מה חוקרת ביולוגיה מולקולרית בקצרה. נושא, משימות ומטרות של ביולוגיה מולקולרית. מבנה ותפקוד של חלבונים

ביולוגיה מולקולרית

מדע שמציב למשימתו את הידע על טבען של תופעות חיים על ידי חקר אובייקטים ומערכות ביולוגיות ברמה המתקרבת לרמה המולקולרית, ובמקרים מסוימים מגיעים לגבול זה. המטרה הסופית במקרה זה היא להבהיר כיצד ובאיזו מידה הביטויים האופייניים של החיים, כגון תורשה, רבייה מהסוג, ביוסינתזה של חלבון, ריגוש, גדילה והתפתחות, אחסון והעברת מידע, טרנספורמציות אנרגיה, ניידות, וכו', נובעים מהמבנה, התכונות והאינטראקציה של מולקולות של חומרים בעלי חשיבות ביולוגית, בעיקר שתי הקבוצות העיקריות של ביופולימרים בעלי משקל מולקולרי גבוה (ראה ביופולימרים) - חלבונים וחומצות גרעין. מאפיין ייחודי של מ.ב. - חקר תופעות החיים על עצמים דוממים או כאלה המאופיינים בביטויים הפרימיטיביים ביותר של החיים. מדובר בתצורות ביולוגיות מרמת התא ומטה: אברונים תת-תאיים, כגון גרעיני תאים מבודדים, מיטוכונדריה, ריבוזומים, כרומוזומים, קרומי תאים; בהמשך - מערכות העומדות על גבול הטבע החי והדומם - וירוסים, כולל בקטריופאג'ים, וכלה במולקולות של המרכיבים החשובים ביותר של החומר החי - חומצות גרעין (ראה חומצות גרעין) וחלבונים (ראה חלבונים).

מ.ב. - תחום חדש של מדעי הטבע, הקשור קשר הדוק לתחומי מחקר ותיקים, המכוסים על ידי ביוכימיה (ראה ביוכימיה), ביופיסיקה (ראה ביופיסיקה) וכימיה ביו-אורגנית (ראה כימיה ביו-אורגנית). ההבחנה כאן אפשרית רק על בסיס התחשבות בשיטות בהן נעשה שימוש ובאופי היסודי של הגישות בהן נעשה שימוש.

היסוד עליו התפתח מ' הונח על ידי מדעים כמו גנטיקה, ביוכימיה, פיזיולוגיה של תהליכים יסודיים ועוד. לפי מקורות התפתחותו, מ' ב. קשור באופן בלתי נפרד עם גנטיקה מולקולרית (ראה גנטיקה מולקולרית) , שממשיכה להוות חלק חשוב בבנקאות מ', למרות שכבר התגבשה במידה רבה לדיסציפלינה עצמאית. הבידוד של מ'. מהביוכימיה מוכתב על ידי השיקולים הבאים. משימות הביוכימיה מוגבלות בעיקר לבירור השתתפותם של חומרים כימיים מסוימים בתפקודים ובתהליכים ביולוגיים מסוימים ובהבהרת אופי הטרנספורמציות שלהם; התפקיד המוביל שייך למידע על התגובתיות ועל המאפיינים העיקריים של המבנה הכימי, המתבטא על ידי הרגיל נוסחה כימית. לפיכך, בעצם, תשומת הלב מתמקדת בטרנספורמציות המשפיעות על קשרים כימיים עיקריים-ערכיים. בינתיים, כפי שהודגש על ידי ל. פאולינג , במערכות ביולוגיות וביטויים של פעילות חיונית, יש לתת את החשיבות העיקרית לא לקשרים עיקריים-ערכיים הפועלים בתוך אותה מולקולה, אלא לסוגים שונים של קשרים הקובעים אינטראקציות בין-מולקולריות (אלקטרוסטטיות, ואן דר וואלס, קשרי מימן וכו'). .

התוצאה הסופית של מחקר ביוכימי יכולה להיות מיוצגת בצורה של מערכת של משוואות כימיות, בדרך כלל מותשות לחלוטין על ידי ייצוגן במישור, כלומר, בשני מימדים. מאפיין ייחודי של מ.ב. הוא התלת מימד שלו. עיקרו של מ.ב. מ' פרוץ רואה זאת בפירוש פונקציות ביולוגיות במונחים של מבנה מולקולרי. אנו יכולים לומר שאם לפני כן, בעת לימוד חפצים ביולוגיים, היה צורך לענות על השאלה "מה", כלומר אילו חומרים קיימים, ועל השאלה "היכן" - באילו רקמות ואיברים, אז מ.ב. מטיל על תפקידו לקבל תשובות לשאלה "איך", לאחר שלמד את מהות התפקיד וההשתתפות של כל המבנה של המולקולה, ולשאלות "למה" ו"בשביל מה", לאחר שגילה, על מצד אחד, הקשרים בין תכונות המולקולה (שוב, בעיקר חלבונים וחומצות גרעין) לבין התפקודים שהיא מבצעת, ומצד שני, התפקיד של פונקציות בודדות כאלה במכלול הביטויים הכולל של פעילות חיונית.

הסידור ההדדי של האטומים והקיבוץ שלהם במבנה הכללי של המקרומולקולה, היחסים המרחביים שלהם מקבלים תפקיד מכריע. זה חל גם על רכיבים בודדים, בודדים, וגם על התצורה הכוללת של המולקולה בכללותה. כתוצאה מהופעת מבנה נפחי שנקבע בקפדנות, מולקולות ביופולימר רוכשות את התכונות הללו, שבגללן הן מסוגלות לשמש בסיס חומרי של פונקציות ביולוגיות. עקרון גישה זה לחקר החיים הוא המאפיין האופייני ביותר של מ.ב.

התייחסות להיסטוריה. ערך רבמחקרים של בעיות ביולוגיות ברמה המולקולרית נצפו על ידי I. P. Pavlov , שדיבר על השלב האחרון במדע החיים - הפיזיולוגיה של המולקולה החיה. עצם המונח "M. ב." שימש לראשונה באנגלית. מדענים W. Astbury ביישום למחקר הקשור להבהרת הקשר בין המבנה המולקולרי לבין התכונות הפיזיקליות והביולוגיות של חלבונים פיבריריים (סיביים), כגון קולגן, פיברין בדם או חלבוני שריר מתכווצים. שימוש נרחב במונח "M. ב." פלדה מאז תחילת שנות ה-50. המאה ה -20

הופעתו של מ. כמדע בוגר, נהוג להתייחס לשנת 1953, כאשר ג'יי ווטסון ופ. קריק בקיימברידג' (בריטניה) גילו את המבנה התלת מימדי של חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA). זה איפשר לדבר על האופן שבו הפרטים של המבנה הזה קובעים את הפונקציות הביולוגיות של ה-DNA כנשא חומרי של מידע תורשתי. באופן עקרוני, התפקיד הזה של ה-DNA נודע מעט קודם לכן (1944) כתוצאה מעבודתם של הגנטיקאי האמריקאי O.T. Avery ועמיתיו (ראה גנטיקה מולקולרית), אך לא היה ידוע באיזו מידה תפקיד זה תלוי במבנה המולקולרי של DNA. זה התאפשר רק לאחר שהמעבדות של W. L. Bragg, J. Bernal ואחרים פיתחו עקרונות חדשים של ניתוח עקיפות קרני רנטגן, שהבטיחו את השימוש בשיטה זו לידע מפורט על המבנה המרחבי של מקרומולקולות חלבון וחומצות גרעין.

רמות הארגון המולקולרי.בשנת 1957, ג'יי קנדרו הקים את המבנה התלת מימדי של מיוגלובין א , ובשנים שלאחר מכן, זה נעשה על ידי מ' פרוץ ביחס להמוגלובין א. גובשו רעיונות לגבי רמות שונות של ארגון מרחבי של מקרומולקולות. המבנה הראשוני הוא רצף של יחידות בודדות (מונומרים) בשרשרת של מולקולת הפולימר שנוצרה. עבור חלבונים, המונומרים הם חומצות אמינו. , לחומצות גרעין - נוקלאוטידים. למולקולה ליניארית חוטית של ביופולימר, כתוצאה מהתרחשות של קשרי מימן, יש יכולת להשתלב בחלל בצורה מסוימת, למשל, במקרה של חלבונים, כפי שהראה ל. פאולינג, היא יכולה לקחת צורה של ספירלה. זה מכונה מבנה משני. אומרים שמבנה שלישוני הוא כאשר מולקולה בעלת מבנה משני מתקפלת בצורה כזו או אחרת וממלאת חלל תלת מימדי. לבסוף, מולקולות בעלות מבנה תלת-ממדי יכולות להיכנס לאינטראקציה, הממוקמות באופן קבוע בחלל זו ביחס לזו ויוצרות מה שמוגדר כמבנה רבעוני; המרכיבים האישיים שלו מכונים בדרך כלל תת-יחידות.

הדוגמה הברורה ביותר לאופן שבו מבנה תלת מימדי מולקולרי קובע את הפונקציות הביולוגיות של מולקולה היא ה-DNA. יש לו מבנה של סליל כפול: שני חוטים העוברים בכיוון הפוך זה לזה (אנטי מקביל) מסובבים זה סביב זה, ויוצרים סליל כפול עם סידור בסיסיים המשלים זה את זה, כלומר כך שכנגד בסיס מסוים של שרשרת אחת יש הוא תמיד כזה הבסיס המספק בצורה הטובה ביותר את היווצרות של קשרי מימן: אדפין (A) זוגות עם תימין (T), גואנין (G) עם ציטוזין (C). מבנה כזה יוצר תנאים אופטימליים לתפקודים הביולוגיים החשובים ביותר של ה-DNA: ריבוי כמותי של מידע תורשתי בתהליך חלוקת התא, תוך שמירה על השונות האיכותית של זרימת מידע גנטי זה. כאשר תא מתחלק, גדילי הסליל הכפול של ה-DNA, המשמש כתבנית, או תבנית, מתפרקים ועל כל אחד מהם, בפעולת אנזימים, מסונתז גדיל חדש משלים. כתוצאה מכך מתקבלות שתי מולקולות בת זהות לחלוטין ממולקולת DNA אב אחת (ראה תא, מיטוזיס).

בדומה, במקרה של המוגלובין, התברר שתפקידו הביולוגי - היכולת לצרף חמצן באופן הפיך לריאות ולאחר מכן לתת אותו לרקמות - קשור קשר הדוק לתכונות המבנה התלת מימדי של ההמוגלובין ולשינויים בו תהליך יישום תפקידו הפיזיולוגי. בעת קשירה ופירוק O 2 מתרחשים שינויים מרחביים בקונפורמציה של מולקולת ההמוגלובין, המובילים לשינוי בזיקה של אטומי הברזל הכלולים בה לחמצן. שינויים בגודל מולקולת ההמוגלובין, הדומים לשינויים בנפח חזהבעת נשימה, מותר לקרוא להמוגלובין "ריאות מולקולריות".

אחת התכונות החשובות ביותר של חפצים חיים היא יכולתם לווסת דק את כל הביטויים של פעילות חיונית. תרומתו העיקרית של מ. גילויים מדעיים צריכים להיחשב כגילוי של מנגנון רגולטורי חדש, שלא היה ידוע בעבר, המכונה האפקט האלוסטרי. זה טמון ביכולת של חומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך - מה שנקרא. ליגנדים - כדי לשנות את הפונקציות הביולוגיות הספציפיות של מקרומולקולות, בעיקר חלבונים הפועלים קטליטית - אנזימים, המוגלובין, חלבוני קולטן המעורבים בבניית ממברנות ביולוגיות (ראה ממברנות ביולוגיות), בהעברה סינפטית (ראה סינפסות) וכו'.

שלושה נחלים ביוטיים.לאור רעיונותיו של מ'. ניתן להתייחס למכלול תופעות החיים כתוצאה משילוב של שלוש זרימות: זרימת החומר, המוצאת את ביטויה בתופעות של חילוף החומרים, כלומר, הטמעה והתפרקות; זרימת האנרגיה, שהיא הכוח המניע לכל גילויי החיים; וזרימת המידע, החודרת לא רק לכל מגוון תהליכי ההתפתחות והקיום של כל אורגניזם, אלא גם לסדרה מתמשכת של דורות עוקבים. הרעיון של זרימת המידע, שהוכנס לדוקטרינת העולם החי על ידי פיתוח חומרים ביולוגיים, הוא שמותיר בו חותם ספציפי וייחודי משלו.

ההישגים החשובים ביותר של הביולוגיה המולקולרית.מהירות, היקף ועומק ההשפעה של מ'. ההתקדמות בהבנת הבעיות הבסיסיות של חקר הטבע החי מושווה בצדק, למשל, עם השפעתה של תורת הקוונטים על התפתחות הפיזיקה האטומית. שני תנאים הקשורים באופן מהותי קבעו את ההשפעה המהפכנית הזו. מצד אחד, תפקיד מכריע שיחק בגילוי האפשרות לחקור את הביטויים החשובים ביותר של פעילות חיונית בתנאים הפשוטים ביותר, תוך התקרבות לסוג הניסויים הכימיים והפיזיקליים. מצד שני, כתוצאה מנסיבות אלו, חלה שילוב מהיר של מספר לא מבוטל של נציגים מדעים מדויקים- פיזיקאים, כימאים, קריסטלוגרפים, ולאחר מכן מתמטיקאים - בפיתוח בעיות ביולוגיות. בסך הכל, נסיבות אלה קבעו את קצב ההתפתחות המהיר במיוחד של מ.ב., מספר ומשמעותן של הצלחותיה, שהושגו תוך שני עשורים בלבד. הנה רשימה רחוקה מלהיות מלאה של הישגים אלה: חשיפה של המבנה והמנגנון של התפקוד הביולוגי של ה-DNA, כל סוגי ה-RNA והריבוזומים (ראה ריבוזומים) , חשיפה של הקוד הגנטי (ראה קוד גנטי) ; גילוי של תמלול הפוך (ראה תמלול) , כלומר סינתזת DNA על תבנית RNA; חקר מנגנוני התפקוד של פיגמנטים נשימתיים; גילוי של מבנה תלת מימדי ותפקידו התפקודי בפעולת האנזימים (ראה אנזימים) , עקרון סינתזת המטריצה ומנגנוני הביוסינתזה של חלבון; חשיפת מבנה הנגיפים (ראה וירוסים) ומנגנוני שכפולם, המבנה הראשוני ובחלקו המרחבי של הנוגדנים; בידוד של גנים בודדים , סינתזת גנים כימית ולאחר מכן ביולוגית (אנזימטית), כולל אנושית, מחוץ לתא (במבחנה); העברת גנים מאורגניזם אחד לאחר, כולל לתוך תאים אנושיים; הפענוח המתקדם במהירות של המבנה הכימי של מספר הולך וגדל של חלבונים בודדים, בעיקר אנזימים, כמו גם חומצות גרעין; גילוי התופעות של "הרכבה עצמית" של כמה אובייקטים ביולוגיים בעלי מורכבות הולכת וגוברת, החל ממולקולות חומצת גרעין ומעבר לאנזימים מרובי רכיבים, וירוסים, ריבוזומים וכו'; הבהרת עקרונות אלוסטריים ואחרים של ויסות פונקציות ותהליכים ביולוגיים.

רדוקציוניזם ואינטגרציה.מ.ב. הוא השלב האחרון של כיוון זה בחקר אובייקטים חיים, המוגדר כ"רדוקציוניזם", כלומר, הרצון לצמצם פונקציות חיים מורכבות לתופעות המתרחשות ברמה המולקולרית ולכן נגישות ללימוד בשיטות הפיזיקה והכימיה . השיג מ.ב. הצלחות מעידות על יעילותה של גישה זו. יחד עם זאת, יש לקחת בחשבון שבתנאים טבעיים בתא, ברקמה, באיבר ובאורגניזם כולו, אנו מתמודדים עם מערכות בעלות מורכבות הולכת וגוברת. מערכות כאלה נוצרות ממרכיבים ברמה נמוכה יותר דרך שילובן הרגיל בשלמות, רכישת ארגון מבני ופונקציונלי ובעלות תכונות חדשות. לכן, מכיוון שהידע על דפוסים הזמינים לחשיפה ברמה המולקולרית והסמוכה מפורט, לפני מ.ב. מתעוררת המשימה של הבנת מנגנוני האינטגרציה כקו להתפתחות נוספת בחקר תופעות החיים. נקודת המוצא כאן היא חקר הכוחות של אינטראקציות בין-מולקולריות - קשרי מימן, ואן דר ואלס, כוחות אלקטרוסטטיים וכו'. על ידי שילובם וסידורם המרחבי, הם יוצרים מה שניתן להגדיר כ"מידע אינטגרטיבי". יש להתייחס אליו כאחד החלקים העיקריים של זרימת המידע שכבר הוזכרה. באזור מ'. דוגמאות לאינטגרציה יכולות להיות תופעות של הרכבה עצמית של תצורות מורכבות מתערובת שלהן חלקי מרכיבים. זה כולל, למשל, יצירת חלבונים מרובי רכיבים מתת-היחידות שלהם, יצירת וירוסים מהחלקים המרכיבים אותם - חלבונים וחומצות גרעין, שחזור המבנה המקורי של הריבוזומים לאחר הפרדת רכיבי החלבון והגרעין שלהם וכו'. מחקר של תופעות אלו קשור ישירות לידע על התופעות העיקריות "הכרה" של מולקולות ביו-פולימר. העניין הוא לגלות אילו שילובים של חומצות אמינו - במולקולות חלבון או נוקלאוטידים - בחומצות גרעין מקיימות אינטראקציה זו עם זו במהלך תהליכי האסוציאציה של מולקולות בודדות עם היווצרות קומפלקסים בעלי הרכב ומבנה ספציפיים לחלוטין, שנקבעו מראש. אלה כוללים את תהליכי היווצרות חלבונים מורכבים מיחידות המשנה שלהם; בנוסף, אינטראקציה סלקטיבית בין מולקולות חומצת גרעין, למשל, תחבורה ומטריצה (במקרה זה, גילוי הקוד הגנטי הרחיב משמעותית את המידע שלנו); לבסוף, זוהי היווצרות של סוגים רבים של מבנים (לדוגמה, ריבוזומים, וירוסים, כרומוזומים), בהם משתתפים חלבונים וחומצות גרעין. חשיפת החוקים המקבילים, ידיעת ה"שפה" העומדת בבסיס האינטראקציות הללו, היא אחד התחומים החשובים ביותר של הבלשנות המתמטית, שעדיין ממתין להתפתחות. אזור זה נחשב כשייך למספר הבעיות הבסיסיות של הביוספרה כולה.

בעיות של ביולוגיה מולקולרית.יחד עם המשימות החשובות שצוינו היה מ. (הכרת חוקי ה"הכרה", הרכבה עצמית ואינטגרציה) הכיוון הממשי של החיפוש המדעי לעתיד הקרוב הוא פיתוח שיטות המאפשרות פענוח המבנה, ולאחר מכן ארגון תלת מימדי, מרחבי של מולקולרי גבוה. חומצות גרעין. זה הושג כעת ביחס לתוכנית הכללית של המבנה התלת מימדי של ה-DNA (סליל כפול), אך ללא ידיעה מדויקת על המבנה הראשוני שלו. הצלחות מהירותבפיתוח שיטות אנליטיות מאפשרים לנו לצפות בביטחון להשגת יעדים אלו במהלך השנים הקרובות. כאן, כמובן, התרומות העיקריות מגיעות מנציגים של מדעים קשורים, בעיקר פיזיקה וכימיה. כל השיטות החשובות ביותר, שהשימוש בהן הבטיח את הופעתו והצלחתו של M. b., הוצעו ופותחו על ידי פיזיקאים (אולטרה-צנטריפוגה, ניתוח דיפרקציית רנטגן, מיקרוסקופיה אלקטרונית, תהודה מגנטית גרעינית וכו'). כמעט כל גישות הניסוי הפיזיקלי החדשות (לדוגמה, שימוש במחשבים, קרינת סינכרוטרון או ברמססטרהלונג, טכנולוגיית לייזר וכו') פותחות אפשרויות חדשות עבור מחקר מעמיקבעיות מ.ב. בין המשימות החשובות ביותר בעלות אופי מעשי, שהתשובה עליהן צפויה ממ' ב', מלכתחילה היא הבעיה. בסיסים מולקולרייםגידול ממאיר, אם כן - דרכים למנוע, ואולי להתגבר על מחלות תורשתיות - "מחלות מולקולריות" (ראה מחלות מולקולריות). חשיבות רבהתהיה הבהרה של היסודות המולקולריים של קטליזה ביולוגית, כלומר, פעולת האנזימים. בין הכיוונים המודרניים החשובים ביותר של מ.ב. צריך לכלול את הרצון לפענח את מנגנוני הפעולה המולקולריים של ההורמונים (ראה הורמונים) , חומרים רעילים ומרפאים, כמו גם לגלות את הפרטים של המבנה המולקולרי והתפקוד של מבנים תאיים כגון ממברנות ביולוגיות המעורבים בוויסות תהליכי החדירה וההובלה של חומרים. שערים רחוקים יותר מ. ב. - הכרת טבעם של תהליכים עצביים, מנגנוני זיכרון (ראה זיכרון) וכו'. אחד הסעיפים החשובים המתעוררים של מ.ב. - מה שנקרא. הנדסה גנטית, ששמה לה למשימתה את פעולתו התכליתית של המנגנון הגנטי (גנום) של אורגניזמים חיים, החל ממיקרובים ומטה (חד-תאיים) וכלה בבני אדם (במקרה האחרון, בעיקר לצורך טיפול רדיקלי של מחלות תורשתיות (ראה. מחלות תורשתיות) ותיקון פגמים גנטיים). התערבויות נרחבות יותר בבסיס הגנטי האנושי ניתן לדון רק בעתיד רחוק פחות או יותר, שכן במקרה זה עולים מכשולים רציניים, טכניים ובסיסיים. לגבי חיידקים, צמחים, ואפשר, ועמוד - x. עבור בעלי חיים, סיכויים כאלה מעודדים מאוד (לדוגמה, השגת זנים של צמחים תרבותיים שיש להם מנגנון לקיבוע חנקן מהאוויר ואינם זקוקים לדשנים). הם מתבססים על ההצלחות שכבר הושגו: בידוד וסינתזה של גנים, העברת גנים מאורגניזם אחד לאחר, יישום תרבויות המוניםתאים כיצרנים של חומרים חשובים כלכליים או רפואיים.

ארגון המחקר בביולוגיה מולקולרית. פיתוח מהירמ.ב. הוביל להופעתם של מספר רב של מרכזי מחקר מיוחדים. מספרם גדל במהירות. הגדול ביותר: בבריטניה - המעבדה לביולוגיה מולקולרית בקיימברידג', המכון המלכותי בלונדון; בצרפת - מכונים לביולוגיה מולקולרית בפריז, מרסיי, שטרסבורג, מכון פסטר; בארה"ב - מחלקות מ. ב. באוניברסיטאות ובמכונים בבוסטון (אוניברסיטת הרווארד, המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס), סן פרנסיסקו (ברקלי), לוס אנג'לס (המכון הטכנולוגי של קליפורניה), ניו יורק (אוניברסיטת רוקפלר), מכוני בריאות בבת'סדה וכו'; בגרמניה - מכוני מקס פלאנק, אוניברסיטאות בגטינגן ובמינכן; בשוודיה, מכון קרולינסקה בשטוקהולם; ב-GDR - המכון המרכזי לביולוגיה מולקולרית בברלין, מכונים בינה והאלה; בהונגריה - המרכז הביולוגי בסגד. בברית המועצות יהיה המכון המתמחה הראשון M. נוצר במוסקבה בשנת 1957 במערכת האקדמיה למדעים של ברית המועצות (ראה. ); לאחר מכן הוקמו: המכון לכימיה ביו-אורגנית של האקדמיה למדעים של ברית המועצות במוסקבה, המכון לחלבונים בפושצ'ינו, המחלקה הביולוגית במכון אנרגיה אטומית(מוסקבה), מחלקות מ.ב. במכונים של הסניף הסיבירי של האקדמיה למדעים בנובוסיבירסק, המעבדה הבין-מחלקתית לכימיה ביו-אורגנית של אוניברסיטת מוסקבה, המגזר (לימים המכון) לביולוגיה מולקולרית וגנטיקה של האקדמיה למדעים של ה-SSR האוקראיני בקייב ; עבודה משמעותית על מ.ב. מתבצע במכון לתרכובות מקרומולקולריות בלנינגרד, במספר מחלקות ומעבדות של האקדמיה למדעים של ברית המועצות ומחלקות אחרות.

יחד עם מרכזי מחקר בודדים, קמו ארגונים בקנה מידה רחב יותר. במערב אירופה קם הארגון האירופי למען מ'. (EMBO), שבה משתתפות יותר מ-10 מדינות. בברית המועצות, בשנת 1966, במכון לביולוגיה מולקולרית, הוקמה מועצה מדעית על M. B., שהיא המרכז המתאם והמארגן בתחום ידע זה. הוא פרסם סדרה נרחבת של מונוגרפיות על החלקים החשובים ביותר של מ.ב., "בתי ספר חורף" על מ.ב מתקיימים באופן קבוע, מתקיימים כנסים וסימפוזיון על בעיות אקטואליות של מ.ב. בעתיד, עצות מדעיות על M. נוצרו באקדמיה למדעי הרפואה של ברית המועצות ובאקדמיות רפובליקניות רבות למדעים. כתב העת Molecular Biology פורסם מאז 1966 (6 גליונות בשנה).

ליחסית טווח קצרבברית המועצות צמח גזרה משמעותית של חוקרים בתחום מ'; אלה מדענים מהדור המבוגר שהחליפו חלקית את תחומי העניין שלהם מתחומים אחרים; לרוב, הם חוקרים צעירים רבים. מבין המדענים המובילים שלקחו חלק פעיל בגיבוש ופיתוח מ.ב. בברית המועצות, אפשר למנות כגון A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunshtein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. ההישגים החדשים של מ'. וגנטיקה מולקולרית תקודם על ידי החלטת הוועדה המרכזית של ה-CPSU ומועצת השרים של ברית המועצות (מאי 1974) "על צעדים להאצת התפתחות הביולוגיה המולקולרית והגנטיקה המולקולרית והשימוש בהישגיהם במדינה הלאומית. כַּלְכָּלָה."

מוּאָר.: Wagner R., Mitchell G., Genetics and metabolism, trans. מאנגלית, מ', 1958; Szent-Gyorgy and A., Bioenergetics, trans. מאנגלית, מ', 1960; Anfinsen K., Molecular Base of Evolution, trans. מאנגלית, מ', 1962; Stanley W., Valens E., Viruses and the nature of life, trans. מאנגלית, מ', 1963; גנטיקה מולקולרית, טרנס. עם. אנגלית, חלק 1, מ', 1964; Volkenstein M.V., מולקולות וחיים. מבוא לביופיזיקה מולקולרית, מ', 1965; Gaurowitz F., כימיה ותפקודים של חלבונים, טרנס. מאנגלית, מ', 1965; Bresler S. E., Introduction to Molecular Biology, ed. 3, M. - L., 1973; Ingram V., Biosynthesis of macromolecules, trans. מאנגלית, מ', 1966; Engelhardt V. A., Molecular Biology, בספר: התפתחות הביולוגיה בברית המועצות, מ', 1967; מבוא לביולוגיה מולקולרית, טרנס. מאנגלית, מ', 1967; Watson, J., Molecular Biology of the Gene, trans. מאנגלית, מ', 1967; Finean J., Biological ultrastructures, trans. מאנגלית, מ', 1970; Bendoll, J., Muscles, Molecules, and Movement, trans. מאנגלית, מ', 1970; Ichas M., קוד ביולוגי, טרנס. מאנגלית, מ', 1971; ביולוגיה מולקולרית של וירוסים, מ', 1971; בסיסים מולקולריים של ביוסינתזה של חלבון, M., 1971; Bernhard S., מבנה ותפקוד של אנזימים, טרנס. מאנגלית, מ', 1971; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosome, 2nd ed., M., 1971; פרנקל-קונרט ה., כימיה וביולוגיה של וירוסים, טרנס. מאנגלית, מ', 1972; Smith C., Hanewalt F., Molecular Photobiology. תהליכים של ביטול והחלמה, טרנס. מאנגלית, מ', 1972; Harris G., יסודות הגנטיקה הביוכימית האנושית, טרנס. מאנגלית, מ', 1973.

V. A. Engelhardt.

האנציקלופדיה הסובייטית הגדולה. - מ.: האנציקלופדיה הסובייטית. 1969-1978 .

ביולוגיה מולקולרית / mə לɛ ליʊ לאה / הוא ענף בביולוגיה הנוגע לבסיס המולקולרי של פעילות ביולוגית בין ביומולקולות במערכות תאים שונות, לרבות אינטראקציות בין DNA, RNA, חלבונים והביוסינתזה שלהם, וויסות האינטראקציות הללו. הקלטה ב טֶבַעבשנת 1961, אסטברי תיאר את הביולוגיה המולקולרית:

לא כל כך טכניקה אלא גישה, גישה מנקודת המבט של מה שנקרא מדעי היסוד עם הרעיון המוביל של חיפוש מתחת לביטויים רחבי היקף של הביולוגיה הקלאסית אחר התוכנית המולקולרית המתאימה. זה עוסק, במיוחד, עם טפסיםמולקולות ביולוגיות ו... בעיקר תלת מימדיות ומבניות - מה שלא אומר, עם זאת, שזה רק חידוד של המורפולוגיה. הוא חייב במקביל לחקור את היצירה והתפקוד.

קשר למדעים ביולוגיים אחרים

חוקרים מתחום הביולוגיה המולקולרית משתמשים בשיטות הספציפיות של גידול ביולוגיה מולקולרית, אך יותר ויותר משלבים אותן עם שיטות ורעיונות מהגנטיקה והביוכימיה. אין קו מוגדר בין הדיסציפלינות הללו. זה מוצג בתרשים הבא, המתאר סוג אפשרי אחד של קשר בין שדות:

בִּיוֹכִימִיָה הוא חקר כימיקלים ותהליכים חיוניים המתרחשים באורגניזמים חיים. ביוכימאים מתקשים להתמקד בתפקיד, בתפקוד ובמבנה של ביו-מולקולות. חקר הכימיה מאחורי תהליכים ביולוגיים וסינתזה של מולקולות פעילות ביולוגית הם דוגמאות לביוכימיה.
גנטיקה הוא חקר ההשפעה של הבדלים גנטיים באורגניזמים. לעתים קרובות ניתן להסיק זאת על ידי היעדר מרכיב נורמלי (למשל גן בודד). חקר ה"מוטנטים" - אורגניזמים שיש להם מרכיב פונקציונלי אחד או יותר ביחס למה שנקרא "סוג פראי" או פנוטיפ נורמלי. אינטראקציות גנטיות (אפיסטאזיס) מבולבלות לעתים קרובות על ידי פרשנויות פשוטות של מחקרי "נוקאאוט" כאלה.
ביולוגיה מולקולרית הוא חקר הבסיס המולקולרי של תהליכי שכפול, שעתוק, תרגום ותפקוד התא. הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית, שבה חומר גנטי מועתק ל-RNA ואז מתורגם לחלבון, למרות הפשטה יתרה, עדיין מספקת נקודת התחלה טובה להבנת התחום. התמונה תוקנה לאור תפקידים חדשים המתפתחים עבור RNA.

שיטות של ביולוגיה מולקולרית

שיבוט מולקולרי

אחת הטכניקות הבסיסיות ביותר לביולוגיה מולקולרית לחקר תפקודו של חלבון היא שיבוט מולקולרי. בטכניקה זו, ה-DNA המקודד לחלבון המעניין משובט באמצעות תגובת שרשרת פולימראז (PCR) ו/או אנזימי הגבלה בפלסמיד (וקטור ביטוי). לוקטור יש 3 תכונות ייחודיות: מקור שכפול, אתר שיבוט מרובה (MCS), וסמן הניתן לבחירה, בדרך כלל עם עמידות לאנטיביוטיקה. אתר השיבוט המרובה במעלה הזרם הם אזורי המקדמים והתחלת התעתוק המווסתים את הביטוי של הגן המשובט. ניתן להחדיר פלסמיד זה לתאי חיידקים או בעלי חיים. הכנסת DNA לתוך תאים חיידקייםיכול להיעשות על ידי טרנספורמציה של קליטת DNA עירום, צימודים של תא לתא, או על ידי טרנסדוקציה עם וקטור ויראלי. החדרת ה-DNA לתאים אוקריוטיים, כגון תאים של בעלי חיים, באמצעים פיזיים או כימיים נקראת טרנספקציה. מספר שיטות טרנספקציה שונות זמינות, כגון טרנספקציה של סידן פוספט, אלקטרופורציה, הזרקת מיקרו והעברה ליפוזומלית. הפלסמיד עשוי להיות משולב בגנום, וכתוצאה מכך טרנספקציה יציבה, או יכול להישאר בלתי תלוי בגנום, המכונה טרנספקציה ארעית.

ה-DNA המקודד לחלבונים המעניינים נמצא כעת בתוך התא, וכעת ניתן לבטא את החלבונים. מערכות מגוונות, כגון פרומטורים הניתנים להשראה וגורמי איתות ספציפיים של תאים, עוזרות לבטא עניין בחלבון ברמות גבוהות. לאחר מכן ניתן להפיק כמויות גדולות של החלבון מהתא החיידקי או האוקריוטי. ניתן לבדוק את החלבון לפעילות אנזימטית במצבים שונים, ניתן לגבש את החלבון כדי לחקור את המבנה השלישוני שלו, או, בתעשיית התרופות, ניתן לחקור את פעילותן של תרופות חדשות נגד החלבון.

תגובת שרשרת פולימראז

ספיגת מקרומולקולות ולימוד

תנאים צְפוֹנִי , מַעֲרָבו מִזְרָחִיהספיגה מוציאה את מה שהיה במקור ביולוגיה מולקולריתבדיחה שהתנגנה במונח דרום נט, בעקבות הטכניקה שתוארה על ידי אדווין סאות'רן להכלאת DNA BLOTTED. פטרישיה תומאס, מפתחת של בדיקת RNA, אשר נודעה אז בשם צפוני - סופג, למעשה אל תשתמש במונח.

סיכה דרומית

הנקרא על שם הממציא שלו, הביולוג אדווין סאות'רן, הכתם הדרומי הוא טכניקה לבחינת נוכחות של רצף DNA ספציפי בדגימת DNA. דגימות DNA לפני או אחרי עיכול אנזים הגבלה (אנזים הגבלה) מופרדות על ידי אלקטרופורזה של ג'ל ואז מועברות לממברנה על ידי ספיגת נימי דם. לאחר מכן, הממברנה נחשפת לבדיקת DNA מסומנת בעלת רצף בסיס משלים לזה שעל ה-DNA המעניין. במעבדה המדעית יש פחות שימוש נרחב ב-Soutting דרומית בגלל היכולת של שיטות אחרות, כמו PCR, לזהות רצפי DNA ספציפיים מדגימות DNA. כתמים אלה עדיין משמשים ליישומים מסוימים, עם זאת, כגון מדידת מספר העתקים טרנסגנים בעכברים מהונדסים או בקווי נוק-אאוט הנדסי של גנים של תאי גזע עובריים.

סיכה צפונית

תרשים כתם צפוני

סופג מזרח

מחקר קליני וטיפולים רפואיים הנובעים מביולוגיה מולקולרית מכוסים בחלקם על ידי ריפוי גנטי. היישום של גישות ביולוגיה מולקולרית או ביולוגיה מולקולרית של תאים ברפואה נקרא כיום רפואה מולקולרית. לביולוגיה מולקולרית יש גם תפקיד חשוב בהבנת היווצרותם, הפעולות והתקנות של חלקים שונים של תאים שניתן להשתמש בהם כדי למקד ביעילות תרופות חדשות, לאבחן מחלות ולהבין את הפיזיולוגיה של התא.

לקריאה נוספת

Cohen, SN, Chang, NKD, Boyer, H. & Heling, RB בנייה של פלסמידים חיידקיים פונקציונליים ביולוגית בַּמַבחֵנָה .

ביולוג מולקולרי הוא חוקר רפואי שמשימתו היא לא פחות מהצלת האנושות ממחלות מסוכנות. בין מחלות כאלה, למשל, האונקולוגיה, שהפכה היום לאחד מסיבות המוות העיקריות בעולם, נחותה רק במעט מהמנהיג - מחלות לב וכלי דם. שיטות חדשות לאבחון מוקדם של אונקולוגיה, מניעה וטיפול בסרטן הן משימה בראש סדר העדיפויות של הרפואה המודרנית. ביולוגים מולקולריים בתחום האונקולוגיה מפתחים נוגדנים וחלבונים רקומביננטיים (מהונדסים גנטית) לאבחון מוקדם או מתן תרופות ממוקדות בגוף. מומחים בתחום זה משתמשים בהישגים האחרונים של המדע והטכנולוגיה כדי ליצור אורגניזמים וחומרים אורגניים חדשים במטרה להשתמש בהם במחקר ובפעילויות קליניות. בין השיטות בהן משתמשים ביולוגים מולקולריים ניתן למנות שיבוט, טרנספקציה, זיהום, תגובת שרשרת פולימראז, רצף גנים ועוד. אחת החברות המעוניינות בביולוגים מולקולריים ברוסיה היא PrimeBioMed LLC. הארגון עוסק בייצור נוגדנים-ריאגנטים לאבחון סרטן. נוגדנים כאלה משמשים בעיקר לקביעת סוג הגידול, מקורו וממאירותו, כלומר, היכולת לבצע גרורות (להתפשט לחלקים אחרים בגוף). נוגדנים מורחים על חלקים דקים של הרקמה הנבדקת, ולאחר מכן הם נקשרים בתאים לחלבונים מסוימים - סמנים הנמצאים בתאי הגידול, אך נעדרים בתאי הבריאים ולהיפך. בהתאם לתוצאות המחקר, טיפול נוסף נקבע. בין לקוחותיה של PrimeBioMed נמנים לא רק מוסדות רפואיים, אלא גם מוסדות מדעיים, שכן נוגדנים יכולים לשמש גם לפתרון בעיות מחקר. במקרים כאלה, ניתן לייצר נוגדנים ייחודיים המסוגלים להיקשר לחלבון הנחקר עבור משימה ספציפית בהזמנה מיוחדת. כיוון מבטיח נוסף של מחקר החברה הוא אספקה ממוקדת (ממוקדת) של תרופות בגוף. במקרה זה, נוגדנים משמשים כתחבורה: בעזרתם, תרופות מועברות ישירות לאיברים הפגועים. כך, הטיפול הופך יעיל יותר ובעל פחות השלכות שליליות על הגוף מאשר למשל כימותרפיה, המשפיעה לא רק על תאים סרטניים, אלא גם על תאים אחרים. מקצוע הביולוג המולקולרי צפוי להיות מבוקש יותר ויותר בעשורים הקרובים: עם עלייה בתוחלת החיים הממוצעת של אדם, מספר המחלות האונקולוגיות יגדל. גילוי מוקדם של גידולים ושיטות טיפול חדשניות באמצעות חומרים שהושגו על ידי ביולוגים מולקולריים יציל חיים וישפרו את איכותו מספר עצוםשל אנשים.

השכלה מקצועית בסיסית

האחוזים משקפים את התפלגות המומחים בעלי רמת השכלה מסוימת בשוק העבודה. התמחויות מרכזיות לשליטה במקצוע מסומנות בירוק.

יכולות וכישורים

יכולת להתמודד עם ריאגנטים, דגימות, חייבת להיות מסוגלת לעבוד עם חפצים קטנים
יכולת עבודה עם כמויות מידע גדולות
יכולת עבודה עם ידיים

תחומי עניין והעדפות

להט ללמוד משהו חדש
יכולת עבודה במצב ריבוי משימות (יש צורך לעקוב אחר ההתקדמות של מספר תגובות ותהליכים בו זמנית)
דיוק
אחריות (לא ניתן לעזוב את העבודה "למחר", מכיוון שהדוגמאות עלולות להיפגע)
דִקדוּק
חריצות
מיינדפולנס (יש צורך לנטר תהליכים מיקרוניים)

מקצוע בפנים

מריה שיטובה

דריה סמוילובה

אלכסיי גראצ'ב

ביולוגיה מולקולרית בתחום האונקולוגיה היא תחום מקצועי מבטיח, שכן המאבק בסרטן הוא אחת המשימות העדיפות של הרפואה העולמית.

ביולוגים מולקולריים מבוקשים בתחומים רבים בשל פיתוח פעיל של מפעלים מדעיים, ביוטכנולוגיים וחדשניים. נכון להיום, קיים מחסור קטן במומחים, במיוחד אלה עם ניסיון מסוים בהתמחותם. עד כה, מספר גדול למדי של בוגרים ממשיכים לצאת לעבוד בחו"ל. הזדמנויות מתחילות לצוץ עבודה יעילהבתחום הביוטכנולוגיה ברוסיה, אבל מוקדם מדי לדבר על אופי המוני.

עבודתו של ביולוג מולקולרי כרוכה בהשתתפות פעילה של מומחה ב פעילות מדעית, שהופך למנגנון לקידום קריירה. ההתפתחות במקצוע מתאפשרת באמצעות השתתפות בפרויקטים וכנסים מדעיים, אולי באמצעות פיתוח תחומי ידע קשורים. כמו כן, בעתיד תתאפשר פיתוח אקדמי מחוקר זוטר דרך חוקר בכיר ועד חוקר מוביל, פרופסור ו/או ראש מחלקה/מעבדה.

ביולוגיה מולקולרית,מדע שמציב למשימתו את הידע על טבען של תופעות חיים על ידי חקר אובייקטים ומערכות ביולוגיות ברמה המתקרבת לרמה המולקולרית, ובמקרים מסוימים מגיעים לגבול זה. המטרה הסופית במקרה זה היא להבהיר כיצד ובאיזו מידה הביטויים האופייניים של החיים, כגון תורשה, רבייה מהסוג, ביוסינתזה של חלבון, ריגוש, גדילה והתפתחות, אחסון והעברת מידע, טרנספורמציות אנרגיה, ניידות, וכו', נובעים מהמבנה, התכונות והאינטראקציה של מולקולות של חומרים בעלי חשיבות ביולוגית, בעיקר שתי הקבוצות העיקריות של ביו-פולימרים בעלי מולקולריות גבוהה - חלבונים וחומצות גרעין. מאפיין ייחודי של מ.ב. - חקר תופעות החיים על עצמים דוממים או כאלה המאופיינים בביטויים הפרימיטיביים ביותר של החיים. מדובר בתצורות ביולוגיות מרמת התא ומטה: אברונים תת-תאיים, כגון גרעיני תאים מבודדים, מיטוכונדריה, ריבוזומים, כרומוזומים, קרומי תאים; עוד - מערכות העומדות על גבול הטבע החי והדומם - וירוסים, כולל בקטריופאג'ים, וכלה במולקולות של המרכיבים החשובים ביותר של החומר החי - חומצות גרעין וחלבונים.

היסוד עליו התפתח מ' הונח על ידי מדעים כמו גנטיקה, ביוכימיה, פיזיולוגיה של תהליכים יסודיים ועוד. לפי מקורות התפתחותו, מ' ב. קשורה קשר בל יינתק לגנטיקה מולקולרית, שממשיכה להיות חלק חשוב ממנה

מאפיין ייחודי של מ.ב. הוא התלת מימד שלו. עיקרו של מ.ב. מ' פרוץ רואה זאת בפירוש פונקציות ביולוגיות במונחים של מבנה מולקולרי. מ.ב. שואפת לקבל תשובות לשאלה "איך", לדעת את מהות התפקיד וההשתתפות של כל המבנה של המולקולה, ולשאלות "למה" ו"למה", לאחר שגילה, מצד אחד, את הקשר בין תכונות המולקולה (שוב, בעיקר חלבונים וחומצות גרעין) לבין התפקודים שהיא מבצעת, ומצד שני, תפקידן של פונקציות בודדות כאלה במכלול הביטויים הכולל של פעילות חיונית.

ההישגים החשובים ביותר של הביולוגיה המולקולרית.הנה רשימה רחוקה מלהיות מלאה של הישגים אלה: חשיפת המבנה והמנגנון של התפקוד הביולוגי של ה-DNA, כל סוגי ה-RNA והריבוזומים, חשיפת הקוד הגנטי; גילוי של שעתוק הפוך, כלומר סינתזת DNA על תבנית RNA; חקר מנגנוני התפקוד של פיגמנטים נשימתיים; גילוי המבנה התלת מימדי ותפקידו התפקודי בפעולת האנזימים, עקרון סינתזת המטריצה ומנגנוני הביוסינתזה של חלבונים; חשיפת מבנה הנגיפים ומנגנוני שכפולם, המבנה הראשוני ובחלקו המרחבי של הנוגדנים; בידוד של גנים בודדים, סינתזה כימית ולאחר מכן ביולוגית (אנזימטית), כולל אנושית, מחוץ לתא (במבחנה); העברת גנים מאורגניזם אחד לאחר, כולל לתוך תאים אנושיים; הפענוח המתקדם במהירות של המבנה הכימי של מספר הולך וגדל של חלבונים בודדים, בעיקר אנזימים, כמו גם חומצות גרעין; גילוי התופעות של "הרכבה עצמית" של כמה אובייקטים ביולוגיים בעלי מורכבות הולכת וגוברת, החל ממולקולות חומצת גרעין ומעבר לאנזימים מרובי רכיבים, וירוסים, ריבוזומים וכו'; הבהרת עקרונות אלוסטריים ואחרים של ויסות פונקציות ותהליכים ביולוגיים.

הכיוונים החשובים ביותר של ה-MB:

- גנטיקה מולקולרית - חקר הארגון המבני והתפקודי של המנגנון הגנטי של התא והמנגנון ליישום מידע תורשתי

– וירולוגיה מולקולרית – חקר המנגנונים המולקולריים של האינטראקציה של וירוסים עם תאים

– אימונולוגיה מולקולרית – חקר דפוסי התגובות החיסוניות של הגוף

- ביולוגיה מולקולרית של התפתחות - חקר המראה של מגוון תאים במהלך התפתחות אינדיבידואלית של אורגניזמים והתמקצעות של תאים

מטרות עיקריות של מחקר: וירוסים (כולל בקטריופאג'ים), תאים ומבנים תת-תאיים, מקרומולקולות, אורגניזמים רב-תאיים.

31.2

לחברים!

התייחסות

ביולוגיה מולקולרית צמחה מהביוכימיה באפריל 1953. המראה שלו קשור לשמותיהם של ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק, שגילו את מבנה מולקולת ה-DNA. הגילוי התאפשר באמצעות חקר הגנטיקה, החיידקים והביוכימיה של וירוסים. המקצוע של ביולוג מולקולרי אינו נפוץ, אך כיום תפקידו ב חברה מודרניתגדול מאוד. מספר רב של מחלות, כולל אלו המתבטאות ברמה הגנטית, דורשות מהמדענים למצוא פתרונות לבעיה זו.

תיאור הפעילות

וירוסים וחיידקים עוברים מוטציה מתמדת, מה שאומר שתרופות כבר לא עוזרות לאדם ומחלות הופכות לבלתי פתירות. המשימה של הביולוגיה המולקולרית היא להקדים את התהליך הזה ולפתח תרופה חדשה למחלות. מדענים עובדים על פי תכנית מבוססת היטב: חסימת הגורם למחלה, ביטול מנגנוני התורשה ובכך הקלה על מצבו של החולה. ישנם מספר מרכזים, מרפאות ובתי חולים ברחבי העולם שבהם ביולוגים מולקולריים מפתחים טיפולים חדשים שיעזרו לחולים.

אחריות בעבודה

תחומי האחריות של ביולוג מולקולרי כוללים חקר תהליכים בתוך התא (לדוגמה, שינויים ב-DNA במהלך התפתחות גידולים). כמו כן, מומחים חוקרים את תכונות ה-DNA, השפעתם על האורגניזם כולו ועל תא בודד. מחקרים כאלה מבוצעים, למשל, על בסיס PCR (תגובת שרשרת פולימראז), המאפשרת לנתח את הגוף עבור זיהומים, מחלות תורשתיות ולקבוע קשר ביולוגי.

תכונות של צמיחת קריירה

מקצוע הביולוג המולקולרי מבטיח למדי בתחומו וכבר היום מתיימר להיות הראשון בדירוג מקצועות הרפואה של העתיד. דרך אגב, ביולוג מולקולריאתה לא צריך להישאר באזור הזה כל הזמן. אם יש רצון להחליף עיסוק, הוא יכול לעשות הסבה כמנהל מכירות של ציוד מעבדה, להתחיל בפיתוח מכשירים ללימודים שונים או לפתוח עסק משלו.