직업 분자생물학자. 응용분자생물학. ㅏ). 주요문헌

1. 소개.

분자 생물학 및 유전학의 주제, 작업 및 방법. 분자 생물학 및 유전 공학의 발전에 있어서 "고전적인" 유전학과 미생물 유전학의 중요성. "고전" 및 분자 유전학의 유전자 개념, 그 진화. 분자유전학의 발전에 유전공학 방법론의 기여. 생명공학에 대한 유전공학의 응용가치.

2. 유전의 분자적 기초.

세포의 개념, 거대분자 구성. 유전 물질의 성질. DNA의 유전적 기능에 대한 증거의 역사.

2.1. 다양한 종류의 핵산.핵산의 생물학적 기능. 화학 구조, 공간 구조 및 물리적 특성핵산. 친핵생물과 진핵생물의 유전물질의 구조적 특징. 보완적인 Watson-Crick 염기쌍. 유전자 코드. 유전자 코드를 해독하는 역사. 코드의 주요 속성은 삼중항, 쉼표가 없는 코드, 퇴화입니다. 코드 사전의 특징, 코돈군, 의미론적 및 "의미 없는" 코돈. 원형 DNA 분자와 DNA 슈퍼코일링의 개념. DNA의 위상 이성질체 및 그 유형. 토포이소머라제의 작용 메커니즘. 세균성 DNA 자이라제.

2.2. DNA 전사.원핵생물 RNA 폴리머라제, 그 서브유닛 및 3차원 구조. 다양한 시그마 요인. 원핵생물 유전자 프로모터, 그 구조적 요소. 전사주기의 단계. 개시, "개방형 복합체"의 형성, 전사의 연장 및 종료. 전사 감쇠. 트립토판 오페론 발현 조절. "리보스위치". 전사 종료 메커니즘. 전사의 음성 및 양성 조절. 유당 오페론. 람다 파지 발달의 전사 조절. 조절 단백질(CAP 단백질 및 람다 파지 억제자)에 의한 DNA 인식 원리. 진핵생물의 전사 특징. 진핵생물에서의 RNA 처리. 성적표의 캡핑, 스플라이싱 및 폴리아데닐화. 접합 메커니즘. 작은 핵 RNA와 단백질 인자의 역할. 대체 접합, 예.

2.3. 방송, 그 단계, 리보솜의 기능. 세포 내 리보솜의 위치. 원핵생물 및 진핵생물 유형의 리보솜; 70S 및 80S 리보솜. 리보솜의 형태. 하위 입자(하위 단위)로 분할합니다. 신장 주기에서 아미노아실-tRNA의 코돈 의존적 결합. 코돈-안티코돈 상호작용. 아미노아실-tRNA가 리보솜에 결합하는 데 신장 인자 EF1(EF-Tu)이 참여합니다. 신장 인자 EF1B (EF-Ts), 그 기능, 참여에 따른 반응 순서. 리보솜에 대한 아미노아실-tRNA의 코돈 의존적 결합 단계에 영향을 미치는 항생제. 아미노글리코사이드 항생제(스트렙토마이신, 네오마이신, 카나마이신, 겐타마이신 등), 그 작용 메커니즘. 리보솜에 결합하는 아미노아실-tRNA의 억제제인 ​​테트라사이클린. 방송개시. 개시 과정의 주요 단계. 원핵생물의 번역 개시: 개시 인자, 개시 코돈, RNA 작은 리보솜 소단위의 3¢ 말단, mRNA의 Shine-Dalgarno 서열. 진핵생물의 번역 개시: 개시 인자, 개시 코돈, 5¢-비번역 영역 및 캡 의존 말단 개시. 진핵생물에서 "내부" 캡 독립적 개시. 트랜스펩티드. 트랜스펩티드 억제제: 클로람페니콜, 린코마이신, 아미세틴, 스트렙토그라민, 아니소마이신. 전좌. 신장 인자 EF2(EF-G) 및 GTP의 관련. 전위 억제제: 푸시드산, 비오마이신, 이들의 작용 메커니즘. 번역 종료. 종결 코돈. 원핵생물 및 진핵생물의 단백질 종결인자; 두 가지 종류의 종료 요인과 그 작용 메커니즘. 원핵생물의 번역 조절.

2.4. DNA 복제그리고 그 유전자 조절. 복제에 관여하는 중합효소, 효소 활동의 특징. DNA 충실도. 복제 중 DNA 염기쌍 사이의 입체적 상호작용의 역할. E. coli 중합효소 I, II, III. 중합효소 III 하위단위. 복제 도중 복제 포크, "선행" 및 "지연" 스레드. 오카자키의 파편. 복제 분기점에 있는 단백질 복합체. 대장균의 복제 개시 조절. 박테리아의 복제 종료. 플라스미드 복제 조절의 특징. 양방향 및 롤링 링 복제.

2.5. 재조합, 유형 및 모델. 일반 또는 상동 재조합. 재조합을 시작하는 DNA의 이중 가닥 절단. 이중 가닥 파손의 복제 후 복구에서 재조합의 역할. 재조합 모델의 홀리데이 구조. E. coli의 일반적인 재조합 효소학. RecBCD 콤플렉스. 레카 단백질. 복제를 방해하는 DNA 손상에서 DNA 합성을 보장하는 재조합의 역할. 진핵생물에서의 재조합. 진핵생물의 재조합 효소. 부위별 재조합. 일반 및 부위별 재조합의 분자 메커니즘의 차이. 재조합효소의 분류. 부위별 재조합 중에 수행되는 염색체 재배열의 유형. 박테리아에서 부위별 재조합의 조절 역할. 부위 특이적 파지 재조합 시스템을 이용한 다세포 진핵 염색체의 구축.

2.6. DNA 수리.배상 유형의 분류. 티민 이량체와 메틸화된 구아닌을 직접 복구합니다. 베이스 절단. 글리코실라제. 짝을 이루지 않은 뉴클레오티드의 복구 메커니즘(불일치 복구). 복구할 DNA 가닥을 선택합니다. SOS 수리. 원핵생물과 진핵생물의 SOS 복구에 관여하는 DNA 중합효소의 특성. 박테리아의 "적응 돌연변이" 개념. 이중 가닥 파손의 복구: DNA 분자의 상동성 복제 후 재조합 및 비상동성 말단의 결합. 복제, 재조합, 복구 과정 사이의 관계.

3. 돌연변이 과정.

하나의 유전자-하나의 효소 이론 형성에서 생화학적 돌연변이의 역할. 돌연변이 분류. 점 돌연변이 및 염색체 재배열, 형성 메커니즘. 자발적 및 유도된 돌연변이 유발. 돌연변이 유발 물질의 분류. 돌연변이 유발의 분자 메커니즘. 돌연변이 유발과 복구의 관계. 돌연변이의 식별 및 선택. 억제: 유전자내, 유전자간 및 표현형.

4. 염색체외 유전 요소.

플라스미드, 구조 및 분류. 성 인자 F, 구조 및 수명주기. 염색체 전달 동원에서 인자 F의 역할. Hfr 및 F 기증자의 형성 접합 메커니즘 박테리오파지, 그 구조 및 수명 주기 독성 및 온대 박테리오파지 용원성 및 형질도입 일반 및 특정 형질도입 유전 요소 이동: 트랜스포손 및 IS 서열, 유전 대사에서의 역할 DNA - 원핵생물과 진핵생물 게놈의 트랜스포존 박테리아의 IS 서열, 그 구조 접합 중에 유전 물질을 전달하는 능력을 결정하는 박테리아 F 인자의 구성요소인 IS 서열 박테리아와 진핵생물의 트랜스포존 직접 비복제 및 전이의 복제 메커니즘 수평 트랜스포존 전달의 개념과 구조적 재배열(이소성 재조합) 및 게놈 진화에서의 역할.

5. 유전자의 구조와 기능에 대한 연구.

유전자 분석의 요소. 시스-트랜스 보완성 테스트. 접합, 형질도입, 형질전환을 이용한 유전자 매핑. 유전자 지도 구축. 정밀한 유전자 매핑. 유전자 구조의 물리적 분석. 이종이중 분석. 제한 분석. 시퀀싱 방법. 폴리 메라 제 연쇠 반응. 유전자의 기능을 밝혀냅니다.

6. 유전자 발현 조절. 오페론과 레굴론의 개념. 전사 개시 수준에서 제어합니다. 프로모터, 조작자 및 조절 단백질. 유전자 발현의 양성 및 음성 제어. 전사 종료 수준에서의 제어. 이화물질 제어 오페론: 유당, 갈락토오스, 아라비노스 및 말토오스 오페론 모델. 감쇠기 제어 오페론: 트립토판 오페론 모델. 유전자 발현의 다가 조절. 글로벌 규제 시스템. 스트레스에 대한 규제 반응. 전사 후 제어. 신호 변환. RNA 매개 조절: 소형 RNA, 센서 RNA.

7. 유전공학의 기초. 제한 효소 및 변형. 유전자의 분리 및 복제. 분자 복제용 벡터. 재조합 DNA의 구성 원리와 수용자 세포로의 도입 원리. 유전 공학의 응용 측면.

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XX세기 40년대 초에 생화학, 생물물리학, 유전학, 세포화학, 미생물학 및 바이러스학의 여러 분야가 발전했습니다. 분자 수준의 생명 현상 연구로 밀접하게 이어졌습니다. 이러한 과학이 동시에 다양한 측면에서 달성한 성공은 신체의 주요 제어 시스템이 분자 수준에서 기능하며 이러한 과학의 추가 발전은 다음의 공개에 달려 있다는 사실을 깨닫게 했습니다. 유기체의 몸을 구성하는 분자의 생물학적 기능, 세포 내 화합물의 합성 및 분해, 상호 변환 및 재생산에 대한 참여, 이 경우 발생하는 에너지 및 정보 교환. 따라서 이러한 생물학적 학문과 화학 및 물리학의 교차점에서 분자 생물학이라는 완전히 새로운 분야가 탄생했습니다.

생화학과 달리 현대 분자 생물학의 관심은 주로 생체 고분자의 가장 중요한 종류인 단백질과 핵산의 구조와 기능에 대한 연구에 초점을 맞추고 있습니다. 첫 번째는 대사 반응의 가능성을 결정하고 두 번째는 특정 단백질의 생합성. 그러므로 유전학, 미생물학, 바이러스학의 상응하는 분야인 분자생물학과 생화학을 명확하게 구별하는 것이 불가능하다는 것은 분명합니다.

분자 생물학의 출현은 이미 관련 장에서 논의된 새로운 연구 방법의 개발과 밀접한 관련이 있습니다. 전자현미경 및 기타 현미경 기술 방법의 발전과 함께 1950년대에 개발된 세포 요소의 분별 방법이 중요한 역할을 했습니다. 이는 개선된 차등 원심분리 방법을 기반으로 했습니다(A. Claude, 1954). 이때까지는 이미 바이오폴리머의 분리 및 분별을 위한 상당히 신뢰할 수 있는 방법이 있었습니다. 여기에는 특히 A. Tiselius(1937; 노벨상, 1948) 전기영동을 이용한 단백질 분별 방법, 핵산 분리 및 정제 방법(E. Kay, A. Downs, M. Sevag, A. Mirsky 등). 동시에 세계 여러 실험실에서 다양한 크로마토그래피 분석 방법이 개발되었으며(A. Martin 및 R. Sing, 1941; Nobel Prize, 1952) 이후 크게 개선되었습니다.

X선 회절 분석은 생체고분자의 구조를 해독하는 데 매우 중요한 역할을 했습니다. X선 회절 분석의 기본 원리는 J. Bernal, A. Londsdale, W. Astbury, J. Robertson 등을 포함하는 연구자 그룹에 의해 W. Bragg의 지도 하에 King's College London University에서 개발되었습니다.

특히 주목할만한 것은 Moskovsky 교수의 연구입니다. 주립 대학 A. R. Kizel은 원형질의 생화학(1925~1929)에 대해 연구했는데, 이는 이후의 분자생물학 발전에 매우 중요했습니다. Kizel은 모든 원형질이 가장 중요한 구조적 및 기능적 특징을 모두 결정하는 특수 단백질 체, 즉 판을 기반으로한다는 확고한 개념에 타격을 입혔습니다. 그는 판은 점액균류에서만 발견되고 특정 발달 단계에서 발견되는 단백질이며 원형질에는 영구적인 구성 요소인 단일 골격 단백질이 존재하지 않는다는 것을 보여주었습니다. 따라서 원형질의 구조 문제와 단백질의 기능적 역할에 대한 연구는 올바른 길을 택하고 개발 범위를 얻었습니다. Kisel의 연구는 전 세계적으로 인정을 받아 화학 연구를 활성화했습니다. 구성 부품세포.

영국의 결정학자인 리즈 W. 애스트베리 대학교 교수가 처음 사용한 "분자 생물학"이라는 용어는 아마도 1940년대 초(1945년 이전)에 등장했을 것입니다. 1930년대 Astbury가 수행한 단백질과 DNA에 대한 기본적인 X선 회절 연구는 이러한 생체고분자의 2차 구조를 성공적으로 해독하는 기초가 되었습니다. 1963년에 J. Bernal은 다음과 같이 썼습니다. "그를 기념하는 기념비는 그가 명명하고 실제로 설립한 과학인 분자 생물학 전체에 의해 세워질 것입니다." * , 문헌에서 이 용어는 아마도 1946년에 처음으로 나타났습니다. 영국 저널 "Nature"에 게재된 W. Astbury의 "유기 및 원섬유 화합물의 X선 회절 분석 진행" 기사에서 ** . Harvey 강의에서 Astbury(1950)는 다음과 같이 언급했습니다: "분자생물학이라는 용어가 이제 상당히 널리 사용되는 것을 기쁘게 생각합니다. 비록 내가 처음 제안한 것은 아닐지라도 말입니다. 나는 그것을 좋아했고 오랫동안 그것을 널리 알리려고 노력해 왔습니다. ” ***. 이미 1950년에 Astbury는 분자 생물학이 주로 거대분자의 구조와 형태를 다루고 있으며, 이에 대한 연구는 살아있는 유기체의 기능을 이해하는 데 결정적으로 중요하다는 점을 분명히 했습니다.

* (바이오그. 기억. 로이 여러분. Soc, 1963, v. 9, 29.)

** (W. T. 애스트버리. 유기 및 섬유 구조의 X선 분석 진행.- Nature,. 1946년 v. 157, 121.)

*** (W. T. 애스트버리. 분자 생물학의 모험. 토마스 스프링필드, 1952, p. 삼.)

실제로 분자생물학은 생물학 전체와 동일한 과제, 즉 생명의 본질과 그 기본 현상, 특히 유전과 변이에 대한 지식에 직면하고 있습니다. 현대 분자 생물학은 주로 유전자의 구조와 기능, 개체 발생의 여러 단계와 읽기의 여러 단계에서 유기체의 유전 정보를 실현하는 방법과 메커니즘을 해독하기 위한 것입니다. 이는 돌연변이 유발의 본질과 진화 과정의 분자적 기초를 밝히기 위해 유전자 활동 및 세포 분화 조절의 미묘한 메커니즘을 밝히기 위해 고안되었습니다.

핵산의 유전적 역할 확립

분자 생물학의 발전을 위해서는 다음과 같은 발견이 가장 중요했습니다. 1944년 미국 연구자 O. Avery, K. McLeod(1923년 노벨상 수상), M. McCarthy는 폐렴구균에서 분리한 DNA 분자에 형질전환 활성이 있음을 보여주었습니다. 디옥시리보뉴클레아제에 의해 이들 DNA가 가수분해된 후, 이들의 변형 활성은 완전히 사라졌습니다. 따라서 세포에서 유전적 기능을 부여받은 것은 단백질이 아니라 DNA라는 것이 처음으로 설득력 있게 입증되었습니다.

공평하게 말하면, 박테리아 변형 현상은 Avery, McLeod 및 McCarthy의 발견보다 훨씬 일찍 발견되었다는 점에 유의해야 합니다. 1928년에 F. Griffith는 캡슐화된 독성 균주의 죽은 세포를 비독성(비캡슐화) 폐렴구균에 추가한 후 생성된 세포 혼합물이 생쥐에게 치명적이라는 기사를 발표했습니다. 더욱이, 이 혼합물에 감염된 동물로부터 분리된 살아있는 폐렴구균 세포는 이미 독성이 있었고 다당류 캡슐을 가지고 있었습니다. 따라서 이 실험에서는 죽은 폐렴구균 세포의 일부 구성 요소의 영향으로 캡슐화되지 않은 형태의 박테리아가 캡슐을 형성하는 독성 형태로 변하는 것으로 나타났습니다. 16년 후, 에이버리(Avery), 맥레오드(McLeod), 매카시(McCarthy)는 이 실험에서 죽은 폐렴구균 세포 전체를 디옥시리보핵산으로 대체하고 이것이 변형 활성을 갖는 DNA임을 보여주었습니다(7장과 25장 참조). 이 발견의 중요성은 과대평가하기 어렵습니다. 이는 전 세계 많은 실험실에서 핵산 연구를 자극했으며 과학자들이 DNA에 집중하도록 강요했습니다.

1950년대 초 에이버리(Avery), 맥레오드(McLeod), 매카시(McCarthy)의 발견과 함께 핵산이 생명에서 탁월한 역할을 하고 유전적 기능을 수행한다는 직간접적인 증거가 상당히 많이 축적되었습니다. 이는 특히 세포 내 DNA 위치의 특성과 세포당 DNA 함량이 엄격히 일정하고 배수성 정도와 상관 관계가 있다는 R. Vendrelli(1948)의 데이터에 의해 나타났습니다. 반수체 생식 세포에서 DNA는 다음과 같습니다. 이배체 체세포에서는 그 절반입니다. DNA의 뚜렷한 대사 안정성은 또한 DNA의 유전적 역할을 뒷받침해 줍니다. 1950년대 초에는 알려진 돌연변이 유발 요인의 대부분이 주로 핵산, 특히 DNA에 작용한다는 사실이 많이 축적되었습니다(R. Hotchkiss, 1949; G. Ephrussi-Taylor, 1951; E. Freese, 1957 및 기타).

핵산의 유전적 역할을 확립하는 데 있어 특히 중요한 것은 다양한 파지와 바이러스에 대한 연구였습니다. 1933년에 D. Schlesinger는 대장균(Escherichia coli)의 박테리오파지에서 DNA를 발견했습니다. W. Stanley(1935, 노벨상, 1946)가 결정 상태의 담배 모자이크 바이러스(TMV)를 분리한 이후 식물 바이러스 연구의 새로운 단계가 시작되었습니다. 1937년부터 1938년까지. Rothamsted Agricultural Station (영국) F. Bowden과 N. Peary의 직원은 자신이 분리한 많은 식물 바이러스가 글로불린이 아니라 리보핵단백질이며 필수 구성 요소로 핵산을 포함하고 있음을 보여주었습니다. 40년대 초 G. Schramm(1940), P. A. Agatov(1941), G. Miller 및 W. Stanley(1941)의 작품이 출판되어 단백질 성분의 눈에 띄는 화학적 변형이 발생하지 않음을 나타냅니다. TMV 감염력 상실. 이는 많은 미생물학자들이 계속 믿고 있는 것처럼 단백질 성분이 바이러스의 유전적 특성을 전달하는 매개체가 될 수 없음을 나타냅니다. 식물 바이러스에서 핵산(RNA)의 유전적 역할을 지지하는 설득력 있는 증거는 1956년 튀빙겐(FRG)의 G. Schramm과 캘리포니아(미국)의 H. Frenkel-Konrath에 의해 획득되었습니다. 이 연구자들은 거의 동시에 독립적으로 TMV에서 RNA를 분리하여 단백질이 아닌 TMV에 감염성이 있음을 보여주었습니다. 이 RNA로 담배 식물을 감염시킨 결과 정상적인 바이러스 입자가 형성되어 증식되었습니다. 이는 RNA에 바이러스 단백질을 포함한 모든 바이러스 구성 요소의 합성 및 조립에 대한 정보가 포함되어 있음을 의미합니다. 1968년에 I. G. Atabekov는 단백질이 식물의 감염에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했습니다. 단백질의 특성에 따라 숙주 식물의 스펙트럼이 결정됩니다.

1957년에 Frenkel-Konrat는 처음으로 구성 요소인 RNA와 단백질로부터 TMV를 재구성했습니다. 일반 입자와 함께 그는 한 계통의 RNA와 다른 계통의 단백질이 혼합된 "잡종"을 받았습니다. 그러한 잡종의 유전은 완전히 RNA에 의해 결정되었으며, 바이러스의 자손은 초기 혼합 입자를 얻기 위해 RNA가 사용된 계통에 속했습니다. 나중에 A. Gierer, G. Schuster 및 G. Schramm(1958) 및 G. Witman(1960 - 1966)의 실험에서는 TMV 핵산 구성 요소의 화학적 변형으로 인해 이 바이러스의 다양한 돌연변이가 나타나는 것으로 나타났습니다.

1970년에 D. Baltimore와 G. Temin은 유전 정보의 전달이 DNA에서 RNA로뿐만 아니라 그 반대로도 일어날 수 있음을 발견했습니다. 그들은 일부 발암성 RNA 함유 바이러스(온코나바이러스)에서 RNA 사슬에 상보적인 DNA를 합성할 수 있는 소위 역전사효소라는 특수 효소를 발견했습니다. 이 중요한 발견은 RNA 함유 바이러스의 유전 정보가 숙주 게놈에 삽입되는 메커니즘을 이해하고 발암 작용의 본질을 새롭게 살펴보는 것을 가능하게 했습니다.

핵산의 발견과 그 성질 연구

핵산이라는 용어는 1869년 스위스 의사 F. Miescher가 이 화합물을 발견한 이후 1889년 독일 생화학자 R. Altman에 의해 도입되었습니다. 미셔는 몇 주 동안 묽은 염산으로 고름 세포를 추출했고 나머지 부분에서는 거의 순수한 핵물질을 얻었다. 그는 이 물질을 세포핵의 특징적인 물질로 간주하고 이를 뉴클레인이라고 불렀습니다. 그 특성상 뉴클레인은 단백질과 크게 달랐습니다. 뉴클레인은 더 산성이고 황을 포함하지 않았지만 인을 많이 포함하고 쉽게 용해되었습니다. 알칼리에는 용해되지만 묽은 산에는 용해되지 않습니다.

Misher는 저널에 출판하기 위해 핵에 대한 관찰 결과를 F. Goppe-Seyler에게 보냈습니다. 그가 설명한 물질은 너무 특이해서(당시 모든 생물학적 인 함유 화합물 중 레시틴만 알려졌음) Goppe-Seyler는 Misher의 실험을 믿지 않았고 원고를 그에게 돌려주고 직원 N. Plosh와 N. Lyubavin에게 다음과 같이 지시했습니다. 다른 자료에 대한 그의 결론을 확인하십시오. Miescher의 작품 "고름 세포의 화학적 구성에 관하여"는 2년 후(1871)에 출판되었습니다. 동시에 Goppe-Seyler와 그의 협력자들의 연구는 고름 세포, 새의 적혈구, 뱀 및 기타 세포의 구성에 대해 출판되었습니다. 그 후 3년에 걸쳐 뉴클레인은 동물 세포와 효모에서 분리되었습니다.

Misher는 그의 연구에서 서로 다른 핵에 대한 자세한 연구를 통해 핵 간의 차이점을 규명함으로써 핵산의 특이성에 대한 아이디어를 기대할 수 있다고 지적했습니다. 연어 우유를 연구하는 동안 Misher는 연어 우유에 들어 있는 뉴클레인이 소금 형태이고 그가 프로타민이라고 부르는 주요 단백질과 연관되어 있음을 발견했습니다.

1879년에 A. Kossel은 Goppe-Seyler 실험실에서 핵을 연구하기 시작했습니다. 1881년에 그는 뉴클레인에서 하이포잔틴을 분리했지만 그 당시에도 여전히 이 염기의 기원에 대해 의심했고 하이포잔틴이 단백질의 분해 산물일 수 있다고 믿었습니다. 1891년에 코셀은 핵 가수분해 생성물 중에서 아데닌, 구아닌, 인산 및 설탕의 성질을 지닌 또 다른 물질을 발견했습니다. 코셀은 핵산 화학 연구로 1910년 노벨상을 수상했습니다.

핵산 구조 해독의 추가 진전은 P. Levin과 동료(1911 - 1934)의 연구와 관련이 있습니다. 1911년에 P. Levin과 V. Jacobs는 아데노신과 구아노신의 탄수화물 성분을 확인했습니다. 그들은 이 뉴클레오시드에 D-리보스가 포함되어 있다는 사실을 발견했습니다. 1930년에 르윈(Lewin)은 디옥시리보뉴클레오사이드의 탄수화물 성분이 2-데옥시-D-리보스임을 밝혔습니다. 그의 연구를 통해 핵산은 뉴클레오티드, 즉 인산화된 뉴클레오사이드로 구성된다는 것이 알려졌습니다. Levin은 핵산(RNA)의 주요 결합 유형이 2", 5" 포스포디에스테르 결합이라고 믿었습니다. 이 개념은 잘못된 것으로 판명되었습니다. 영국 화학자 A. Todd (1957년 노벨상 수상)와 그의 협력자, 영국 생화학자 R. Markham 및 J. Smith의 연구 덕분에 50년대 초반에 RNA의 주요 결합 유형이 알려지게 되었습니다. 3", 5" - 포스포디에스테르 결합입니다.

Lewin은 서로 다른 핵산이 탄수화물 성분의 성질이 다를 수 있음을 보여주었습니다. 그 중 일부는 설탕 디옥시리보스를 포함하고 다른 일부는 리보스를 포함합니다. 또한 이 두 가지 유형의 핵산은 염기 중 하나의 성질이 달랐습니다. 즉, 우라실이 포함된 펜토스형 핵산과 티민이 포함된 디옥시펜토스형 핵산이 있습니다. 디옥시펜토스 핵산(현대 용어로 디옥시리보핵산 - DNA)은 일반적으로 송아지의 흉선(감미선)에서 대량으로 쉽게 분리됩니다. 따라서 티모핵산(thymonucleic acid)이라고 불렸습니다. 오탄당형 핵산(RNA)의 원천은 주로 ​​효모와 밀배아였습니다. 이 유형은 종종 효모 핵산으로 불립니다.

1930년대 초반에는 식물세포가 효모형 핵산을 특징으로 한다는 개념이 확고히 뿌리내린 반면, 티모핵산은 동물 세포의 핵에만 특징적이었습니다. 두 가지 유형의 핵산인 RNA와 DNA를 각각 식물 핵산과 동물 핵산이라고 불렀습니다. 그러나 A. N. Belozersky의 초기 연구에서 알 수 있듯이 이러한 핵산 분할은 정당화되지 않습니다. 1934년에 Belozersky는 식물 세포에서 처음으로 티모핵산을 발견했습니다. 그는 완두콩 묘목에서 DNA의 특징인 티민-피리미딘 염기를 분리하고 식별했습니다. 그런 다음 그는 다른 식물(콩 종자, 콩)에서 티민을 발견했습니다. 1936년에 A. N. Belozersky와 I. I. Dubrovskaya는 마로니에 묘목에서 미리 DNA를 분리했습니다. 또한 1940년대 영국에서 D. Davidson과 동료들이 수행한 일련의 연구에서는 식물 핵산(RNA)이 많은 동물 세포에 포함되어 있음을 설득력 있게 보여주었습니다.

R. Felgen과 G. Rosenbeck(1924)이 개발한 DNA에 대한 세포화학적 반응과 RNA에 대한 J. Brachet(1944)의 반응이 널리 사용됨에 따라 이러한 핵산의 우선적인 위치 지정 문제를 신속하고 명확하게 해결할 수 있게 되었습니다. 세포 속의 산. DNA는 핵에 집중되어 있는 반면, RNA는 주로 세포질에 집중되어 있는 것으로 나타났습니다. 나중에 RNA가 세포질과 핵에 모두 포함되어 있다는 사실이 밝혀졌고, 추가적으로 세포질 DNA도 확인되었습니다.

핵산의 기본 구조에 대한 질문에 관해서는 1940년대 중반에 P. Levin의 아이디어가 과학에서 확고히 확립되었으며, 이에 따라 모든 핵산은 동일한 유형에 따라 만들어지며 동일한 소위 테트라뉴클레오티드로 구성됩니다. 블록. Lewin에 따르면 이들 블록 각각에는 4개의 서로 다른 뉴클레오티드가 포함되어 있습니다. 핵산 구조에 대한 테트라뉴클레오티드 이론은 이러한 생체고분자의 특이성을 크게 박탈했습니다. 따라서 그 당시 생물의 모든 특성이 단백질과 만 관련되어 있었고 그 단량체의 성질은 훨씬 더 다양했습니다 (20 개의 아미노산).

핵산의 테트라뉴클레오티드 구조 이론의 첫 번째 격차는 영국 화학자 J. Gouland(1945-1947)의 분석 데이터에 의해 만들어졌습니다. 염기 질소로 핵산의 조성을 결정할 때 그는 Lewin의 이론에 따라야 했던 것과 같은 등몰 비율의 염기를 얻지 못했습니다. 마지막으로 E. Chargaff와 그의 협력자들(1949~1951)의 연구 결과로 핵산 ​​구조에 대한 테트라뉴클레오티드 이론이 무너졌습니다. Chargaff는 산 가수분해의 결과로 DNA에서 방출된 염기를 분리하기 위해 종이 크로마토그래피를 사용했습니다. 이들 염기 각각은 분광광도계로 정확하게 결정되었습니다. 샤가프(Chargaff)는 서로 다른 기원의 DNA에 있는 염기의 등몰 비율에서 상당한 편차가 있음을 발견했으며 처음으로 DNA가 뚜렷한 종 특이성을 가지고 있음을 확실히 밝혔습니다. 이로 인해 살아있는 세포에서 단백질 특이성 개념의 헤게모니가 종식되었습니다. 다양한 기원의 DNA를 분석하면서 Chargaff는 Chargaff의 규칙이라는 이름으로 과학에 등장한 독특한 DNA 구성 패턴을 발견하고 공식화했습니다. 이 규칙에 따르면, 모든 DNA에서 기원에 관계없이 아데닌의 양은 티민의 양과 같고(A = T), 구아닌의 양은 시토신의 양과 같고(G = C), 퓨린은 피리미딘의 양과 같고(G + A = C + T), 6-아미노 그룹을 가진 염기의 양은 6-케토 그룹을 가진 염기의 수와 같습니다(A + C = G + T). 그러나 이러한 엄격한 양적 대응에도 불구하고 DNA는 다른 유형 A + T : G + C 비율의 크기가 다릅니다. 일부 DNA에서는 구아닌과 시토신의 양이 아데닌과 티민의 양보다 우세합니다(Chargaff는 이러한 DNA를 GC형 DNA라고 불렀습니다). 다른 DNA에는 구아닌과 시토신보다 더 많은 아데닌과 티민이 포함되어 있습니다(이러한 DNA를 AT형 DNA라고 함). DNA 구성에 관해 샤가프가 얻은 데이터는 분자생물학에서 탁월한 역할을 했습니다. J. Watson과 F. Crick이 1953년에 DNA 구조 발견의 기초를 형성한 것은 바로 그들이었습니다.

1938년에 W. Astbury와 F. Bell은 X선 회절 분석을 사용하여 DNA의 기본 평면이 분자의 장축에 수직이어야 하며, 말하자면 그 위에 놓인 판 더미와 유사해야 함을 보여주었습니다. 서로. 1952년부터 1953년까지 X선 회절 분석 기술이 향상되었습니다. 개인의 결합 길이와 기울기 각도를 판단할 수 있는 축적된 정보. 이는 DNA 분자의 당-인산염 골격에 있는 오탄당 잔기의 고리 방향의 특성을 가장 큰 확률로 나타내는 것을 가능하게 했습니다. 1952년에 S. Farberg는 두 가지 추측 가능한 DNA 모델을 제안했습니다. 이 모델은 자체적으로 접히거나 꼬인 단일 가닥 분자를 나타냅니다. 1953년에 L. Pauling(노벨상 수상자, 1954년)과 R. Corey가 DNA 구조에 대해 그다지 추측적이지 않은 모델을 제안했습니다. 이 모델에서는 세 개의 꼬인 DNA 가닥이 긴 나선을 형성했으며, 그 핵심은 인산염 그룹으로 표시되고 염기는 그 외부에 위치했습니다. 1953년에 M. Wilkins와 R. Franklin은 DNA의 더 선명한 X선 회절 패턴을 얻었습니다. 그들의 분석은 Farberg, Pauling 및 Corey의 모델이 완전히 실패했음을 보여주었습니다. 개별 단량체의 분자 모델과 X선 회절 데이터의 다양한 조합을 비교하는 Chargaff의 데이터를 사용하여 1953년 J. Watson과 F. Crick은 DNA 분자가 이중 가닥 나선임에 틀림없다는 결론에 도달했습니다. Chargaff의 규칙은 제안된 DNA 모델에서 가능한 정렬된 염기 조합의 수를 심각하게 제한했습니다. 그들은 왓슨과 크릭에게 DNA 분자에 특정 염기쌍(아데닌과 티민, 구아닌과 시토신)이 있어야 한다고 제안했습니다. 즉, DNA 한 가닥의 아데닌은 항상 다른 가닥의 티민과 정확히 일치하고, 한 가닥의 구아닌은 필연적으로 다른 가닥의 시토신과 일치합니다. 따라서 Watson과 Crick은 한 DNA 가닥이 다른 DNA 가닥을 보완한다는, 즉 한 가닥의 염기 서열이 다른 (상보적인) 가닥의 염기 서열을 고유하게 결정한다는 DNA의 상보적 구조에 대한 매우 중요한 원리를 처음으로 공식화했습니다. . 이미 DNA의 구조 자체에 정확한 재생산의 가능성이 있다는 것이 분명해졌습니다. 이 DNA 구조 모델은 현재 일반적으로 받아들여지고 있습니다. 크릭, 왓슨, 윌킨스는 DNA 구조를 해독한 공로로 1962년에 노벨상을 수상했습니다.

거대분자의 정확한 재생산과 유전 정보의 전달을 위한 메커니즘에 대한 아이디어는 우리나라에서 유래되었다는 점에 유의해야 합니다. 1927년에 N. K. Koltsov는 세포 재생산 중에 분자 재생이 기존 모 분자의 정확한 자가촉매 재생을 통해 일어난다고 제안했습니다. 사실, 그 당시 Koltsov는 DNA 분자가 아니라 단백질 성격의 분자를 사용하여 이러한 특성을 부여했으며 기능적 중요성은 당시 알려지지 않았습니다. 그럼에도 불구하고, 거대분자의 자가촉매적 재생산과 유전적 특성의 전달 메커니즘에 대한 아이디어는 예언적인 것으로 판명되었습니다. 이는 현대 분자 생물학의 지도 아이디어가 되었습니다.

A. N. Belozersky 실험실에서 A. S. Spirin, G. N. Zaitseva, B. F. Vanyushin, S. O. Uryson, A. S. Antonov 및 기타 다양한 유기체가 Chargaff가 발견한 패턴을 완전히 확인했으며 Watson이 제안한 DNA 구조의 분자 모델을 완전히 준수합니다. 그리고 크릭. 이 연구는 다양한 박테리아, 곰팡이, 조류, 방선균, 고등 식물, 무척추 동물 및 척추 동물의 DNA가 특정 구성을 가지고 있음을 보여주었습니다. 구성의 차이(AT-염기쌍의 함량)는 특히 미생물에서 두드러지며 이는 중요한 분류학적 특징으로 밝혀졌습니다. 고등 식물과 동물에서는 DNA 구성의 종 변화가 훨씬 덜 두드러집니다. 그러나 이것이 그들의 DNA가 덜 구체적이라는 것을 의미하지는 않습니다. 염기의 구성 외에도 특이성은 주로 DNA 사슬의 서열에 따라 결정됩니다.

일반적인 염기와 함께 추가적인 질소 염기가 DNA와 RNA에서 발견되었습니다. 따라서 G. White(1950)는 식물과 동물의 DNA에서 5-메틸시토신을 발견했고, D. Dunn과 J. Smith(1958)는 일부 DNA에서 메틸화된 아데닌을 발견했습니다. 오랫동안 메틸시토신은 고등 유기체의 유전 물질의 특징으로 간주되었습니다. 1968년에 A. N. Belozersky, B. F. Vanyushin 및 N. A. Kokurina는 이것이 박테리아의 DNA에서도 발견될 수 있음을 발견했습니다.

1964년에 M. Gold와 J. Hurwitz는 DNA의 자연적 변형, 즉 메틸화를 수행하는 새로운 종류의 효소를 발견했습니다. 이 발견 이후, 특별한 서열에서 시토신과 아데닌 잔기의 특정 메틸화의 결과로 완성된 DNA 폴리뉴클레오티드 사슬에 미미한(소량 포함된) 염기가 이미 발생한다는 것이 분명해졌습니다. 특히 B. F. Vanyushin, Ya. I. Buryanov 및 A. N. Belozersky(1969)에 따르면 E. coli DNA의 아데닌 메틸화는 종결 코돈에서 발생할 수 있습니다. A. N. Belozersky와 동료(1968 - 1970), M. Meselson(미국) 및 V. Arber(스위스)(1965 - 1969)에 따르면 메틸화는 DNA 분자에 독특한 개별 특징을 부여하며, 특정 뉴클레아제는 세포 내 DNA 합성을 조절하는 복잡한 메커니즘의 일부입니다. 즉, 특정 DNA의 메틸화 특성에 따라 해당 DNA가 특정 세포에서 증식할 수 있는지 여부가 결정됩니다.

거의 동시에 DNA 메틸라제와 제한 엔도뉴클레아제에 대한 분리 및 집중 연구가 시작되었습니다. 1969년부터 1975년까지 이들 효소 중 일부에 의해 DNA에서 인식되는 뉴클레오티드 서열이 확립되었습니다(X. Boyer, X. Smith, S. Lynn, K. Murray). 서로 다른 DNA가 제한 효소에 의해 가수분해되면 동일한 "끈적끈적한" 말단을 가진 다소 큰 조각이 절단됩니다. 이는 작은 바이러스에서와 같이 유전자의 구조를 분석하는 것(D. Nathans, S. Adler, 1973 - 1975)뿐만 아니라 다양한 게놈을 구성하는 것도 가능하게 합니다. 이러한 특정 제한 효소의 발견으로 유전공학이 현실화되었습니다. 다양한 기원의 작은 플라스미드 DNA에 내장된 유전자는 이미 다양한 세포에 쉽게 도입됩니다. 따라서 특정 항생제에 대한 내성을 제공하는 새로운 유형의 생물학적 활성 플라스미드가 얻어졌으며 (S. Cohen, 1973), 개구리와 초파리의 리보솜 유전자가 대장균 플라스미드에 도입되었습니다 (J. Morrow, 1974; X. Boyer, D 호그니스, R. 데이비스, 1974 - 1975). 따라서 다양한 유전자를 유전자 풀에 도입하고 통합함으로써 근본적으로 새로운 유기체를 얻을 수 있는 실제적인 방법이 열려 있습니다. 이 발견은 모든 인류의 이익을 위해 사용될 수 있습니다.

1952년에 G. White와 S. Cohen은 T-even 파지의 DNA에 특이한 염기인 5-hydroxymethylcytosine이 포함되어 있음을 발견했습니다. 나중에 E. Volkin, R. Sinsheimer(1954) 및 Cohen(1956)의 연구를 통해 하이드록시메틸사이토신 잔기가 완전히 또는 부분적으로 글루코사이드화될 수 있으며 그 결과 파지 DNA 분자가 가수분해 작용으로부터 보호된다는 것이 알려졌습니다. 뉴클레아제의.

1950년대 초 D. Dunn과 J. Smith(영국), S. Zamenhof(미국), A. Wacker(독일)의 연구를 통해 많은 인공 염기 유사체가 DNA에 포함될 수 있다는 것이 알려졌습니다. 티민 최대 50%. 일반적으로 이러한 치환은 DNA 복제, 전사 및 번역에 오류를 일으키고 돌연변이가 발생하게 합니다. 따라서 J. Marmur(1962)는 일부 파지의 DNA에 티민 대신 옥시메틸우라실이 포함되어 있음을 발견했습니다. 1963년에 I. Takahashi와 J. Marmur는 파지 중 하나의 DNA에 티민 대신 우라실이 포함되어 있음을 발견했습니다. 따라서 이전에 핵산을 분리했다는 또 다른 원리가 무너졌습니다. P. Levin의 연구 이후 티민은 DNA의 특징이고 우라실은 RNA의 특징이라고 믿어 왔습니다. 이 표시가 항상 신뢰할 수 있는 것은 아니며 오늘날 보이는 것처럼 두 가지 유형의 핵산의 화학적 성질의 근본적인 차이점은 탄수화물 성분의 성질일 뿐이라는 것이 분명해졌습니다.

파지 연구에서 핵산 조직의 특이한 특징이 많이 밝혀졌습니다. 1953년부터 모든 DNA는 이중 가닥 선형 분자인 반면 RNA는 단일 가닥으로 이루어져 있다고 믿어왔습니다. 이 입장은 R. Sinsheimer가 파지 Φ X 174의 DNA가 단일 가닥 원형 분자로 표시된다는 사실을 발견한 1961년에 크게 흔들렸습니다. 그러나 나중에 이 DNA는 영양 파지 입자에만 존재하고 이 파지 DNA의 복제 형태도 이중 가닥이라는 것이 밝혀졌습니다. 또한 일부 바이러스의 RNA가 이중 가닥일 수 있다는 사실도 전혀 예상하지 못한 것으로 밝혀졌습니다. 이 새로운 유형의 RNA 거대분자 조직은 1962년 P. Gomatos, I. Tamm 및 일부 동물 바이러스와 식물 상처 종양 바이러스의 다른 연구자에 의해 발견되었습니다. 최근 V. I. Agol과 A. A. Bogdanov(1970)는 선형 RNA 분자 외에도 폐쇄형 또는 고리형 분자도 있음을 확인했습니다. 그들은 특히 뇌척수막염 바이러스에서 순환 이중 가닥 RNA를 발견했습니다. X. Deveaux, L. Tinoko, T. I. Tikhonenko, E. I. Budovsky 및 기타 (1960 - 1974)의 연구 덕분에 박테리오파지에서 유전 물질의 조직 (접힘)의 주요 특징이 알려졌습니다.

1950년대 후반 미국 과학자 P. Doty는 가열이 DNA 변성을 유발하고, 이는 염기쌍 사이의 수소 결합이 끊어지고 상보사슬이 분리된다는 사실을 발견했습니다. 이 과정은 "나선형 코일" 상전이의 특성을 가지며 결정이 녹는 것과 유사합니다. 따라서 Doty는 DNA가 녹는 과정을 열변성이라고 불렀습니다. 천천히 냉각하면 분자의 재생, 즉 상보적인 반쪽의 재결합이 발생합니다.

1960년에 재생 원리는 J. Marmur와 K. Schildkraut가 다양한 미생물 DNA의 "혼성화 가능성" 정도를 결정하는 데 사용했습니다. 이후 E. Bolton과 B. McCarthy는 소위 DNA-한천 컬럼 방법을 제안하여 이 기술을 개선했습니다. 이 방법은 서로 다른 DNA의 뉴클레오티드 서열의 상동성 정도를 연구하고 서로 다른 유기체의 유전적 관계를 밝히는 데 필수적인 것으로 밝혀졌습니다. J. Mandel과 A. Hershey *(1960)가 설명한 메틸화 알부민에 대한 크로마토그래피와 밀도 구배 원심분리(이 방법은 1957년 M. Meselson, F. Stahl 및 D. Winograd)는 개별적인 상보적인 DNA 가닥의 분리, 단리 및 분석에 널리 사용됩니다. 예를 들어 W. Shibalsky(미국)는 이러한 기술을 사용하여 람다 파지의 DNA를 분리했으며 1967~1969년에 두 파지 사슬이 모두 유전적으로 활성이 있는 것으로 간주되었으나 하나도 활성화되지 않았습니다(S. Spiegelman, 1961). 람다 파지의 두 DNA 가닥의 유전적 중요성에 대한 아이디어는 소련에서 SE Bresler(1961)에 의해 처음으로 표현되었습니다.

* (박테리아와 바이러스의 유전학에 대한 연구로 A. Hershey는 M. Delbrück 및 S. Luria와 함께 1969년에 노벨상을 수상했습니다.)

게놈의 구성과 기능적 활동을 이해하려면 DNA 뉴클레오티드 서열을 결정하는 것이 가장 중요합니다. 그러한 결정을 위한 방법에 대한 검색은 전 세계의 많은 실험실에서 수행됩니다. 1950년대 후반부터 M. Beer와 그의 동료들은 미국에서 전자현미경을 사용하여 DNA 서열을 확립하려고 노력해 왔지만 지금까지 성공하지 못했습니다. 1950년대 초, DNA의 효소 분해에 관한 Sinsheimer, Chargaff 및 기타 연구자들의 첫 번째 연구를 통해 DNA 분자의 다양한 뉴클레오티드가 무작위는 아니지만 고르지 않게 분포되어 있다는 것이 알려졌습니다. 영국의 화학자 C. Barton(1961)에 따르면 피리미딘(70% 이상)은 주로 해당 블록 형태로 농축되어 있습니다. A. L. Mazin과 B. F. Vanyushin(1968 - 1969)은 DNA마다 피리미딘 응집 정도가 다르며 동물 유기체의 DNA에서는 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동할 때 그 응집력이 현저히 증가한다는 사실을 발견했습니다. 따라서 유기체의 진화는 게놈 구조에도 반영됩니다. 그렇기 때문에 진화 과정을 전체적으로 이해하기 위해 핵산 구조에 대한 비교 연구를 수행합니다. 특별한 의미. 생물학적으로 중요한 고분자, 그리고 무엇보다도 DNA의 구조 분석은 계통발생학 및 분류학의 많은 특정 문제를 해결하는 데 매우 중요합니다.

연체동물의 헤모글로빈을 연구한 영국의 생리학자 E. Lankester는 정확히 100년 전에 분자 생물학의 아이디어를 예상하고 다음과 같이 썼다는 점은 흥미롭습니다. 형태로서의 기원의 역사 유기체의 분자 조직과 기능의 차이를 명확하게 확립할 수 있다면 형태학적 관찰에 기초하는 것보다 다양한 유기체의 기원과 진화를 훨씬 더 잘 이해할 수 있을 것입니다. " * . 분류학에 대한 생화학적 연구의 중요성은 VL Komarov에 의해 강조되었습니다. 그는 "우리가 종을 분류하고 확립하는 기초가 되는 모든 순전히 형태학적 특징의 기초는 정확하게 생화학적 차이입니다"**라고 썼습니다.

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

** (V. L. Komarov. 선정 작품, 1권 M.-L., 소련 과학 아카데미 출판사, 1945년, 331페이지.)

A. V. Blagoveshchenskii와 S. L. Ivanov는 1920년대에 우리나라에서 유기체의 생화학적 구성에 대한 비교 분석을 기반으로 유기체의 진화와 체계에 대한 특정 질문을 밝히기 위한 첫 번째 단계를 밟았습니다(2장 참조). 단백질과 핵산 구조의 비교 분석은 이제 분류학자에게 점점 더 실질적인 도구가 되고 있습니다(21장 참조). 이 분자생물학 방법은 위치를 명확히 할 뿐만 아니라 특정 유형시스템에서뿐만 아니라 유기체 분류의 원리를 새롭게 살펴보고 때로는 미생물 체계와 같이 전체 시스템을 전체적으로 수정하도록 강요합니다. 의심할 바 없이, 미래에는 게놈 구조 분석이 유기체의 화학체계학에서 중심 위치를 차지하게 될 것입니다.

분자 생물학의 발전에 있어 가장 중요한 것은 DNA 복제와 전사 메커니즘을 해독하는 것이었습니다(24장 참조).

단백질 생합성

단백질 생합성 문제를 해결하는 중요한 변화는 핵산 연구의 발전과 관련이 있습니다. 1941년 T. Kasperson(스웨덴)과 1942년 J. Brachet(벨기에)은 활성 단백질 합성이 있는 조직에 증가된 양의 RNA가 포함되어 있다는 사실에 주목했습니다. 그들은 리보핵산이 단백질 합성에 결정적인 역할을 한다는 결론을 내렸습니다. 1953년에 E. Gale과 D. Fox는 단백질 생합성에 RNA가 직접적으로 관여한다는 직접적인 증거를 얻은 것으로 보입니다. 그들의 데이터에 따르면 리보뉴클레아제는 박테리아 세포 용해물에서 아미노산의 결합을 크게 억제했습니다. V. Olfri, M. Delhi 및 A. Mirsky(1953)는 간 균질액에 대해 유사한 데이터를 얻었습니다. 나중에 E. Gale은 단백질 합성에서 RNA의 주요 역할에 대해 자신이 표현한 올바른 생각을 거부하고 무세포 시스템에서 단백질 합성의 활성화가 알려지지 않은 다른 물질의 영향으로 발생했다고 잘못 믿었습니다. 1954년에 P. Zamechnik, D. Littlefield, R. B. Khesin-Lurie 등은 아미노산의 가장 활발한 결합이 세포 이하 입자의 RNA가 풍부한 분획인 마이크로솜에서 발생한다는 사실을 발견했습니다. P. Zamechnik 및 E. Keller(1953 - 1954)는 ATP 재생 조건 하에서 상층액이 있을 때 아미노산의 결합이 눈에 띄게 강화된다는 사실을 발견했습니다. P. Sikevitz(1952)와 M. Hoagland(1956)는 상등액으로부터 단백질 분획(pH 5 분획)을 분리했는데, 이는 마이크로솜에 아미노산이 포함되는 것을 급격히 자극하는 역할을 했습니다. 단백질과 함께 현재 전이 RNA(tRNA)라고 불리는 특별한 종류의 저분자량 RNA가 상등액에서 발견되었습니다. 1958년에 Hoagland와 Zamechnik, P. Berg, R. Sweet, F. Allen 및 기타 많은 연구자들은 각 아미노산이 활성화되기 위해 고유한 특수 효소, ATP 및 특정 tRNA가 필요하다는 사실을 발견했습니다. tRNA는 어댑터, 즉 출현하는 단백질 분자에서 해당 아미노산에 대한 핵산 매트릭스(mRNA)의 위치를 ​​찾는 장치의 기능만 수행한다는 것이 분명해졌습니다. 이러한 연구는 핵산 매트릭스에서 합성된 단백질의 아미노산 잔기의 올바른 배열에 필요한 폴리뉴클레오티드 어댑터의 세포 내 존재를 제공하는 F. Crick(1957)의 어댑터 가설을 완전히 확인했습니다. 훨씬 후에 미국의 F. Lipman(1953년 노벨상 수상) 연구실에서 프랑스 과학자 F. Chapville(1962)은 합성된 단백질 분자에서 아미노산의 위치가 완전히 다음과 같은 방식으로 결정된다는 것을 매우 독창적이고 분명하게 보여주었습니다. 그것이 붙어 있는 특정 tRNA. Crick의 적응 가설은 Hoagland와 Zamechnik에 의해 개발되었습니다.

1958년에는 다음과 같은 단백질 합성의 주요 단계가 알려졌습니다. 1) 아미노아실 아데닐레이트 형성과 함께 ATP 존재 하에서 "pH 5 분획"의 특정 효소에 의한 아미노산 활성화; 2) 아데노신 모노포스페이트(AMP)의 방출과 함께 활성화된 아미노산이 특정 tRNA에 부착됩니다. 3) 아미노아실-tRNA(아미노산이 로딩된 tRNA)가 마이크로솜에 결합하고 tRNA 방출과 함께 아미노산이 단백질에 통합됩니다. Hoagland(1958)는 단백질 합성의 마지막 단계에서 구아노신 삼인산(GTP)이 필요하다고 지적했습니다.

RNA 전달 및 유전자 합성

tRNA가 발견된 후, tRNA의 분별 및 뉴클레오티드 서열 결정에 대한 적극적인 검색이 시작되었습니다. 미국의 생화학자 R. Holly가 가장 큰 성공을 거두었습니다. 1965년에 그는 효모로부터 알라닌 tRNA의 구조를 확립했습니다. Holly는 리보뉴클레아제(구아닐 RNase 및 췌장 RNase)를 사용하여 핵산 분자를 여러 조각으로 나누고 각각의 뉴클레오티드 서열을 개별적으로 결정한 다음 전체 알라닌 tRNA 분자의 서열을 재구성했습니다. 이렇게 염기서열을 분석하는 방식을 블록법(Block Method)이라고 합니다. Holly의 장점은 주로 이전에 많은 사람들이 그랬던 것처럼 RNA 분자를 작은 조각으로 나누는 방법뿐만 아니라 큰 조각(4분의 1과 절반)으로 나누는 방법을 배웠다는 사실에 있습니다. 이것은 그에게 개별적인 작은 조각들을 적절하게 조립하여 전체 tRNA 분자의 완전한 뉴클레오티드 서열을 재현할 수 있는 기회를 제공했습니다(노벨상, 1968).

이 기술은 전 세계의 많은 실험실에서 즉시 채택되었습니다. 그 후 2년에 걸쳐 소련과 해외에서 여러 tRNA의 기본 구조가 해독되었습니다. A. A. Baev(1967)와 동료들은 처음으로 효모 발린 tRNA의 뉴클레오티드 서열을 확립했습니다. 현재까지 12개 이상의 서로 다른 개별 tRNA가 연구되었습니다. 뉴클레오타이드 서열을 결정하는 독특한 기록은 F. Senger와 G. Brownlee에 의해 케임브리지에서 설정되었습니다. 이 연구자들은 E. coli 세포에서 올리고뉴클레오티드를 분리하고 소위 5S(리보솜) RNA의 서열을 분석하는 놀랍도록 뛰어난 방법을 개발했습니다(1968). 이 RNA는 120개의 뉴클레오티드 잔기로 구성되어 있으며 tRNA와 달리 추가적인 작은 염기를 포함하지 않으므로 뉴클레오티드 서열 분석을 크게 촉진하고 분자의 개별 단편에 대한 고유한 랜드마크 역할을 합니다. 현재 Sanger와 Brownlee 방법의 사용 덕분에 긴 리보솜 RNA와 일부 바이러스 RNA의 서열에 대한 연구 작업이 J. Ebel(프랑스) 및 기타 연구실에서 성공적으로 진행되고 있습니다.

A. A. Baev와 동료(1967)는 반으로 절단된 발린 tRNA가 용액에서 거대분자 구조를 복원하고 1차 구조의 결함에도 불구하고 원래(천연) 분자의 기능적 활성을 갖는다는 것을 발견했습니다. 특정 조각을 제거한 후 절단된 거대분자를 재구성하는 이 접근법은 매우 유망한 것으로 나타났습니다. 이는 현재 특정 tRNA의 개별 섹션의 기능적 역할을 설명하는 데 널리 사용됩니다.

안에 지난 몇 년개별 tRNA의 결정 제제를 얻는 데 큰 성공을 거두었습니다. 많은 tRNA가 이미 미국과 영국의 여러 실험실에서 결정화되었습니다. 이를 통해 X선 회절 분석을 사용하여 tRNA의 구조를 연구할 수 있게 되었습니다. 1970년에 R. Bock은 위스콘신 대학에서 자신이 만든 여러 tRNA의 최초의 X선 패턴과 3차원 모델을 발표했습니다. 이러한 모델은 tRNA의 개별 기능적 활성 부위의 위치를 ​​결정하고 이러한 분자 기능의 기본 원리를 이해하는 데 도움이 됩니다.

단백질 합성 메커니즘을 밝히고 이 과정의 특이성 문제를 해결하는 데 가장 중요한 것은 유전암호의 본질을 해독하는 것이었다(24장 참조). 20세기 자연과학.

tRNA의 1차 구조에 대한 R. Holly의 발견은 올리고뉴클레오티드 합성에 대한 G. Korana *(미국)의 연구에 자극을 주었고 특정 생물학적 구조, 즉 알라닌 tRNA를 코딩하는 DNA 분자의 합성을 지향했습니다. 거의 15년 전 꾸란에 의해 만들어진 짧은 올리고뉴클레오티드의 화학적 합성의 첫 번째 단계는 1970년 첫 번째 유전자 합성으로 정점에 달했습니다. 코란과 그의 동료들은 최초로 개별 뉴클레오티드로부터 8-12개의 뉴클레오티드 잔기의 짧은 단편을 화학적으로 합성했습니다. 주어진 뉴클레오티드 서열을 가진 이들 단편은 4-5개의 뉴클레오티드가 중첩된 자발적 이중 가닥 상보적 조각을 형성했습니다. 그런 다음 이러한 기성품 조각을 DNA 리가제 효소를 사용하여 올바른 순서로 끝에서 끝까지 연결했습니다. 따라서 A. Kornberg ** (24 장 참조)에 따르면 DNA 분자의 복제와 달리 꾸란은 다음과 같이 미리 계획된 프로그램에 따라 천연 이중 가닥 DNA 분자를 재현했습니다. Holly가 설명한 tRNA 서열. 마찬가지로 현재 다른 유전자의 합성에 대한 연구가 진행 중입니다 (M. N. Kolosov, Z. A. Shabarova, D. G. Knorre, 1970 - 1975).

* (유전암호 연구로 G. Koran과 M. Nirenberg는 1968년에 노벨상을 수상했습니다.)

** (A. Kornberg는 중합효소와 DNA 합성의 발견과 RNA S. Ochoa의 합성으로 1959년 노벨상을 수상했습니다.)

마이크로솜, 리보솜, 번역

1950년대 중반에는 마이크로솜이 세포 내 단백질 합성의 중심이라고 믿어졌습니다. 마이크로솜이라는 용어는 1949년 A. Claude에 의해 작은 과립의 분획을 지칭하기 위해 처음 소개되었습니다. 나중에 막과 과립으로 구성된 마이크로솜의 전체 부분이 아니라 작은 리보핵단백질 입자만이 단백질 합성을 담당한다는 것이 밝혀졌습니다. 1958년에 이 입자들은 R. Roberts에 의해 리보솜이라고 불렸습니다.

박테리아 리보솜에 대한 고전적 연구는 1958년부터 1959년까지 A. Tisier와 J. Watson에 의해 수행되었습니다. 박테리아 리보솜은 식물과 동물의 리보솜보다 다소 작은 것으로 밝혀졌습니다. J. Littleton(1960), M. Clark(1964) 및 E. N. Svetailo(1966)는 고등 식물과 미토콘드리아의 엽록체 리보솜이 박테리아 유형에 속한다는 것을 보여주었습니다. A. Tisier 등(1958)은 리보솜이 각각 하나의 RNA 분자를 포함하는 두 개의 불평등한 하위 단위로 분리된다는 것을 발견했습니다. 1950년대 후반에는 각 리보솜 RNA 분자가 여러 개의 짧은 단편으로 구성되어 있다고 믿어졌습니다. 그러나 1960년 AS Spirin은 하위 입자의 RNA가 연속 분자로 표시된다는 것을 처음으로 보여주었습니다. D. Waller(1960)는 전분 겔 전기영동을 사용하여 리보솜 단백질을 분리한 후 이들이 매우 이질적이라는 것을 발견했습니다. 처음에 많은 사람들은 Waller의 데이터를 의심했습니다. 왜냐하면 리보솜 단백질은 예를 들어 TMV 단백질과 같이 엄격하게 균질해야 하는 것처럼 보였기 때문입니다. 현재 D. Waller, R. Trout, P. Traub 등 생화학자들의 연구 결과, 실제 리보솜 입자의 구성에는 구조가 전혀 다른 50개 이상의 단백질이 포함되어 있는 것으로 알려졌습니다. 1963년 AS Spirin은 최초로 리보솜 하위 입자를 펼치고 리보솜이 특정 조건에서 펼쳐질 수 있는 조밀하게 꼬인 리보핵단백질 가닥임을 보여주었습니다. 1967년부터 1968년까지 M. Nomura는 리보솜 RNA와 단백질로부터 생물학적 활성 하위 단위를 완전히 재구성했으며 심지어 단백질과 RNA가 다른 미생물에 속하는 리보솜도 얻었습니다.

리보솜 RNA의 역할은 아직 명확하지 않습니다. 리보솜 입자가 형성되는 동안 수많은 리보솜 단백질 각각이 엄격하게 정의된 위치를 찾는 독특한 특정 매트릭스라고 가정합니다(AS Spirin, 1968).

A. Rich(1962)는 mRNA 가닥으로 상호 연결된 여러 리보솜의 집합체를 발견했습니다. 이러한 복합체를 폴리솜이라고 불렀습니다. 폴리솜의 발견으로 Rich와 Watson(1963)은 폴리펩티드 사슬의 합성이 mRNA 사슬을 따라 움직이는 리보솜에서 일어난다는 것을 제안할 수 있었습니다. 리보솜이 mRNA 사슬을 따라 이동함에 따라 입자에서 정보가 판독되고 단백질 폴리펩티드 사슬이 형성되며, 새로운 리보솜이 mRNA의 방출된 판독 끝에 교대로 부착됩니다. Rich와 Watson의 데이터에 따르면 세포 내 폴리솜의 중요성은 동시에 여러 리보솜이 매트릭스를 연속적으로 읽어 단백질을 대량 생산하는 데 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

1963년부터 1970년까지 M. Nirenberg, S. Ochoa, F. Lipman, G. Korana 등의 연구 결과. mRNA, 리보솜, ATP 및 아미노아실-tRNA와 함께 수많은 다양한 요소가 번역 과정에 참여하고 번역 과정 자체는 조건에 따라 시작, 번역 자체 및 종료의 세 단계로 나눌 수 있다는 것이 알려졌습니다.

번역 개시는 복합 리보솜 - 주형 폴리뉴클레오티드 - 아미노아실-tRNA의 첫 번째 펩타이드 결합의 합성을 의미합니다. 이러한 개시 활성은 아미노아실-tRNA가 아니라 포르밀메티오닐-tRNA가 가지고 있습니다. 이 물질은 1964년 F. Senger와 K. Marker에 의해 처음 분리되었습니다. S. Bretcher와 K. Marker(1966)는 포르밀메티오닐-tRNA의 개시 기능이 리보솜의 펩티딜 중심에 대한 친화력 증가에 기인함을 보여주었습니다. 번역 시작을 위해 S. Ochoa, F. Gro 및 기타 연구 센터의 실험실에서 분리된 일부 단백질 개시 인자도 매우 중요합니다. 리보솜에서 첫 번째 펩티드 결합이 형성된 후 번역 자체가 시작됩니다. 즉, 폴리펩티드의 C 말단에 아미노아실 잔기가 순차적으로 추가됩니다. 번역 과정에 대한 많은 세부 사항은 K. Monroe와 J. Bishop(영국), I. Rykhlik과 F. Shorm(체코슬로바키아), F. Lipman, M. Bretcher, W. Gilbert(미국) 및 기타 연구자들이 연구했습니다. 1968년에 A. S. Spirin은 리보솜의 메커니즘을 설명하기 위한 독창적인 가설을 제안했습니다. 번역 중에 tRNA와 mRNA의 모든 공간적 이동을 보장하는 구동 메커니즘은 리보솜 하위 입자의 주기적인 개폐입니다. 번역 종료는 종료 코돈을 포함하는 판독 가능한 매트릭스 자체에 인코딩됩니다. S. Brenner(1965 - 1967)가 제시한 바와 같이, 삼중항 UAA, UAG 및 UGA가 그러한 코돈입니다. M. Capecci(1967)도 특별한 단백질 종결 인자를 확인했습니다. AS Spirin과 LP Gavrilova는 단백질 인자의 참여 없이 리보솜에서 소위 "비효소적" 단백질 합성을 기술했습니다(1972 - 1975). 이 발견은 단백질 생합성의 기원과 진화를 이해하는 데 중요합니다.

유전자 및 단백질 활동 조절

단백질 합성의 특이성 문제 이후, 단백질 합성 조절 문제, 즉 유전자 활성 조절 문제가 분자생물학에서 가장 중요한 문제로 밝혀졌습니다.

세포의 기능적 불평등과 이와 관련된 유전자의 억제 및 활성화는 오랫동안 유전학자들의 관심을 끌었지만 최근까지 유전자 활동을 제어하는 ​​실제 메커니즘은 알려지지 않았습니다.

유전자의 조절 활동을 설명하려는 첫 번째 시도는 히스톤 단백질 연구와 관련이 있습니다. XX 세기 40년대 초반의 Steadman 배우자*도 마찬가지입니다. 이 현상에서 주요 역할을 할 수 있는 것은 히스톤이라고 제안했습니다. 그 후, 그들은 차이에 대한 최초의 명확한 데이터를 얻었습니다. 화학적 성질히스톤 단백질. 현재 이 가설을 지지하는 사실의 수는 매년 증가하고 있습니다.

* (E. 스테드먼, E. 스테드먼. 세포핵의 기본 단백질.- 철학. 트랜스. 로이. 사회. 런던, 1951, v. 235, 565 - 595.)

동시에, 점점 더 많은 양의 데이터가 축적되고 있으며, 이는 유전자 활동의 조절이 유전자 절편과 히스톤 단백질 분자의 단순한 상호작용보다 훨씬 더 복잡한 과정임을 나타냅니다. 1960년부터 1962년까지 R. B. Khesin-Lurie의 실험실에서는 파지 유전자가 비동시적으로 판독되기 시작한다는 사실이 밝혀졌습니다. T2 파지 유전자는 초기 유전자로 나눌 수 있으며 그 기능은 박테리아 세포 감염 후 첫 몇 분 동안 발생했습니다. , 초기 유전자 작업이 완료된 후 mRNA 합성을 시작한 후기 것.

1961년에 프랑스의 생화학자 F. Jacob과 J. Monod는 유전자 활동의 조절 계획을 제안했는데, 이는 일반적으로 세포의 조절 메커니즘을 이해하는 데 탁월한 역할을 했습니다. Jacob과 Monod의 계획에 따르면 구조적(정보적) 유전자 외에도 DNA에는 유전자 조절자와 유전자 조작자가 포함되어 있습니다. 조절 유전자는 특정 물질, 즉 유도 인자와 작동 유전자에 모두 부착될 수 있는 억제 인자의 합성을 암호화합니다. 작동 유전자는 구조 유전자와 연결되어 있는 반면, 조절 유전자는 구조 유전자로부터 어느 정도 떨어진 곳에 위치합니다. 환경에 인덕터(예: 유당)가 없으면 조절 유전자에 의해 합성된 억제 인자가 작동 유전자에 결합하고 이를 차단하여 전체 오페론(작동 유전자와 함께 구조 유전자 블록)의 작업을 끕니다. 통제하는 것입니다). 이러한 조건에서는 효소 형성이 발생하지 않습니다. 유도인자(유당)가 배지에 나타나면 조절 유전자의 산물인 억제인자가 유당에 결합하여 작동 유전자에서 블록을 제거합니다. 이 경우 효소의 합성을 코딩하는 구조유전자의 작용이 가능해지며 배지에 효소(유당)가 나타난다.

Jacob과 Monod에 따르면 이 조절 계획은 모든 적응 효소에 적용 가능하며 과량의 반응 생성물에 의해 효소 형성이 억제되는 억제 기간과 기질 도입으로 인해 효소 형성이 억제되는 유도 기간 모두에서 발생할 수 있습니다. 효소의 합성. 유전자 활동 조절 연구로 Jacob과 Monod는 1965년에 노벨상을 수상했습니다.

처음에는 이 계획이 너무 무리한 것처럼 보였습니다. 그러나 나중에 이 원리에 따른 유전자의 조절은 박테리아뿐만 아니라 다른 유기체에서도 일어난다는 것이 밝혀졌습니다.

1960년 이래 진핵생물의 게놈 구성과 염색질 구조에 대한 연구는 분자 생물학에서 중요한 위치를 차지해 왔습니다(J. Bonner, R. Britten, W. Olfrey, P. Walker, Yu. S. Chentsov). , I. B. Zbarsky 및 기타.) 및 전사 규제 (A. Mirsky, G. P. Georgiev, M. Bernstiel, D. Goll, R. Tsanev, R. I. Salganik). 오랫동안 억압자의 본질은 알려지지 않았고 논란의 여지가 있었습니다. 1968년에 M. Ptashne(미국)은 단백질이 억제자임을 보여주었습니다. 그는 J. Watson의 실험실에서 이를 분리하고 억제인자가 실제로 유도인자(락토스)에 대한 친화력을 갖고 동시에 lac 오페론의 작동 유전자를 "인식"하고 이에 특이적으로 결합한다는 사실을 발견했습니다.

지난 5~7년 동안 유전자 활동의 또 다른 조절 세포인 프로모터의 존재에 대한 데이터가 얻어졌습니다. 유전자 조절인자에서 합성된 생성물(억제인자의 단백질 물질)이 부착된 작동 부위 옆에는 유전자 조절 시스템의 구성원에 기인해야 하는 또 다른 부위가 있다는 것이 밝혀졌습니다. 활동. RNA 폴리머라제 효소의 단백질 분자가 이 부위에 부착됩니다. 프로모터 영역에서는 DNA의 독특한 뉴클레오티드 서열과 RNA 폴리머라제 단백질의 특정 구성에 대한 상호 인식이 이루어져야 합니다. 프로모터에 인접한 오페론의 특정 유전자 서열로 유전 정보를 읽는 과정의 구현은 인식 효율에 따라 달라집니다.

Jacob과 Monod가 설명한 계획 외에도 세포에는 다른 유전자 조절 메커니즘이 있습니다. F. Jacob과 S. Brenner(1963)는 박테리아 DNA 복제의 조절이 세포막에 의해 특정 방식으로 제어된다는 사실을 확립했습니다. 다양한 프로파지 유도에 대한 Jacob(1954)의 실험은 용원성 박테리아 세포의 다양한 돌연변이 유발 요인의 영향으로 프로파지 유전자의 선택적 복제가 시작되고 숙주 게놈의 복제가 차단된다는 것을 설득력 있게 보여주었습니다. 1970년에 F. 벨은 작은 DNA 분자가 핵에서 세포질로 전달되어 거기에서 전사될 수 있다고 보고했습니다.

따라서 유전자 활동은 복제, 전사 및 번역 수준에서 조절될 수 있습니다.

효소 합성뿐만 아니라 활성 조절에 대한 연구에서도 상당한 진전이 이루어졌습니다. A. Novik과 L. Szilard는 1950년대에 세포 내 효소 활성 조절 현상을 지적했습니다. G. Umbarger(1956)는 세포에서 피드백 사슬 반응의 최종 생성물에 의해 효소의 활성을 억제하는 매우 합리적인 방법이 있음을 발견했습니다. J. Monod, J. Change, F. Jacob, A. Purdy 및 기타 연구자(1956 - 1960)가 확립한 바와 같이, 효소 활성의 조절은 알로스테릭 원리에 따라 수행될 수 있습니다. 효소 또는 그 하위 단위 중 하나는 기질에 대한 친화력 외에도 반응 사슬의 생성물 중 하나에 대한 친화력을 가지고 있습니다. 이러한 신호 생성물의 영향으로 효소는 활성을 상실하는 방식으로 형태를 변경합니다. 결과적으로 전체 효소 반응 사슬은 처음부터 꺼집니다. D. Wieman과 R. Woodward(1952; 노벨상 수상자, 1965)는 효소 반응에서 단백질 구조 변화의 필수적인 역할과 어떤 의미에서는 알로스테릭 효과의 존재를 지적했습니다.

단백질의 구조와 기능

T. Osborne, G. Hofmeister, A. Gurber, F. Schulz 및 기타 많은 사람들의 작업 결과 XIX 후반 V. 많은 동물성 및 식물성 단백질이 결정질 형태로 얻어졌습니다. 동시에 다양한 물리적 방법을 사용하여 일부 단백질의 분자량이 확립되었습니다. 따라서 1891년에 A. Sabaneev와 N. Alexandrov는 오브알부민의 분자량이 14,000이라고 보고했습니다. 1905년 E. Reid는 헤모글로빈의 분자량이 48,000이라는 것을 발견했고, 1871년 G. Glasivetz와 D. Gaberman은 단백질의 고분자 구조를 발견했습니다. 단백질의 개별 아미노산 잔기의 펩타이드 결합에 대한 아이디어는 T. Curtius(1883)에 의해 제시되었습니다. 아미노산의 화학적 축합(E. Schaal, 1871; G. Schiff, 1897; L. Balbiano 및 D. Traschiatti, 1900) 및 헤테로폴리펩타이드 합성(E. Fisher, 1902 - 1907, 노벨상, 1902)에 대한 연구 단백질의 화학 구조에 대한 기본 원리가 개발되었습니다.

최초의 결정성 효소(우레아제)는 1926년 J. Sumner(노벨상, 1946년)에 의해 얻어졌고, 1930년 J. Northrop(노벨상, 1946년)은 결정성 펩신을 얻었습니다. 이러한 연구를 통해 효소가 단백질의 성질을 가지고 있다는 것이 분명해졌습니다. 1940년에 M. Kunits는 결정질 RNase를 분리했습니다. 1958년에는 이미 100개 이상의 결정성 효소와 500개 이상의 비결정성 효소가 알려져 있었습니다. 개별 단백질의 고도로 정제된 제제를 얻는 것은 단백질의 1차 구조와 거대분자 조직을 해독하는 데 기여했습니다.

일반적인 분자 생물학과 인간 유전학의 발전에 매우 중요한 것은 L. Pauling(1940)이 심각한 유전병인 겸상 적혈구 빈혈을 앓고 있는 사람들의 적혈구에서 분리한 비정상적인 헤모글로빈 S를 발견한 것입니다. 1955년부터 1957년까지 W. Ingram은 F. Sanger가 개발한 "지문" 방법(종이의 크로마토그래피 중에 개별 펩타이드에 의해 형성된 반점)을 사용하여 알칼리 및 트립신에 의한 헤모글로빈 S의 가수분해 생성물을 분석했습니다. 1961년 Ingram은 헤모글로빈 S가 정상 헤모글로빈과 단지 하나의 아미노산 잔기의 성질에서만 다르다고 보고했습니다. 정상적인 헤모글로빈사슬의 일곱 번째 위치에는 글루탐산 잔기가 있고 헤모글로빈 S에는 발린 잔기가 있습니다. 따라서 겸상 적혈구 빈혈이 분자적 성질의 질병이라는 Pauling의 가정(1949)이 완전히 확인되었습니다. 헤모글로빈 거대분자의 각 절반에 있는 단 하나의 아미노산 잔기의 유전적 변화로 인해 헤모글로빈은 낮은 산소 농도에서 쉽게 용해되는 능력을 잃고 결정화되기 시작하여 세포 구조가 파괴됩니다. 이러한 연구는 단백질의 구조가 게놈에 암호화되어 엄격하게 정의된 아미노산 서열이라는 것을 분명히 보여주었습니다. K. Anfinsen(1951)의 연구에서는 거대분자의 독특한 생물학적 활성 구조 형성에 있어 단백질의 1차 구조가 매우 중요하다는 사실이 입증되었습니다. 안핀센은 복원 결과 소실되는 췌장 리보뉴클레아제의 생물학적 활성 거대구조가 아미노산 서열에 의해 미리 결정되며 엄밀히 말하면 이황화물 가교결합의 형성과 함께 시스테인 잔기의 SH기 산화 과정에서 자발적으로 다시 나타날 수 있음을 보여주었다. 효소의 펩타이드 사슬의 정의된 위치.

지금까지 수많은 효소의 작용기전이 자세히 연구되었으며 많은 단백질의 구조가 밝혀졌습니다.

1953년에 F. Sanger는 인슐린의 아미노산 서열을 확립했습니다. : 이 단백질은 두 개의 이황화물 가교결합으로 연결된 두 개의 폴리펩티드 사슬로 구성됩니다. 사슬 중 하나에는 21개의 아미노산 잔기가 포함되어 있고 다른 사슬에는 30개의 아미노산 잔기가 포함되어 있습니다. Sanger는 비교적 간단한 이 단백질의 구조를 해독하는 데 약 10년을 보냈습니다. 1958년에 그는 이 뛰어난 연구로 노벨상을 수상했습니다. V. Stein과 S. Moore(1957)가 아미노산 자동 분석기를 만든 후 단백질의 부분 가수분해 생성물 식별이 크게 가속화되었습니다. 1960년에 Stein과 Moore는 이미 그 사실을 보고했습니다. 그들은 124개의 아미노산 잔기로 표시되는 펩타이드 사슬인 리보뉴클레아제의 서열을 결정할 수 있었습니다. 같은 해 독일 튀빙겐에 있는 G. Schramm 연구실에서 F. Anderer 등은 TMV 단백질의 아미노산 서열을 결정했습니다. 그런 다음 미오글로빈(A. Edmunson)과 인간 헤모글로빈의 α- 및 β-쇄(G. Braunitzer, E. Schroeder 등), 계란 단백질의 리소자임(J. Jollet, D. Keyfield)에서 아미노산 서열을 결정했습니다. . 1963년에 F. Shorm과 B. Keil(체코슬로바키아)은 키모트립시노겐 분자의 아미노산 서열을 확립했습니다. 같은 해에 트립시노겐의 아미노산 서열이 결정되었습니다(F. Shorm, D. Walsh). 1965년에 K. Takahashi는 리보뉴클레아제 T1의 기본 구조를 확립했습니다. 그런 다음 몇 가지 더 많은 단백질에 대한 아미노산 서열이 결정되었습니다.

알려진 바와 같이, 특정 구조 정의의 정확성에 대한 최종 증거는 합성입니다. 1969년 R. Merifield(미국)가 최초로 췌장 리보뉴클레아제의 화학적 합성을 수행했습니다. Merifield는 고체상 운반체에서 개발한 합성 방법을 사용하여 Stein과 Moore가 설명한 순서에 따라 아미노산을 사슬에 하나씩 추가했습니다. 그 결과 그는 췌장 리보뉴클레아제 A와 품질이 동일한 단백질을 얻었습니다. 리보뉴클레아제의 구조를 발견한 공로로 V. Stein, S. Moore 및 K. Anfinsen은 1972년 노벨상을 수상했습니다. 이러한 천연 단백질 합성은 미리 계획된 순서에 따라 단백질을 생성할 가능성을 가리키는 엄청난 전망을 열어줍니다.

W. Astbury(1933)의 X선 연구에 따르면 단백질 분자의 펩타이드 사슬은 엄격하게 정의된 방식으로 꼬이거나 쌓여 있습니다. 그 이후로 많은 저자들이 단백질 사슬이 접히는 방식에 대해 다양한 가설을 제시해 왔지만, 1951년까지 모든 모델은 실험 데이터와 일치하지 않는 추측적 구성으로 남아 있었습니다. 1951년에 L. 폴링(L. Pauling)과 R. 코리(R. Corey)는 단백질의 2차 구조 이론, 즉 α-나선 이론이 마침내 공식화되는 일련의 훌륭한 작품을 발표했습니다. 이와 함께 단백질에도 3차 구조가 있다는 사실도 알려졌습니다. 즉, 펩타이드 사슬의 α-나선이 특정 방식으로 접혀서 다소 조밀한 구조를 형성할 수 있습니다.

1957년에 J. Kendrew와 그의 동료들이 처음으로 제안했습니다. 3D 모델미오글로빈 구조. 이 모델은 1961년에 이 단백질의 공간 구조를 특성화하는 최종 연구가 나올 때까지 수년에 걸쳐 개선되었습니다. 1959년에 M. Perutz와 동료들은 헤모글로빈의 3차원 구조를 확립했습니다. 연구자들은 이 연구를 위해 20년 이상을 보냈습니다(첫 번째 헤모글로빈 엑스레이는 1937년 Perutz에 의해 얻어졌습니다). 헤모글로빈 분자는 4개의 하위 단위로 구성되어 있기 때문에 그 조직을 해독한 페루츠는 이로써 처음으로 단백질의 4차 구조를 기술했습니다. 단백질의 3차원 구조 결정에 관한 연구로 Kendrew와 Perutz는 1962년에 노벨상을 수상했습니다.

Perutz에 의한 헤모글로빈 구조의 공간 모델 생성이 허용되었습니다. 알려진 바와 같이 동물 세포에서 산소 수송을 수행하는 이 단백질의 기능 메커니즘을 이해하는 데 더 가까워졌습니다. 1937년에 F. Gaurowitz는 헤모글로빈과 산소, 공기의 상호 작용이 단백질 구조의 변화를 동반해야 한다는 결론에 도달했습니다. 1960년대에 Perutz와 동료들은 산화 후 헤모글로빈 사슬에 눈에 띄는 변화가 있다는 것을 발견했습니다. 이는 산소와 결합하여 철 원자가 이동함으로써 발생합니다. 이를 바탕으로 단백질 고분자의 "호흡"에 대한 아이디어가 형성되었습니다.

1960년에 D. Phillips와 그의 동료들은 리소자임 분자에 대한 X선 회절 연구를 시작했습니다. 1967년까지 그들은 이 단백질의 조직과 분자 내 개별 원자의 위치에 대한 세부 사항을 어느 정도 확립할 수 있었습니다. 또한 필립스는 기질(트리아세틸글루코사민)에 라이소자임이 첨가되는 성질을 발견했습니다. 이를 통해 이 효소의 메커니즘을 재현하는 것이 가능해졌습니다. 따라서 일차 구조와 거대분자 조직에 대한 지식을 통해 많은 효소의 활성 중심의 특성을 확립할 수 있을 뿐만 아니라 이러한 거대분자의 기능 메커니즘을 완전히 밝힐 수 있었습니다.

전자 현미경 방법의 사용은 콜라겐, 피브리노겐, 수축성 근육 원섬유 등과 같은 복잡한 단백질 형성의 거대분자 조직의 원리를 밝히는 데 도움이 되었습니다. 1950년대 말에 근육 수축 장치의 모델이 제안되었습니다. 근육 수축 메커니즘을 이해하는 데 매우 중요한 것은 V. A. Engelgardt와 M. N. Lyubimova(1939)가 미오신의 ATPase 활성을 발견한 것입니다. 이는 근육 수축 작용이 아데노신 삼인산의 영향으로 수축 단백질의 물리화학적 특성과 거대분자 조직의 변화에 ​​기초한다는 것을 의미합니다(11장 참조).

바이러스학 연구는 생물학적 구조를 조립하는 원리를 이해하는 데 필수적이었습니다(25장 참조).

해결되지 않은 문제

현대 분자생물학의 주요 발전은 주로 핵산 연구의 결과로 이루어졌습니다. 그러나 이 분야에서도 모든 문제가 해결된 것은 아닙니다. 특히 게놈의 전체 뉴클레오티드 서열을 해독하려면 많은 노력이 필요할 것입니다. 결국 이 문제는 DNA 이질성 문제와 불가분의 관계가 있으며 세포의 전체 유전 물질로부터 개별 분자를 분류하고 분리하기 위한 새로운 고급 방법의 개발이 필요합니다.

지금까지는 주로 단백질과 핵산을 분리해 연구하는 노력이 집중되어 왔다. 세포에서 이러한 생체고분자는 서로 불가분하게 연결되어 있으며 주로 핵단백질의 형태로 기능합니다. 따라서 단백질과 핵산의 상호작용을 연구할 필요성이 특히 절실해졌습니다. 특정 핵산 부분의 단백질에 의한 인식 문제가 대두됩니다. 이러한 생체 고분자의 상호 작용을 연구하기 위한 단계는 이미 설명되어 있으며, 이 단계 없이는 염색체, 리보솜 및 기타 구조의 구조와 기능을 완전히 이해하는 것이 불가능합니다. 이것이 없으면 유전자 활동의 조절을 이해하고 최종적으로 단백질 합성 메커니즘의 작동 원리를 해독하는 것도 불가능합니다. Jacob과 Monod의 연구 이후, 핵물질 합성에서 막의 규제적 중요성에 대한 몇 가지 새로운 데이터가 나타났습니다. 이는 DNA 복제 조절에서 막의 역할에 대한 더 깊은 연구의 문제를 제기합니다. 일반적으로 유전자 활동과 세포 활동 전반의 조절 문제는 현대 분자생물학의 가장 중요한 문제 중 하나가 되었습니다.

생물물리학의 현재 상황

분자생물학의 문제와 밀접하게 연관되어 생물물리학의 발전이 진행되었습니다. 이 생물학 분야에 대한 관심은 한편으로는 다양한 유형의 방사선이 신체에 미치는 영향에 대한 포괄적인 연구의 필요성과 다른 한편으로는 신체적, 분자 수준에서 발생하는 생명 현상의 물리화학적 기초.

새로운 정밀한 물리적, 화학적 방법을 사용함으로써 분자 구조와 그 안에서 일어나는 과정에 대한 정확한 정보를 얻는 것이 가능해졌습니다. 전기화학의 성과를 바탕으로 이온선택성 전극을 이용하여 생체전위를 측정하는 방법을 개선할 수 있었다(G. Eisenman, B.P. Nikolsky, Khuri, 50-60s). 점점 더 적외선 분광법(레이저 장치 사용)이 실용화되어 단백질의 구조 변화를 연구할 수 있게 되었습니다(I. Plotnikov, 1940). 특히 산화 과정에서 전자의 이동을 판단할 수 있는 전자 상자성 공명 방법(E. K. Zavoisky, 1944)과 생화학발광 방법(B. N. Tarusov et al., 1960)을 통해서도 귀중한 정보가 제공됩니다.

1950년대에 생물물리학은 이미 강력한 위치를 차지하고 있었습니다. 자격을 갖춘 전문가를 양성하는 것이 필요합니다. 1911년 유럽에서 헝가리의 페치 대학교에만 생물물리학 학과장이 있었다면, 1973년에는 그러한 학과가 거의 모든 주요 대학에 존재하게 되었습니다.

1960년에는 국제생물물리학자협회가 조직되었습니다. 1961년 8월 스톡홀름에서 제1회 국제생물물리학회가 열렸습니다. 두 번째 회의는 1965년 파리에서 열렸고, 세 번째 회의는 1969년 보스턴에서, 네 번째 회의는 1972년 모스크바에서 열렸습니다.

생물물리학에서는 내용이 다른 두 영역, 즉 분자 생물물리학과 세포 생물물리학 사이에 명확한 구분이 있습니다. 이러한 구별은 조직적 표현으로도 나타납니다. 생물물리학의 이 두 영역에 대한 별도의 부서가 만들어지고 있습니다. 모스크바 대학교에서는 1953년 생물학 및 토양과학부에서 최초의 생물물리학과가 창설되었고, 조금 후에 물리학부에 생물물리학과가 등장했습니다. 다른 많은 대학에서도 동일한 원칙으로 학과가 조직되었습니다.

분자생물리학

최근 몇 년 동안 분자생물리학과 분자생물학의 연관성이 점점 더 강화되어 이제는 둘 사이의 구분선이 어디에 있는지 결정하기가 때로는 어렵습니다. 유전 정보 문제에 대한 일반적인 공격에서 생물물리학과 분자생물학 간의 이러한 협력은 불가피합니다.

의 주요 방향 연구 작업핵산(DNA와 RNA)의 물리학을 연구하는 학문입니다. 위의 방법과 무엇보다도 X선 회절 분석의 사용은 해독에 기여했습니다. 분자 구조핵산. 현재 용액에서 이러한 산의 거동을 연구하기 위한 집중적인 연구가 진행 중입니다. 점도, 광학적 및 전기적 매개변수의 변화를 통해 연구되는 "나선 코일" 형태 전이에 특히 주의를 기울입니다. 돌연변이 유발 메커니즘 연구와 관련하여 용액 내 핵산의 거동에 대한 이온화 방사선의 영향과 바이러스 및 파지의 핵산에 대한 방사선의 영향을 연구하기 위한 연구가 개발되고 있습니다. 핵산에 잘 흡수되는 것으로 알려진 일부 스펙트럼 영역인 자외선의 효과를 포괄적으로 분석했습니다. 이러한 종류의 연구에서 큰 비중을 차지하는 것은 전자 상자성 공명 방법을 통해 핵산과 단백질의 활성 라디칼을 검출하는 것입니다. 이 방법을 사용하면 전체 독립적 방향의 출현이 연관됩니다.

DNA와 RNA 정보를 인코딩하는 문제와 단백질 합성 중 정보 전달 문제는 오랫동안 분자 생물물리학의 관심 대상이었으며, 물리학자들은 이 주제에 대한 특정 고려 사항을 반복적으로 표현해 왔습니다(E. Schrödinger, G. Gamow). 유전자 코드의 해독은 DNA 나선의 구조, 그 가닥의 미끄러짐 및 비틀림 메커니즘에 대한 수많은 이론적이고 실험적인 연구를 일으켰습니다. 체력이러한 과정에 참여합니다.

분자 생물물리학은 J. Bernal이 1930년에 처음 사용한 X선 회절 분석의 도움으로 단백질 분자의 구조를 연구하는 데 분자 생물학에 상당한 도움을 줍니다. 많은 단백질의 분자 형태와 아미노산 서열이 밝혀진 것은 생화학적(효소적 방법)과 결합된 물리적 방법을 사용한 결과였습니다.

현대의 전자현미경 연구는 세포와 세포 소기관에 복잡한 막 시스템이 존재한다는 사실을 밝히면서 세포의 분자 구조를 이해하려는 시도를 자극했습니다(10장과 11장 참조). 생체 내에서 연구됨 화학적 구성 요소막, 특히 지질의 특성. 후자는 과산화 및 사슬 산화의 비효소적 반응을 일으킬 수 있는 것으로 밝혀졌습니다(Yu. A. Vladimirov 및 F. F. Litvin, 1959; B. N. Tarusov et al., 1960; I. I. Ivanov, 1967). 막의 구성을 연구하는 방법도 사용되었습니다. 수학적 모델링(V. Ts. Presman, 1964 - 1968; M. M. Shemyakin, 1967; Yu. A. Ovchinnikov, 1972).

세포생물리학

생물물리학의 역사에서 중요한 사건은 50년대에 생물학적 과정의 열역학에 대한 명확한 아이디어가 형성되었다는 것입니다. 그 결과 열역학 제2법칙에 반하여 살아있는 세포에서 독립적인 에너지 생성 가능성에 대한 가정이 이루어졌습니다. 드디어 사라졌습니다. 생물학적 시스템에서 이 법칙의 작동을 이해하는 것은 벨기에 과학자 I. Prigogine(1945) *이 외부 환경과 에너지 및 물질을 교환하는 개방형 시스템 개념을 생물학적 열역학에 도입한 것과 관련이 있습니다. Prigogine은 열역학 제2법칙에 따라 작업 과정에서 살아있는 세포에 양의 엔트로피가 형성된다는 것을 보여주었습니다. 그가 도입한 방정식은 음식과 함께 세포에 들어가는 자유 에너지(네겐트로피)의 양이 소비를 보상하고 양의 엔트로피가 발생하는 소위 고정 상태(이전에는 동적 평형이라고도 함)가 발생하는 조건을 결정했습니다. 산출. 이 발견은 세포의 외부 환경과 내부 환경 사이의 분리할 수 없는 연결에 대한 일반적인 생물학적 아이디어를 강화했습니다. 이는 모델링 방법을 포함하여 생명체의 열역학에 대한 실제 연구의 시작을 의미했습니다(A. Burton, 1939; A. G. Pasynsky, 1967).

* (개방형 시스템의 일반 이론은 1932년 L. Bertalanffy에 의해 처음으로 제시되었습니다.)

생물열역학의 기본 원리에 따르면, 생명이 존재하기 위한 필수 조건은 생화학적 과정의 발달이 정상성이라는 것이며, 이를 구현하려면 수많은 대사 반응의 속도를 조정하는 것이 필요합니다. 새로운 생물물리학적 열역학을 기반으로 이러한 반응 조정을 보장하고 안정적으로 만드는 외부 및 내부 요인을 선별하는 추세가 나타났습니다. 지난 20년 동안 억제제, 특히 항산화제 시스템의 고정 상태를 유지하는 데 큰 역할이 밝혀졌습니다(B. N. Tarusov 및 A. I. Zhuravlev, 1954, 1958). 고정 개발의 신뢰성은 환경 요인(온도)과 관련이 있다는 것이 확립되었습니다. 물리적, 화학적 특성셀 환경.

생체열역학의 현대 원리는 적응 메커니즘에 대한 물리화학적 해석을 가능하게 했습니다. 우리의 데이터에 따르면 환경 조건에 대한 적응은 환경이 변할 때 유기체가 생물 발달의 정상성을 확립할 수 있는 경우에만 발생할 수 있습니다. 화학 반응(B.N. Tarusov, 1974). 생체 내 정지 상태를 평가하고 가능한 위반을 예측할 수 있는 새로운 방법을 개발하는 문제가 발생했습니다. 생체열역학에 자기 조절 시스템의 사이버네틱스 원리를 도입하고 생물학적 적응 과정에 대한 연구를 수행하면 큰 이점을 얻을 수 있습니다. 정상 상태의 안정성 문제를 해결하기 위해서는 특히 지질 산화의 비효소 반응을 포함하는 소위 교란 요인을 고려하는 것이 중요하다는 것이 분명해졌습니다. 최근에는 살아있는 세포의 지질상의 과산화 과정과 막의 조절 기능을 방해하는 활성 라디칼 생성물의 성장에 대한 연구가 확대되고 있습니다. 이러한 과정에 대한 정보의 출처는 활성 과산화물 라디칼과 생체 지질의 과산화물 화합물의 검출입니다 (A. Tappel, 1965; I. I. Ivanov, 1965; E. B. Burlakova, 1967 및 기타). 라디칼을 검출하기 위해 생화학 발광이 사용되는데, 이는 재조합 중에 살아있는 세포의 지질에서 발생합니다.

정상 상태의 안정성에 대한 물리화학적 아이디어를 바탕으로 억제 항산화 시스템을 위반하여 환경 조건 변화에 식물이 적응하는 것에 대한 생물물리학적 아이디어가 생겼습니다(B. N. Tarusov, Ya. E. Doskoch, B. M. Kitlaev, A. M. Agaverdiev, 1968 - 1972). 이를 통해 내한성과 내염성과 같은 특성을 평가할 수 있을 뿐만 아니라 농업 식물 선택 시 적절한 예측을 할 수 있는 가능성이 열렸습니다.

1950년대에 스펙트럼의 가시광선과 적외선 부분에 있는 여러 생물학적 물체의 생화학발광이라는 매우 약한 광선이 발견되었습니다(B. N. Tarusov, A. I. Zhuravlev, A. I. Polivoda). 이는 광전자 증배관(L. A. Kubetsky, 1934)을 사용하여 초약광속을 등록하는 방법을 개발한 결과 가능해졌습니다. 살아있는 세포에서 발생하는 생화학 반응의 결과인 생화학발광을 통해 효소 간 전자 전달 사슬의 중요한 산화 과정을 판단할 수 있습니다. 생화학발광의 발견과 연구는 이론적으로나 실제적으로 매우 중요합니다. 따라서 B. N. Tarusov와 Yu. B. Kudryashov는 불포화 산화 생성물의 큰 역할에 주목합니다. 지방산영향을 받아 발생하는 병리학 적 상태의 발생 메커니즘 전리 방사선, 발암 및 기타 정상적인 세포 기능 위반.

1950년대 핵물리학의 급속한 발전과 더불어 생물물리학에서 전리 방사선의 생물학적 효과를 연구하는 방사선생물학이 등장했다. 인공 방사성 동위원소 획득, 열핵무기, 원자로 및 기타 실용화 형태 개발 원자력전리 방사선의 유해한 영향으로부터 유기체를 보호하는 문제, 방사선 질병 예방 및 치료를 위한 이론적 기반 개발 문제를 심각하게 제기했습니다. 이를 위해서는 먼저 세포의 어떤 구성 요소와 신진 대사 연결이 가장 취약한지 알아내는 것이 필요했습니다.

생물물리학과 방사선생물학의 연구 목적은 방사선 에너지의 영향을 받아 살아있는 기질에서 발생하는 일차 화학 반응의 특성을 밝히는 것이었습니다. 여기서는 이 현상의 메커니즘을 이해하는 것뿐만 아니라 물리적 에너지를 화학 에너지로 교환하는 과정에 영향을 주어 "유용한" 작용 계수를 줄이는 것이 중요했습니다. 이 방향의 작업은 소련의 N. N. Semenov(1933) 학교와 영국의 D. Hinshelwood(1935) 학교의 연구에 의해 시작되었습니다.

다양한 유기체의 방사선 저항 정도에 대한 연구는 방사선 생물학 연구에서 중요한 위치를 차지했습니다. 증가된 방사선 저항성(예: 사막 설치류)은 세포막 지질의 높은 항산화 활성으로 인한 것으로 밝혀졌습니다(M. Chang et al., 1964; N. K. Ogryzov et al., 1969). 토코페롤, 비타민 K 및 티오 화합물이 이러한 시스템의 항산화 특성 형성에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다(II Ivanov et al., 1972). 최근에는 돌연변이 유발 메커니즘에 대한 연구도 많은 주목을 받고 있습니다. 이를 위해 시험관 내에서 바이러스와 파지뿐만 아니라 핵산과 단백질의 거동에 대한 이온화 방사선의 효과가 연구되었습니다(A. Gustafson, 1945 - 1950).

화학적 보호의 효과를 더욱 높이기 위한 투쟁, 보다 효과적인 억제제 및 억제 원리에 대한 탐색은 이 방향에서 생물물리학의 주요 임무로 남아 있습니다.

높은 화학적 활성을 결정하는 생체고분자의 들뜬 상태에 대한 연구가 진전되었습니다. 가장 성공적인 것은 광생물학적 과정의 주요 단계인 광합성과 시각에서 발생하는 여기 상태에 대한 연구였습니다.

따라서 식물 색소 시스템 분자의 일차 활성화를 이해하는 데 확고한 기여가 이루어졌습니다. 활성화된 색소에서 다른 기질로 손실 없이 들뜬 상태 에너지를 전달(이동)하는 것이 매우 중요하다는 것이 입증되었습니다. 이러한 아이디어의 발전에서 중요한 역할은 A.N. Terenin(1947년 이후)의 이론적 작업에 의해 수행되었습니다. A. A. Krasnovsky (1949)는 엽록소와 그 유사체의 가역적 광화학 환원 반응을 발견하고 연구했습니다. 이제 가까운 미래에 인공적인 조건 하에서 광합성을 재현하는 것이 가능할 것이라는 일반적인 믿음이 있습니다(5장 참조).

생물물리학자들은 근육 수축의 본질과 신경 자극 및 전도 메커니즘을 밝히기 위해 계속해서 노력하고 있습니다(11장 참조). 여기 상태에서 정상 상태로의 전환 메커니즘에 대한 연구도 현재 중요해지고 있습니다. 여기 상태는 이제 자가촉매 반응의 결과로 간주되고, 억제는 토코페롤과 같은 화합물의 분자 재배열의 결과로 억제성 항산화 활성이 급격히 동원된 결과로 간주됩니다(I. I. Ivanov, O. R. Kols, 1966; O. R. 콜스, 1970).

생물물리학의 가장 중요한 일반적인 문제는 생명체의 질적인 물리적, 화학적 특징에 대한 지식으로 남아 있습니다. 칼륨을 선택적으로 결합하거나 전류를 분극화하는 살아있는 생체 고분자의 능력과 같은 특성은 신체에서 가장 조심스럽게 제거하더라도 보존될 수 없습니다. 따라서 세포 생물물리학은 생명체의 평생 연구를 위한 기준과 방법을 지속적으로 집중적으로 개발하고 있습니다.

분자생물학은 아직 초기 단계임에도 불구하고 이 분야에서 이룩한 발전은 정말 놀랍습니다. 상대적으로 단기유전자의 본질과 그 조직, 재생산 및 기능의 기본 원리가 확립되었습니다. 또한, 유전자의 시험관 내 복제가 수행되었을 뿐만 아니라, 최초로 유전자 자체의 완전한 합성이 완료되었습니다. 유전암호가 완전히 해독되었으며, 단백질 생합성의 특이성이라는 가장 중요한 생물학적 문제가 해결되었습니다. 세포 내 단백질 형성의 주요 방식과 메커니즘이 확인되고 연구되었습니다. 핵산 주형의 언어를 합성된 단백질의 아미노산 서열의 언어로 번역하는 특정 어댑터 분자인 많은 수송 RNA의 기본 구조가 완전히 결정되었습니다. 많은 단백질의 아미노산 서열이 완전히 해독되었으며 일부 단백질의 공간 구조가 확립되었습니다. 이를 통해 효소분자의 작용 원리와 세부사항을 규명할 수 있게 됐다. 효소 중 하나인 리보뉴클레아제의 화학적 합성이 수행되었습니다. 다양한 세포하 입자, 많은 바이러스 및 파지의 구성에 대한 기본 원리가 확립되었으며 세포 내에서의 생물 발생의 주요 방식이 밝혀졌습니다. 유전자 활동의 조절 방법을 이해하고 필수 활동의 조절 메커니즘을 설명하는 접근 방식이 발견되었습니다. 이미 이러한 발견의 간단한 목록은 20세기 후반임을 나타냅니다. 생물학적으로 중요한 거대분자(핵산과 단백질)의 구조와 기능에 대한 심층적인 연구 덕분에 생물학 분야에서 엄청난 발전이 이루어졌습니다.

분자 생물학의 성과는 이미 오늘날 실제로 사용되고 있으며 의학, 농업 및 일부 산업에서 가시적인 결과를 가져오고 있습니다. 이 과학의 수익이 나날이 증가할 것이라는 데에는 의심의 여지가 없습니다. 그러나 주요 결과는 분자 생물학의 성공의 영향으로 생명의 가장 비밀스러운 비밀을 밝히는 과정에서 무한한 가능성이 존재한다는 확신이 강화되었다는 점을 고려해야합니다.

미래에는 물질 운동의 생물학적 형태를 연구하는 새로운 방법이 열릴 것입니다. 생물학은 분자 수준에서 원자 수준으로 이동할 것입니다. 그러나 이제 향후 20년 동안에도 분자생물학의 발전을 현실적으로 예측할 수 있는 연구자는 단 한 명도 없을 것입니다.

"bio/mol/text" 콘테스트의 만화책: 오늘 분자생물학자시험관은 여러분을 놀라운 과학, 즉 분자생물학의 세계로 안내할 것입니다! 우리는 개발 단계를 통한 역사적 여행으로 시작하여 1933년 이후의 주요 발견과 실험을 설명할 것입니다. 그리고 유전자를 조작하고, 변화시키고, 분리하는 것을 가능하게 한 분자생물학의 주요 방법도 명확하게 설명할 것입니다. 이러한 방법의 출현은 분자 생물학의 발전에 강력한 원동력이 되었습니다. 또한 생명공학의 역할을 기억하고 이 분야에서 가장 인기 있는 주제 중 하나인 CRISPR/Cas 시스템을 사용한 게놈 편집에 대해 살펴보겠습니다.

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1. 소개. 분자생물학의 본질

거대분자 수준에서 유기체의 필수 활동에 대한 기초를 연구합니다. 분자 생물학의 목표는 구조와 특성에 대한 지식을 바탕으로 이러한 거대분자의 역할과 기능 메커니즘을 확립하는 것입니다.

역사적으로 분자생물학은 핵산과 단백질을 연구하는 생화학 분야가 발전하는 동안 형성되었습니다. 생화학은 신진 대사, 살아있는 세포, 유기체의 화학적 구성 및 그 안에서 수행되는 화학적 과정을 연구하는 반면, 분자 생물학은 유전 정보의 전달, 재생산 및 저장 메커니즘에 대한 연구에 중점을 둡니다.

그리고 분자 생물학 연구의 목적은 핵산 자체-디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA)-및 단백질뿐만 아니라 거대분자 복합체-단백질과 핵산의 생합성을 제공하는 염색체, 리보솜, 다중 효소 시스템입니다. 분자 생물학은 또한 연구 대상과 접해 있으며 부분적으로 분자 유전학, 바이러스학, 생화학 및 기타 여러 관련 생물학과 일치합니다.

2. 분자 생물학 발전 단계를 통한 역사적 소풍

생화학의 별도 영역으로 분자 생물학은 지난 세기 30년대에 발전하기 시작했습니다. 그럼에도 불구하고 유전정보가 전달되고 저장되는 과정을 연구하기 위해서는 생명현상을 분자수준에서 이해하는 것이 필요하게 되었다. 바로 그 당시 단백질과 핵산의 특성, 구조 및 상호 작용을 연구하는 분자 생물학의 임무가 확립되었습니다.

분자생물학이라는 용어는 처음으로 사용되었다. 1933 원섬유 단백질(콜라겐, 혈액 피브린, 수축성 근육 단백질) 연구 중 William Astbury. Astbury는 분자 구조와 이러한 단백질의 생물학적, 물리적 특성 사이의 관계를 연구했습니다. 분자생물학이 출현할 당시 RNA는 식물과 균류에만 존재하는 성분, DNA는 동물에만 존재하는 성분으로 여겨졌다. 그리고 1935 Andrei Belozersky의 완두콩 DNA 발견으로 DNA가 모든 살아있는 세포에 포함되어 있다는 사실이 확립되었습니다.

안에 1940 엄청난 성취는 조지 비들(George Beadle)과 에드워드 테이텀(Edward Tatham)이 유전자와 단백질 사이의 인과 관계를 확립한 것입니다. 과학자들의 가설 "하나의 유전자 - 하나의 효소"는 단백질의 특정 구조가 유전자에 의해 조절된다는 개념의 기초를 형성했습니다. 다음과 같이 가정됩니다. 유전정보단백질의 1차 구조를 조절하는 DNA의 특별한 뉴클레오티드 서열에 의해 암호화됩니다. 나중에 많은 단백질이 4차 구조를 가지고 있다는 것이 입증되었습니다. 다양한 펩타이드 사슬이 이러한 구조의 형성에 참여합니다. 이를 바탕으로 유전자와 효소의 관계에 대한 조항이 다소 변형되어 이제는 "하나의 유전자 - 하나의 폴리펩티드"처럼 들립니다.

안에 1944 1999년 미국의 생물학자 오스왈드 에이버리(Oswald Avery)와 그의 동료들(콜린 맥레오드(Colin McLeod)과 맥클린 맥카시(McLean McCarthy))은 박테리아의 변형을 일으키는 물질이 단백질이 아니라 DNA라는 것을 증명했습니다. 이 실험은 유전자의 단백질 특성에 대한 오래된 지식을 뛰어넘어 유전 정보 전달에서 DNA의 역할을 입증하는 역할을 했습니다.

1950년대 초 Frederick Sanger는 단백질 사슬이 아미노산 잔기의 독특한 서열임을 보여주었습니다. 안에 1951 그리고 1952 몇 년 동안 과학자는 두 개의 폴리펩티드 사슬, 즉 소 인슐린의 완전한 서열을 결정했습니다. 안에(30개 아미노산 잔기) 및 ㅏ(21개 아미노산 잔기).

비슷한 시기에, 1951–1953 Erwin Chargaff는 DNA의 질소 염기 비율에 대한 규칙을 공식화했습니다. 이 법칙에 따르면, 생명체의 DNA 내 종 차이에 관계없이 아데닌(A)의 양은 티민(T)의 양과 같고, 구아닌(G)의 양은 시토신의 양과 같습니다 (씨).

안에 1953 DNA의 유전적 역할을 입증했습니다. 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 로절린드 프랭클린과 모리스 윌킨스가 얻은 DNA X선을 바탕으로 DNA의 공간 구조를 확립하고 유전의 기초가 되는 복제(배가) 메커니즘에 대해 나중에 확증된 가정을 내놓았습니다.

1958 연도 - Francis Crick에 의한 분자 생물학의 중심 교리 형성: 유전 정보의 전달은 DNA → RNA → 단백질 방향으로 진행됩니다.

교리의 본질은 세포에 DNA로부터 특정 방향의 정보 흐름이 있다는 것입니다. 이는 차례로 A, T, G 및 C의 네 글자로 구성된 원본 유전 텍스트입니다. DNA에 기록됩니다. 이 문자의 형태 시퀀스 - 뉴클레오티드의 이중 나선.

이 텍스트는 복사되고 있습니다. 그리고 그 과정은 전사. 이 과정에서 RNA가 합성되는데, 이는 유전 텍스트와 동일하지만 차이점이 있습니다. RNA에는 T 대신 U(우라실)가 있습니다.

이 RNA라고 불린다. 메신저 RNA (mRNA), 또는 행렬 (mRNA). 방송 mRNA는 뉴클레오티드의 삼중항 서열 형태의 유전암호를 사용하여 수행됩니다. 이 과정에서 DNA와 RNA 핵산 텍스트는 4글자 텍스트에서 20글자 아미노산 텍스트로 번역됩니다.

천연 아미노산은 20개뿐이고, 핵산에는 4개의 글자가 있습니다. 이 때문에 유전자 코드를 통해 4자 알파벳에서 20자 알파벳으로 번역이 되는데, 각 3개의 뉴클레오티드는 아미노산에 해당합니다. 따라서 네 글자로 64개의 세 글자 조합을 만들 수 있고, 게다가 아미노산도 20개이므로, 유전암호는 필연적으로 퇴행성의 특성을 가지고 있어야 한다는 결론이 나옵니다. 그러나 당시에는 유전암호가 알려지지 않았고 해독도 시작되지도 않았지만 크릭은 이미 자신의 중심교리를 공식화했습니다.

그럼에도 불구하고 코드가 반드시 존재한다는 확신은 있었다. 그때쯤에는 이 코드에 삼중 문자가 있다는 것이 증명되었습니다. 이는 구체적으로 핵산의 세 글자( 코돈)는 모든 아미노산에 해당합니다. 이 코돈은 64개가 있으며, 20개의 아미노산을 암호화합니다. 이는 각 아미노산이 동시에 여러 코돈에 해당함을 의미합니다.

따라서 우리는 중심교리(central dogma)가 DNA → RNA → 단백질과 같이 세포에서 정보의 방향성 흐름이 발생한다는 가정이라고 결론 내릴 수 있습니다. Crick은 중앙 교리의 주요 내용을 강조했습니다. 정보의 역방향 흐름은 발생할 수 없으며 단백질은 유전 정보를 변경할 수 없습니다.

이것이 중심 교리의 주요 의미입니다. 단백질은 정보를 DNA(또는 RNA)로 변경하거나 변환할 수 없으며 흐름은 항상 한 방향으로만 진행됩니다.

그로부터 얼마 후, 센트럴 도그마가 확립될 당시에는 알려지지 않았던 새로운 효소가 발견되었는데, 역전사 효소 RNA로부터 DNA를 합성하는 것입니다. 이 효소는 바이러스에서 발견되었는데, 바이러스의 유전정보는 DNA가 아닌 RNA로 암호화되어 있습니다. 이러한 바이러스를 레트로바이러스라고 합니다. 그들은 RNA와 특수 효소가 들어 있는 바이러스 캡슐을 가지고 있습니다. 효소는 이 바이러스 RNA의 주형에 따라 DNA를 합성하는 역전사효소이며, 이 DNA는 세포 내에서 바이러스의 추가 발달을 위한 유전 물질로 사용됩니다.

물론 이 발견은 분자 생물학자들 사이에 큰 충격과 많은 논란을 불러일으켰습니다. 왜냐하면 중심 교리에 따르면 이것이 불가능하다고 믿었기 때문입니다. 그러나 크릭은 그것이 불가능하다고 말한 적이 없다고 즉시 설명했다. 그는 단지 단백질에서 핵산으로 정보의 흐름이 있을 수 없으며 이미 핵산 내부에서는 DNA의 합성, RNA의 DNA, DNA의 RNA, RNA의 RNA 합성 등 모든 종류의 과정이 가능하다고 말했습니다.

센트럴 도그마가 확립된 후에도 여전히 많은 질문이 남아 있습니다. DNA(또는 RNA)를 구성하는 4개의 뉴클레오티드 알파벳이 단백질을 구성하는 20글자 아미노산 알파벳을 어떻게 인코딩합니까? 유전암호의 본질은 무엇인가?

유전암호의 존재에 관한 최초의 아이디어는 Alexander Downes에 의해 공식화되었습니다. 1952 d.) 및 Georgy Gamov( 1954 G.). 과학자들은 뉴클레오티드 서열이 적어도 세 개의 연결을 포함해야 한다는 것을 보여주었습니다. 나중에 그러한 서열이 세 개의 뉴클레오티드로 구성되어 있다는 것이 입증되었습니다. 코돈 (세 쌍둥이). 그러나 어떤 뉴클레오티드가 어떤 아미노산을 단백질 분자에 결합시키는 역할을 하는지에 대한 문제는 1961년까지 풀리지 않았습니다.

그리고 1961 Marshall Nirenberg는 Heinrich Mattei와 함께 이 시스템을 사용하여 방송했습니다. 시험관 내에서. 올리고뉴클레오티드를 주형으로 사용했습니다. 이는 우라실 잔기만 함유하고 있으며, 이로부터 합성된 펩타이드에는 아미노산 페닐알라닌만 포함되어 있습니다. 따라서 코돈의 의미는 페닐알라닌에 대한 코돈 UUU 코드로 처음 확립되었습니다. 나중에 Har Qur'an은 뉴클레오티드 서열 UCUCUCUCUCUC가 일련의 아미노산 세린-류신-세린-류신을 암호화한다는 것을 발견했습니다. 대체로 Nirenberg와 Koran의 작품 덕분에 1965 그해, 유전암호가 완전히 풀렸습니다. 각 삼중항은 특정 아미노산을 암호화하는 것으로 나타났습니다. 그리고 코돈의 순서에 따라 단백질의 아미노산 순서가 결정됩니다.

단백질과 핵산 기능의 주요 원리는 70년대 초에 공식화되었습니다. 단백질과 핵산의 합성은 매트릭스 메커니즘에 따라 수행된다는 것이 밝혀졌습니다. 주형 분자는 아미노산이나 뉴클레오티드의 서열에 대한 암호화된 정보를 전달합니다. 복제 또는 전사 중에 주형은 DNA이고, 번역 및 역전사 중에 주형은 mRNA입니다.

따라서 유전 공학을 포함한 분자 생물학 분야의 형성을 위한 전제 조건이 만들어졌습니다. 그리고 1972년에 폴 버그(Paul Berg)와 동료들은 분자 복제 기술을 개발했습니다. 과학자들이 최초의 재조합 DNA를 획득했습니다 시험관 내에서. 이러한 뛰어난 발견은 분자 생물학의 새로운 방향의 기초를 형성했으며, 1972 그 이후로 그 해는 유전공학의 탄생일로 간주되었습니다.

3. 분자생물학의 방법

핵산, DNA 구조 및 단백질 생합성 연구의 엄청난 발전으로 인해 일반적으로 의학, 농업 및 과학에서 매우 중요한 여러 가지 방법이 탄생했습니다.

유전암호와 유전정보의 저장, 전달, 구현의 기본 원리를 연구한 후, 분자생물학의 발전을 위해서는 특별한 방법이 필요해졌습니다. 이러한 방법을 사용하면 유전자를 조작, 변경 및 분리할 수 있습니다.

이러한 방법의 출현은 1970년대와 1980년대에 일어났다. 이는 분자생물학의 발전에 큰 자극을 주었다. 우선, 이러한 방법은 유전자 생산 및 다른 유기체의 세포로의 도입뿐만 아니라 유전자의 뉴클레오티드 서열 결정 가능성과 직접적으로 관련됩니다.

3.1. DNA 전기영동

DNA 전기영동 DNA를 다루는 기본적인 방법이다. DNA 전기영동은 거의 모든 다른 방법과 함께 사용되어 원하는 분자를 분리하고 결과를 추가로 분석합니다. 겔 전기영동 방법 자체는 DNA 단편을 길이별로 분리하는 데 사용됩니다.

전기영동 전이나 후에 젤은 DNA에 결합할 수 있는 염료로 처리됩니다. 염료는 자외선에서 형광을 발하여 젤에 밴드 패턴을 만듭니다. DNA 단편의 길이를 결정하기 위해 다음과 비교할 수 있습니다. 마커- 동일한 젤에 적용되는 표준 길이의 조각 세트.

형광 단백질

진핵 생물을 연구할 때 형광 단백질을 마커 유전자로 사용하는 것이 편리합니다. 최초의 녹색 형광 단백질 유전자( 녹색형광단백질, GFP) 해파리에서 분리 아쿠오레아 빅토리아그런 다음 다양한 유기체에 도입됩니다. 그 후 파란색, 노란색, 빨간색 등 다른 색상의 형광 단백질 유전자가 분리되었습니다. 관심 있는 특성을 가진 단백질을 얻기 위해 그러한 유전자를 인위적으로 변형했습니다.

일반적으로 DNA 분자 작업에 가장 중요한 도구는 세포에서 다양한 DNA 변형을 수행하는 효소입니다. DNA 중합효소, DNA 리가제그리고 제한효소 (제한 엔도뉴클레아제).

형질전환

형질전환한 유기체에서 다른 유기체로 유전자가 전달되는 것을 말합니다. 그러한 유기체를 형질전환.

재조합 단백질 제제는 유전자를 미생물 세포에 전달하여 얻습니다. 이들 단백질의 대부분은 인터페론, 인슐린, 일부 단백질 호르몬 및 다양한 백신 생산을 위한 단백질.

다른 경우에는 필요한 단백질을 우유로 분비하는 진핵생물이나 형질전환 동물(주로 가축)의 세포 배양이 사용됩니다. 이러한 방식으로 항체, 혈액 응고 인자 및 기타 단백질이 얻어집니다. 형질전환 방법은 해충과 제초제에 저항성인 작물을 얻기 위해 사용되며, 폐수는 형질전환 미생물의 도움으로 처리됩니다.

위의 모든 것 외에도 유전자 변형 및 전달 방법을 사용하면 생물학의 발전이 더 빨라지기 때문에 형질전환 기술은 과학 연구에 없어서는 안될 요소입니다.

제한사항

제한 효소에 의해 인식되는 서열은 대칭적이므로 서열 중간이나 DNA 분자의 한 가닥 또는 두 가닥의 이동으로 인해 어떤 종류의 절단도 발생할 수 있습니다.

제한효소로 DNA를 쪼개면 조각 끝부분의 서열은 동일해진다. 보완적인 사이트가 있기 때문에 다시 연결할 수 있습니다.

다음을 사용하여 이러한 서열을 연결하여 단일 분자를 얻을 수 있습니다. DNA 리가제. 이로 인해 서로 다른 두 DNA의 단편을 결합하여 재조합 DNA를 얻는 것이 가능합니다.

3.2. PCR

이 방법은 세포에서 DNA 복제 과정과 동일한 방식으로 상보 가닥을 따라 DNA의 두 번째 가닥을 완성하는 DNA 중합효소의 능력에 기초합니다.

3.3. DNA 시퀀싱

시퀀싱 방법의 급속한 발전으로 연구 대상 유기체의 특성을 게놈 수준에서 효과적으로 결정하는 것이 가능해졌습니다. 이러한 게놈 및 포스트 게놈 기술의 가장 큰 장점은 사전에 필요한 조치를 취하고 질병을 예방하기 위해 인간 질병의 유전적 특성에 대한 연구 및 연구 가능성이 증가한다는 것입니다.

대규모 연구를 통해 다양한 집단의 다양한 유전적 특성에 대해 필요한 데이터를 얻을 수 있으며 이를 통해 의학 방법을 개발할 수 있습니다. 이 때문에 다양한 질병에 대한 유전적 소인을 확인하는 것이 오늘날 매우 인기가 있습니다.

유사한 방법이 러시아를 포함하여 전 세계적으로 널리 적용 가능합니다. 과학적 진보로 인해 일반적으로 의료 연구 및 의료 행위에 이러한 방법이 도입되었습니다.

4. 생명공학

생명공학- 기술적 문제를 해결하기 위해 살아있는 유기체나 그 시스템을 사용할 수 있는 가능성을 연구하고 유전 공학을 통해 원하는 특성을 가진 살아있는 유기체를 만드는 학문입니다. 생명공학은 화학, 미생물학, 생화학은 물론 분자생물학의 방법을 적용합니다.

생명공학 발전의 주요 방향(생명공학 공정의 원리가 모든 산업의 생산에 도입되고 있습니다):

  1. 새로운 유형의 식품 및 동물 사료를 만들고 생산합니다.
  2. 새로운 미생물 균주를 획득하고 연구합니다.
  3. 새로운 품종의 식물을 육종하고 질병과 해충으로부터 식물을 보호하기 위한 수단을 개발합니다.
  4. 생태학적 요구에 맞는 생명공학 방법을 적용합니다. 이러한 생명공학 방법은 폐기물 재활용, 폐수 처리, 배기 및 토양 위생에 사용됩니다.
  5. 의약품에 필요한 비타민, 호르몬, 효소, 혈청을 생산합니다. 생명공학자들은 개선된 기술을 개발하고 있습니다. 약물이전에는 치료가 불가능한 것으로 간주되었습니다.

생명공학의 주요 성과는 유전공학이다.

유전 공학- 재조합 RNA 및 DNA 분자를 얻고, 세포에서 개별 유전자를 분리하고, 유전자를 조작하고, 이를 다른 유기체(박테리아, 효모, 포유류)에 도입하는 일련의 기술 및 방법입니다. 그러한 유기체는 원하는 대로 변형된 특성을 지닌 최종 제품을 생산할 수 있습니다.

유전공학 방법은 자연에 존재하지 않았던 새로운 유전자 조합을 만드는 것을 목표로 합니다.

유전공학의 성과에 관해 말하면서 복제라는 주제를 언급하지 않는 것은 불가능합니다. 복제무성생식을 통해 서로 다른 유기체의 동일한 자손을 얻는 데 사용되는 생명공학 방법 중 하나입니다.

즉, 복제는 유기체나 세포의 유전적으로 동일한 복사본을 만드는 과정으로 생각할 수 있습니다. 그리고 복제된 유기체는 외부 특징뿐만 아니라 유전적 내용에서도 유사하거나 완전히 동일합니다.

1966년 악명 높은 양 돌리(Dolly)가 최초의 복제 포유류가 되었습니다. 체세포의 핵을 난자의 세포질에 이식하여 얻었습니다. 돌리(Dolly)는 핵 기증자 양의 유전적 복사본이었습니다. 자연 조건에서 개체는 두 부모로부터 유전 물질의 절반을 받은 하나의 수정란에서 형성됩니다. 그러나 복제 과정에서 유전 물질은 한 개인의 세포에서 채취되었습니다. 먼저, DNA 자체를 포함하고 있는 핵을 접합체에서 제거했습니다. 그런 다음 성체 양 세포에서 핵을 제거하여 핵이 없는 접합체에 이식한 다음 성체의 자궁에 이식하여 성장하고 발달하도록 했습니다.

그러나 모든 복제 시도가 성공한 것은 아닙니다. 돌리의 복제와 병행하여 273개의 다른 난자에 대해서도 DNA 대체 실험이 수행되었습니다. 그러나 살아있는 성인 동물이 완전히 발달하고 성장할 수 있는 경우는 단 한 가지뿐입니다. 돌리 이후 과학자들은 다른 유형의 포유류를 복제하려고 시도했습니다.

유전공학의 종류 중 하나는 게놈 편집.

CRISPR/Cas 도구는 과학자들이 동물이나 식물의 DNA에 변화를 일으키도록 적응시킨 박테리아의 면역 방어 시스템 요소를 기반으로 합니다.

CRISPR/Cas는 세포 내 개별 유전자를 조작하는 생명공학 방법 중 하나입니다. 이 기술에는 많은 응용 프로그램이 있습니다. CRISPR/Cas를 통해 연구자들은 다양한 유전자의 기능을 알아낼 수 있습니다. 이렇게 하려면 DNA에서 연구 중인 유전자를 잘라내고 신체의 어떤 기능이 영향을 받았는지 연구하면 됩니다.

일부 실용적인 적용시스템:

  1. 농업. CRISPR/Cas 시스템을 통해 작물을 개선할 수 있습니다. 즉, 더 맛있고 영양가가 높으며 열에도 잘 견디도록 만드는 것입니다. 식물에 다른 특성을 부여하는 것이 가능합니다. 예를 들어 견과류(땅콩 또는 헤이즐넛)에서 알레르기 항원 유전자를 차단합니다.
  2. 의학, 유전병.과학자들은 CRISPR/Cas를 사용하여 겸상 적혈구 빈혈 등의 질병을 일으킬 수 있는 인간 게놈의 돌연변이를 제거하는 목표를 가지고 있습니다. 이론적으로 CRISPR/Cas는 HIV 발병을 막을 수 있습니다.
  3. 유전자 드라이브. CRISPR/Cas는 개별 동물이나 식물의 게놈뿐만 아니라 종의 유전자 풀도 변경할 수 있습니다. 이 개념은 다음과 같이 알려져 있습니다. "유전자 드라이브". 모든 살아있는 유기체는 유전자의 절반을 자손에게 전달합니다. 그러나 CRISPR/Cas를 사용하면 유전자 전달 가능성을 최대 100%까지 높일 수 있습니다. 이는 원하는 특성이 인구 전체에 더 빨리 퍼지기 위해 중요합니다.

스위스 과학자들은 CRISPR/Cas 게놈 편집 방법을 크게 개선하고 현대화하여 그 기능을 확장했습니다. 그러나 과학자들은 CRISPR/Cas 시스템을 사용하여 한 번에 하나의 유전자만 수정할 수 있었습니다. 그러나 이제 ETH Zurich의 연구원들은 세포에서 25개의 유전자를 동시에 수정할 수 있는 방법을 개발했습니다.

최신 기술을 위해 전문가들은 Cas12a 효소를 사용했습니다. 유전학자들이 역사상 처음으로 원숭이 복제에 성공했습니다. "인기 역학";

  • 니콜렌코 S.(2012). 유전체학: 문제 설명 및 시퀀싱 방법. "포스트사이언스".

    • 분자 생물학,분자 수준에 접근하는 수준에서 생물학적 대상과 시스템을 연구하고 어떤 경우에는 이 한계에 도달함으로써 생명 현상의 본질에 대한 지식을 임무로 설정하는 과학입니다. 이 경우의 궁극적인 목표는 유전, 동종의 번식, 단백질 생합성, 흥분성, 성장 및 발달, 정보의 저장 및 전달, 에너지 변형, 이동성, 등은 생물학적으로 중요한 물질의 분자, 주로 고분자 생체 고분자의 두 가지 주요 클래스인 단백질과 핵산의 구조, 특성 및 상호 작용으로 인해 발생합니다. M.b의 독특한 특징. - 무생물의 생명 현상 또는 생명의 가장 원시적 표현을 특징으로 하는 생명 현상에 대한 연구. 이는 세포 수준 이하의 생물학적 형성입니다: 분리된 세포핵, 미토콘드리아, 리보솜, 염색체, 세포막과 같은 세포하 소기관; 추가 - 생물과 무생물의 경계에 서있는 시스템 - 박테리오파지를 포함한 바이러스, 그리고 생명체의 가장 중요한 구성 요소 인 핵산과 단백질의 분자로 끝나는 시스템.

    M.이 발전한 토대는 유전학, 생화학, 기본 과정의 생리학 등과 같은 과학에 의해 마련되었습니다. 분자 유전학과 불가분의 관계가 있으며, 이는 계속해서 중요한 부분을 차지합니다.

    M.b의 독특한 특징. 그 입체성이다. M.b의 본질. M. Perutz는 이를 분자 구조 측면에서 생물학적 기능을 해석하는 것으로 봅니다. M.b. 분자 전체 구조의 역할과 참여의 본질을 알고 "어떻게"라는 질문에 대한 답을 얻고, 한편으로는 "왜"와 "왜"라는 질문에 대한 답을 얻는 것이 그의 임무입니다. , 분자의 특성 (주로 단백질과 핵산)과 그것이 수행하는 기능 사이의 관계, 그리고 다른 한편으로는 중요한 활동 발현의 전체 복합체에서 그러한 개별 기능의 역할.

    분자생물학의 가장 중요한 성과.다음은 이러한 성과의 완전한 목록과는 거리가 먼 것입니다: DNA의 생물학적 기능의 구조와 메커니즘 공개, 모든 유형의 RNA 및 리보솜, 유전 코드 공개; 역전사의 발견, 즉 RNA 주형에서의 DNA 합성; 호흡 색소의 기능 메커니즘 연구; 효소 작용에서의 3차원 구조와 그 기능적 역할, 기질 합성 원리 및 단백질 생합성 메커니즘의 발견; 바이러스의 구조와 복제 메커니즘, 일차 및 부분적으로 항체의 공간 구조 공개; 개별 유전자의 분리, 세포 외부(시험관 내)에서 인간을 포함한 화학적 및 생물학적(효소적) 유전자 합성; 인간 세포를 포함하여 한 유기체에서 다른 유기체로 유전자 전달; 점점 더 많은 개별 단백질, 주로 효소와 핵산의 화학 구조에 대한 해독이 빠르게 진행되고 있습니다. 핵산 분자에서 시작하여 다성분 효소, 바이러스, 리보솜 등에 이르기까지 점점 더 복잡해지는 일부 생물학적 개체의 "자기 조립" 현상 발견 생물학적 기능과 과정의 조절에 대한 알로스테릭 및 기타 기본 원리를 설명합니다.

    분자 생물학의 문제.지정된 중요한 작업과 함께 M.은 것입니다. ("인식", 자기 조립 및 통합의 법칙에 대한 지식) 가까운 미래에 대한 과학적 탐구의 실제 방향은 구조를 해독할 수 있는 방법의 개발과 고분자 물질의 3차원 공간 구성입니다. 핵산. M. b.의 출현과 성공을 보장하는 가장 중요한 모든 방법은 물리학 자 (초 원심 분리, X 선 회절 분석, 전자 현미경, 핵 자기 공명 등)에 의해 제안되고 개발되었습니다. 거의 모든 새로운 물리적 실험 접근법(예: 컴퓨터, 싱크로트론 또는 브레름스트론 방사선, 레이저 기술 등)은 다음과 같은 새로운 가능성을 열어줍니다. 심층 연구문제 M. b. 실용적인 성격의 가장 중요한 작업 중 M. b.에서 기대되는 대답은 우선 악성 성장의 분자 기반 문제이며, 유전병을 예방하고 극복하는 방법은 " 분자 질환". 생물학적 촉매작용, 즉 효소 작용의 분자적 기초를 밝히는 것이 매우 중요합니다. M. b의 가장 중요한 현대 방향 중 하나입니다. 호르몬, 독성 및 의약 물질의 분자 작용 메커니즘을 해독하고 침투 과정의 조절과 관련된 생물학적 막과 같은 세포 구조의 분자 구조 및 기능에 대한 세부 사항을 알아내려는 욕구가 포함되어야 합니다. 물질 운송. 더 먼 목표 M. b. - 신경 과정의 본질, 기억 메커니즘 등에 대한 지식. M. b의 중요한 신흥 섹션 중 하나입니다. -소위. 미생물 이하(단세포)에서 시작하여 인간으로 끝나는(후자의 경우 주로 급진적인 치료를 목적으로) 살아있는 유기체의 유전 장치(게놈)의 의도적인 작동을 임무로 설정하는 유전 공학 유전병 및 유전적 결함 교정).

    MB의 가장 중요한 방향은 다음과 같습니다.

    - 분자 유전학 - 세포 유전 장치의 구조적, 기능적 구성과 유전 정보 구현 메커니즘에 대한 연구

    – 분자 바이러스학 – 바이러스와 세포의 상호 작용에 대한 분자 메커니즘을 연구합니다.

    – 분자 면역학 – 신체의 면역 반응 패턴을 연구합니다.

    – 발달의 분자 생물학 – 유기체의 개별 발달 및 세포의 전문화 과정에서 세포 다양성의 출현에 대한 연구

    주요 연구 대상: 바이러스(박테리오파지 포함), 세포 및 세포 이하 구조, 거대분자, 다세포 유기체.

    분자 생물학 / 나 엘ɛ 에게제이ʊ 엘어 / DNA, RNA, 단백질 및 이들의 생합성 사이의 상호작용과 이러한 상호작용의 조절을 포함하여 다양한 세포 시스템의 생체분자 사이의 생물학적 활성의 분자적 기반에 관한 생물학의 한 분야입니다. 녹음 중 자연 1961년에 Astbury는 분자 생물학을 다음과 같이 설명했습니다.

    접근 방식만큼 기술이 아니라 해당 분자 계획에 대한 고전 생물학의 대규모 표현 아래를 검색하는 선도적 아이디어를 갖춘 소위 기초 과학의 관점에서 접근합니다. 특히 다음과 관련이 있습니다. 양식생물학적 분자와 [...] 주로 3차원적이고 구조적입니다. 그러나 이것이 단지 형태학의 개선이라는 의미는 아닙니다. 그는 동시에 발생과 기능을 조사해야 합니다.

    다른 생물학과의 관계

    분자생물학 분야의 연구자들은 분자생물학을 성장시키는 구체적인 방법을 사용하지만, 점점 더 이를 유전학 및 생화학의 방법 및 아이디어와 결합하고 있습니다. 이러한 분야 사이에는 정의된 경계가 없습니다. 이는 필드 간의 가능한 관계 종류를 설명하는 다음 다이어그램에 나와 있습니다.

    • 생화학 살아있는 유기체에서 발생하는 화학 물질과 중요한 과정에 대한 연구입니다. 생화학자들은 생체분자의 역할, 기능, 구조에 초점을 맞추는 것이 어렵다는 것을 알고 있습니다. 생물학적 과정의 이면에 있는 화학과 생물학적 활성 분자의 합성에 대한 연구는 생화학의 예입니다.
    • 유전학 유기체의 유전적 차이의 영향을 연구하는 학문이다. 이는 종종 정상적인 구성 요소(예: 단일 유전자)가 없음으로 추론될 수 있습니다. "돌연변이"에 대한 연구 - 소위 "야생형" 또는 정상 표현형과 관련하여 하나 이상의 기능적 구성 요소를 갖는 유기체. 유전적 상호작용(상위성)은 이러한 "녹아웃" 연구의 단순한 해석으로 인해 종종 혼동됩니다.
    • 분자 생물학 복제, 전사, 번역 및 세포 기능 과정의 분자 기반에 대한 연구입니다. 유전 물질이 RNA로 전사된 다음 단백질로 번역된다는 분자 생물학의 중심 교리는 지나치게 단순화되었음에도 불구하고 여전히 이 분야를 이해하는 데 좋은 출발점을 제공합니다. RNA의 새로운 역할이 떠오르면서 그림이 수정되었습니다.

    분자 생물학 방법

    분자 복제

    단백질의 기능을 연구하기 위한 가장 기본적인 분자생물학 기술 중 하나는 분자 복제입니다. 이 기술에서는 중합효소 연쇄반응(PCR) 및/또는 플라스미드(발현 벡터)의 제한 효소를 사용하여 관심 단백질을 코딩하는 DNA를 클로닝합니다. 벡터에는 3개가 있습니다. 고유 한 특징: 복제 원점, 다중 복제 부위(MCS) 및 선택 가능한 마커(일반적으로 항생제 내성이 있음). 업스트림 다중 클로닝 부위는 복제된 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 및 전사 시작 부위 영역입니다. 이 플라스미드는 박테리아나 동물 세포에 삽입될 수 있습니다. DNA 도입 박테리아 세포 DNA 흡수 형질전환, 세포 간 접합 또는 바이러스 벡터를 이용한 형질도입을 통해 수행할 수 있습니다. 물리적 또는 화학적 수단에 의해 동물 세포와 같은 진핵 세포에 DNA를 도입하는 것을 형질감염이라고 합니다. 인산칼슘 형질감염, 전기천공, 미세주입, 리포솜 형질감염 등 여러 가지 다양한 형질감염 방법을 사용할 수 있습니다. 플라스미드는 게놈에 통합되어 안정적인 형질감염을 초래하거나 형질감염 과도라고 불리는 게놈과 독립적으로 유지될 수 있습니다.

    관심 있는 단백질을 암호화하는 DNA는 이제 세포 내부에 있으며 이제 단백질이 발현될 수 있습니다. 유도성 프로모터 및 특정 세포 신호 전달 인자와 같은 다양한 시스템은 단백질 관심을 높은 수준으로 표현하는 데 도움이 됩니다. 그런 다음 박테리아나 진핵 세포에서 다량의 단백질을 추출할 수 있습니다. 다양한 상황에서 단백질의 효소 활성을 테스트할 수 있고, 단백질을 결정화하여 3차 구조를 연구할 수 있으며, 제약 산업에서는 단백질에 대한 신약의 활성을 연구할 수 있습니다.

    폴리 메라 제 연쇠 반응

    고분자 블로팅 및 연구

    자귀 북부 사투리 , 서쪽그리고 동양인블로팅은 원래 분자생물학이라는 용어를 이용한 농담에서 나온 것입니다. 서던넷, BLOTTED DNA 혼성화에 대해 Edwin Southern이 설명한 기술을 따릅니다. RNA 블로팅의 개발자인 패트리샤 토마스(Patricia Thomas)는 이후 다음과 같이 알려지게 되었습니다. 북부 - 블로팅, 실제로 용어를 사용하지 마십시오.

    서던 블로팅

    발명자인 생물학자 Edwin Southern의 이름을 딴 Southern blot은 DNA 샘플에서 특정 DNA 서열의 존재를 검사하는 기술입니다. 제한효소(제한효소) 분해 전후의 DNA 시료는 겔 전기영동으로 분리한 후 모세관 블로팅을 통해 막으로 옮깁니다. 그런 다음 멤브레인은 관심 DNA의 염기서열과 상보적인 염기서열을 가지고 있는 표지된 DNA 프로브에 노출됩니다. 서던 블랏은 PCR과 같은 다른 방법이 DNA 샘플에서 특정 DNA 서열을 검출할 수 있기 때문에 과학 실험실에서는 덜 널리 사용됩니다. 그러나 이러한 블롯은 형질전환 쥐에서 도입유전자 카피 수를 측정하거나 배아줄기세포의 유전자 녹아웃 라인을 엔지니어링하는 것과 같은 일부 응용 분야에서는 여전히 사용됩니다.

    노던 블로팅

    노던 블롯 차트

    이스트 블로팅

    분자 생물학에서 비롯된 임상 연구 및 의학 치료는 부분적으로 유전자 치료에 포함됩니다. 분자생물학이나 분자세포생물학 접근법을 의학에 적용하는 것을 이제 분자의학이라고 합니다. 분자생물학은 또한 신약을 효과적으로 표적으로 삼고 질병을 진단하며 세포 생리학을 이해하는 데 사용할 수 있는 세포의 다양한 부분의 형성, 작용 및 조절을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.

    추가 읽기

    • Cohen, SN, Chang, NKD, Boyer, H. & Heling, RB 생물학적 기능성 박테리아 플라스미드 구축 시험관 내에서 .