prsa pri disanju, dopušteno nazvati hemoglobin "molekularnim plućima".

Jedna od najvažnijih značajki živih bića je njihova sposobnost finog reguliranja svih manifestacija vitalne aktivnosti. Glavni doprinos M. znanstvenim otkrićima treba smatrati otkriće novog, dosad nepoznatog regulatornog mehanizma, koji se naziva alosterički učinak. Leži u sposobnosti tvari niske molekularne težine - tzv. ligandi - za modificiranje specifičnih bioloških funkcija makromolekula, prvenstveno katalitički djelujućih proteina - enzima, hemoglobina, receptorskih proteina uključenih u izgradnju bioloških membrana (vidi Biološke membrane), u sinaptičkom prijenosu (vidi sinapse) itd.

Tri biotička toka. U svjetlu ideja M. ukupnost životnih pojava može se smatrati rezultatom kombinacije triju tokova: toka materije, koji nalazi svoj izraz u fenomenima metabolizma, tj. asimilaciji i disimilaciji; protok energije, koja je pokretačka snaga za sve manifestacije života; i tok informacija, prodirući ne samo u cjelokupnu raznolikost procesa razvoja i postojanja svakog organizma, već i u kontinuirani niz uzastopnih generacija. Upravo ideja o protoku informacija, uvedena u doktrinu živog svijeta razvojem biomaterijala, ostavlja na njemu svoj specifičan, jedinstven pečat.

Najvažnija dostignuća molekularne biologije. Brzina, opseg i dubina utjecaja M. napredak u razumijevanju temeljnih problema proučavanja žive prirode s pravom se uspoređuje, primjerice, s utjecajem kvantne teorije na razvoj atomske fizike. Dva intrinzično povezana uvjeta odredila su ovaj revolucionarni učinak. S jedne strane, odlučujuću ulogu imalo je otkriće mogućnosti proučavanja najvažnijih manifestacija vitalne aktivnosti u najjednostavnijim uvjetima, približavajući se vrsti kemijskih i fizikalnih eksperimenata. S druge strane, kao posljedica ove okolnosti, došlo je do brzog uključivanja značajnog broja predstavnika egzaktne znanosti- fizičari, kemičari, kristalografi, a potom i matematičari - u razvoju bioloških problema. U svojoj ukupnosti te su okolnosti odredile neobično brz tempo razvoja M. b., brojnost i značaj njezinih uspjeha, postignutih u samo dva desetljeća. Ovdje je daleko nepotpuni popis ovih postignuća: otkrivanje strukture i mehanizma biološke funkcije DNA, svih vrsta RNA i ribosoma (vidi Ribosomi) , otkrivanje genetskog koda (vidi genetski kod) ; otkriće obrnute transkripcije (vidi transkripciju) , tj. sinteza DNA na šabloni RNA; proučavanje mehanizama funkcioniranja dišnih pigmenata; otkriće trodimenzionalne strukture i njezine funkcionalne uloge u djelovanju enzima (Vidi Enzimi) , princip sinteze matriksa i mehanizmi biosinteze proteina; otkrivanje strukture virusa (vidi Virusi) i mehanizama njihove replikacije, primarne i dijelom prostorne strukture protutijela; izolacija pojedinih gena , kemijska, a zatim biološka (enzimska) sinteza gena, uključujući i ljudsku, izvan stanice (in vitro); prijenos gena iz jednog organizma u drugi, uključujući i u ljudske stanice; brzo napredujuće dešifriranje kemijske strukture sve većeg broja pojedinačnih proteina, uglavnom enzima, kao i nukleinskih kiselina; otkriće fenomena "samosastavljanja" nekih bioloških objekata sve veće složenosti, počevši od molekula nukleinskih kiselina pa sve do višekomponentnih enzima, virusa, ribosoma itd.; rasvjetljavanje alosteričnih i drugih temeljnih principa regulacije bioloških funkcija i procesa.

Redukcionizam i integracija. M. b. je završna faza tog smjera u proučavanju živih bića, koji se označava kao "redukcionizam", tj. želja da se složene životne funkcije svedu na fenomene koji se događaju na molekularnoj razini i stoga dostupni proučavanju metodama fizike i kemije. . Ostvaren M. b. uspjesi svjedoče o učinkovitosti ovog pristupa. Pritom se mora uzeti u obzir da se u prirodnim uvjetima u stanici, tkivu, organu i cijelom organizmu radi o sustavima sve veće složenosti. Takvi sustavi nastaju od komponenti niže razine njihovim pravilnim spajanjem u cjeline, poprimajući strukturnu i funkcionalnu organizaciju i posjedujući nova svojstva. Stoga, kako je znanje o obrascima dostupnim za otkrivanje na molekularnoj i susjednim razinama detaljno, prije M. b. postavlja se zadatak razumijevanja mehanizama integracije kao pravca daljnjeg razvoja u proučavanju fenomena života. Ovdje se polazi od proučavanja sila međumolekulskih interakcija - vodikovih veza, van der Waalsovih, elektrostatskih sila itd. Svojom kombinacijom i prostornim rasporedom one tvore ono što se može nazvati "integrativnom informacijom". Treba ga smatrati jednim od glavnih dijelova već spomenutog protoka informacija. Na području M.-a. primjeri integracije mogu biti fenomeni samosastavljanja složenih tvorevina iz mješavine njihovih sastavni dijelovi. To uključuje, primjerice, stvaranje višekomponentnih proteina iz njihovih podjedinica, stvaranje virusa iz njihovih sastavnih dijelova - proteina i nukleinskih kiselina, obnavljanje izvorne strukture ribosoma nakon odvajanja njihovih proteinskih i nukleinskih komponenti itd. proučavanje ovih fenomena izravno je povezano sa poznavanjem glavnog fenomena "prepoznavanje" molekula biopolimera. Poanta je otkriti koje kombinacije aminokiselina - u proteinskim molekulama ili nukleotidima - u nukleinskim kiselinama međusobno djeluju tijekom procesa asocijacije pojedinačnih molekula uz stvaranje kompleksa strogo specifičnog, unaprijed određenog sastava i strukture. To uključuje procese stvaranja složenih proteina iz njihovih podjedinica; dalje, selektivna interakcija između molekula nukleinskih kiselina, na primjer, transport i matrica (u ovom slučaju, otkriće genetskog koda značajno je proširilo naše informacije); konačno, ovo je formiranje mnogih vrsta struktura (na primjer, ribosoma, virusa, kromosoma), u kojima sudjeluju i proteini i nukleinske kiseline. Otkrivanje odgovarajućih zakona, poznavanje "jezika" koji je u osnovi ovih interakcija, jedno je od najvažnijih područja matematičke lingvistike, koje još uvijek čeka na razvoj. Ovo područje spada u red temeljnih problema za cjelokupnu biosferu.

Problemi molekularne biologije. Uz navedene važne poslove M. bi. (poznavanje zakona "prepoznavanja", samosastavljanja i integracije) stvarni smjer znanstvenog traganja za blisku budućnost je razvoj metoda koje omogućuju dešifriranje strukture, a potom i trodimenzionalne, prostorne organizacije visokomolekularnih nukleinske kiseline. To je sada postignuto s obzirom na opći plan trodimenzionalne strukture DNA (dvostruka spirala), ali bez točnog poznavanja njezine primarne strukture. Brzi uspjesi u razvoju analitičkih metoda omogućuju nam da s pouzdanjem očekujemo postizanje ovih ciljeva u narednim godinama. Ovdje, naravno, glavni doprinosi dolaze od predstavnika srodnih znanosti, prvenstveno fizike i kemije. Sve najvažnije metode, čijom je primjenom osiguran nastanak i uspjeh M. b., predložili su i razvili fizičari (ultracentrifugiranje, difrakcijska analiza X-zraka, elektronska mikroskopija, nuklearna magnetska rezonancija i dr.). Gotovo svi novi fizikalni eksperimentalni pristupi (primjerice, uporaba računala, sinkrotronskog ili zakočnog zračenja, laserske tehnologije itd.) otvaraju nove mogućnosti za dubinsko proučavanje problemi M. b. Među najvažnijim zadacima praktične naravi, čiji se odgovor očekuje od M. b., na prvom je mjestu problem molekularne baze maligni rast, zatim - načini sprječavanja, a možda i prevladavanja nasljednih bolesti - "molekularnih bolesti" (Vidi Molekularne bolesti). Velika važnost imat će rasvjetljavanje molekularnih temelja biološke katalize, tj. djelovanja enzima. Među najvažnijim modernim pravcima M. b. treba uključiti želju za dešifriranjem molekularnih mehanizama djelovanja hormona (vidi Hormoni) , otrovnih i ljekovitih tvari, kao i saznati pojedinosti molekularne strukture i funkcioniranja takvih staničnih struktura kao što su biološke membrane uključene u regulaciju procesa prodiranja i transporta tvari. Dalji ciljevi M. b. - poznavanje prirode živčanih procesa, mehanizama pamćenja (vidi Memorija), itd. Jedan od važnih dijelova M. b. - tzv. genetski inženjering, koji kao svoju zadaću postavlja svrhovito djelovanje genetskog aparata (Genoma) živih organizama, počevši od mikroba i nižih (jednostaničnih) do čovjeka (u potonjem slučaju prvenstveno u svrhu radikalnog liječenja nasljedne bolesti (Vidi. Nasljedne bolesti) i ispravljanje genetskih defekata ). O opsežnijim zahvatima u ljudsku genetičku osnovu može se govoriti tek u manje ili više dalekoj budućnosti, jer u tom slučaju nastaju ozbiljne prepreke, tehničke i fundamentalne. Što se tiče mikroba, biljaka, a moguće je i stranica - x. Za životinje su takvi izgledi vrlo ohrabrujući (na primjer, dobivanje sorti kultiviranih biljaka koje imaju aparat za fiksiranje dušika iz zraka i ne trebaju gnojiva). Nadovezuju se na već postignute uspjehe: izolacija i sintetiziranje gena, prijenos gena iz jednog organizma u drugi, primjena masovne kulture stanice kao proizvođači ekonomski ili medicinski važnih tvari.

Organizacija istraživanja u molekularnoj biologiji. Brz razvoj M. b. dovela je do pojave velikog broja specijaliziranih istraživačkih centara. Njihov broj brzo raste. Najveći: u Velikoj Britaniji - Laboratorij za molekularnu biologiju u Cambridgeu, Kraljevski institut u Londonu; u Francuskoj - instituti za molekularnu biologiju u Parizu, Marseilleu, Strasbourgu, Institut Pasteur; u SAD - odjeli M. b. na sveučilištima i institutima u Bostonu (Harvard University, Massachusetts Institute of Technology), San Franciscu (Berkeley), Los Angelesu (California Institute of Technology), New Yorku (Rockefeller University), zdravstvenim institutima u Bethesdi itd.; u Njemačkoj - Max Planck instituti, sveučilišta u Göttingenu i Münchenu; u Švedskoj, Institut Karolinska u Stockholmu; u DDR-u - Središnji institut za molekularnu biologiju u Berlinu, instituti u Jeni i Halleu; u Mađarskoj - Biološki centar u Szegedu. U SSSR-u prvi specijalizirani institut M. bi. stvorena je u Moskvi 1957. u sustavu Akademije znanosti SSSR-a (vidi. ); tada su formirani: Institut za bioorgansku kemiju Akademije znanosti SSSR-a u Moskvi, Institut za proteine u Puščinu, Biološki odjel pri Institutu atomska energija(Moskva), odjeli M. b. u institutima Sibirskog ogranka Akademije znanosti u Novosibirsku, Međuodsječkom laboratoriju za bioorgansku kemiju Moskovskog državnog sveučilišta, Sektoru (kasnije Institutu) za molekularnu biologiju i genetiku Akademije znanosti Ukrajinske SSR u Kijevu. ; značajan rad na M. b. provodi se u Institutu za makromolekularne spojeve u Lenjingradu, u nizu odjela i laboratorija Akademije znanosti SSSR-a i drugih odjela.

Uz pojedinačna istraživačka središta nastale su organizacije šireg opsega. U zapadnoj Europi nastala je Europska organizacija za M. (EMBO), u kojem sudjeluje više od 10 zemalja. U SSSR-u je 1966. godine na Institutu za molekularnu biologiju osnovan Znanstveni savjet za M. B., koji je koordinacijski i organizacijski centar u ovom području znanja. Objavio je opsežnu seriju monografija o najvažnijim dionicama M. b., redovito se organiziraju “zimske škole” o M. b., konferencije i simpoziji o aktualnim problemima M. b. U budućnosti bi znanstveni savjeti o M. stvoreni su na Akademiji medicinskih znanosti SSSR-a i mnogim republičkim akademijama znanosti. Časopis Molecular Biology izlazi od 1966. (6 brojeva godišnje).

Za relativno kratkoročno u SSSR-u je izrastao značajan odred istraživača na polju M.; to su znanstvenici starije generacije koji su djelomično preusmjerili svoje interese s drugih područja; uglavnom su to brojni mladi istraživači. Među vodećim znanstvenicima koji su aktivno sudjelovali u formiranju i razvoju M. b. u SSSR-u se mogu navesti A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunshtein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. M. nova postignuća. i molekularna genetika promicat će se rezolucijom Centralnog komiteta CPSU-a i Vijeća ministara SSSR-a (svibanj 1974.) "O mjerama za ubrzanje razvoja molekularne biologije i molekularne genetike i korištenje njihovih postignuća u nacionalnoj Ekonomija."

Lit.: Wagner R., Mitchell G., Genetika i metabolizam, trans. s engleskog, M., 1958.; Szent-Gyorgy i A., Bioenergetika, trans. s engleskog, M., 1960.; Anfinsen K., Molekularne osnove evolucije, trans. s engleskog, M., 1962.; Stanley W., Valens E., Virusi i priroda života, prev. s engleskog, M., 1963.; Molekularna genetika, trans. S. engleski, 1. dio, M., 1964; Volkenstein M.V., Molekule i život. Uvod u molekularnu biofiziku, M., 1965; Gaurowitz F., Kemija i funkcije proteina, trans. s engleskog, M., 1965.; Bresler S. E., Uvod u molekularnu biologiju, 3. izdanje, M. - L., 1973.; Ingram V., Biosinteza makromolekula, trans. s engleskog, M., 1966.; Engelhardt V. A., Molekularna biologija, u knjizi: Razvoj biologije u SSSR-u, M., 1967; Uvod u molekularnu biologiju, trans. s engleskog, M., 1967.; Watson, J., Molecular Biology of the Gene, trans. s engleskog, M., 1967.; Finean J., Biološke ultrastrukture, trans. s engleskog, M., 1970.; Bendoll, J., Mišići, molekule i kretanje, trans. s engleskog, M., 1970.; Ichas M., Biološki kod, prev. s engleskog, M., 1971.; Molekularna biologija virusa, M., 1971; Molekularne osnove biosinteze proteina, M., 1971; Bernhard S., Struktura i funkcija enzima, trans. s engleskog, M., 1971.; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosom, 2. izdanje, M., 1971.; Frenkel-Konrat H., Kemija i biologija virusa, trans. s engleskog, M., 1972.; Smith C., Hanewalt F., Molekularna fotobiologija. Procesi inaktivacije i oporavka, trans. s engleskog, M., 1972.; Harris G., Osnove ljudske biokemijske genetike, trans. s engleskog, M., 1973.

V. A. Engelhardt.

Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija. 1969-1978 .

Molekularna biologija / mə lɛ DoJʊ lovaj / je grana biologije koja se bavi molekularnom osnovom biološke aktivnosti između biomolekula u različitim staničnim sustavima, uključujući interakcije između DNA, RNA, proteina i njihovu biosintezu, te regulaciju tih interakcija. Snimanje u priroda 1961. Astbury je opisao molekularnu biologiju:

Ne toliko tehnika koliko pristup, pristup sa stajališta takozvanih temeljnih znanosti s vodećom idejom traženja ispod velikih manifestacija klasične biologije odgovarajućeg molekularnog plana. Posebno se odnosi na oblicima bioloških molekula i [...] pretežno trodimenzionalnih i strukturnih – što međutim ne znači da je riječ samo o doradi morfologije. On istodobno mora istraživati postanak i funkciju.

Odnos prema drugim biološkim znanostima

Istraživači u području molekularne biologije koriste specifične metode uzgoja molekularne biologije, ali ih sve više kombiniraju s metodama i idejama iz genetike i biokemije. Ne postoji definirana granica između ovih disciplina. To je prikazano na sljedećem dijagramu koji prikazuje jednu moguću vrstu odnosa između polja:

Biokemija je proučavanje kemikalija i vitalnih procesa koji se odvijaju u živim organizmima. Biokemičarima se teško usredotočiti na ulogu, funkciju i strukturu biomolekula. Proučavanje kemije iza bioloških procesa i sinteza biološki aktivnih molekula primjeri su biokemije.
Genetika je proučavanje utjecaja genetskih razlika u organizmima. To se često može zaključiti po odsutnosti normalne komponente (npr. jednog gena). Proučavanje "mutanata" - organizama koji imaju jednu ili više funkcionalnih komponenti u odnosu na takozvani "divlji tip" ili normalni fenotip. Genetske interakcije (epistaza) često su zbunjene jednostavnim tumačenjima takvih "nokaut" studija.
Molekularna biologija je proučavanje molekularne osnove procesa replikacije, transkripcije, translacije i stanične funkcije. Središnja dogma molekularne biologije, gdje se genetski materijal prepisuje u RNK i potom prevodi u protein, unatoč tome što je previše pojednostavljena, još uvijek pruža dobro polazište za razumijevanje ovog područja. Slika je revidirana u svjetlu pojavljivanja novih uloga za RNA.

Metode molekularne biologije

Molekularno kloniranje

Jedna od najosnovnijih tehnika molekularne biologije za proučavanje funkcije proteina je molekularno kloniranje. U ovoj tehnici, DNA koja kodira protein od interesa klonira se pomoću lančane reakcije polimeraze (PCR) i/ili restrikcijskih enzima u plazmidu (ekspresijski vektor). Vektor ima 3 razlikovna obilježja: podrijetlo replikacije, višestruko mjesto kloniranja (MCS) i selektivni marker, obično s otpornošću na antibiotike. Uzvodno mjesto višestrukog kloniranja su regije promotora i mjesta početka transkripcije koje reguliraju ekspresiju kloniranog gena. Ovaj plazmid se može umetnuti u bakterijske ili životinjske stanice. Uvođenje DNK u bakterijske stanice može se izvesti golom transformacijom preuzimanja DNA, konjugacijama stanica-stanica ili transdukcijom virusnim vektorom. Uvođenje DNK u eukariotske stanice, kao što su životinjske stanice, fizičkim ili kemijskim putem naziva se transfekcija. Dostupno je nekoliko različitih metoda transfekcije, kao što su transfekcija kalcijevim fosfatom, elektroporacija, mikroinjekcija i liposomska transfekcija. Plazmid se može integrirati u genom, što rezultira stabilnom transfekcijom, ili može ostati neovisan o genomu, što se naziva tranzijentima transfekcije.

DNK koja kodira proteine od interesa sada je unutar stanice i proteini se sada mogu eksprimirati. Različiti sustavi, kao što su inducibilni promotori i specifični faktori stanične signalizacije, pomažu u izražavanju interesa proteina na visokim razinama. Velike količine proteina tada se mogu ekstrahirati iz bakterijske ili eukariotske stanice. Protein se može testirati na enzimsku aktivnost u različitim situacijama, protein se može kristalizirati tako da se može proučavati njegova tercijarna struktura ili, u farmaceutskoj industriji, može se proučavati aktivnost novih lijekova protiv proteina.

lančana reakcija polimeraze

Upijanje i proučavanje makromolekula

Pojmovi sjeverni , Zapad I orijentalni brisanje izvlači ono što je izvorno molekularna biologijašala koja se odigrala na termin Southernnet, slijedeći tehniku koju je opisao Edwin Southern za BLOTTED DNA hibridizaciju. Patricia Thomas, koja je razvila RNA blotting, koja je tada postala poznata kao sjeverni - upijanje, zapravo ne koristite izraz.

Southern blotting

Nazvan po svom izumitelju, biologu Edwinu Southernu, Southern blot je tehnika za ispitivanje prisutnosti specifične DNK sekvence u DNK uzorku. Uzorci DNK prije ili nakon probave restrikcijskim enzimom (restrikcijskim enzimom) odvajaju se elektroforezom u gelu i zatim prenose na membranu kapilarnim upijanjem. Membrana se tada izlaže obilježenoj DNA probi koja ima sekvencu baza komplementarnu s onom na DNA od interesa. Southern blotting manje se koristi u znanstvenom laboratoriju zbog mogućnosti drugih metoda, kao što je PCR, da otkriju specifične sekvence DNK iz uzoraka DNK. Međutim, te se mrlje još uvijek koriste za neke primjene, kao što je mjerenje broja kopija transgena kod transgenih miševa ili u inženjeringu genskih knockout linija embrionalnih matičnih stanica.

Northern blotting

Northern blot dijagram

East blotting

Klinička istraživanja i medicinske terapije koje proizlaze iz molekularne biologije dijelom su obuhvaćene genskom terapijom. Primjena pristupa molekularne biologije ili molekularne stanične biologije u medicini danas se naziva molekularna medicina. Molekularna biologija također igra važnu ulogu u razumijevanju formiranja, djelovanja i regulacije različitih dijelova stanica koje se mogu koristiti za učinkovito ciljanje novih lijekova, dijagnosticiranje bolesti i razumijevanje stanične fiziologije.

Daljnje čitanje

Cohen, SN, Chang, NKD, Boyer, H. & Heling, RB Konstrukcija biološki funkcionalnih bakterijskih plazmida in vitro .

Molekularni biolog je medicinski istraživač čija je misija ništa manje nego spašavanje čovječanstva od opasnih bolesti. Među takvim bolestima, na primjer, onkologija, koja je danas postala jedan od glavnih uzroka smrti u svijetu, samo je malo inferiorna u odnosu na lidera - kardiovaskularne bolesti. Nove metode rane dijagnoze onkologije, prevencija i liječenje raka prioritet su zadaća suvremene medicine. Molekularni biolozi u području onkologije razvijaju antitijela i rekombinantne (genetski modificirane) proteine za ranu dijagnozu ili ciljanu dostavu lijeka u tijelo. Stručnjaci u ovom području koriste najnovija dostignuća znanosti i tehnologije za stvaranje novih organizama i organskih tvari s ciljem njihove daljnje uporabe u istraživačkim i kliničkim aktivnostima. Među metodama koje koriste molekularni biolozi su kloniranje, transfekcija, infekcija, lančana reakcija polimerazom, sekvenciranje gena i druge. Jedna od tvrtki zainteresiranih za molekularne biologe u Rusiji je PrimeBioMed LLC. Organizacija se bavi proizvodnjom antitijela-reagensa za dijagnozu raka. Takva se antitijela uglavnom koriste za određivanje vrste tumora, njegovog porijekla i malignosti, odnosno sposobnosti metastaziranja (širenja na druge dijelove tijela). Protutijela se apliciraju na tanke presjeke ispitivanog tkiva, nakon čega se u stanicama vežu za određene proteine - markere koji su prisutni u tumorskim stanicama, ali ih nema u zdravim i obrnuto. Ovisno o rezultatima studije, propisano je daljnje liječenje. Klijenti PrimeBioMeda uključuju ne samo medicinske, već i znanstvene ustanove, budući da se antitijela mogu koristiti i za rješavanje istraživačkih problema. U takvim slučajevima, jedinstvena protutijela sposobna vezati se na proučavani protein mogu se proizvesti za specifičan zadatak po posebnom nalogu. Još jedan obećavajući smjer istraživanja tvrtke je ciljana (ciljana) isporuka lijekova u tijelu. U ovom slučaju, antitijela se koriste kao transport: uz njihovu pomoć, lijekovi se isporučuju izravno u zahvaćene organe. Tako liječenje postaje učinkovitije i ima manje negativnih posljedica za organizam od primjerice kemoterapije koja ne utječe samo na stanice raka, već i na druge stanice. Očekuje se da će profesija molekularnog biologa u narednim desetljećima postati sve traženija: s povećanjem prosječnog životnog vijeka osobe povećavat će se broj onkoloških bolesti. Rano otkrivanje tumora i inovativne metode liječenja pomoću tvari dobivenih od strane molekularnih biologa spasit će živote i poboljšati njihovu kvalitetu ogroman broj od ljudi.

Osnovno strukovno obrazovanje

Postoci odražavaju distribuciju stručnjaka s određenim stupnjem obrazovanja na tržištu rada. Ključne specijalizacije za svladavanje struke označene su zelenom bojom.

Sposobnosti i vještine

Sposobnost rukovanja reagensima, uzorcima, mora znati raditi s malim predmetima
Sposobnost rada s velikim količinama informacija
Sposobnost rada rukama

Interesi i sklonosti

Želja da se nauči nešto novo
Sposobnost rada u multitasking modu (potrebno je pratiti tijek nekoliko reakcija i procesa istovremeno)
Točnost
Odgovornost (ne možete ostaviti posao "za sutra", jer se uzorci mogu oštetiti)
skrupuloznost
marljivost
Pažljivost (potrebno je pratiti mikroprocese)

Struka u licima

Marija Šitova

Daria Samoilova

Aleksej Gračev

Molekularna biologija u području onkologije je perspektivno stručno područje, budući da je borba protiv raka jedan od prioritetnih zadataka svjetske medicine.

Molekularni biolozi su traženi u mnogim područjima zbog aktivnog razvoja znanosti, biotehnoloških i inovativnih poduzeća. Do danas postoji mali nedostatak stručnjaka, posebno onih s određenim iskustvom u svojoj specijalnosti. Do sada je prilično velik broj diplomanata i dalje odlazio na rad u inozemstvo. Počinju se pojavljivati prilike učinkovit rad u području biotehnologije u Rusiji, ali je prerano govoriti o masovnosti.

Rad molekularnog biologa uključuje aktivno sudjelovanje stručnjaka u znanstvena djelatnost, što postaje mehanizam za napredovanje u karijeri. Razvoj u struci moguć je kroz sudjelovanje u znanstvenim projektima i skupovima, možda i kroz razvoj srodnih područja znanja. Također, u budućnosti je moguć akademski razvoj od znanstvenog novaka preko znanstvenog savjetnika do vodećeg znanstvenog suradnika, profesora i/ili voditelja odjela/laboratorija.

Molekularna biologija, znanost koja kao svoj zadatak postavlja poznavanje prirode životnih pojava proučavanjem bioloških objekata i sustava na razini koja se približava molekularnoj razini, au nekim slučajevima i dostiže ovu granicu. Konačni je cilj u ovom slučaju razjasniti kako i u kojoj mjeri karakteristične manifestacije života, kao što su nasljednost, reprodukcija vlastite vrste, biosinteza proteina, ekscitabilnost, rast i razvoj, pohranjivanje i prijenos informacija, transformacije energije, pokretljivost, razjašnjavaju kako i u kojoj mjeri karakteristične manifestacije života. itd., nastaju zbog strukture, svojstava i međudjelovanja molekula biološki važnih tvari, prvenstveno dviju glavnih klasa visokomolekularnih biopolimera - proteina i nukleinskih kiselina. Posebnost M. b. - proučavanje fenomena života na neživim objektima ili onima koji se odlikuju najprimitivnijim manifestacijama života. To su biološke tvorevine od stanične razine i niže: substanične organele, kao što su izolirane stanične jezgre, mitohondriji, ribosomi, kromosomi, stanične membrane; nadalje - sustavi koji stoje na granici žive i nežive prirode - virusi, uključujući bakteriofage, a završavaju s molekulama najvažnijih komponenti žive tvari - nukleinskih kiselina i proteina.

Temelj na kojem se razvio M. položile su znanosti poput genetike, biokemije, fiziologije elementarnih procesa itd. Prema podrijetlu svog razvoja, M. b. je neraskidivo povezana s molekularnom genetikom, koja je i dalje važan dio

Posebnost M. b. je njegova trodimenzionalnost. Bit M. b. M. Perutz to vidi u tumačenju bioloških funkcija u terminima molekularne strukture. M. b. ima za cilj dobiti odgovore na pitanje "kako", spoznavši bit uloge i sudjelovanja cjelokupne strukture molekule, te na pitanja "zašto" i "zašto", saznavši, s jedne strane, odnos između svojstava molekule (opet prvenstveno proteina i nukleinskih kiselina) i funkcija koje ona obavlja, a s druge strane, uloge takvih pojedinačnih funkcija u ukupnom kompleksu manifestacija vitalne aktivnosti.

Najvažnija dostignuća molekularne biologije. Ovdje je daleko nepotpun popis ovih postignuća: otkrivanje strukture i mehanizma biološke funkcije DNA, svih vrsta RNA i ribosoma, otkrivanje genetskog koda; otkriće obrnute transkripcije, tj. sinteze DNA na RNA šabloni; proučavanje mehanizama funkcioniranja dišnih pigmenata; otkriće trodimenzionalne strukture i njezine funkcionalne uloge u djelovanju enzima, principa sinteze matriksa i mehanizama biosinteze proteina; otkrivanje strukture virusa i mehanizama njihove replikacije, primarne i dijelom prostorne strukture protutijela; izolacija pojedinih gena, kemijska, a potom i biološka (enzimska) sinteza gena, uključujući i ljudsku, izvan stanice (in vitro); prijenos gena iz jednog organizma u drugi, uključujući i u ljudske stanice; brzo napredujuće dešifriranje kemijske strukture sve većeg broja pojedinačnih proteina, uglavnom enzima, kao i nukleinskih kiselina; otkriće fenomena "samosastavljanja" nekih bioloških objekata sve veće složenosti, počevši od molekula nukleinskih kiselina pa sve do višekomponentnih enzima, virusa, ribosoma itd.; rasvjetljavanje alosteričnih i drugih temeljnih principa regulacije bioloških funkcija i procesa.

Najvažniji pravci MB:

- Molekularna genetika - proučavanje strukturne i funkcionalne organizacije genetskog aparata stanice i mehanizma za implementaciju nasljedne informacije

– Molekularna virologija – proučavanje molekularnih mehanizama interakcije virusa sa stanicama

– Molekularna imunologija – proučavanje obrazaca imunoloških reakcija tijela

– Molekularna biologija razvoja – proučavanje pojave stanične raznolikosti u tijeku individualnog razvoja organizama i specijalizacije stanica

Glavni predmeti istraživanja: Virusi (uključujući bakteriofage), Stanice i subcelularne strukture, Makromolekule, Višestanični organizmi.

31.2

Za prijatelje!

Referenca

Molekularna biologija izrasla je iz biokemije u travnju 1953. Njegov izgled povezan je s imenima Jamesa Watsona i Francisa Cricka, koji su otkrili strukturu molekule DNA. Otkriće je omogućeno proučavanjem genetike, bakterija i biokemije virusa. Zanimanje molekularnog biologa nije rašireno, ali danas njegova uloga u moderno društvo vrlo velika. Velik broj bolesti, uključujući i one koje se manifestiraju na genetskoj razini, zahtijeva od znanstvenika pronalaženje rješenja za ovaj problem.

Opis djelatnosti

Virusi i bakterije neprestano mutiraju, što znači da lijekovi više ne pomažu čovjeku, a bolesti postaju teško liječive. Zadatak molekularne biologije je preduhitriti ovaj proces i razviti novi lijek za bolesti. Znanstvenici rade prema dobro utvrđenoj shemi: blokiraju uzrok bolesti, eliminiraju mehanizme nasljedstva i time ublažavaju stanje bolesnika. Postoji niz centara, klinika i bolnica diljem svijeta u kojima molekularni biolozi razvijaju nove tretmane za pomoć pacijentima.

Odgovornosti na poslu

Odgovornosti molekularnog biologa uključuju proučavanje procesa unutar stanice (na primjer, promjene u DNK tijekom razvoja tumora). Također, stručnjaci proučavaju značajke DNK, njihov učinak na cijeli organizam i pojedinu stanicu. Takve se studije provode, na primjer, na temelju PCR (lančane reakcije polimeraze), koja vam omogućuje analizu tijela za infekcije, nasljedne bolesti i određivanje biološke veze.

Značajke rasta karijere

Zanimanje molekularnog biologa prilično je perspektivno u svom području i već danas tvrdi da je prvo na ljestvici medicinskih zanimanja budućnosti. Usput, molekularni biolog Ne morate stalno boraviti u ovom području. Ukoliko postoji želja za promjenom zanimanja, može se prekvalificirati za voditelja prodaje laboratorijske opreme, početi razvijati instrumente za razne studije ili otvoriti vlastiti obrt.