Kasbi molekulyar biolog. Amaliy molekulyar biologiya. a). Asosiy adabiyot

1.Kirish.

Molekulyar biologiya va genetika fanining predmeti, vazifalari va usullari. Molekulyar biologiya va gen injeneriyasining rivojlanishida “klassik” genetika va mikroorganizmlar genetikasining ahamiyati. “Klassik” va molekulyar genetikada gen haqida tushuncha, uning evolyutsiyasi. Genetik muhandislik metodologiyasining molekulyar genetika rivojlanishiga qo'shgan hissasi. Biotexnologiya uchun genetik muhandislikning amaliy ahamiyati.

2. Irsiyatning molekulyar asoslari.

Hujayra haqida tushuncha, uning makromolekulyar tarkibi. Genetik materialning tabiati. DNKning genetik funktsiyasini isbotlash tarixi.

2.1. Nuklein kislotalarning har xil turlari. Nuklein kislotalarning biologik funktsiyalari. Kimyoviy tuzilishi, fazoviy tuzilishi va jismoniy xususiyatlar nuklein kislotalar. Pro- va eukariotlar genetik materialining strukturaviy xususiyatlari. Qo'shimcha Watson-Crick tayanch juftliklari. Genetik kod. Genetik kodni dekodlash tarixi. Kodning asosiy xususiyatlari: triplet, vergulsiz kod, degeneratsiya. Kod lug'atining xususiyatlari, kodonlar oilalari, semantik va "ma'nosiz" kodonlar. Dumaloq DNK molekulalari va DNKning supero'rashi tushunchasi. DNKning topoizomerlari va ularning turlari. Topoizomerazalarning ta'sir qilish mexanizmlari. Bakterial DNK giraza.

2.2. DNK transkripsiyasi. Prokaryotik RNK polimeraza, uning subbirligi va uch o'lchamli tuzilmalari. Sigma omillarining xilma-xilligi. Prokaryotik gen promotori, uning tuzilish elementlari. Transkripsiya siklining bosqichlari. "Ochiq kompleks" ning boshlanishi, shakllanishi, transkripsiyaning cho'zilishi va tugashi. transkripsiyaning zaiflashishi. Triptofan operon ifodasini tartibga solish. "Riboswitchlar". Transkripsiyani tugatish mexanizmlari. Transkripsiyaning salbiy va ijobiy tartibga solinishi. laktoza operon. Lambda fag rivojlanishida transkripsiyani tartibga solish. Regulyatsiya qiluvchi oqsillar (CAP oqsili va lambda fag repressori) tomonidan DNKni tanib olish tamoyillari. Eukariotlarda transkripsiyaning xususiyatlari. Eukariotlarda RNKni qayta ishlash. Transkriptlarni yopish, qo'shish va poliadenillash. ulash mexanizmlari. Kichik yadro RNK va oqsil omillarining roli. Muqobil birlashma, misollar.

2.3. Translyatsiya, uning bosqichlari, ribosomalarning vazifasi. Ribosomalarning hujayradagi joylashuvi. Ribosomalarning prokaryotik va eukaryotik turlari; 70S va 80S ribosomalari. Ribosomalar morfologiyasi. Kichik zarrachalarga (kichik birliklarga) bo'linish. Aminoatsil-tRNKning cho'zilish siklida kodonga bog'liq bo'lishi. Kodon-antikodon o'zaro ta'siri. Aminoatsil-tRNKning ribosoma bilan bog‘lanishida cho‘zilish omili EF1 (EF-Tu)ning ishtiroki. EF1B cho'zilish omili (EF-Ts), uning vazifasi, ishtirokidagi reaksiyalar ketma-ketligi. Aminoatsil-tRNKning ribosoma bilan kodonga bog'liq bog'lanish bosqichiga ta'sir qiluvchi antibiotiklar. Aminoglikozidli antibiotiklar (streptomitsin, neomitsin, kanamitsin, gentamitsin va boshqalar), ularning ta'sir mexanizmi. Tetratsiklinlar aminoatsil-tRNKning ribosoma bilan bog'lanishining ingibitorlari sifatida. Efirni boshlash. Boshlanish jarayonining asosiy bosqichlari. Prokaryotlarda tarjima boshlanishi: boshlash omillari, inisiator kodonlar, RNK 3¢-kichik ribosoma bo'linmasining oxiri va mRNKdagi Shine-Dalgarno ketma-ketligi. Eukaryotlarda tarjima boshlanishi: boshlash omillari, inisiator kodonlari, 5¢-tarjima qilinmagan hudud va qopqoqqa bog'liq terminal boshlanishi. Eukariotlarda "ichki" qalpoqdan mustaqil boshlash. Transpeptidatsiya. Transpeptidatsiya inhibitörleri: xloramfenikol, linkomitsin, amitsetin, streptograminlar, anizomisin. Translokatsiya. EF2 (EF-G) va GTP cho'zilish omilining ishtiroki. Translokatsiya ingibitorlari: fuzid kislotasi, viomitsin, ularning ta'sir mexanizmlari. Tarjimani tugatish. Tugatish kodonlari. Prokaryotlar va eukariotlarning oqsillarni tugatish omillari; tugatish omillarining ikki klassi va ularning ta'sir qilish mexanizmlari. Prokariotlarda tarjimani tartibga solish.

2.4. DNK replikatsiyasi va uning genetik nazorati. Replikatsiyada ishtirok etuvchi polimerazalar, ularning fermentativ faollik xususiyatlari. DNKning sodiqligi. Replikatsiya jarayonida DNK asos juftlari orasidagi sterik o'zaro ta'sirlarning roli. E. coli polimerazalari I, II va III. Polimeraza III bo'linmalari. Replikatsiya vilkalari, replikatsiya paytida "etakchi" va "kechikish" iplari. Okazaki parchalari. Replikatsiya vilkasidagi oqsillar majmuasi. E. coli da replikatsiya boshlanishini tartibga solish. Bakteriyalarda replikatsiyaning tugashi. Plazmid replikatsiyasini tartibga solish xususiyatlari. Ikki tomonlama va aylanma halqali replikatsiya.

2.5. Rekombinatsiya, uning turlari va modellari. Umumiy yoki gomologik rekombinatsiya. Rekombinatsiyani boshlaydigan DNKdagi ikki zanjirli uzilishlar. Ikki zanjirli uzilishlarni replikatsiyadan keyingi ta'mirlashda rekombinatsiyaning roli. Rekombinatsiya modelidagi Holliday tuzilishi. E. colida umumiy rekombinatsiyaning enzimologiyasi. RecBCD kompleksi. Reka oqsili. Rekombinatsiyaning replikatsiyani to'xtatuvchi DNK shikastlanishida DNK sintezini ta'minlashdagi roli. eukariotlarda rekombinatsiya. Eukariotlarda rekombinatsiya fermentlari. Saytga xos rekombinatsiya. Umumiy va saytga xos rekombinatsiyaning molekulyar mexanizmlaridagi farqlar. Rekombinazalarning tasnifi. Saytga xos rekombinatsiya jarayonida amalga oshiriladigan xromosomalarning qayta tuzilishi turlari. Bakteriyalarda saytga xos rekombinatsiyaning tartibga soluvchi roli. Saytga xos fag rekombinatsiya tizimidan foydalangan holda ko'p hujayrali eukaryotik xromosomalarni qurish.

2.6. DNKni tiklash. Reparatsiya turlarining tasnifi. Timin dimerlari va metillangan guaninni bevosita ta'mirlash. Bazalarni kesish. Glikozilazlar. Juftlanmagan nukleotidlarni tiklash mexanizmi (mos kelmaslikni tuzatish). Ta'mirlanadigan DNK zanjirini tanlash. SOS ta'mirlash. Prokariot va eukariotlarda SOS ta'mirida ishtirok etuvchi DNK polimerazalarining xossalari. Bakteriyalarda "moslashuvchan mutatsiyalar" tushunchasi. Ikki zanjirli uzilishlarni tuzatish: gomologik post-replikativ rekombinatsiya va DNK molekulasining gomologik bo'lmagan uchlarini birlashtirish. Replikatsiya, rekombinatsiya va reparatsiya jarayonlari o'rtasidagi bog'liqlik.

3. Mutatsiya jarayoni.

Bitta gen - bitta ferment nazariyasining shakllanishida biokimyoviy mutantlarning roli. Mutatsiyalarning tasnifi. Nuqta mutatsiyalari va xromosomalarning qayta tuzilishi, ularning hosil bo'lish mexanizmi. Spontan va induktsiyali mutagenez. Mutagenlarning tasnifi. Mutagenezning molekulyar mexanizmi. Mutagenez va ta'mirlash o'rtasidagi bog'liqlik. Mutantlarni aniqlash va tanlash. Bostirish: intragenik, intergenik va fenotipik.

4. Xromosomadan tashqari genetik elementlar.

Plazmidlar, ularning tuzilishi va tasnifi. Jinsiy omil F, uning tuzilishi va hayot aylanishi. Xromosomalarni ko'chirish mobilizatsiyasida F omilning roli. Hfr va F donorlarning hosil boʻlishi.Konjugatsiya mexanizmi.Bakteriofaglar, ularning tuzilishi va hayot aylanishi.Virulent va moʻʼtadil bakteriofaglar.Lizogenez va transduksiya.Umumiy va xususiy transduksiya.Migratsiya qiluvchi genetik elementlar: transpozonlar va IS ketma-ketliklari, ularning genetik metabolizmdagi roli.DNK - prokaryotlar va eukariotlar genomlaridagi transpozonlar IS-bakteriyalar ketma-ketligi, ularning tuzilishi IS-ketliklar bakteriyalarning F-omilining tarkibiy qismi sifatida, konjugatsiya paytida genetik materialni uzatish qobiliyatini aniqlaydi Bakteriyalar va eukaryotik organizmlarning transpozonlari To'g'ridan-to'g'ri replikativ bo'lmagan. va transpozitsiyalarning replikativ mexanizmlari Gorizontal transpozon o'tkazish tushunchasi va ularning strukturaviy o'zgarishlar (ektopik rekombinatsiya) va genom evolyutsiyasidagi roli.

5. Genning tuzilishi va funktsiyasini o'rganish.

Genetik tahlil elementlari. Cis-trans komplementatsiya testi. Konjugatsiya, transduksiya va transformatsiya yordamida genetik xaritalash. Genetik xaritalarni qurish. Yaxshi genetik xaritalash. Gen tuzilishini fizik tahlil qilish. heterodupleks tahlili. Cheklov tahlili. Sekvensiyalash usullari. polimeraza zanjiri reaktsiyasi. Gen funktsiyasini ochib berish.

6. Genlarning ifodalanishini tartibga solish. Operon va regulon tushunchalari. Transkripsiyani boshlash darajasida nazorat qilish. Promouter, operator va tartibga soluvchi oqsillar. Gen ifodasini ijobiy va salbiy nazorat qilish. Transkripsiyani tugatish darajasida nazorat qilish. Katabolit bilan boshqariladigan operonlar: laktoza, galaktoza, arabinoza va maltoza operonlarining modellari. Attenuator tomonidan boshqariladigan operonlar: triptofan operonining modeli. Gen ekspressiyasining multivalent regulyatsiyasi. Global tartibga solish tizimlari. Stressga tartibga soluvchi javob. transkripsiyadan keyingi nazorat. signal uzatish. RNK vositachiligida tartibga solish: kichik RNKlar, sensor RNKlar.

7. Gen injeneriyasi asoslari. Cheklash fermentlari va modifikatsiyalari. Genlarni izolyatsiya qilish va klonlash. Molekulyar klonlash uchun vektorlar. Rekombinant DNKning tuzilishi va ularni retsipient hujayralarga kiritish tamoyillari. Gen muhandisligining amaliy jihatlari.

a). Asosiy adabiyotlar:

1. Watson J., Tooze J., Rekombinant DNK: Qisqa kurs. – M.: Mir, 1986 yil.

2. Genlar. – M.: Mir. 1987 yil.

3. Molekulyar biologiya: nuklein kislotalarning tuzilishi va biosintezi. / Ed. . - M. Oliy maktab. 1990 yil.

4., - Molekulyar biotexnologiya. M. 2002 yil.

5. Spirin ribosomalari va oqsil biosintezi. - M.: magistratura, 1986.

b). Qo'shimcha adabiyotlar:

1. Genomning gesin. – M.: Fan. 1984 yil.

2. Genetika injeneriyasining ribchini. - Sankt-Peterburg: Sankt-Peterburg davlat texnika universiteti. 1999 yil.

3. Patrushev genlari. - M.: Nauka, 2000.

4. Zamonaviy mikrobiologiya. Prokaryotlar (2 jildda). – M.: Mir, 2005 yil.

5. M. Singer, P. Berg. Genlar va genomlar. – M.: Mir, 1998 yil.

6. Shchelkunov muhandisligi. - Novosibirsk: Sibdan. Universitet, 2004 yil.

7. Stepanov biologiyasi. Oqsillarning tuzilishi va funktsiyalari. - M.: V. Sh., 1996 yil.

XX asrning 40-yillari boshlarida biokimyo, biofizika, genetika, sitokimyo, mikrobiologiya va virusologiyaning ko'plab bo'limlari rivojlanishi. hayot hodisalarini molekulyar darajada o'rganishga yaqindan olib keldi. Ushbu fanlarning bir vaqtning o'zida va turli tomonlardan erishgan muvaffaqiyatlari tananing asosiy boshqaruv tizimlari molekulyar darajada ishlashini va ushbu fanlarning keyingi rivojlanishi ushbu fanlarning ochilishiga bog'liqligini anglashga olib keldi. organizmlar tanasini tashkil etuvchi molekulalarning biologik funktsiyalari, ularning hujayradagi birikmalarning sintezi va parchalanishi, o'zaro o'zgarishi va ko'payishi, shuningdek, bu holda sodir bo'ladigan energiya va axborot almashinuvidagi ishtiroki. Shunday qilib, ushbu biologik fanlarning kimyo va fizika bilan tutashgan joyida mutlaqo yangi tarmoq - molekulyar biologiya paydo bo'ldi.

Biokimyodan farqli o'laroq, zamonaviy molekulyar biologiyaning e'tibori asosan biopolimerlarning eng muhim sinflari - oqsillar va nuklein kislotalarning tuzilishi va funktsiyalarini o'rganishga qaratilgan bo'lib, ularning birinchisi metabolik reaktsiyalarning juda ehtimolini aniqlaydi, ikkinchisi esa - kimyoviy reaktsiyalar. maxsus oqsillarning biosintezi. Demak, molekulyar biologiya va biokimyoni, genetika, mikrobiologiya va virusologiyaning tegishli tarmoqlarini aniq ajratib bo'lmasligi aniq.

Molekulyar biologiyaning paydo bo'lishi yangi tadqiqot usullarini ishlab chiqish bilan chambarchas bog'liq edi, ular allaqachon tegishli boblarda muhokama qilingan. Elektron mikroskopiya va mikroskopik texnikaning boshqa usullari rivojlanishi bilan bir qatorda 1950-yillarda ishlab chiqilgan hujayra elementlarini fraksiyalash usullari muhim rol o'ynadi. Ular differentsial sentrifugalashning takomillashtirilgan usullariga asoslangan edi (A. Klod, 1954). Bu vaqtga kelib, biopolimerlarni izolyatsiya qilish va fraksiyalashning ishonchli usullari allaqachon mavjud edi. Bunga, xususan, A. Tiselius tomonidan taklif qilingan (1937; Nobel mukofoti, 1948) elektroforez yordamida oqsillarni fraksiyalash usuli, nuklein kislotalarni ajratib olish va tozalash usullari (E. Kay, A. Downs, M. Sevag, A. Mirskiy va boshqalar). Shu bilan birga, dunyoning ko'plab laboratoriyalarida xromatografik tahlilning turli usullari ishlab chiqildi (A. Martin va R. Sing, 1941; Nobel mukofoti, 1952), keyinchalik sezilarli darajada yaxshilandi.

X-nurlarining diffraksion tahlili biopolimerlarning tuzilishini ochishda bebaho xizmat qildi. Rentgen nurlari difraksion tahlilining asosiy tamoyillari King's College London universitetida V. Bragg rahbarligida bir guruh tadqiqotchilar tomonidan ishlab chiqilgan bo'lib, ular orasida J. Bernal, A. Londsdeyl, U. Astberi, J. Robertson va boshqalar bor edi.

Protoplazma biokimyosi (1925 - 1929), Moskva davlat universiteti professori A. R. Kizelning molekulyar biologiyaning keyingi rivojlanishi uchun katta ahamiyatga ega bo'lgan tadqiqotlarini alohida ta'kidlab o'tish kerak. Kizel har qanday protoplazma maxsus oqsil tanasiga asoslangan, go'yo uning barcha muhim strukturaviy va funktsional xususiyatlarini belgilaydigan plitalarga asoslangan degan qat'iy fikrga zarba berdi. U plastinkalar faqat miksomitsetlarda, so'ngra rivojlanishning ma'lum bir bosqichida bo'lgan oqsil ekanligini va protoplazmada doimiy komponent - bitta skelet oqsili mavjud emasligini ko'rsatdi. Shunday qilib, protoplazmaning tuzilishi va oqsillarning funktsional roli muammosini o'rganish to'g'ri yo'l tutdi va uning rivojlanishi uchun keng qamrov oldi. Kiselning tadqiqotlari butun dunyoda e'tirofga sazovor bo'lib, hujayraning tarkibiy qismlari kimyosini o'rganishni rag'batlantirdi.

Birinchi marta ingliz kristallografi Lids universiteti professori V. Astberi tomonidan qo'llanilgan "molekulyar biologiya" atamasi, ehtimol, 1940-yillarning boshlarida (1945 yilgacha) paydo bo'lgan. 1930-yillarda Astberi tomonidan o'tkazilgan oqsillar va DNKning rentgen nurlari diffraktsiyasining fundamental tadqiqotlari ushbu biopolimerlarning ikkilamchi tuzilishini keyinchalik muvaffaqiyatli dekodlash uchun asos bo'lib xizmat qildi. 1963 yilda J. Bernal shunday deb yozgan edi: "Unga yodgorlik butun molekulyar biologiya - u nomlagan va haqiqatda asos solgan fan tomonidan o'rnatiladi" * , Adabiyotda bu atama birinchi marta, ehtimol, 1946 yilda paydo bo'lgan. U. Astberining inglizcha "Nature" jurnalida chop etilgan "Organik va fibrillyar birikmalarning rentgen difraksion tahlilining borishi" maqolasida ** . O'zining Harvey ma'ruzasida, Astberi (1950) ta'kidlagan: "Men molekulyar biologiya atamasi hozirda juda keng qo'llanilayotganidan mamnunman, garchi uni birinchi bo'lib taklif qilgan bo'lsam ham, bu menga yoqdi va uzoq vaqt davomida uni tarqatishga harakat qildim. ” ***. 1950 yilda Astberi molekulyar biologiya, birinchi navbatda, tirik organizmlarning faoliyatini tushunish uchun hal qiluvchi ahamiyatga ega bo'lgan makromolekulalarning tuzilishi va konformatsiyasi bilan shug'ullanishi aniq edi.

* (biogr. Mem. Hamkasblar Roy. Soc, 1963, v. 9, 29.)

** (W. T. Estberi. Organik va tolali tuzilmalarning rentgenologik tahlilining borishi.- Tabiat,. 1946, v. 157, 121.)

*** (W. T. Estberi. Molekulyar biologiyada sarguzashtlar. Tomas Springfild, 1952, p. 3.)

Molekulyar biologiya oldida, aslida, butun biologiya bilan bir xil vazifalar - hayotning mohiyatini va uning asosiy hodisalarini, xususan, irsiyat va o'zgaruvchanlikni bilish. Zamonaviy molekulyar biologiya, birinchi navbatda, genlarning tuzilishi va funktsiyasini, ontogenezning turli bosqichlarida va uni o'qishning turli bosqichlarida organizmlarning genetik ma'lumotlarini amalga oshirish usullari va mexanizmlarini ochishga mo'ljallangan. U genlar faolligi va hujayralar differentsiatsiyasini tartibga solishning nozik mexanizmlarini ochib berish, mutagenez tabiatini va evolyutsiya jarayonining molekulyar asoslarini yoritish uchun mo'ljallangan.

Nuklein kislotalarning genetik rolini aniqlash

Molekulyar biologiyaning rivojlanishi uchun quyidagi kashfiyotlar eng katta ahamiyatga ega edi. 1944-yilda amerikalik tadqiqotchilar O.Averi, K.Makleod (1923-yil Nobel mukofoti) va M.Makkarti pnevmokokklardan ajratilgan DNK molekulalari transformatsion faollikka ega ekanligini koʻrsatdi. Bu DNKlarni dezoksiribonukleaza ta'sirida gidroliz qilgandan so'ng, ularning transformatsion faolligi butunlay yo'qoldi. Shunday qilib, birinchi marta hujayradagi genetik funktsiyalarga ega bo'lgan oqsil emas, balki DNK ekanligi ishonchli tarzda isbotlandi.

Adolat uchun shuni ta'kidlash kerakki, bakterial transformatsiya hodisasi Averi, MakLeod va Makkarti kashfiyotidan ancha oldin kashf etilgan. 1928 yilda F. Griffit o'z maqolasini e'lon qildi, unda u inkapsullangan virulent shtammning o'ldirilgan hujayralarini virulent bo'lmagan (kapsullanmagan) pnevmokokklarga qo'shgandan so'ng, hosil bo'lgan hujayralar aralashmasi sichqonlar uchun o'limga olib kelishi haqida xabar berdi. Bundan tashqari, ushbu aralashma bilan kasallangan hayvonlardan ajratilgan jonli pnevmokokk hujayralari allaqachon virulent bo'lib, polisakkarid kapsulasiga ega edi. Shunday qilib, ushbu tajribada o'ldirilgan pnevmokokk hujayralarining ba'zi komponentlari ta'sirida bakteriyalarning kapsulalanmagan shakli kapsula hosil qiluvchi virulent shaklga aylanishi ko'rsatildi. O'n olti yil o'tgach, Averi, MakLeod va MakKarti ushbu tajribada o'ldirilgan pnevmokokk hujayralarini dezoksiribonuklein kislotasi bilan almashtirdilar va aynan DNK transformatsion faollikka ega ekanligini ko'rsatdilar (shuningdek, 7 va 25-boblarga qarang). Ushbu kashfiyotning ahamiyatini ortiqcha baholash qiyin. Bu dunyodagi ko'plab laboratoriyalarda nuklein kislotalarni o'rganishni rag'batlantirdi va olimlarni DNKga e'tibor berishga majbur qildi.

Averi, MakLeod va MakKartining kashfiyoti bilan bir qatorda, 1950-yillarning boshlariga kelib, nuklein kislotalarning hayotda alohida rol o'ynashi va genetik funktsiyani bajarishi to'g'risida juda ko'p miqdordagi to'g'ridan-to'g'ri va bilvosita dalillar to'plangan edi. Bu, xususan, hujayradagi DNK lokalizatsiyasining tabiati va R. Vendrelli (1948) ma'lumotlari shuni ko'rsatdiki, har bir hujayradagi DNK tarkibi qat'iy doimiy bo'lib, ploidlik darajasi bilan bog'liq: haploid jinsiy hujayralarda DNK. diploid somatik hujayralardagining yarmi. DNKning aniq metabolik barqarorligi ham DNKning genetik roli foydasiga guvohlik berdi. 1950-yillarning boshlariga kelib, ma'lum bo'lgan mutagen omillarning ko'pchiligi asosan nuklein kislotalarga va xususan, DNKga ta'sir qilishini ko'rsatadigan juda ko'p turli xil faktlar to'plangan edi (R. Hotchkiss, 1949; G. Ephrussi-Teylor, 1951; E. Freese, 1957 va boshqalar).

Nuklein kislotalarning genetik rolini aniqlashda turli faglar va viruslarni o'rganish alohida ahamiyatga ega edi. 1933 yilda D. Shlesinger ichak tayoqchasi bakteriofagida DNKni topdi. V.Stenli (1935, Nobel mukofoti, 1946) tamaki mozaikasi virusini (TMV) kristall holatda ajratib olgandan beri o‘simlik viruslarini o‘rganishning yangi bosqichi boshlandi. 1937-1938 yillarda. Rothamsted qishloq xo'jaligi stansiyasi (Angliya) xodimlari F. Bouden va N. Piri ular tomonidan ajratilgan ko'plab o'simlik viruslari globulinlar emas, balki ribonukleoproteinlar bo'lib, majburiy komponent sifatida nuklein kislotasi borligini ko'rsatdi. 40-yillarning boshida G. Shramm (1940), P. A. Agatov (1941), G. Miller va V. Stenli (1941) asarlari nashr etildi, bu protein komponentining sezilarli kimyoviy modifikatsiyasiga olib kelmasligini ko'rsatadi. TMV infektsiyasini yo'qotish. Bu ko'plab mikrobiologlar ishonishda davom etganidek, oqsil komponenti virusning irsiy xususiyatlarining tashuvchisi bo'la olmasligini ko'rsatdi. O'simlik viruslarida nuklein kislotaning (RNK) genetik roli foydasiga ishonchli dalillar 1956 yilda Tübingenda (FRG) G. Shramm va Kaliforniyada (AQSh) X. Frenkel-Konrat tomonidan olingan. Ushbu tadqiqotchilar deyarli bir vaqtning o'zida va bir-biridan mustaqil ravishda RNKni TMV dan ajratib olishdi va oqsil emas, balki u yuqumli xususiyatga ega ekanligini ko'rsatdilar: tamaki o'simliklarini ushbu RNK bilan yuqtirish natijasida ularda oddiy virus zarralari hosil bo'lgan va ko'paygan. Bu RNK barcha virus komponentlarini, shu jumladan virus oqsilini sintez qilish va yig'ish uchun ma'lumotni o'z ichiga olganligini anglatadi. 1968 yilda I. G. Atabekov oqsilning o'simliklarning infektsiyalanishida muhim rol o'ynashini aniqladi - oqsilning tabiati mezbon o'simliklar spektrini belgilaydi.

1957 yilda Frenkel-Konrat birinchi marta TMV ni uning tarkibiy qismlari - RNK va oqsildan qayta tiklashni amalga oshirdi. Oddiy zarrachalar bilan bir qatorda u aralash "duragaylar" oldi, ularda RNK bir shtammdan, oqsil esa boshqa shtammdan edi. Bunday duragaylarning irsiyati RNK tomonidan to'liq aniqlangan va viruslarning nasli RNKsi dastlabki aralash zarrachalarni olish uchun ishlatilgan shtammga tegishli edi. Keyinchalik A. Gierer, G. Shuster va G. Shramm (1958) va G. Vitman (1960 - 1966) tajribalari shuni ko'rsatdiki, TMV nuklein komponentining kimyoviy modifikatsiyasi ushbu virusning turli mutantlarining paydo bo'lishiga olib keladi.

1970-yilda D.Baltimor va G.Temin genetik maʼlumotlarning uzatilishi nafaqat DNK dan RNK ga, balki aksincha sodir boʻlishi mumkinligini aniqladilar. Ular ba'zi onkogen RNK o'z ichiga olgan viruslarda (onkornaviruslar) RNK zanjirlarida komplementar DNKni sintez qilishga qodir bo'lgan teskari transkriptaza deb ataladigan maxsus fermentni topdilar. Ushbu yirik kashfiyot RNK o'z ichiga olgan viruslarning genetik ma'lumotlarini xost genomiga kiritish mexanizmini tushunish va ularning onkogen ta'sirining tabiatiga yangicha qarash imkonini berdi.

Nuklein kislotalarning ochilishi va xossalarini o'rganish

Nuklein kislotalar atamasi 1889 yilda nemis biokimyogari R. Altman tomonidan kiritilgan, bu birikmalar 1869 yilda shveytsariyalik shifokor F. Misher tomonidan kashf etilgandan keyin. Misher bir necha hafta davomida suyultirilgan xlorid kislotasi bilan yiringli hujayralarni ajratib oldi va qolgan qismida deyarli sof yadroviy material oldi. U bu materialni hujayra yadrolarining xarakterli "moddasi deb hisobladi va uni nuklein deb atadi. Nuklein oʻz xossalariga koʻra oqsillardan keskin farq qilar edi: u koʻproq kislotali, tarkibida oltingugurt boʻlmagan, lekin tarkibida fosfor koʻp boʻlgan, u oson eriydi. ishqorlarda, lekin suyultirilgan kislotalarda erimaydi.

Misher nuklein boʻyicha oʻz kuzatuvlari natijalarini jurnalda chop etish uchun F.Goppe-Seylerga yubordi. U ta'riflagan modda juda g'ayrioddiy edi (o'sha paytda barcha biologik fosforli birikmalardan faqat lesitin ma'lum edi) Goppe-Seyler Misherning tajribalariga ishonmadi, qo'lyozmani unga qaytarib berdi va xodimlari N. Plosh va N. Lyubavinga ko'rsatma berdi. boshqa materiallar bo'yicha xulosalarini tekshiring. Misherning "Yiringli hujayralarning kimyoviy tarkibi haqida" ishi ikki yildan so'ng (1871) nashr etildi. Shu bilan birga, Goppe-Seyler va uning hamkorlarining yiringli hujayralar, qushlarning eritrotsitlari, ilonlar va boshqa hujayralar tarkibiga oid asarlari nashr etildi. Keyingi uch yil ichida nuklein hayvonlar hujayralari va xamirturushdan ajratildi.

Misher o'z ishida turli nukleinlarni batafsil o'rganish ular o'rtasidagi tafovutlarni o'rnatishga olib kelishi mumkinligini ta'kidladi va shu bilan nuklein kislotalarning o'ziga xosligi haqidagi g'oyani kutadi. Misher qizil ikra sutini o'rganayotib, ulardagi nuklein tuz shaklida ekanligini va u protamin deb atagan asosiy oqsil bilan bog'liqligini aniqladi.

1879 yilda A. Kossel Goppe-Seyler laboratoriyasida nukleinlarni o'rganishga kirishdi. 1881 yilda u gipoksantinni nukleindan ajratib oldi, ammo o'sha paytda u bu asosning kelib chiqishiga hali ham shubha qildi va gipoksantin oqsillarning parchalanish mahsuloti bo'lishi mumkinligiga ishondi. 1891 yilda nuklein gidrolizi mahsulotlari orasida Kossel adenin, guanin, fosfor kislotasi va shakar xossalariga ega bo'lgan boshqa moddalarni topdi. Nuklein kislotalar kimyosi bo'yicha tadqiqotlari uchun Kossel 1910 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.

Nuklein kislotalarning strukturasini ochishdagi keyingi taraqqiyot P. Levin va uning hamkasblarining (1911 - 1934) tadqiqotlari bilan bog'liq. 1911 yilda P. Levin va V. Jacobs adenozin va guanozinning karbongidrat komponentini aniqladilar; ular bu nukleozidlarda D-riboza borligini aniqladilar. 1930 yilda Levin dezoksiribonukleozidlarning uglevod komponenti 2-deoksi-D-riboza ekanligini ko'rsatdi. Uning ishidan nuklein kislotalar nukleotidlardan, ya'ni fosforlangan nukleozidlardan tuzilganligi ma'lum bo'ldi. Levin nuklein kislotalardagi (RNK) bog'lanishning asosiy turi 2", 5" fosfodiester bog'lanishi deb hisoblagan. Bu tushuncha noto'g'ri bo'lib chiqdi. Ingliz kimyogari A.Todd (Nobel mukofoti, 1957) va uning hamkasblari hamda ingliz biokimyogarlari R.Marxem va J.Smitning mehnatlari tufayli 50-yillarning boshida RNKdagi asosiy bog‘lanish turi ma’lum bo‘ldi. 3", 5" - fosfodiester bog'lanishi.

Levin turli nuklein kislotalar uglevod komponentining tabiatiga ko'ra farq qilishi mumkinligini ko'rsatdi: ularning ba'zilarida shakar dezoksiriboza, boshqalari esa riboza mavjud. Bundan tashqari, bu ikki turdagi nuklein kislotalar asoslardan birining tabiatiga ko'ra farqlanadi: pentoza tipidagi nuklein kislotalar tarkibida urasil, deoksipentoza tipidagi nuklein kislotalarda timin mavjud edi. Deoksipentoza nuklein kislotasi (zamonaviy terminologiyada, dezoksiribonuklein kislotasi - DNK) odatda buzoqlarning timusidan (shirin bez) ko'p miqdorda osongina ajratilgan. Shuning uchun u timonuklein kislotasi deb ataldi. Pentoza tipidagi nuklein kislotaning (RNK) manbai asosan xamirturush va bug'doy urug'i edi. Ushbu tur ko'pincha xamirturush nuklein kislotasi deb ataladi.

1930-yillarning boshlarida o'simlik hujayralari xamirturush tipidagi nuklein kislota bilan tavsiflanadi degan tushuncha ancha mustahkam o'rnashgan bo'lsa, timonuklein kislotasi faqat hayvonlar hujayralarining yadrolariga xos edi. Nuklein kislotalarning ikki turi, RNK va DNK keyinchalik mos ravishda o'simlik va hayvon nuklein kislotalari deb ataldi. Biroq, A. N. Belozerskiyning dastlabki tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, nuklein kislotalarning bunday bo'linishi asossizdir. 1934 yilda Belozerskiy birinchi marta o'simlik hujayralarida timonuklein kislotasini topdi: no'xat ko'chatlaridan DNKga xos bo'lgan timin-pirimidin asosini ajratib oldi va aniqladi. Keyin u boshqa o'simliklarda (soya urug'i, loviya) timinni topdi. 1936 yilda A. N. Belozerskiy va I. I. Dubrovskaya ot kashtan ko'chatlaridan DNK ni preparativ ravishda ajratib olishdi. Bundan tashqari, 1940-yillarda Angliyada D. Devidson va uning hamkasblari tomonidan olib borilgan bir qator tadqiqotlar o'simlik nuklein kislotasi (RNK) ko'plab hayvonlar hujayralarida mavjudligini ishonchli tarzda ko'rsatdi.

R. Felgen va G. Rosenbek (1924) tomonidan ishlab chiqilgan DNK uchun sitokimyoviy reaksiyaning keng qo'llanilishi va J. Brachetning (1944) RNKga bo'lgan reaktsiyasi ushbu nukleinlarning imtiyozli lokalizatsiyasi masalasini tez va aniq hal qilish imkonini berdi. hujayradagi kislotalar. Ma'lum bo'lishicha, DNK yadroda, RNK esa asosan sitoplazmada to'plangan. Keyinchalik RNK sitoplazmada ham, yadroda ham borligi aniqlandi va bundan tashqari sitoplazmatik DNK aniqlandi.

Nuklein kislotalarning birlamchi tuzilishi masalasiga kelsak, 1940-yillarning oʻrtalariga kelib, P.Levinning gʻoyasi fanda mustahkam oʻrin oldi, unga koʻra barcha nuklein kislotalar bir xil turga koʻra qurilgan va bir xil tetranukleotidlardan iborat. bloklar. Bu bloklarning har biri, Levinning fikriga ko'ra, to'rt xil nukleotidni o'z ichiga oladi. Nuklein kislotalarning tuzilishining tetranukleotid nazariyasi asosan bu biopolimerlarni o'ziga xoslikdan mahrum qildi. Shu sababli, o'sha paytda tirik mavjudotlarning barcha o'ziga xos xususiyatlari faqat monomerlarining tabiati ancha xilma-xil (20 ta aminokislotalar) bo'lgan oqsillar bilan bog'liq bo'lganligi ajablanarli emas.

Nuklein kislotalarning tetranukleotid tuzilishi nazariyasidagi birinchi bo'shliq ingliz kimyogari J.Gulandning (1945 - 1947) analitik ma'lumotlari bilan yuzaga keldi. Nuklein kislotalarning tarkibini asos azot bilan aniqlaganda, u Levin nazariyasiga ko'ra bo'lishi kerak bo'lgan asoslarning ekvimolyar nisbatini olmadi. Nihoyat, E. Chargaff va uning hamkorlari (1949 - 1951) tadqiqotlari natijasida nuklein kislotalar tuzilishining tetranukleotid nazariyasi barbod bo'ldi. Chargaff kislota gidrolizi natijasida DNKdan ajralib chiqqan asoslarni ajratish uchun qog'oz xromatografiyasidan foydalangan. Ushbu asoslarning har biri spektrofotometrik tarzda aniq aniqlangan. Chargaff turli xil kelib chiqishi DNKdagi asoslarning ekvimolyar nisbatidan sezilarli og'ishlarni sezdi va birinchi marta DNKning aniq tur o'ziga xosligiga ega ekanligini aniq ta'kidladi. Bu tirik hujayradagi oqsil o'ziga xosligi tushunchasining gegemonligiga barham berdi. Turli xil kelib chiqishi DNKlarini tahlil qilib, Chargaff DNK tarkibining noyob naqshlarini topdi va shakllantirdi, bu Chargaff qoidalari nomi bilan fanga kirdi. Bu qoidalarga ko'ra, barcha DNKda kelib chiqishidan qat'iy nazar adenin miqdori timin miqdoriga (A = T), guanin miqdori sitozin miqdoriga (G = C), purinlar pirimidinlar miqdoriga teng (G + A = C + T), 6-amino guruhi bo'lgan asoslar miqdori 6-keto guruhlari (A + C = G + T) bilan asoslar soniga teng. Biroq, bunday qat'iy miqdoriy yozishmalarga qaramay, DNK turli xil turlari A + T: G + C nisbatining kattaligi bilan farqlanadi. Ayrim DNKda guanin va sitozin miqdori adenin va timin miqdoridan ustun turadi (Chargaff bu DNKni GC tipidagi DNK deb atagan); boshqa DNKlar guanin va sitozinga qaraganda ko'proq adenin va timinni o'z ichiga olgan (bu DNKlar AT tipidagi DNK deb nomlangan). Chargaff tomonidan DNK tarkibi to'g'risida olingan ma'lumotlar molekulyar biologiyada alohida rol o'ynadi. Aynan ular 1953 yilda J. Uotson va F. Krik tomonidan yaratilgan DNK tuzilishini ochishga asos bo'ldi.

1938-yilda U.Astberi va F.Bell rentgen difraksion tahlilidan foydalanib, DNKdagi asos tekisliklari molekulaning uzun oʻqiga perpendikulyar boʻlishi va goʻyo tepada yotgan plastinkalar toʻplamiga oʻxshab turishi kerakligini koʻrsatdi. bir-biridan. 1952 - 1953 yillarga kelib, rentgen nurlanishini tahlil qilish texnikasi takomillashtirildi. individual bog'lanishlarning uzunligi va moyillik burchaklarini baholashga imkon beradigan to'plangan ma'lumotlar. Bu DNK molekulasining shakar-fosfat magistralidagi pentoza qoldiqlari halqalarining yo'nalishini eng katta ehtimollik bilan ifodalash imkonini berdi. 1952 yilda S.Farberg DNKning ikkita spekulyativ modelini taklif qildi, ular o'z-o'zidan buklangan yoki o'ralgan bir zanjirli molekulani ifodalaydi. DNK tuzilishining bundan kam bo'lmagan spekulyativ modeli 1953 yilda L. Pauling (Nobel mukofoti sovrindori, 1954) va R. Kori tomonidan taklif qilingan. Ushbu modelda DNKning uchta buralgan iplari uzun spiralni hosil qildi, uning yadrosi fosfat guruhlari bilan ifodalangan va asoslar uning tashqarisida joylashgan. 1953 yilga kelib, M. Uilkins va R. Franklin DNKning aniqroq rentgen nurlari diffraktsiya naqshlarini oldi. Ularning tahlili Farberg, Pauling va Kori modellarining to'liq muvaffaqiyatsizligini ko'rsatdi. Chargaff ma'lumotlaridan foydalanib, alohida monomerlarning molekulyar modellarining turli kombinatsiyalarini va rentgen nurlarining diffraktsiya ma'lumotlarini taqqoslab, 1953 yilda J. Uotson va F. Krik DNK molekulasi ikki zanjirli spiral bo'lishi kerak degan xulosaga kelishdi. Chargaff qoidalari tavsiya etilgan DNK modelidagi bazalarning mumkin bo'lgan tartiblangan birikmalari sonini keskin cheklab qo'ydi; ular Uotson va Krikka DNK molekulasida o'ziga xos asos juftligi - adenin bilan timin va guanin bilan sitozin bo'lishi kerakligini taklif qilishdi. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, DNKning bir zanjiridagi adenin har doim boshqa zanjirdagi timinga, bir zanjirdagi guanin esa ikkinchisidagi sitozinga mutlaqo to'g'ri keladi. Shunday qilib, Uotson va Krik birinchi bo'lib DNKning komplementar tuzilishining o'ta muhim printsipini ishlab chiqdilar, unga ko'ra bir DNK zanjiri boshqasini to'ldiradi, ya'ni bir zanjirning asosiy ketma-ketligi boshqa (to'ldiruvchi) zanjirdagi asosiy ketma-ketlikni yagona tarzda aniqlaydi. . Ma'lum bo'ldiki, DNKning o'zidayoq uning aniq ko'payishi uchun potentsial mavjud. DNK tuzilishining ushbu modeli hozirda umumiy qabul qilingan. Krik, Uotson va Uilkins 1962 yilda DNK tuzilishini dekodlash uchun Nobel mukofoti bilan taqdirlangan.

Ta'kidlash joizki, makromolekulalarni aniq ko'paytirish va irsiy ma'lumotni uzatish mexanizmi g'oyasi mamlakatimizda paydo bo'lgan. 1927 yilda N. K. Koltsov hujayraning ko'payishi jarayonida molekulalarning ko'payishi mavjud ota-molekulalarning aniq avtokatalitik ko'payishi bilan sodir bo'lishini taklif qildi. To'g'ri, o'sha paytda Koltsov bu xususiyatni DNK molekulalari bilan emas, balki o'sha paytda funktsional ahamiyati noma'lum bo'lgan oqsil tabiatining molekulalari bilan ta'minlagan. Shunga qaramay, makromolekulalarning avtokatalitik ko'payishi va irsiy xususiyatlarning uzatilish mexanizmi g'oyasi bashoratli bo'lib chiqdi: bu zamonaviy molekulyar biologiyaning etakchi g'oyasiga aylandi.

A. N. Belozerskiy laboratoriyasida A. S. Spirin, G. N. Zaitseva, B. F. Vanyushin, S. O. Uryson, A. S. Antonov va boshqalar tomonidan o'tkazilgan organizmlarning xilma-xilligi Chargaff tomonidan kashf etilgan naqshlarni to'liq tasdiqladi va DNK tuzilishining molekulyar modeliga to'liq mos kelishini W. DNK tomonidan taklif qilingan. va Krik. Bu tadqiqotlar turli bakteriyalar, zamburug'lar, suv o'tlari, aktinomitsetlar, yuqori o'simliklar, umurtqasizlar va umurtqali hayvonlarning DNKsi o'ziga xos tarkibga ega ekanligini ko'rsatdi. Tarkibdagi farqlar (AT-asos juftlarining tarkibi) ayniqsa mikroorganizmlarda sezilarli bo'lib, muhim taksonomik xususiyatga aylanadi. Yuqori o'simliklar va hayvonlarda DNK tarkibidagi turlarning xilma-xilligi kamroq aniqlanadi. Ammo bu ularning DNKsi kamroq aniq ekanligini anglatmaydi. Asoslarning tarkibiga qo'shimcha ravishda, o'ziga xoslik asosan ularning DNK zanjirlaridagi ketma-ketligi bilan belgilanadi.

Odatdagi asoslar bilan bir qatorda DNK va RNKda qo'shimcha azotli asoslar topilgan. Shunday qilib, G. Uayt (1950) o'simliklar va hayvonlarning DNKsida 5-metilsitozinni, D. Dann va J. Smit (1958) esa ba'zi DNKlarda metillangan adeninni topdi. Uzoq vaqt davomida metilsitozin yuqori organizmlarning genetik materialining o'ziga xos belgisi hisoblangan. 1968 yilda A. N. Belozerskiy, B. F. Vanyushin va N. A. Kokurina uni bakteriyalar DNKsida ham topish mumkinligini aniqladilar.

1964 yilda M. Gold va J. Xurvits DNKning tabiiy modifikatsiyasini - uning metilatsiyasini amalga oshiruvchi fermentlarning yangi sinfini kashf etdilar. Ushbu kashfiyotdan so'ng, sitozin va adenin qoldiqlarining maxsus ketma-ketlikda o'ziga xos metilatsiyasi natijasida tayyor DNK polinukleotid zanjirida kichik (oz miqdorda mavjud) asoslar paydo bo'lishi aniq bo'ldi. Xususan, B. F. Vanyushin, Ya. I. Buryanov va A. N. Belozerskiy (1969) fikricha, E. coli DNKsida adenin metilatsiyasi yakunlovchi kodonlarda sodir boʻlishi mumkin. A. N. Belozerskiy va uning hamkasblari (1968 - 1970), shuningdek M. Meselson (AQSh) va V. Arber (Shveytsariya) (1965 - 1969) ma'lumotlariga ko'ra, metillanish DNK molekulalariga o'ziga xos individual xususiyatlar beradi va ta'siri bilan birgalikda. maxsus nukleazalar, hujayradagi DNK sintezini boshqaradigan murakkab mexanizmning bir qismidir. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, ma'lum bir DNKning metilatsiyasining tabiati uning ma'lum bir hujayrada ko'payishi mumkinmi degan savolni oldindan belgilaydi.

Deyarli bir vaqtning o'zida DNK metilazalari va restriksion endonukleazlarni izolyatsiya qilish va intensiv o'rganish boshlandi; 1969-1975 yillarda bu fermentlarning ayrimlari tomonidan DNKda tan olingan nukleotidlar ketma-ketligi aniqlangan (X. Boyer, X. Smit, S. Lin, K. Myurrey). Turli DNKlar cheklovchi ferment yordamida gidrolizlanganda, uchlari bir xil “yopishqoq” bo‘lgan ancha katta bo‘laklar ajralib chiqadi. Bu kichik viruslarda (D. Nathans, S. Adler, 1973 - 1975) bo'lgani kabi, nafaqat genlarning tuzilishini tahlil qilish, balki turli xil genomlarni qurish imkonini beradi. Ushbu o'ziga xos cheklovchi fermentlarning kashf etilishi bilan genetik muhandislik aniq haqiqatga aylandi. Kichik plazmid DNKga singdirilgan turli xil kelib chiqishi genlari allaqachon turli hujayralarga osongina kiritilgan. Shunday qilib, ma'lum antibiotiklarga qarshilik ko'rsatadigan yangi turdagi biologik faol plazmidlar olindi (S. Koen, 1973), qurbaqa va drozofilaning ribosoma genlari ichak tayoqchasi plazmidlariga kiritildi (J. Morrow, 1974; X. Boyer, D. Xogness, R. Devis, 1974 - 1975). Shunday qilib, turli genlarni genofondga kiritish va integratsiya qilish orqali tubdan yangi organizmlarni olishning haqiqiy yo'llari ochiq. Bu kashfiyot butun insoniyat manfaatiga qaratilgan bo'lishi mumkin.

1952 yilda G. Uayt va S. Koen T-juft faglarning DNKsida noodatiy asos - 5-gidroksimetilsitozin mavjudligini aniqladilar. Keyinchalik, E. Volkin va R. Sinsheymer (1954) va Koen (1956) ishlaridan ma'lum bo'ldiki, gidroksimetilsitozin qoldiqlari to'liq yoki qisman glyukozidlanishi mumkin, buning natijasida fag DNK molekulasi gidrolitik ta'sirdan himoyalangan. nukleazlar.

1950-yillarning boshlarida D. Dann va J. Smit (Angliya), S. Zamenhof (AQSh) va A. Vaker (Germaniya) asarlaridan ma'lum bo'ldiki, ko'plab sun'iy asos analoglari DNKga kiritilishi mumkin, ba'zan esa o'rnini bosadi. 50% gacha timin. Qoida tariqasida, bu almashtirishlar DNK replikatsiyasi, transkripsiyasi va tarjimasidagi xatolarga va mutantlarning paydo bo'lishiga olib keladi. Shunday qilib, J. Marmur (1962) ba'zi faglarning DNKsida timin o'rniga oksimetilurasil borligini aniqladi. 1963 yilda I. Takaxashi va J. Marmur faglardan birining DNKsida timin o'rniga urasil borligini aniqladilar. Shunday qilib, nuklein kislotalar ilgari ajratilgan yana bir printsip qulab tushdi. P. Levin ishlagan vaqtdan boshlab, timin DNKning, urasil esa RNKning o'ziga xos belgisidir, deb hisoblangan. Bu belgi har doim ham ishonchli emasligi aniq bo'ldi va ikki turdagi nuklein kislotalarning kimyoviy tabiatidagi asosiy farq, bugungi kunda ko'rinib turganidek, faqat uglevod komponentining tabiati.

Faglarni o'rganishda nuklein kislotalarning tashkil etilishining ko'plab noodatiy xususiyatlari ochildi. 1953 yildan beri barcha DNK ikki zanjirli chiziqli molekulalar, RNK esa faqat bitta zanjirli ekanligiga ishoniladi. Bu pozitsiya 1961 yilda R. Sinsheymer ph X 174 fagining DNKsi bir zanjirli aylana molekula bilan ifodalanganligini aniqlaganida sezilarli darajada silkindi. Biroq, keyinchalik ma'lum bo'ldiki, bu shaklda bu DNK faqat vegetativ fag zarrachasida mavjud va bu fag DNKsining replikativ shakli ham ikki ipli. Bundan tashqari, ba'zi viruslarning RNKsi ikki zanjirli bo'lishi mumkinligi juda kutilmagan bo'lib chiqdi. RNK makromolekulyar tashkilotining bu yangi turi 1962 yilda P. Gomatos, I. Tamm va boshqa tadqiqotchilar tomonidan hayvonlarning ayrim viruslarida va oʻsimliklar yarasi oʻsimtasi virusida topilgan. Yaqinda V. I. Agol va A. A. Bogdanov (1970) chiziqli RNK molekulalaridan tashqari yopiq yoki tsiklik molekulalar ham mavjudligini aniqladilar. Ular siklik ikki zanjirli RNKni, xususan, ensefalomyelokardit virusini aniqladilar. X. Devio, L. Tinoko, T. I. Tixonenko, E. I. Budovskiy va boshqalarning (1960 - 1974) ishlari tufayli bakteriofaglarda genetik materialni tashkil etish (yotqizish)ning asosiy xususiyatlari ma'lum bo'ldi.

1950-yillarning oxirida amerikalik olim P.Doti qizdirish DNK denaturatsiyasiga olib kelishini aniqladi, bu esa asos juftlari orasidagi vodorod aloqalarining uzilishi va komplementar zanjirlarning ajralishi bilan kechadi. Bu jarayon "spiral-spiral" fazali o'tish xarakteriga ega va kristallarning erishiga o'xshaydi. Shuning uchun Doti DNK DNK erishining termal denaturatsiyasi jarayonini chaqirdi. Sekin sovutish bilan molekulalarning renaturatsiyasi, ya'ni bir-birini to'ldiruvchi yarmlarning birlashishi sodir bo'ladi.

1960 yilda renaturatsiya tamoyili J. Marmur va K. Shildkraut tomonidan turli mikroorganizmlar DNKsining «gibridlanish» darajasini aniqlash uchun ishlatilgan. Keyinchalik, E. Bolton va B. Makkarti DNK-agar ustunlari deb ataladigan usulni taklif qilish orqali ushbu texnikani takomillashtirdilar. Bu usul turli DNK nukleotidlar ketma-ketligining homologiyasi darajasini o'rganish va turli organizmlarning genetik munosabatlarini yoritishda ajralmas bo'lib chiqdi. J. Mandel va A. Xershey * (1960) tomonidan tasvirlangan metillangan albumin bo'yicha xromatografiya va zichlik gradientida sentrifugalash (usul 1957 yilda M. Meselson, F. Stahl va boshqalar tomonidan ishlab chiqilgan) bilan birgalikda Doty tomonidan kashf etilgan DNKning denaturatsiyasi. D.Vinograd) alohida komplementar DNK zanjirlarini ajratish, izolyatsiya qilish va tahlil qilish uchun keng qo'llaniladi Masalan, V. Shibalskiy (AQSh) lambda fagining DNKsini ajratish uchun ushbu usullardan foydalangan holda 1967 - 1969 yillarda ikkala fag zanjiri ham bir xil ekanligini ko'rsatdi. genetik jihatdan faol va bitta emas, chunki bu (S. Spiegelman, 1961). Shuni ta'kidlash kerakki, lambda fagining ikkala DNK zanjirining genetik ahamiyati haqidagi g'oya birinchi marta SSSRda SE Bresler (1961) tomonidan ifodalangan.

* (Bakteriyalar va viruslar genetikasi bo'yicha olib borgan ishlari uchun A. Xershey M. Delbryuk va S. Luriya bilan birgalikda 1969 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.)

Genomning tashkil etilishi va funktsional faolligini tushunish uchun DNK nukleotidlari ketma-ketligini aniqlash katta ahamiyatga ega. Bunday aniqlash usullarini izlash dunyoning ko'plab laboratoriyalarida olib boriladi. 1950-yillarning oxiridan boshlab M.Bir va uning hamkorlari AQSHda elektron mikroskop yordamida DNK ketma-ketligini oʻrnatishga harakat qilishdi, ammo hozircha muvaffaqiyatga erisha olmadi. 1950-yillarning boshida Sinsheymer, Chargaff va boshqa tadqiqotchilarning DNKning fermentativ degradatsiyasiga oid birinchi ishlaridan ma'lum bo'ldiki, DNK molekulasidagi turli nukleotidlar tasodifiy bo'lmasa-da, lekin notekis ravishda taqsimlanadi. Ingliz kimyogari C. Barton (1961) ma'lumotlariga ko'ra, pirimidinlar (70% dan ortiq) asosan mos keladigan bloklar shaklida to'plangan. A. L. Mazin va B. F. Vanyushinlar (1968 - 1969) turli DNKlarning pirimidin birikish darajasi har xil ekanligini va hayvon organizmlari DNKsida u pastdan yuqoriga qarab sezilarli darajada oshishini aniqladilar. Shunday qilib, organizmlar evolyutsiyasi ularning genomlari tuzilishida ham namoyon bo'ladi. Shuning uchun evolyutsiya jarayonini bir butun sifatida tushunish uchun nuklein kislotalarning tuzilishini qiyosiy o'rganish alohida ma'no. Biologik ahamiyatga ega polimerlarning tuzilishini va birinchi navbatda DNKni tahlil qilish filogenetik va taksonomiyaning ko'plab alohida muammolarini hal qilish uchun juda muhimdir.

Shunisi qiziqki, mollyuskalarning gemoglobinlarini o‘rgangan ingliz fiziologi E.Lankester roppa-rosa 100 yil avval molekulyar biologiya g‘oyalarini oldindan bilgan holda shunday yozgan edi: “Hayvon va o‘simliklarning turli turlari va avlodlari o‘rtasidagi kimyoviy tafovutlar ham xuddi shunday muhim ahamiyatga ega. ularning paydo bo'lish tarixi ularning shakli sifatida.Agar biz organizmlarning molekulyar tashkil etilishi va faoliyatidagi farqlarni aniq belgilab olsak, turli organizmlarning kelib chiqishi va evolyutsiyasini morfologik kuzatishlar asosidagidan ko'ra ancha yaxshi tushungan bo'lar edik "* . Taksonomiya uchun biokimyoviy tadqiqotlarning ahamiyatini VL Komarov ham ta'kidlab o'tgan va u "biz turlarni tasniflaydigan va o'rnatadigan barcha hatto sof morfologik xususiyatlarning asosini aynan biokimyoviy farqlar tashkil qiladi" ** , deb yozgan.

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

** (V. L. Komarov. Tanlangan asarlar, 1-jild. M.-L., SSSR Fanlar akademiyasi nashriyoti, 1945, 331-bet.)

A. V. Blagoveshchenskiy va S. L. Ivanov 1920-yillarda mamlakatimizda organizmlar evolyutsiyasi va sistematikasining ayrim masalalarini ularning biokimyoviy tarkibini qiyosiy tahlil qilish asosida yoritish uchun birinchi qadamlarni qo'yishdi (2-bobga qarang). Oqsillar va nuklein kislotalarning strukturasini qiyosiy tahlil qilish hozirgi vaqtda taksonomlar uchun tobora aniq vositaga aylanib bormoqda (21-bobga qarang). Molekulyar biologiyaning bu usuli nafaqat pozitsiyani aniqlashtirishga imkon beradi ba'zi turlari tizimda, balki bizni organizmlarni tasniflash tamoyillariga yangicha qarashga va ba'zan butun tizimni, masalan, mikroorganizmlar sistematikasi bilan sodir bo'lganidek, qayta ko'rib chiqishga majbur qiladi. Shubhasiz, kelajakda genomning tuzilishini tahlil qilish organizmlar kimyosistematikasida markaziy o'rinni egallaydi.

DNK replikatsiyasi va transkripsiyasi mexanizmlarini dekodlash molekulyar biologiyaning rivojlanishi uchun katta ahamiyatga ega edi (24-bobga qarang).

Protein biosintezi

Oqsil biosintezi muammosini hal qilishda muhim siljish nuklein kislotalarni o'rganishdagi yutuqlar bilan bog'liq. 1941 yilda T. Kasperson (Shvetsiya) va 1942 yilda J. Brachet (Belgiya) faol oqsil sinteziga ega bo'lgan to'qimalarda RNKning ortib borayotgan miqdori borligiga e'tibor qaratdi. Ular ribonuklein kislotalar oqsil sintezida hal qiluvchi rol o‘ynaydi degan xulosaga kelishdi. 1953 yilda E. Geyl va D. Foks RNKning oqsil biosintezida bevosita ishtirok etishi to'g'risida to'g'ridan-to'g'ri dalillarni olgan ko'rinadi: ularning ma'lumotlariga ko'ra, ribonukleaza bakterial hujayra lizatlarida aminokislotalarning birikishini sezilarli darajada bostirdi. Xuddi shunday ma'lumotlar V.Olfri, M.Dehli va A.Mirskiy (1953) tomonidan jigar gomogenatlari bo'yicha olingan. Keyinchalik E.Geyl oqsil sintezidagi RNKning yetakchi roli haqida aytgan toʻgʻri fikrni rad etib, hujayrasiz tizimda oqsil sintezining faollashishi nomaʼlum tabiatga ega boʻlgan boshqa moddaning taʼsirida sodir boʻladi, deb yanglishib hisobladi. 1954 yilda P. Zamechnik, D. Littlefield, R. B. Xesin-Lurie va boshqalar aminokislotalarning eng faol qo'shilishi hujayra osti zarrachalarining RNKga boy fraktsiyalarida - mikrosomalarda sodir bo'lishini aniqladilar. P. Zamechnik va E. Keller (1953 - 1954) ATP regeneratsiyasi sharoitida supernatant ishtirokida aminokislotalarning qo'shilishi sezilarli darajada kuchayganligini aniqladilar. P. Sikevits (1952) va M. Hoagland (1956) mikrosomalarga aminokislotalarning kiritilishini keskin rag'batlantirish uchun mas'ul bo'lgan supernatantdan oqsil fraktsiyasini (pH 5 fraktsiyasi) ajratib oldilar. Proteinlar bilan bir qatorda past molekulyar og'irlikdagi RNKlarning maxsus klassi, hozirda transfer RNK (tRNK) deb ataladigan supernatantda topilgan. 1958 yilda Xogland va Zamechnik, shuningdek, P. Berg, R. Svit va F. Allen va boshqa ko'plab tadqiqotchilar har bir aminokislota faollashishi uchun o'ziga xos maxsus ferment, ATP va o'ziga xos tRNKni talab qilishini aniqladilar. tRNKlar faqat adapterlar, ya'ni paydo bo'lgan oqsil molekulasidagi tegishli aminokislotalar uchun nuklein matritsada (mRNK) joy topadigan qurilmalar vazifasini bajarishi aniq bo'ldi. Ushbu tadqiqotlar F. Krikning (1957) adapter gipotezasini to'liq tasdiqladi, bu esa hujayrada sintezlangan oqsilning aminokislotalar qoldiqlarini nuklein matritsada to'g'ri joylashishi uchun zarur bo'lgan polinukleotid adapterlarining mavjudligini ta'minladi. Keyinchalik fransuz olimi F.Chapvil (1962) AQSHdagi F.Lipman (Nobel mukofoti, 1953) laboratoriyasida aminokislotalarning sintezlangan oqsil molekulasidagi joylashuvi to‘liq aniqlanishini juda mohirlik bilan va aniq ko‘rsatdi. u biriktirilgan o'ziga xos tRNK. Krikning adapter gipotezasi Xoagland va Zamechnik tomonidan ishlab chiqilgan.

1958 yilga kelib, oqsil sintezining quyidagi asosiy bosqichlari ma'lum bo'ldi: 1) aminoatsil adenilat hosil bo'lishi bilan ATP ishtirokida "pH 5 fraktsiyasi" dan ma'lum bir ferment tomonidan aminokislota faollashishi; 2) adenozin monofosfat (AMP) ajralib chiqishi bilan faollashtirilgan aminokislotaning o'ziga xos tRNKga biriktirilishi; 3) aminoatsil-tRNKning (aminokislota bilan yuklangan tRNK) mikrosomalar bilan bog'lanishi va aminokislotalarning tRNK ajralib chiqishi bilan oqsilga qo'shilishi. Hoagland (1958) guanozin trifosfat (GTP) oqsil sintezining oxirgi bosqichida zarurligini ta'kidladi.

Transfer RNKlari va gen sintezi

tRNKlar kashf etilgandan so'ng, ularning fraksiyasi va nukleotidlar ketma-ketligini aniqlash uchun faol izlanishlar boshlandi. Amerikalik biokimyogar R. Xolli eng katta muvaffaqiyatga erishdi. 1965 yilda xamirturushdan alanin tRNK tuzilishini yaratdi. Xolli ribonukleazlardan (guanil RNase va pankreatik RNase) foydalanib, nuklein kislota molekulasini bir necha bo'laklarga ajratdi, ularning har biridagi nukleotidlar ketma-ketligini alohida aniqladi va keyin butun alanin tRNK molekulasining ketma-ketligini qayta tikladi. Nukleotidlar ketma-ketligini tahlil qilishning bunday usuli blok usuli deb ataladi. Xollining xizmati, asosan, u RNK molekulasini undan oldin ko'pchilik qilganidek, nafaqat kichik bo'laklarga, balki katta bo'laklarga (chorak va yarim) bo'lishni o'rganganligidan iborat edi. Bu unga alohida kichik qismlarni to'g'ri yig'ish va shu bilan butun tRNK molekulasining to'liq nukleotidlar ketma-ketligini qayta yaratish imkoniyatini berdi (Nobel mukofoti, 1968).

Ushbu texnika darhol dunyodagi ko'plab laboratoriyalar tomonidan qabul qilindi. Keyingi ikki yil ichida SSSRda va xorijda bir nechta tRNKlarning birlamchi tuzilishi dekodlangan. A. A. Baev (1967) va hamkasblari birinchi marta xamirturush valin tRNKida nukleotidlar ketma-ketligini o'rnatdilar. Bugungi kunga qadar o'ndan ortiq turli xil individual tRNKlar o'rganilgan. Nukleotidlar ketma-ketligini aniqlashda o'ziga xos rekord Kembrijda F. Senger va G. Braunli tomonidan o'rnatildi. Bu tadqiqotchilar oligonukleotidlarni ajratish va E. coli hujayralaridan 5 S (ribosoma) RNK deb ataladigan sekvensiyalashning hayratlanarli darajada oqlangan usulini ishlab chiqdilar (1968). Ushbu RNK 120 ta nukleotid qoldiqlaridan iborat va tRNKdan farqli o'laroq, qo'shimcha kichik asoslarni o'z ichiga olmaydi, bu nukleotidlar ketma-ketligini tahlil qilishni sezilarli darajada osonlashtiradi va molekulaning alohida bo'laklari uchun noyob belgilar bo'lib xizmat qiladi. Hozirgi vaqtda Sanger va Braunli usulidan foydalanish tufayli J. Ebel (Fransiya) va boshqa tadqiqotchilar laboratoriyasida uzun ribosomali RNKlar va ayrim virusli RNKlar ketma-ketligini oʻrganish boʻyicha ishlar muvaffaqiyatli olib borilmoqda.

A. A. Baev va uning hamkasblari (1967) yarmiga bo'lingan valin tRNK eritmada o'zining makromolekulyar tuzilishini tiklaydi va birlamchi tuzilishdagi nuqsonga qaramay, asl (nativ) molekulaning funktsional faolligiga ega ekanligini aniqladilar. Ushbu yondashuv - ma'lum bo'laklar olib tashlanganidan keyin kesilgan makromolekulani qayta tiklash juda istiqbolli bo'lib chiqdi. Hozirgi vaqtda u ma'lum tRNKlarning alohida bo'limlarining funktsional rolini aniqlash uchun keng qo'llaniladi.

So'nggi yillarda alohida tRNKlarning kristalli preparatlarini olishda katta muvaffaqiyatlarga erishildi. Ko'pgina tRNKlar allaqachon AQSh va Angliyadagi bir nechta laboratoriyalarda kristallangan. Bu tRNK strukturasini rentgen nurlari difraksion tahlili yordamida oʻrganish imkonini berdi. 1970-yilda R.Bok Viskonsin universitetida oʻzi yaratgan bir nechta tRNKlarning birinchi rentgen nurlari naqshlari va uch oʻlchovli modellarini taqdim etdi. Ushbu modellar tRNKdagi individual funktsional faol joylarning lokalizatsiyasini aniqlashga yordam beradi va bu molekulalar faoliyatining asosiy tamoyillarini tushunishga yordam beradi.

Protein sintezi mexanizmini ochib berish va ushbu jarayonning o'ziga xosligi muammosini hal qilish uchun genetik kodning tabiatini dekodlash muhim ahamiyatga ega edi (24-bobga qarang), uni mubolag'asiz, eng muhim yutuq deb hisoblash mumkin. 20-asrning tabiiy fanlari.

R.Xollining tRNKning birlamchi tuzilishini kashf etishi G.Korananing* (AQSh) oligonukleotidlar sintezi boʻyicha ishiga turtki berdi va ularni oʻziga xos biologik tuzilma – alanin tRNKni kodlovchi DNK molekulasi sinteziga yoʻnaltirdi. Qur'on tomonidan deyarli 15 yil oldin qilingan qisqa oligonükleotidlarning kimyoviy sintezidagi dastlabki qadamlar 1970 yilda birinchi gen sintezi bilan yakunlandi. Qur'on va uning hamkorlari birinchi navbatda alohida nukleotidlardan 8-12 nukleotid qoldiqlarining qisqa bo'laklarini kimyoviy sintez qilishdi. Berilgan nukleotidlar ketma-ketligiga ega bo'lgan bu fragmentlar o'z-o'zidan 4-5 nukleotidning bir-birining ustiga chiqishi bilan ikki ipli qo'shimcha qismlarni hosil qildi. Keyin bu tayyor bo'laklar DNK ligaza fermenti yordamida to'g'ri tartibda uchidan uchiga birlashtirildi. Shunday qilib, DNK molekulalarining replikatsiyasidan farqli o'laroq, A. Kornberg ** (24-bobga qarang) ko'ra, Qur'on oldindan rejalashtirilgan dasturga muvofiq tabiiy ikki zanjirli DNK molekulasini qayta yaratishga muvaffaq bo'ldi. Xolli tomonidan tasvirlangan tRNK ketma-ketligi. Xuddi shunday, hozirda boshqa genlarni sintez qilish ustida ish olib borilmoqda (M. N. Kolosov, Z. A. Shabarova, D. G. Knorre, 1970 - 1975).

* (Genetik kodni o'rganish uchun G. Koran va M. Nirenberg 1968 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.)

** (Polimeraza va DNK sintezini kashf etgani uchun A. Kornberg, RNK sintezi uchun S. Ochoa 1959 yilda Nobel mukofoti bilan taqdirlangan.)

Mikrosomalar, ribosomalar, tarjima

1950-yillarning oʻrtalarida mikrosomalar hujayradagi oqsil sintezining markazi ekanligiga ishonishgan. Mikrosomalar atamasi birinchi marta 1949 yilda A. Klod tomonidan kichik granulalar fraktsiyasiga nisbatan kiritilgan. Keyinchalik ma'lum bo'ldiki, oqsil sintezi uchun membranalar va granulalardan iborat mikrosomalarning butun qismi emas, balki faqat kichik ribonukleoprotein zarralari javobgardir. Bu zarralar 1958 yilda R. Roberts tomonidan ribosomalar deb atalgan.

Bakterial ribosomalarning klassik tadqiqotlari 1958-1959 yillarda A. Tisier va J. Uotson tomonidan olib borilgan. Bakterial ribosomalar o'simlik va hayvonlarnikidan biroz kichikroq bo'lib chiqdi. J. Littleton (1960), M. Klark (1964) va E. N. Svetailo (1966) yuqori o'simliklar va mitoxondriyalarning xloroplastlarining ribosomalari bakterial tipga tegishli ekanligini ko'rsatdilar. A. Tisier va boshqalar (1958) ribosomalarning har birida bittadan RNK molekulasi bo'lgan ikkita teng bo'lmagan subbirliklarga ajralishini aniqladilar. 50-yillarning oxirida har bir ribosoma RNK molekulasi bir nechta qisqa bo'laklardan iborat deb hisoblangan. Biroq, 1960 yilda AS Spirin birinchi bo'lib subzarrachalardagi RNK uzluksiz molekula bilan ifodalanishini ko'rsatdi. D. Waller (1960), kraxmalli gel elektroforez yordamida ribosoma oqsillarini ajratib, ularning juda xilma-xil ekanligini aniqladi. Avvaliga ko'pchilik Uollerning ma'lumotlariga shubha qilishdi, chunki ribosoma oqsili, masalan, TMV oqsili kabi, qat'iy bir hil bo'lishi kerak edi. Hozirgi vaqtda D. Valler, R. Trout, P. Traub va boshqa biokimyogarlarning tadqiqotlari natijasida ma'lum bo'ldiki, haqiqiy ribosoma zarralari tarkibiga tuzilishi jihatidan butunlay boshqacha bo'lgan 50 dan ortiq oqsillar kiradi. AS Spirin 1963 yilda birinchi bo'lib ribosoma subzarralarini ochdi va ribosomalar ma'lum sharoitlarda ochilishi mumkin bo'lgan ixcham o'ralgan ribonukleoprotein zanjiri ekanligini ko'rsatdi. 1967-1968 yillarda M. Nomura ribosoma RNK va oqsildan biologik faol subbirlikni butunlay qayta tikladi va hatto oqsil va RNK turli mikroorganizmlarga tegishli bo'lgan ribosomalarni ham oldi.

Ribosomal RNKning roli hali ham aniq emas. Bu ribosoma zarrachasini hosil qilish jarayonida ko'p sonli ribosoma oqsillarining har biri qat'iy belgilangan joyni topadigan o'ziga xos o'ziga xos matritsa deb taxmin qilinadi (AS Spirin, 1968).

A. Rich (1962) mRNK zanjiri bilan oʻzaro bogʻlangan bir necha ribosomalarning agregatlarini topdi. Bu komplekslar polisomalar deb ataldi. Polisomalarning kashf etilishi Rich va Watsonga (1963) polipeptid zanjirining sintezi ribosomada sodir bo'lishini, go'yo mRNK zanjiri bo'ylab harakatlanishini taklif qilish imkonini berdi. Ribosoma mRNK zanjiri bo'ylab harakatlanayotganda, zarrachada ma'lumot o'qiladi va oqsil polipeptid zanjiri hosil bo'ladi va yangi ribosomalar mRNKning bo'shatilgan o'qiladigan uchiga navbat bilan biriktiriladi. Rich va Uotson ma'lumotlariga ko'ra, hujayradagi polisomalarning ahamiyati matritsani bir vaqtning o'zida bir nechta ribosomalar tomonidan ketma-ket o'qish orqali oqsillarni ommaviy ishlab chiqarishda yotadi.

M. Nirenberg, S. Ochoa, F. Lipman, G. Korana va boshqalarning tadqiqotlari natijasida 1963 - 1970 y. Translatsiya jarayonida mRNK, ribosomalar, ATP va aminoatsil-tRNK bilan bir qatorda juda ko'p turli omillar ishtirok etishi ma'lum bo'ldi va tarjima jarayonining o'zini shartli ravishda uch bosqichga bo'lish mumkin - boshlash, tarjimaning o'zi va tugatish.

Tarjima boshlanishi murakkab ribosoma - shablon polinukleotid - aminoatsil-tRNKda birinchi peptid bog'lanishining sintezini anglatadi. Bunday inisiator faollikka hech qanday aminoatsil-tRNK emas, balki formilmetionil-tRNK ega. Bu modda birinchi marta 1964 yilda F.Senger va K.Marker tomonidan ajratilgan. S.Bretcher va K.Marker (1966) formilmetionil-tRNKning inisiator funksiyasi uning ribosomaning peptidil markaziga yaqinligi ortishi bilan bog‘liqligini ko‘rsatdi. Tarjimani boshlash uchun S. Ochoa, F. Gro va boshqa tadqiqot markazlari laboratoriyalarida ajratilgan ba'zi oqsillarni boshlash omillari ham juda muhimdir. Ribosomada birinchi peptid bog'i hosil bo'lgandan so'ng, translatsiyaning o'zi boshlanadi, ya'ni polipeptidning C-terminusiga aminoatsil qoldig'ining ketma-ket qo'shilishi. Tarjima jarayonining koʻplab tafsilotlari K. Monro va J. Bishop (Angliya), I. Rixlik va F. Shorm (Chexoslovakiya), F. Lipman, M. Bretcher, V. Gilbert (AQSh) va boshqa tadqiqotchilar tomonidan oʻrganilgan. 1968 yilda A. S. Spirin ribosoma mexanizmini tushuntirish uchun original gipotezani taklif qildi. Translatsiya paytida tRNK va mRNKning barcha fazoviy harakatlarini ta'minlovchi harakatlantiruvchi mexanizm ribosoma subzarrachalarining davriy ochilishi va yopilishidir. Tarjimani tugatish o'qilishi mumkin bo'lgan matritsaning o'zida kodlangan bo'lib, u tugatish kodonlarini o'z ichiga oladi. S.Brenner (1965 - 1967) ko'rsatganidek, uchlik UAA, UAG va UGA shunday kodonlardir. M. Capecci (1967) ham maxsus oqsilni tugatish omillarini aniqladi. AS Spirin va LP Gavrilova ribosomalarda (1972 - 1975) oqsil omillari ishtirokisiz "fermentsiz" deb ataladigan oqsil sintezini tasvirlab berdi. Ushbu kashfiyot oqsil biosintezining kelib chiqishi va evolyutsiyasini tushunish uchun muhimdir.

Gen va oqsil faolligini tartibga solish

Protein sintezining o'ziga xosligi muammosidan so'ng, molekulyar biologiyada oqsil sintezini tartibga solish muammosi yoki xuddi shu narsa, gen faolligini tartibga solish muammosi birinchi o'rinda turadi.

Hujayralarning funktsional tengsizligi va u bilan bog'liq bo'lgan genlarning repressiyasi va faollashishi uzoq vaqtdan beri genetiklarning e'tiborini tortdi, ammo yaqin vaqtgacha gen faolligini nazorat qilishning haqiqiy mexanizmi noma'lum bo'lib qoldi.

Genlarning tartibga solish faolligini tushuntirishga birinchi urinishlar giston oqsillarini o'rganish bilan bog'liq edi. Hatto Steadmanning turmush o'rtoqlari * XX asrning 40-yillari boshlarida. Ushbu hodisada asosiy rolni gistonlar o'ynashi mumkinligini taklif qildi. Keyinchalik ular giston oqsillarining kimyoviy tabiatidagi farqlar haqida birinchi aniq ma'lumotlarni olishdi. Hozirgi vaqtda ushbu farazni tasdiqlovchi faktlar soni yil sayin ortib bormoqda.

* (E. Stedman, E. Stedman. Hujayra yadrolarining asosiy oqsillari.- Falsafa. Trans. Roy. soc. London, 1951, v. 235, 565 - 595.)

Shu bilan birga, ma'lumotlarning ortib borayotgan miqdori to'planib bormoqda, bu gen faolligini tartibga solish gen bo'limlarining giston oqsillari molekulalari bilan oddiy o'zaro ta'siridan ancha murakkab jarayon ekanligini ko'rsatadi. 1960-1962 yillarda R. B. Xesin-Luri laboratoriyasida fag genlari bir vaqtning o'zida o'qila boshlaganligi aniqlandi: T2 fag genlarini erta genlarga bo'lish mumkin, ularning faoliyati bakterial hujayra infektsiyasining birinchi daqiqalarida sodir bo'lgan. , va kech bo'lganlar, erta genlar ishi tugagandan so'ng mRNKni sintez qila boshladilar.

1961 yilda fransuz biokimyogarlari F. Yakob va J. Monodlar genlar faolligini tartibga solish sxemasini taklif qildilar, bu umuman hujayraning tartibga solish mexanizmlarini tushunishda alohida rol o'ynadi. Yakob va Monod sxemasiga ko'ra, DNKda strukturaviy (axborot) genlardan tashqari, gen-regulyatorlar va gen-operatorlar ham mavjud. Regulyator geni ma'lum bir modda - repressor sintezini kodlaydi, u ham induktorga, ham operator geniga birikishi mumkin. Operator geni strukturaviy genlar bilan bog'langan, regulyator geni esa ulardan ma'lum masofada joylashgan. Agar muhitda induktor bo'lmasa, masalan, laktoza, u holda regulyator geni tomonidan sintez qilingan repressor operator geniga bog'lanadi va uni blokirovka qilib, butun operonning (operator bilan birgalikda strukturaviy genlar bloki) ishini o'chiradi. bu ularni boshqaradi). Bunday sharoitda ferment hosil bo'lmaydi. Agar muhitda induktor (laktoza) paydo bo'lsa, u holda regulyator genining mahsuloti, repressor laktoza bilan bog'lanadi va blokni operator genidan olib tashlaydi. Bunday holda, ferment sintezini kodlovchi strukturaviy genning ishi mumkin bo'ladi va ferment (laktoza) muhitda paydo bo'ladi.

Yakob va Monodning fikriga ko'ra, ushbu tartibga solish sxemasi barcha adaptiv fermentlarga taalluqlidir va repressiya paytida ham, ferment hosil bo'lishi reaktsiya mahsulotining ortiqcha miqdori bilan bostirilganda ham, induktsiya paytida ham, substratning kiritilishi natijasida paydo bo'lishi mumkin. ferment sintezi. Gen faolligini tartibga solish bo'yicha tadqiqotlar uchun Jeykob va Monod 1965 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.

Dastlab, bu sxema juda uzoq tuyuldi. Biroq, keyinchalik ma'lum bo'ldiki, genlarning ushbu tamoyilga muvofiq tartibga solinishi nafaqat bakteriyalarda, balki boshqa organizmlarda ham sodir bo'ladi.

1960 yildan boshlab molekulyar biologiyada eukaryotik organizmlarda genomning tashkil etilishi va xromatin tuzilishini o'rganish muhim o'rin egalladi (J. Bonner, R. Britten, V. Olfrey, P. Uoker, Yu. S. Chentsov). , I. B. Zbarskiy va boshqalar .) va transkripsiyani tartibga solish (A. Mirskiy, G. P. Georgiev, M. Bernstiel, D. Goll, R. Tsanev, R. I. Salganik). Uzoq vaqt davomida repressorning tabiati noma'lum va bahsli bo'lib qoldi. 1968 yilda M. Ptashne (AQSh) oqsilning repressor ekanligini ko'rsatdi. U uni J. Uotson laboratoriyasida ajratib oldi va repressor haqiqatan ham induktorga (laktoza) yaqinligi borligini va shu bilan birga lak operonning operator genini “tanib” olishini va u bilan maxsus bog‘lanishini aniqladi.

So'nggi 5 - 7 yil ichida gen faolligining boshqa nazorat hujayrasi - promotor mavjudligi haqida ma'lumotlar olindi. Ma'lum bo'lishicha, gen regulyatorida sintez qilingan mahsulot - repressorning oqsil moddasi biriktirilgan operator saytining yonida yana bir sayt mavjud bo'lib, u ham genlarni tartibga solish tizimining a'zolariga tegishli bo'lishi kerak. faoliyat. RNK polimeraza fermentining oqsil molekulasi bu joyga biriktirilgan. Promotor hududida DNKdagi noyob nukleotidlar ketma-ketligi va RNK polimeraza oqsilining o'ziga xos konfiguratsiyasi o'zaro tan olinishi kerak. Promotorga ulashgan operon genlarining berilgan ketma-ketligi bilan genetik ma'lumotni o'qish jarayonini amalga oshirish tanib olish samaradorligiga bog'liq bo'ladi.

Yakob va Monod tomonidan tasvirlangan sxemadan tashqari, hujayrada genlarni tartibga solishning boshqa mexanizmlari ham mavjud. F. Jeykob va S. Brenner (1963) bakterial DNK replikatsiyasining tartibga solinishi hujayra membranasi tomonidan ma'lum bir tarzda boshqarilishini aniqladilar. Yakobning (1954) turli profaglarni induktsiyasi bo'yicha o'tkazgan tajribalari ishonchli tarzda ko'rsatdiki, lizogen bakteriyalar hujayrasida turli mutagen omillar ta'sirida profag genining selektiv replikatsiyasi boshlanadi va xost genomining replikatsiyasi bloklanadi. 1970 yilda F. Bell kichik DNK molekulalari yadrodan sitoplazmaga o'tishi va u erda transkripsiyalanishi mumkinligi haqida xabar berdi.

Shunday qilib, gen faolligi replikatsiya, transkripsiya va tarjima darajasida tartibga solinishi mumkin.

Fermentlar sintezini emas, balki ularning faolligini ham tartibga solishni o'rganishda sezilarli yutuqlarga erishildi. A. Novik va L. Szilard hujayradagi fermentlar faolligini tartibga solish hodisalarini 1950-yillarda ko'rsatdilar. G. Umbarger (1956) hujayrada reaktsiyalar zanjirining yakuniy mahsuloti orqali ferment faolligini bostirishning juda oqilona usuli mavjudligini aniqladi. J. Monod, J. Change, F. Jacob, A. Purdy va boshqa tadqiqotchilar (1956 - 1960) tomonidan belgilab qo'yilganidek, ferment faolligini tartibga solish allosterik printsip bo'yicha amalga oshirilishi mumkin. Ferment yoki uning subbirliklaridan biri substratga yaqinlikdan tashqari, reaksiya zanjiri mahsulotlaridan biriga yaqinlikka ega. Bunday signal mahsuloti ta'sirida ferment o'zining konformatsiyasini shunday o'zgartiradiki, u faollikni yo'qotadi. Natijada, fermentativ reaktsiyalarning butun zanjiri eng boshida o'chiriladi. D.Viman va R.Vudvord (1952; Nobel mukofoti sovrindori, 1965) fermentativ reaksiyalarda oqsil konformatsion oʻzgarishlarining muhim rolini va maʼlum maʼnoda allosterik effekt mavjudligini taʼkidladilar.

Oqsillarning tuzilishi va funksiyasi

19-asr oxirida T. Osborn, G. Hofmeister, A. Gurber, F. Shuls va boshqa ko'plab odamlarning faoliyati natijasida. Ko'pgina hayvon va o'simlik oqsillari kristalli shaklda olingan. Taxminan bir vaqtning o'zida turli xil fizik usullar yordamida ma'lum oqsillarning molekulyar og'irligi aniqlandi. Shunday qilib, 1891 yilda A. Sabaneev va N. Aleksandrov ovalbuminning molekulyar og'irligi 14000; 1905 yilda E.Rid gemoglobinning molekulyar og'irligi 48000 ekanligini aniqladi.Oqsillarning polimer tuzilishini 1871 yilda G.Glasivetz va D.Gabermanlar kashf etgan. Oqsillardagi individual aminokislotalar qoldiqlarining peptid bog'lanishi haqidagi g'oyani T. Kurtius (1883) ilgari surgan. Aminokislotalarning kimyoviy kondensatsiyasi (E. Schaal, 1871; G. Shiff, 1897; L. Balbiano va D. Traschiatti, 1900) va geteropolipeptidlar sintezi (E. Fisher, 1902 - 1907, Nobel mukofoti, 1111) bo'yicha ishlar. oqsillarning kimyoviy tuzilishining asosiy tamoyillarini ishlab chiqishga olib keldi.

Birinchi kristalli ferment (ureaza) 1926 yilda J. Sumner (Nobel mukofoti, 1946), 1930 yilda J. Nortrop (Nobel mukofoti, 1946) kristalli pepsin oldi. Ushbu ishlardan so'ng fermentlar oqsil tabiatiga ega ekanligi ma'lum bo'ldi. 1940 yilda M. Kunits kristalli RNazni ajratib oldi. 1958 yilga kelib, 100 dan ortiq kristalli fermentlar va 500 dan ortiq kristalli bo'lmagan fermentlar allaqachon ma'lum edi. Alohida oqsillarning yuqori darajada tozalangan preparatlarini olish ularning birlamchi tuzilishi va makromolekulyar tuzilishini echishga yordam berdi.

Umumiy molekulyar biologiya va inson genetikasining rivojlanishi uchun, xususan, L. Pauling (1940) tomonidan og'ir irsiy kasallik, o'roqsimon hujayrali anemiya bilan og'rigan odamlarning eritrotsitlaridan ajratilgan g'ayritabiiy gemoglobin S ni kashf qilish katta ahamiyatga ega edi. 1955-1957 yillarda V. Ingram gemoglobin S ning ishqor va tripsin bilan gidrolizlanishi mahsulotlarini tahlil qilishda F.Senger tomonidan ishlab chiqilgan “barmoq izi” usulidan (qog‘ozda xromatografiya paytida alohida peptidlar hosil qilgan dog‘lar) foydalangan. 1961 yilda Ingram gemoglobin S oddiy gemoglobindan faqat bitta aminokislota qoldig'ining tabiati bilan farq qilishini ma'lum qildi: normal gemoglobin zanjirning ettinchi pozitsiyasida glutamik kislota qoldig'i, gemoglobin Sda esa valin qoldig'i mavjud. Shunday qilib, Paulingning o'roqsimon hujayrali anemiya molekulyar xarakterga ega kasallik ekanligi haqidagi taxmini (1949) to'liq tasdiqlandi. Gemoglobin makromolekulasining har bir yarmida faqat bitta aminokislota qoldig'ining irsiy o'zgarishi gemoglobin kislorodning past konsentratsiyasida oson erish qobiliyatini yo'qotishiga va kristallanishga olib keladi, bu esa hujayra tuzilishining buzilishiga olib keladi. Ushbu tadqiqotlar oqsilning tuzilishi genomda kodlangan qat'iy belgilangan aminokislotalar ketma-ketligi ekanligini aniq ko'rsatdi. Makromolekulaning o'ziga xos biologik faol konformatsiyasini hosil qilishda oqsilning birlamchi tuzilishining alohida ahamiyati borligidan K.Anfinsen (1951)ning ishlari guvohlik berdi. Anfinsen, qayta tiklash natijasida yo'qolgan pankreatik ribonukleazaning biologik faol makrostrukturasi aminokislotalar ketma-ketligi bilan oldindan aniqlanganligini va sistein qoldiqlarining SH guruhlari oksidlanishi paytida qat'iy ravishda disulfid o'zaro bog'liqliklari hosil bo'lishi bilan o'z-o'zidan paydo bo'lishi mumkinligini ko'rsatdi. fermentning peptid zanjirining aniqlangan joylari.

Hozirgi kunga qadar ko'p sonli fermentlarning ta'sir mexanizmi batafsil o'rganildi va ko'plab oqsillarning tuzilishi aniqlandi.

1953 yilda F. Sanger insulinning aminokislotalar ketma-ketligini o'rnatdi. : Bu oqsil ikkita disulfid o'zaro bog'lanishi bilan bog'langan ikkita polipeptid zanjiridan iborat. Zanjirlardan biri atigi 21 ta aminokislota qoldig'ini, ikkinchisida esa 30 ta qoldiqni o'z ichiga oladi. Sanger bu nisbatan oddiy oqsilning tuzilishini ochish uchun taxminan 10 yil vaqt sarfladi. 1958 yilda u ushbu ajoyib tadqiqoti uchun Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi. V.Steyn va S.Mur (1957) tomonidan aminokislotalarning avtomatik analizatori yaratilganidan keyin oqsillarning qisman gidrolizlanishi mahsulotlarini aniqlash ancha tezlashdi. 1960 yilda Stein va Mur allaqachon bu haqda xabar berishgan. ular peptid zanjiri 124 ta aminokislota qoldig'i bilan ifodalangan ribonukleaza ketma-ketligini aniqlay oldilar. Xuddi shu yili Tyubingendagi (Germaniya) G. Shramm laboratoriyasida F. Anderer va boshqalar TMV oqsilidagi aminokislotalar ketma-ketligini aniqladilar. Keyin miyoglobin (A.Edmunson) va odam gemoglobinining a- va b-zanjirlarida (G. Braunitzer, E. Shreder va boshqalar), tuxum oqsilidan lizozimda (J. Jollet, D. Keyfild) aminokislotalar ketma-ketligi aniqlandi. . 1963 yilda F.Shorm va B.Keyl (Chexoslovakiya) ximotripsinogen molekulasida aminokislotalar ketma-ketligini o'rnatdilar. Xuddi shu yili tripsinogenning aminokislotalar ketma-ketligi aniqlandi (F.Shorm, D.Volsh). 1965 yilda K. Takaxashi ribonukleaza T1 ning birlamchi tuzilishini yaratdi. Keyin yana bir nechta oqsillar uchun aminokislotalar ketma-ketligi aniqlandi.

Ma'lumki, muayyan strukturaning ta'rifining to'g'riligining yakuniy isboti uning sintezidir. 1969 yilda R. Merifild (AQSh) birinchi bo'lib pankreatik ribonukleaza kimyoviy sintezini amalga oshirdi. Merifild qattiq fazali tashuvchida ishlab chiqqan sintez usulidan foydalanib, Stein va Mur tomonidan tasvirlangan ketma-ketlikka muvofiq zanjirga birin-ketin aminokislotalarni qo'shdi. Natijada u me’da osti bezi ribonukleaza A bilan sifatlari bir xil bo‘lgan oqsilni oldi. Ribonukleaza tuzilishini kashf etgani uchun V. Shtayn, S. Mur va K. Anfinsenlar 1972 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo‘ldilar. Ushbu tabiiy oqsil sintezi oldindan rejalashtirilgan ketma-ketlikka muvofiq har qanday oqsillarni yaratish imkoniyatini ko'rsatib, ulkan istiqbollarni ochadi.

U. Astberi (1933) tomonidan olib borilgan rentgenologik tadqiqotlardan ma'lum bo'lishicha, oqsil molekulalarining peptid zanjirlari qandaydir qat'iy belgilangan tarzda burishgan yoki yig'ilgan. O'sha vaqtdan beri ko'plab mualliflar oqsil zanjirlarining katlanma yo'llari haqida turli farazlarni bildirishdi, ammo 1951 yilgacha barcha modellar eksperimental ma'lumotlarga mos kelmaydigan spekulyativ konstruktsiyalar bo'lib qoldi. 1951 yilda L. Poling va R. Kori bir qator yorqin asarlarni nashr etdilar, ularda oqsillarning ikkilamchi tuzilishi nazariyasi, a-spiral nazariyasi nihoyat shakllantirildi. Shu bilan birga, oqsillar ham uchinchi darajali tuzilishga ega ekanligi ma'lum bo'ldi: peptid zanjirining a-spirali ma'lum bir tarzda buklanib, ancha ixcham tuzilma hosil qilishi mumkin.

1957 yilda J. Kendry va uning hamkorlari birinchi marta taklif qilishgan 3D modeli miyoglobin tuzilmalari. Keyinchalik bu model bir necha yil davomida takomillashtirildi, yakuniy ish 1961 yilda ushbu oqsilning fazoviy tuzilishini tavsiflash bilan paydo bo'ldi. 1959 yilda M. Perutz va uning hamkasblari gemoglobinning uch o'lchovli tuzilishini o'rnatdilar. Tadqiqotchilar bu ish uchun 20 yildan ortiq vaqt sarfladilar (gemoglobinning birinchi rentgenogrammasini 1937 yilda Perutz olgan). Gemoglobin molekulasi to'rtta bo'linmadan iborat bo'lganligi sababli, uning tuzilishini hal qilib, Perutz birinchi marta oqsilning to'rtlamchi tuzilishini tasvirlab berdi. Oqsillarning uch o'lchovli tuzilishini aniqlashdagi ishlari uchun Kendry va Perutz 1962 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.

Perutz tomonidan gemoglobin tuzilishining fazoviy modelini yaratishga RUHSAT BERILGAN. ma'lumki, hayvon hujayralarida kislorod tashishni amalga oshiradigan ushbu oqsilning ishlash mexanizmini tushunishga yaqinlashish. 1937 yilda F.Gaurovits gemoglobinning kislorod, havo bilan o'zaro ta'siri oqsil tuzilishining o'zgarishi bilan birga bo'lishi kerak degan xulosaga keldi. 1960-yillarda Perutz va uning hamkasblari gemoglobin zanjirlarida uning oksidlanishidan so'ng, kislorod bilan bog'lanish natijasida temir atomlarining siljishi natijasida yuzaga kelgan sezilarli siljishni aniqladilar. Shu asosda oqsil makromolekulalarining "nafas olishi" haqidagi g'oyalar shakllandi.

1960 yilda D. Fillips va uning hamkorlari lizozim molekulasining rentgen nurlari diffraktsiyasini o'rganishni boshladilar. 1967 yilga kelib, ular ushbu oqsilning tashkil etilishi va uning molekulasidagi alohida atomlarning lokalizatsiyasi tafsilotlarini aniqlay olishdi. Bundan tashqari, Fillips substratga (triasetilglyukozamin) lizozim qo'shilishining tabiatini aniqladi. Bu ushbu fermentning mexanizmini qayta yaratishga imkon berdi. Shunday qilib, birlamchi struktura va makromolekulyar tashkilot haqidagi bilimlar nafaqat ko'plab fermentlarning faol markazlarining tabiatini aniqlashga, balki ushbu makromolekulalarning ishlash mexanizmini to'liq ochib berishga imkon berdi.

Elektron mikroskopiya usullaridan foydalanish kollagen, fibrinogen, kontraktil mushak fibrillalari va boshqalar kabi murakkab oqsil hosilalarining makromolekulyar tashkil etilishi tamoyillarini ochib berishga yordam berdi.1950-yillarning oxirida mushaklarning qisqarish apparati modellari taklif qilindi. Mushaklarning qisqarish mexanizmini tushunish uchun V. A. Engelgardt va M. N. Lyubimova (1939) tomonidan miyozinning ATPaz faolligini kashf qilish alohida ahamiyatga ega edi. Bu shuni anglatadiki, mushaklarning qisqarishi adenozin trifosfor kislotasi ta'sirida kontraktil oqsilning fizik-kimyoviy xususiyatlari va makromolekulyar tuzilishining o'zgarishiga asoslanadi (shuningdek, 11-bobga qarang).

Virusologik tadqiqotlar biologik tuzilmalarni yig'ish tamoyillarini tushunish uchun muhim ahamiyatga ega (25-bobga qarang).

Yechilmagan muammolar

Zamonaviy molekulyar biologiyaning asosiy yutuqlariga asosan nuklein kislotalarni o'rganish natijasida erishildi. Biroq, bu sohada ham barcha muammolar hal qilindi. Ayniqsa, genomning butun nukleotidlar ketma-ketligini ochish uchun katta harakatlar talab etiladi. Bu muammo, o'z navbatida, DNKning heterojenligi muammosi bilan uzviy bog'liq bo'lib, hujayraning umumiy genetik materialidan alohida molekulalarni fraksiyalash va ajratib olishning yangi ilg'or usullarini ishlab chiqishni talab qiladi.

Hozirgacha sa'y-harakatlar asosan oqsillar va nuklein kislotalarni alohida o'rganishga qaratilgan. Hujayrada bu biopolimerlar bir-biri bilan uzviy bog'langan bo'lib, asosan nukleoproteinlar shaklida ishlaydi. Shu sababli, oqsillar va nuklein kislotalarning o'zaro ta'sirini o'rganish zarurati hozirgi vaqtda ayniqsa keskinlashdi. Nuklein kislotalarning ma'lum bo'limlarini oqsillar tomonidan tanib olish muammosi birinchi o'ringa qo'yiladi. Ushbu biopolimerlarning bunday o'zaro ta'sirini o'rganish bo'yicha qadamlar allaqachon belgilangan, ularsiz xromosomalar, ribosomalar va boshqa tuzilmalarning tuzilishi va funktsiyalarini to'liq tushunish mumkin emas. Busiz, genlar faoliyatini tartibga solishni tushunish va nihoyat, oqsil sintez qilish mexanizmlari ishining tamoyillarini tushunish ham mumkin emas. Yakob va Monodning ishlaridan so'ng, yadroviy material sintezida membranalarning tartibga soluvchi ahamiyati haqida ba'zi yangi ma'lumotlar paydo bo'ldi. Bu DNK replikatsiyasini tartibga solishda membranalarning rolini chuqurroq o'rganish muammosini qo'yadi. Umuman olganda, genlar faolligini va umuman hujayralar faoliyatini tartibga solish muammosi zamonaviy molekulyar biologiyaning eng muhim muammolaridan biriga aylandi.

Biofizikaning hozirgi holati

Molekulyar biologiya muammolari bilan chambarchas bog'liq holda biofizikaning rivojlanishi davom etdi. Biologiyaning ushbu sohasiga bo'lgan qiziqish, bir tomondan, har xil turdagi nurlanishning tanaga ta'sirini har tomonlama o'rganish zarurati bilan, ikkinchi tomondan, jismoniy va molekulyar darajada sodir bo'ladigan hayot hodisalarining fizik-kimyoviy asoslari.

Molekulyar tuzilmalar va ularda sodir bo'ladigan jarayonlar haqida aniq ma'lumot olish yangi nozik fizikaviy va kimyoviy usullarni qo'llash natijasida mumkin bo'ldi. Elektrokimyo yutuqlari asosida ion-selektiv elektrodlar yordamida bioelektrik potentsiallarni oʻlchash usulini takomillashtirish mumkin boʻldi (G.Eyzenman, B.P.Nikolskiy, Xuri, 50-60-yillar). Borgan sari infraqizil spektroskopiya (lazer qurilmalari yordamida) amaliyotga kirib bormoqda, bu esa oqsillardagi konformatsion o'zgarishlarni o'rganish imkonini beradi (I. Plotnikov, 1940). Qimmatli ma'lumotlar elektron paramagnit rezonans usuli (E. K. Zavoiskiy, 1944) va bioxemiluminesans usuli (B. N. Tarusov va boshqalar, 1960) bilan ham taqdim etiladi, bu, xususan, oksidlanish jarayonlarida elektronlarning tashishini hukm qilish imkonini beradi.

1950-yillarga kelib biofizika allaqachon kuchli mavqega ega bo'ldi. Malakali mutaxassislarni tayyorlash zarur. Agar 1911 yilda Evropada faqat Vengriyadagi Pech universitetida biofizika kafedrasi mavjud bo'lsa, 1973 yilga kelib bunday kafedralar deyarli barcha yirik universitetlarda mavjud.

1960 yilda Xalqaro biofiziklar jamiyati tashkil etildi. 1961 yil avgust oyida Stokgolmda birinchi Xalqaro biofizik kongress bo'lib o'tdi. Ikkinchi kongress 1965 yilda Parijda, uchinchisi - 1969 yilda Bostonda, to'rtinchisi - 1972 yilda Moskvada bo'lib o'tdi.

Biofizikada turli mazmundagi ikkita soha - molekulyar biofizika va hujayra biofizikasi o'rtasida aniq farq mavjud. Bu farq tashkiliy ifodani ham oladi: biofizikaning ushbu ikki sohasining alohida bo'limlari yaratilmoqda. Moskva universitetida birinchi biofizika kafedrasi 1953 yilda biologiya va tuproqshunoslik fakultetida tashkil etilgan bo'lsa, birozdan keyin fizika fakultetida biofizika kafedrasi paydo bo'ldi. Kafedralar boshqa ko'plab universitetlarda xuddi shu tamoyil asosida tashkil etilgan.

Molekulyar biofizika

So'nggi yillarda molekulyar biofizika va molekulyar biologiya o'rtasidagi bog'liqlik tobora kuchayib bormoqda va hozirda ular orasidagi bo'linish chizig'i qayerda joylashganligini aniqlash qiyin. Irsiy axborot muammosiga umumiy hujumda biofizika va molekulyar biologiya o'rtasidagi bunday hamkorlik muqarrar.

Asosiy yo'nalish tadqiqot ishi nuklein kislotalar - DNK va RNK fizikasini o'rganishdir. Yuqoridagi usullardan foydalanish va birinchi navbatda rentgen nurlari diffraktsiyasi tahlili shifrni ochishga yordam berdi. molekulyar tuzilish nuklein kislotalar. Hozirgi vaqtda ushbu kislotalarning eritmalardagi harakatlarini o'rganish bo'yicha intensiv tadqiqotlar olib borilmoqda. Yopishqoqlik, optik va elektr parametrlarining o'zgarishi bilan o'rganiladigan "spiral-spirtli" konformatsion o'tishlarga alohida e'tibor beriladi. Mutagenez mexanizmlarini o'rganish bilan bog'liq holda ionlashtiruvchi nurlanishning eritmalardagi nuklein kislotalarning harakatiga ta'sirini, shuningdek, nurlanishning viruslar va faglarning nuklein kislotalariga ta'sirini o'rganish bo'yicha tadqiqotlar ishlab chiqilmoqda. Ba'zi spektral hududlari nuklein kislotalar tomonidan yaxshi so'rilishi ma'lum bo'lgan ultrabinafsha nurlanishning ta'siri har tomonlama tahlil qilindi. Ushbu turdagi tadqiqotlarda nuklein kislotalar va oqsillarning faol radikallarini elektron paramagnit rezonans usuli bilan aniqlash katta ulushga ega. Ushbu usuldan foydalanish bilan butun mustaqil yo'nalishning paydo bo'lishi bog'liq.

DNK va RNK ma'lumotlarini kodlash va oqsil sintezi jarayonida uni uzatish muammosi uzoq vaqtdan beri molekulyar biofizikani qiziqtiradi va fiziklar bu borada bir necha bor ma'lum fikrlarni bildirishgan (E. Shredinger, G. Gamov). Genetik kodning dekodlanishi tadqiqotda DNK spiralining tuzilishi, uning iplarining sirpanish va burilish mexanizmi bo'yicha ko'plab nazariy va eksperimental tadqiqotlar olib keldi. jismoniy kuch bu jarayonlarda ishtirok etadi.

Molekulyar biofizika molekulyar biologiyaga oqsil molekulalarining tuzilishini rentgen nurlari difraksion tahlili yordamida oʻrganishda katta yordam beradi, uni birinchi marta 1930 yilda J. Bernal qoʻllagan. Aynan fizik usullarni biokimyoviy (fermentativ usullar) bilan birgalikda qo'llash natijasida bir qator oqsillarning molekulyar konformatsiyasi va aminokislotalarning ketma-ketligi aniqlandi.

Hujayralar va uning organellalarida murakkab membrana tizimlari mavjudligini aniqlagan zamonaviy elektron mikroskopik tadqiqotlar ularning molekulyar tuzilishini tushunishga urinishlarni rag'batlantirdi (10 va 11-boblarga qarang). In vivo o'rganilgan Kimyoviy tarkibi membranalar va, xususan, ularning lipidlari xususiyatlari. Aniqlanishicha, ikkinchisi haddan tashqari oksidlanishga va zanjir oksidlanishning fermentativ bo'lmagan reaktsiyalariga qodir (Yu. A. Vladimirov va F. F. Litvin, 1959; B. N. Tarusov va boshqalar, 1960; I. I. Ivanov, 1967), membrana disfunktsiyasiga olib keladi. Membranalar tarkibini o'rganish uchun matematik modellashtirish usullari ham qo'llanila boshlandi (V. Ts. Presman, 1964 - 1968; M. M. Shemyakin, 1967; Yu. A. Ovchinnikov, 1972).

Hujayra biofizikasi

Biofizika tarixidagi muhim voqea 50-yillarda biologik jarayonlarning termodinamiği haqida aniq g'oyalarning shakllanishi bo'ldi, buning natijasida termodinamikaning ikkinchi qonuniga zid ravishda tirik hujayralarda mustaqil energiya hosil bo'lish imkoniyati haqidagi taxminlar, nihoyat g'oyib bo'ldi. Bu qonunning biologik tizimlarda ishlashini tushunish belgiyalik olim I. Prigojin (1945) * tomonidan biologik termodinamikaga tashqi muhit bilan energiya va moddalar almashinadigan ochiq tizimlar tushunchasini kiritishi bilan bog`liq. Prigojin tirik hujayralarda termodinamikaning ikkinchi qonuniga muvofiq ish jarayonlarida ijobiy entropiya hosil bo'lishini ko'rsatdi. U kiritgan tenglamalar statsionar holat (ilgari u dinamik muvozanat deb ham ataladi) paydo bo'ladigan sharoitlarni aniqladi, bunda oziq-ovqat bilan hujayralarga kiradigan erkin energiya miqdori (negentropiya) uning iste'molini qoplaydi va ijobiy entropiya bo'ladi. chiqish. Ushbu kashfiyot hujayralarning tashqi va ichki muhiti o'rtasidagi ajralmas bog'liqlik haqidagi umumiy biologik g'oyani mustahkamladi. Bu tirik tizimlar termodinamikasini, jumladan, modellashtirish usulini haqiqiy o'rganishning boshlanishini ko'rsatdi (A. Burton, 1939; A. G. Pasinskiy, 1967).

* (Ochiq tizimlarning umumiy nazariyasi birinchi marta 1932 yilda L. Bertalanfi tomonidan ilgari surilgan.)

Biotermodinamikaning asosiy printsipiga ko'ra, hayot mavjudligining zaruriy sharti uning biokimyoviy jarayonlarining rivojlanishidagi statsionarlik bo'lib, uni amalga oshirish uchun ko'plab metabolik reaktsiyalar tezligini muvofiqlashtirish kerak. Yangi biofizik termodinamika asosida reaksiyalarning bunday muvofiqlashtirilishini ta'minlovchi va uni barqaror qiladigan tashqi va ichki omillarni ajratib ko'rsatadigan tendentsiya paydo bo'ldi. So'nggi yigirma yil ichida inhibitorlar va ayniqsa antioksidantlar tizimining statsionar holatini saqlashda katta rol aniqlandi (B. N. Tarusov va A. I. Juravlev, 1954, 1958). Statsionar rivojlanishning ishonchliligi atrof-muhit omillari (harorat) va bilan bog'liqligi aniqlandi fizik va kimyoviy xossalari hujayra muhitlari.

Biotermodinamikaning zamonaviy tamoyillari moslashish mexanizmining fizik-kimyoviy talqinini berishga imkon berdi. Bizning ma'lumotlarimizga ko'ra, atrof-muhit sharoitlariga moslashish, agar ular o'zgarganda, organizm biologik rivojlanishda statsionarlikni o'rnata olsagina sodir bo'lishi mumkin. kimyoviy reaksiyalar(B. N. Tarusov, 1974 yil). In vivo statsionar holatni baholash va uning mumkin bo'lgan buzilishlarini bashorat qilish imkonini beradigan yangi usullarni ishlab chiqish masalasi paydo bo'ldi. O'z-o'zini tartibga soluvchi tizimlarning kibernetik tamoyillarini biotermodinamikaga kiritish va biologik moslashish jarayonlarini tadqiq qilish katta foyda va'da qiladi. Stabil holatning barqarorligi muammosini hal qilish uchun bezovta qiluvchi omillarni, xususan, lipid oksidlanishining fermentativ bo'lmagan reaktsiyalarini hisobga olish muhimligi aniq bo'ldi. So'nggi paytlarda tirik hujayralarning lipid fazalarida peroksidlanish jarayonlari va membranalarning tartibga solish funktsiyalarini buzadigan faol radikal mahsulotlarning o'sishi bo'yicha tadqiqotlar kengayib bormoqda. Bu jarayonlar haqida ma'lumot manbai ham faol peroksid radikallarini, ham biolipidlarning peroksid birikmalarini aniqlashdir (A. Tappel, 1965; I. I. Ivanov, 1965; E. B. Burlakova, 1967 va boshqalar). Radikallarni aniqlash uchun tirik hujayralar lipidlarida ularning rekombinatsiyasi vaqtida yuzaga keladigan bioxemiluminesans qo'llaniladi.

Stabil holatning barqarorligi haqidagi fizik-kimyoviy g'oyalar asosida o'simliklarning atrof-muhit sharoitlarining o'zgarishiga inhibitiv antioksidant tizimlarning buzilishi sifatida moslashishi haqida biofizik g'oyalar paydo bo'ldi (B. N. Tarusov, Ya. E. Doskoch, B. M. Kitlaev, A. M. Agaverdiev , 1968 - 1972). Bu sovuqqa chidamlilik va tuzga chidamlilik kabi xususiyatlarni baholash, shuningdek, qishloq xo'jaligi o'simliklarini tanlashda tegishli bashorat qilish imkoniyatini ochib berdi.

1950-yillarda ultra zaif nurlanish - spektrning ko'rinadigan va infraqizil qismlarida bir qator biologik ob'ektlarning bioximiluminesansligi aniqlandi (B. N. Tarusov, A. I. Juravlev, A. I. Polivoda). Bu fotoko'paytirgichlar yordamida o'ta zaif yorug'lik oqimlarini ro'yxatga olish usullarini ishlab chiqish natijasida mumkin bo'ldi (L. A. Kubetskiy, 1934). Tirik hujayrada sodir bo'ladigan biokimyoviy reaktsiyalarning natijasi bo'lgan bioxemiluminesans fermentlar orasidagi elektron uzatish zanjirlarida muhim oksidlanish jarayonlarini baholashga imkon beradi. Bioximiluminesansni ochish va o'rganish katta nazariy va amaliy ahamiyatga ega. Shunday qilib, B. N. Tarusov va Yu. B. Kudryashovlar to'yinmagan yog'li kislotalarning oksidlanish mahsulotlarining ionlashtiruvchi nurlanish ta'sirida rivojlanadigan patologik holatlarning paydo bo'lish mexanizmida, kanserogenezda va hujayralar normal faoliyatining boshqa buzilishlarida katta rolini ta'kidlaydilar. .

1950-yillarda yadro fizikasining jadal rivojlanishi munosabati bilan biofizikadan ionlashtiruvchi nurlanishning biologik taʼsirini oʻrganuvchi radiobiologiya paydo boʻldi. Sun'iy radioaktiv izotoplarni olish, termoyadro qurollarini, yadro reaktorlarini yaratish va amaliy foydalanishning boshqa shakllarini ishlab chiqish atom energiyasi organizmlarni ionlashtiruvchi nurlanishning zararli ta'siridan himoya qilish, nurlanish kasalligining oldini olish va davolashning nazariy asoslarini ishlab chiqish muammosini o'zining keskinligi bilan qo'ydi. Buning uchun birinchi navbatda hujayraning qaysi tarkibiy qismlari va metabolizm bo'g'inlari eng zaif ekanligini aniqlash kerak edi.

Biofizika va radiobiologiyaning tadqiqot ob'ekti radiatsiya energiyasi ta'sirida tirik substratlarda sodir bo'ladigan birlamchi kimyoviy reaktsiyalarning tabiatini yoritish edi. Bu erda nafaqat ushbu hodisaning mexanizmlarini tushunish, balki fizik energiyani kimyoviy energiyaga almashtirish jarayoniga ta'sir o'tkazish, uning "foydali" ta'sir koeffitsientini kamaytirish ham muhim edi. Bu yo'nalishdagi ishlar SSSRda N. N. Semenov (1933) va Angliyada D. Xinshelvud (1935) maktablarining tadqiqotlari bilan boshlangan.

Radiobiologik tadqiqotlarda muhim o'rinni turli organizmlarning nurlanishga chidamlilik darajasini o'rganish egalladi. Radiorezistentlikning kuchayishi (masalan, cho'l kemiruvchilarda) hujayra membranasi lipidlarining yuqori antioksidant faolligi bilan bog'liqligi aniqlandi (M. Chang va boshqalar, 1964; N. K. Ogryzov va boshqalar, 1969). Bu tizimlarning antioksidant xossalarini shakllantirishda tokoferollar, K vitamini va tio birikmalari muhim rol o'ynashi ma'lum bo'ldi (II Ivanov va boshq., 1972). So'nggi yillarda mutagenez mexanizmlarini o'rganish ham katta e'tiborni tortdi. Shu maqsadda ionlashtiruvchi nurlanishning nuklein kislotalar va oqsillarning in vitro, shuningdek viruslar va faglarning xatti-harakatlariga ta'siri o'rganiladi (A. Gustafson, 1945 - 1950).

Kimyoviy himoya samaradorligini yanada oshirish uchun kurash, yanada samarali inhibitorlar va inhibisyon tamoyillarini izlash bu yo'nalishdagi biofizikaning asosiy vazifalari bo'lib qolmoqda.

Biopolimerlarning yuqori kimyoviy faolligini belgilovchi qo'zg'aluvchan holatlarini o'rganishda muvaffaqiyatga erishildi. Fotobiologik jarayonlarning boshlang'ich bosqichida - fotosintez va ko'rishda yuzaga keladigan hayajonli holatlarni o'rganish eng muvaffaqiyatli bo'ldi.

Shunday qilib, o'simlik pigment tizimlari molekulalarining birlamchi faollashuvini tushunishga mustahkam hissa qo'shildi. Faollashgan pigmentlardan boshqa substratlarga yo'qotishlarsiz qo'zg'atilgan holatlar energiyasini o'tkazish (migratsiya)ning katta ahamiyati aniqlandi. Bu g'oyalarning rivojlanishida A. N. Tereninning (1947 va undan keyingi) nazariy asarlari katta rol o'ynadi. A. A. Krasnovskiy (1949) xlorofill va uning analoglarini qaytaruvchi fotokimyoviy qaytarilish reaksiyasini kashf etdi va oʻrgandi. Yaqin kelajakda sun'iy sharoitda fotosintezni ko'paytirish mumkin bo'ladi degan umumiy fikr mavjud (shuningdek, 5-bobga qarang).

Biofiziklar mushaklarning qisqarishi tabiatini va asab qo'zg'alish va o'tkazuvchanlik mexanizmlarini ochish ustida ishlashni davom ettirmoqdalar (11-bobga qarang). Qo'zg'aluvchan holatdan normal holatga o'tish mexanizmlarini o'rganish ham dolzarb ahamiyatga ega bo'ldi. Endi hayajonlangan holat avtokatalitik reaksiya natijasi, inhibisyon esa tokoferol kabi birikmalardagi molekulyar oʻzgarishlar natijasida inhibitiv antioksidant faollikning keskin mobilizatsiyasi natijasi sifatida qaraladi (I. I. Ivanov, O. R. Kols, 1966; O. R.). Kols, 1970).

Biofizikaning eng muhim umumiy muammosi tirik materiyaning sifatli fizikaviy va kimyoviy xususiyatlarini bilish bo'lib qolmoqda. Tirik biopolimerlarning kaliyni tanlab bog'lash yoki elektr tokini polarizatsiya qilish qobiliyati kabi xususiyatlarni hatto tanadan eng ehtiyotkorlik bilan olib tashlash bilan ham saqlab bo'lmaydi. Shuning uchun hujayra biofizikasi tirik materiyani umrbod tadqiq qilish mezonlari va usullarini jadal ishlab chiqishda davom etmoqda.

Molekulyar biologiyaning yoshligiga qaramay, bu sohada erishgan yutuqlari chindan ham hayratlanarli. Nisbatan uchun qisqa muddatga genning tabiati va uning tashkil etilishi, ko'payishi va faoliyatining asosiy tamoyillari o'rnatildi. Bundan tashqari, nafaqat genlarni in vitro ko'paytirish amalga oshirildi, balki birinchi marta genning o'zini to'liq sintez qilish ham yakunlandi. Genetik kod to'liq deşifrlangan va oqsil biosintezining o'ziga xosligining eng muhim biologik muammosi hal qilingan. Hujayrada oqsil hosil bo'lishining asosiy yo'llari va mexanizmlari aniqlangan va o'rganilgan. Nuklein shablonlari tilini sintez qilingan oqsilning aminokislotalar ketma-ketligi tiliga o'tkazadigan o'ziga xos adapter molekulalarining ko'plab transport RNKlarining birlamchi tuzilishi to'liq aniqlangan. Ko'pgina oqsillarning aminokislotalar ketma-ketligi to'liq shifrlangan va ulardan ba'zilarining fazoviy tuzilishi aniqlangan. Bu ferment molekulalarining ishlash printsipi va tafsilotlarini yoritishga imkon berdi. Fermentlardan biri ribonukleazaning kimyoviy sintezi amalga oshirildi. Turli hujayra osti zarrachalari, ko'plab viruslar va faglar tashkil etilishining asosiy tamoyillari o'rnatildi va ularning hujayradagi biogenezining asosiy yo'llari ochildi. Genlar faoliyatini tartibga solish usullarini tushunish va hayotiy faoliyatning tartibga solish mexanizmlarini yoritishga yondashuvlar kashf qilindi. Ushbu kashfiyotlarning oddiy ro'yxati 20-asrning ikkinchi yarmi ekanligini ko'rsatadi. biologiyada ulkan yutuqlar bilan ajralib turdi, bu birinchi navbatda biologik muhim makromolekulalar - nuklein kislotalar va oqsillarning tuzilishi va funktsiyalarini chuqur o'rganish bilan bog'liq.

Molekulyar biologiyaning yutuqlari bugungi kunda amaliyotda qo‘llanila boshlandi va tibbiyot, qishloq xo‘jaligi va sanoatning ayrim tarmoqlarida sezilarli natijalar bermoqda. Bu ilmning qaytishi kun sayin ortib borishiga shubha yo‘q. Ammo asosiy natija shuni hisobga olish kerakki, molekulyar biologiya yutuqlari ta'sirida hayotning eng sirli sirlarini ochish yo'lida cheksiz imkoniyatlar mavjudligiga ishonch kuchaydi.

Kelajakda, aftidan, materiya harakatining biologik shaklini o'rganishning yangi usullari ochiladi - biologiya molekulyar darajadan atom darajasiga o'tadi. Ammo, ehtimol, yaqin 20 yil ichida molekulyar biologiyaning rivojlanishini aniq bashorat qila oladigan biron bir tadqiqotchi yo'q.

"Bio/mol/text" tanlovi uchun komikslar: Bugun molekulyar biolog Probirka sizni hayratlanarli fan – molekulyar biologiya olamiga yo‘naltiradi! Biz uning rivojlanish bosqichlari bo'yicha tarixiy ekskursiyadan boshlaymiz, biz 1933 yildan beri asosiy kashfiyotlar va tajribalarni tasvirlaymiz. Shuningdek, biz molekulyar biologiyaning asosiy usullarini aniq tasvirlab beramiz, bu genlarni manipulyatsiya qilish, ularni o'zgartirish va izolyatsiya qilish imkonini berdi. Bu usullarning paydo bo'lishi molekulyar biologiyaning rivojlanishiga kuchli turtki bo'lib xizmat qildi. Keling, biotexnologiyaning rolini eslaylik va ushbu sohadagi eng mashhur mavzulardan biri - CRISPR/Cas tizimlari yordamida genomni tahrirlash haqida to'xtalib o'tamiz.

Tanlovning bosh homiysi va Skoltech nominatsiyasining hamkori.

Tanlov homiysi Diaem kompaniyasi: biologik tadqiqotlar va ishlab chiqarish uchun asbob-uskunalar, reagentlar va sarf materiallarini yetkazib beruvchi yirik kompaniya hisoblanadi.

Kompaniya “Tomoshabinlar tanlovi” mukofotiga homiylik qildi.

Tanlovning “Kitob” homiysi – “Alpina nofiction”

1.Kirish. Molekulyar biologiyaning mohiyati

U makromolekulalar darajasida organizmlarning hayotiy faoliyati asoslarini o'rganadi. Molekulyar biologiyaning maqsadi bu makromolekulalarning tuzilishi va xossalari haqidagi bilimlar asosida ularning roli va faoliyat mexanizmlarini aniqlashdan iborat.

Tarixiy jihatdan molekulyar biologiya biokimyoning nuklein kislotalar va oqsillarni o'rganuvchi yo'nalishlarining rivojlanishi jarayonida shakllangan. Biokimyo moddalar almashinuvini, tirik hujayralar, organizmlarning kimyoviy tarkibi va ularda kechadigan kimyoviy jarayonlarni o‘rgansa, molekulyar biologiya irsiy axborotni uzatish, ko‘payish va saqlash mexanizmlarini o‘rganishga qaratilgan.

Molekulyar biologiyaning o'rganish ob'ekti esa nuklein kislotalarning o'zlari - dezoksiribonuklein (DNK), ribonuklein (RNK) - va oqsillar, shuningdek, ularning makromolekulyar komplekslari - xromosomalar, ribosomalar, oqsillar va nuklein kislotalarning biosintezini ta'minlaydigan ko'p fermentli tizimlardir. Molekulyar biologiya ham o'rganish ob'ektlari bilan chegaradosh bo'lib, qisman molekulyar genetika, virusologiya, biokimyo va boshqa bir qator tegishli biologik fanlar bilan mos keladi.

2. Molekulyar biologiyaning rivojlanish bosqichlari bo‘yicha tarixiy ekskursiya

Biokimyoning alohida sohasi sifatida molekulyar biologiya o'tgan asrning 30-yillarida rivojlana boshladi. O'shanda ham genetik ma'lumotni uzatish va saqlash jarayonlarini o'rganish uchun hayot hodisasini molekulyar darajada tushunish zarurati paydo bo'ldi. Aynan o'sha paytda molekulyar biologiyaning vazifasi oqsillar va nuklein kislotalarning xossalari, tuzilishi va o'zaro ta'sirini o'rganishda qo'yildi.

"Molekulyar biologiya" atamasi birinchi marta ishlatilgan 1933 yil Uilyam Astberi fibrilyar oqsillarni (kollagen, qon fibrini, kontraktil mushak oqsillari) o'rganish paytida. Estberi bu oqsillarning molekulyar tuzilishi va biologik, fizik xususiyatlari o'rtasidagi munosabatni o'rgandi. Molekulyar biologiyaning paydo bo'lishining boshida RNK faqat o'simliklar va zamburug'larning, DNK esa faqat hayvonlarning tarkibiy qismi deb hisoblangan. Va ichida 1935 Andrey Belozerskiy tomonidan no'xat DNKining kashfiyoti DNK har bir tirik hujayrada mavjudligini aniqlashga olib keldi.

DA 1940 Jorj Bidl va Edvard Tetem tomonidan genlar va oqsillar o'rtasidagi sababiy bog'liqlikning o'rnatilishi ulkan yutuq bo'ldi. Olimlarning "Bir gen - bitta ferment" gipotezasi oqsilning o'ziga xos tuzilishi genlar tomonidan tartibga solinishi haqidagi tushunchaga asos bo'ldi. Genetik ma'lumot oqsillarning birlamchi tuzilishini tartibga soluvchi DNKdagi nukleotidlarning maxsus ketma-ketligi bilan kodlangan deb ishoniladi. Keyinchalik ko'pgina oqsillar to'rtlamchi tuzilishga ega ekanligi isbotlandi. Bunday tuzilmalarni hosil qilishda turli peptid zanjirlari ishtirok etadi. Shunga asoslanib, gen va ferment o'rtasidagi munosabatlar to'g'risidagi qoida biroz o'zgargan va endi bu "Bir gen - bitta polipeptid" kabi eshitiladi.

DA 1944 1999 yilda amerikalik biolog Osvald Averi va uning hamkasblari (Kolin Makleod va Maklin Makkarti) bakteriyalarning transformatsiyasiga sabab bo'lgan modda oqsillar emas, balki DNK ekanligini isbotladilar. Tajriba DNKning irsiy ma'lumotni uzatishdagi rolining isboti bo'lib xizmat qildi, genlarning oqsil tabiati haqidagi eskirgan bilimlarni kesib tashladi.

1950-yillarning boshlarida Frederik Sanger oqsil zanjiri aminokislotalar qoldiqlarining noyob ketma-ketligi ekanligini ko'rsatdi. DA 1951 va 1952 yillar davomida olim ikkita polipeptid zanjirining to'liq ketma-ketligini aniqladi - sigir insulin DA(30 ta aminokislota qoldig'i) va LEKIN(21 aminokislota qoldig'i) mos ravishda.

Taxminan bir vaqtning o'zida, in 1951–1953 Ervin Chargaff DNKdagi azotli asoslarning nisbati qoidalarini ishlab chiqdi. Qoidaga ko'ra, tirik organizmlarning DNKsidagi tur farqidan qat'i nazar, adenin (A) miqdori timin (T) miqdoriga, guanin (G) miqdori esa sitozin miqdoriga teng. (C).

DA 1953 DNKning genetik rolini isbotladi. Jeyms Uotson va Frensis Krik Rozalind Franklin va Moris Uilkins tomonidan olingan DNKning rentgen nuriga asoslanib, DNKning fazoviy tuzilishini o'rnatdilar va irsiyatning asosi bo'lgan uning replikatsiyasi (ikki marta ko'payishi) mexanizmi haqida keyinroq tasdiqlangan taxminni ilgari surdilar.

1958 yil - Frensis Krik tomonidan molekulyar biologiyaning markaziy dogma shakllanishi: genetik ma'lumotlarning uzatilishi DNK → RNK → oqsil yo'nalishi bo'yicha ketadi.

Dogmaning mohiyati shundaki, hujayralarda DNKdan ma'lum bir yo'naltirilgan ma'lumot oqimi mavjud bo'lib, u o'z navbatida to'rtta harfdan iborat bo'lgan asl genetik matndir: A, T, G va C. U DNKda yozilgan. bu harflarning shakli ketma-ketligidagi qo'sh spiral - nukleotidlar.

Ushbu matn transkripsiya qilinmoqda. Va jarayon deyiladi transkripsiya. Ushbu jarayon davomida RNK sintezlanadi, bu genetik matn bilan bir xil, ammo farqi bilan: RNKda T o'rniga U (urasil) mavjud.

Bu RNK deyiladi xabarchi RNK (mRNK), yoki matritsa (mRNK). Translyatsiya mRNK nukleotidlarning triplet ketma-ketligi ko'rinishidagi genetik kod yordamida amalga oshiriladi. Ushbu jarayon davomida DNK va RNK nuklein kislotalari matni to'rt harfli matndan yigirma harfli aminokislotalar matniga tarjima qilinadi.

Faqat yigirmata tabiiy aminokislotalar mavjud va nuklein kislotalar matnida to'rtta harf mavjud. Shu sababli, genetik kod orqali to'rt harfli alifbodan yigirma harfli alifboga tarjima mavjud bo'lib, unda har uchta nukleotid aminokislotalarga to'g'ri keladi. Shunday qilib, siz to'rtta harfdan 64 ta uch harfli kombinatsiyani yaratishingiz mumkin, bundan tashqari, 20 ta aminokislotalar mavjud.Bundan kelib chiqadiki, genetik kod, albatta, degeneratsiya xususiyatiga ega bo'lishi kerak. Biroq, o'sha paytda genetik kod noma'lum edi, bundan tashqari, u hatto shifrlashni ham boshlamagan edi, lekin Krik allaqachon o'zining markaziy dogmasini shakllantirgan edi.

Shunga qaramay, kod mavjud bo'lishi kerakligiga ishonch bor edi. O'sha vaqtga kelib, bu kod uchlik xarakterga ega ekanligi isbotlangan edi. Bu shuni anglatadiki, nuklein kislotalarda uchta harf ( kodonlar) har qanday aminokislotaga mos keladi. Ushbu kodonlarning 64 tasi bor, ular 20 ta aminokislotalarni kodlaydi. Bu shuni anglatadiki, har bir aminokislota bir vaqtning o'zida bir nechta kodonlarga mos keladi.

Shunday qilib, markaziy dogma - bu hujayrada ma'lumotlarning yo'naltirilgan oqimi sodir bo'lishini aytadigan postulat degan xulosaga kelishimiz mumkin: DNK → RNK → oqsil. Krik markaziy dogmaning asosiy mazmunini ta'kidladi: axborotning teskari oqimi sodir bo'lishi mumkin emas, oqsil genetik ma'lumotni o'zgartirishga qodir emas.

Bu markaziy dogmaning asosiy ma'nosi: oqsil ma'lumotni DNK (yoki RNK) ga o'zgartira olmaydi va o'zgartira olmaydi, oqim har doim faqat bitta yo'nalishda ketadi.

Bir muncha vaqt o'tgach, markaziy dogma shakllantirilganda noma'lum bo'lgan yangi ferment topildi, - teskari transkriptaza RNK dan DNKni sintez qiladi. Ferment viruslarda topilgan, unda genetik ma'lumotlar DNKda emas, RNKda kodlangan. Bunday viruslar retroviruslar deb ataladi. Ularda RNK ga ega virusli kapsulalar va maxsus ferment mavjud. Ferment bu virusli RNK shabloniga ko'ra DNKni sintez qiladigan teskari transkriptaza bo'lib, keyinchalik bu DNK virusning hujayradagi keyingi rivojlanishi uchun genetik material bo'lib xizmat qiladi.

Albatta, bu kashfiyot molekulyar biologlar orasida katta shok va ko'p tortishuvlarga sabab bo'ldi, chunki markaziy dogmaga asoslanib, bunday bo'lishi mumkin emas deb ishonishgan. Biroq, Krik buni hech qachon imkonsiz deb aytmaganligini darhol tushuntirdi. U faqat oqsildan nuklein kislotalarga hech qachon ma'lumot oqimi bo'lishi mumkin emasligini aytdi va nuklein kislotalar ichida har qanday jarayonlar juda mumkin: DNKda DNK, RNKda DNK, DNKda RNK va RNKda RNK sintezi.

Markaziy dogma shakllantirilgandan so'ng, bir qator savollar hali ham saqlanib qoldi: DNK (yoki RNK) ni tashkil etuvchi to'rtta nukleotid alifbosi oqsillarni tashkil etuvchi aminokislotalarning 20 harfli alifbosini qanday kodlaydi? Genetik kodning mohiyati nimada?

Genetik kodning mavjudligi haqidagi birinchi g'oyalar Aleksandr Dauns tomonidan ishlab chiqilgan ( 1952 d.) va Georgiy Gamov ( 1954 G.). Olimlar nukleotidlar ketma-ketligi kamida uchta bo'g'inni o'z ichiga olishi kerakligini ko'rsatdi. Keyinchalik bunday ketma-ketlik uchta nukleotiddan iborat ekanligi isbotlangan, deyiladi kodon (uchlik). Biroq, qaysi nukleotidlar qaysi aminokislotalarni oqsil molekulasiga kiritish uchun mas'ul ekanligi haqidagi savol 1961 yilgacha ochiq qoldi.

Va ichida 1961 Marshall Nirenberg, Geynrix Mattei bilan birga, translyatsiya qilish uchun tizimdan foydalangan in vitro. Shablon sifatida oligonukleotid ishlatilgan. U faqat urasil qoldiqlarini o'z ichiga olgan va undan sintez qilingan peptid faqat fenilalanin aminokislotasini o'z ichiga olgan. Shunday qilib, kodonning ma'nosi birinchi bo'lib aniqlandi: kodon UUU fenilalaninni kodlaydi. Keyinchalik Har Qur'on UCUCUCUCUCUC nukleotidlar ketma-ketligi serin-leysin-serin-leytsin aminokislotalar to'plamini kodlashini aniqladi. Umuman olganda, Nirenberg va Qur'on asarlari tufayli 1965 yili genetik kod butunlay ochildi. Ma'lum bo'lishicha, har bir triplet ma'lum bir aminokislotani kodlaydi. Kodonlarning tartibi esa oqsildagi aminokislotalarning tartibini belgilaydi.

Oqsillar va nuklein kislotalar faoliyatining asosiy tamoyillari 70-yillarning boshlarida shakllantirilgan. Oqsillar va nuklein kislotalarning sintezi matritsa mexanizmi bo'yicha amalga oshirilishi aniqlandi. Shablon molekulasi aminokislotalar yoki nukleotidlar ketma-ketligi haqida kodlangan ma'lumotni olib yuradi. Replikatsiya yoki transkripsiya paytida shablon DNK, tarjima va teskari transkripsiya paytida esa mRNK hisoblanadi.

Shunday qilib, molekulyar biologiya, jumladan, genetik muhandislik sohalarini shakllantirish uchun zarur shart-sharoitlar yaratildi. Va 1972 yilda Pol Berg va uning hamkasblari molekulyar klonlash texnologiyasini ishlab chiqdilar. Olimlar birinchi rekombinant DNKni olishdi in vitro. Ushbu ajoyib kashfiyotlar molekulyar biologiyaning yangi yo'nalishining asosini tashkil etdi va 1972 yildan beri yil genetik muhandislikning tug'ilgan kuni deb hisoblanadi.

3. Molekulyar biologiyaning metodlari

Nuklein kislotalar, DNK tuzilishi va oqsil biosintezini oʻrganishdagi ulkan yutuqlar tibbiyot, qishloq xoʻjaligi va umuman fanda katta ahamiyatga ega boʻlgan bir qancha usullarning yaratilishiga olib keldi.

Genetik kod va irsiy axborotni saqlash, uzatish va amalga oshirishning asosiy tamoyillarini o'rganib chiqqandan so'ng, molekulyar biologiyani yanada rivojlantirish uchun maxsus usullar zarur bo'ldi. Ushbu usullar genlarni manipulyatsiya qilish, o'zgartirish va izolyatsiya qilish imkonini beradi.

Bunday usullarning paydo bo'lishi 1970-1980 yillarda sodir bo'lgan. Bu molekulyar biologiyaning rivojlanishiga katta turtki berdi. Avvalo, bu usullar genlarni ishlab chiqarish va ularni boshqa organizmlar hujayralariga kiritish, shuningdek, genlardagi nukleotidlar ketma-ketligini aniqlash imkoniyati bilan bevosita bog'liq.

3.1. DNK elektroforezi

DNK elektroforezi DNK bilan ishlashning asosiy usuli hisoblanadi. DNK elektroforezi deyarli barcha boshqa usullar bilan birgalikda kerakli molekulalarni ajratib olish va natijalarni yanada tahlil qilish uchun ishlatiladi. Jel elektroforez usulining o'zi DNK qismlarini uzunligi bo'yicha ajratish uchun ishlatiladi.

Elektroforezdan oldin yoki keyin jel DNK bilan bog'lanishi mumkin bo'lgan bo'yoqlar bilan ishlanadi. Bo'yoqlar ultrabinafsha nurda lyuminestsatsiyalanadi, natijada jelda bantlar naqshlari paydo bo'ladi. DNK fragmentlarining uzunligini aniqlash uchun ular bilan solishtirish mumkin belgilar- bir xil jelga qo'llaniladigan standart uzunlikdagi parchalar to'plami.

Floresan oqsillari

Eukaryotik organizmlarni o'rganishda marker genlar sifatida floresan oqsillardan foydalanish qulay. Birinchi yashil floresan oqsil uchun gen ( yashil floresan oqsil, GFP) meduzalardan ajratilgan Aqeuoreya Viktoriya va keyin turli organizmlarga kiritilgan. Shundan so'ng, boshqa rangdagi floresan oqsillari uchun genlar ajratildi: ko'k, sariq, qizil. Qiziqarli xususiyatlarga ega oqsillarni olish uchun bunday genlar sun'iy ravishda o'zgartirildi.

Umuman olganda, DNK molekulasi bilan ishlashning eng muhim vositalari hujayralardagi bir qator DNK transformatsiyalarini amalga oshiradigan fermentlardir: DNK polimeraza, DNK ligazalari va cheklaydi (cheklovchi endonukleazlar).

transgenez

transgenez Bu genlarning bir organizmdan ikkinchisiga o'tishi deyiladi. Bunday organizmlar deyiladi transgenik.

Rekombinant oqsil preparatlari faqat genlarni mikroorganizm hujayralariga o'tkazish orqali olinadi. Bu oqsillarning aksariyati interferonlar, insulin, ba'zi protein gormonlari, shuningdek, bir qator vaktsinalarni ishlab chiqarish uchun oqsillar.

Boshqa hollarda sutga kerakli oqsillarni ajratuvchi eukariotlar yoki transgen hayvonlarning, asosan chorva mollarining hujayra madaniyati ishlatiladi. Shu tarzda antikorlar, qon ivish omillari va boshqa oqsillar olinadi. Transgenez usulida zararkunandalar va gerbitsidlarga chidamli ekinlar olinadi, oqava suvlar transgen mikroorganizmlar yordamida tozalanadi.

Yuqorida aytilganlarning barchasidan tashqari, transgenik texnologiyalar ilmiy tadqiqotlarda ajralmas hisoblanadi, chunki biologiyaning rivojlanishi genlarni o'zgartirish va uzatish usullarini qo'llash bilan tezroq amalga oshiriladi.

Cheklovlar

Cheklovchi fermentlar tomonidan tan olingan ketma-ketliklar nosimmetrikdir, shuning uchun har qanday turdagi uzilishlar bunday ketma-ketlikning o'rtasida yoki DNK molekulasining bir yoki ikkala zanjirida siljish bilan sodir bo'lishi mumkin.

Har qanday DNKni cheklovchi ferment bilan parchalashda fragmentlar uchlaridagi ketma-ketliklar bir xil bo'ladi. Ular bir-birini to'ldiruvchi saytlarga ega bo'lgani uchun ular yana ulanishlari mumkin bo'ladi.

Ushbu ketma-ketliklarni qo'llash orqali siz bitta molekula olishingiz mumkin DNK ligazalari. Shu tufayli ikki xil DNK fragmentlarini birlashtirish va rekombinant DNK olish mumkin.

3.2. PCR

Usul DNK polimerazalarining hujayradagi DNK replikatsiyasi jarayonida bo'lgani kabi komplementar zanjir bo'ylab DNKning ikkinchi zanjirini to'ldirish qobiliyatiga asoslangan.

3.3. DNK ketma-ketligi

Sekvensiya usulining jadal rivojlanishi o'rganilayotgan organizmning xususiyatlarini uning genomi darajasida samarali aniqlash imkonini beradi. Bunday genomik va post-genomik texnologiyalarning asosiy afzalligi avvaldan zarur choralarni ko‘rish va kasalliklarning oldini olish maqsadida inson kasalliklarining genetik tabiatini tadqiq qilish va o‘rganish imkoniyatlarini oshirishdir.

Keng miqyosdagi tadqiqotlar orqali turli guruhlardagi odamlarning turli genetik xususiyatlariga oid kerakli ma'lumotlarni olish va shu orqali tibbiyot usullarini ishlab chiqish mumkin. Shu sababli, bugungi kunda turli kasalliklarga genetik moyillikni aniqlash juda mashhur.

Shunga o'xshash usullar deyarli butun dunyoda, shu jumladan Rossiyada ham keng qo'llaniladi. Ilmiy taraqqiyot tufayli bunday usullarni tibbiy tadqiqotlar va umuman tibbiy amaliyotga joriy etish mavjud.

4. Biotexnologiya

Biotexnologiya- texnologik muammolarni hal qilish uchun tirik organizmlar yoki ularning tizimlaridan foydalanish imkoniyatlarini, shuningdek, genetik muhandislik orqali kerakli xususiyatlarga ega tirik organizmlarni yaratishni o'rganadigan fan. Biotexnologiya kimyo, mikrobiologiya, biokimyo va, albatta, molekulyar biologiya usullarini qo'llaydi.

Biotexnologiyani rivojlantirishning asosiy yo'nalishlari (biotexnologik jarayonlar tamoyillari barcha tarmoqlar ishlab chiqarishiga joriy etilmoqda):

1. Oziq-ovqat va chorva ozuqalarining yangi turlarini yaratish va ishlab chiqarish.
2. Mikroorganizmlarning yangi shtammlarini olish va o'rganish.
3. O'simliklarning yangi navlarini ko'paytirish, shuningdek o'simliklarni kasallik va zararkunandalardan himoya qilish vositalarini yaratish.
4. Ekologiya ehtiyojlari uchun biotexnologiya usullarini qo'llash. Bunday biotexnologiya usullari chiqindilarni qayta ishlash, oqava suvlarni tozalash, chiqindi havo va tuproqni tozalash uchun ishlatiladi.
5. Tibbiyot ehtiyojlari uchun vitaminlar, gormonlar, fermentlar, sarumlar ishlab chiqarish. Biotexnologlar takomillashmoqda dorilar ilgari davolab bo'lmaydigan deb hisoblangan.

Biotexnologiyaning asosiy yutug'i genetik muhandislikdir.

Genetika muhandisligi- rekombinant RNK va DNK molekulalarini olish, hujayralardan alohida genlarni ajratish, genlarni manipulyatsiya qilish va ularni boshqa organizmlarga (bakteriyalar, xamirturushlar, sutemizuvchilar) kiritish texnologiyalari va usullari majmui. Bunday organizmlar kerakli, o'zgartirilgan xususiyatlarga ega yakuniy mahsulotlarni ishlab chiqarishga qodir.

Genetika muhandisligi usullari tabiatda yangi, ilgari mavjud bo'lmagan gen birikmalarini yaratishga qaratilgan.

Genetik injeneriya yutuqlari haqida gapirganda, klonlash mavzusiga to'xtalmaslik mumkin emas. Klonlash jinssiz koʻpayish orqali turli organizmlarning bir xil nasllarini olish uchun qoʻllaniladigan biotexnologiya usullaridan biri.

Boshqacha qilib aytganda, klonlashni organizm yoki hujayraning genetik jihatdan bir xil nusxalarini yaratish jarayoni deb hisoblash mumkin. Va klonlangan organizmlar nafaqat tashqi xususiyatlarda, balki genetik tarkibda ham o'xshash yoki butunlay bir xildir.

1966 yilda mashhur Dolli qo'y birinchi klonlangan sutemizuvchiga aylandi. U somatik hujayraning yadrosini tuxum sitoplazmasiga ko'chirish orqali olingan. Dolli yadro donor qo'ylarining genetik nusxasi edi. Tabiiy sharoitda ikkita ota-onadan genetik materialning yarmini olgan bitta urug'lantirilgan tuxumdan individ hosil bo'ladi. Biroq, klonlash paytida genetik material bitta odamning hujayrasidan olingan. Birinchidan, zigotadan DNKning o'zi bo'lgan yadro olib tashlandi. Keyin katta yoshli qo‘y hujayrasidan yadroni olib tashlab, yadrosiz o‘sha zigotaga joylashtirdilar, so‘ng u katta yoshli odamning bachadoniga ko‘chirib, o‘sishi va rivojlanishiga imkon berdi.

Biroq, barcha klonlash urinishlari muvaffaqiyatli bo'lmadi. Dollining klonlanishiga parallel ravishda boshqa 273 tuxumda DNKni almashtirish tajribasi o'tkazildi. Ammo faqat bitta holatda tirik katta yoshli hayvon to'liq rivojlanishi va o'sishi mumkin edi. Dollidan keyin olimlar sutemizuvchilarning boshqa turlarini klonlashga harakat qilishdi.

Genetik muhandislik turlaridan biri genomni tahrirlash.

CRISPR/Cas vositasi bakteriyalarning immun mudofaa tizimining elementiga asoslangan bo'lib, olimlar uni hayvonlar yoki o'simliklar DNKidagi har qanday o'zgarishlarni kiritish uchun moslashtirgan.

CRISPR/Cas - hujayralardagi individual genlarni manipulyatsiya qilishning biotexnologik usullaridan biri. Ushbu texnologiya uchun ko'plab ilovalar mavjud. CRISPR/Cas tadqiqotchilarga turli genlarning funksiyasini aniqlash imkonini beradi. Buning uchun siz DNKdan o'rganilayotgan genni kesib tashlashingiz va tananing qaysi funktsiyalariga ta'sir qilganini o'rganishingiz kerak.

Biroz amaliy ilovalar tizimlari:

1. Qishloq xo'jaligi. CRISPR/Cas tizimlari orqali ekinlarni yaxshilash mumkin. Ya'ni, ularni yanada mazali va to'yimli, shuningdek issiqlikka chidamli qilish. O'simliklarni boshqa xususiyatlarga ega bo'lish mumkin: masalan, yong'oqdan (yeryong'oq yoki findiq) allergen genini kesib tashlang.
2. Tibbiyot, irsiy kasalliklar. Olimlar oʻroqsimon hujayrali anemiya va boshqalar kabi kasalliklarni keltirib chiqarishi mumkin boʻlgan mutatsiyalarni inson genomidan olib tashlash uchun CRISPR/Cas dan foydalanishni maqsad qilgan. Nazariy jihatdan CRISPR/Cas OIV rivojlanishini toʻxtata oladi.
3. Gen haydovchisi. CRISPR/Cas nafaqat alohida hayvon yoki o'simlikning genomini, balki turning genofondini ham o'zgartirishi mumkin. Bu tushuncha sifatida tanilgan "gen haydovchisi". Har bir tirik organizm o'z genlarining yarmini avlodlariga o'tkazadi. Ammo CRISPR/Cas dan foydalanish genlarni uzatish imkoniyatini 100% gacha oshirishi mumkin. Bu kerakli belgining butun populyatsiyada tezroq tarqalishi uchun muhimdir.

Shveytsariya olimlari CRISPR/Cas genomini tahrirlash usulini sezilarli darajada takomillashtirdi va modernizatsiya qildi, shu bilan uning imkoniyatlarini kengaytirdi. Biroq, olimlar CRISPR/Cas tizimi yordamida bir vaqtning o'zida faqat bitta genni o'zgartirishi mumkin edi. Ammo endi ETH Zurich tadqiqotchilari bir vaqtning o'zida hujayradagi 25 ta genni o'zgartirishi mumkin bo'lgan usulni ishlab chiqdilar.

Eng yangi texnika uchun mutaxassislar Cas12a fermentidan foydalanganlar. Genetika olimlari tarixda birinchi marta maymunlarni muvaffaqiyatli klonlashdi. "Ommaviy mexanika";

Nikolenko S. (2012). Genomika: muammo bayoni va tartiblash usullari. "Post-fan".

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 o'zgarishi, 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 biopolimerlarning ikkita asosiy sinfi - oqsillar va nuklein kislotalar bilan bog'liq. 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 va oqsillarning molekulalari bilan yakunlanadi.

M.ning paydo boʻlishining asosini genetika, biokimyo, elementar jarayonlar fiziologiyasi va boshqalar kabi fanlar qoʻygan, uning rivojlanishining kelib chiqishiga koʻra M. b. muhim qismi bo‘lib qolayotgan molekulyar genetika bilan uzviy bog‘liqdir

M. b.ning oʻziga xos xususiyati. uning uch o'lchamliligi. M. b.ning mohiyati. M.Perutz buni biologik funktsiyalarni molekulyar tuzilish nuqtai nazaridan izohlashda ko'radi. M. b. molekulaning butun tuzilishining roli va ishtirokining mohiyatini bilgan holda, "qanday qilib" degan savolga va "nima uchun" va "nima uchun" savollariga, bir tomondan, munosabatlarni bilib olishni maqsad qiladi. molekulaning xossalari (yana, birinchi navbatda, oqsillar va nuklein kislotalar) va u bajaradigan funktsiyalar o'rtasida va boshqa tomondan, hayotiy faoliyatning namoyon bo'lishining umumiy majmuasida bunday individual funktsiyalarning roli.

Molekulyar biologiyaning eng muhim yutuqlari. Bu yutuqlarning to'liq ro'yxatidan yiroq: DNK, RNK va ribosomalarning barcha turlarining biologik funktsiyasining tuzilishi va mexanizmini ochish, genetik kodni ochish; teskari transkripsiyaning kashf etilishi, ya'ni RNK shablonida DNK sintezi; nafas olish pigmentlarining ishlash mexanizmlarini o'rganish; uch o'lchovli tuzilmani va uning fermentlar ta'siridagi funktsional rolini, matritsa sintezi printsipini va oqsil biosintezi mexanizmlarini ochish; viruslar tuzilishi va ularning replikatsiya mexanizmlarini, antikorlarning birlamchi va qisman fazoviy tuzilishini ochib berish; 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; ortib borayotgan individual oqsillarning, asosan fermentlarning, shuningdek, nuklein kislotalarning kimyoviy tuzilishining tez sur'atlarda shifrlanishi; nuklein kislota molekulalaridan boshlab, koʻp komponentli fermentlar, viruslar, ribosomalar va boshqalarga oʻtuvchi murakkabligi tobora ortib borayotgan ayrim biologik obʼyektlarning “oʻz-oʻzidan yigʻilish” hodisalarini kashf qilish; biologik funktsiyalar va jarayonlarni tartibga solishning allosterik va boshqa asosiy tamoyillarini tushuntirish.

Molekulyar biologiya muammolari. Belgilangan muhim vazifalar bilan bir qatorda M. qiladi. ("tanish", o'z-o'zini yig'ish va integratsiya qonunlarini bilish) yaqin kelajak uchun ilmiy izlanishning dolzarb yo'nalishi - strukturani dekodlash imkonini beruvchi usullarni ishlab chiqish, keyin esa yuqori molekulyar uch o'lchovli, fazoviy tashkil etish. nuklein kislotalar. 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 - oldini olish yo'llari va, ehtimol, irsiy kasalliklarni engish - "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, toksik va dorivor moddalar ta'sirining molekulyar mexanizmlarini ochish istagini o'z ichiga olishi kerak, shuningdek, hujayralarga kirib borish va kirish jarayonlarini tartibga solishda ishtirok etadigan biologik membranalar kabi hujayra tuzilmalarining molekulyar tuzilishi va faoliyatining tafsilotlarini bilish. moddalarni tashish. Olisroq maqsadlar M. b. - asab jarayonlarining tabiati, xotira mexanizmlari va boshqalarni bilish M.ning muhim rivojlanayotgan bo'limlaridan biri b. - deb atalmish. genetik muhandislik, mikroblar va pastki (bir hujayrali) va odamlar bilan tugaydigan tirik organizmlarning genetik apparati (genomi) ning maqsadli ishlashini o'z oldiga vazifa qilib qo'yadi (ikkinchi holatda, birinchi navbatda, ularni radikal davolash maqsadida). irsiy kasalliklar va genetik nuqsonlarni tuzatish).

MBning eng muhim yo'nalishlari:

- molekulyar genetika - hujayra genetik apparatining strukturaviy va funktsional tashkil etilishini va irsiy ma'lumotni amalga oshirish mexanizmini o'rganadi.

- Molekulyar virusologiya - viruslarning hujayralar bilan o'zaro ta'sirining molekulyar mexanizmlarini o'rganadigan fan

- Molekulyar immunologiya - organizmning immun reaktsiyalarining qonuniyatlarini o'rganadi

Rivojlanishning molekulyar biologiyasi - organizmlarning individual rivojlanishi va hujayralarning ixtisoslashuvi jarayonida hujayra xilma-xilligining paydo bo'lishini o'rganish.

Asosiy tadqiqot ob'ektlari: Viruslar (shu jumladan bakteriofaglar), Hujayralar va hujayra osti tuzilmalari, Makromolekulalar, Ko'p hujayrali organizmlar.

Molekulyar biologiya / ma lɛ uchunJʊ ler / biologiyaning turli xil hujayra tizimlaridagi biomolekulalar orasidagi biologik faollikning molekulyar asoslari, jumladan DNK, RNK, oqsillar va ularning biosintezi oʻrtasidagi oʻzaro taʼsiri hamda bu oʻzaro taʼsirlarning tartibga solinishi bilan bogʻliq boʻlgan biologiya boʻlimi. Yozilmoqda tabiat 1961 yilda Astberi molekulyar biologiyani tasvirlab berdi:

Texnika emas, balki yondashuv, mos keladigan molekulyar reja uchun klassik biologiyaning keng ko'lamli ko'rinishlarini qidirishning etakchi g'oyasi bilan fundamental fanlar nuqtai nazaridan yondashuv. Bu, xususan, bilan bog'liq shakllari biologik molekulalar va [...] asosan uch o'lchovli va tizimli - bu, ammo, bu faqat morfologiyani takomillashtirish degani emas. U bir vaqtning o'zida genezis va funktsiyani tekshirishi kerak.

Boshqa biologiya fanlari bilan aloqasi

Molekulyar biologiya sohasidagi tadqiqotchilar molekulyar biologiyani o'stirishning o'ziga xos usullaridan foydalanadilar, lekin ularni tobora ko'proq genetika va biokimyo usullari va g'oyalari bilan birlashtiradi. Ushbu fanlar o'rtasida aniq chegara yo'q. Bu quyidagi diagrammada ko'rsatilgan, unda maydonlar o'rtasidagi munosabatlarning bir turi tasvirlangan:

• Biokimyo tirik organizmlarda sodir boʻladigan kimyoviy moddalar va hayotiy jarayonlarni oʻrganuvchi fan. Biokimyogarlarga biomolekulalarning roli, funktsiyasi va tuzilishiga e'tibor qaratish qiyin. Biologik jarayonlar ortidagi kimyoni o'rganish va biologik faol molekulalarning sintezi biokimyoga misol bo'la oladi.
• Genetika organizmlardagi irsiy farqlarning ta'sirini o'rganishdir. Buni ko'pincha oddiy komponent (masalan, bitta gen) yo'qligi bilan izohlash mumkin. "Mutantlar" ni o'rganish - "yovvoyi tip" yoki normal fenotipga nisbatan bir yoki bir nechta funktsional komponentlarga ega bo'lgan organizmlar. Genetik o'zaro ta'sirlar (epistaz) ko'pincha bunday "nokaut" tadqiqotlarining oddiy talqinlari bilan chalkashib ketadi.
• Molekulyar biologiya replikatsiya, transkripsiya, translatsiya va hujayra funktsiyasi jarayonlarining molekulyar asoslarini o'rganishdir. Molekulyar biologiyaning markaziy dogmasi, genetik material RNKga transkripsiya qilinadi va keyin proteinga aylantiriladi, ammo haddan tashqari soddalashtirilgan bo'lsa ham, bu sohani tushunish uchun yaxshi boshlanish nuqtasidir. Rasm RNK uchun paydo bo'ladigan yangi rollar nuqtai nazaridan qayta ko'rib chiqilgan.

Molekulyar biologiyaning metodlari

Molekulyar klonlash

Protein funktsiyasini o'rganish uchun eng asosiy molekulyar biologiya usullaridan biri molekulyar klonlashdir. Ushbu texnikada qiziqish uyg'otadigan oqsilni kodlaydigan DNK polimeraza zanjiri reaktsiyasi (PCR) va/yoki plazmiddagi cheklovchi fermentlar (ekspressiya vektori) yordamida klonlanadi. Vektor uchta farqlovchi xususiyatga ega: replikatsiyaning kelib chiqishi, ko'p klonlash joyi (MCS) va tanlanadigan marker, odatda antibiotiklarga qarshilik ko'rsatadi. Yuqori oqimdagi ko'p klonlash joyi klonlangan genning ekspressiyasini tartibga soluvchi promouter va transkripsiyaning boshlang'ich hududi hisoblanadi. Ushbu plazmid bakteriya yoki hayvon hujayralariga kiritilishi mumkin. DNK ning kiritilishi bakterial hujayralar yalang'och DNKni qabul qilish transformatsiyasi, hujayradan hujayraga konjugatsiya yoki virusli vektor bilan transduksiya orqali amalga oshirilishi mumkin. DNKning eukaryotik hujayralarga, masalan, hayvonlar hujayralariga fizik yoki kimyoviy vositalar bilan kiritilishi transfeksiya deb ataladi. Kaltsiy fosfat transfeksiyasi, elektroporatsiya, mikroin'ektsiya va liposomal transfeksiya kabi bir necha xil transfeksiya usullari mavjud. Plazmid genomga integratsiyalangan bo'lishi mumkin, bu esa barqaror transfeksiyaga olib keladi yoki transfeksiya o'tish davri deb ataladigan genomdan mustaqil bo'lib qolishi mumkin.

Qiziqarli oqsillarni kodlaydigan DNK endi hujayra ichida va oqsillarni endi ifodalash mumkin. Turli tizimlar, masalan, induksiyali promotorlar va o'ziga xos hujayra signalizatsiya omillari, oqsilga bo'lgan qiziqishni yuqori darajada ifodalashga yordam beradi. Keyinchalik ko'p miqdorda protein bakterial yoki eukaryotik hujayradan olinishi mumkin. Proteinni turli vaziyatlarda fermentativ faolligini tekshirish mumkin, oqsilni kristallanishi mumkin, shuning uchun uning uchinchi darajali tuzilishini o'rganish mumkin yoki farmatsevtika sanoatida oqsilga qarshi yangi dori vositalarining faolligini o'rganish mumkin.

polimeraza zanjiri reaktsiyasi

Makromolekulalar-bloting va o'rganish

Shartlar shimoliy , g'arbiy va sharqona blotting dastlab atamada o'ynagan molekulyar biologiya hazilidan chiqadi Janubiy tarmoq, BLOTTED DNK gibridizatsiyasi uchun Edvin Southern tomonidan tasvirlangan texnikaga amal qilgan holda. Patrisiya Tomas, RNK blokirovkasini ishlab chiquvchi, keyinchalik u nomi bilan mashhur bo'ldi shimoliy - qorayish, aslida bu atamadan foydalanmang.

Janubiy qorayish

Ixtirochisi, biolog Edvin Sautern nomi bilan atalgan Southern blot DNK namunasida ma'lum DNK ketma-ketligi mavjudligini tekshirish usulidir. DNK namunalari cheklash fermenti (cheklash fermenti) hazm qilishdan oldin yoki keyin gel elektroforez bilan ajratiladi va keyin kapillyar blot orqali membranaga o'tkaziladi. Keyin membrana DNKga tegishli bo'lgan asosiy ketma-ketlikka ega bo'lgan yorliqli DNK probiga ta'sir qiladi. Janubiy blotting DNK namunalaridan o'ziga xos DNK ketma-ketligini aniqlash uchun boshqa usullar, masalan, PCR qobiliyati tufayli ilmiy laboratoriyada kamroq qo'llaniladi. Ushbu dog'lar hali ham ba'zi ilovalar uchun ishlatiladi, masalan, transgen sichqonlarda transgen nusxasi sonini o'lchash yoki embrion ildiz hujayralarining muhandislik genlarini nokautlash liniyalarida.

shimoliy dog'lar

Shimoliy dog'lar diagrammasi

Sharqiy qorayish

Molekulyar biologiyadan kelib chiqadigan klinik tadqiqotlar va tibbiy terapiya qisman gen terapiyasi bilan qoplangan. Molekulyar biologiya yoki molekulyar hujayra biologiyasi yondashuvlarini tibbiyotda qo'llash endi molekulyar tibbiyot deb ataladi. Molekulyar biologiya shuningdek, yangi dori vositalarini samarali yo'naltirish, kasalliklarni tashxislash va hujayra fiziologiyasini tushunish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan hujayralarning turli qismlarining shakllanishi, harakatlari va qoidalarini tushunishda muhim rol o'ynaydi.

qo'shimcha o'qish

• Cohen, SN, Chang, NKD, Boyer, H. & Heling, RB Biologik funktsional bakterial plazmidlarni qurish in vitro .