Molekulyar biologiya va biologik kimyoni o'rganish. Molekulyar biolog. Kasbning tavsifi. Biologiya haqida nima deyish mumkin?

Molekulyar biolog tibbiyot sohasidagi tadqiqotchi, uning vazifasi insoniyatni xavfli kasalliklardan qutqarishdir. Bu kasalliklar orasida, masalan, bugungi kunda dunyoda o'limning asosiy sabablaridan biriga aylangan onkologiya etakchi - yurak-qon tomir kasalliklaridan bir oz pastroqdir. Onkologiyani erta tashxislash, saratonni oldini olish va davolashning yangi usullari zamonaviy tibbiyotning ustuvor vazifasidir. Onkologiya sohasidagi molekulyar biologlar organizmga erta tashxis qo'yish yoki maqsadli dori-darmonlarni etkazib berish uchun antikorlar va rekombinant (genetik muhandislik) oqsillarini ishlab chiqadilar. Ushbu soha mutaxassislari fan va texnikaning eng so'nggi yutuqlaridan yangi organizmlar va organik moddalarni yaratishda ulardan ilmiy-tadqiqot va klinik faoliyatda foydalanish uchun foydalanadilar. Molekulyar biologlar tomonidan qo'llaniladigan usullardan klonlash, transfeksiya, infektsiya, polimeraza zanjiri reaktsiyasi, genlarni ajratish va boshqalar. Rossiyada molekulyar biologlarga qiziqqan kompaniyalardan biri PrimeBioMed MChJ hisoblanadi. Tashkilot saraton kasalligini tashxislash uchun antikor-reagentlar ishlab chiqarish bilan shug'ullanadi. Bunday antikorlar asosan o'simtaning turini, uning kelib chiqishi va malignligini, ya'ni metastaz berish qobiliyatini (tananing boshqa qismlariga tarqalishini) aniqlash uchun ishlatiladi. Antikorlar tekshirilgan to'qimalarning ingichka bo'laklariga qo'llaniladi, shundan so'ng ular hujayralardagi ma'lum oqsillarga - o'simta hujayralarida mavjud bo'lgan, ammo sog'lomlarda mavjud bo'lmagan markerlarga bog'lanadi va aksincha. Tadqiqot natijalariga ko'ra keyingi davolanish belgilanadi. PrimeBioMed mijozlari orasida nafaqat tibbiy, balki ilmiy muassasalar ham bor, chunki antikorlar tadqiqot muammolarini hal qilish uchun ham ishlatilishi mumkin. Bunday hollarda o'rganilayotgan oqsil bilan bog'lanishga qodir noyob antikorlar maxsus buyurtma bo'yicha ma'lum bir vazifa uchun ishlab chiqarilishi mumkin. Kompaniya tadqiqotining yana bir istiqbolli yo'nalishi dori vositalarini organizmga maqsadli (maqsadli) yetkazib berishdir. Bunday holda, antikorlar transport sifatida ishlatiladi: ularning yordami bilan dorilar bevosita zararlangan organlarga etkaziladi. Shunday qilib, davolash samaraliroq bo'ladi va organizm uchun, masalan, nafaqat saraton hujayralariga, balki boshqa hujayralarga ham ta'sir qiluvchi kimyoterapiyaga qaraganda kamroq salbiy oqibatlarga olib keladi. Yaqin o'n yilliklarda molekulyar biolog kasbiga talab ortib borishi kutilmoqda: insonning o'rtacha umr ko'rish davomiyligi oshishi bilan onkologik kasalliklar soni ortadi. Molekulyar biologlar tomonidan olingan moddalar yordamida o'smalarni erta aniqlash va davolashning innovatsion usullari hayotni saqlab qoladi va uning sifatini yaxshilaydi. juda katta raqam odamlarning.

Asosiy kasbiy ta'lim

Foizlar ma'lum darajadagi ma'lumotga ega bo'lgan mutaxassislarning mehnat bozorida taqsimlanishini aks ettiradi. Kasb-hunarni egallash uchun asosiy mutaxassisliklar yashil rang bilan belgilangan.

Qobiliyat va ko'nikmalar

Reaktivlar, namunalar bilan ishlash qobiliyati, kichik narsalar bilan ishlay olishi kerak
Katta hajmdagi ma'lumotlar bilan ishlash qobiliyati
Qo'llar bilan ishlash qobiliyati

Qiziqishlar va imtiyozlar

Yangi narsalarni o'rganishga intilish
Ko'p vazifali rejimda ishlash qobiliyati (bir vaqtning o'zida bir nechta reaktsiyalar va jarayonlarning borishini kuzatish kerak)
Aniqlik
Mas'uliyat (siz ishni "ertaga" qoldira olmaysiz, chunki namunalar shikastlanishi mumkin)
ehtiyotkorlik
mehnatsevarlik
Ehtiyotkorlik (mikro jarayonlarni kuzatish kerak)

Yuzlardagi kasb

Mariya Shitova

Daria Samoylova

Aleksey Grachev

Molekulyar biologiya onkologiya sohasida - istiqbolli kasbiy yo'nalish, chunki saraton kasalligiga qarshi kurash jahon tibbiyotining ustuvor vazifalaridan biridir.

Ilm-fan, biotexnologik va innovatsion korxonalarning faol rivojlanishi tufayli molekulyar biologlar ko'plab sohalarda talabga ega. Bugungi kunga kelib, ayniqsa, o'z mutaxassisligi bo'yicha ma'lum tajribaga ega bo'lgan mutaxassislarning kamligi mavjud. Hozirgacha juda ko'p bitiruvchilar chet elga ishlashda davom etmoqda. Imkoniyatlar paydo bo'la boshlaydi samarali ish Rossiyada biotexnologiya sohasida, ammo ommaviy xarakter haqida gapirishga hali erta.

Molekulyar biologning ishi mutaxassisning ilmiy faoliyatdagi faol ishtirokini o'z ichiga oladi, bu esa martaba ko'tarilish mexanizmiga aylanadi. Kasbda rivojlanish ilmiy loyihalar va konferentsiyalarda ishtirok etish orqali, ehtimol, tegishli bilim sohalarini rivojlantirish orqali mumkin. Shuningdek, kelajakda akademik rivojlanish kichik ilmiy xodimdan katta ilmiy xodim orqali yetakchi ilmiy xodim, professor va/yoki kafedra/laboratoriya boshlig‘igacha bo‘lishi mumkin.

31.2

Do'stlar uchun!

Malumot

Molekulyar biologiya 1953 yil aprel oyida biokimyodan kelib chiqdi. Uning paydo bo'lishi DNK molekulasining tuzilishini kashf etgan Jeyms Uotson va Frensis Krik nomlari bilan bog'liq. Bu kashfiyot genetika, bakteriyalar va viruslarning biokimyosini o'rganish orqali amalga oshirildi. Molekulyar biolog kasbi keng tarqalmagan, ammo bugungi kunda uning roli zamonaviy jamiyat juda katta. Ko'p sonli kasalliklar, shu jumladan genetik darajada namoyon bo'lganlar, olimlardan ushbu muammoga yechim topishni talab qiladi.

Faoliyat tavsifi

Viruslar va bakteriyalar doimiy ravishda mutatsiyaga uchrab turadi, ya'ni dorilar endi odamga yordam bermaydi va kasalliklarni davolab bo'lmaydi. Molekulyar biologiyaning vazifasi bu jarayondan oldinga chiqish va kasalliklarni davolashning yangi usullarini ishlab chiqishdir. Olimlar aniq belgilangan sxema bo'yicha ishlaydi: kasallikning sababini blokirovka qilish, irsiyat mexanizmlarini yo'q qilish va shu bilan bemorning ahvolini engillashtirish. Butun dunyoda molekulyar biologlar bemorlarga yordam berish uchun yangi davolash usullarini ishlab chiqayotgan bir qancha markazlar, klinikalar va shifoxonalar mavjud.

Ish majburiyatlari

Molekulyar biologning vazifalari hujayra ichidagi jarayonlarni o'rganishni o'z ichiga oladi (masalan, o'smalarning rivojlanishi paytida DNKdagi o'zgarishlar). Shuningdek, mutaxassislar DNKning xususiyatlarini, ularning butun organizmga va bitta hujayraga ta'sirini o'rganadilar. Bunday tadqiqotlar, masalan, PCR (polimeraza zanjiri reaktsiyasi) asosida amalga oshiriladi, bu sizga organizmni infektsiyalar, irsiy kasalliklar uchun tahlil qilish va biologik munosabatlarni aniqlash imkonini beradi.

Karyera o'sishining xususiyatlari

Molekulyar biologning kasbi o'z sohasida juda istiqbolli va bugungi kunda kelajakdagi tibbiyot kasblari reytingida birinchi o'rinni egallashga da'vo qilmoqda. Aytgancha, molekulyar biolog bu sohada doimo qolishi shart emas. Agar kasbni o'zgartirish istagi bo'lsa, u laboratoriya jihozlari bo'yicha savdo menejeri sifatida qayta tayyorlashi, turli xil tadqiqotlar uchun asboblarni ishlab chiqishni boshlashi yoki o'z biznesini ochishi mumkin.

Nuklein kislotalar va oqsil biosintezini oʻrganish sohasidagi yutuqlar tibbiyot, qishloq xoʻjaligi va boshqa bir qator sanoat tarmoqlarida katta amaliy ahamiyatga ega boʻlgan bir qancha usullarning yaratilishiga olib keldi.

Genetik kod va irsiy ma'lumotni saqlash va amalga oshirishning asosiy tamoyillari o'rganilgandan so'ng, molekulyar biologiyaning rivojlanishi to'xtab qoldi, chunki genlarni manipulyatsiya qilish, ularni ajratish va o'zgartirishga imkon beradigan usullar mavjud emas edi. Ushbu usullarning paydo bo'lishi 1970-1980 yillarda sodir bo'lgan. Bu bugungi kunda ham gullab-yashnayotgan ushbu fan sohasining rivojlanishiga kuchli turtki berdi. Avvalo, bu usullar individual genlarni olish va ularni boshqa organizmlar hujayralariga kiritish (molekulyar klonlash va transgenez, PCR), shuningdek, genlardagi nukleotidlar ketma-ketligini aniqlash usullari (DNK va RNK ketma-ketligi) bilan bog'liq. Ushbu usullar quyida batafsilroq muhokama qilinadi. Biz eng oddiy asosiy usul elektroforezdan boshlaymiz, keyin esa murakkabroq usullarga o'tamiz.

DNK ELEKTROFOREZI

Bu DNK bilan ishlashning asosiy usuli bo'lib, kerakli molekulalarni ajratish va natijalarni tahlil qilish uchun deyarli barcha boshqa usullar bilan bir qatorda qo'llaniladi. Jel elektroforez DNK fragmentlarini uzunligi bo'yicha ajratish uchun ishlatiladi. DNK kislotadir, uning molekulalarida fosfor kislotasi qoldiqlari mavjud bo'lib, ular protonni ajratib, manfiy zaryad oladi (1-rasm).

Shuning uchun elektr maydonida DNK molekulalari anodga - musbat zaryadlangan elektrodga qarab harakatlanadi. Bu zaryad tashuvchi ionlarni o'z ichiga olgan elektrolitlar eritmasida sodir bo'ladi, buning natijasida bu eritma oqim o'tkazadi. Parchalarni ajratish uchun polimerlardan (agaroz yoki poliakrilamid) tayyorlangan zich jel ishlatiladi. DNK molekulalari unda qanchalik ko'p "chaqashadi", ular shunchalik uzoqroq bo'ladi va shuning uchun eng uzun molekulalar eng sekin, eng qisqasi esa eng tez harakat qiladi (2-rasm). Elektroforezdan oldin yoki undan keyin gel DNK bilan bog'langan va ultrabinafsha nurda floresan bo'yoqlar bilan ishlanadi va jeldagi bantlar namunasi olinadi (3-rasmga qarang). Namunadagi DNK fragmentlarining uzunliklarini aniqlash uchun ular marker, ya'ni bir xil gelga parallel ravishda yotqizilgan standart uzunlikdagi fragmentlar to'plami bilan solishtiriladi (4-rasm).

DNK bilan ishlashning eng muhim vositalari tirik hujayralarda DNK transformatsiyasini amalga oshiradigan fermentlardir: DNK polimerazalari, DNK ligazalari va restriksion endonukleazlar yoki cheklovchi fermentlar. DNK polimeraza DNK shablonini sintez qilish amalga oshiriladi, bu DNKni probirkada ko'paytirish imkonini beradi. DNK ligazalari DNK molekulalarini bir-biriga tikib qo'ying yoki ulardagi bo'shliqlarni davolaydi. Endonukleazlarni cheklash, yoki cheklaydi, DNK molekulalarini qat'iy belgilangan ketma-ketliklar bo'yicha kesib oling, bu sizga DNKning umumiy massasidan alohida bo'laklarni kesish imkonini beradi. Bu fragmentlar ba'zi hollarda individual genlarni o'z ichiga olishi mumkin.

cheklaydi

Cheklovchi fermentlar tomonidan tan olingan ketma-ketliklar nosimmetrik bo'lib, uzilishlar bunday ketma-ketlikning o'rtasida yoki siljish bilan (DNKning ikkala zanjirida bir joyda) sodir bo'lishi mumkin. Harakat sxemasi turli xil turlari cheklash rasmda ko'rsatilgan. 1. Birinchi holda, "to'mtoq" deb ataladigan uchlari, ikkinchisida esa - "yopishqoq" uchlari olinadi. Pastki qismning "yopishqoq" uchlari bo'lsa, zanjir boshqasiga qaraganda qisqaroq bo'lib, ikkala shakllangan uchida ham bir xil bo'lgan simmetrik ketma-ketlik bilan bir ipli qism hosil bo'ladi.

Yakuniy ketma-ketliklar har qanday DNK ma'lum bir cheklovchi ferment bilan parchalanganda bir xil bo'ladi va ular bir-birini to'ldiruvchi ketma-ketliklarga ega bo'lgani uchun qayta qo'shilishi mumkin. Ular bitta molekula hosil qilish uchun DNK ligaza bilan bog'lanishi mumkin. Shunday qilib, ikki xil DNKning bo'laklarini birlashtirib, deb ataladigan narsani olish mumkin rekombinant DNK. Ushbu yondashuv molekulyar klonlash usulida qo'llaniladi, bu individual genlarni olish va ularni genda kodlangan oqsilni hosil qila oladigan hujayralarga kiritish imkonini beradi.

molekulyar klonlash

Molekulyar klonlash ikkita DNK molekulasini ishlatadi - qiziqish genini o'z ichiga olgan qo'shimcha va vektor- DNK tashuvchi vazifasini bajaradi. Insert vektorga fermentlar yordamida "tikiladi", yangi, rekombinant DNK molekulasi olinadi, so'ngra bu molekula xost hujayralariga kiritiladi va bu hujayralar ozuqa muhitida koloniyalarni hosil qiladi. Koloniya - bu bitta hujayraning nasli, ya'ni klon, koloniyaning barcha hujayralari genetik jihatdan bir xil va bir xil rekombinant DNKni o'z ichiga oladi. Shuning uchun "molekulyar klonlash" atamasi, ya'ni bizni qiziqtirgan DNK fragmentini o'z ichiga olgan hujayralar klonini olish. Bizni qiziqtirgan qo'shimchani o'z ichiga olgan koloniyalar olingandan so'ng, bu qo'shimchani turli usullar bilan tavsiflash, masalan, uning aniq ketma-ketligini aniqlash mumkin. Hujayralar, agar u funktsional genni o'z ichiga olgan bo'lsa, qo'shimcha tomonidan kodlangan oqsilni ham ishlab chiqarishi mumkin.

Rekombinant molekula hujayralarga kiritilganda, bu hujayralarning genetik transformatsiyasi sodir bo'ladi. Transformatsiya- organizm hujayrasi tomonidan atrof-muhitdan erkin DNK molekulasini singdirish va uning genomga integratsiyalashuvi jarayoni, bu hujayrada DNK donoriga xos bo'lgan yangi irsiy belgilarning paydo bo'lishiga olib keladi. . Misol uchun, kiritilgan molekulada antibiotik ampitsillinga chidamlilik geni mavjud bo'lsa, u holda transformatsiyalangan bakteriyalar uning ishtirokida ko'payadi. Transformatsiyadan oldin ampitsillin ularning o'limiga sabab bo'ldi, ya'ni o'zgartirilgan hujayralarda yangi belgi paydo bo'ladi.

VEKTORLAR

Vektor bir qator xususiyatlarga ega bo'lishi kerak:

Birinchidan, bu oson manipulyatsiya qilinadigan nisbatan kichik DNK molekulasi.

Ikkinchidan, DNK hujayrada saqlanishi va ko'payishi uchun uning replikatsiyasini ta'minlaydigan ma'lum bir ketma-ketlikni o'z ichiga olishi kerak (replikatsiyaning kelib chiqishi yoki replikatsiyaning kelib chiqishi).

Uchinchidan, u o'z ichiga olishi kerak marker geni, bu faqat vektor kiritilgan hujayralarni tanlashni ta'minlaydi. Odatda bu antibiotiklarga qarshilik genlari - keyin antibiotik borligida vektorni o'z ichiga olmagan barcha hujayralar o'ladi.

Genlarni klonlash ko'pincha bakterial hujayralarda amalga oshiriladi, chunki ularni etishtirish oson va tez ko'payadi. Bakterial hujayrada odatda bitta yirik dumaloq DNK molekulasi bo'lib, uzunligi bir necha million tayanch juft bo'lib, bakteriyalar uchun zarur bo'lgan barcha genlarni - bakterial xromosomani o'z ichiga oladi. Undan tashqari, ba'zi bakteriyalarda kichik (bir necha ming tayanch juft) dumaloq DNK mavjud bo'lib, ular deyiladi plazmidlar(2-rasm). Ular, asosiy DNK kabi, DNKning replikatsiya qilish qobiliyatini ta'minlaydigan nukleotidlar ketma-ketligini o'z ichiga oladi (ori). Plazmidlar asosiy (xromosomali) DNKdan mustaqil ravishda replikatsiyalanadi, shuning uchun ular hujayrada juda ko'p nusxalarda mavjud. Ushbu plazmidlarning aksariyati antibiotiklarga qarshilik genlarini olib yuradi, bu esa plazmidni olib yuruvchi hujayralarni oddiy hujayralardan ajratish imkonini beradi. Odatda, tetratsiklin va amitsilin kabi ikkita antibiotikga qarshilik ko'rsatadigan ikkita genni o'z ichiga olgan plazmidlar qo'llaniladi. Bakteriyaning asosiy xromosomasi DNKsidan xoli bo'lgan bunday plazmid DNKni ajratib olishning oddiy usullari mavjud.

TRANSGENEZINING AHAMIYATI

Genlarning bir organizmdan ikkinchisiga o'tishi deyiladi transgenez, va bunday o'zgartirilgan organizmlar - transgenik. Genlarni mikrob hujayralariga o'tkazish usuli tibbiyot uchun rekombinant oqsil preparatlarini, xususan, immunitetni rad etishga olib kelmaydigan inson oqsillarini - interferonlar, insulin va boshqa oqsil gormonlari, hujayra o'sish omillari, shuningdek ishlab chiqarish uchun oqsillarni olish uchun ishlatiladi. vaksinalar. Ko'proq qiyin holatlar Protein modifikatsiyasi faqat eukaryotik hujayralarda to'g'ri ketsa, transgen hujayra madaniyati yoki transgen hayvonlar, xususan, sutga kerakli oqsillarni ajratadigan chorva mollari (birinchi navbatda, echkilar) qo'llaniladi yoki ularning qonidan oqsillar ajratiladi. Antikorlar, qon ivish omillari va boshqa oqsillar shu tarzda olinadi. Transgenez usuli bilan gerbitsidlar va zararkunandalarga chidamli va boshqa xususiyatlarga ega madaniy o'simliklar olinadi. foydali xususiyatlar. Chiqindilarni tozalash va ifloslanishga qarshi kurashish uchun transgen mikroorganizmlardan foydalangan holda, hatto neftni parchalashi mumkin bo'lgan transgen mikroblar ham mavjud. Bundan tashqari, transgenik texnologiyalar ajralmas hisoblanadi ilmiy tadqiqot- bugungi kunda biologiyaning rivojlanishini modifikatsiyalash va genlarni uzatish usullaridan muntazam foydalanmasdan tasavvur qilib bo'lmaydi.

molekulyar klonlash texnologiyasi

qo'shimchalar

Har qanday organizmdan individual gen olish uchun undan barcha xromosoma DNKsi ajratib olinadi va bir yoki ikkita cheklovchi fermentlar bilan parchalanadi. Fermentlar shunday tanlanadiki, ular bizni qiziqtiradigan genni kesib tashlamaydilar, balki uning chetlari bo'ylab uzilishlar hosil qiladilar va plazmid DNKda qarshilik genlaridan birida, masalan, ampitsillinga bir marta sinadi.

Molekulyar klonlash jarayoni quyidagi bosqichlarni o'z ichiga oladi:

Kesish va tikish - qo'shimcha va vektordan bitta rekombinant molekulani qurish.

Transformatsiya - rekombinant molekulaning hujayralarga kiritilishi.

Tanlash - qo'shimchali vektorni olgan hujayralarni tanlash.

kesish va tikish

Plazmid DNKsi ham xuddi shunday restriksion fermentlar bilan ishlanadi va plazmidga 1 ta sinishni kirituvchi shunday restriksion ferment tanlansa, u chiziqli molekulaga aylanadi. Natijada, hosil bo'lgan barcha DNK bo'laklarining uchlarida bir xil yopishqoq uchlari paydo bo'ladi. Harorat tushirilganda, bu uchlar tasodifiy birlashadi va DNK ligaza bilan bog'lanadi (3-rasmga qarang).

Turli tarkibdagi dumaloq DNKlar aralashmasi olinadi: ularning ba'zilarida bakterial DNK bilan bog'langan xromosoma DNKsining ma'lum DNK ketma-ketligi bo'ladi, boshqalari birlashtirilgan xromosoma DNK fragmentlarini o'z ichiga oladi, boshqalari esa qisqartirilgan doiraviy plazmid yoki uning dimerini o'z ichiga oladi. (4-rasm).

transformatsiya

Keyinchalik, bu aralash amalga oshiriladi genetik transformatsiya plazmidlarni o'z ichiga olmaydi bakteriyalar. Transformatsiya- organizm hujayrasi tomonidan atrof-muhitdan erkin DNK molekulasini singdirish va uning genomga integratsiyalashuvi jarayoni, bu hujayrada DNK donoriga xos bo'lgan yangi irsiy belgilarning paydo bo'lishiga olib keladi. . Har bir hujayraga faqat bitta plazmid kirib, ko'payishi mumkin. Bunday hujayralar tetratsiklin antibiotikini o'z ichiga olgan qattiq ozuqa muhitiga joylashtiriladi. Plazmidni olmagan hujayralar bu muhitda o'smaydi va plazmidni tashuvchi hujayralar koloniyalarni hosil qiladi, ularning har birida faqat bitta hujayraning avlodlari, ya'ni. koloniyadagi barcha hujayralar bir xil plazmidni olib yuradi (5-rasmga qarang).

Tanlash

Keyinchalik, vazifa faqat vektor kiritilgan hujayralarni ajratib olish va ularni faqat vektorni qo'shimchasiz yoki umuman vektorga ega bo'lmagan hujayralardan ajratishdir. To'g'ri hujayralarni tanlash jarayoni deyiladi tanlash. Buning uchun murojaat qiling selektiv belgilar- vektorda odatda antibiotiklarga qarshilik genlari va selektiv ommaviy axborot vositalari antibiotiklar yoki boshqa selektiv moddalarni o'z ichiga olgan.

Biz ko'rib chiqayotgan misolda ampitsillin ishtirokida o'stirilgan koloniyalarning hujayralari ikkita muhitda subkulturalanadi: birinchisida ampitsillin, ikkinchisida tetratsiklin mavjud. Faqat plazmidni o'z ichiga olgan koloniyalar ikkala muhitda o'sadi, plazmidlarga kiritilgan xromosoma DNKsi bo'lgan koloniyalar tetratsiklinli muhitda o'smaydi (5-rasm). Ular orasidan maxsus usullar bilan bizni qiziqtiradigan gen bo'lganlari tanlab olinadi, etarli miqdorda o'stiriladi va plazmid DNKsi ajratiladi. Undan rekombinant DNKni olish uchun qo'llanilgan bir xil restriktazalardan foydalanib, qiziqishning individual geni kesiladi. Ushbu genning DNKsi nukleotidlar ketma-ketligini aniqlash, har qanday organizmga yangi xususiyatlarni olish yoki kerakli oqsilni sintez qilish uchun ishlatilishi mumkin. Genlarni ajratishning bu usuli deyiladi molekulyar klonlash.

FLUORESSENT PROTEINLAR

Eukaryotik organizmlarni o'rganishda floresan oqsillarni marker gen sifatida ishlatish juda qulay. Birinchi floresan oqsil uchun gen, yashil floresan oqsil (GFP) meduza Aqeuorea victoria dan ajratib olindi va turli model organizmlarga kiritildi (6-rasmga qarang) 2008 yilda O. Shimomura, M. Chalfi va R. Tsienlar ushbu oqsilni kashf qilish va qo'llash uchun Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.

Keyin boshqa floresan oqsillar uchun genlar - qizil, ko'k, sariq - ajratilgan. Ushbu genlar kerakli xususiyatlarga ega bo'lgan oqsillarni ishlab chiqarish uchun sun'iy ravishda o'zgartirildi. Floresan oqsillarining xilma-xilligi shaklda ko'rsatilgan. 7, turli floresan oqsillar uchun genlarni o'z ichiga olgan bakteriyalar bilan Petri idishni ko'rsatadi.

floresan oqsillarni qo'llash

Floresan oqsili geni boshqa har qanday oqsilning geni bilan birlashtirilishi mumkin, keyin tarjima paytida bitta protein hosil bo'ladi - translyatsion termoyadroviy oqsil yoki sintez(fluoressatsiya qiluvchi termoyadroviy oqsil). Shunday qilib, masalan, hujayrada qiziqish uyg'otadigan har qanday oqsillarning lokalizatsiyasini (joylashuvini), ularning harakatini o'rganish mumkin. Floresan oqsillari ifodasini faqat ma'lum turdagi hujayralarda ishlatib, ko'p hujayrali organizmda ushbu turdagi hujayralarni belgilash mumkin (8-rasmga qarang - sichqonchaning miyasi, unda individual neyronlar flüoresan oqsilning ma'lum kombinatsiyasi tufayli turli xil ranglarga ega. genlar). Floresan oqsillari zamonaviy molekulyar biologiyada ajralmas vositadir.

PCR

Genlarni olishning yana bir usuli deyiladi polimeraza zanjiri reaktsiyasi (PCR). U DNK polimerazalarining DNK replikatsiyasi paytida hujayralarda bo'lgani kabi, komplementar zanjir bo'ylab DNKning ikkinchi zanjirini to'ldirish qobiliyatiga asoslanadi.

Ushbu usulda replikatsiyaning kelib chiqishi ikkita kichik DNK bo'lagi tomonidan berilgan urug'lar, yoki primerlar. Ushbu primerlar DNKning ikkita zanjirida qiziqtiruvchi genning uchlarini to'ldiradi. Birinchidan, gen ajratilishi kerak bo'lgan xromosoma DNKsi urug'lar bilan aralashtiriladi va 99 o C ga qadar qizdiriladi. Bu vodorod aloqalarining uzilishiga va DNK zanjirlarining ajralishiga olib keladi. Shundan so'ng, harorat taxminan 50-70 S ga tushiriladi (urug'larning uzunligi va ketma-ketligiga qarab). Bunday sharoitda primerlar xromosoma DNKsining komplementar hududlariga biriktirilib, muntazam qo'sh spiral hosil qiladi (9-rasmga qarang). Shundan so'ng, DNK sintezi va DNK polimeraza uchun zarur bo'lgan barcha to'rt nukleotid aralashmasi qo'shiladi. Ferment primerlarni biriktiruvchi nuqtadan ikki ipli DNKni qurish orqali primerlarni uzaytiradi, ya'ni. genning uchidan bir ipli xromosoma molekulasining oxirigacha.

Agar aralashma yana qizdirilsa, xromosoma va yangi sintezlangan zanjirlar tarqaladi. Sovutgandan so'ng, urug'lar yana ularga qo'shiladi, ular katta miqdorda olinadi (10-rasmga qarang).

Yangi sintez qilingan zanjirlarda ular birinchi sintez boshlangan oxirigacha emas, aksincha, DNK zanjirlari antiparallel bo'lgani uchun birlashadi. Shuning uchun sintezning ikkinchi siklida bunday zanjirlarda faqat genga mos keladigan ketma-ketlik yakunlanadi (11-rasmga qarang).

DA bu usul termofil bakteriyalardan DNK polimeraza ishlatiladi, u qaynatishga bardosh bera oladi va 70-80 ° C haroratda ishlaydi, uni har safar qo'shish kerak emas, lekin uni tajriba boshida qo'shish kifoya. Isitish va sovutish protseduralarini bir xil ketma-ketlikda takrorlash orqali biz har bir tsikldagi ketma-ketliklar sonini ikki baravar oshirishimiz mumkin, ikkala uchida kiritilgan urug'lar bilan chegaralanadi (12-rasmga qarang).

Taxminan 25 ta bunday tsikldan so'ng, genning nusxalari soni million martadan ko'proq oshadi. Bunday miqdorlarni probirkaga kiritilgan xromosoma DNKsidan oson ajratish va turli maqsadlarda ishlatish mumkin.

DNK ketma-ketligi

Yana bir muhim yutuq - DNKdagi nukleotidlar ketma-ketligini aniqlash usullarini ishlab chiqish - DNK ketma-ketligi(inglizcha sequence - sequence dan). Buning uchun tasvirlangan usullardan biri yordamida boshqa DNKdan sof genlarni olish kerak. Keyin DNK zanjirlari isitish orqali ajratiladi va ularga radioaktiv fosfor yoki lyuminestsent yorlig'i bilan etiketlangan primer qo'shiladi. E'tibor bering, bitta urug' olinadi, bitta zanjirni to'ldiradi. Keyin DNK polimeraza va 4 nukleotid aralashmasi qo'shiladi. Bunday aralashma 4 qismga bo'linadi va har biriga nukleotidlardan bittasi qo'shiladi, dezoksiribozaning uchinchi atomida gidroksil guruhi bo'lmasligi uchun o'zgartiriladi. Agar bunday nukleotid sintezlangan DNK zanjiriga kirsa, u holda uning cho'zilishi davom eta olmaydi, chunki polimeraza keyingi nukleotidni biriktiradigan joyiga ega bo'lmaydi. Shuning uchun bunday nukleotid kiritilgandan keyin DNK sintezi to'xtatiladi. Dideoksinukleotidlar deb ataladigan bu nukleotidlar odatdagidan kamroq qo'shiladi, shuning uchun zanjirning tugashi faqat vaqti-vaqti bilan va har bir zanjirda turli joylarda sodir bo'ladi. Natijada har birining oxirida bir xil nukleotid bo'lgan turli uzunlikdagi zanjirlar aralashmasi hosil bo'ladi. Shunday qilib, zanjir uzunligi o'rganilayotgan ketma-ketlikdagi nukleotidlar soniga to'g'ri keladi, masalan, agar bizda adenil dideoksinukleotid bo'lsa va hosil bo'lgan zanjirlar 2, 7 va 12 nukleotid uzunlikda bo'lsa, adenin ikkinchi, ettinchi va o'n ikkinchi o'rinlarda edi. genda. Olingan zanjirlar aralashmasi elektroforez yordamida hajmi bo'yicha osongina ajratilishi mumkin va sintezlangan zanjirlar rentgen plyonkasida radioaktivlik bilan aniqlanishi mumkin (10-rasmga qarang).

Rasmning pastki qismida ko'rsatilgan radioavtograf deb nomlangan rasm paydo bo'ladi. U bo'ylab pastdan yuqoriga qarab harakatlanamiz va har bir zonaning ustunlari ustidagi harfni o'qib chiqsak, biz avtografning o'ng tomonidagi rasmda ko'rsatilgan nukleotidlar ketma-ketligini olamiz. Ma'lum bo'lishicha, sintez nafaqat dideoksinukleotidlar, balki shakarning uchinchi pozitsiyasiga qandaydir kimyoviy guruh, masalan, floresan bo'yoq biriktirilgan nukleotidlar tomonidan ham to'xtatiladi. Agar har bir nukleotid o'ziga xos bo'yoq bilan belgilansa, sintezlangan zanjirlarni ajratish natijasida olingan zonalar boshqa yorug'lik bilan porlaydi. Bu barcha nukleotidlar uchun bir vaqtning o'zida bitta probirkada reaksiyani o'tkazish va hosil bo'lgan zanjirlarni uzunligi bo'yicha ajratish orqali nukleotidlarni rangi bo'yicha aniqlash imkonini beradi (11-rasmga qarang).

Bunday usullar nafaqat alohida genlarning ketma-ketligini aniqlash, balki butun genomlarni o'qish imkonini berdi. Endi genlardagi nukleotidlar ketma-ketligini aniqlashning yanada tezroq usullari ishlab chiqilgan. Agar birinchi inson genomi yirik xalqaro konsorsium tomonidan birinchi berilgan usul yordamida 12 yil ichida, ikkinchisi, ikkinchisidan foydalanib, uch yil ichida dekodlangan bo'lsa, endi buni bir oy ichida amalga oshirish mumkin. Bu odamning ko'plab kasalliklarga moyilligini oldindan aytib berish va ularni oldini olish uchun oldindan choralar ko'rish imkonini beradi.

Molekulyar biologiya

biologik ob'ektlar va tizimlarni molekulyar darajaga yaqinlashadigan, ayrim hollarda esa bu chegaraga yetib boruvchi darajada o'rganish orqali hayot hodisalari mohiyatini bilishni o'z oldiga vazifa qilib qo'yadigan fan. Bu holatda yakuniy maqsad hayotning irsiyat, o'z turini ko'paytirish, oqsil biosintezi, qo'zg'aluvchanlik, o'sish va rivojlanish, ma'lumotni saqlash va uzatish, energiya almashinuvi, harakatchanlik kabi xarakterli ko'rinishlarni qanday va qay darajada aniqlashdir. va boshqalar biologik muhim moddalar molekulalarining tuzilishi, xususiyatlari va o'zaro ta'siri, birinchi navbatda yuqori molekulyar og'irlikdagi biopolimerlarning ikkita asosiy klassi (qarang: Biopolimerlar ) - oqsillar va nuklein kislotalar. M. b.ning oʻziga xos xususiyati. - jonsiz narsalar yoki hayotning eng ibtidoiy ko'rinishlari bilan tavsiflangan hayot hodisalarini o'rganish. Bular hujayra darajasidan va undan past bo'lgan biologik shakllanishlar: hujayra osti organellalari, masalan, izolyatsiya qilingan hujayra yadrolari, mitoxondriyalar, ribosomalar, xromosomalar, hujayra membranalari; Keyinchalik - jonli va jonsiz tabiat chegarasida joylashgan tizimlar - viruslar, shu jumladan bakteriofaglar va tirik materiyaning eng muhim tarkibiy qismlari - nuklein kislotalar (Qarang: Nuklein kislotalar) va oqsillar molekulalari bilan tugaydi (Qarang: Proteinlar).

M. b. - biokimyo (qarang. Biokimyo), biofizika (qarang. Biofizika) va bioorganik kimyo (qarang. Bioorganik kimyo) bilan qamrab olingan uzoq vaqtdan beri mavjud bo'lgan tadqiqot yo'nalishlari bilan chambarchas bog'liq bo'lgan tabiiy fanning yangi sohasi. Bu erda farqlash faqat qo'llaniladigan usullar va qo'llaniladigan yondashuvlarning asosiy xususiyatini hisobga olish asosida mumkin.

M. taraqqiy etgan poydevor. molekulyar genetika bilan uzviy bog'liq (Qarang: Molekulyar genetika ) , M. bankining muhim qismini tashkil etishda davom etmoqda, garchi u allaqachon katta darajada mustaqil intizomga aylangan boʻlsa ham. M.ning izolyatsiyasi. biokimyodan quyidagi fikrlar bilan belgilanadi. Biokimyoning vazifalari, asosan, ma'lum kimyoviy moddalarning ma'lum biologik funktsiyalar va jarayonlardagi ishtirokini aniqlash va ularning o'zgarishi xarakterini yoritish bilan cheklanadi; asosiy rolni reaktivlik va kimyoviy tuzilishning odatiy xususiyatlari bilan ifodalangan asosiy xususiyatlari to'g'risidagi ma'lumotlar egallaydi. kimyoviy formula. Shunday qilib, mohiyatan e'tibor asosiy valentli kimyoviy bog'lanishlarga ta'sir qiluvchi o'zgarishlarga qaratilgan. Ayni paytda, L. Pauling ta'kidlaganidek , biologik tizimlar va hayotiy faoliyatning namoyon bo'lishida asosiy e'tibor bitta molekula ichida ta'sir qiluvchi asosiy-valent bog'larga emas, balki molekulalararo o'zaro ta'sirlarni aniqlaydigan turli xil bog'lanishlarga (elektrostatik, van der-vaals, vodorod aloqalari va boshqalar) berilishi kerak. .

Biyokimyasal tadqiqotning yakuniy natijasi kimyoviy tenglamalarning u yoki bu tizimi shaklida ifodalanishi mumkin, odatda ularni tekislikda, ya'ni ikki o'lchovda tasvirlash bilan to'liq tugaydi. M. b.ning oʻziga xos xususiyati. uning uch o'lchovliligi. M. b.ning mohiyati. M.Perutz buni biologik funktsiyalarni molekulyar tuzilish nuqtai nazaridan izohlashda ko'radi. Aytishimiz mumkinki, agar ilgari biologik ob'ektlarni o'rganishda "nima", ya'ni qanday moddalar mavjud degan savolga va "qayerda" - qaysi to'qimalarda va organlarda degan savolga javob berish kerak bo'lsa, M. b. Molekulaning butun tuzilishining roli va ishtirokining mohiyatini o'rganib, "qanday" degan savolga, bir tomondan "nima uchun" va "nima uchun" savollariga javob olishni maqsad qiladi. molekulaning xossalari (yana, birinchi navbatda, oqsillar va nuklein kislotalar) va u bajaradigan funktsiyalar o'rtasidagi bog'liqlik va boshqa tomondan, hayotiy faoliyat namoyonlarining umumiy majmuasida bunday individual funktsiyalarning roli.

Makromolekulaning umumiy tuzilishida atomlarning o'zaro joylashishi va ularning guruhlanishi, ularning fazoviy munosabatlari hal qiluvchi rol o'ynaydi. Bu ham individual, ham alohida komponentlar, ham molekulaning umumiy konfiguratsiyasi uchun amal qiladi. Aynan qat'iy belgilangan hajmli strukturaning paydo bo'lishi natijasida biopolimerlarning molekulalari o'sha xususiyatlarga ega bo'lib, ular biologik funktsiyalarning moddiy asosi bo'lib xizmat qila oladi. Tirikni oʻrganishga yondashuvning bu tamoyili M. b.ning eng xarakterli, tipik xususiyatidir.

Tarix ma'lumotnomasi. Ajoyib qiymat Biologik muammolarni molekulyar darajada o'rganish I. P. Pavlov tomonidan nazarda tutilgan , hayot haqidagi fanning oxirgi bosqichi - tirik molekula fiziologiyasi haqida gapirgan. Aynan "M. b." birinchi marta ingliz tilida ishlatilgan. olimlar V. Astberi kollagen, qon fibrini yoki kontraktil mushak oqsillari kabi fibrillar (tolali) oqsillarning molekulyar tuzilishi va jismoniy va biologik xususiyatlari o'rtasidagi bog'liqlikni aniqlashga oid tadqiqotga arizasida. "M." atamasini keng qo'llang. b." 1950-yillarning boshidan beri po'lat. 20-asr

M.ning paydo boʻlishi. O'rnatilgan fan sifatida 1953 yilga murojaat qilish odat tusiga kirgan, Kembrijda J. Uotson va F. Krik (Buyuk Britaniya) dezoksiribonuklein kislotaning (DNK) uch o'lchovli tuzilishini kashf etgan. Bu ushbu tuzilmaning tafsilotlari DNKning irsiy ma'lumotlarning moddiy tashuvchisi sifatida biologik funktsiyalarini qanday aniqlashi haqida gapirishga imkon berdi. Aslida, DNKning bu roli amerikalik genetik O. T. Averi va uning hamkasblari (qarang: Molekulyar genetika) ishi natijasida biroz oldinroq (1944) ma'lum bo'lgan, ammo bu funktsiyaning molekulyar tuzilishiga qanchalik bog'liqligi ma'lum emas edi. DNK. Bu V. L. Bragg, J. Bernal va boshqalarning laboratoriyalarida rentgen difraksion tahlilining yangi tamoyillari ishlab chiqilgandan keyingina mumkin bo'ldi, bu esa oqsil makromolekulalari va nuklein kislotalarning fazoviy tuzilishini batafsil bilish uchun ushbu usuldan foydalanishni ta'minladi.

Molekulyar tashkilotning darajalari. 1957 yilda J. Kendrew Mioglobin a ning uch o'lchovli tuzilishini o'rnatdi , va keyingi yillarda bu M. Perutz tomonidan Gemoglobin a ga nisbatan amalga oshirildi. Makromolekulalar fazoviy tashkil etilishining turli darajalari haqidagi g'oyalar shakllantirildi. Birlamchi struktura hosil bo'lgan polimer molekulasi zanjiridagi alohida birliklar (monomerlar) ketma-ketligidir. Proteinlar uchun monomerlar aminokislotalardir. , nuklein kislotalar uchun - Nukleotidlar. Biopolimerning chiziqli, filamentsimon molekulasi vodorod bog'lanishlarining paydo bo'lishi natijasida fazoda ma'lum bir tarzda joylashish qobiliyatiga ega, masalan, L. Pauling ko'rsatganidek, oqsillar holatida, u olishi mumkin. spiral shaklida. Bu ikkinchi darajali tuzilma deb ataladi. Ikkilamchi tuzilishga ega bo'lgan molekula u yoki bu tarzda buklanib, uch o'lchovli bo'shliqni to'ldirganda uchinchi darajali tuzilish deyiladi. Nihoyat, uch o'lchovli tuzilishga ega bo'lgan molekulalar o'zaro ta'sirga kirishishi mumkin, ular bir-biriga nisbatan kosmosda muntazam joylashgan va to'rtlamchi tuzilish sifatida belgilangan narsani tashkil qiladi; uning alohida komponentlari odatda subunitlar deb ataladi.

Molekulyar uch o'lchovli strukturaning molekulaning biologik funktsiyalarini qanday aniqlashiga eng aniq misol bu DNK. U qo'shaloq spiralning tuzilishiga ega: o'zaro qarama-qarshi yo'nalishda (antiparallel) ishlaydigan ikkita ip bir-birining atrofida aylanib, asoslarning o'zaro bir-birini to'ldiruvchi joylashuvi bilan qo'sh spiralni hosil qiladi, ya'ni bitta zanjirning ma'lum bir asosiga qarshi bo'ladi. Har doim shunday asos vodorod aloqalarining shakllanishini eng yaxshi ta'minlaydi: adepin (A) timin (T), guanin (G) sitozin (C) bilan juftlashadi. Bunday struktura DNKning eng muhim biologik funktsiyalari uchun optimal sharoitlarni yaratadi: genetik ma'lumotlar oqimining sifat jihatidan o'zgarmasligini saqlab qolgan holda, hujayra bo'linishi jarayonida irsiy ma'lumotlarning miqdoriy ko'payishi. Hujayra bo'linganda shablon yoki shablon bo'lib xizmat qiluvchi DNK qo'sh spiralining iplari bo'shatiladi va ularning har birida fermentlar ta'sirida bir-birini to'ldiruvchi yangi zanjir sintezlanadi. Buning natijasida bitta asosiy DNK molekulasidan ikkita mutlaqo bir xil qiz molekulalari olinadi (qarang Hujayra, Mitoz).

Xuddi shunday, gemoglobin holatida uning biologik funktsiyasi - o'pkada kislorodni teskari tarzda biriktirib, keyin uni to'qimalarga berish qobiliyati gemoglobinning uch o'lchovli tuzilishining xususiyatlari va uning o'zgarishi bilan chambarchas bog'liq ekanligi ma'lum bo'ldi. uning fiziologik rolini amalga oshirish jarayoni. O 2 ni bog'lash va ajratishda gemoglobin molekulasining konformatsiyasida fazoviy o'zgarishlar ro'y beradi, bu uning tarkibidagi temir atomlarining kislorodga yaqinligining o'zgarishiga olib keladi. Gemoglobin molekulasi hajmining o'zgarishi, hajmining o'zgarishiga o'xshaydi ko'krak qafasi nafas olayotganda, gemoglobinni "molekulyar o'pka" deb atashga ruxsat beriladi.

Tirik ob'ektlarning eng muhim xususiyatlaridan biri ularning hayotiy faoliyatning barcha ko'rinishlarini nozik tartibga solish qobiliyatidir. M.ning katta hissasi. ilmiy kashfiyotlar allosterik effekt deb ataladigan yangi, ilgari noma'lum bo'lgan tartibga solish mexanizmining kashfiyoti deb hisoblanishi kerak. Bu past molekulyar og'irlikdagi moddalarning qobiliyatida yotadi - deb ataladigan narsa. ligandlar - makromolekulalarning o'ziga xos biologik funktsiyalarini o'zgartirish uchun, birinchi navbatda katalitik ta'sir ko'rsatadigan oqsillar - fermentlar, gemoglobin, biologik membranalar qurilishida ishtirok etadigan retseptor oqsillari (Qarang: Biologik membranalar), sinaptik uzatishda (qarang. Sinapslar) va boshqalar.

Uchta biotik oqim. M. gʻoyalari nuqtai nazaridan. hayot hodisalarining umumiyligini uchta oqimning uyg'unligi natijasi deb hisoblash mumkin: moddalar almashinuvi, ya'ni assimilyatsiya va dissimilyatsiya hodisalarida o'z ifodasini topadigan materiya oqimi; hayotning barcha ko'rinishlari uchun harakatlantiruvchi kuch bo'lgan energiya oqimi; va axborot oqimi nafaqat har bir organizmning rivojlanish va yashash jarayonlarining butun xilma-xilligiga, balki ketma-ket avlodlarning uzluksiz qatoriga kiradi. Bu biomateriallarning rivojlanishi orqali tirik dunyo ta'limotiga kiritilgan ma'lumotlar oqimi g'oyasi unda o'ziga xos, noyob iz qoldiradi.

Molekulyar biologiyaning eng muhim yutuqlari. M. taʼsirining tezligi, koʻlami va chuqurligi. tirik tabiatni o'rganishning fundamental muammolarini tushunishdagi yutuqlar, masalan, kvant nazariyasining atom fizikasining rivojlanishiga ta'siri bilan to'g'ri taqqoslangan. Ushbu inqilobiy ta'sirni bir-biriga bog'liq bo'lgan ikkita shart aniqladi. Bir tomondan, eng oddiy sharoitlarda hayotiy faoliyatning eng muhim ko'rinishlarini o'rganish, kimyoviy va fizik eksperimentlar turiga yaqinlashish imkoniyatini ochish hal qiluvchi rol o'ynadi. Boshqa tomondan, ushbu vaziyat natijasida sezilarli miqdordagi vakillarning tezda kiritilishi sodir bo'ldi. aniq fanlar- fiziklar, kimyogarlar, kristallograflar, keyin esa matematiklar - biologik muammolarni ishlab chiqishda. Birgalikda bu holatlar M. b.ning gʻayrioddiy tez rivojlanishini, uning atigi yigirma yil ichida erishilgan muvaffaqiyatlarining soni va ahamiyatini belgilab berdi. Bu yutuqlarning to'liq ro'yxatidan uzoqda: DNK, RNK va ribosomalarning barcha turlarining biologik funktsiyasining tuzilishi va mexanizmini ochib berish (Qarang: Ribosomalar) , genetik kodni oshkor qilish (Genetik kodga qarang) ; teskari transkripsiyaning kashf etilishi (transkripsiyaga qarang) , ya'ni RNK shablonida DNK sintezi; nafas olish pigmentlarining ishlash mexanizmlarini o'rganish; uch o'lchovli strukturaning kashfiyoti va uning fermentlar ta'siridagi funktsional roli (Qarang: Fermentlar) , matritsali sintez printsipi va oqsil biosintezi mexanizmlari; viruslarning tuzilishini ochib berish (Qarang: Viruslar) va ularning replikatsiya mexanizmlari, antikorlarning birlamchi va qisman fazoviy tuzilishi; individual genlarni izolyatsiya qilish , kimyoviy va keyin biologik (enzimatik) gen sintezi, shu jumladan inson, hujayradan tashqarida (in vitro); genlarni bir organizmdan ikkinchisiga, shu jumladan inson hujayralariga o'tkazish; tobora ortib borayotgan individual oqsillar, asosan fermentlar, shuningdek, nuklein kislotalarning kimyoviy tuzilishini shifrlashning tez rivojlanishi; nuklein kislota molekulalaridan boshlab, ko‘p komponentli fermentlar, viruslar, ribosomalar va boshqalarga o‘tuvchi murakkabligi tobora ortib borayotgan ayrim biologik ob’ektlarning “o‘z-o‘zidan yig‘ilish” hodisalarini kashf qilish; biologik funktsiyalar va jarayonlarni tartibga solishning allosterik va boshqa asosiy tamoyillarini tushuntirish.

Reduksionizm va integratsiya. M. b. Bu tirik ob'ektlarni o'rganishdagi ushbu yo'nalishning yakuniy bosqichi bo'lib, u "reduksionizm", ya'ni murakkab hayot funktsiyalarini molekulyar darajada sodir bo'ladigan va shuning uchun fizika va kimyo usullari bilan o'rganish mumkin bo'lgan hodisalarga kamaytirish istagi. . Erishgan M. b. muvaffaqiyatlar ushbu yondashuvning samaradorligidan dalolat beradi. Shu bilan birga, shuni hisobga olish kerakki, tabiiy sharoitda hujayra, to'qima, organ va butun organizmda biz tobora kuchayib borayotgan murakkab tizimlar bilan shug'ullanamiz. Bunday tizimlar quyi darajadagi tarkibiy qismlardan ularning bir butunlarga muntazam integratsiyalashuvi, tarkibiy va funktsional tashkilotga ega bo'lishi va yangi xususiyatlarga ega bo'lishi orqali shakllanadi. Shuning uchun, molekulyar va qo'shni darajalarda oshkor qilish uchun mavjud bo'lgan naqshlarning bilimlari batafsil bo'lgani uchun, M. b.dan oldin. integratsiya mexanizmlarini hayot hodisalarini o'rganishda keyingi rivojlanish chizig'i sifatida tushunish vazifasi paydo bo'ladi. Bu erda boshlang'ich nuqta molekulalararo o'zaro ta'sir kuchlarini o'rganishdir - vodorod aloqalari, van der Vaals, elektrostatik kuchlar va boshqalar. Ularning kombinatsiyasi va fazoviy joylashuvi bilan ular "integral ma'lumot" sifatida belgilanishi mumkin bo'lgan narsalarni hosil qiladi. Bu yuqorida aytib o'tilgan axborot oqimining asosiy qismlaridan biri sifatida ko'rib chiqilishi kerak. M. hududida. integratsiyaga misol qilib, ularning tarkibiy qismlari aralashmasidan murakkab shakllanishlarning o'z-o'zini yig'ish hodisalari bo'lishi mumkin. Bunga, masalan, ularning boʻlinmalaridan koʻpkomponentli oqsillar hosil boʻlishi, ularning tarkibiy qismlaridan - oqsillar va nuklein kislotalardan viruslar hosil boʻlishi, ribosomalarning oqsil va nuklein komponentlari ajratilgandan soʻng ularning asl tuzilishining tiklanishi va boshqalar kiradi. Ushbu hodisalarni o'rganish biopolimer molekulalarini "tan olish" asosiy hodisalarini bilish bilan bevosita bog'liq. Gap shundaki, aminokislotalarning qaysi birikmalari - oqsillar yoki nukleotidlar molekulalarida - nuklein kislotalardagi alohida molekulalarning qat'iy o'ziga xos, oldindan belgilangan tarkib va tuzilishga ega komplekslar hosil bo'lishi bilan bog'lanish jarayonlarida bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi. Bularga ularning subbirliklaridan murakkab oqsillarni hosil qilish jarayonlari kiradi; keyinchalik, nuklein kislota molekulalari, masalan, transport va matritsa o'rtasidagi selektiv o'zaro ta'sir (bu holda, genetik kodning ochilishi bizning ma'lumotimizni sezilarli darajada kengaytirdi); nihoyat, bu proteinlar va nuklein kislotalar ishtirok etadigan ko'plab turdagi tuzilmalarning (masalan, ribosomalar, viruslar, xromosomalar) shakllanishi. Tegishli qonunlarni ochish, bu o'zaro ta'sirlar asosidagi "til" ni bilish matematik tilshunoslikning eng muhim yo'nalishlaridan biri bo'lib, u hali ham rivojlanishni kutmoqda. Bu hudud butun biosferaning asosiy muammolari qatoriga kiradi.

Molekulyar biologiya muammolari. Belgilangan muhim vazifalar bilan bir qatorda M. qiladi. ("tan olish", o'z-o'zini yig'ish va integratsiya qilish naqshlarini bilish) yaqin kelajak uchun ilmiy izlanishning dolzarb yo'nalishi - bu strukturani dekodlash imkonini beradigan usullarni ishlab chiqish, keyin esa yuqori molekulyar uch o'lchovli, fazoviy tashkil etish. nuklein kislotalar. Bunga endi DNKning uch o'lchovli tuzilishining umumiy rejasi (ikkita spiral) bilan bog'liq holda erishildi, ammo uning asosiy tuzilishi haqida aniq ma'lumotga ega bo'lmasdan. Tez muvaffaqiyatlar analitik usullarni ishlab chiqishda kelgusi yillarda ushbu maqsadlarga erishishni ishonch bilan kutish imkonini beradi. Bu erda, albatta, asosiy hissalar tegishli fanlar, birinchi navbatda, fizika va kimyo vakillari tomonidan keladi. Qoʻllanilishi M. b.ning paydo boʻlishi va muvaffaqiyatini taʼminlagan eng muhim usullarning barchasi fiziklar tomonidan taklif qilingan va ishlab chiqilgan (ultratsentrifugalash, rentgen nurlanishini tahlil qilish, elektron mikroskopiya, yadro magnit-rezonansi va boshqalar). Deyarli barcha yangi fizik eksperimental yondashuvlar (masalan, kompyuterlardan foydalanish, sinxrotron yoki bremsstrahlung nurlanishi, lazer texnologiyasi va boshqalar) yangi imkoniyatlar ochadi. chuqur o'rganish muammolar M. b. Javobi M. b.dan kutilayotgan amaliy xarakterdagi eng muhim vazifalar qatorida birinchi navbatda muammo hisoblanadi. molekulyar asoslar malign o'sish, keyin - irsiy kasalliklarning oldini olish va ehtimol ularni engish usullari - "molekulyar kasalliklar" (Qarang: Molekulyar kasalliklar). Biologik katalizning molekulyar asoslarini, ya'ni fermentlar ta'sirini ochib berish katta ahamiyatga ega bo'ladi. M.ning eng muhim zamonaviy yo'nalishlari orasida b. gormonlar ta'sirining molekulyar mexanizmlarini ochish istagini o'z ichiga olishi kerak (Qarang: Gormonlar) , toksik va dorivor moddalar, shuningdek, moddalarning kirib borishi va tashish jarayonlarini tartibga solishda ishtirok etadigan biologik membranalar kabi hujayra tuzilmalarining molekulyar tuzilishi va faoliyati tafsilotlarini aniqlash. Olisroq maqsadlar M. b. - asab jarayonlarining tabiati, xotira mexanizmlari haqidagi bilim (Qarang: Xotira) M.ning muhim boʻlimlaridan biri b. - deb atalmish. mikroblar va pastki (bir hujayrali) va odamlar bilan tugaydigan tirik organizmlarning genetik apparatini (Genomini) maqsadli ravishda boshqarishga qaratilgan genetik muhandislik (ikkinchi holatda, birinchi navbatda, irsiy kasalliklarni tubdan davolash uchun (qarang). irsiy kasalliklar) va genetik nuqsonlarni tuzatish). Insonning genetik asosiga kengroq aralashuvlar faqat uzoq yoki uzoq kelajakda muhokama qilinishi mumkin, chunki bu holda jiddiy texnik va fundamental to'siqlar paydo bo'ladi. Mikroblar, o'simliklar haqida va bu mumkin, va sahifa - x. Hayvonlar uchun bunday istiqbollar juda daldalidir (masalan, havodan azotni biriktiruvchi apparati bo'lgan va o'g'itlarga muhtoj bo'lmagan madaniy o'simliklar navlarini olish). Ular allaqachon erishilgan muvaffaqiyatlarga asoslanadi: genlarni ajratish va sintez qilish, genlarni bir organizmdan ikkinchisiga o'tkazish, ommaviy hujayra madaniyatidan iqtisodiy yoki tibbiy ahamiyatga ega moddalar ishlab chiqaruvchisi sifatida foydalanish.

Molekulyar biologiya bo'yicha tadqiqotlarni tashkil etish. M.ning jadal rivojlanishi. ko‘plab ixtisoslashgan ilmiy markazlarning paydo bo‘lishiga olib keldi. Ularning soni tez sur'atlar bilan o'sib bormoqda. Eng yirik: Buyuk Britaniyada - Kembrijdagi molekulyar biologiya laboratoriyasi, Londondagi Qirollik instituti; Frantsiyada - Parij, Marsel, Strasburgdagi molekulyar biologiya institutlari, Paster instituti; AQShda - bo'limlar M. b. Bostondagi universitet va institutlarda (Garvard universiteti, Massachusets texnologiya instituti), San-Fransisko (Berkli), Los-Anjeles (Kaliforniya texnologiya instituti), Nyu-York (Rokfeller universiteti), Bethesda shahridagi sog'liqni saqlash institutlari va boshqalar; Germaniyada - Maks Plank institutlari, Göttingen va Myunxendagi universitetlar; Shvetsiyada, Stokgolmdagi Karolinska instituti; GDRda - Berlindagi Markaziy molekulyar biologiya instituti, Yena va Halle institutlari; Vengriyada - Segeddagi biologik markaz. SSSRda birinchi ixtisoslashtirilgan institut M. boʻladi. 1957 yilda Moskvada SSSR Fanlar akademiyasi tizimida tashkil etilgan (qarang. ); keyin quyidagilar tuzildi: Moskvadagi SSSR FA Bioorganik kimyo instituti, Pushchinodagi oqsil instituti, Atom energiyasi instituti (Moskva) qoshidagi biologiya boʻlimi, M. b. kafedralari. Novosibirskdagi Fanlar akademiyasining Sibir bo‘limi institutlarida, Moskva davlat universitetining bioorganik kimyo bo‘limlararo laboratoriyasida, Kiyevdagi Ukraina SSR Fanlar akademiyasining molekulyar biologiya va genetika sektorida (keyinchalik institut). ; M. b ustidagi muhim ish. Leningraddagi Makromolekulyar birikmalar institutida, SSSR Fanlar akademiyasining bir qator boʻlim va laboratoriyalarida va boshqa boʻlimlarda olib boriladi.

Ayrim tadqiqot markazlari bilan bir qatorda kengroq miqyosdagi tashkilotlar paydo bo'ldi. Gʻarbiy Yevropada M. boʻyicha Yevropa tashkiloti vujudga keldi. (EMBO), unda 10 dan ortiq davlat ishtirok etadi. SSSRda 1966 yilda Molekulyar biologiya institutida M. B. boʻyicha Ilmiy kengash tashkil etilgan boʻlib, u ushbu bilim sohasidagi muvofiqlashtiruvchi va tashkiliy markaz hisoblanadi. U M. b.ning eng muhim boʻlimlari boʻyicha keng koʻlamli monografiyalar turkumini nashr ettirdi, M. b. boʻyicha “qishki maktablar” muntazam tashkil etiladi, M. b.ning dolzarb muammolariga bagʻishlangan konferensiya va simpoziumlar oʻtkaziladi. Kelajakda M. boʻyicha ilmiy tavsiyalar beriladi. SSSR Tibbiyot fanlari akademiyasida va ko'plab respublika Fanlar akademiyalarida yaratilgan. «Molekulyar biologiya» jurnali 1966 yildan beri nashr etiladi (yiliga 6 ta).

Nisbatan uchun qisqa muddatga SSSRda M. sohasidagi tadqiqotchilarning salmoqli otryadi yetishib chiqdi; bular o'z qiziqishlarini boshqa sohalardan qisman o'zgartirgan keksa avlod olimlari; ko'pincha, ular ko'plab yosh tadqiqotchilardir. M.ning shakllanishi va rivojlanishida faol ishtirok etgan yetakchi olimlardan b. SSSRda A. A. Baev, A. N. Belozerskiy, A. E. Braunshteyn, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt kabilarni nomlash mumkin. M.ning yangi yutuqlari. va molekulyar genetikaga KPSS Markaziy Komiteti va SSSR Vazirlar Sovetining (1974 yil may) «Molekulyar biologiya va molekulyar genetika taraqqiyotini jadallashtirish hamda ularning yutuqlaridan milliy iqtisodiyotda foydalanish chora-tadbirlari to‘g‘risida»gi qarori yordam beradi. iqtisodiyot."

Lit.: Vagner R., Mitchell G., Genetika va metabolizm, trans. ingliz tilidan, M., 1958; Szent-Gyorgy va A., Bioenergetika, trans. ingliz tilidan, M., 1960; Anfinsen K., Evolyutsiyaning molekulyar asoslari, trans. ingliz tilidan, M., 1962; Stenli V., Valens E., Viruslar va hayotning tabiati, trans. ingliz tilidan, M., 1963; Molekulyar genetika, trans. Bilan. Ingliz tili, 1-qism, M., 1964; Volkenshteyn M.V., Molekulalar va hayot. Molekulyar biofizikaga kirish, M., 1965; Gaurowitz F., Oqsillar kimyosi va funktsiyalari, trans. ingliz tilidan, M., 1965; Bresler S. E., Molekulyar biologiyaga kirish, 3-nashr, M. - L., 1973; Ingram V., Makromolekulalar biosintezi, trans. ingliz tilidan, M., 1966; Engelhardt V. A., Molekulyar biologiya, kitobda: SSSRda biologiyaning rivojlanishi, M., 1967; Molekulyar biologiyaga kirish, trans. ingliz tilidan, M., 1967; Watson, J., Genning molekulyar biologiyasi, trans. ingliz tilidan, M., 1967; Finean J., Biologik ultrastrukturalar, trans. ingliz tilidan, M., 1970; Bendoll, J., Mushaklar, molekulalar va harakat, trans. ingliz tilidan, M., 1970; Ichas M., Biologik kod, trans. ingliz tilidan, M., 1971; Viruslarning molekulyar biologiyasi, M., 1971; Oqsil biosintezining molekulyar asoslari, M., 1971; Bernhard S., Fermentlarning tuzilishi va funktsiyasi, trans. ingliz tilidan, M., 1971; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosoma, 2-nashr, M., 1971; Frenkel-Konrat H., Viruslar kimyosi va biologiyasi, trans. ingliz tilidan, M., 1972; Smit C., Hanewalt F., Molekulyar fotobiologiya. Inaktivatsiya va tiklanish jarayonlari, trans. ingliz tilidan, M., 1972; Xarris G., Inson biokimyoviy genetikasi asoslari, trans. Ingliz tilidan, M., 1973.

V. A. Engelxardt.

Buyuk Sovet Entsiklopediyasi. - M.: Sovet Entsiklopediyasi. 1969-1978 .

Aytish mumkinki, molekulyar biologiya jonsiz tuzilmalar yoki hayotiy faoliyatning elementar belgilariga ega tizimlardagi hayotning namoyon bo'lishini o'rganadi (bu alohida biologik makromolekulalar, ularning komplekslari yoki organellalari bo'lishi mumkin), tirik materiyani tavsiflovchi asosiy jarayonlar kimyoviy vositalar orqali qanday amalga oshirilishini o'rganadi. o'zaro ta'sirlar va o'zgarishlar.

Molekulyar biologiyaning biokimyodan mustaqil fan sohasiga ajralishi uning asosiy vazifasi turli jarayonlarda ishtirok etuvchi biologik makromolekulalarning tuzilishi va xossalarini oʻrganish, ularning oʻzaro taʼsir qilish mexanizmlarini yoritishdan iboratligi bilan bogʻliq. Biokimyo esa hayotiy faoliyatning haqiqiy jarayonlarini, ularning tirik organizmda kechish qonuniyatlarini va bu jarayonlar bilan birga keladigan molekulalarning o'zgarishini o'rganish bilan shug'ullanadi. Oxir oqibat, molekulyar biologiya u yoki bu jarayon nima uchun sodir bo'ladi, degan savolga javob berishga harakat qiladi, biokimyo esa kimyo nuqtai nazaridan ko'rib chiqilayotgan jarayon qaerda va qanday sodir bo'ladi degan savollarga javob beradi.

Hikoya

Molekulyar biologiya biokimyoning alohida sohasi sifatida 1930-yillarda shakllana boshladi. Aynan o'sha paytda hayot hodisasini chuqurroq tushunish uchun tirik organizmlarda irsiy ma'lumotni saqlash va uzatish jarayonlarini molekulyar darajada maqsadli o'rganish zarurati paydo bo'ldi. Keyin molekulyar biologiyaning vazifasi nuklein kislotalar va oqsillarning tuzilishi, xossalari va o'zaro ta'sirini o'rganishda aniqlandi. "Molekulyar biologiya" atamasi birinchi marta ingliz olimi Uilyam Astberi tomonidan kollagen, qon fibrin yoki mushak qisqarish oqsillari kabi fibrilyar oqsillarning molekulyar tuzilishi va fizik va biologik xususiyatlari o'rtasidagi bog'liqlikni aniqlash bilan bog'liq tadqiqotlar kontekstida ishlatilgan. .

Molekulyar biologiyaning dastlabki kunlarida RNK o'simliklar va zamburug'larning tarkibiy qismi hisoblangan, DNK esa hayvonlar hujayralarining tipik komponenti sifatida qaralgan. DNKning o'simliklarda mavjudligini birinchi bo'lib isbotlagan tadqiqotchi 1935 yilda no'xat DNKsini ajratib olgan Andrey Nikolaevich Belozerskiy edi. Ushbu kashfiyot DNKning o'simlik va hayvon hujayralarida mavjud bo'lgan universal nuklein kislotasi ekanligini aniqladi.

Katta yutuq Jorj Bidl va Edvard Tatum tomonidan genlar va oqsillar o'rtasidagi to'g'ridan-to'g'ri sabab-oqibat munosabatlarining o'rnatilishi edi. Tajribalarida ular neyrospora hujayralarini ( Neyrosporacrassa) Mutatsiyalarni keltirib chiqaradigan rentgen nurlari ta'siri. Olingan natijalar shuni ko'rsatdiki, bu o'ziga xos fermentlarning xususiyatlarining o'zgarishiga olib keldi.

1940 yilda Albert Klod mitoxondriyadan kichikroq bo'lgan hayvon hujayralari sitoplazmasidan sitoplazmatik RNK o'z ichiga olgan granulalarni ajratib oldi. U ularni mikrosomalar deb atagan. Keyinchalik, ajratilgan zarrachalarning tuzilishi va xususiyatlarini o'rganishda ularning oqsil biosintezi jarayonida asosiy roli aniqlandi. 1958 yilda ushbu zarrachalarga bag'ishlangan birinchi simpoziumda bu zarralarni ribosomalar deb atashga qaror qilindi.

Molekulyar biologiyaning rivojlanishidagi yana bir muhim qadam 1944 yilda Osvald Averi, Kolin MakLeod va Maklin Makkarti tajribasining nashr etilgan ma'lumotlari bo'lib, ular DNK bakterial transformatsiyaning sababi ekanligini ko'rsatdi. Bu DNKning irsiy ma'lumotni uzatishdagi rolining birinchi eksperimental dalillari bo'lib, genlarning oqsil tabiati haqidagi oldingi g'oyani rad etdi.

1950-yillarning boshlarida Frederik Sanger oqsil zanjiri aminokislotalar qoldiqlarining noyob ketma-ketligi ekanligini ko'rsatdi. 1950-yillarning oxirida Maks Perutz va Jon Kendrew birinchi oqsillarning fazoviy tuzilishini dekodlashdi. 2000 yilda allaqachon yuz minglab tabiiy aminokislotalar ketma-ketligi va oqsillarning minglab fazoviy tuzilmalari ma'lum bo'lgan.

Taxminan bir vaqtning o'zida Ervin Chargaffning tadqiqotlari unga DNKdagi azotli asoslarning nisbatini tavsiflovchi qoidalarni shakllantirishga imkon berdi (qoidalarda aytilishicha, DNKdagi turlar farqidan qat'i nazar, guanin miqdori sitozin miqdoriga teng bo'ladi. adenin min miqdoriga teng), bu keyinchalik molekulyar biologiyada eng katta yutuq va umuman biologiyadagi eng katta kashfiyotlardan biriga yordam berdi.

Bu voqea 1953 yilda Jeyms Uotson va Frensis Krik Rozalind Franklin va Mauris Uilkinsning ishlariga asoslangan holda sodir bo'lgan. X-nurlarining diffraksion tahlili DNK, DNK molekulasining ikki zanjirli tuzilishini o'rnatdi. Ushbu kashfiyot irsiy ma'lumot tashuvchining o'zini ko'paytirish qobiliyati haqidagi asosiy savolga javob berishga va bunday ma'lumotlarni uzatish mexanizmini tushunishga imkon berdi. Xuddi shu olimlar azotli asoslarning bir-birini to'ldirish tamoyilini ishlab chiqdilar, bu supramolekulyar tuzilmalarning hosil bo'lish mexanizmini tushunish uchun muhim ahamiyatga ega. Hozirgi vaqtda barcha molekulyar komplekslarni tavsiflash uchun qo'llaniladigan ushbu printsip ikkilamchi, uchinchi darajali va boshqalarning paydo bo'lish imkoniyatini aniqlaydigan kuchsiz (valent bo'lmagan) molekulalararo o'zaro ta'sirlarning paydo bo'lish shartlarini tavsiflash va bashorat qilish imkonini beradi. makromolekulyar tuzilmalar, molekulyar tuzilmalar va ularning funktsional to'plamlari juda xilma-xilligini aniqlaydigan supramolekulyar biologik tizimlarning o'z-o'zidan yig'ilishi. Keyin, 1953 yilda, paydo bo'ldi Ilmiy jurnal Molekulyar biologiya jurnali. Uni Jon Kendry boshqargan, uning ilmiy qiziqish sohasi globulyar oqsillarning tuzilishini o'rganish edi (1962 yilda Maks Perutz bilan birgalikda Nobel mukofoti). Xuddi shunday rus tilidagi "Molekulyar biologiya" jurnali SSSRda 1966 yilda V. A. Engelhardt tomonidan tashkil etilgan.

1958 yilda Frensis Krik deb atalmishni ishlab chiqdi. molekulyar biologiyaning markaziy dogmasi: DNK → DNK (replikatsiya, DNK nusxasini yaratish), DNK → RNK (transkripsiya, DNK) sxemasi bo'yicha DNKdan RNK orqali oqsillarga genetik ma'lumotlar oqimining qaytarilmasligi g'oyasi. genlarni nusxalash), RNK → oqsil (tarjima, oqsillarning tuzilishi haqidagi ma'lumotlarni dekodlash). Ushbu dogma 1970 yilda to'plangan bilimlarni hisobga olgan holda biroz tuzatildi, chunki teskari transkripsiya fenomeni Govard Temin va Devid Baltimor tomonidan mustaqil ravishda kashf etilgan: ferment - teskari transkripsiyani amalga oshirish uchun mas'ul bo'lgan teskari transkriptaza - teskari transkripsiya kashf qilindi. onkogen viruslarda uchraydigan bir zanjirli RNK shablonida ikki zanjirli DNKning shakllanishi. Shuni ta'kidlash kerakki, genetik ma'lumotlarning nuklein kislotalardan oqsillarga o'tishining qat'iy zarurati hali ham molekulyar biologiyaning asosi bo'lib qolmoqda.

1957 yilda Aleksandr Sergeevich Spirin Andrey Nikolaevich Belozerskiy bilan birgalikda turli organizmlarning DNK nukleotid tarkibidagi sezilarli farqlarga qaramay, umumiy RNK tarkibi bir xil ekanligini ko'rsatdi. Ushbu ma'lumotlarga asoslanib, ular hujayraning umumiy RNKsi DNKdan oqsillarga genetik ma'lumotni tashuvchisi sifatida harakat qila olmaydi, degan shov-shuvli xulosaga kelishdi, chunki u tarkibida unga mos kelmaydi. Shu bilan birga, ular nukleotid tarkibida DNKga to'liq mos keladigan va DNKdan oqsillarga genetik ma'lumotni haqiqiy tashuvchisi bo'lishi mumkin bo'lgan RNKning kichik qismi mavjudligini payqashdi. Natijada, ular DNKning alohida bo'limlariga tuzilishi jihatidan o'xshash va DNK tarkibidagi genetik ma'lumotni ribosomaga o'tkazishda vositachi bo'lgan nisbatan kichik RNK molekulalarining mavjudligini bashorat qilishdi, bu ma'lumotlardan foydalanib, oqsil molekulalari sintezlanadi. 1961 yilda (bir tomondan S. Brenner, F. Yakob, M. Meselson va F. Gros, Fransua Yakob va Jak Monodlar birinchi bo'lib bunday molekulalar - informatsion (matritsali) RNKlar mavjudligini tajribada tasdiqladilar. Shu bilan birga. ular DNKning funksional birliklari - operon tushunchasi va modelini ishlab chiqdilar, bu esa prokariotlarda gen ekspressiyasini tartibga solish qanday amalga oshirilishini aniq tushuntirish imkonini berdi.Oqsil biosintezi mexanizmlari va strukturani tashkil etish tamoyillarini o'rganish va. molekulyar mashinalar - ribosomalarning ishlashi molekulyar biologiyaning markaziy dogmasi deb ataladigan genetik ma'lumotlarning harakatini tavsiflovchi postulatni shakllantirishga imkon berdi: DNK - mRNK oqsildir.

1961 yilda va keyingi bir necha yil ichida Geynrix Mattei va Marshall Nirenberg, keyin Xar Korana va Robert Xolli genetik kodni ochish bo'yicha bir qancha ishlarni amalga oshirdilar, buning natijasida DNK tuzilishi va sintez qilingan oqsillar o'rtasida to'g'ridan-to'g'ri aloqa o'rnatildi. va oqsildagi aminokislotalar to'plamini aniqlaydigan nukleotidlar ketma-ketligi. Genetik kodning universalligi haqidagi ma'lumotlar ham olindi. Topilmalar belgilandi nobel mukofoti 1968 yil.

RNK funktsiyalari haqidagi zamonaviy g'oyalarni ishlab chiqish uchun Aleksandr Sergeevich Spirinning 1958 yilda Andrey Nikolaevich Belozerskiy bilan, Charlz Brenner hammualliflar va Saul bilan birgalikda olib borgan ishlari natijalari asosida amalga oshirilgan kodlanmaydigan RNKni kashf qilish uchun. 1961 yilda Shpigelman hal qiluvchi edi. Ushbu turdagi RNK hujayra RNK ning asosiy qismini tashkil qiladi. Ribosomal RNKlar asosan kodlanmaydi.

Hayvon hujayralarini etishtirish va duragaylash usullari jiddiy rivojlandi. 1963 yilda Fransua Jeykob va Sidney Brenner replikonni, gen replikatsiyasini tartibga solishning muhim jihatlarini tushuntiruvchi genlar ketma-ketligini ishlab chiqdilar.

1967 yilda A. S. Spirin laboratoriyasida birinchi marta ixcham burmalangan RNK shakli ribosoma zarrachasining morfologiyasini aniqlashi ko'rsatildi.

1968 yilda muhim fundamental kashfiyot amalga oshirildi. Okazaki replikatsiya jarayonini o'rganishda orqada qolgan ipning DNK qismlarini topib, Okazaki fragmentlarini uning nomi bilan atagan, DNK replikatsiyasi mexanizmini aniqlab berdi.

1970 yilda Xovard Temin va Devid Baltimor mustaqil ravishda muhim kashfiyot qildilar: ferment topildi - teskari transkripsiyani amalga oshirish uchun mas'ul bo'lgan teskari transkriptaza - bir zanjirli RNK shablonida ikki zanjirli DNKning shakllanishi. RNK o'z ichiga olgan onkogen viruslarda uchraydi.

Molekulyar biologiyaning yana bir muhim yutug'i mutatsiyalar mexanizmini molekulyar darajada tushuntirish edi. Bir qator tadqiqotlar natijasida mutatsiyalarning asosiy turlari aniqlandi: dublikatsiyalar, inversiyalar, deletsiyalar, translokatsiyalar va transpozitsiyalar. Bu evolyutsion o'zgarishlarni gen jarayonlari nuqtai nazaridan ko'rib chiqish imkonini berdi va filogenezda qo'llaniladigan molekulyar soatlar nazariyasini ishlab chiqish imkonini berdi.

1970-yillarning boshlariga kelib, tirik organizmdagi nuklein kislotalar va oqsillar faoliyatining asosiy tamoyillari shakllantirildi. Tanadagi oqsillar va nuklein kislotalar matritsa mexanizmi bo'yicha sintezlanishi aniqlandi, matritsa molekulasi aminokislotalar (oqsilda) yoki nukleotidlar (nuklein kislotada) ketma-ketligi haqida shifrlangan ma'lumotni olib yuradi. Replikatsiya (DNKning ikki baravar ko'payishi) yoki transkripsiya (mRNK sintezi) paytida DNK shunday matritsa bo'lib xizmat qiladi, translatsiya (oqsil sintezi) yoki teskari transkripsiya - mRNK.

Shunday qilib, molekulyar biologiyaning amaliy sohalarini, xususan, genetik muhandislikni rivojlantirish uchun nazariy shartlar yaratildi. 1972 yilda Pol Berg, Gerbert Bauer va Stenli Koen molekulyar klonlash texnologiyasini ishlab chiqdilar. Keyin ular birinchi bo'lib in vitro rekombinant DNKni olishdi. Ushbu ajoyib tajribalar gen muhandisligining asoslarini yaratdi va bu yil ushbu ilmiy yo'nalishning tug'ilgan kuni hisoblanadi.

1977 yilda Frederik Sanger va mustaqil ravishda Allan Maxum va Valter Gilbert DNKning birlamchi tuzilishini (tartibini) aniqlashning turli usullarini ishlab chiqdilar. Zanjirni tugatish usuli deb ataladigan Sanger usuli zamonaviy ketma-ketlik usulining asosidir. Sekvensiya printsipi tsiklik ketma-ketlik reaktsiyasida terminator vazifasini bajaradigan etiketli asoslardan foydalanishga asoslangan. Bu usul tahlilni tez o'tkazish qobiliyati tufayli keng tarqaldi.

1976 yil - Frederik. Sanger 5375 bp uzunlikdagi PH174 fagining DNK ketma-ketligini dekodladi.

1981 yil - O'roqsimon hujayrali anemiya DNK testi orqali tashxis qo'yilgan birinchi genetik kasallik bo'ldi.

1982-1983 yillarda T.Chek va S.Altmanning Amerika laboratoriyalarida RNKning katalitik funktsiyasining kashf etilishi oqsillarning eksklyuziv roli haqidagi mavjud g'oyalarni o'zgartirdi. Katalitik oqsillarga - fermentlarga o'xshab, katalitik RNKlar ribozimlar deb ataldi.

1987 yil Keri Mullez polimeraza zanjiri reaktsiyasini kashf qildi, buning yordamida keyingi ish uchun eritmadagi DNK molekulalari sonini sun'iy ravishda sezilarli darajada oshirish mumkin. Bugungi kunda u irsiy va virusli kasalliklarni o'rganishda, genlarni o'rganishda va genetik identifikatsiya va qarindoshlik va boshqalarda qo'llaniladigan molekulyar biologiyaning eng muhim usullaridan biridir.

1990 yilda bir vaqtning o'zida uchta olimlar guruhi laboratoriya sharoitida sintetik funktsional faol RNKlarni (har xil ligandlar bilan o'zaro ta'sir qiluvchi sun'iy ribozimlar yoki molekulalar - aptamerlar) tezda olish imkonini beradigan usulni nashr etdilar. Bu usul "in vitro evolyutsiya" deb ataladi. Va bundan ko'p o'tmay, 1991-1993 yillarda A.B.ning laboratoriyasida. Chetverina qattiq muhitda koloniyalar shaklida RNK molekulalarining mavjudligi, o'sishi va kuchayish imkoniyatini eksperimental ravishda ko'rsatdi.

1998 yilda deyarli bir vaqtning o'zida Kreyg Mello va Endryu Fayr bakteriyalar va gullar bilan gen tajribalarida ilgari kuzatilgan mexanizmni tasvirlab berishdi. RNK aralashuvi, unda kichik ikki zanjirli RNK molekulasi gen ekspressiyasining o'ziga xos bostirilishiga olib keladi.

RNK interferensiyasi mexanizmining ochilishi zamonaviy molekulyar biologiya uchun katta amaliy ahamiyatga ega. Ushbu hodisa ilmiy tajribalarda "o'chirish", ya'ni individual genlarning ifodasini bostirish vositasi sifatida keng qo'llaniladi. Bu usul o'rganilayotgan genlar faoliyatini teskari (vaqtinchalik) bostirish imkonini berishi alohida qiziqish uyg'otadi. Ushbu hodisani virusli, neoplastik, degenerativ va metabolik kasalliklarni davolashda qo'llash bo'yicha tadqiqotlar olib borilmoqda. Shuni ta'kidlash kerakki, 2002 yilda poliomielit viruslari mutantlari RNK aralashuvidan qochadi, shuning uchun ushbu hodisaga asoslangan haqiqatan ham samarali davolash usullarini ishlab chiqish uchun ko'proq mashaqqatli mehnat talab etiladi.

1999-2001 yillarda bir necha tadqiqotchilar guruhi bakterial ribosomaning tuzilishini 5,5 dan 2,4 angstromgacha bo'lgan o'lchamlari bilan aniqladilar.

Mavzu

Molekulyar biologiyaning tirik tabiatni bilishdagi yutuqlarini ortiqcha baholab bo'lmaydi. Muvaffaqiyatli tadqiqot kontseptsiyasi tufayli katta muvaffaqiyatga erishildi: murakkab biologik jarayonlar alohida molekulyar tizimlar nuqtai nazaridan ko'rib chiqiladi, bu aniq fizik-kimyoviy tadqiqot usullarini qo'llash imkonini beradi. Shuningdek, u fanning ushbu sohasiga: kimyo, fizika, sitologiya, virusologiya bilan bog'liq bo'lgan ko'plab buyuk fikrlarni jalb qildi, bu ham ushbu sohadagi ilmiy bilimlarning ko'lami va rivojlanish tezligiga foydali ta'sir ko'rsatdi. DNK tuzilishini aniqlash, genetik kodni dekodlash, genomning sun'iy yo'naltirilgan modifikatsiyasi kabi muhim kashfiyotlar organizmlarning rivojlanish jarayonlarining o'ziga xos xususiyatlarini yanada chuqurroq tushunishga va ko'plab muhim fundamental va muhim masalalarni muvaffaqiyatli hal qilishga imkon berdi. yaqinda hal qilib bo'lmaydigan deb hisoblangan amaliy ilmiy, tibbiy va ijtimoiy muammolar.

Molekulyar biologiyaning o'rganish predmeti asosan oqsillar, nuklein kislotalar va ular asosida tuzilgan molekulyar komplekslar (molekulyar mashinalar) va ular ishtirok etadigan jarayonlardir.

Nuklein kislotalar - nukleotid birliklaridan tashkil topgan chiziqli polimerlar (tsiklning beshinchi atomida fosfat guruhi va to'rtta azotli asoslardan biri bo'lgan besh a'zoli shakar birikmalari) fosfat guruhlarining ester aloqasi bilan o'zaro bog'langan. Shunday qilib, nuklein kislota yon o'rinbosar sifatida azotli asoslarga ega bo'lgan pentoza fosfat polimeridir. Kimyoviy tarkibi RNK zanjirining DNK dan farqi shundaki, birinchisi besh a'zoli riboza uglevod siklidan, ikkinchisi degidroksillangan riboza hosilasi - dezoksiribozadan iborat. Shu bilan birga, bu molekulalar fazoda keskin farq qiladi, chunki RNK egiluvchan bir zanjirli molekula, DNK esa ikki zanjirli molekuladir.

Proteinlar chiziqli polimerlar bo'lib, ular peptid bog'i bilan o'zaro bog'langan alfa-aminokislotalarning zanjirlari, shuning uchun ularning ikkinchi nomi - polipeptidlar. Tabiiy oqsillarning tarkibi juda ko'p turli xil aminokislotalarni o'z ichiga oladi - odamlarda 20 tagacha - bu juda xilma-xillikni aniqlaydi. funktsional xususiyatlar bu molekulalar. Bu yoki boshqa oqsillar tanadagi deyarli har bir jarayonda ishtirok etadi va ko'plab vazifalarni bajaradi: ular uyali qurilish materiali rolini o'ynaydi, moddalar va ionlarni tashishni ta'minlaydi, kimyoviy reaktsiyalarni katalizlaydi - bu ro'yxat juda uzun. Proteinlar turli darajadagi tashkiliy (ikkilamchi va uchinchi darajali tuzilmalar) va molekulyar komplekslarning barqaror molekulyar konformatsiyasini hosil qiladi, bu ularning funksionalligini yanada kengaytiradi. Bu molekulalar murakkab fazoviy globulyar strukturaning shakllanishi tufayli muayyan vazifalarni bajarish uchun juda xos bo'lishi mumkin. Oqsillarning xilma-xilligi olimlarning ushbu turdagi molekulalarga doimiy qiziqishini ta'minlaydi.

Molekulyar biologiya predmeti haqidagi zamonaviy g'oyalar molekulyar biologiyaning markaziy dogmasi sifatida birinchi marta 1958 yilda Frensis Krik tomonidan ilgari surilgan umumlashtirishga asoslanadi. Uning mohiyati tirik organizmlardagi genetik ma'lumotlar amalga oshirishning qat'iy belgilangan bosqichlaridan o'tadi: merosning kirish qismida DNKdan DNKga, DNKdan RNKga, so'ngra RNKdan oqsilga ko'chiriladi va teskari o'tish amalga oshirilmaydi. Bu bayonot faqat qisman to'g'ri edi, shuning uchun keyinchalik paydo bo'lgan yangi ma'lumotlarga ko'ra markaziy dogma tuzatildi.

Ustida bu daqiqa DNK, RNK va oqsil: uch turdagi genetik ma'lumotlarning mavjudligini amalga oshirish uchun turli ketma-ketliklarni ifodalovchi genetik materialni amalga oshirishning bir necha usullari mavjud. To'qqizta mumkin bo'lgan amalga oshirish usulida uchta guruh ajratiladi: bular ko'pchilik tirik organizmlarda odatiy tarzda amalga oshiriladigan uchta umumiy o'zgarishlar (umumiy); ba'zi viruslarda yoki maxsus laboratoriya sharoitida amalga oshiriladigan uchta maxsus transformatsiya (maxsus); amalga oshirish imkonsiz deb hisoblangan uchta noma'lum transformatsiya (noma'lum).

Umumiy transformatsiyalar genetik kodni amalga oshirishning quyidagi usullarini o'z ichiga oladi: DNK→DNK (replikatsiya), DNK→RNK (transkripsiya), RNK→protein (translyatsiya).

Irsiy xususiyatlarni o'tkazish uchun ota-onalar o'zlarining avlodlariga to'liq DNK molekulasini topshirishlari kerak. Asl DNKning aniq nusxasini sintez qilish va shuning uchun genetik materialni ko'chirish jarayoni replikatsiya deb ataladi. Bu maxsus oqsillar tomonidan amalga oshiriladi, ular molekulani ochadi (uning qismini to'g'rilaydi), qo'sh spiralni ochadi va DNK polimeraza yordamida asl DNK molekulasining aniq nusxasini yaratadi.

Hujayra hayotini ta'minlash uchun u doimiy ravishda DNK qo'sh spiraliga kiritilgan genetik kodga murojaat qilishi kerak. Biroq, bu molekula uzluksiz protein sintezi uchun genetik materialning bevosita manbai sifatida foydalanish uchun juda katta va noqulay. Shuning uchun DNKga kiritilgan ma'lumotni amalga oshirish jarayonida vositachi bosqich mavjud: ma'lum bir oqsilni kodlaydigan DNKning ma'lum bir segmentini to'ldiruvchi kichik bir zanjirli molekula bo'lgan mRNK sintezi. Transkripsiya jarayoni RNK polimeraza va transkripsiya omillari bilan ta'minlanadi. Keyin hosil bo'lgan molekula hujayraning oqsil sintezi uchun mas'ul bo'lgan qismiga - ribosomaga osongina etkazilishi mumkin.

RNK ribosomaga kirgandan so'ng, genetik ma'lumotni amalga oshirishning yakuniy bosqichi boshlanadi. Shu bilan birga, ribosoma kodon deb ataladigan tripletlarda mRNK dan genetik kodni o'qiydi va olingan ma'lumotlar asosida tegishli oqsilni sintez qiladi.

Maxsus transformatsiyalar jarayonida genetik kod RNK → RNK (replikatsiya), RNK → DNK (teskari transkripsiya), DNK → oqsil (to'g'ridan-to'g'ri tarjima) sxemalari bo'yicha amalga oshiriladi. Ushbu turdagi replikatsiya ko'plab viruslarda amalga oshiriladi, bu erda RNKga bog'liq RNK polimeraza fermenti tomonidan amalga oshiriladi. Shunga o'xshash fermentlar eukaryotik hujayralarda ham mavjud bo'lib, ular RNKni o'chirish jarayoni bilan bog'liq. Teskari transkripsiya retroviruslarda topilgan, bu erda u teskari transkriptaza fermenti tomonidan amalga oshiriladi va ba'zi hollarda eukaryotik hujayralarda, masalan, telomerik sintez paytida. Jonli uzatish faqat sun'iy sharoitda hujayradan tashqarida izolyatsiya qilingan tizimda amalga oshiriladi.

Genetik ma'lumotlarning oqsildan oqsilga, RNK yoki DNKga o'tishi mumkin bo'lgan uchta mumkin bo'lgan har qanday o'tish imkonsiz deb hisoblanadi. Prionlarning oqsillarga ta'siri, natijada shunga o'xshash prion hosil bo'lishi shartli ravishda genetik ma'lumotni amalga oshirish turiga bog'liq bo'lishi mumkin protein → oqsil. Biroq, rasmiy ravishda bunday emas, chunki u protein tarkibidagi aminokislotalar ketma-ketligiga ta'sir qilmaydi.

"Markaziy dogma" atamasining paydo bo'lish tarixi qiziq. Dogma so'zi, odatda, shubha tug'dirmaydigan bayonotni anglatadi va so'zning o'zi aniq diniy ma'noga ega bo'lganligi sababli, uni ilmiy faktning tavsifi sifatida tanlash mutlaqo qonuniy emas. Frensis Krikning o'ziga ko'ra, bu uning xatosi edi. U ilgari surilgan nazariyaga ko'proq ahamiyat berishni, uni boshqa nazariya va farazlar fonidan ajratib olishni xohladi; nega u bu ulug'vor so'zdan foydalanishga qaror qildi, uning fikricha, uning asl ma'nosini tushunmasdan. Biroq, ism qotib qoldi.

Bugungi kunda molekulyar biologiya

Molekulyar biologiyaning jadal rivojlanishi, jamiyat tomonidan ushbu sohadagi yutuqlarga doimiy qiziqish va tadqiqotning ob'ektiv ahamiyati butun dunyoda molekulyar biologiyaning ko'plab yirik ilmiy markazlarining paydo bo'lishiga olib keldi. Eng yiriklari orasida quyidagilarni ta'kidlash kerak: Kembrijdagi molekulyar biologiya laboratoriyasi, Londondagi Qirollik instituti - Buyuk Britaniyada; Parij, Marsel va Strasburgdagi molekulyar biologiya institutlari, Paster instituti - Frantsiyada; Garvard universiteti va Massachusets texnologiya instituti, Berkli universiteti, Kaliforniya texnologiya instituti, Rokfeller universiteti, Bethesda jamoat salomatligi instituti molekulyar biologiya kafedralari - AQShda; Maks Plank institutlari, Gettingen va Myunxendagi universitetlar, Berlindagi Markaziy molekulyar biologiya instituti, Yena va Halle institutlari – Germaniyada; Stokgolmdagi Karolinska instituti, Shvetsiya.

Rossiyada bu sohada etakchi markazlar molekulyar biologiya instituti hisoblanadi. RAS molekulyar genetika instituti, RAS gen biologiyasi instituti, V.A. nomidagi fizik-kimyoviy biologiya instituti. A. N. Belozerskiy nomidagi Moskva davlat universiteti. M.V.Lomonosov nomidagi biokimyo instituti. A.N. Bax RAS va Pushchinodagi Protein RAS instituti.

Bugungi kunda molekulyar biologlarning qiziqish sohasi keng ko'lamli fundamental ilmiy masalalarni qamrab oladi. Avvalgidek, nuklein kislotalarning tuzilishi va oqsil biosintezini o'rganish, turli hujayra ichidagi tuzilmalar va hujayra sirtlarining tuzilishi va funktsiyalarini o'rganish etakchi rolni egallaydi. Shuningdek, signallarni qabul qilish va uzatish mexanizmlarini, birikmalarni hujayra ichida, shuningdek hujayradan tashqi muhitga va orqaga o'tkazishning molekulyar mexanizmlarini o'rganish ham muhim tadqiqot yo'nalishlari hisoblanadi. Amaliy molekulyar biologiya sohasidagi ilmiy tadqiqotlarning asosiy yo'nalishlari orasida o'smalarning paydo bo'lishi va rivojlanishi muammosi eng ustuvor yo'nalishlardan biridir. Shuningdek, molekulyar biologiya - molekulyar genetika bo'limi tomonidan o'rganiladigan juda muhim yo'nalish irsiy kasalliklar va virusli kasalliklar, masalan, OITS paydo bo'lishining molekulyar asoslarini o'rganish, shuningdek, ularni aniqlash usullarini ishlab chiqishdir. oldini olish va, ehtimol, gen darajasida davolash. Sud tibbiyotida molekulyar biologlarning kashfiyotlari va ishlanmalari keng qo'llanilishini topdi. Shaxsiy identifikatsiya sohasida haqiqiy inqilob 80-yillarda Rossiya, AQSh va Buyuk Britaniya olimlari tomonidan "genomik barmoq izlari" - kundalik amaliyotda DNKni identifikatsiyalash usulini ishlab chiqish va amalga oshirish tufayli amalga oshirildi. Ushbu sohadagi tadqiqotlar bugungi kungacha davom etmoqda. zamonaviy usullar foizning milliarddan biriga teng xatolik ehtimoli bo'lgan shaxsni aniqlashga imkon beradi. Kutilganidek, jinoyatchilik darajasini sezilarli darajada kamaytiradigan genetik pasport loyihasi faol ishlab chiqilmoqda.

Metodologiya

Bugungi kunda molekulyar biologiya olimlar oldida turgan eng ilg'or va eng murakkab muammolarni hal qilish uchun keng usullar arsenaliga ega.

Molekulyar biologiyada eng keng tarqalgan usullardan biri gel elektroforezi hisoblanadi, bu makromolekulalar aralashmasini hajmi yoki zaryadiga ko'ra ajratish masalasini hal qiladi. Deyarli har doim, jelda makromolekulalar ajratilgandan so'ng, blotlash qo'llaniladi, bu makromolekulalar bilan keyingi ishlash, xususan, duragaylash qulayligi uchun jeldan (sorb) membrana yuzasiga o'tkazish imkonini beruvchi usul. Gibridlanish - har xil tabiatdagi ikkita zanjirdan gibrid DNK hosil qilish - fundamental tadqiqotlarda muhim rol o'ynaydigan usul. U aniqlash uchun ishlatiladi to'ldiruvchi Turli DNKdagi segmentlar (DNK turli xil turlari), uning yordami bilan yangi genlar qidiriladi, uning yordamida RNK interferensiyasi aniqlandi va uning printsipi genomik barmoq izining asosini tashkil etdi.

Molekulyar biologik tadqiqotlarning zamonaviy amaliyotida sekvensiya usuli - nuklein kislotalardagi nukleotidlar va oqsillardagi aminokislotalarning ketma-ketligini aniqlash muhim rol o'ynaydi.

Zamonaviy molekulyar biologiyani polimeraza zanjiri reaktsiyasi (PCR) usulisiz tasavvur qilib bo'lmaydi. Ushbu usul tufayli ma'lum bir DNK ketma-ketligi nusxalari sonining ko'payishi (amplifikatsiyasi) bitta molekuladan u bilan keyingi ishlash uchun etarli miqdordagi moddani olish uchun amalga oshiriladi. Xuddi shunday natijaga molekulyar klonlash texnologiyasi erishiladi, unda kerakli nukleotidlar ketma-ketligi bakteriyalar DNKsiga (tirik tizimlar) kiritiladi, shundan so'ng bakteriyalarning ko'payishi kerakli natijaga olib keladi. Ushbu yondashuv texnik jihatdan ancha murakkab, ammo u bir vaqtning o'zida o'rganilayotgan nukleotidlar ketma-ketligini ifodalash natijasini olish imkonini beradi.

Shuningdek, molekulyar biologik tadqiqotlarda ultratsentrifugalash usullari (makromolekulalar (katta miqdorda), hujayralar, organellalarni ajratish uchun), elektron va flüoresan mikroskopiya, spektrofotometrik usullar, rentgen nurlanishining difraksion tahlili, avtoradiografiya va boshqalar keng qo'llaniladi.

Kimyo, fizika, biologiya va informatika sohasidagi texnologik taraqqiyot va ilmiy izlanishlar tufayli zamonaviy uskunalar alohida genlarni va ular ishtirok etadigan jarayonlarni ajratib olish, o'rganish va o'zgartirish imkonini beradi.