Молекулярна биология

наука, която си поставя за задача познаването на природата на жизнените явления чрез изучаване на биологични обекти и системи на ниво, приближаващо се до молекулярното ниво, а в някои случаи достигащо тази граница. Крайната цел в случая е да се изясни как и до каква степен характерните прояви на живота, като наследственост, размножаване на себеподобните, биосинтеза на протеини, възбудимост, растеж и развитие, съхранение и предаване на информация, енергийни трансформации, мобилност, т.е. и т.н., се дължат на структурата, свойствата и взаимодействието на молекулите на биологично важни вещества, предимно на двата основни класа биополимери с високо молекулно тегло (виж Биополимери) - протеини и нуклеинови киселини. Отличителна черта на M. b. - изследване на явленията на живота върху неодушевени обекти или такива, които се характеризират с най-примитивните прояви на живота. Това са биологични образувания от клетъчно ниво и по-долу: субклетъчни органели, като изолирани клетъчни ядра, митохондрии, рибозоми, хромозоми, клетъчни мембрани; по-нататък - системи, които стоят на границата на живата и неживата природа - вируси, включително бактериофаги и завършващи с молекулите на най-важните компоненти на живата материя - нуклеинови киселини (виж Нуклеинови киселини) и протеини (виж Протеини).

М. б. - нова област на природните науки, тясно свързана с отдавна установени области на изследване, които са обхванати от биохимия (вижте биохимия), биофизика (вижте биофизика) и биоорганична химия (вижте биоорганична химия). Разграничението тук е възможно само въз основа на отчитане на използваните методи и фундаменталния характер на използваните подходи.

Основата, върху която се развива М., е поставена от такива науки като генетика, биохимия, физиология на елементарните процеси и др. неразривно свързан с молекулярната генетика (виж Молекулярна генетика) , което продължава да съставлява важна част от М. банковото дело, въпреки че вече се е оформило до голяма степен в самостоятелна дисциплина. Изолацията на М. от биохимията е продиктувано от следните съображения. Задачите на биохимията се свеждат главно до установяване на участието на определени химични вещества в определени биологични функции и процеси и изясняване характера на техните трансформации; водеща стойност принадлежи на информацията за реактивността и за основните характеристики на химичната структура, изразена с обичайната химична формула. По този начин, по същество, вниманието е фокусирано върху трансформациите, засягащи главните валентни химични връзки. Междувременно, както беше подчертано от Л. Полинг , в биологичните системи и проявленията на жизнената активност основното значение трябва да се отдава не на главните валентни връзки, действащи в една и съща молекула, а на различни видове връзки, които определят междумолекулни взаимодействия (електростатични, ван дер ваалсови, водородни връзки и др.) .

Крайният резултат от биохимично изследване може да бъде представен под формата на система от химични уравнения, обикновено напълно изчерпана от представянето им в равнина, т.е. в две измерения. Отличителна черта на M. b. е нейната триизмерност. Същността на M. b. М. Перуц го вижда в тълкуването на биологичните функции от гледна точка на молекулярната структура. Можем да кажем, че ако преди, при изучаване на биологични обекти, беше необходимо да се отговори на въпроса „какво“, тоест какви вещества присъстват, и на въпроса „къде“ - в кои тъкани и органи, тогава M. b. си поставя за задача да получи отговори на въпроса „как“, след като е научил същността на ролята и участието на цялата структура на молекулата, и на въпросите „защо“ и „за какво“, след като е разбрал, на от една страна, връзките между свойствата на молекулата (отново, преди всичко протеини и нуклеинови киселини) и изпълняваните от нея функции, а от друга страна, ролята на такива отделни функции в общия комплекс от прояви на жизнената дейност.

Взаимното разположение на атомите и техните групи в общата структура на макромолекулата, техните пространствени отношения придобиват решаваща роля. Това се отнася както за отделни, отделни компоненти, така и за цялостната конфигурация на молекулата като цяло. Именно в резултат на възникването на строго определена обемна структура биополимерните молекули придобиват тези свойства, благодарение на които са в състояние да служат като материална основа на биологичните функции. Този принцип на подход към изучаването на живите е най-характерната, типична черта на M. b.

История справка.Голямото значение на изучаването на биологичните проблеми на молекулярно ниво е предвидено от И. П. Павлов , който говори за последната стъпка в науката за живота - физиологията на живата молекула. Самият термин „М. б." е използван за първи път на английски. учени W. Astbury в приложение към изследвания, свързани с изясняване на връзката между молекулярната структура и физическите и биологични свойства на фибриларни (влакнести) протеини, като колаген, кръвен фибрин или контрактилни мускулни протеини. Широко използвайте термина „М. б." стомана от началото на 1950 г. 20-ти век

Появата на М. като зряла наука е прието да се говори за 1953 г., когато Дж. Уотсън и Ф. Крик в Кеймбридж (Великобритания) откриват триизмерната структура на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК). Това даде възможност да се говори за това как детайлите на тази структура определят биологичните функции на ДНК като материален носител на наследствена информация. По принцип тази роля на ДНК стана известна малко по-рано (1944 г.) в резултат на работата на американския генетик О. Т. Ейвъри и сътрудници (виж Молекулярна генетика), но не беше известно до каква степен тази функция зависи от молекулярната структура на ДНК. Това стана възможно едва след като лабораториите на W. L. Bragg, J. Bernal и други разработиха нови принципи на рентгенов дифракционен анализ, което осигури използването на този метод за подробно познаване на пространствената структура на протеиновите макромолекули и нуклеиновите киселини.

Нива на молекулярна организация.През 1957 г. J. Kendrew установява триизмерната структура на миоглобин a , и в следващите години това беше направено от M. Perutz по отношение на хемоглобин а. Бяха формулирани идеи за различни нива на пространствена организация на макромолекулите. Първичната структура е последователност от отделни звена (мономери) във веригата на получената полимерна молекула. За протеините мономерите са аминокиселини. , за нуклеинови киселини - Нуклеотиди. Линейна, нишковидна молекула на биополимер, в резултат на възникването на водородни връзки, има способността да се побира в пространството по определен начин, например в случай на протеини, както е показано от L. Pauling, може да отнеме под формата на спирала. Това се нарича вторична структура. Третична структура се нарича, когато молекула, която има вторична структура, допълнително се сгъва по един или друг начин, запълвайки триизмерното пространство. И накрая, молекули, които имат триизмерна структура, могат да влязат във взаимодействие, редовно разположени в пространството една спрямо друга и образувайки това, което е обозначено като кватернерна структура; неговите отделни компоненти обикновено се наричат ​​подединици.

Най-очевидният пример за това как една молекулярна триизмерна структура определя биологичните функции на една молекула е ДНК. Има структура на двойна спирала: две нишки, движещи се във взаимно противоположна посока (антипаралелни), са усукани една около друга, образувайки двойна спирала с взаимно допълващо се разположение на основите, т.е. така че срещу определена основа на една верига има винаги е такава основа, която най-добре осигурява образуването на водородни връзки: адепин (A) се сдвоява с тимин (T), гуанин (G) с цитозин (C). Такава структура създава оптимални условия за най-важните биологични функции на ДНК: количественото размножаване на наследствената информация в процеса на клетъчно делене, като същевременно се запазва качествената неизменност на този поток от генетична информация. Когато клетката се дели, нишките на двойната спирала на ДНК, която служи като матрица или шаблон, се развиват и върху всяка от тях под действието на ензими се синтезира комплементарна нова верига. В резултат на това две напълно идентични дъщерни молекули се получават от една родителска ДНК молекула (виж Клетка, Митоза).

По подобен начин в случая с хемоглобина се оказа, че неговата биологична функция - способността обратимо да свързва кислорода в белите дробове и след това да го предава на тъканите - е тясно свързана с характеристиките на триизмерната структура на хемоглобина и неговите промени в процесът на изпълнение на неговата физиологична роля. При свързване и дисоцииране на O 2 настъпват пространствени промени в конформацията на молекулата на хемоглобина, което води до промяна в афинитета на съдържащите се в него железни атоми към кислорода. Промените в размера на молекулата на хемоглобина, напомнящи промените в обема на гръдния кош по време на дишане, направиха възможно да се нарече хемоглобинът "молекулни бели дробове".

Една от най-важните характеристики на живите обекти е способността им да регулират фино всички прояви на жизнената дейност. Основният принос на М. научните открития трябва да се считат за откриването на нов, неизвестен досега регулаторен механизъм, наричан алостеричен ефект. Тя се крие в способността на веществата с ниско молекулно тегло - т.нар. лиганди - за модифициране на специфичните биологични функции на макромолекулите, предимно каталитично действащи протеини - ензими, хемоглобин, рецепторни протеини, участващи в изграждането на биологични мембрани (вижте Биологични мембрани), в синаптичното предаване (вижте синапси) и др.

Три биотични потока.В светлината на идеите на М. съвкупността от явления на живота може да се разглежда като резултат от комбинация от три потока: потокът на материята, който намира своя израз в явленията на метаболизма, т.е. асимилация и дисимилация; потокът от енергия, който е движещата сила за всички прояви на живота; и потока от информация, проникващ не само в цялото разнообразие от процеси на развитие и съществуване на всеки организъм, но и в непрекъсната поредица от последователни поколения. Именно идеята за потока от информация, въведена в доктрината за живия свят чрез развитието на биоматериалите, оставя своя специфичен, уникален отпечатък върху него.

Най-важните постижения на молекулярната биология.Бързина, обхват и дълбочина на влиянието на М. напредъкът в разбирането на фундаменталните проблеми на изучаването на живата природа с право се сравнява например с влиянието на квантовата теория върху развитието на атомната физика. Две вътрешно свързани условия определят това революционно въздействие. От една страна, решаваща роля изигра откриването на възможността за изучаване на най-важните прояви на жизнената дейност при най-прости условия, доближаващи се до вида на химичните и физичните експерименти. От друга страна, като следствие от това обстоятелство, в разработването на биологичните проблеми се появи бързо въвличане на значителен брой представители на точните науки - физици, химици, кристалографи, а след това и математици. В своята съвкупност тези обстоятелства определят необичайно бързия темп на развитие на М. б., броя и значението на неговите успехи, постигнати само за две десетилетия. Ето далеч не пълен списък на тези постижения: разкриване на структурата и механизма на биологичната функция на ДНК, всички видове РНК и рибозоми (виж Рибозоми) , разкриване на генетичния код (вижте генетичен код) ; откриване на обратна транскрипция (виж транскрипция) , т.е. синтез на ДНК върху матрица на РНК; изследване на механизмите на функциониране на дихателните пигменти; откриване на триизмерна структура и нейната функционална роля в действието на ензимите (виж Ензими) , принцип на матричен синтез и механизми на биосинтеза на протеини; разкриване на структурата на вирусите (вижте вируси) и механизмите на тяхната репликация, първичната и отчасти пространствената структура на антителата; изолиране на отделни гени , химически и след това биологичен (ензимен) генен синтез, включително човешки, извън клетката (in vitro); трансфер на гени от един организъм в друг, включително в човешки клетки; бързо напредващото дешифриране на химическата структура на нарастващ брой отделни протеини, главно ензими, както и нуклеинови киселини; откриване на феномена на "самосглобяването" на някои биологични обекти с все по-голяма сложност, като се започне от молекулите на нуклеиновата киселина и се стигне до многокомпонентни ензими, вируси, рибозоми и др.; изясняване на алостеричните и други основни принципи на регулация на биологичните функции и процеси.

Редукционизъм и интеграция. М. б. е последният етап от това направление в изучаването на живите обекти, което се обозначава като "редукционизъм", т.е. желанието да се намалят сложните жизнени функции до явления, възникващи на молекулярно ниво и следователно достъпни за изследване с методите на физиката и химията . Постигнато M. b. успехите свидетелстват за ефективността на този подход. В същото време трябва да се има предвид, че в естествени условия в клетка, тъкан, орган и целия организъм имаме работа със системи с нарастваща сложност. Такива системи се формират от компоненти на по-ниско ниво чрез тяхното редовно интегриране в цялости, придобиване на структурна и функционална организация и притежаване на нови свойства. Следователно, тъй като знанието за моделите, налични за разкриване на молекулярно и съседни нива, е подробно, преди M. b. възниква задачата за разбиране на механизмите на интеграция като линия на по-нататъшно развитие в изучаването на явленията на живота. Отправна точка тук е изследването на силите на междумолекулните взаимодействия – водородни връзки, ван дер Ваалс, електростатични сили и др. По своята комбинация и пространствено разположение те формират това, което може да се нарече „интегративна информация“. Тя трябва да се разглежда като една от основните части на вече споменатия поток от информация. В района на М. примери за интеграция могат да бъдат явленията на самосглобяване на сложни образувания от смес от техните съставни части. Това включва например образуването на многокомпонентни протеини от техните субединици, образуването на вируси от техните съставни части - протеини и нуклеинови киселини, възстановяването на оригиналната структура на рибозомите след разделянето на техните протеинови и нуклеинови компоненти и др. изследването на тези явления е пряко свързано с познаването на основните явления „разпознаване” на биополимерните молекули. Целта е да се установи какви комбинации от аминокиселини - в протеинови молекули или нуклеотиди - в нуклеиновите киселини взаимодействат помежду си по време на процесите на асоцииране на отделни молекули с образуването на комплекси със строго специфичен, предварително определен състав и структура. Те включват процесите на образуване на сложни протеини от техните субединици; освен това, селективно взаимодействие между молекулите на нуклеинова киселина, например транспорт и матрица (в този случай откриването на генетичния код значително разшири нашата информация); накрая, това е образуването на много видове структури (например рибозоми, вируси, хромозоми), в които участват както протеини, така и нуклеинови киселини. Разкриването на съответните закони, познаването на „езика“, лежащ в основата на тези взаимодействия, е една от най-важните области на математическата лингвистика, която все още очаква развитие. Тази област се счита за една от основните проблеми за цялата биосфера.

Проблеми на молекулярната биология.Наред с посочените важни задачи М. би. (познаване на законите на "разпознаването", самосглобяването и интегрирането) действителната посока на научното търсене в близкото бъдеще е разработването на методи, които позволяват дешифриране на структурата, а след това и триизмерната, пространствена организация на високомолекулни нуклеинова киселина. Това вече е постигнато по отношение на общия план на триизмерната структура на ДНК (двойна спирала), но без точно познаване на нейната първична структура. Бързият напредък в развитието на аналитичните методи ни позволява уверено да очакваме постигането на тези цели през следващите години. Тук, разбира се, основният принос идва от представители на сродните науки, преди всичко физиката и химията. Всички най-важни методи, чието използване осигури появата и успеха на M. b., бяха предложени и разработени от физици (ултрацентрофугиране, рентгенов дифракционен анализ, електронна микроскопия, ядрено-магнитен резонанс и др.). Почти всички нови физични експериментални подходи (например използването на компютри, синхротронно или спирачно лъчение, радиация, лазерна технология и други) откриват нови възможности за задълбочено изследване на проблемите на M. b. Сред най-важните задачи от практическо естество, чийто отговор се очаква от M. b., на първо място е проблемът за молекулярната основа на злокачествения растеж, след това - начините за предотвратяване и може би преодоляване на наследствените заболявания - " молекулярни заболявания" (вижте молекулярни заболявания). От голямо значение ще бъде изясняването на молекулярната основа на биологичната катализа, т. е. действието на ензимите. Сред най-важните съвременни направления на M. b. трябва да включва желанието да се дешифрират молекулярните механизми на действие на хормоните (виж Хормони) , токсични и лекарствени вещества, както и да разберете подробностите за молекулярната структура и функционирането на такива клетъчни структури като биологични мембрани, участващи в регулирането на процесите на проникване и транспортиране на вещества. По-далечни цели М. б. - познаване на природата на нервните процеси, механизмите на паметта (виж Памет) и др. Един от важните нововъзникващи раздели на M. b. - т.нар. генно инженерство, което си поставя за задача целенасоченото функциониране на генетичния апарат (генома) на живите организми, като се започне от микроби и по-ниски (едноклетъчни) и се стигне до човека (в последния случай, предимно с цел радикално лечение на наследствени заболявания (Вж. Наследствени заболявания) и корекция на генетични дефекти ). По-мащабни намеси в човешката генетична основа могат да се обсъждат само в повече или по-малко далечно бъдеще, тъй като в този случай възникват сериозни пречки, както технически, така и фундаментални. Относно микроби, растения, и е възможно, и страница - х. За животните такива перспективи са много обнадеждаващи (например получаване на сортове култивирани растения, които имат апарат за фиксиране на азот от въздуха и не се нуждаят от торове). Те се основават на вече постигнатите успехи: изолиране и синтез на гени, трансфер на гени от един организъм в друг, използване на масови клетъчни култури като производители на икономически или медицински важни вещества.

Организация на изследванията по молекулярна биология.Бързото развитие на М. доведе до появата на голям брой специализирани изследователски центрове. Броят им бързо расте. Най-големите: във Великобритания - Лабораторията по молекулярна биология в Кеймбридж, Кралският институт в Лондон; във Франция - институти по молекулярна биология в Париж, Марсилия, Страсбург, институт "Пастьор"; в САЩ - отдели M. b. в университети и институти в Бостън (Харвардски университет, Масачузетски технологичен институт), Сан Франциско (Бъркли), Лос Анджелис (Калифорнийски технологичен институт), Ню Йорк (Университет Рокфелер), здравни институти в Бетесда и др.; в Германия - институтите Макс Планк, университетите в Гьотинген и Мюнхен; в Швеция, Каролинския институт в Стокхолм; в ГДР - Централният институт по молекулярна биология в Берлин, институти в Йена и Хале; в Унгария - Биологичен център в Сегед. В СССР ще бъде първият специализиран институт М. е създадена в Москва през 1957 г. в системата на Академията на науките на СССР (вж. ); след това се формират: Институтът по биоорганична химия на Академията на науките на СССР в Москва, Институтът по протеин в Пущино, Биологичният отдел в Института за атомна енергия (Москва) и отделите на M. b. в институтите на Сибирския клон на Академията на науките в Новосибирск, Междуведомствената лаборатория по биоорганична химия на Московския държавен университет, Сектора (по-късно Института) по молекулярна биология и генетика на Академията на науките на Украинската ССР в Киев ; значителна работа по M. b. се провежда в Института за високомолекулни съединения в Ленинград, в редица отдели и лаборатории на Академията на науките на СССР и други отдели.

Наред с отделните изследователски центрове възникват организации от по-широк мащаб. В Западна Европа възниква Европейската организация за М. (EMBO), в който участват над 10 държави. В СССР през 1966 г. в Института по молекулярна биология е създаден Научен съвет по МБ, който е координиращ и организиращ център в тази област на знанието. Той публикува обширна поредица от монографии по най-важните раздели на M. b., редовно се организират „зимни училища“ по M. b., провеждат се конференции и симпозиуми по актуални проблеми на M. b. В бъдеще научните съвети относно M. биха. са създадени в Академията на медицинските науки на СССР и много републикански академии на науките. Списание Molecular Biology излиза от 1966 г. (6 броя годишно).

За сравнително кратко време в СССР нарасна значителна група изследователи в областта на М.; това са учени от по-старото поколение, които частично са прехвърлили интересите си от други области; в по-голямата си част те са много млади изследователи. Сред водещите учени, взели активно участие във формирането и развитието на M. b. в СССР могат да се назоват А. А. Баев, А. Н. Белозерски, А. Е. Браунштейн, Ю. А. Овчинников, А. С. Спирин, М. М. Шемякин, В. А. Енгелгард. Новите постижения на М. и молекулярната генетика ще бъдат насърчавани от резолюцията на Централния комитет на КПСС и Съвета на министрите на СССР (май 1974 г.) „За мерките за ускоряване на развитието на молекулярната биология и молекулярната генетика и използването на техните постижения в националната икономика."

Лит.:Вагнер Р., Мичъл Г., Генетика и метаболизъм, прев. от англ., М., 1958; Szent-Gyorgy и A., Биоенергетика, прев. от англ., М., 1960; Анфинсен К., Молекулярна основа на еволюцията, прев. от англ., М., 1962; Стенли У., Валенс Е., Вирусите и природата на живота, прев. от англ., М., 1963; Молекулярна генетика, прев. с. Английски, част 1, М., 1964; Volkenstein M.V., Молекули и живот. Въведение в молекулярната биофизика, М., 1965; Gaurowitz F., Химия и функции на протеините, прев. от англ., М., 1965; Бреслер С. Е., Въведение в молекулярната биология, 3-то издание, М. - Л., 1973; Ingram V., Биосинтеза на макромолекули, прев. от англ., М., 1966; Енгелхард В. А., Молекулярна биология, в книгата: Развитие на биологията в СССР, М., 1967; Въведение в молекулярната биология, прев. от англ., М., 1967; Watson, J., Молекулярна биология на гена, прев. от англ., М., 1967; Finean J., Биологични ултраструктури, прев. от англ., М., 1970; Bendoll, J., Мускули, молекули и движение, прев. от англ., М., 1970; Ичас М., Биологичен код, прев. от англ., М., 1971; Молекулярна биология на вирусите, М., 1971; Молекулни основи на биосинтезата на протеини, М., 1971; Bernhard S., Структура и функция на ензимите, прев. от англ., М., 1971; Спирин А. С., Гаврилова Л. П., Рибозома, 2 изд., М., 1971; Frenkel-Konrat H., Химия и биология на вирусите, прев. от английски, М., 1972; Smith C., Hanewalt F., Молекулярна фотобиология. Процеси на инактивиране и възстановяване, прев. от английски, М., 1972; Харис Г., Основи на човешката биохимична генетика, прев. от английски, М., 1973.

В. А. Енгелхард.

Велика съветска енциклопедия. - М.: Съветска енциклопедия. 1969-1978 .

За кого?Гимназисти, студенти.
Какво дава?Познаване на основите на молекулярната биология.
Учители.Ръководител на лабораторията по молекулярна генетика на микроорганизмите в Института по генна биология на Руската академия на науките, професор в Университета Рутгерс (САЩ), професор в Сколковския институт за наука и технологии (SkolTech).
Кога?Трябва да се изясни.
Цена. 9 000 рубли.
Условия за участие.Необходимо е да оставите заявка за участие на сайта.

Биологични кръгове. Московски държавен университет М.В. Ломоносов.

За кого? 9-11 клас.
Какво дава?Познания по биология, умение за извършване на проектантска работа, умение за работа в лаборатория.
Учители.Служители на биологичния факултет на Московския държавен университет.
Кога?
Цена.Трябва да се изясни.
Условия за участие.Трябва да се изясни.

Биологичен отдел на московската гимназия № 1543 в югозапада.

За кого? 7-10 клас.
Какво дава?Разширени познания по биология.
Учители.Служители на Московския държавен университет, възпитаници на гимназията.
Кога?Има възможност за проследяване на началната дата на набирането.
Задължителни изисквания.Необходимо е да се положат приемни изпити.
Цена.Безплатно (има доброволна вноска).
Условия за участие.Прием в гимназията за пълноценно обучение.

Школа "Хим*Био*Плюс". Руски национален изследователски медицински университет на името на N.I. Пирогов.

За кого? 10-11 клас.
Какво дава?Познания по биология, химия.
Кога?Комплект - ежегодно, през септември.
Задължителни изисквания. Задайте въз основа на резултатите от теста.
Цена. 10 000 - 75 000 рубли (има пробен урок).

Академия. "Постнаука".

За кого?Ученици, студенти.
Какво дава?

• познания в областта на физиката на елементарните частици, химията, медицината, математиката, неврофизиологията, генетиката, социологията, компютърните науки;
• знания за това как научните разработки се прилагат в реалния живот.

Учители.Висококвалифицирани специалисти, учени.
Кога?Възможно е да следите датите за набиране на персонал Във връзка си Facebook.
Цена. 9 000 рубли.
Условия за участие. Трябва да проследите правилния курс. Регистрирайте се за курса и заплатете курса.

Петрозаводск

STEM център на Петрозаводския държавен университет.

За кого? 1-11 клас.
Какво дава?Умения за проектиране, изследователска дейност в областта на програмирането, биологията, химията, физиката.
Кога?Има възможност за проследяване на началната дата на набирането.
Цена.Трябва да се изясни.
Условия за участие.Ученици от Петрозаводски училища.

Отворен университетски лицей на Петрозаводския държавен университет.

За кого? 10 клас.
Какво дава?

• техническо направление (физика, математика, информатика, руски език);
• биомедицински (химия, биология, руски език).

Кога?Има възможност за проследяване на началната дата на набирането.
Цена.Трябва да се изясни.
Условия за участие.Гражданство на Руската федерация, кандидатстване, такси за обучение.

Майсторски класове

„Устройство и функции на клетката” – урок в музея.

За кого? 14–16 години.
Какво дава?

• практически умения по биология;
• умения за работа с микроскоп;
• умение за експериментиране.

Кога?Трябва да се изясни.
Цена.Трябва да се изясни.
продължителност. 90 минути.
Специални условия за посещение.Последният вторник от месеца е санитарен ден.
Как да се запиша?Оставете заявка на сайта.

„Светът под микроскоп“.

За кого? 6–16 години.
Какво дава?Наблюдение на микроорганизми, клетъчна структура под микроскоп.
Кога?Трябва да се изясни.
Цена. 200 r.
продължителност.Един час.
Специални условия за посещение.Груповите занятия (за посетители от 6 години) се провеждат през уикендите и училищните ваканции по график.
Как да се запиша?Оставете заявка на сайта.

Урок по химия "Най-удивителното вещество на Земята."

За кого? 14–16 години.
Какво дава?

• знания за свойствата на водата;
• способност за провеждане на лабораторни експерименти.

Кога?Трябва да се изясни.
Цена. 16 000 рубли за двойна група от по 15 човека.
продължителност. 90 минути.

лагери

Московска област

Химически лагер "Слон и жираф".

За кого? 9-11 клас.
Кога?Ежегодно.
Какво дава?

• познания по химия;
• умения за реактиви.

Забележка:програмите за обучение се променят всяка смяна, така че е необходимо да се изясни тяхното съдържание с организаторите.
Учители.Висококвалифицирани лекари от различни специалности, професионални биолози, учени.
Цена. 32 000 рубли
Условия за участие.Трябва да кандидатствате на сайта.

Образователен център Сириус. Направление "Наука". Смени "Химия", "Биология".

За кого? 10–17 години.
Какво дава?Задълбочени познания по основни предмети, разширяване на хоризонтите и личностно развитие.
Учители.Учени, преподаватели от водещи университети, физико-математически и химико-биологични училища, треньори на национални и областни отбори по математика, физика, химия и биология.
Кога?Ежегодно. Има възможност за проследяване на датите за набиране на персонал.
Задължителни изисквания.Задълбочени познания по специализирани предмети, ниво на общоруски, международни олимпиади.
Цена.Е свободен.
Условия за участие.Кандидатствайте на сайта. Възможен е конкурсен подбор. Подробностите трябва да се проверят при организаторите или да се проследят на уебсайта.

университети

Московски държавен университет М.В. Ломоносов.

Катедра по биология.
Година на създаване: 1930.
Какво дава?
Квалификация:

Руски национален изследователски медицински университет на името на N.I. Пирогов.

Катедра по биохимия и молекулярна биология.
Година на създаване: 1963.
Какво дава?Подготвя квалифицирани специалисти.
Квалификация:специалист, срок на обучение - 6 години.

Новосибирск

Новосибирски държавен университет.

Факултет по природни науки. Биологичен отдел. Катедра по молекулярна биология.
Година на създаване: 1959.
Какво дава?Подготвя квалифицирани специалисти.
Квалификация:бакалавър, срок на обучение - 4 години, магистър - 2 години.

Онлайн курсове

На руски

„Истинска математика“. Електронно училище "Знаника".

За кого? 5-9 клас.
Какво дава?Задълбочени познания по математика.
Кога?По всяко време.
Учители.Кандидати на физико-математически, педагогически науки, доценти, професори и преподаватели от водещите университети в страната.
Условия за участие.Изисква се регистрация.

Виртуална химическа лаборатория. Марийски държавен технически университет.

За кого? 8-11 клас.
Какво дава?Умението за работа в химическа лаборатория, умението за извършване на експерименти в реално време.
Цена. 3 500 - 9 000 рубли
Условия за участие.Разгледайте.

Марк Zentrum. Международен образователен онлайн център.

За кого?От 11 години.
Какво дава?Образователни програми по биология, химия, математика, чужди езици.
Кога?Индивидуалните уроци се съгласуват с преподавателя. Груповите занятия се провеждат по график.
Учители.Лингвисти, практикуващи учители по специализирани предмети.
Цена.Пробният урок е безплатен. Индивидуални уроци: един урок - 450–1200 рубли, в зависимост от броя на уроците (минимум пет) и продължителността на урока. Групови уроци: един урок - 280–640 рубли.
Цената на часовете по чужд език. Пробен урок с носител на езика- платени: 10 евро. Цената на един урок: 15-35 евро, в зависимост от продължителността на урока.
продължителност.Зависи от формата на работа. Индивидуален урок - 45–90 минути, групов урок - 90 минути, уебинар - 120 минути. Първият пробен урок е 30-40 минути.
Условия за участие.Попълнете формуляр за кандидатстване за пробен урок.
Специални условия.Необходимите материали и учебници се изпращат от учителя в електронен вид (възможно е закупуване на учебни материали в печатен вид).

На английски

Лекция. Изненади и открития в катализа.

За кого?Ученици, студенти.
Какво дава?Познаване на най-новите постижения в катализата.
Учители.Ерик М. Карейра, професор по органична химия в университета в Цюрих.
Кога?По всяко време.
Цена.Е свободен.

Virtulab по химия на английски. Има възможност за настройка на руски език.

За кого?Ученици.
Какво дава?Умения за работа в лаборатория със стотици реактиви в реално време.
Кога?По всяко време.
Цена.Е свободен.

Детективна химическа виртуална лаборатория. Разследване на престъпление с помощта на знания по химия.

За кого?Ученици, студенти.
Какво дава?Умението за прилагане на знанията по химия по игрив начин.
Кога?По всяко време.
Продължителност на мисията. 40–50 минути.
Цена.Е свободен.
Условия за участие.Изтеглете програмата на вашия компютър.

1 въпрос. Цел, задачи и методи на молекулярната биология. Самият термин "молекулярна биология" е използван за първи път от англичаните. учени W. Astbury за изследвания, свързани с изясняване на връзката между молекулярната структура и физическите и биологични свойства на фибриларни (влакнести) протеини, като колаген, кръвен фибрин или контрактилни мускулни протеини. Терминът "молекулярна биология" се използва широко от началото на 50-те години на миналия век. 20-ти век Молекулярната биология е комплекс от биологични науки, които изучават механизмите на съхранение, предаване и внедряване на генетична информация, структурата и функциите на неправилни биополимери (протеини и нуклеинови киселини). Уилям Томас Астбъри () британски физик, молекулярен биолог

Молекулярната биология изучава основните свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Открива как и до каква степен растежът и развитието на организмите, съхраняването и предаването на наследствена информация, преобразуването на енергията в живите клетки и други явления се дължат на структурата и свойствата на биологично важни макромолекули (главно протеини и нуклеинови киселини) . Отличителна черта на молекулярната биология е изучаването на явленията на живота върху неодушевени обекти или тези обекти, които имат най-примитивни прояви на живот. Това са биологични образувания от клетъчно ниво и по-долу: субклетъчни органели, като изолирани клетъчни ядра, митохондрии, рибозоми, хромозоми, клетъчни мембрани; допълнителни системи, стоящи на границата на живата и неживата природа, вируси, включително бактериофаги, и завършващи с молекулите на най-важните компоненти на живата материя, нуклеиновите киселини.

Предмет на изследване на МБ Механизми на съхранение, пренос и реализация на генетична информация, структура и функции на неправилни биополимери Обект на изследване на МБ са субклетъчните органели на вирусите (бактериофагите). ядро митохондрии рибозоми хромозоми системи, които стоят на границата на живата и неживата природа

Задачи на молекулярната биология Търсене на решения на проблема с молекулярната основа на злокачествения растеж Начини за предотвратяване и преодоляване на наследствени заболявания Изясняване на молекулярната основа на биологичната катализа, т.е. действието на ензимите Дешифриране на молекулярните механизми на действие на хормони, токсични и лекарствени вещества Изясняване на детайлите на молекулярната структура и функционирането на биологичните мембрани, участващи в процесите на регулиране на проникването и транспорта на веществата По-далечни задачи - познаване на природата на нервните процеси, механизми на паметта

В светлината на идеите на молекулярната биология животът може да се разглежда като резултат от комбинация от три потока: потокът на материята, който намира израз в явленията на метаболизма, т.е. асимилация и дисимилация; потокът от енергия, който е движещата сила за всички прояви на живота; поток от информация, който прониква не само в цялото разнообразие от процеси на развитие и съществуване на всеки организъм, но и в непрекъсната поредица от последователни поколения. Именно идеята за потока от информация, въведена в доктрината за живия свят от развитието на молекулярната биология, оставя своя специфичен, уникален отпечатък върху него.

Молекулярната биология е последният етап в посоката на изучаване на живите обекти, която се нарича "редукционизъм", т.е. желанието да се намалят сложните жизнени функции до явления, възникващи на молекулярно ниво и следователно достъпни за изследване с методите на физиката и химия. Успехите, постигнати в молекулярната биология, свидетелстват за ефективността на този подход. В същото време трябва да се има предвид, че в естествени условия клетката, тъканта, органът и целият организъм са системи с нарастваща сложност. Тези системи се формират от компоненти от по-ниско ниво чрез интегрирането им в едно цяло, което придобива нови свойства.

Методи на молекулярната биология. Тъй като молекулярната биология е комплекс от биологични науки, тя използва методите на тези науки: ултрацентрофугиране, рентгенов дифракционен анализ, електронна микроскопия, ядрено-магнитен резонанс, метод на полимеразна верижна реакция. В допълнение, молекулярната биология използва методите на други науки - например физиката: използването на компютри, синхротрон или спирачно лъчение, радиация, лазерна технология.

Електронна микроскопия Електронният микроскоп е устройство, което дава възможност да се получи изображение на обекти с максимално увеличение милиони пъти, благодарение на използването, за разлика от оптичния микроскоп, на електронен лъч вместо светлинен поток. За получаване на изображение в електронен микроскоп се използват специални магнитни лещи, които контролират движението на електроните в колоната на инструмента с помощта на магнитно поле.

Флуоресцентната (луминисцентна) микроскопия се основава на способността на определени вещества да луминесцират, т.е. да светят, когато са осветени с невидима ултравиолетова или синя светлина. Когато луминесценцията се възбужда от синя светлина, цветът й може да бъде от зелено до червено; ако луминесценцията се възбужда от ултравиолетово лъчение, тогава блясъкът може да бъде във всяка част от видимия спектър. Устройството на луминисцентния микроскоп и правилата за работа с него се различават от микроскопа с пропусната светлина по следното: Наличието на мощен източник на светлина в осветителя, излъчващ предимно в късовълновата (ултравиолетова, синя) част на спектъра (живачно-кварцова лампа с високо налягане или халогенна кварцова лампа). Наличие на система от светлинни филтри: 1. Възбуждащите филтри пропускат само тази част от спектъра, която възбужда луминесценцията; 2. Топлозащитният светлинен филтър предпазва други светлинни филтри, подготовка и оптика на луминисцентния микроскоп от прегряване. 3. "Заключващите" филтри са разположени между окуляра. Тези светлинни филтри абсорбират вълнуваща радиация и предават луминесцентна светлина от препарата към окото на наблюдателя.

Центрофугиране Центрофугиране Разделяне на нехомогенни системи (напр. течност-твърди частици) на фракции по плътност с помощта на центробежни сили. Центрофугирането се извършва в апарати, наречени центрофуги. Центрофуга - устройство, което създава високи центробежни сили поради въртенето на ротора от 200 rpm до rpm. Центрофугирането в биологията се използва за отделяне на утайката от клетъчни структури от разтвора. За изследване на макромолекулни вещества (протеини, нуклеинови киселини и др.) И биологични системи се използват ултрацентрофуги със скорост на ротора от 2000 rpm до rpm (до 2500 rpm).

Електрофореза Електрофорезата е движението на частици от дисперсната фаза на колоидни или протеинови разтвори в течна или газообразна среда под действието на външно електрическо поле. За първи път е открит от професорите на Московския университет П. И. Страхов и Ф. Ф. Райс през 1809 г. В биологията електрофорезата се използва за разделяне на макромолекули.

Полимеразната верижна реакция (PCR, PCR) е изобретена през 1983 г. от американския учен Кари Мълис. Впоследствие той получава Нобелова награда за това изобретение. Основата на PCR метода е многократното удвояване на определен участък от ДНК. В резултат на това се произвеждат достатъчни количества ДНК за визуално откриване. Молекулярното клониране (генно клониране) е производството на голям брой идентични ДНК молекули с помощта на живи организми (бактерии или вируси). Имуноцитохимичните методи позволяват локализиране и идентифициране на клетъчни и тъканни компоненти (антигени) въз основа на тяхното свързване с антитела. Мястото на свързване се определя с помощта на маркирани антитела или вторично маркиране. PCR методът дава възможност да се определи наличието на причинителя на заболяването, дори ако в пробата присъстват само няколко ДНК молекули на причинителя.

Молекулярната биология исторически се е появила като клон на биохимията. За рождена дата на молекулярната биология се счита април 1953 г., когато в английското списание Nature се появява статия на Джеймс Уотсън и Франсис Крик, предлагаща пространствен модел на молекулата на ДНК. 2 въпрос. История на развитието на молекулярната биология. Това фундаментално откритие е подготвено от дълъг етап на изследване на генетиката и биохимията на вирусите и бактериите. През 1928 г. Фредерик Грифит беше първият, който показа, че екстракт от убити чрез топлина болестотворни бактерии може да прехвърли чертата на патогенност към доброкачествени бактерии.

Друго важно за методологията откритие е откриването в началото на 20 век на вируси бактериофаг. През 50-те години на 20 век е показано, че бактериите имат примитивен полов процес, те могат да обменят екстрахромозомна ДНК - плазмид. Структурата на бактериофага Бактериофаги на повърхността на бактериална клетка

По-нататъшното развитие на молекулярната биология беше придружено както от развитието на нейната методология, по-специално от изобретяването на метод за определяне на нуклеотидната последователност на ДНК (W. Gilbert и F. Sanger, 1980 г. - Нобелова награда за химия), така и от нови открития в областта на изследването на структурата и функционирането на гените. До началото на 21 век бяха получени данни за първичната структура на цялата ДНК на човек и редица други организми, най-важни за медицината, селското стопанство и научните изследвания, което доведе до появата на няколко нови области в биология: геномика, биоинформатика и др.).

Разкриване на структурата и механизма на биологичната функция на ДНК, всички видове РНК и рибозоми, разкриване на генетичния код; откриване на обратна транскрипция, т.е. синтез на ДНК върху матрица на РНК; изследване на механизмите на функциониране на дихателните пигменти; откриването на триизмерната структура и нейната функционална роля в действието на ензимите, откриването на принципа на матричния синтез и механизмите на биосинтеза на протеини; разкриване на структурата на вирусите и механизмите на тяхната репликация, първичната и отчасти пространствената структура на антителата; изолиране на отделни гени, химически и след това биологичен (ензимен) генен синтез, включително човешки, извън клетката (in vitro); трансфер на гени от един организъм в друг, включително в човешки клетки; откриване на феномена на "самосглобяването" на някои биологични обекти с все по-голяма сложност, като се започне от молекулите на нуклеиновата киселина и се стигне до многокомпонентни ензими, вируси, рибозоми и др.; изясняване на алостеричните и други основни принципи на регулация на биологичните функции и процеси. 3 въпрос. Най-важните постижения на молекулярната биология и връзката й с други науки. Най-важните постижения на молекулярната биология:

Днес полето на интерес на молекулярните биолози обхваща широк кръг от фундаментални научни въпроси. Както и преди, водеща роля заемат изучаването на структурата на нуклеиновите киселини и биосинтезата на протеини, изследването на структурата и функциите на различни вътреклетъчни структури и клетъчни повърхности.

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ

изучаване на осн свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Най-важните направления в M. b. са изследвания на структурната и функционална организация на генетичния апарат на клетките и механизма за внедряване на наследствена информация (молекулярна генетика), изследване на кея. механизми на взаимодействие на вируси с клетки (молекулярна вирусология), изучаване на моделите на имунните реакции на тялото (молекулярна имунология), изследване на появата на различни качествени клетки в хода на индивидуалното развитие на организмите и специализация на клетките (М. б. развитие) и др. М. б. възниква от биохимията и се обособява като самостоятелна наука през 50-те години на ХХ век. раждането на М. често се приписва на 1953 г., когато е публикувана работата на Дж. Уотсън и Ф. Крик върху пространствената структура на молекулата на ДНК (т.нар. двойна спирала) и биол. функцията на тази молекула е свързана с нейния химикал. структура (още през 1944 г. О. Ейвъри и др. установяват, че ДНК е носител на наследства, информация). При образуването на М. голяма роля изиграха идеите и методите на класическата генетика, микробиологията, вирусологията, използването на постиженията на точните науки - физика, химия, математика, кристалография, особено рентгенов дифракционен анализ). Основен обекти на изследване в М. са вируси, включително бактериофаги, клетки и субклетъчни структури (ядра, митохондрии, рибозоми, хромозоми, клетъчни мембрани), както и макромолекули (протеини, нуклеинови киселини). Naib, основните постижения на М. - дешифриране на структурата на нек-ри протеини и установяване на връзка между тяхната структура и функция (M. Peruts, J. Kendrew, F. Sanger, K. Anfinsen и др.), Определяне на структурата и механизъм на биол. функции на нуклеинови к-т и рибозоми (Дж. Уотсън, Ф. Крик, Р. Холи и др.), декодиране на ген. код (М. Ниренберг, С. Очоа), откриването на обратната транскрипция (Х. Темин, Д. Балтимор), механизмът на осн. етапи на биосинтеза на протеинова молекула (F. Crick, F. Jacob, J. Mono) и нуклеинови киселини (A. Kornberg, S. Ochoa), установяване на структурата на вирусите и механизмите на тяхната репликация, развитие на методите на генното инженерство (P. Berg, V Arber, G. O. Smith, D. Nathan), генния синтез (X. Qur'an) и др. учените притежават формулировката на принципа на матричен синтез на биополимери (Н. К. Колцов), формирането на основите на съвременната. биоенергетика и механохимия (V. A. Engelgardt), доказателство за съществуването на ДНК във висшите растения (N. A. Belozersky), създаването на вирусогенет. теорията за появата на рак (L. A. Zilber), установяването на нуклеотидната последователност в трансферната РНК (A. А. Баев), откриване и изследване на информозоми (А. С. Спирин) и др. М. б. има голямо практическо значение в развитието на х-ва (насочено и контролирано изменение на наследствения апарат на животните и растенията за получаване на високопродуктивни породи и сортове), микробиологичната индустрия (бактериален синтез на биологично активни полипептиди и протеини, аминокиселини и др.) и като теор. основа на обв. раздели на медицината (вирусология, имунология и др.). Преди M. b. са задачата за решаване на проблемите, които казват. основи на злокачествения растеж, профилактика на наследствени заболявания, изясняване на молекулярната основа на катализата, действието на хормоните, токсични. и лекарствени вещества, познаване на механизмите на паметта, природата на нервните процеси. От голямо значение е развитието на генното инженерство, което дава възможност за целенасочена работа с ген. апарат на животинските организми. М. б. заедно с биохимията, биофизиката, биоорганичната химия те често се обединяват в едно общо направление - физическа и химическа биология.

.(Източник: "Биологичен енциклопедичен речник". Главен редактор М. С. Гиляров; Редакционна колегия: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. - 2-ро изд., коригирано . - М .: Сов. Енциклопедия, 1986.)

молекулярна биология

Клон от биологията, който изучава структурите и процесите, присъщи на живите организми на молекулярно ниво. Молекулярната биология се стреми да обясни най-важните явления на живота (наследственост, променливост, растеж, развитие, движение, метаболизъм и енергия, чувствителност, имунитет и др.) чрез структурата, свойствата и взаимодействията на химикалите, които изграждат организмите. Във всеки организъм във всеки момент от неговото съществуване протичат огромен брой биохимични реакции, в които участват молекули големи и малки, прости и сложни, органични и неорганични. Всички тези реакции са строго подредени и в зависимост от състоянието и нуждите на организма подлежат на настройка и регулиране. Решаващата роля в организацията на тези процеси принадлежи на два класа големи молекули - протеинии нуклеинова киселина. Тези биополимери служат като основен обект на изследване в молекулярната биология.
От самото начало молекулярната биология се развива като научна област, свързана предимно с биохимията и биофизиката, както и с генетиката, микробиологията и вирусологията. През 30-40-те години. 20-ти век за установяване на пространствената структура на най-важните протеини започва да се използва рентгенов дифракционен анализ, който впоследствие изиграва решаваща роля при установяването на структурата на ДНК. Въвеждането на методите и идеите на физиката и химията в биологията през тези години постави началото на развитието на "молекулярното" направление. В много отношения бъдещите му успехи предопределиха интереса на физиците и химиците към проблема наследственост. През 1944 г. излиза книгата на един от основателите на квантовата механика Е. Шрьодингер „Какво е животът? От гледна точка на физика”, който съдържаше обобщение на основите на генетиката. Тази работа беше възприета от много представители на точните науки като призив за концентриране на усилията върху решаването на загадката на „субстанцията на наследствеността“.
След 9 години Дж. Уотсън и Ф. Крик решават този проблем. По времето на публикуването на тяхната статия (април 1953 г.), която предлага модел на молекулата на ДНК (така наречената двойна спирала), е обичайно да се приписва раждането на молекулярната биология. Моделът на Watson-Crick ярко изразява основната идея на новата наука: биологичните функции на макромолекулата могат да бъдат обяснени с нейната структура (вж. Дезоксирибонуклеинови киселини). В същото време молекулярното ниво (двуверижна ДНК) е логично свързано със субклетъчното ниво (репликация хромозоми), клетъчен ( митоза, мейоза) и организмов (наследяване на белези).
Подобен подход се среща и в по-ранни работи. Още през 1927 г. Н.К. Колцовизрази хипотезата за "наследствени молекули", способни да се възпроизвеждат чрез матричен синтез, а V.A. Engelhardt през 1939 г. успява да свърже структурата на мускулните протеини с тяхната роля в мускулната контракция. Въпреки това, едва след "двойната спирала" започва бързото развитие на молекулярната биология, която става лидер на естествените науки. В допълнение към многобройните специфични постижения (дешифриране генетичен код, разкриване на механизмите на биосинтеза на протеини, пространствената структура на ензимите и други протеини, структурата и ролята на биологичните мембрани в клетъчните процеси и др.), молекулярната биология разкри някои общи принципи, въз основа на които голямо разнообразие от биологични се извършват процеси. По този начин комплементарността на взаимодействащите си молекули (тяхната комплементарност, взаимно съответствие като „ключ и ключалка“), водеща до образуването на нековалентни химични връзки между тях, е в основата на процеси, които изискват биологична специфичност (селективност, „разпознаване“), започвайки от синтеза на ДНК и протеини и завършвайки с образуването на комплекси между ензим и субстрат, антитяло и антиген, самосглобяване на вирусни частици и цитоскелет. По същия начин принципът на матричен синтез се използва от клетките не веднъж, а на различни етапи от внедряването на генетичната информация.
През април 2003 г. учени от цял ​​свят отбелязаха половинвековния юбилей на „двойната спирала“ и молекулярната биология. В нашата страна основата за развитието на тази посока е положена от трудовете на академиците V.A. Енгелхард (1894-1984), А.Н. Белозерски (1905-1972), A.A. Баева (1903/04-1994).

.(Източник: „Биология. Съвременна илюстрована енциклопедия“. Главен редактор A.P. Gorkin; M .: Rosmen, 2006.)

Вижте какво е "МОЛЕКУЛАРНА БИОЛОГИЯ" в други речници:

Изследва основните свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Открива как и до каква степен растежът и развитието на организмите, съхраняването и предаването на наследствената информация, преобразуването на енергията в живите клетки и други явления се дължат на ... Голям енциклопедичен речник

Съвременна енциклопедия

МОЛЕКУЛАРНА БИОЛОГИЯ, биологично изследване на структурата и функцията на МОЛЕКУЛИТЕ, които изграждат живите организми. Основните области на изследване включват физичните и химичните свойства на протеините и НУКЛЕИНОВИТЕ КИСЕЛИНИ като ДНК. Вижте също… … Научно-технически енциклопедичен речник

Раздел от биологията, който изследва основните свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Открива как и до каква степен протичат растежът и развитието на организмите, съхраняването и предаването на наследствената информация, преобразуването на енергията в живите клетки и ... ... Речник по микробиология

молекулярна биология- — Теми на биотехнологиите EN молекулярна биология … Наръчник за технически преводач

Молекулярна биология- МОЛЕКУЛАРНА БИОЛОГИЯ, изследва основните свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Открива как и до каква степен протичат растежът и развитието на организмите, съхраняването и предаването на наследствената информация, преобразуването на енергията в живите клетки и ... ... Илюстрован енциклопедичен речник

Този термин има и други значения, вижте Молекулярна биология (списание). Молекулярната биология е комплекс от биологични науки, които изучават механизмите на съхранение, предаване и внедряване на генетична информация, структура и функции ... ... Wikipedia

Наука, която си поставя за задача познаването на природата на жизнените явления чрез изучаване на биологични обекти и системи на ниво, доближаващо се до молекулярното ниво, а в някои случаи достигащо тази граница. Крайната цел на това е …… Велика съветска енциклопедия

Той изучава явленията на живота на ниво макромолекули (гл. обр. протеини и нуклеинови киселини) в безклетъчни структури (рибозоми и др.), във вируси, а също и в клетки. Целта на М. установяване на ролята и механизма на функциониране на тези макромолекули въз основа на ... ... Химическа енциклопедия

Изследва основните свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Открива как и до каква степен протичат растежът и развитието на организмите, съхраняването и предаването на наследствената информация, преобразуването на енергията в живите клетки и други явления ... ... енциклопедичен речник

Развитието на биохимията, биофизиката, генетиката, цитохимията, много раздели на микробиологията и вирусологията около началото на 40-те години на ХХ век. тясно доведе до изучаването на жизнените явления на молекулярно ниво. Успехите, постигнати от тези науки, едновременно и от различни страни, доведоха до осъзнаването на факта, че на молекулярно ниво функционират основните контролни системи на тялото и че по-нататъшният прогрес на тези науки ще зависи от разкриването на биологичните функции на молекулите, които изграждат телата на организмите, тяхното участие в синтеза и разпадането, взаимните трансформации и възпроизвеждането на съединения в клетката, както и обмена на енергия и информация, който се случва в този случай. Така на кръстовището на тези биологични дисциплини с химията и физиката възникна напълно нов клон - молекулярната биология.

За разлика от биохимията, вниманието на съвременната молекулярна биология е насочено главно към изучаването на структурата и функцията на най-важните класове биополимери - протеини и нуклеинови киселини, първите от които определят самата възможност за метаболитни реакции, а вторите - биосинтеза на специфични протеини. Следователно е ясно, че е невъзможно да се направи ясно разграничение между молекулярната биология и биохимията, съответните клонове на генетиката, микробиологията и вирусологията.

Появата на молекулярната биология е тясно свързана с разработването на нови изследователски методи, които вече бяха обсъдени в съответните глави. Наред с развитието на електронната микроскопия и други методи на микроскопската техника, методите за фракциониране на клетъчни елементи, разработени през 50-те години на миналия век, изиграха важна роля. Те се основават на подобрени методи за диференциално центрофугиране (A. Claude, 1954). По това време вече има доста надеждни методи за изолиране и фракциониране на биополимери. Това включва по-специално метода за фракциониране на протеини чрез електрофореза, предложен от А. Тиселиус (1937; Нобелова награда, 1948), методи за изолиране и пречистване на нуклеинови киселини (Е. Кей, А. Даунс, М. Севаг, А. Мирски , и други. ). В същото време в много лаборатории по света са разработени различни методи за хроматографски анализ (A. Martin и R. Sing, 1941; Нобелова награда, 1952), впоследствие значително подобрени.

Рентгеновият дифракционен анализ изигра безценна услуга при дешифрирането на структурата на биополимерите. Основните принципи на рентгеновия дифракционен анализ са разработени в King's College London University под ръководството на W. Bragg от група изследователи, включваща J. Bernal, A. Londsdale, W. Astbury, J. Robertson и др.

Специално внимание трябва да се обърне на изследванията на биохимията на протоплазмата (1925 - 1929), професор от Московския държавен университет А. Р. Кизел, които са от голямо значение за последващото развитие на молекулярната биология. Кизел нанесе удар на твърдо вкорененото схващане, че всяка протоплазма се основава на специално протеиново тяло - пластини, което уж определя всичките му най-важни структурни и функционални характеристики. Той показа, че плочите са протеин, който се намира само в миксомицетите, и то на определен етап от развитието, и че в протоплазмата не съществува постоянен компонент - единичен скелетен протеин. Така изследването на проблема за структурата на протоплазмата и функционалната роля на протеините пое по правилния път и получи поле за развитие. Изследванията на Кисел спечелиха световно признание, стимулирайки изучаването на химията на съставните части на клетката.

Терминът "молекулярна биология", използван за първи път от английския кристалограф, професор от университета в Лийдс У. Астбъри, вероятно се появява в началото на 1940 г. (преди 1945 г.). Фундаменталните рентгенови дифракционни изследвания на протеини и ДНК, извършени от Астбъри през 30-те години на миналия век, послужиха като основа за последващото успешно дешифриране на вторичната структура на тези биополимери. През 1963 г. Дж. Бернал пише: "Паметник ще му бъде издигнат от цялата молекулярна биология - науката, която той назова и наистина основа" * , В литературата този термин се появява за първи път, може би, през 1946 г. в статията на W. Astbury „Прогрес на рентгеновия дифракционен анализ на органични и фибрилни съединения”, публикувана в английското списание „Nature” ** . В своята лекция на Харви Астбъри (1950) отбелязва: "Доволен съм, че терминът молекулярна биология сега се използва доста широко, въпреки че е малко вероятно аз да съм първият, който го е предложил. Хареса ми и отдавна се опитвам да го разпространя ” ***. Още през 1950 г. Астбъри е ясно, че молекулярната биология се занимава предимно със структурата и конформацията на макромолекулите, чието изследване е от решаващо значение за разбирането на функционирането на живите организми.

* (биогр. Мем. Колеги Рой. Soc, 1963, v. 9, 29.)

** (У. Т. Астбъри. Напредък на рентгеновия анализ на органични и влакнести структури.- Природа,. 1946 г., с. 157, 121.)

*** (У. Т. Астбъри. Приключения в молекулярната биология. Томас Спрингфийлд, 1952 г., стр. 3.)

Молекулярната биология е изправена и е изправена всъщност пред същите задачи като биологията като цяло - познаването на същността на живота и неговите основни явления, по-специално като наследственост и променливост. Съвременната молекулярна биология е предназначена преди всичко да дешифрира структурата и функцията на гените, начините и механизмите за реализация на генетичната информация на организмите на различни етапи от онтогенезата и на различни етапи от нейното четене. Той е предназначен да разкрие фините механизми на регулиране на генната активност и клетъчната диференциация, да изясни природата на мутагенезата и молекулярната основа на еволюционния процес.

Установяване на генетичната роля на нуклеиновите киселини

За развитието на молекулярната биология от най-голямо значение са следните открития. През 1944 г. американските изследователи О. Ейвъри, К. Маклеод (Нобелова награда, 1923 г.) и М. Маккарти показват, че ДНК молекулите, изолирани от пневмококи, имат трансформираща активност. След хидролиза на тези ДНК чрез дезоксирибонуклеаза, тяхната трансформираща активност напълно изчезва. Така за първи път беше убедително доказано, че ДНК, а не протеинът, е надарен с генетични функции в клетката.

Честно казано, трябва да се отбележи, че феноменът на бактериалната трансформация е открит много по-рано от откритието на Ейвъри, Маклауд и Маккарти. През 1928 г. Ф. Грифит публикува статия, в която съобщава, че след добавяне на убити клетки от капсулиран вирулентен щам към невирулентни (некапсулирани) пневмококи, получената смес от клетки става фатална за мишки. Нещо повече, живите пневмококови клетки, изолирани от животни, заразени с тази смес, вече са вирулентни и притежават полизахаридна капсула. По този начин в този експеримент беше показано, че под въздействието на някои компоненти на убитите пневмококови клетки, некапсулираната форма на бактериите се превръща в капсулообразуваща вирулентна форма. Шестнадесет години по-късно Ейвъри, Маклауд и Маккарти заменят убитите цели пневмококови клетки с тяхната дезоксирибонуклеинова киселина в този експеримент и показват, че именно ДНК има трансформираща активност (виж също глави 7 и 25). Значението на това откритие е трудно да се надцени. То стимулира изследването на нуклеинови киселини в много лаборатории по света и принуждава учените да се съсредоточат върху ДНК.

Заедно с откритието на Ейвъри, Маклауд и Маккарти, до началото на 50-те години на миналия век вече са натрупани доста голямо количество преки и косвени доказателства, че нуклеиновите киселини играят изключителна роля в живота и носят генетична функция. Това, по-специално, беше показано от естеството на локализацията на ДНК в клетката и данните на R. Vendrelli (1948), че съдържанието на ДНК на клетка е строго постоянно и корелира със степента на плоидност: в хаплоидните зародишни клетки ДНК е половината от това в диплоидните соматични клетки. Изразената метаболитна стабилност на ДНК също свидетелства в полза на генетичната роля на ДНК. До началото на 50-те години на миналия век се натрупаха много различни факти, които показват, че повечето от известните мутагенни фактори действат главно върху нуклеиновите киселини и по-специално върху ДНК (R. Hotchkiss, 1949; G. Ephrussi-Taylor, 1951; E. Freese, 1957 и други).

От особено значение за установяване на генетичната роля на нуклеиновите киселини беше изследването на различни фаги и вируси. През 1933 г. Д. Шлезингер открива ДНК в бактериофага на Escherichia coli. След изолирането на вируса на тютюневата мозайка (TMV) в кристално състояние от W. Stanley (1935 г., Нобелова награда, 1946 г.) започва нов етап в изследването на растителните вируси. През 1937 - 1938г. служители на Rothamsted Agricultural Station (Англия) F. Bowden и N. Peary показаха, че много изолирани от тях растителни вируси не са глобулини, а рибонуклеопротеини и съдържат нуклеинова киселина като задължителен компонент. В самото начало на 40-те години бяха публикувани трудовете на G. Schramm (1940), P. A. Agatov (1941), G. Miller и W. Stanley (1941), което показва, че забележима химическа модификация на протеиновия компонент не води до загуба на TMV инфекциозност. Това показва, че протеиновият компонент не може да бъде носител на наследствените свойства на вируса, както продължават да вярват много микробиолози. Убедителни доказателства в полза на генетичната роля на нуклеиновата киселина (РНК) в растителните вируси са получени през 1956 г. от Г. Шрам в Тюбинген (ФРГ) и Х. Френкел-Конрат в Калифорния (САЩ). Тези изследователи почти едновременно и независимо един от друг изолират РНК от TMV и показват, че тя, а не протеинът, има инфекциозност: в резултат на заразяване на тютюневите растения с тази РНК в тях се образуват и размножават нормални вирусни частици. Това означава, че РНК съдържа информация за синтеза и сглобяването на всички вирусни компоненти, включително вирусния протеин. През 1968 г. И. Г. Атабеков установи, че протеинът играе важна роля в самото заразяване на растенията - природата на протеина определя спектъра на растенията гостоприемници.

През 1957 г. Frenkel-Konrat за първи път извършва реконструкция на TMV от съставните му компоненти - РНК и протеин. Заедно с нормалните частици той получава смесени „хибриди“, в които РНК е от един щам, а протеинът от друг. Наследствеността на такива хибриди е напълно определена от РНК, а потомството на вирусите принадлежи на щама, чиято РНК е използвана за получаване на първоначалните смесени частици. По-късно експериментите на A. Gierer, G. Schuster и G. Schramm (1958) и G. Witman (1960 - 1966) показват, че химическата модификация на нуклеиновия компонент на TMV води до появата на различни мутанти на този вирус.

През 1970 г. Д. Балтимор и Г. Темин установяват, че трансферът на генетична информация може да се осъществи не само от ДНК към РНК, но и обратно. Те откриха в някои онкогенни РНК-съдържащи вируси (онкорнавируси) специален ензим, така наречената обратна транскриптаза, който е способен да синтезира комплементарна ДНК върху РНК вериги. Това голямо откритие направи възможно да се разбере механизмът на вмъкване на генетичната информация на РНК-съдържащите вируси в генома на гостоприемника и да се хвърли нов поглед върху природата на тяхното онкогенно действие.

Откриване на нуклеинови киселини и изследване на техните свойства

Терминът нуклеинови киселини е въведен от немския биохимик R. Altman през 1889 г., след като тези съединения са открити през 1869 г. от швейцарския лекар F. Miescher. Мишер екстрахира гнойните клетки с разредена солна киселина в продължение на няколко седмици и получава почти чист ядрен материал в остатъка. Той смята този материал за характерно „вещество на клетъчните ядра и го нарича нуклеин. По свойствата си нуклеинът се различава рязко от протеините: той е по-киселинен, не съдържа сяра, но съдържа много фосфор, лесно се разтваря в основи, но не се разтварят в разредени киселини.

Мишър изпраща резултатите от своите наблюдения върху нуклеина на Ф. Гопе-Сейлер за публикуване в списание. Описаното от него вещество беше толкова необичайно (по това време от всички биологични фосфорсъдържащи съединения беше известен само лецитинът), че Гопе-Сейлер не повярва на експериментите на Мишер, върна му ръкописа и инструктира служителите си Н. Плош и Н. Любавин да проверете заключенията му върху друг материал. Работата на Miescher „За химичния състав на гнойните клетки“ е публикувана две години по-късно (1871). В същото време бяха публикувани трудовете на Goppe-Seyler и неговите сътрудници за състава на гнойни клетки, еритроцити на птици, змии и други клетки. През следващите три години нуклеинът е изолиран от животински клетки и дрожди.

В работата си Мишер отбелязва, че подробното изследване на различни нуклеини може да доведе до установяване на разлики между тях, като по този начин предвижда идеята за специфичност на нуклеиновите киселини. Докато изучава млякото от сьомга, Мишер установява, че нуклеинът в тях е под формата на сол и е свързан с основния протеин, който той нарича протамин.

През 1879 г. А. Косел започва да изучава нуклеини в лабораторията на Гопе-Сейлер. През 1881 г. той изолира хипоксантин от нуклеин, но по това време все още се съмняваше в произхода на тази основа и вярваше, че хипоксантинът може да бъде продукт на разграждане на протеини. През 1891 г. сред продуктите на нуклеинова хидролиза Косел открива аденин, гуанин, фосфорна киселина и друго вещество със свойствата на захар. За изследвания върху химията на нуклеиновите киселини Косел получава Нобелова награда през 1910 г.

По-нататъшният напредък в дешифрирането на структурата на нуклеиновите киселини е свързан с изследванията на П. Левин и колеги (1911 - 1934). През 1911 г. P. Levin и V. Jacobs идентифицират въглехидратния компонент на аденозин и гуанозин; те откриха, че тези нуклеозиди съдържат D-рибоза. През 1930 г. Левин показа, че въглехидратният компонент на дезоксирибонуклеозидите е 2-дезокси-D-рибоза. От работата му стана известно, че нуклеиновите киселини са изградени от нуклеотиди, т.е. фосфорилирани нуклеозиди. Левин вярва, че основният тип връзка в нуклеиновите киселини (РНК) е 2", 5" фосфодиестерна връзка. Това схващане се оказа погрешно. Благодарение на работата на английския химик А. Тод (Нобелова награда, 1957 г.) и неговите сътрудници, както и на английските биохимици Р. Маркъм и Дж. Смит, в началото на 50-те години стана известно, че основният тип връзка в РНК е 3", 5" - фосфодиестерна връзка.

Люин показа, че различните нуклеинови киселини могат да се различават по естеството на въглехидратния компонент: някои от тях съдържат захарта дезоксирибоза, докато други съдържат рибоза. В допълнение, тези два вида нуклеинови киселини се различават по естеството на една от базите: нуклеиновите киселини от тип пентоза съдържат урацил, а нуклеиновите киселини от тип дезоксипентоза съдържат тимин. Дезоксипентозната нуклеинова киселина (в съвременната терминология дезоксирибонуклеинова киселина - ДНК) обикновено се изолира лесно в големи количества от тимуса (сладката жлеза) на телетата. Затова се нарича тимонуклеинова киселина. Източникът на нуклеинова киселина от пентозен тип (РНК) е главно дрожди и пшеничен зародиш. Този тип често се нарича нуклеинова киселина на дрожди.

В началото на 30-те години на миналия век идеята, че растителните клетки се характеризират с нуклеинова киселина от дрожден тип, беше доста здраво вкоренена, докато тимонуклеиновата киселина беше характерна само за ядрата на животинските клетки. Двата типа нуклеинови киселини, РНК и ДНК, тогава се наричат ​​съответно растителни и животински нуклеинови киселини. Въпреки това, както показват ранните изследвания на А. Н. Белозерски, такова разделение на нуклеиновите киселини е неоправдано. През 1934 г. Белозерски за първи път открива тимонуклеинова киселина в растителни клетки: от грахови кълнове той изолира и идентифицира тимин-пиримидиновата база, която е характерна за ДНК. След това открива тимин в други растения (семена от соя, боб). През 1936 г. А. Н. Белозерски и И. И. Дубровская изолират препаративно ДНК от разсад от конски кестен. В допълнение, серия от изследвания, проведени в Англия през 40-те години на миналия век от D. Davidson и сътрудници, убедително показаха, че растителната нуклеинова киселина (РНК) се съдържа в много животински клетки.

Широкото използване на цитохимичната реакция за ДНК, разработена от R. Felgen и G. Rosenbeck (1924) и реакцията на J. Brachet (1944) за РНК, направи възможно бързото и недвусмислено решаване на въпроса за преференциалната локализация на тези нуклеинови киселини в клетката. Оказа се, че ДНК е концентрирана в ядрото, докато РНК е концентрирана предимно в цитоплазмата. По-късно беше установено, че РНК се съдържа както в цитоплазмата, така и в ядрото и освен това беше идентифицирана цитоплазмената ДНК.

Що се отнася до въпроса за първичната структура на нуклеиновите киселини, до средата на 40-те години идеята на П. Левин е твърдо установена в науката, според която всички нуклеинови киселини са изградени според един и същи тип и се състоят от един и същ така наречен тетрануклеотид блокове. Всеки от тези блокове, според Люин, съдържа четири различни нуклеотида. Тетрануклеотидната теория за структурата на нуклеиновите киселини до голяма степен лиши тези биополимери от специфичност. Ето защо не е изненадващо, че по това време всички специфики на живите същества са били свързани само с протеини, природата на мономерите на които е много по-разнообразна (20 аминокиселини).

Първата празнина в теорията за тетрануклеотидната структура на нуклеиновите киселини е направена от аналитичните данни на английския химик J. Gouland (1945 - 1947). При определяне на състава на нуклеиновите киселини чрез азотната основа той не получава еквимоларно съотношение на базите, както би трябвало да бъде според теорията на Левин. И накрая, тетрануклеотидната теория за структурата на нуклеиновите киселини се срина в резултат на изследванията на Е. Чаргаф и неговите сътрудници (1949 - 1951). Чаргаф използва хартиена хроматография, за да отдели базите, освободени от ДНК в резултат на нейната киселинна хидролиза. Всяка от тези бази беше точно определена спектрофотометрично. Чаргаф забелязва значителни отклонения от еквимоларното съотношение на базите в ДНК от различен произход и за първи път категорично заявява, че ДНК има изразена видова специфичност. Това сложи край на хегемонията на концепцията за протеиновата специфичност в живата клетка. Анализирайки ДНК от различен произход, Чаргаф открива и формулира уникални модели на състава на ДНК, които навлизат в науката под името правила на Чаргаф. Съгласно тези правила във всички ДНК, независимо от произхода, количеството аденин е равно на количеството тимин (A = T), количеството гуанин е равно на количеството цитозин (G = C), количеството на пурини е равно на количеството пиримидини (G + A = C + T), количеството бази с 6-амино групи е равно на броя на базите с 6-кето групи (A + C = G + T). В същото време, въпреки толкова строги количествени съответствия, ДНК на различните видове се различава в стойността на съотношението A + T: G + C. В някои ДНК количеството на гуанин и цитозин преобладава над количеството на аденин и тимин (Чаргаф нарича тези ДНК GC-тип ДНК); други ДНК съдържат повече аденин и тимин, отколкото гуанин и цитозин (тези ДНК се наричат ​​АТ-тип ДНК). Получените от Чаргаф данни за състава на ДНК изиграха изключителна роля в молекулярната биология. Именно те са в основата на откритието на структурата на ДНК, направено през 1953 г. от Дж. Уотсън и Ф. Крик.

През 1938 г. У. Астбъри и Ф. Бел, използвайки рентгенов дифракционен анализ, показаха, че базовите равнини в ДНК трябва да са перпендикулярни на дългата ос на молекулата и да приличат, така да се каже, на купчина плочи, разположени отгоре един от друг. С усъвършенстване на техниката на рентгеновия дифракционен анализ, към 1952 – 1953г. натрупана информация, която позволява да се прецени дължината на отделните връзки и ъглите на наклон. Това направи възможно да се представи с най-голяма вероятност природата на ориентацията на пръстените на пентозните остатъци в захарно-фосфатния скелет на молекулата на ДНК. През 1952 г. С. Фарберг предлага два спекулативни модела на ДНК, които представляват едноверижна молекула, нагъната или усукана върху себе си. Не по-малко спекулативен модел на структурата на ДНК е предложен през 1953 г. от Л. Полинг (носител на Нобелова награда за 1954 г.) и Р. Кори. В този модел три усукани нишки на ДНК образуват дълга спирала, чието ядро ​​е представено от фосфатни групи, а базите са разположени извън нея. До 1953 г. М. Уилкинс и Р. Франклин получават по-ясни рентгенови дифракционни модели на ДНК. Техният анализ показа пълния провал на моделите на Фарберг, Полинг и Кори. Използвайки данните на Chargaff, сравнявайки различни комбинации от молекулярни модели на отделни мономери и данни от рентгенова дифракция, J. Watson и F. Crick през 1953 г. стигат до извода, че молекулата на ДНК трябва да бъде двуверижна спирала. Правилата на Чаргаф силно ограничават броя на възможните подредени комбинации от бази в предложения ДНК модел; те предложиха на Уотсън и Крик, че трябва да има специфично сдвояване на основите в молекулата на ДНК - аденин с тимин и гуанин с цитозин. С други думи, аденинът в едната верига на ДНК винаги стриктно съответства на тимина в другата верига, а гуанинът в едната верига задължително съответства на цитозина в другата. По този начин Уотсън и Крик са първите, които формулират изключително важния принцип на комплементарната структура на ДНК, според който една ДНК верига допълва друга, т.е. базовата последователност на една верига еднозначно определя базовата последователност в другата (комплементарна) верига . Стана очевидно, че вече в самата структура на ДНК се крие потенциалът за нейното точно възпроизвеждане. Този модел на ДНК структура в момента е общоприет. Крик, Уотсън и Уилкинс са удостоени с Нобелова награда през 1962 г. за дешифрирането на структурата на ДНК.

Трябва да се отбележи, че идеята за механизъм за точно възпроизвеждане на макромолекули и предаване на наследствена информация се заражда у нас. През 1927 г. Н. К. Колцов предполага, че по време на клетъчното възпроизвеждане възпроизвеждането на молекулите става чрез точно автокаталитично възпроизвеждане на съществуващите родителски молекули. Вярно, по това време Колцов надари това свойство не с ДНК молекули, а с молекули от протеинова природа, чието функционално значение тогава беше неизвестно. Независимо от това, самата идея за автокаталитично възпроизвеждане на макромолекули и механизмът на предаване на наследствените свойства се оказаха пророчески: това стана водеща идея на съвременната молекулярна биология.

Проведено в лабораторията на А. Н. Белозерски от А. С. Спирин, Г. Н. Зайцева, Б. Ф. Ванюшин, С. О. Урисон, А. С. Антонов и други различни организми напълно потвърждават моделите, открити от Чаргаф, и пълното съответствие с молекулярния модел на структурата на ДНК, предложен от Уотсън и Крик. Тези изследвания показват, че ДНК на различни бактерии, гъби, водорасли, актиномицети, висши растения, безгръбначни и гръбначни животни има специфичен състав. Разликите в състава (съдържанието на AT-базови двойки) са особено изразени при микроорганизмите, което се оказва важна таксономична характеристика. При висшите растения и животни видовите вариации в състава на ДНК са много по-слабо изразени. Но това не означава, че тяхната ДНК е по-малко специфична. В допълнение към състава на базите, специфичността до голяма степен се определя от тяхната последователност в ДНК веригите.

Наред с обичайните бази, в ДНК и РНК са открити допълнителни азотни бази. Така G. White (1950) открива 5-метилцитозин в ДНК на растения и животни, а D. Dunn и J. Smith (1958) откриват метилиран аденин в някои ДНК. Дълго време метилцитозинът се смяташе за отличителен белег на генетичния материал на висшите организми. През 1968 г. А. Н. Белозерски, Б. Ф. Ванюшин и Н. А. Кокурина установяват, че той може да бъде открит и в ДНК на бактериите.

През 1964 г. M. Gold и J. Hurwitz откриват нов клас ензими, които извършват естествената модификация на ДНК - нейното метилиране. След това откритие стана ясно, че минорни (съдържащи се в малки количества) бази възникват вече върху готовата полинуклеотидна верига на ДНК в резултат на специфично метилиране на цитозинови и аденинови остатъци в специални последователности. По-специално, според Б. Ф. Ванюшин, Я. И. Бурянов и А. Н. Белозерски (1969), метилирането на аденин в ДНК на Е. coli може да се появи в терминиращите кодони. Според A. N. Belozersky и колеги (1968 - 1970), както и M. Meselson (САЩ) и V. Arber (Швейцария) (1965 - 1969), метилирането придава уникални индивидуални характеристики на ДНК молекулите и в комбинация с действието на специфични нуклеази, е част от сложен механизъм, който контролира синтеза на ДНК в клетката. С други думи, естеството на метилиране на определена ДНК предопределя въпроса дали тя може да се размножава в дадена клетка.

Почти по същото време започва изолирането и интензивното изследване на ДНК метилазите и рестрикционните ендонуклеази; през 1969-1975г са установени нуклеотидните последователности, разпознавани в ДНК от някои от тези ензими (X. Boyer, X. Smith, S. Lynn, K. Murray). Когато различни ДНК се хидролизират от рестрикционен ензим, доста големи фрагменти с еднакви "лепкави" краища се разцепват. Това дава възможност не само да се анализира структурата на гените, както се прави при малките вируси (D. Nathans, S. Adler, 1973 - 1975), но и да се конструират различни геноми. С откриването на тези специфични рестрикционни ензими, генното инженерство се превърна в осезаема реалност. Вградени в малка плазмидна ДНК гени от различен произход вече лесно се въвеждат в различни клетки. Така беше получен нов тип биологично активни плазмиди, които дават резистентност към определени антибиотици (S. Cohen, 1973), рибозомни гени на жаба и Drosophila бяха въведени в плазмидите на Escherichia coli (J. Morrow, 1974; X. Boyer, D Хогнес, Р. Дейвис, 1974 - 1975). По този начин се откриват реални начини за получаване на принципно нови организми чрез въвеждане и интегриране на различни гени в техния генофонд. Това откритие може да бъде насочено в полза на цялото човечество.

През 1952 г. Г. Уайт и С. Коен откриват, че ДНК на Т-четните фаги съдържа необичайна основа - 5-хидроксиметилцитозин. По-късно, от трудовете на E. Volkin и R. Sinsheimer (1954) и Cohen (1956), става известно, че хидроксиметилцитозиновите остатъци могат да бъдат напълно или частично глюкозидизирани, в резултат на което фаговата ДНК молекула е защитена от хидролитично действие на нуклеази.

В началото на 50-те години на миналия век от трудовете на Д. Дън и Дж. Смит (Англия), С. Заменхоф (САЩ) и А. Вакер (Германия) стана известно, че много изкуствени базови аналози могат да бъдат включени в ДНК, понякога замествайки до 50% тимин. По правило тези замествания водят до грешки в репликацията, транскрипцията и транслацията на ДНК и до появата на мутанти. Така J. Marmur (1962) установи, че ДНК на някои фаги съдържа оксиметилурацил вместо тимин. През 1963 г. И. Такахаши и Дж. Мармур откриват, че ДНК на един от фагите съдържа урацил вместо тимин. Така се срина друг принцип, според който нуклеиновите киселини преди това бяха разделени. От времето на работата на П. Левин се смята, че тиминът е отличителният белег на ДНК, а урацилът е отличителният белег на РНК. Стана ясно, че този знак не винаги е надежден и основната разлика в химичната природа на двата вида нуклеинови киселини, както изглежда днес, е само природата на въглехидратния компонент.

При изследването на фагите са разкрити много необичайни характеристики на организацията на нуклеиновите киселини. От 1953 г. се смята, че всички ДНК са двуверижни линейни молекули, докато РНК е само едноверижна. Тази позиция е значително разклатена през 1961 г., когато R. Sinsheimer открива, че ДНК на фага φ X 174 е представена от едноверижна кръгова молекула. По-късно обаче се оказа, че в тази форма тази ДНК съществува само във вегетативна фагова частица, а репликативната форма на ДНК на този фаг също е двуверижна. Освен това се оказа доста неочаквано, че РНК на някои вируси може да бъде двуверижна. Този нов тип макромолекулна организация на РНК е открита през 1962 г. от P. Gomatos, I. Tamm и други изследователи в някои животински вируси и в туморен вирус на растителна рана. Наскоро В. И. Агол и А. А. Богданов (1970) установиха, че в допълнение към линейните РНК молекули има и затворени или циклични молекули. Те откриха циклична двойноверижна РНК, по-специално във вируса на енцефаломиелокардит. Благодарение на трудовете на X. Deveaux, L. Tinoko, T. I. Tikhonenko, E. I. Budovsky и други (1960 - 1974) станаха известни основните характеристики на организацията (полагане) на генетичен материал в бактериофагите.

В края на 50-те години на миналия век американският учен П. Доти установява, че нагряването причинява денатурация на ДНК, което е придружено от разкъсване на водородните връзки между базовите двойки и разделяне на комплементарни вериги. Този процес има характер на фазов преход "спирала-намотка" и наподобява стапянето на кристали. Следователно Доти нарече процеса на термична денатурация на ДНК стапяне на ДНК. При бавно охлаждане настъпва ренатурация на молекули, т.е. повторно обединяване на допълващи се половини.

Принципът на ренатурация през 1960 г. е използван от J. Marmur и K. Schildkraut за определяне на степента на "хибридизация" на ДНК на различни микроорганизми. Впоследствие Е. Болтън и Б. Маккарти подобриха тази техника, като предложиха метода на т. нар. ДНК-агар колони. Този метод се оказа незаменим при изследване на степента на хомология на нуклеотидната последователност на различни ДНК и изясняване на генетичната връзка на различни организми. Денатурацията на ДНК, открита от Доти в комбинация с хроматография върху метилиран албумин, описана от J. Mandel и A. Hershey * (1960) и центрофугиране в градиент на плътност (методът е разработен през 1957 г. от M. Meselson, F. Stahl и D. Winograd) се използва широко за разделяне, изолиране и анализ на отделни комплементарни ДНК вериги. Например, W. Shibalsky (САЩ), използвайки тези техники за разделяне на ДНК на ламбда фага, показа през 1967 - 1969 г., че и двете фагови вериги са генетично активен, а не един, както се смяташе за (S. Spiegelman, 1961). Трябва да се отбележи, че за първи път идеята за генетичното значение на двете ДНК вериги на ламбда фага е изразена в СССР от SE Bresler (1961).

* (За работата си върху генетиката на бактериите и вирусите А. Хърши, заедно с М. Делбрюк и С. Лурия, са удостоени с Нобелова награда през 1969 г.)

За да се разбере организацията и функционалната активност на генома, определянето на нуклеотидната последователност на ДНК е от първостепенно значение. Търсенето на методи за такова определяне се извършва в много лаборатории по света. От края на 50-те години на миналия век М. Биър и неговите сътрудници се опитват да установят последователността на ДНК с помощта на електронна микроскопия в САЩ, но досега безуспешно. В началото на 50-те години на миналия век, от първите трудове на Sinsheimer, Chargaff и други изследователи върху ензимното разграждане на ДНК, стана известно, че различните нуклеотиди в молекулата на ДНК са разпределени, макар и не произволно, а неравномерно. Според английския химик С. Бартън (1961) пиримидините (повече от 70%) са концентрирани главно под формата на съответните блокове. A. L. Mazin и B. F. Vanyushin (1968 - 1969) установяват, че различните ДНК имат различна степен на пиримидинова кохезия и че в ДНК на животински организми тя се увеличава значително, когато се движи от по-ниско към по-високо. По този начин еволюцията на организмите се отразява и в структурата на техните геноми. Ето защо за разбирането на еволюционния процес като цяло сравнителното изследване на структурата на нуклеиновите киселини е от особено значение. Анализът на структурата на биологично важни полимери и на първо място на ДНК е изключително важен за решаването на много специфични проблеми на филогенетиката и таксономията.

Интересно е да се отбележи, че английският физиолог Е. Ланкестър, който изучава хемоглобините на мекотелите, предусеща идеите на молекулярната биология точно преди 100 години, пише: „Химическите различия между различните видове и родове животни и растения са също толкова важни за изясняването на историята на техния произход като тяхна форма. Ако можем ясно да установим разликите в молекулярната организация и функционирането на организмите, бихме могли да разберем произхода и еволюцията на различните организми много по-добре, отколкото въз основа на морфологични наблюдения " * . Значението на биохимичните изследвания за таксономията подчертава и В. Л. Комаров, който пише, че "в основата на всички дори чисто морфологични признаци, въз основа на които класифицираме и установяваме видовете, са именно биохимичните различия" ** .

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

** (В. Л. Комаров. Избрани произведения, т. 1. М.-Л., Издателство на Академията на науките на СССР, 1945 г., стр. 331.)

А. В. Благовещенски и С. Л. Иванов още през 20-те години на миналия век направиха първите стъпки у нас за изясняване на някои въпроси на еволюцията и систематиката на организмите въз основа на сравнителен анализ на техния биохимичен състав (виж глава 2). Сравнителният анализ на структурата на протеините и нуклеиновите киселини сега става все по-осезаем инструмент за таксономистите (виж Глава 21). Този метод на молекулярната биология позволява не само да се изясни позицията на отделните видове в системата, но също така налага да се хвърли нов поглед върху самите принципи на класификация на организмите, а понякога и да се преразгледа цялата система като цяло, т.к. се случи, например, със систематиката на микроорганизмите. Несъмнено в бъдеще анализът на структурата на генома ще заеме централно място в хемосистематиката на организмите.

От голямо значение за развитието на молекулярната биология беше дешифрирането на механизмите на репликация и транскрипция на ДНК (виж глава 24).

Биосинтеза на протеини

Важна промяна в решаването на проблема с биосинтезата на протеини е свързана с напредъка в изследването на нуклеиновите киселини. През 1941 г. T. Kasperson (Швеция) и през 1942 г. J. Brachet (Белгия) обръщат внимание на факта, че тъканите с активен протеинов синтез съдържат повишено количество РНК. Те заключават, че рибонуклеиновите киселини играят решаваща роля в синтеза на протеини. През 1953 г. Е. Гейл и Д. Фокс изглежда са получили пряко доказателство за прякото участие на РНК в биосинтезата на протеини: според техните данни рибонуклеазата значително потиска включването на аминокиселини в лизатите на бактериалните клетки. Подобни данни са получени от V. Olfri, M. Delhi и A. Mirsky (1953) върху чернодробни хомогенати. По-късно Е. Гейл отхвърли изразената от него правилна идея за водещата роля на РНК в синтеза на протеини, погрешно вярвайки, че активирането на синтеза на протеини в безклетъчна система се извършва под въздействието на някакво друго вещество с неизвестна природа. През 1954 г. P. Zamechnik, D. Littlefield, R. B. Khesin-Lurie и други установяват, че най-активното включване на аминокиселини се случва в богатите на РНК фракции на субклетъчни частици - микрозоми. P. Zamechnik и E. Keller (1953 - 1954) установяват, че включването на аминокиселини се засилва значително в присъствието на супернатанта при условия на регенерация на АТФ. P. Sikevitz (1952) и M. Hoagland (1956) изолират протеинова фракция (pH 5 фракция) от супернатанта, която е отговорна за рязкото стимулиране на включването на аминокиселини в микрозомите. Заедно с протеините, в супернатантата беше открит специален клас РНК с ниско молекулно тегло, сега наречени трансферни РНК (тРНК). През 1958 г. Hoagland и Zamechnik, както и P. Berg, R. Sweet и F. Allen и много други изследователи установиха, че всяка аминокиселина изисква свой собствен специален ензим, ATP и специфична tRNA, за да се активира. Стана ясно, че tRNAs изпълняват изключително функцията на адаптери, т.е. устройства, които намират място върху нуклеиновата матрица (mRNA) за съответната аминокиселина в новопоявилата се протеинова молекула. Тези изследвания напълно потвърждават адапторната хипотеза на Ф. Крик (1957), която предвижда наличието в клетката на полинуклеотидни адаптери, необходими за правилното подреждане на аминокиселинните остатъци на синтезирания протеин върху нуклеиновата матрица. Много по-късно френският учен Ф. Чапвил (1962 г.) в лабораторията на Ф. Липман (Нобелова награда, 1953 г.) в САЩ много находчиво и недвусмислено показва, че мястото на аминокиселината в синтезираната протеинова молекула се определя изцяло от специфична тРНК, към която е прикрепен. Адаптерната хипотеза на Крик е разработена от Хогланд и Замечник.

До 1958 г. станаха известни следните основни етапи на протеиновия синтез: 1) активиране на аминокиселина от специфичен ензим от "рН 5 фракция" в присъствието на АТФ с образуването на аминоацил аденилат; 2) прикрепване на активирана аминокиселина към специфична tRNA с освобождаване на аденозин монофосфат (AMP); 3) свързване на аминоацил-тРНК (тРНК, заредена с аминокиселина) към микрозомите и включване на аминокиселини в протеин с освобождаване на тРНК. Hoagland (1958) отбелязва, че гуанозин трифосфат (GTP) е необходим в последния етап от синтеза на протеини.

Трансфер РНК и генен синтез

След откриването на тРНК започват активни търсения за тяхното фракциониране и определяне на нуклеотидната последователност. Най-голям успех постига американският биохимик Р. Холи. През 1965 г. той установява структурата на аланиновата тРНК от дрожди. Използвайки рибонуклеази (гуанил РНКаза и панкреатична РНКаза), Холи разделя молекулата на нуклеиновата киселина на няколко фрагмента, определя нуклеотидната последователност във всеки от тях поотделно и след това реконструира последователността на цялата аланинова тРНК молекула. Този начин за анализ на нуклеотидната последователност се нарича блоков метод. Заслугата на Холи се състоеше главно в това, че той се научи да разделя молекулата на РНК не само на малки парчета, както мнозина преди него, но и на големи фрагменти (четвъртини и половини). Това му дава възможност правилно да сглоби отделни малки парчета заедно и по този начин да пресъздаде пълната нуклеотидна последователност на цялата молекула tRNA (Нобелова награда, 1968 г.).

Тази техника веднага беше приета от много лаборатории по света. През следващите две години първичната структура на няколко тРНК беше дешифрирана в СССР и в чужбина. А. А. Баев (1967) и сътрудници за първи път установяват нуклеотидната последователност в тРНК на валин от дрожди. Към днешна дата са изследвани повече от дузина различни отделни тРНК. Своеобразен рекорд в определянето на нуклеотидната последователност е поставен в Кеймбридж от Ф. Сенгер и Г. Браунли. Тези изследователи разработиха изненадващо елегантен метод за разделяне на олигонуклеотиди и секвениране на така наречената 5 S (рибозомна) РНК от клетки на E. coli (1968). Тази РНК се състои от 120 нуклеотидни остатъка и, за разлика от tRNA, не съдържа допълнителни второстепенни бази, които значително улесняват анализа на нуклеотидната последователност, служейки като уникални ориентири за отделните фрагменти на молекулата. Понастоящем, благодарение на използването на метода Sanger и Brownlee, работата по изучаването на последователността на дългите рибозомни РНК и някои вирусни РНК успешно се развива в лабораторията на J. Ebel (Франция) и други изследователи.

А. А. Баев и колеги (1967) установиха, че валиновата тРНК, нарязана наполовина, възстановява своята макромолекулна структура в разтвор и въпреки дефекта в първичната структура има функционалната активност на оригиналната (нативна) молекула. Този подход - реконструкцията на изрязана макромолекула след отстраняване на определени фрагменти - се оказа много обещаващ. Сега се използва широко за изясняване на функционалната роля на отделни участъци от определени тРНК.

През последните години беше постигнат голям успех в получаването на кристални препарати на отделни тРНК. Много тРНК вече са кристализирани в няколко лаборатории в САЩ и Англия. Това направи възможно изследването на структурата на tRNA с помощта на рентгенов дифракционен анализ. През 1970 г. Р. Бок представя първите рентгенови модели и триизмерни модели на няколко тРНК, които е създал в университета на Уисконсин. Тези модели помагат да се определи локализацията на отделните функционално активни места в тРНК и да се разберат основните принципи на функциониране на тези молекули.

От първостепенно значение за разкриването на механизма на синтеза на протеини и решаването на проблема за спецификата на този процес беше дешифрирането на природата на генетичния код (виж Глава 24), което без преувеличение може да се счита за водещото постижение на естествените науки на 20 век.

Откриването на Р. Холи за първичната структура на tRNA даде тласък на работата на G. Korana * (САЩ) върху синтеза на олигонуклеотиди и ги насочи към синтеза на специфична биологична структура - ДНК молекула, кодираща аланинова tRNA. Първите стъпки в химическия синтез на къси олигонуклеотиди, направени от Корана преди почти 15 години, завършиха през 1970 г. с първия генен синтез. Коран и неговите сътрудници първи химически синтезират къси фрагменти от 8-12 нуклеотидни остатъка от отделни нуклеотиди. Тези фрагменти с дадена нуклеотидна последователност образуват спонтанно двойноверижни комплементарни части с припокриване от 4–5 нуклеотида. След това тези готови части бяха съединени от край до край в правилния ред с помощта на ензима ДНК лигаза. Така, за разлика от репликацията на ДНК молекули, според А. Корнберг ** (виж Глава 24), Коранът успява да пресъздаде естествена двуверижна ДНК молекула според предварително планирана програма в съответствие с тРНК последователността, описана от Холи. По същия начин сега се работи върху синтеза на други гени (M. N. Kolosov, Z. A. Shabarova, D. G. Knorre, 1970 - 1975).

* (За изследването на генетичния код Г. Коран и М. Ниренберг са удостоени с Нобелова награда през 1968 г.)

** (За откриването на полимеразата и синтеза на ДНК А. Корнберг и за синтеза на РНК С. Очоа през 1959 г. е удостоен с Нобелова награда.)

Микрозоми, рибозоми, транслация

В средата на 50-те години се смяташе, че микрозомите са центърът на протеиновия синтез в клетката. Терминът микрозоми е въведен за първи път през 1949 г. от A. Claude за обозначаване на фракцията от малки гранули. По-късно се оказа, че не цялата фракция микрозоми, състояща се от мембрани и гранули, а само малки рибонуклеопротеинови частици, отговарят за синтеза на протеини. Тези частици през 1958 г. са наречени рибозоми от Р. Робъртс.

Класическите изследвания на бактериалните рибозоми са извършени от A. Tisier и J. Watson през 1958-1959 г. Бактериалните рибозоми се оказаха малко по-малки от растителните и животинските. J. Littleton (1960), M. Clark (1964) и E. N. Svetailo (1966) показват, че рибозомите на хлоропластите на висшите растения и митохондриите принадлежат към бактериалния тип. A. Tisier и други (1958) установяват, че рибозомите се разделят на две неравни субединици, съдържащи по една молекула РНК. В края на 50-те години се смяташе, че всяка рибозомна РНК молекула се състои от няколко къси фрагмента. Въпреки това, AS Spirin през 1960 г. е първият, който показва, че РНК в субчастиците е представена от непрекъсната молекула. D. Waller (1960), след като раздели рибозомните протеини с помощта на електрофореза с нишестен гел, установи, че те са много хетерогенни. Първоначално мнозина се съмняваха в данните на Уолър, тъй като изглеждаше, че рибозомният протеин трябва да бъде строго хомогенен, като например протеина TMV. Понастоящем, в резултат на изследванията на Д. Уолър, Р. Траут, П. Трауб и други биохимици, стана известно, че съставът на действителните рибозомни частици включва повече от 50 протеина, които са напълно различни по структура. AS Spirin през 1963 г. е първият, който разгръща рибозомни субчастици и показва, че рибозомите са компактно усукана рибонуклеопротеидна верига, която може да се разгъне при определени условия. През 1967 - 1968г М. Номура напълно реконструира биологично активна субединица от рибозомна РНК и протеин и дори получава рибозоми, в които протеинът и РНК принадлежат на различни микроорганизми.

Ролята на рибозомната РНК все още е неясна. Предполага се, че това е онази уникална специфична матрица, върху която при образуването на рибозомна частица всеки от многобройните рибозомни протеини намира строго определено място (А. С. Спирин, 1968).

A. Rich (1962) открива агрегати от няколко рибозоми, свързани помежду си с верига иРНК. Тези комплекси се наричат ​​полизоми. Откриването на полизоми позволи на Рич и Уотсън (1963) да предположат, че синтезът на полипептидната верига се извършва върху рибозомата, която сякаш се движи по веригата на иРНК. Докато рибозомата се движи по веригата на иРНК, информацията се прочита в частицата и се образува протеиновата полипептидна верига, а нови рибозоми се прикрепят алтернативно към освободения край за четене на иРНК. От данните на Рич и Уотсън следва, че значението на полизомите в клетката е в масовото производство на протеин чрез последователно четене на матрицата от няколко рибозоми наведнъж.

В резултат на изследванията на М. Ниренберг, С. Очоа, Ф. Липман, Г. Корана и др., през 1963 – 1970г. стана известно, че наред с иРНК, рибозоми, АТФ и аминоацил-тРНК, голям брой различни фактори участват в процеса на транслация, а самият процес на транслация може условно да бъде разделен на три етапа - инициация, сама транслация и прекратяване.

Инициация на транслацията означава синтеза на първата пептидна връзка в комплекса рибозома - матричен полинуклеотид - аминоацил-тРНК. Такава инициираща активност се притежава не от аминоацил-тРНК, а от формилметионил-тРНК. Това вещество е изолирано за първи път през 1964 г. от F. Senger и K. Marker. S. Bretcher и K. Marker (1966) показаха, че инициаторната функция на формилметионил-тРНК се дължи на нейния повишен афинитет към пептидилния център на рибозомата. За началото на транслацията са изключително важни и някои протеинови иницииращи фактори, които са изолирани в лабораториите на S. Ochoa, F. Gro и други изследователски центрове. След образуването на първата пептидна връзка в рибозомата започва самата транслация, т.е. последователно добавяне на аминоацилов остатък към С-края на полипептида. Много подробности от процеса на превод са изследвани от К. Монро и Дж. Бишоп (Англия), И. Рихлик и Ф. Шорм (Чехословакия), Ф. Липман, М. Бретчър, У. Гилбърт (САЩ) и други изследователи. През 1968 г. А. С. Спирин предлага оригинална хипотеза за обяснение на механизма на рибозомата. Задвижващият механизъм, който осигурява всички пространствени движения на tRNA и mRNA по време на транслация, е периодичното отваряне и затваряне на рибозомните субчастици. Терминирането на транслацията е кодирано в самата четима матрица, която съдържа терминиращите кодони. Както е показано от S. Brenner (1965 - 1967), триплетите UAA, UAG и UGA са такива кодони. M. Capecci (1967) също идентифицира специални протеинови терминиращи фактори. А. С. Спирин и Л. П. Гаврилова описват така наречения "неензимен" синтез на протеини в рибозомите (1972 - 1975 г.) без участието на протеинови фактори. Това откритие е важно за разбирането на произхода и еволюцията на протеиновата биосинтеза.

Регулиране на генната и протеиновата активност

След проблема за спецификата на протеиновия синтез, на първо място в молекулярната биология се оказа проблемът за регулацията на протеиновия синтез или, което е същото, регулацията на генната активност.

Функционалната нееквивалентност на клетките и потискането и активирането на гените, свързани с нея, отдавна привличат вниманието на генетиците, но доскоро истинският механизъм за контролиране на генната активност остава неизвестен.

Първите опити за обяснение на регулаторната активност на гените са свързани с изследването на хистонови протеини. Дори съпрузите Стедман * в началото на 40-те години на XX век. предполагат, че хистоните могат да играят основна роля в това явление. Впоследствие те получават първите ясни данни за разликите в химическата природа на хистоновите протеини. В момента броят на фактите, свидетелстващи в полза на тази хипотеза, нараства всяка година.

* (Е. Стедман, Е. Стедман. Основните протеини на клетъчните ядра.- Философ. прев. Рой. соц. Лондон, 1951 г., v. 235, 565 - 595.)

В същото време се натрупва все по-голямо количество данни, което показва, че регулирането на генната активност е много по-сложен процес от простото взаимодействие на генни секции с хистонови протеинови молекули. През 1960 - 1962г в лабораторията на R. B. Khesin-Lurie беше установено, че фаговите гени започват да се четат неедновременно: Т2 фаговите гени могат да бъдат разделени на ранни гени, чието функциониране е настъпило в първите минути на инфекция на бактериална клетка , и късни, които започнаха да синтезират иРНК след завършване на работата на ранните гени.

През 1961 г. френските биохимици Ф. Жакоб и Ж. Моно предлагат схема за регулиране на генната активност, която изиграва изключителна роля за разбирането на регулаторните механизми на клетката като цяло. Според схемата на Якоб и Моно, освен структурни (информационни) гени, ДНК съдържа и гени-регулатори и гени-оператори. Регулаторният ген кодира синтеза на специфично вещество - репресор, който може да се прикрепи както към индукторния, така и към операторния ген. Операторният ген е свързан със структурни гени, докато регулаторният ген е разположен на известно разстояние от тях. Ако в околната среда няма индуктор, например лактоза, тогава репресорът, синтезиран от регулаторния ген, се свързва с операторния ген и, блокирайки го, изключва работата на целия оперон (блок от структурни гени заедно с оператора който ги контролира). При тези условия не се образува ензим. Ако в средата се появи индуктор (лактоза), тогава продуктът на регулаторния ген, репресорът, се свързва с лактозата и премахва блока от операторния ген. В този случай става възможна работата на структурния ген, кодиращ синтеза на ензима, и ензимът (лактоза) се появява в средата.

Според Джейкъб и Моно тази схема на регулиране е приложима за всички адаптивни ензими и може да се осъществи както по време на репресия, когато образуването на ензима се потиска от излишък на реакционния продукт, така и по време на индукция, когато въвеждането на субстрат причинява синтеза на ензима. За изследвания върху регулирането на генната активност Джейкъб и Моно получават Нобелова награда през 1965 г.

Първоначално тази схема изглеждаше твърде пресилена. По-късно обаче се оказа, че регулацията на гените според този принцип се извършва не само в бактериите, но и в други организми.

От 1960 г. видно място в молекулярната биология заемат изследванията на организацията на генома и структурата на хроматина в еукариотните организми (J. Bonner, R. Britten, W. Olfrey, P. Walker, Yu. S. Chentsov , I. B. Zbarsky и др.) и регулиране на транскрипцията (A. Mirsky, G. P. Georgiev, M. Bernstiel, D. Goll, R. Tsanev, R. I. Salganik). Дълго време природата на репресора остава неизвестна и противоречива. През 1968 г. M. Ptashne (САЩ) показа, че протеинът е репресор. Той го изолира в лабораторията на J. Watson и открива, че репресорът наистина има афинитет към индуктора (лактозата) и в същото време "разпознава" операторния ген на lac оперона и специфично се свързва с него.

През последните 5 - 7 години са получени данни за наличието на друга контролна клетка на генната активност - промоторната. Оказа се, че до мястото на оператора, към което е прикрепен продуктът, синтезиран върху генния регулатор - протеиновото вещество на репресора, има друго място, което също трябва да се припише на членовете на регулаторната система на гена дейност. Към това място е прикрепена протеинова молекула на ензима РНК полимераза. В промоторната област трябва да се осъществи взаимно разпознаване на уникалната нуклеотидна последователност в ДНК и специфичната конфигурация на РНК полимеразния протеин. Изпълнението на процеса на четене на генетична информация с дадена последователност от гени на оперона, съседен на промотора, ще зависи от ефективността на разпознаване.

В допълнение към схемата, описана от Jacob и Monod, има и други механизми на генна регулация в клетката. F. Jacob и S. Brenner (1963) установяват, че регулацията на репликацията на бактериалната ДНК се контролира по определен начин от клетъчната мембрана. Експериментите на Джейкъб (1954) за индуцирането на различни профаги убедително показаха, че под въздействието на различни мутагенни фактори в клетката на лизогенните бактерии започва селективна репликация на профагния ген и репликацията на генома на гостоприемника се блокира. През 1970 г. Ф. Бел съобщава, че малки ДНК молекули могат да преминат от ядрото в цитоплазмата и да се транскрибират там.

По този начин генната активност може да се регулира на ниво репликация, транскрипция и транслация.

Значителен напредък е постигнат в изучаването на регулацията не само на синтеза на ензими, но и на тяхната активност. A. Novik и L. Szilard посочиха феномена на регулиране на активността на ензимите в клетката още през 50-те години на миналия век. G. Umbarger (1956) установи, че в клетката има много рационален начин за потискане на активността на ензима чрез крайния продукт на веригата от реакции с обратна връзка. Както е установено от J. Monod, J. Change, F. Jacob, A. Purdy и други изследователи (1956 - 1960), регулирането на ензимната активност може да се извърши според алостеричния принцип. Ензимът или една от неговите субединици, в допълнение към афинитета към субстрата, има афинитет към един от продуктите на реакционната верига. Под въздействието на такъв сигнален продукт ензимът променя своята конформация по такъв начин, че губи активност. В резултат на това цялата верига от ензимни реакции се изключва в самото начало. D. Wieman и R. Woodward (1952; Нобелов лауреат, 1965) изтъкват съществената роля на конформационните промени на протеините в ензимните реакции и в известен смисъл наличието на алостеричен ефект.

Структура и функция на протеините

В резултат на работата на Т. Осборн, Г. Хофмайстер, А. Гурбер, Ф. Шулц и много други в края на 19 век. Много животински и растителни протеини са получени в кристална форма. Приблизително по същото време молекулните тегла на определени протеини са определени с помощта на различни физични методи. Така през 1891 г. А. Сабанеев и Н. Александров съобщават, че молекулното тегло на овалбумина е 14 000; през 1905 г. E. Reid установи, че молекулното тегло на хемоглобина е 48 000. Полимерната структура на протеините е открита през 1871 г. от G. Glasivetz и D. Gaberman. Идеята за пептидна връзка на отделни аминокиселинни остатъци в протеините е представена от Т. Курциус (1883). Работа върху химическата кондензация на аминокиселини (E. Schaal, 1871; G. Schiff, 1897; L. Balbiano и D. Traschiatti, 1900) и синтеза на хетерополипептиди (E. Fisher, 1902 - 1907, Нобелова награда, 1902) доведе до разработването на основните принципи на химическата структура на протеините.

Първият кристален ензим (уреаза) е получен през 1926 г. от J. Sumner (Нобелова награда, 1946 г.), а през 1930 г. J. Northrop (Нобелова награда, 1946 г.) получава кристален пепсин. След тези работи стана ясно, че ензимите имат протеинова природа. През 1940 г. М. Куниц изолира кристална РНКаза. До 1958 г. вече са известни повече от 100 кристални ензима и над 500 некристални ензима. Получаването на високо пречистени препарати от отделни протеини допринесе за дешифрирането на тяхната първична структура и макромолекулна организация.

От голямо значение за развитието на молекулярната биология като цяло и по-специално на човешката генетика е откритието на L. Pauling (1940) за анормален хемоглобин S, изолиран от еритроцитите на хора с тежко наследствено заболяване, сърповидно-клетъчна анемия. През 1955 - 1957г W. Ingram използва метода на "пръстовия отпечатък", разработен от F. Sanger (петна, образувани от отделни пептиди по време на хроматография върху хартия), за да анализира продуктите от хидролизата на хемоглобин S с алкали и трипсин. През 1961 г. Ingram съобщава, че хемоглобин S се различава от нормалния хемоглобин само по естеството на един аминокиселинен остатък: в нормалния хемоглобин остатъкът от глутаминова киселина е на седма позиция на веригата, а в хемоглобин S - остатък от валин. Така предположението на Полинг (1949 г.), че сърповидно-клетъчната анемия е заболяване с молекулен характер, беше напълно потвърдено. Наследствена промяна само в един аминокиселинен остатък във всяка половина на макромолекулата на хемоглобина води до факта, че хемоглобинът губи способността си да се разтваря лесно при ниска концентрация на кислород и започва да кристализира, което води до нарушаване на клетъчната структура. Тези изследвания ясно показват, че структурата на протеина е строго определена аминокиселинна последователност, която е кодирана в генома. Работите на K. Anfinsen (1951) свидетелстват за изключителното значение на първичната структура на протеина при формирането на уникална биологично активна конформация на макромолекула. Anfinsen показа, че биологично активната макроструктура на панкреатичната рибонуклеаза, която се губи в резултат на възстановяване, е предварително определена от аминокиселинната последователност и може да се появи отново спонтанно по време на окисляването на SH групи от цистеинови остатъци с образуването на дисулфидни омрежвания в стриктно определени места от пептидната верига на ензима.

Към днешна дата механизмът на действие на голям брой ензими е проучен подробно и е определена структурата на много протеини.

През 1953 г. F. Sanger установява аминокиселинната последователност на инсулина. : Този протеин се състои от две полипептидни вериги, свързани с две дисулфидни напречни връзки. Една от веригите съдържа само 21 аминокиселинни остатъка, докато другата съдържа 30 остатъка. Sanger прекарва около 10 години в дешифриране на структурата на този сравнително прост протеин. През 1958 г. той получава Нобелова награда за това изключително изследване. След създаването на V. Stein и S. Moore (1957) на автоматичен анализатор на аминокиселини, идентифицирането на продукти от частична хидролиза на протеини се ускори значително. През 1960 г. Стайн и Мур вече съобщават за това. че са успели да определят последователността на рибонуклеазата, чиято пептидна верига е представена от 124 аминокиселинни остатъка. През същата година в лабораторията на G. Schramm в Тюбинген (Германия) F. Anderer и други определят аминокиселинната последователност в протеина TMV. След това се определя аминокиселинната последователност в миоглобин (A. Edmunson) и α- и β-вериги на човешки хемоглобин (G. Braunitzer, E. Schroeder и др.), Лизоцим от яйчен протеин (J. Jollet, D. Keyfield) . През 1963 г. F. Shorm и B. Keil (Чехословакия) установяват аминокиселинната последователност в молекулата на химотрипсиногена. През същата година е определена аминокиселинната последователност на трипсиногена (F. Shorm, D. Walsh). През 1965 г. К. Такахаши установява първичната структура на рибонуклеазата Т1. След това аминокиселинната последователност беше определена за още няколко протеина.

Както е известно, окончателното доказателство за правилността на дефиницията на определена структура е нейният синтез. През 1969 г. R. Merifield (САЩ) е първият, който извършва химичен синтез на панкреатична рибонуклеаза. Използвайки метода на синтез, който той разработи върху твърдофазов носител, Мерифийлд добавя една аминокиселина след друга към веригата в съответствие с последователността, описана от Stein и Moore. В резултат на това той получава протеин, който е идентичен по своите качества с панкреатичната рибонуклеаза А. За откриването на структурата на рибонуклеазата V. Stein, S. Moore и K. Anfinsen получават Нобелова награда през 1972 г. Този естествен протеинов синтез отваря огромни перспективи, сочейки възможността за създаване на всякакви протеини в съответствие с предварително планирана последователност.

От рентгенови изследвания на W. Astbury (1933) следва, че пептидните вериги на протеиновите молекули са усукани или подредени по някакъв строго определен начин. Оттогава много автори са изразили различни хипотези за начините, по които протеиновите вериги се сгъват, но до 1951 г. всички модели остават спекулативни конструкции, които не съответстват на експерименталните данни. През 1951 г. Л. Полинг и Р. Кори публикуват поредица от блестящи произведения, в които окончателно е формулирана теорията за вторичната структура на протеините, теорията на α-спиралата. Заедно с това стана известно също, че протеините имат и третична структура: α-спиралата на пептидната верига може да бъде сгъната по определен начин, образувайки доста компактна структура.

През 1957 г. J. Kendrew и неговите сътрудници за първи път предлагат триизмерен модел на структурата на миоглобина. След това този модел беше усъвършенстван в продължение на няколко години, докато окончателната работа се появи през 1961 г. с характеризиране на пространствената структура на този протеин. През 1959 г. М. Перуц и колеги установяват триизмерната структура на хемоглобина. Изследователите са прекарали повече от 20 години в тази работа (първите рентгенови снимки на хемоглобина са получени от Perutz през 1937 г.). Тъй като молекулата на хемоглобина се състои от четири субединици, след като е дешифрирал нейната организация, Перуц първо описва кватернерната структура на протеина. За работата си по определянето на триизмерната структура на протеините, Кендрю и Перуц са удостоени с Нобелова награда през 1962 г.

Създаването на пространствен модел на структурата на хемоглобина от Perutz ДОПУСКА. да се доближим до разбирането на механизма на функциониране на този протеин, който, както е известно, осъществява транспорта на кислород в животинските клетки. Още през 1937 г. Ф. Гауровиц стига до извода, че взаимодействието на хемоглобина с кислород, въздух трябва да бъде придружено от промяна в структурата на протеина. През 60-те години на миналия век Perutz и сътрудници откриват забележимо изместване във веригите на хемоглобина след неговото окисляване, причинено от изместването на железни атоми в резултат на свързване с кислорода. На тази основа се формират идеи за "дишането" на протеиновите макромолекули.

През 1960 г. Д. Филипс и неговите сътрудници започват изследвания с рентгенова дифракция на молекулата на лизозима. До 1967 г. те повече или по-малко успяват да установят подробностите за организацията на този протеин и локализацията на отделните атоми в неговата молекула. В допълнение, Филипс установи естеството на добавянето на лизозим към субстрата (триацетилглюкозамин). Това направи възможно пресъздаването на механизма на този ензим. По този начин познаването на първичната структура и макромолекулната организация позволи не само да се установи природата на активните центрове на много ензими, но и да се разкрие напълно механизмът на функциониране на тези макромолекули.

Използването на методи на електронна микроскопия помогна да се разкрият принципите на макромолекулната организация на такива сложни протеинови образувания като колаген, фибриноген, контрактилни мускулни фибрили и др. В края на 50-те години бяха предложени модели на мускулния контрактилен апарат. От изключителна важност за разбирането на механизма на мускулна контракция е откритието на В. А. Енгелгард и М. Н. Любимова (1939) на АТФазната активност на миозина. Това означава, че актът на мускулна контракция се основава на промяна във физикохимичните свойства и макромолекулната организация на контрактилния протеин под въздействието на аденозинтрифосфорна киселина (виж също Глава 11).

Вирусологичните изследвания са от съществено значение за разбирането на принципите на сглобяване на биологични структури (виж Глава 25).

Неразрешени въпроси

Основният напредък в съвременната молекулярна биология е постигнат главно в резултат на изследването на нуклеиновите киселини. Но дори и в тази област далеч не всички проблеми са решени. Ще бъдат необходими големи усилия, по-специално, за да се дешифрира цялата нуклеотидна последователност на генома. Този проблем от своя страна е неразривно свързан с проблема за хетерогенността на ДНК и изисква разработването на нови усъвършенствани методи за фракциониране и изолиране на отделни молекули от общия генетичен материал на клетката.

Досега усилията бяха насочени главно към отделното изследване на протеини и нуклеинови киселини. В клетката тези биополимери са неразривно свързани помежду си и функционират главно под формата на нуклеопротеини. Следователно необходимостта от изследване на взаимодействието на протеини и нуклеинови киселини сега стана особено остра. Проблемът за разпознаването на определени участъци от нуклеинови киселини от протеини е изведен на преден план. Вече са очертани стъпки към изучаване на такова взаимодействие на тези биополимери, без което пълното разбиране на структурата и функциите на хромозомите, рибозомите и други структури е немислимо. Без това също е невъзможно да се разбере регулацията на генната активност и накрая да се дешифрират принципите на работата на механизмите за синтез на протеини. След работата на Jacob и Monod се появиха някои нови данни за регулаторното значение на мембраните в синтеза на ядрен материал. Това поставя проблема за по-задълбочено изследване на ролята на мембраните в регулирането на репликацията на ДНК. Като цяло, проблемът за регулиране на генната активност и клетъчната активност като цяло се превърна в един от най-важните проблеми на съвременната молекулярна биология.

Съвременното състояние на биофизиката

В тясна връзка с проблемите на молекулярната биология протича развитието на биофизиката. Интересът към тази област на биологията беше стимулиран, от една страна, от необходимостта от цялостно изследване на ефекта на различните видове радиация върху тялото, а от друга страна, от необходимостта да се изучават физическите и физико-химични основи на жизнените явления, протичащи на молекулярно ниво.

Получаването на точна информация за молекулярните структури и процесите, протичащи в тях, стана възможно в резултат на използването на нови фини физични и химични методи. Въз основа на постиженията на електрохимията беше възможно да се подобри методът за измерване на биоелектричните потенциали чрез използване на йон-селективни електроди (G. Eisenman, B.P. Nikolsky, Khuri, 50-60-те години). Все по-широко навлиза в практиката инфрачервената спектроскопия (с използването на лазерни устройства), която позволява да се изследват конформационните промени в протеините (И. Плотников, 1940 г.). Ценна информация предоставя и методът на електронен парамагнитен резонанс (E. K. Zavoisky, 1944) и биохемилуминесцентният метод (B. N. Tarusov et al., 1960), които позволяват по-специално да се прецени транспортирането на електрони по време на окислителни процеси.

През 50-те години на миналия век биофизиката вече печели силни позиции. Има нужда от подготовка на квалифицирани специалисти. Ако през 1911 г. в Европа само университетът в Печ, Унгария, е имал катедра по биофизика, то към 1973 г. такива катедри съществуват в почти всички големи университети.

През 1960 г. е организирано Международното дружество на биофизиците. През август 1961 г. в Стокхолм се провежда първият Международен биофизичен конгрес. Вторият конгрес се провежда през 1965 г. в Париж, третият - през 1969 г. в Бостън, четвъртият - през 1972 г. в Москва.

В биофизиката има ясно разграничение между две области с различно съдържание - молекулярна биофизика и клетъчна биофизика. Това разграничение получава и организационен израз: създават се отделни катедри от тези две области на биофизиката. В Московския университет първата катедра по биофизика е създадена през 1953 г. във Факултета по биология и почвознание, а малко по-късно катедрата по биофизика се появява във Физическия факултет. Катедрите бяха организирани на същия принцип в много други университети.

Молекулярна биофизика

През последните години връзката между молекулярната биофизика и молекулярната биология все повече се засилва и сега понякога е трудно да се определи къде е разделителната линия между тях. При обща атака срещу проблема с наследствената информация подобно сътрудничество между биофизиката и молекулярната биология е неизбежно.

Основно направление в научноизследователската работа е изучаването на физиката на нуклеиновите киселини – ДНК и РНК. Използването на горните методи и преди всичко на рентгеновия дифракционен анализ допринесе за дешифрирането на молекулярната структура на нуклеиновите киселини. В момента се провеждат интензивни изследвания за изследване на поведението на тези киселини в разтвори. Особено внимание е отделено на конформационните преходи "спирала-намотка", които се изследват чрез промени във вискозитета, оптичните и електрическите параметри. Във връзка с изучаването на механизмите на мутагенезата се разработват изследвания за изследване на ефекта на йонизиращото лъчение върху поведението на нуклеиновите киселини в разтвори, както и ефекта на радиацията върху нуклеиновите киселини на вируси и фаги. Ефектът от ултравиолетовото лъчение, за някои спектрални области от което е известно, че се абсорбират добре от нуклеиновите киселини, беше подложен на цялостен анализ. Голям дял в този вид изследвания заема откриването на активни радикали на нуклеинови киселини и протеини по метода на електронния парамагнитен резонанс. С използването на този метод се свързва появата на цяла независима посока.

Проблемът с кодирането на ДНК и РНК информацията и нейното предаване по време на протеиновия синтез отдавна е от интерес за молекулярната биофизика и физиците многократно са изразявали определени съображения по този въпрос (Е. Шрьодингер, Г. Гамов). Дешифрирането на генетичния код предизвика множество теоретични и експериментални изследвания върху структурата на спиралата на ДНК, механизма на плъзгане и усукване на нейните нишки и изследване на физическите сили, участващи в тези процеси.

Молекулярната биофизика оказва значителна помощ на молекулярната биология при изучаването на структурата на протеиновите молекули с помощта на рентгенов дифракционен анализ, използван за първи път през 1930 г. от J. Bernal. Именно в резултат на използването на физични методи в комбинация с биохимични (ензимни методи) бяха разкрити молекулярната конформация и последователността на аминокиселините в редица протеини.

Съвременните електронномикроскопски изследвания, които разкриват наличието на сложни мембранни системи в клетките и техните органели, стимулират опитите за разбиране на тяхната молекулна структура (вижте глави 10 и 11). Химичният състав на мембраните и по-специално свойствата на техните липиди се изучават in vivo. Установено е, че последните са способни на свръхокисляване и неензимни реакции на верижно окисление (Ю. А. Владимиров и Ф. Ф. Литвин, 1959; Б. Н. Тарусов и др., 1960; И. И. Иванов, 1967), което води до дисфункция на мембраната. За изследване на състава на мембраните започнаха да се използват и методи на математическо моделиране (В. Ц. Пресман, 1964 - 1968; М. М. Шемякин, 1967; Ю. А. Овчинников, 1972).

Клетъчна биофизика

Значително събитие в историята на биофизиката беше формирането през 50-те години на ясни идеи за термодинамиката на биологичните процеси, в резултат на което предположенията за възможността за независимо генериране на енергия в живите клетки, противно на втория закон на термодинамиката, накрая изчезна. Разбирането на действието на този закон в биологичните системи е свързано с въвеждането от белгийския учен И. Пригожин (1945) * в биологичната термодинамика на концепцията за отворени системи, които обменят енергия и материя с външната среда. Пригожин показа, че положителна ентропия се образува в живите клетки по време на работни процеси в съответствие с втория закон на термодинамиката. Въведените от него уравнения определят условията, при които възниква т. нар. стационарно състояние (по-рано се наричаше още динамично равновесие), при което количеството свободна енергия (негентропия), постъпваща в клетките с храната, компенсира нейното потребление, а положителната ентропия е изход. Това откритие затвърди общата биологична идея за неразривната връзка между външната и вътрешната среда на клетките. Той бележи началото на истинско изследване на термодинамиката на живите системи, включително метода на моделиране (A. Burton, 1939; A. G. Pasynsky, 1967).

* (Общата теория на отворените системи е представена за първи път от Л. Берталанфи през 1932 г.)

Според основния принцип на биотермодинамиката, необходимо условие за съществуването на живота е стационарността в развитието на неговите биохимични процеси, за осъществяването на които е необходимо да се координират скоростите на многобройни метаболитни реакции. Въз основа на новата биофизична термодинамика се появи тенденция, която отделя външни и вътрешни фактори, които осигуряват тази координация на реакциите и я правят стабилна. През последните две десетилетия е разкрита голяма роля в поддържането на стационарно състояние на системата от инхибитори и особено антиоксиданти (Б. Н. Тарусов и А. И. Журавлев, 1954, 1958). Установено е, че надеждността на стационарното развитие е свързана с факторите на околната среда (температура) и физикохимичните свойства на клетъчната среда.

Съвременните принципи на биотермодинамиката позволиха да се даде физикохимична интерпретация на механизма на адаптация. Според нашите данни, адаптирането към условията на околната среда може да възникне само ако, когато се променят, тялото е в състояние да установи стационарност в развитието на биохимичните реакции (B.N. Tarusov, 1974). Възникна въпросът за разработването на нови методи, които биха позволили оценка на стационарното състояние in vivo и прогнозиране на възможните му нарушения. Въвеждането на кибернетичните принципи на саморегулиращите се системи в биотермодинамиката и изследването на процесите на биологична адаптация обещава голяма полза. Стана ясно, че за да се реши проблемът със стабилността на стационарното състояние, е важно да се вземат предвид така наречените смущаващи фактори, които включват по-специално неензимни реакции на окисление на липидите. Напоследък се разширяват изследванията на процесите на пероксидация в липидните фази на живите клетки и растежа на активни радикални продукти, които нарушават регулаторните функции на мембраните. Източникът на информация за тези процеси е както откриването на активни пероксидни радикали, така и пероксидни съединения на биолипидите (A. Tappel, 1965; I. I. Ivanov, 1965; E. B. Burlakova, 1967 и др.). За откриване на радикали се използва биохемилуминесценция, която възниква в липидите на живите клетки по време на тяхната рекомбинация.

Въз основа на физикохимичните идеи за стабилността на стационарното състояние възникват биофизични идеи за адаптирането на растенията към промените в условията на околната среда като нарушение на инхибиторните антиоксидантни системи (Б. Н. Тарусов, Я. Е. Доскоч, Б. М. Китлаев, А. М. Агавердиев, 1968 - 1972). Това отвори възможността за оценка на такива свойства като устойчивост на замръзване и устойчивост на сол, както и да се направят подходящи прогнози при избора на селскостопански растения.

През 50-те години на миналия век е открито свръхслабо сияние - биохемилуминесценция на редица биологични обекти във видимата и инфрачервената част на спектъра (Б. Н. Тарусов, А. И. Журавлев, А. И. Поливода). Това стана възможно в резултат на разработването на методи за регистриране на свръхслаби светлинни потоци с помощта на фотоумножители (Л. А. Кубецки, 1934 г.). Като резултат от биохимични реакции, протичащи в жива клетка, биохемилуминесценцията дава възможност да се преценят важни окислителни процеси във веригите за пренос на електрони между ензимите. Откриването и изследването на биохемилуминесценцията е от голямо теоретично и практическо значение. Така Б. Н. Тарусов и Ю. Б. Кудряшов отбелязват голямата роля на продуктите на окисление на ненаситени мастни киселини в механизма на възникване на патологични състояния, които се развиват под въздействието на йонизиращо лъчение, в канцерогенезата и други нарушения на нормалните клетъчни функции .

През 50-те години, във връзка с бързото развитие на ядрената физика, от биофизиката се отделя радиобиологията, която изучава биологичния ефект на йонизиращото лъчение. Производството на изкуствени радиоактивни изотопи, създаването на термоядрени оръжия, атомни реактори и развитието на други форми на практическо използване на атомната енергия поставиха с цялата си острота проблема за защитата на организмите от вредното въздействие на йонизиращото лъчение и развитието на теоретични основи за профилактика и лечение на лъчева болест. За да направите това, беше необходимо преди всичко да разберете кои компоненти на клетката и връзките на метаболизма са най-уязвими.

Обектът на изследване на биофизиката и радиобиологията беше изясняването на природата на първичните химични реакции, протичащи в живите субстрати под въздействието на радиационна енергия. Тук беше важно не само да се разберат механизмите на това явление, но и да се повлияе на процеса на обмен на физическа енергия за химическа енергия, за да се намали коефициентът му на "полезно" действие. Работата в тази посока е инициирана от изследванията на школата на Н. Н. Семенов (1933) в СССР и Д. Хиншелуд (1935) в Англия.

Важно място в радиобиологичните изследвания заема изучаването на степента на радиационна устойчивост на различни организми. Установено е, че повишената радиорезистентност (например при пустинни гризачи) се дължи на високата антиоксидантна активност на липидите на клетъчната мембрана (M. Chang et al., 1964; N. K. Ogryzov et al., 1969). Оказа се, че токоферолите, витамин К и тио съединенията играят важна роля във формирането на антиоксидантните свойства на тези системи (И. И. Иванов и др., 1972). През последните години изследванията на механизмите на мутагенезата също привлякоха голямо внимание. За тази цел се изследва влиянието на йонизиращото лъчение върху поведението на нуклеиновите киселини и протеините in vitro, както и във вирусите и фагите (A. Gustafson, 1945 - 1950).

Борбата за по-нататъшно повишаване на ефективността на химическата защита, търсенето на по-ефективни инхибитори и принципи на инхибиране остават основните задачи на биофизиката в тази посока.

Постигнат е напредък в изследването на възбудените състояния на биополимерите, които определят тяхната висока химична активност. Най-успешно беше изследването на възбудени състояния, възникващи в първичния етап на фотобиологичните процеси - фотосинтеза и зрение.

По този начин е направен солиден принос за разбирането на първичното активиране на молекулите на растителните пигментни системи. Установено е голямото значение на преноса (миграцията) на енергията на възбудени състояния без загуби от активирани пигменти към други субстрати. Голяма роля в развитието на тези идеи изиграха теоретичните трудове на А. Н. Теренин (1947 г. и по-късно). A. A. Krasnovsky (1949) открива и изследва реакцията на обратима фотохимична редукция на хлорофила и неговите аналози. Сега има общо убеждение, че в близко бъдеще ще бъде възможно да се възпроизведе фотосинтезата при изкуствени условия (виж също Глава 5).

Биофизиците продължават да работят върху разкриването на естеството на мускулната контракция и механизмите на нервно възбуждане и проводимост (виж Глава 11). Изследванията на механизмите на прехода от възбудено състояние към нормално състояние също станаха актуални. Сега възбуденото състояние се разглежда като резултат от автокаталитична реакция, а инхибирането се разглежда като следствие от рязка мобилизация на инхибиторната антиоксидантна активност в резултат на молекулярни пренареждания в съединения като токоферол (I.I. Ivanov, O.R. Kols, 1966; O.R. Колс, 1970).

Най-важният общ проблем на биофизиката остава познаването на качествените физични и химични характеристики на живата материя. Свойства като способността на живите биополимери селективно да свързват калия или да поляризират електрическия ток не могат да бъдат запазени дори при най-внимателно отстраняване от тялото. Следователно клетъчната биофизика продължава интензивно да разработва критерии и методи за изследване на живота на живата материя.

Въпреки младостта на молекулярната биология, напредъкът, който тя постигна в тази област, е наистина зашеметяващ. За сравнително кратък период от време е установена природата на гена и основните принципи на неговата организация, възпроизвеждане и функциониране. Освен това е извършено не само in vitro възпроизвеждане на гени, но и за първи път е завършен пълният синтез на самия ген. Напълно е дешифриран генетичният код и е решен най-важният биологичен проблем за спецификата на биосинтезата на протеини. Идентифицирани и проучени са основните пътища и механизми на образуване на протеини в клетката. Първичната структура на много транспортни РНК, специфични адапторни молекули, които превеждат езика на нуклеиновите матрици на езика на аминокиселинната последователност на синтезирания протеин, е напълно определена. Аминокиселинната последователност на много протеини е напълно дешифрирана и е установена пространствената структура на някои от тях. Това позволи да се изяснят принципът и детайлите на функционирането на ензимните молекули. Извършен е химичен синтез на един от ензимите рибонуклеаза. Установени са основните принципи на организацията на различни субклетъчни частици, много вируси и фаги и са разкрити основните пътища на тяхната биогенеза в клетката. Открити са подходи за разбиране на начините за регулиране на генната активност и изясняване на регулаторните механизми на жизнената дейност. Вече прост списък на тези открития показва, че втората половина на 20 век. беше белязан от огромен напредък в биологията, който се дължи преди всичко на задълбочено изследване на структурата и функциите на биологично важни макромолекули - нуклеинови киселини и протеини.

Постиженията на молекулярната биология вече се използват в практиката днес и дават осезаеми резултати в медицината, селското стопанство и някои индустрии. Няма съмнение, че завръщането на тази наука ще нараства всеки ден. Основният резултат обаче все пак трябва да се счита, че под влиянието на успехите на молекулярната биология се засили увереността в съществуването на неограничени възможности по пътя към разкриването на най-тайните тайни на живота.

В бъдеще, очевидно, ще бъдат открити нови начини за изучаване на биологичната форма на движението на материята - биологията ще премине от молекулярно ниво към атомно ниво. Сега обаче вероятно няма нито един изследовател, който да може реалистично да предвиди развитието на молекулярната биология дори за следващите 20 години.

На now.nsexy.ru/ ще прекарате незабравимо време.