Biologia molekularna

nauka, która stawia sobie za zadanie poznanie natury zjawisk życiowych poprzez badanie obiektów i układów biologicznych na poziomie zbliżonym do poziomu molekularnego, aw niektórych przypadkach sięgającym tej granicy. Ostatecznym celem w tym przypadku jest wyjaśnienie, w jaki sposób i w jakim stopniu charakterystyczne przejawy życia, takie jak dziedziczność, reprodukcja własnego rodzaju, biosynteza białek, pobudliwość, wzrost i rozwój, przechowywanie i przekazywanie informacji, przemiany energetyczne, mobilność, itp., wynikają ze struktury, właściwości i interakcji cząsteczek ważnych biologicznie substancji, przede wszystkim dwóch głównych klas biopolimerów o dużej masie cząsteczkowej (patrz Biopolimery) - białka i kwasy nukleinowe. Charakterystyczną cechą M. b. - badanie zjawisk życia na przedmiotach nieożywionych lub tych, które charakteryzują się najbardziej prymitywnymi przejawami życia. Są to twory biologiczne z poziomu komórkowego i poniżej: organelle subkomórkowe, takie jak izolowane jądra komórkowe, mitochondria, rybosomy, chromosomy, błony komórkowe; dalej - układy stojące na granicy przyrody ożywionej i nieożywionej - wirusy, w tym bakteriofagi, a kończąc na cząsteczkach najważniejszych składników materii żywej - kwasów nukleinowych (patrz Kwasy nukleinowe) i białek (patrz Białka).

M.b. - nowa dziedzina nauk przyrodniczych, ściśle związana z ugruntowanymi od dawna obszarami badań, którymi są biochemia (patrz Biochemia), biofizyka (patrz Biofizyka) i chemia bioorganiczna (patrz Chemia bioorganiczna). Rozróżnienie jest tu możliwe jedynie na podstawie uwzględnienia zastosowanych metod i fundamentalnego charakteru zastosowanych podejść.

Podstawę, na której rozwinął się M., położyły takie nauki, jak genetyka, biochemia, fizjologia procesów elementarnych itp. Zgodnie z genezą jej rozwoju M. ur. nierozerwalnie związany z genetyką molekularną (patrz Genetyka molekularna) , która nadal stanowi ważną część M. banking, choć już w dużej mierze uformowała się w samodzielną dyscyplinę. izolacji M. z biochemii podyktowane jest następującymi względami. Zadania biochemii ograniczają się głównie do ustalania udziału określonych substancji chemicznych w określonych funkcjach i procesach biologicznych oraz wyjaśniania natury ich przemian; wiodącą wartość mają informacje o reaktywności oraz o głównych cechach budowy chemicznej wyrażonej zwykłym wzorem chemicznym. Tak więc w istocie uwaga skupia się na przemianach wpływających na wiązania chemiczne główny-wartościowy. Tymczasem, jak podkreśla L. Pauling , w układach biologicznych i przejawach aktywności życiowej należy zwrócić uwagę nie na wiązania pryncypialne-walentne działające w obrębie tej samej cząsteczki, ale na różnego rodzaju wiązania determinujące oddziaływania międzycząsteczkowe (elektrostatyczne, van der Waalsa, wiązania wodorowe itp.) .

Końcowy wynik badania biochemicznego można przedstawić w postaci układu równań chemicznych, zwykle całkowicie wyczerpanego ich przedstawieniem na płaszczyźnie, czyli w dwóch wymiarach. Charakterystyczną cechą M. b. jest jego trójwymiarowość. Istota M.b. M. Perutz widzi to w interpretacji funkcji biologicznych w kategoriach struktury molekularnej. Można powiedzieć, że jeśli wcześniej, badając obiekty biologiczne, trzeba było odpowiedzieć na pytanie „co”, czyli jakie substancje są obecne, oraz na pytanie „gdzie” - w jakich tkankach i narządach, to M. b. stawia sobie za zadanie uzyskanie odpowiedzi na pytanie „jak”, poznawszy istotę roli i udziału całej struktury cząsteczki oraz na pytania „dlaczego” i „po co”, dowiedziawszy się na z jednej strony powiązania między właściwościami cząsteczki (znów przede wszystkim białek i kwasów nukleinowych) a pełnionymi przez nią funkcjami, az drugiej strony rolą takich poszczególnych funkcji w całokształcie kompleksu przejawów aktywności życiowej.

Decydującą rolę nabierają wzajemne rozmieszczenie atomów i ich grupowanie w ogólnej strukturze makrocząsteczki, ich relacje przestrzenne. Dotyczy to zarówno pojedynczych, pojedynczych składników, jak i ogólnej konfiguracji cząsteczki jako całości. To właśnie w wyniku powstania ściśle określonej struktury objętościowej cząsteczki biopolimeru nabywają właściwości, dzięki którym mogą służyć jako materialna podstawa funkcji biologicznych. Ta zasada podejścia do badania żywych jest najbardziej charakterystyczną, typową cechą M. ur.

Odniesienie historyczne. Wielkie znaczenie badania problemów biologicznych na poziomie molekularnym przewidział I. P. Pavlov , który mówił o ostatnim etapie nauki o życiu - fizjologii żywej cząsteczki. Samo określenie „M. B." został użyty po raz pierwszy w języku angielskim. naukowców W. Astbury w zastosowaniu do badań związanych z wyjaśnieniem zależności między budową molekularną a właściwościami fizycznymi i biologicznymi białek fibrylarnych (włóknistych), takich jak kolagen, fibryna krwi, czy kurczliwe białka mięśniowe. Powszechnie używa się terminu „M. B." stali od początku lat 50. XX wiek

pojawienie się M. jako dojrzałą naukę przyjęło się odwoływać do roku 1953, kiedy J. Watson i F. Crick w Cambridge (Wielka Brytania) odkryli trójwymiarową strukturę kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Dzięki temu można było mówić o tym, jak szczegóły tej budowy determinują biologiczne funkcje DNA jako materialnego nośnika informacji dziedzicznej. W zasadzie ta rola DNA została poznana nieco wcześniej (1944) dzięki pracom amerykańskiego genetyka O. T. Avery'ego i współpracowników (patrz Molecular Genetics), ale nie było wiadomo, w jakim stopniu ta funkcja zależy od struktury DNA. Stało się to możliwe dopiero po opracowaniu przez laboratoria W. L. Bragga, J. Bernala i innych nowych zasad analizy dyfrakcji rentgenowskiej, co zapewniło wykorzystanie tej metody do szczegółowego poznania struktury przestrzennej makrocząsteczek białek i kwasów nukleinowych.

Poziomy organizacji molekularnej. W 1957 roku J. Kendrew ustalił trójwymiarową strukturę Myoglobiny a , aw następnych latach uczynił to M. Perutz w odniesieniu do Hemoglobiny a. Sformułowano idee dotyczące różnych poziomów przestrzennej organizacji makrocząsteczek. Struktura pierwszorzędowa to sekwencja pojedynczych jednostek (monomerów) w łańcuchu powstałej cząsteczki polimeru. W przypadku białek monomerami są aminokwasy. , dla kwasów nukleinowych - Nukleotydy. Liniowa, nitkowata cząsteczka biopolimeru w wyniku występowania wiązań wodorowych ma zdolność dopasowywania się w przestrzeni w określony sposób, np. w przypadku białek, jak wykazał L. Pauling, może to zająć postać spirali. Nazywa się to strukturą wtórną. O strukturze trzeciorzędowej mówi się, że cząsteczka, która ma strukturę drugorzędową, dalej fałduje się w taki czy inny sposób, wypełniając przestrzeń trójwymiarową. Wreszcie cząsteczki, które mają strukturę trójwymiarową, mogą wchodzić w interakcje, regularnie rozmieszczone w przestrzeni względem siebie i tworzące to, co określa się jako strukturę czwartorzędową; jego poszczególne składniki są powszechnie określane jako podjednostki.

Najbardziej oczywistym przykładem tego, jak trójwymiarowa struktura molekularna determinuje funkcje biologiczne cząsteczki, jest DNA. Ma budowę podwójnej helisy: dwie nitki biegnące w przeciwnych kierunkach (antyrównoległych) skręcone są jedna wokół drugiej, tworząc podwójną helisę o wzajemnie uzupełniającym się układzie podstaw, tzn. zawsze jest taka zasada, która najlepiej zapewnia tworzenie wiązań wodorowych: adepina (A) tworzy pary z tyminą (T), guanina (G) z cytozyną (C). Taka struktura stwarza optymalne warunki dla najważniejszych funkcji biologicznych DNA: ilościowego namnażania informacji dziedzicznej w procesie podziału komórki, przy zachowaniu jakościowej niezmienności tego przepływu informacji genetycznej. Kiedy komórka się dzieli, nici podwójnej helisy DNA, która służy jako matryca lub matryca, rozwijają się i na każdej z nich, pod działaniem enzymów, syntetyzowana jest komplementarna nowa nić. W rezultacie z jednej macierzystej cząsteczki DNA uzyskuje się dwie całkowicie identyczne cząsteczki potomne (patrz Komórka, Mitoza).

Podobnie w przypadku hemoglobiny okazało się, że jej funkcja biologiczna – zdolność odwracalnego wiązania tlenu w płucach, a następnie oddawania go do tkanek – jest ściśle związana z cechami trójwymiarowej struktury hemoglobiny i jej zmianami w proces realizacji swojej fizjologicznej roli. Podczas wiązania i dysocjacji O 2 zachodzą przestrzenne zmiany konformacji cząsteczki hemoglobiny, co prowadzi do zmiany powinowactwa zawartych w niej atomów żelaza do tlenu. Zmiany wielkości cząsteczki hemoglobiny, przypominające zmiany objętości klatki piersiowej podczas oddychania, pozwoliły nazwać hemoglobinę „płucami molekularnymi”.

Jedną z najważniejszych cech obiektów żywych jest ich zdolność do precyzyjnego regulowania wszystkich przejawów aktywności życiowej. Duży wkład M. odkrycia naukowe należy uznać za odkrycie nowego, nieznanego wcześniej mechanizmu regulacyjnego, zwanego efektem allosterycznym. Polega ona na zdolności substancji o małej masie cząsteczkowej – tzw. ligandy - do modyfikowania specyficznych funkcji biologicznych makrocząsteczek, przede wszystkim białek działających katalitycznie - enzymów, hemoglobiny, białek receptorowych biorących udział w budowie błon biologicznych (patrz Błony biologiczne), w transmisji synaptycznej (patrz Synapsy) itp.

Trzy strumienie biotyczne. W świetle myśli M. całokształt zjawisk życia można uznać za wynik połączenia trzech przepływów: przepływu materii, który znajduje swój wyraz w zjawiskach metabolizmu, tj. asymilacji i dyssymilacji; przepływ energii, który jest siłą napędową wszelkich przejawów życia; i przepływ informacji, przenikający nie tylko całą różnorodność procesów rozwoju i istnienia każdego organizmu, ale także ciągły ciąg kolejnych pokoleń. To właśnie idea przepływu informacji, wprowadzona do doktryny świata żywego przez rozwój biomateriałów, pozostawia na niej swój specyficzny, niepowtarzalny ślad.

Najważniejsze osiągnięcia biologii molekularnej. Szybkość, zakres i głębokość oddziaływania M. postęp w zrozumieniu podstawowych problemów badania przyrody żywej słusznie porównuje się na przykład z wpływem teorii kwantowej na rozwój fizyki atomowej. O tym rewolucyjnym wpływie zadecydowały dwa wewnętrznie powiązane warunki. Z jednej strony decydującą rolę odegrało odkrycie możliwości badania najważniejszych przejawów aktywności życiowej w najprostszych warunkach, zbliżonych do eksperymentów chemicznych i fizycznych. Z drugiej strony w konsekwencji tej okoliczności nastąpiło szybkie zaangażowanie znacznej liczby przedstawicieli nauk ścisłych – fizyków, chemików, krystalografów, a następnie matematyków – w rozwój problemów biologicznych. W sumie te okoliczności zadecydowały o niezwykle szybkim tempie rozwoju M. b., liczbie i wadze jego sukcesów, osiągniętych w ciągu zaledwie dwóch dekad. Oto daleka od pełnej listy tych osiągnięć: ujawnienie struktury i mechanizmu biologicznej funkcji DNA, wszystkich typów RNA i rybosomów (patrz Rybosomy) , ujawnienie kodu genetycznego (patrz kod genetyczny) ; odkrycie odwrotnej transkrypcji (patrz transkrypcja) , tj. synteza DNA na matrycy RNA; badanie mechanizmów funkcjonowania barwników oddechowych; odkrycie trójwymiarowej struktury i jej funkcjonalnej roli w działaniu enzymów (patrz Enzymy) , zasada syntezy macierzy i mechanizmy biosyntezy białek; ujawnienie struktury wirusów (patrz Wirusy) i mechanizmów ich replikacji, pierwotnej i częściowo przestrzennej struktury przeciwciał; izolacja poszczególnych genów , chemiczną, a następnie biologiczną (enzymatyczną) syntezę genów, w tym ludzkich, poza komórką (in vitro); przenoszenie genów z jednego organizmu do drugiego, w tym do komórek ludzkich; szybko postępujące rozszyfrowywanie budowy chemicznej coraz większej liczby pojedynczych białek, głównie enzymów, a także kwasów nukleinowych; odkrycie zjawiska „samoorganizacji” niektórych obiektów biologicznych o coraz większej złożoności, począwszy od cząsteczek kwasu nukleinowego, a skończywszy na wieloskładnikowych enzymach, wirusach, rybosomach itp.; wyjaśnienie allosterycznych i innych podstawowych zasad regulacji funkcji i procesów biologicznych.

Redukcjonizm i integracja. M.b. jest końcowym etapem tego kierunku w badaniu obiektów żywych, który określa się jako „redukcjonizm”, czyli dążenie do sprowadzenia złożonych funkcji życiowych do zjawisk zachodzących na poziomie molekularnym, a zatem dostępnych do badania metodami fizyki i chemii . Osiągnięty M.b. sukcesy świadczą o skuteczności tego podejścia. Jednocześnie trzeba mieć na uwadze, że w warunkach naturalnych w komórce, tkance, narządzie i całym organizmie mamy do czynienia z układami o coraz większej złożoności. Systemy takie powstają z komponentów niższego rzędu poprzez ich regularne łączenie w całości, uzyskując organizację strukturalną i funkcjonalną oraz nabywając nowe właściwości. Dlatego, ponieważ wiedza o wzorach dostępnych do ujawnienia na poziomie molekularnym i przyległym jest szczegółowa, zanim M. b. pojawia się zadanie zrozumienia mechanizmów integracji jako linii dalszego rozwoju w badaniu zjawisk życia. Punktem wyjścia jest tutaj badanie sił oddziaływań międzycząsteczkowych - wiązań wodorowych, sił van der Waalsa, sił elektrostatycznych itp. Dzięki ich połączeniu i przestrzennemu rozmieszczeniu tworzą one coś, co można określić mianem "informacji integracyjnej". Należy ją uznać za jedną z głównych części wspomnianego już przepływu informacji. Na terenie M. przykładami integracji mogą być zjawiska samoorganizacji złożonych formacji z mieszaniny ich części składowych. Obejmuje to np. tworzenie wieloskładnikowych białek z ich podjednostek, tworzenie wirusów z ich części składowych – białek i kwasów nukleinowych, przywracanie pierwotnej struktury rybosomów po rozdzieleniu ich białek i składników nukleinowych itp. badanie tych zjawisk jest bezpośrednio związane ze znajomością głównych zjawisk „rozpoznawania” cząsteczek biopolimeru. Chodzi o to, aby dowiedzieć się, jakie kombinacje aminokwasów – w cząsteczkach białek czy nukleotydach – w kwasach nukleinowych oddziałują na siebie podczas procesów asocjacji poszczególnych cząsteczek z tworzeniem kompleksów o ściśle określonym, z góry określonym składzie i strukturze. Należą do nich procesy tworzenia złożonych białek z ich podjednostek; ponadto selektywne oddziaływanie między cząsteczkami kwasu nukleinowego, np. transportem i macierzą (w tym przypadku odkrycie kodu genetycznego znacznie poszerzyło nasze informacje); wreszcie jest to tworzenie wielu rodzajów struktur (np. rybosomów, wirusów, chromosomów), w których uczestniczą zarówno białka, jak i kwasy nukleinowe. Ujawnianie odpowiednich praw, znajomość „języka” leżącego u podstaw tych interakcji, jest jedną z najważniejszych dziedzin językoznawstwa matematycznego, która wciąż czeka na rozwój. Obszar ten zaliczany jest do szeregu fundamentalnych problemów całej biosfery.

Zagadnienia biologii molekularnej. Wraz z określonymi ważnymi zadaniami M. by. (znajomość praw „rozpoznawania”, samoskładania i integracji) aktualnym kierunkiem poszukiwań naukowych na najbliższą przyszłość jest opracowanie metod pozwalających na rozszyfrowanie struktury, a następnie trójwymiarowej, przestrzennej organizacji wielkocząsteczkowych kwasy nukleinowe. Osiągnięto to teraz w odniesieniu do ogólnego planu trójwymiarowej struktury DNA (podwójnej helisy), ale bez dokładnej znajomości jego pierwotnej struktury. Szybki postęp w rozwoju metod analitycznych pozwala śmiało oczekiwać osiągnięcia tych celów w nadchodzących latach. Tu oczywiście główny wkład mają przedstawiciele nauk pokrewnych, przede wszystkim fizyki i chemii. Wszystkie najważniejsze metody, których zastosowanie zapewniło pojawienie się i sukces M. b., zostały zaproponowane i opracowane przez fizyków (ultrawirowanie, analiza dyfrakcji rentgenowskiej, mikroskopia elektronowa, jądrowy rezonans magnetyczny itp.). Prawie wszystkie nowe podejścia do eksperymentów fizycznych (na przykład użycie komputerów, synchrotronu lub bremsstrahlung, promieniowania, technologii laserowej i inne) otwierają nowe możliwości dogłębnego zbadania problemów M. b. Wśród najważniejszych zadań o charakterze praktycznym, na które odpowiedzi oczekuje się od M. b., jest przede wszystkim problem molekularnych podstaw złośliwego wzrostu, a następnie - sposoby zapobiegania i być może przezwyciężenia chorób dziedzicznych - " choroby molekularne” (patrz Choroby molekularne). Ogromne znaczenie będzie miało wyjaśnienie molekularnych podstaw katalizy biologicznej, czyli działania enzymów. Wśród najważniejszych współczesnych kierunków M. ur. powinna zawierać chęć rozszyfrowania molekularnych mechanizmów działania hormonów (patrz Hormony) , substancji toksycznych i leczniczych, a także poznać szczegóły budowy molekularnej i funkcjonowania takich struktur komórkowych, jak błony biologiczne, biorących udział w regulacji procesów przenikania i transportu substancji. Bardziej odległe cele M. b. - znajomość natury procesów nerwowych, mechanizmów pamięciowych (patrz Pamięć) itp. Jednym z ważnych powstających działów M. b. - tak zwana. inżynieria genetyczna, która stawia sobie za zadanie celowe działanie aparatu genetycznego (genomu) organizmów żywych, począwszy od drobnoustrojów i niższych (jednokomórkowych) a skończywszy na człowieku (w tym ostatnim przypadku przede wszystkim w celu radykalnego leczenia choroby dziedziczne (Patrz. Choroby dziedziczne) i korekta wad genetycznych). O szerszych ingerencjach w podstawy genetyczne człowieka można mówić dopiero w mniej lub bardziej odległej przyszłości, ponieważ w tym przypadku pojawiają się poważne przeszkody, zarówno techniczne, jak i fundamentalne. O drobnoustrojach, roślinach i czy jest to możliwe, oraz strona - x. Dla zwierząt takie perspektywy są bardzo zachęcające (np. uzyskanie odmian roślin uprawnych, które mają aparat do wiązania azotu z powietrza i nie potrzebują nawozów). Opierają się one na już osiągniętych sukcesach: izolacji i syntezie genów, przenoszeniu genów z jednego organizmu do drugiego, wykorzystaniu masowych kultur komórkowych jako producentów substancji o znaczeniu ekonomicznym lub medycznym.

Organizacja badań z zakresu biologii molekularnej. Szybki rozwój M. doprowadziło do powstania dużej liczby wyspecjalizowanych ośrodków badawczych. Ich liczba szybko rośnie. Największe: w Wielkiej Brytanii - Laboratory of Molecular Biology w Cambridge, Royal Institute w Londynie; we Francji - instytuty biologii molekularnej w Paryżu, Marsylii, Strasburgu, Instytut Pasteura; w USA - wydziały M. ur. na uniwersytetach i instytutach w Bostonie (Harvard University, Massachusetts Institute of Technology), San Francisco (Berkeley), Los Angeles (California Institute of Technology), Nowym Jorku (Rockefeller University), instytutach zdrowia w Bethesda itp.; w Niemczech – instytuty Maxa Plancka, uniwersytety w Getyndze i Monachium; w Szwecji Instytut Karolinska w Sztokholmie; w NRD – Centralny Instytut Biologii Molekularnej w Berlinie, instytuty w Jenie i Halle; na Węgrzech - Centrum Biologiczne w Szegedzie. W ZSRR byłby pierwszy specjalistyczny instytut M. powstał w Moskwie w 1957 roku w systemie Akademii Nauk ZSRR (zob. ); następnie powstały: Instytut Chemii Bioorganicznej Akademii Nauk ZSRR w Moskwie, Instytut Białka w Puszczynie, Zakład Biologii Instytutu Energii Atomowej (Moskwa) oraz zakłady M. ur. w instytutach Filii Syberyjskiej Akademii Nauk w Nowosybirsku, Międzywydziałowym Laboratorium Chemii Bioorganicznej Uniwersytetu Moskiewskiego, Sektorze (później Instytucie) Biologii Molekularnej i Genetyki Akademii Nauk Ukraińskiej SRR w Kijowie ; znacząca praca nad M. b. prowadzony jest w Instytucie Związków Wielkocząsteczkowych w Leningradzie, w kilku zakładach i laboratoriach Akademii Nauk ZSRR i innych wydziałach.

Wraz z poszczególnymi ośrodkami badawczymi powstawały organizacje o szerszym zasięgu. W Europie Zachodniej powstała Europejska Organizacja ds. M.. (EMBO), w którym uczestniczy ponad 10 krajów. W ZSRR w 1966 roku w Instytucie Biologii Molekularnej powołano Radę Naukową MB, która jest ośrodkiem koordynującym i organizacyjnym w tej dziedzinie wiedzy. Opublikował obszerną serię monografii dotyczących najważniejszych działów M. b., regularnie organizowane są „szkoły zimowe” na temat M. b., odbywają się konferencje i sympozja dotyczące aktualnych problemów M. b. W przyszłości opinie naukowe dotyczące M. powstały przy Akademii Nauk Medycznych ZSRR i wielu republikańskich Akademiach Nauk. Czasopismo Biologia Molekularna ukazuje się od 1966 roku (6 numerów rocznie).

Przez dość krótki okres w ZSRR powiększyła się znaczna grupa badaczy zajmujących się M.; to naukowcy starszego pokolenia, którzy częściowo przenieśli swoje zainteresowania z innych dziedzin; w większości są to liczni młodzi badacze. Spośród czołowych naukowców, którzy brali czynny udział w powstaniu i rozwoju M. ur. w ZSRR można wymienić takich jak A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunshtein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. Nowe osiągnięcia M. a genetyka molekularna będzie promowana uchwałą KC KPZR i Rady Ministrów ZSRR (maj 1974) „O działaniach na rzecz przyspieszenia rozwoju biologii molekularnej i genetyki molekularnej oraz wykorzystania ich osiągnięć w życiu narodowym gospodarka."

Oświetlony.: Wagner R., Mitchell G., Genetyka i metabolizm, tłum. z angielskiego, M., 1958; Szent-Gyorgy i A., Bioenergetyka, przeł. z angielskiego, M., 1960; Anfinsen K., Molekularne podstawy ewolucji, przeł. z angielskiego, M., 1962; Stanley W., Valens E., Wirusy i natura życia, przeł. z angielskiego, M., 1963; Genetyka molekularna, tłum. Z. angielski, część 1, M., 1964; Volkenstein MV, Cząsteczki i życie. Wprowadzenie do biofizyki molekularnej, M., 1965; Gaurowitz F., Chemia i funkcje białek, przeł. z angielskiego, M., 1965; Bresler S. E., Wprowadzenie do biologii molekularnej, wyd. 3, M. - L., 1973; Ingram V., Biosynteza makrocząsteczek, przeł. z angielskiego, M., 1966; Engelhardt V. A., Biologia molekularna, w książce: Rozwój biologii w ZSRR, M., 1967; Wstęp do biologii molekularnej, przeł. z angielskiego, M., 1967; Watson, J., Molecular Biology of the Gene, przeł. z angielskiego, M., 1967; Finean J., Ultrastruktury biologiczne, przeł. z angielskiego, M., 1970; Bendoll, J., Muscles, Molecules, and Movement, przeł. z angielskiego, M., 1970; Ichas M., Kod biologiczny, przeł. z angielskiego, M., 1971; Biologia molekularna wirusów, M., 1971; Molekularne podstawy biosyntezy białek, M., 1971; Bernhard S., Struktura i funkcja enzymów, przeł. z angielskiego, M., 1971; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosome, wyd. 2, M., 1971; Frenkel-Konrat H., Chemia i biologia wirusów, przeł. z angielskiego, M., 1972; Smith C., Hanewalt F., Fotobiologia molekularna. Procesy inaktywacji i regeneracji, przeł. z angielskiego, M., 1972; Harris G., Podstawy genetyki biochemicznej człowieka, przeł. z angielskiego, M., 1973.

VA Engelhardt.

Wielka radziecka encyklopedia. - M .: Sowiecka encyklopedia. 1969-1978 .

dla kogo? Gimnazjaliści, studenci.
Co daje? Znajomość podstaw biologii molekularnej.
Nauczyciele. Kierownik Laboratorium Genetyki Molekularnej Mikroorganizmów w Instytucie Biologii Genów Rosyjskiej Akademii Nauk, profesor Rutgers University (USA), profesor w Instytucie Nauki i Technologii Skolkovo (SkolTech).
Gdy? Należy to wyjaśnić.
Cena. 9 000 rub.
Warunki uczestnictwa. Konieczne jest pozostawienie zgłoszenia uczestnictwa na stronie.

Kręgi biologiczne. Uniwersytet Państwowy w Moskwie MV Łomonosow.

dla kogo? klasy 9-11.
Co daje? Znajomość biologii, umiejętność wykonywania prac projektowych, umiejętność pracy w laboratorium.
Nauczyciele. Pracownicy wydziału biologicznego Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego.
Gdy?
Cena. Należy to wyjaśnić.
Warunki uczestnictwa. Należy to wyjaśnić.

Wydział biologiczny moskiewskiego gimnazjum nr 1543 na południowym zachodzie.

dla kogo? 7-10 stopni.
Co daje? Zaawansowana wiedza z biologii.
Nauczyciele. Pracownicy Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, absolwenci gimnazjum.
Gdy? Istnieje możliwość śledzenia daty rozpoczęcia rekrutacji.
Obowiązkowe wymagania. Konieczne jest zdanie egzaminów wstępnych.
Cena. Bezpłatnie (istnieje dobrowolna składka).
Warunki uczestnictwa. Wstęp do gimnazjum w celu pełnej edukacji.

Szkoła „Chem*Bio*Plus”. Rosyjski Narodowy Uniwersytet Medyczny im. N.I. Pirogow.

dla kogo? 10-11 stopni.
Co daje? Znajomość biologii, chemii.
Gdy? Zestaw - corocznie, we wrześniu.
Obowiązkowe wymagania. Ustaw na podstawie wyników testów.
Cena. 10 000 - 75 000 rubli (jest lekcja próbna).

Akademia. „PostNauka”.

dla kogo? Uczniowie, studenci.
Co daje?

• wiedza z zakresu fizyki cząstek elementarnych, chemii, medycyny, matematyki, neurofizjologii, genetyki, socjologii, informatyki;
• wiedza o tym, jak osiągnięcia naukowe są stosowane w prawdziwym życiu.

Nauczyciele. Wysoko wykwalifikowani specjaliści, naukowcy.
Gdy? Istnieje możliwość śledzenia terminów rekrutacji W kontakcie z I Facebook.
Cena. 9 000 rub.
Warunki uczestnictwa. Musisz obrać właściwy kurs. Zapisz się na kurs i zapłać za kurs.

Pietrozawodsk

Centrum STEM Państwowego Uniwersytetu w Pietrozawodsku.

dla kogo? 1-11 klas.
Co daje? Umiejętności projektowe, działalność badawcza z zakresu programowania, biologii, chemii, fizyki.
Gdy? Istnieje możliwość śledzenia daty rozpoczęcia rekrutacji.
Cena. Należy to wyjaśnić.
Warunki uczestnictwa. Uczniowie szkół w Pietrozawodsku.

Otwarte Liceum Uniwersyteckie Pietrozawodskiego Uniwersytetu Państwowego.

dla kogo? klasa 10.
Co daje?

• kierunek techniczny (fizyka, matematyka, informatyka, język rosyjski);
• biomedyczny (chemia, biologia, język rosyjski).

Gdy? Istnieje możliwość śledzenia daty rozpoczęcia rekrutacji.
Cena. Należy to wyjaśnić.
Warunki uczestnictwa. Obywatelstwo Federacji Rosyjskiej, wniosek, czesne.

Kursy mistrzowskie

„Budowa i funkcje komórki” – lekcja w muzeum.

dla kogo? 14-16 lat.
Co daje?

• praktyczne umiejętności z biologii;
• umiejętności mikroskopowe;
• umiejętność eksperymentowania.

Gdy? Należy to wyjaśnić.
Cena. Należy to wyjaśnić.
czas trwania. 90 minut.
Specjalne warunki zwiedzania. Ostatni wtorek miesiąca jest dniem sanitarnym.
Jak się zarejestrować? Zostaw prośbę na stronie.

„Świat pod mikroskopem”.

dla kogo? 6–16 lat.
Co daje? Obserwacja mikroorganizmów, struktura komórkowa pod mikroskopem.
Gdy? Należy to wyjaśnić.
Cena. 200 r.
czas trwania. 1 godzina.
Specjalne warunki zwiedzania. Zajęcia grupowe (dla gości od 6 roku życia) odbywają się w weekendy i ferie według grafiku.
Jak się zarejestrować? Zostaw prośbę na stronie.

Lekcja chemii „Najbardziej niesamowita substancja na Ziemi”.

dla kogo? 14-16 lat.
Co daje?

• wiedza o właściwościach wody;
• umiejętność prowadzenia eksperymentów laboratoryjnych.

Gdy? Należy to wyjaśnić.
Cena. 16 000 rubli dla dwuosobowej grupy po 15 osób każda.
czas trwania. 90 minut.

obozy

region Moskwy

Obóz chemiczny „Słoń i żyrafa”.

dla kogo? klasy 9-11.
Gdy? Rocznie.
Co daje?

• znajomość chemii;
• umiejętności odczynników.

Notatka: programy szkoleń zmieniają się co zmianę, dlatego konieczne jest doprecyzowanie ich treści z organizatorami.
Nauczyciele. Wysoko wykwalifikowani lekarze różnych specjalności, zawodowi biolodzy, naukowcy.
Cena. 32 000 rubli
Warunki uczestnictwa. Musisz złożyć wniosek na stronie.

Centrum Edukacyjne Syriusza. Kierunek „Nauka”. Zmiany „Chemia”, „Biologia”.

dla kogo? 10-17 lat.
Co daje? Dogłębna znajomość podstawowych przedmiotów, poszerzanie horyzontów i rozwój osobisty.
Nauczyciele. Naukowcy, nauczyciele czołowych uczelni, szkół fizyczno-matematycznych i chemiczno-biologicznych, trenerzy drużyn narodowych i regionalnych z matematyki, fizyki, chemii i biologii.
Gdy? Rocznie. Istnieje możliwość śledzenia terminów rekrutacji.
Obowiązkowe wymagania. Głęboka znajomość przedmiotów specjalistycznych, poziom ogólnorosyjskich, międzynarodowych olimpiad.
Cena. Za darmo.
Warunki uczestnictwa. Aplikuj na stronie. Istnieje możliwość wyboru konkurencyjnego. Szczegóły należy sprawdzić u organizatorów lub śledzić na stronie internetowej.

uniwersytety

Uniwersytet Państwowy w Moskwie MV Łomonosow.

Katedra Biologii.
Rok powstania: 1930.
Co daje?
Kwalifikacja:

Rosyjski Narodowy Uniwersytet Medyczny im. N.I. Pirogow.

Zakład Biochemii i Biologii Molekularnej.
Rok powstania: 1963.
Co daje? Przygotowuje wykwalifikowanych specjalistów.
Kwalifikacja: specjalista, staż - 6 lat.

Nowosybirsk

Nowosybirski Uniwersytet Państwowy.

Wydział Nauk Przyrodniczych. Dział biologiczny. Katedra Biologii Molekularnej.
Rok powstania: 1959.
Co daje? Przygotowuje wykwalifikowanych specjalistów.
Kwalifikacja: licencjat, okres studiów - 4 lata, magister - 2 lata.

Kursy online

Po rosyjsku

„Prawdziwa matematyka”. Elektroniczna szkoła „Znanika”.

dla kogo? klasy 5-9.
Co daje? Głęboka znajomość matematyki.
Gdy? kiedykolwiek.
Nauczyciele. Kandydaci nauk fizycznych i matematycznych, pedagogicznych, docentowie, profesorowie i nauczyciele wiodących uczelni w kraju.
Warunki uczestnictwa. Wymagamy rejestracji.

Wirtualne laboratorium chemiczne. Mari State Technical University.

dla kogo? 8-11 klas.
Co daje? Umiejętność pracy w laboratorium chemicznym, umiejętność wykonywania eksperymentów w czasie rzeczywistym.
Cena. 3 500 - 9 000 rubli
Warunki uczestnictwa. Wymeldować się.

Marka Zentrum. Międzynarodowe centrum edukacyjne online.

dla kogo? Od 11 lat.
Co daje? Programy edukacyjne z biologii, chemii, matematyki, języków obcych.
Gdy? Zajęcia indywidualne są uzgadniane z lektorem. Zajęcia grupowe odbywają się zgodnie z harmonogramem.
Nauczyciele. Językoznawcy, praktykujący nauczyciele przedmiotów specjalistycznych.
Cena. Lekcja próbna jest bezpłatna. Lekcje indywidualne: jedna lekcja - 450-1200 rubli, w zależności od liczby lekcji (minimum pięć) i czasu trwania lekcji. Lekcje grupowe: jedna lekcja - 280-640 rubli.
Koszt zajęć z języków obcych. Lekcja próbna z native speakerem- płatne: 10 euro. Koszt jednej lekcji: 15-35 euro, w zależności od czasu trwania lekcji.
czas trwania. Zależy od formy pracy. Lekcja indywidualna - 45–90 minut, lekcja grupowa - 90 minut, webinar - 120 minut. Pierwsza lekcja próbna trwa 30-40 minut.
Warunki uczestnictwa. Wypełnij formularz zgłoszeniowy na lekcję próbną.
Specjalne warunki. Niezbędne materiały i podręczniki nauczyciel przesyła w formie elektronicznej (istnieje możliwość zakupu materiałów do nauki w formie drukowanej).

Po angielsku

Wykład. Niespodzianki i odkrycia w katalizie.

dla kogo? Uczniowie, studenci.
Co daje? Znajomość najnowszych osiągnięć katalizy.
Nauczyciele. Erick M. Carreira, profesor chemii organicznej na Uniwersytecie w Zurychu.
Gdy? kiedykolwiek.
Cena. Za darmo.

Virtulab z chemii w języku angielskim. Istnieje możliwość ustawienia języka rosyjskiego.

dla kogo? Uczniowie.
Co daje? Umiejętność pracy w laboratorium z setkami odczynników w czasie rzeczywistym.
Gdy? kiedykolwiek.
Cena. Za darmo.

Detektyw chemiczny virtulab. Śledztwo w sprawie przestępstwa z pomocą wiedzy chemicznej.

dla kogo? Uczniowie, studenci.
Co daje? Umiejętność zastosowania wiedzy chemicznej w zabawny sposób.
Gdy? kiedykolwiek.
Czas trwania zadania. 40–50 minut.
Cena. Za darmo.
Warunki uczestnictwa. Pobierz program na swój komputer.

1 pytanie. Cel, zadania i metody biologii molekularnej. Sam termin „biologia molekularna” został po raz pierwszy użyty przez Anglików. naukowców W. Astbury'ego do badań związanych z wyjaśnieniem związku między budową molekularną a właściwościami fizycznymi i biologicznymi białek fibrylarnych (włóknistych), takich jak kolagen, fibryna krwi, czy kurczliwe białka mięśniowe. Termin „biologia molekularna” jest szeroko stosowany od wczesnych lat pięćdziesiątych XX wieku. XX wiek Biologia molekularna to zespół nauk biologicznych, który bada mechanizmy przechowywania, przekazywania i wdrażania informacji genetycznej, strukturę i funkcje nieregularnych biopolimerów (białek i kwasów nukleinowych). William Thomas Astbury () brytyjski fizyk, biolog molekularny

Biologia molekularna bada podstawowe właściwości i przejawy życia na poziomie molekularnym. Dowiaduje się, w jaki sposób iw jakim stopniu wzrost i rozwój organizmów, przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznej, przemiana energii w żywych komórkach i inne zjawiska wynikają z budowy i właściwości ważnych biologicznie makrocząsteczek (głównie białek i kwasów nukleinowych) . Charakterystyczną cechą biologii molekularnej jest badanie zjawisk życia na obiektach nieożywionych lub przedmiotach, które mają najbardziej prymitywne przejawy życia. Są to twory biologiczne z poziomu komórkowego i poniżej: organelle subkomórkowe, takie jak izolowane jądra komórkowe, mitochondria, rybosomy, chromosomy, błony komórkowe; kolejne układy stojące na pograniczu przyrody ożywionej i nieożywionej, wirusy, w tym bakteriofagi, a kończąc na cząsteczkach najważniejszych składników materii żywej, kwasach nukleinowych.

Przedmiot badań MB Mechanizmy przechowywania, przenoszenia i realizacji informacji genetycznej, struktura i funkcje biopolimerów nieregularnych Przedmiotem badań MB są wirusy organelli subkomórkowych (bakteriofagi). jądro mitochondria rybosomy układy chromosomów stojące na pograniczu przyrody ożywionej i nieożywionej

Zadania biologii molekularnej Poszukiwanie rozwiązań problemu molekularnego podłoża rozwoju nowotworów Sposoby zapobiegania i zwalczania chorób dziedzicznych Wyjaśnienie molekularnych podstaw katalizy biologicznej, tj. działania enzymów Rozszyfrowanie molekularnych mechanizmów działania hormonów, toksycznych i leczniczych substancje Wyjaśnienie szczegółów budowy molekularnej i funkcjonowania błon biologicznych zaangażowanych w regulację procesów przenikania i transportu substancji Zadania bardziej odległe - znajomość natury procesów nerwowych, mechanizmów pamięci

W świetle idei biologii molekularnej życie można rozpatrywać jako wynik połączenia trzech przepływów: przepływu materii, który znajduje swój wyraz w zjawiskach metabolizmu, tj. asymilacji i dysymilacji; przepływ energii, który jest siłą napędową wszelkich przejawów życia; przepływ informacji, który przenika nie tylko całą różnorodność procesów rozwoju i istnienia każdego organizmu, ale także ciągły ciąg kolejnych pokoleń. To właśnie idea przepływu informacji, wprowadzona do doktryny świata żywego przez rozwój biologii molekularnej, pozostawia na niej swój specyficzny, niepowtarzalny ślad.

Biologia molekularna jest ostatnim etapem kierunku w badaniu obiektów żywych, który nazywa się „redukcjonizmem”, tj. Dążeniem do zredukowania złożonych funkcji życiowych do zjawisk zachodzących na poziomie molekularnym, a zatem dostępnych do badania metodami fizyki i chemia. Sukcesy osiągnięte w biologii molekularnej świadczą o skuteczności tego podejścia. Jednocześnie należy wziąć pod uwagę, że w warunkach naturalnych komórka, tkanka, narząd i cały organizm to układy o coraz większej złożoności. Układy te powstają z elementów niższego poziomu poprzez zintegrowanie ich w całość, która nabiera nowych właściwości.

Metody biologii molekularnej. Ponieważ biologia molekularna jest kompleksem nauk biologicznych, wykorzystuje metody tych nauk: ultrawirowanie, analizę dyfrakcji rentgenowskiej, mikroskopię elektronową, jądrowy rezonans magnetyczny, metodę reakcji łańcuchowej polimerazy. Ponadto biologia molekularna wykorzystuje metody innych nauk – np. fizyki: zastosowanie komputerów, synchrotronu, czyli bremsstrahlung, promieniowanie, technologię laserową.

Mikroskopia elektronowa Mikroskop elektronowy to urządzenie, które umożliwia uzyskanie obrazu obiektów w maksymalnym powiększeniu milionowym, dzięki zastosowaniu, w przeciwieństwie do mikroskopu optycznego, wiązki elektronów zamiast strumienia świetlnego. Aby uzyskać obraz w mikroskopie elektronowym, stosuje się specjalne soczewki magnetyczne, które kontrolują ruch elektronów w kolumnie instrumentu za pomocą pola magnetycznego.

Mikroskopia fluorescencyjna (luminescencyjna) opiera się na zdolności pewnych substancji do luminescencji, tj. Świecenia, gdy są oświetlone niewidzialnym światłem ultrafioletowym lub niebieskim. Kiedy luminescencja jest wzbudzana przez światło niebieskie, jej kolor może być od zielonego do czerwonego; jeśli luminescencja jest wzbudzana przez promieniowanie ultrafioletowe, wówczas poświata może znajdować się w dowolnej części widma widzialnego. Urządzenie mikroskopu luminescencyjnego i zasady pracy z nim różnią się od mikroskopu światła przechodzącego w następujący sposób: Obecność silnego źródła światła w oświetlaczu, emitującego głównie w części krótkofalowej (ultrafiolet, niebieski) widma (wysokociśnieniowa lampa rtęciowo-kwarcowa lub halogenowa lampa kwarcowa). Dostępność systemu filtrów świetlnych: 1. Filtry ekscytujące przepuszczają tylko tę część widma, która wzbudza luminescencję; 2. Osłona termiczna filtra światła chroni inne filtry światła, preparat i optykę mikroskopu luminescencyjnego przed przegrzaniem. 3. Filtry „blokujące” znajdują się pomiędzy okularem. Te filtry światła pochłaniają ekscytujące promieniowanie i przekazują światło luminescencyjne z preparatu do oka obserwatora.

Wirowanie Wirowanie Rozdzielanie układów niejednorodnych (np. cząstek ciecz-ciało stałe) na frakcje gęstości za pomocą sił odśrodkowych. Wirowanie przeprowadza się w aparatach zwanych wirówkami. Wirówka - urządzenie wytwarzające duże siły odśrodkowe w wyniku obracania się wirnika od 200 obr./min do obr./min. Wirowanie w biologii służy do oddzielania osadu struktur komórkowych od roztworu. Do badania substancji wielkocząsteczkowych (białka, kwasy nukleinowe itp.) oraz układów biologicznych stosuje się ultrawirówki o prędkości obrotowej wirnika od 2000 obr./min do obr./min (do 2500 obr./min).

Elektroforeza Elektroforeza to ruch cząstek fazy rozproszonej roztworów koloidalnych lub białkowych w ośrodku ciekłym lub gazowym pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. Po raz pierwszy odkryli go profesorowie Uniwersytetu Moskiewskiego PI Strakhov i F. F. Reiss w 1809 roku. W biologii elektroforeza służy do oddzielania makrocząsteczek.

Reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR, PCR) została wynaleziona w 1983 roku przez amerykańskiego naukowca Cary'ego Mullisa. Następnie otrzymał za ten wynalazek Nagrodę Nobla. Podstawą metody PCR jest wielokrotne podwojenie pewnego odcinka DNA. W rezultacie wytwarzane są wystarczające ilości DNA do wykrywania wizualnego. Klonowanie molekularne (klonowanie genów) to produkcja dużej liczby identycznych cząsteczek DNA przy użyciu żywych organizmów (bakterii lub wirusów). Metody immunocytochemiczne pozwalają na lokalizację i identyfikację składników komórkowych i tkankowych (antygenów) na podstawie ich wiązania z przeciwciałami. Miejsce wiązania określa się stosując znakowane przeciwciała lub drugorzędowe znakowanie. Metoda PCR umożliwia stwierdzenie obecności czynnika sprawczego choroby, nawet jeśli w próbce znajduje się tylko kilka cząsteczek DNA czynnika sprawczego.

Biologia molekularna historycznie pojawiła się jako gałąź biochemii. Za datę narodzin biologii molekularnej uważa się kwiecień 1953 r., kiedy to w angielskim czasopiśmie Nature ukazał się artykuł Jamesa Watsona i Francisa Cricka, proponujący przestrzenny model cząsteczki DNA. 2 pytanie. Historia rozwoju biologii molekularnej. To fundamentalne odkrycie zostało przygotowane przez długi etap badań nad genetyką i biochemią wirusów i bakterii. W 1928 roku Frederick Griffith jako pierwszy wykazał, że ekstrakt z bakterii chorobotwórczych zabitych ciepłem może przenosić cechy patogeniczności na łagodne bakterie.

Kolejnym ważnym dla metodologii odkryciem było odkrycie na początku XX wieku wirusów bakteriofagowych. W latach 50. XX wieku wykazano, że bakterie mają prymitywny proces płciowy, są zdolne do wymiany pozachromosomalnego DNA - plazmidu. Struktura bakteriofaga Bakteriofagi na powierzchni komórki bakteryjnej

Dalszemu rozwojowi biologii molekularnej towarzyszył zarówno rozwój jej metodologii, w szczególności wynalezienie metody określania sekwencji nukleotydów DNA (W. Gilbert i F. Sanger, 1980 - Nagroda Nobla w dziedzinie chemii), jak i nowe odkrycia w dziedzinie badań nad strukturą i funkcjonowaniem genów. Do początku XXI wieku uzyskano dane dotyczące pierwotnej struktury całego DNA człowieka i szeregu innych organizmów, najważniejszych dla medycyny, rolnictwa i badań naukowych, co doprowadziło do powstania kilku nowych dziedzin w biologia: genomika, bioinformatyka itp.).

Ujawnienie struktury i mechanizmu biologicznej funkcji DNA, wszystkich rodzajów RNA i rybosomów, ujawnienie kodu genetycznego; odkrycie odwrotnej transkrypcji, czyli syntezy DNA na matrycy RNA; badanie mechanizmów funkcjonowania barwników oddechowych; odkrycie struktury trójwymiarowej i jej funkcjonalnej roli w działaniu enzymów, odkrycie zasady syntezy macierzy i mechanizmów biosyntezy białek; ujawnienie budowy wirusów i mechanizmów ich replikacji, pierwotnej i częściowo przestrzennej budowy przeciwciał; izolacja poszczególnych genów, chemiczna, a następnie biologiczna (enzymatyczna) synteza genów, w tym ludzkich, poza komórką (in vitro); przenoszenie genów z jednego organizmu do drugiego, w tym do komórek ludzkich; odkrycie zjawiska „samoorganizacji” niektórych obiektów biologicznych o coraz większej złożoności, począwszy od cząsteczek kwasu nukleinowego, a skończywszy na wieloskładnikowych enzymach, wirusach, rybosomach itp.; wyjaśnienie allosterycznych i innych podstawowych zasad regulacji funkcji i procesów biologicznych. 3 pytanie. Najważniejsze osiągnięcia biologii molekularnej i jej powiązania z innymi naukami. Najważniejsze osiągnięcia biologii molekularnej:

Dzisiejsze pole zainteresowań biologów molekularnych obejmuje szeroki zakres podstawowych zagadnień naukowych. Tak jak poprzednio, wiodącą rolę zajmuje badanie struktury kwasów nukleinowych i biosyntezy białek, badanie struktury i funkcji różnych struktur wewnątrzkomórkowych i powierzchni komórek.

BIOLOGIA MOLEKULARNA BIOLOGIA MOLEKULARNA

studiowanie podstaw właściwości i przejawy życia na poziomie molekularnym. Najważniejsze kierunki w M. b. to badania strukturalnej i funkcjonalnej organizacji aparatu genetycznego komórek oraz mechanizmu wdrażania informacji dziedzicznej (genetyka molekularna), badanie molo. mechanizmy interakcji wirusów z komórkami (wirusologia molekularna), badanie wzorców reakcji immunologicznych organizmu (immunologia molekularna), badanie pojawiania się różnej jakości komórek w przebiegu indywidualnego rozwoju organizmów oraz specjalizacja komórek (rozwój M. b.) itp. M. b. wyłoniła się z biochemii i wyłoniła się jako niezależna nauka w latach pięćdziesiątych XX wieku. urodzenia M.. często przypisywany 1953 r., kiedy opublikowano pracę J. Watsona i F. Cricka na temat przestrzennej struktury cząsteczki DNA (tzw. podwójnej helisy) oraz biol. funkcja tej cząsteczki była związana z jej substancją chemiczną. struktura (już w 1944 roku O. Avery i in. ustalili, że DNA jest nośnikiem dziedziczenia, informacji). W formacji M. dużą rolę odegrały idee i metody genetyki klasycznej, mikrobiologii, wirusologii, wykorzystanie dorobku nauk ścisłych – fizyki, chemii, matematyki, krystalografii, zwłaszcza rentgenowskiej analizy dyfrakcyjnej). Główny obiekty badań w M.. to wirusy, w tym bakteriofagi, komórki i struktury subkomórkowe (jądra, mitochondria, rybosomy, chromosomy, błony komórkowe), a także makrocząsteczki (białka, kwasy nukleinowe). Naib, główne osiągnięcia M. - rozszyfrowanie struktury białek nek-ry i ustalenie związku między ich budową a funkcją (M. Peruts, J. Kendrew, F. Sanger, K. Anfinsen i in.), określenie struktury i mechanizm biol. funkcje nukleinowego to -t i rybosomów (J. Watson, F. Crick, R. Holley i in.), dekodowanie genetyczne. kod (M. Nirenberg, S. Ochoa), odkrycie odwrotnej transkrypcji (X. Temin, D. Baltimore), mechanizm działania głównego. etapy biosyntezy cząsteczki białka (F. Crick, F. Jacob, J. Mono) i kwasów nukleinowych (A. Kornberg, S. Ochoa), ustalanie struktury wirusów i mechanizmów ich replikacji, rozwój metod inżynierii genetycznej (P. Berg, V Arber, G. O. Smith, D. Nathan), syntezy genów (X. Koran) itp. Sov. naukowcy są właścicielami sformułowania zasady matrycowej syntezy biopolimerów (N. K. Koltsov), powstania podstaw nowoczesności. bioenergetyka i mechapochemia (V. A. Engelgardt), dowód na istnienie DNA w roślinach wyższych (N. A. Belozersky), tworzenie wirogenetyki. teoria początku raka (L. A. Zilber), ustalenie sekwencji nukleotydów w transferze RNA (A. A. Baev), odkrycie i badanie informosomów (A. S. Spirin) itp. M. b. ma ogromne znaczenie praktyczne w rozwoju x-va (ukierunkowane i kontrolowane zmiany w aparacie dziedzicznym zwierząt i roślin w celu uzyskania wysoce produktywnych ras i odmian), przemysł mikrobiologiczny (synteza bakteryjna biologicznie aktywnych polipeptydów i białek, aminokwasów itp.) oraz jako teoretyczny. podstawa dec. sekcje medycyny (wirusologia, immunologia itp.). przed M.b. mówią, że zadaniem jest rozwiązywanie problemów. podstawy rozwoju nowotworów złośliwych, zapobieganie chorobom dziedzicznym, wyjaśnienie molekularnych podstaw katalizy, działanie hormonów, toksyczne. i substancji leczniczych, znajomość mechanizmów pamięci, natury procesów nerwowych. Ogromne znaczenie ma rozwój inżynierii genetycznej, która umożliwia celowe operowanie genetyką. aparat organizmów zwierzęcych. M.b. wraz z biochemią, biofizyką, chemią bioorganiczną są często łączone w jeden ogólny kierunek - biologię fizyczną i chemiczną.

.(Źródło: „Biological Encyclopedic Dictionary”. Redaktor naczelny M. S. Gilyarov; Redakcja: A. A. Babaev, G. G. Vinberg, G. A. Zavarzin i inni - wyd. 2, poprawione. - M .: Sov. Encyclopedia, 1986.)

Biologia molekularna

Gałąź biologii, która bada struktury i procesy właściwe żywym organizmom na poziomie molekularnym. Biologia molekularna stara się wyjaśnić najważniejsze zjawiska życia (dziedziczność, zmienność, wzrost, rozwój, ruch, metabolizm i energię, wrażliwość, odporność itp.) poprzez strukturę, właściwości i interakcje substancji chemicznych tworzących organizmy. W każdym organizmie, w każdym momencie jego istnienia, zachodzi ogromna liczba reakcji biochemicznych, w których uczestniczą cząsteczki duże i małe, proste i złożone, organiczne i nieorganiczne. Wszystkie te reakcje są ściśle uporządkowane iw zależności od warunków i potrzeb organizmu podlegają dostrajaniu i regulacji. Decydującą rolę w organizacji tych procesów odgrywają dwie klasy dużych cząsteczek - białka I kwasy nukleinowe. Te biopolimery służą jako główny przedmiot badań w biologii molekularnej.
Biologia molekularna od samego początku rozwijała się jako dziedzina naukowa związana przede wszystkim z biochemią i biofizyką, a także genetyką, mikrobiologią i wirusologią. W latach 30-40. XX wiek do ustalenia struktury przestrzennej najważniejszych białek zaczęto stosować analizę dyfrakcji rentgenowskiej, która następnie odegrała decydującą rolę w ustaleniu struktury DNA. Wprowadzenie metod i idei fizyki i chemii do biologii w tych latach położyło podwaliny pod rozwój kierunku „molekularnego”. Pod wieloma względami jego przyszłe sukcesy z góry zdeterminowały zainteresowanie fizyków i chemików tym problemem dziedziczność. W 1944 roku ukazała się książka jednego z twórców mechaniki kwantowej, E. Schrödingera, „Czym jest życie? Z punktu widzenia fizyka”, która zawierała podsumowanie podstaw genetyki. Praca ta została odebrana przez wielu przedstawicieli nauk ścisłych jako wezwanie do skoncentrowania wysiłków na rozwiązaniu zagadki „substancji dziedziczności”.
Po 9 latach J. Watson i F. Crick rozwiązali ten problem. Do czasu opublikowania ich artykułu (kwiecień 1953), w którym zaproponowano model cząsteczki DNA (tzw. podwójnej helisy), zwyczajowo przypisuje się narodziny biologii molekularnej. Model Watsona-Cricka żywo wyrażał główny kierunek nowej nauki: biologiczne funkcje makrocząsteczki można wytłumaczyć jej strukturą (por. Kwasy dezoksyrybonukleinowe). Jednocześnie poziom molekularny (dwuniciowy DNA) został logicznie powiązany z poziomem subkomórkowym (replikacja chromosomy), komórkowy ( mitoza, mejoza) i organizmiczne (dziedziczenie cech).
Z podobnym podejściem spotykano się również we wcześniejszych pracach. W 1927 roku N.K. Kolcow wyraził hipotezę o „dziedzicznych cząsteczkach” zdolnych do reprodukcji przez syntezę macierzy, a V.A. Engelhardtowi w 1939 roku udało się powiązać strukturę białek mięśniowych z ich rolą w skurczu mięśni. Jednak dopiero po „podwójnej helisie” rozpoczął się szybki rozwój biologii molekularnej, która stała się liderem nauk przyrodniczych. Oprócz licznych konkretnych osiągnięć (rozszyfrowanie kod genetyczny, ujawnienie mechanizmów biosyntezy białek, struktury przestrzennej enzymów i innych białek, struktury i roli błon biologicznych w procesach komórkowych itp.), biologia molekularna ujawniła pewne ogólne zasady, na podstawie których prowadzone są procesy. Tak więc komplementarność oddziałujących cząsteczek (ich komplementarność, wzajemna korespondencja jako „klucz i zamek”), prowadząca do powstania między nimi niekowalencyjnych wiązań chemicznych, leży u podstaw procesów wymagających biologicznej specyficzności (selektywności, „rozpoznania”), począwszy od od syntezy DNA i białek, a skończywszy na tworzeniu kompleksów między enzymem a substratem, przeciwciałem i antygenem, samoorganizacji cząstek wirusowych i cytoszkieletu. Podobnie zasada syntezy macierzy jest wykorzystywana przez komórki nie jednorazowo, ale na różnych etapach wdrażania informacji genetycznej.
W kwietniu 2003 roku naukowcy na całym świecie świętowali półwiecze istnienia „podwójnej helisy” i biologii molekularnej. W naszym kraju podwaliny pod rozwój tego kierunku położyły prace akademików V.A. Engelhardt (1894-1984), AN Belozersky (1905-1972), A.A. Baeva (1903/04-1994).

.(Źródło: „Biologia. Nowoczesna ilustrowana encyklopedia”. Redaktor naczelny A.P. Gorkin; M.: Rosmen, 2006.)

Zobacz, czym jest „BIOLOGIA MOLEKULARNA” w innych słownikach:

Bada podstawowe właściwości i przejawy życia na poziomie molekularnym. Dowiaduje się, w jaki sposób i w jakim stopniu wzrost i rozwój organizmów, przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznej, przemiana energii w żywych komórkach i inne zjawiska są spowodowane ... Wielki słownik encyklopedyczny

Współczesna encyklopedia

BIOLOGIA MOLEKULARNA, biologiczne badanie struktury i funkcji CZĄSTECZEK tworzących żywe organizmy. Główne obszary badań obejmują właściwości fizyczne i chemiczne białek oraz KWASÓW NUKLEINOWYCH, takich jak DNA. Zobacz też… … Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

Sekcja biologii, która bada podstawowe właściwości i przejawy życia na poziomie molekularnym. Dowiaduje się, w jaki sposób i w jakim stopniu następuje wzrost i rozwój organizmów, przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznej, przemiana energii w żywych komórkach i ... ... Słownik mikrobiologii

Biologia molekularna- — Tematy biotechnologii EN biologia molekularna … Podręcznik tłumacza technicznego

Biologia molekularna- BIOLOGIA MOLEKULARNA, bada podstawowe właściwości i przejawy życia na poziomie molekularnym. Dowiaduje się, w jaki sposób i w jakim stopniu następuje wzrost i rozwój organizmów, przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznej, przemiana energii w żywych komórkach i ... ... Ilustrowany słownik encyklopedyczny

Ten termin ma inne znaczenie, patrz Biologia Molekularna (czasopismo). Biologia molekularna to kompleks nauk biologicznych, który bada mechanizmy przechowywania, przekazywania i wdrażania informacji genetycznej, struktury i funkcji ... ... Wikipedia

Nauka, która stawia sobie za zadanie poznanie natury zjawisk życiowych poprzez badanie obiektów i układów biologicznych na poziomie zbliżonym do poziomu molekularnego, aw niektórych przypadkach sięgającym tej granicy. Ostatecznym celem tego jest…… Wielka radziecka encyklopedia

Zajmuje się badaniem zjawisk życia na poziomie makrocząsteczek (tzn. białek arr. i kwasów nukleinowych) w strukturach bezkomórkowych (rybosomy itp.), w wirusach, a także w komórkach. celem M. ustalenie roli i mechanizmu funkcjonowania tych makrocząsteczek na podstawie ... ... Encyklopedia chemiczna

Bada podstawowe właściwości i przejawy życia na poziomie molekularnym. Dowiaduje się, w jaki sposób iw jakim stopniu następuje wzrost i rozwój organizmów, przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznej, przemiana energii w żywych komórkach i inne zjawiska ... ... słownik encyklopedyczny

Rozwój biochemii, biofizyki, genetyki, cytochemii, wielu działów mikrobiologii i wirusologii około początku lat 40. XX wieku. ściśle doprowadził do badania zjawisk życiowych na poziomie molekularnym. Sukcesy osiągnięte przez te nauki jednocześnie i z różnych stron doprowadziły do ​​uświadomienia sobie faktu, że to na poziomie molekularnym funkcjonują główne systemy kontroli organizmu i że dalszy postęp tych nauk będzie zależał od ujawnienia biologiczne funkcje cząsteczek budujących ciała organizmów, ich udział w syntezie i rozpadzie, wzajemnych przemianach i odtwarzaniu związków w komórce, a także zachodząca w tym przypadku wymiana energii i informacji. Tak więc na styku tych dyscyplin biologicznych z chemią i fizyką powstała zupełnie nowa dziedzina – biologia molekularna.

W przeciwieństwie do biochemii, uwaga współczesnej biologii molekularnej skupia się głównie na badaniu struktury i funkcji najważniejszych klas biopolimerów – białek i kwasów nukleinowych, z których pierwsze warunkują samą możliwość zachodzenia reakcji metabolicznych, a drugie – biosynteza określonych białek. Jest zatem jasne, że niemożliwe jest dokonanie wyraźnego rozróżnienia między biologią molekularną a biochemią, odpowiadającymi im gałęziami genetyki, mikrobiologii i wirusologii.

Powstanie biologii molekularnej było ściśle związane z rozwojem nowych metod badawczych, które zostały już omówione w odpowiednich rozdziałach. Wraz z rozwojem mikroskopii elektronowej i innych metod techniki mikroskopowej ważną rolę odegrały opracowane w latach pięćdziesiątych metody frakcjonowania pierwiastków komórkowych. Opierały się one na udoskonalonych metodach wirowania różnicowego (A. Claude, 1954). W tym czasie istniały już dość niezawodne metody izolacji i frakcjonowania biopolimerów. Obejmuje to w szczególności metodę frakcjonowania białek metodą elektroforezy zaproponowaną przez A. Tiseliusa (1937; Nagroda Nobla, 1948), metody izolacji i oczyszczania kwasów nukleinowych (E. Kay, A. Downs, M. Sevag, A. Mirsky i inne.). W tym samym czasie w wielu laboratoriach świata opracowano różne metody analizy chromatograficznej (A. Martin i R. Sing, 1941; Nagroda Nobla, 1952), a następnie znacznie udoskonalono.

Analiza dyfrakcji rentgenowskiej odegrała nieocenioną rolę w rozszyfrowaniu struktury biopolimerów. Podstawowe zasady analizy dyfrakcji rentgenowskiej zostały opracowane na King's College London University pod kierownictwem W. Bragga przez grupę naukowców, w skład której wchodzili J. Bernal, A. Londsdale, W. Astbury, J. Robertson i inni.

Na szczególną uwagę zasługują badania Protoplazmy Biochemii (1925 - 1929), profesora Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego A. R. Kizla, które miały ogromne znaczenie dla późniejszego rozwoju biologii molekularnej. Kizel zadał cios mocno zakorzenionemu poglądowi, że każda protoplazma opiera się na specjalnym ciele białkowym - płytkach, które rzekomo determinuje wszystkie jej najważniejsze cechy strukturalne i funkcjonalne. Pokazał, że płytki są białkiem, które występuje tylko w myksomycetach i to na pewnym etapie rozwoju, aw protoplazmie nie ma żadnego stałego składnika - pojedynczego białka szkieletowego. Tak więc badanie problemu struktury protoplazmy i funkcjonalnej roli białek obrało właściwą drogę i otrzymało pole do rozwoju. Badania Kisela zyskały uznanie na całym świecie, stymulując badania chemii części składowych komórki.

Termin „biologia molekularna”, użyty po raz pierwszy przez angielskiego krystalografa, profesora Uniwersytetu w Leeds W. Astbury, pojawił się prawdopodobnie na początku lat czterdziestych (przed 1945). Podstawowe badania dyfrakcji rentgenowskiej białek i DNA, przeprowadzone przez Astbury'ego w latach trzydziestych XX wieku, posłużyły jako podstawa do późniejszego pomyślnego rozszyfrowania drugorzędowej struktury tych biopolimerów. W 1963 r. J. Bernal napisał: „Pomnik postawi mu cała biologia molekularna – nauka, którą nazwał i rzeczywiście założył”*. W literaturze termin ten pojawił się po raz pierwszy być może w 1946 r. w artykule W. Astbury'ego „Progress of X-ray diffraction analysis of organic and fibrilar cells”, opublikowanym w anglojęzycznym czasopiśmie „Nature”**. W swoim wykładzie Harveya Astbury (1950) zauważył: "Cieszę się, że termin biologia molekularna jest obecnie dość szeroko stosowany, chociaż jest mało prawdopodobne, żebym był pierwszym, który go zaproponował. Podobał mi się i od dawna próbowałem go rozpowszechnić ***. Już w 1950 roku Astbury jasno zdawał sobie sprawę, że biologia molekularna zajmuje się przede wszystkim strukturą i konformacją makrocząsteczek, których badanie ma decydujące znaczenie dla zrozumienia funkcjonowania organizmów żywych.

* (biogr. pam. Koledzy Roy. Soc, 1963, t. 9, 29.)

** (WT Astbury. Postępy rentgenowskiej analizy struktur organicznych i włóknistych.- Przyroda,. 1946, t. 157, 121.)

*** (WT Astbury. Przygody w biologii molekularnej . Thomas Springfield, 1952, s. 3.)

Biologia molekularna miała i stoi w istocie przed tymi samymi zadaniami, co biologia jako całość - poznanie istoty życia i jego podstawowych zjawisk, w szczególności takich jak dziedziczność i zmienność. Współczesna biologia molekularna ma przede wszystkim na celu rozszyfrowanie struktury i funkcji genów, sposobów i mechanizmów realizacji informacji genetycznej organizmów na różnych etapach ontogenezy i na różnych etapach jej odczytywania. Ma na celu ujawnienie subtelnych mechanizmów regulacji aktywności genów i różnicowania komórek, wyjaśnienie natury mutagenezy i molekularnych podstaw procesu ewolucyjnego.

Ustalenie genetycznej roli kwasów nukleinowych

Dla rozwoju biologii molekularnej największe znaczenie miały następujące odkrycia. W 1944 roku amerykańscy badacze O. Avery, K. McLeod (Nagroda Nobla, 1923) i M. McCarthy wykazali, że cząsteczki DNA wyizolowane z pneumokoków mają działanie transformujące. Po hydrolizie tych DNA przez dezoksyrybonukleazę, ich aktywność transformująca całkowicie zanikła. Tym samym po raz pierwszy przekonująco udowodniono, że to DNA, a nie białko, jest wyposażone w funkcje genetyczne w komórce.

Gwoli sprawiedliwości należy zauważyć, że zjawisko transformacji bakteryjnej zostało odkryte znacznie wcześniej niż odkrycie Avery'ego, McLeoda i McCarthy'ego. W 1928 roku F. Griffith opublikował artykuł, w którym poinformował, że po dodaniu zabitych komórek zamkniętego wirulentnego szczepu do niezjadliwych (nieotoczkowanych) pneumokoków, powstała mieszanina komórek staje się śmiertelna dla myszy. Co więcej, żywe komórki pneumokoków izolowane od zwierząt zakażonych tą mieszaniną były już zjadliwe i posiadały otoczkę polisacharydową. Tak więc w tym eksperymencie wykazano, że pod wpływem niektórych składników uśmierconych komórek pneumokoków, nieotoczkowa postać bakterii zamienia się w zjadliwą formę tworzącą kapsułki. Szesnaście lat później Avery, McLeod i McCarthy zastąpili w tym eksperymencie zabite całe komórki pneumokoków ich kwasem dezoksyrybonukleinowym i wykazali, że to DNA ma aktywność transformującą (patrz także rozdziały 7 i 25). Znaczenie tego odkrycia jest trudne do przecenienia. Pobudziło to badania kwasów nukleinowych w wielu laboratoriach na całym świecie i zmusiło naukowców do skupienia się na DNA.

Wraz z odkryciem Avery'ego, McLeoda i McCarthy'ego na początku lat pięćdziesiątych zgromadzono już dość dużą liczbę bezpośrednich i pośrednich dowodów na to, że kwasy nukleinowe odgrywają wyjątkową rolę w życiu i pełnią funkcję genetyczną. Wskazują na to w szczególności charakter lokalizacji DNA w komórce oraz dane R. Vendrelli (1948), że zawartość DNA w komórce jest ściśle stała i koreluje ze stopniem ploidii: w haploidalnych komórkach rozrodczych DNA jest połowę tego w diploidalnych komórkach somatycznych. Wyraźna stabilność metaboliczna DNA również świadczyła na korzyść genetycznej roli DNA. Na początku lat pięćdziesiątych zgromadzono wiele różnych faktów wskazujących, że większość znanych czynników mutagennych działa głównie na kwasy nukleinowe, aw szczególności na DNA (R. Hotchkiss, 1949; G. Ephrussi-Taylor, 1951; E. Freese, 1957 i inni).

Szczególnie ważne w ustaleniu genetycznej roli kwasów nukleinowych było badanie różnych fagów i wirusów. W 1933 r. D. Schlesinger znalazł DNA w bakteriofagach Escherichia coli. Od czasu wyizolowania wirusa mozaiki tytoniu (TMV) w stanie krystalicznym przez W. Stanleya (1935, Nagroda Nobla, 1946) rozpoczął się nowy etap w badaniach wirusów roślinnych. W latach 1937 - 1938. pracownicy Rothamsted Agricultural Station (Anglia) F. Bowden i N. Peary wykazali, że wiele wyizolowanych przez nich wirusów roślinnych nie jest globulinami, ale rybonukleoproteinami i zawiera kwas nukleinowy jako obowiązkowy składnik. Na samym początku lat 40. opublikowano prace G. Schramma (1940), P. A. Agatova (1941), G. Millera i W. Stanleya (1941), wskazujące, że zauważalna modyfikacja chemiczna składnika białkowego nie prowadzi do do utraty zakaźności TMV. Wskazywało to, że składnik białkowy nie mógł być nośnikiem dziedzicznych właściwości wirusa, jak nadal wierzyło wielu mikrobiologów. Przekonujące dowody przemawiające za genetyczną rolą kwasu nukleinowego (RNA) w wirusach roślinnych uzyskali w 1956 r. G. Schramm w Tybindze (RFN) i H. Frenkel-Konrath w Kalifornii (USA). Badacze ci prawie jednocześnie i niezależnie od siebie wyizolowali RNA z TMV i wykazali, że to ono, a nie białko, ma zakaźność: w wyniku zakażenia roślin tytoniu tym RNA powstały i namnożyły się w nich normalne cząsteczki wirusowe. Oznaczało to, że RNA zawierało informacje potrzebne do syntezy i składania wszystkich składników wirusowych, w tym białka wirusowego. W 1968 roku I. G. Atabekov ustalił, że białko odgrywa znaczącą rolę w samej infekcji roślin - charakter białka determinuje spektrum roślin żywicielskich.

W 1957 roku Frenkel-Konrat po raz pierwszy przeprowadził rekonstrukcję TMV z jego składników składowych - RNA i białka. Wraz z normalnymi cząsteczkami otrzymał mieszane „hybrydy”, w których RNA pochodziło z jednego szczepu, a białko z drugiego. Dziedziczność takich hybryd była całkowicie zdeterminowana przez RNA, a potomstwo wirusów należało do szczepu, którego RNA użyto do uzyskania początkowych mieszanych cząstek. Późniejsze eksperymenty A. Gierera, G. Schustera i G. Schramma (1958) oraz G. Witmana (1960 - 1966) wykazały, że chemiczna modyfikacja składnika nukleinowego TMV prowadzi do pojawienia się różnych mutantów tego wirusa.

W 1970 roku D. Baltimore i G. Temin odkryli, że transfer informacji genetycznej może zachodzić nie tylko z DNA na RNA, ale odwrotnie. W niektórych onkogennych wirusach zawierających RNA (onkornawirusy) znaleźli specjalny enzym, tak zwaną odwrotną transkryptazę, która jest zdolna do syntezy komplementarnego DNA na łańcuchach RNA. To ważne odkrycie umożliwiło zrozumienie mechanizmu wstawiania informacji genetycznej wirusów zawierających RNA do genomu gospodarza i świeże spojrzenie na naturę ich działania onkogennego.

Odkrycie kwasów nukleinowych i badanie ich właściwości

Termin kwasy nukleinowe wprowadził niemiecki biochemik R. Altman w 1889 r., po odkryciu tych związków w 1869 r. przez szwajcarskiego lekarza F. Mieschera. Misher przez kilka tygodni ekstrahował komórki ropne rozcieńczonym kwasem chlorowodorowym, aw pozostałej części uzyskał prawie czysty materiał jądrowy. Uznał ten materiał za charakterystyczną „substancję jąder komórkowych i nazwał go nukleiną. Nukleina swymi właściwościami znacznie różniła się od białek: była bardziej kwaśna, nie zawierała siarki, ale zawierała dużo fosforu, była łatwo rozpuszczalna w zasadach, ale nie rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach.

Misher przesłał wyniki swoich obserwacji dotyczących nukleiny F. Goppe-Seylerowi do publikacji w czasopiśmie. Opisana przez niego substancja była tak niezwykła (w tamtym czasie ze wszystkich biologicznych związków zawierających fosfor znana była tylko lecytyna), że Goppe-Seyler nie uwierzył w eksperymenty Misher, zwrócił mu rękopis i poinstruował swoich pracowników N. Plosh i N. Lyubavin, aby sprawdź jego wnioski na innym materiale. Praca Mieschera „O składzie chemicznym komórek ropnych” została opublikowana dwa lata później (1871). W tym samym czasie opublikowano prace Goppe-Seylera i jego współpracowników dotyczące składu komórek ropnych, erytrocytów ptaków, węży i ​​innych komórek. W ciągu następnych trzech lat nukleinę wyizolowano z komórek zwierzęcych i drożdży.

W swojej pracy Misher zauważył, że szczegółowe badanie różnych nuklein może doprowadzić do ustalenia różnic między nimi, wyprzedzając w ten sposób ideę specyficzności kwasów nukleinowych. Badając mleko łososia, Misher odkrył, że zawarta w nim nukleina ma postać soli i jest związana z głównym białkiem, które nazwał protaminą.

W 1879 r. A. Kossel rozpoczął badanie nuklein w laboratorium Goppe-Seylera. W 1881 roku wyizolował hipoksantynę z nukleiny, ale wtedy jeszcze wątpił w pochodzenie tej zasady i uważał, że hipoksantyna może być produktem degradacji białek. W 1891 r. wśród produktów hydrolizy nuklein Kossel odkrył adeninę, guaninę, kwas fosforowy i inną substancję o właściwościach cukru. Za badania nad chemią kwasów nukleinowych Kossel otrzymał Nagrodę Nobla w 1910 roku.

Dalszy postęp w rozszyfrowywaniu struktury kwasów nukleinowych wiąże się z badaniami P. Levina i współpracowników (1911 - 1934). W 1911 roku P. Levin i V. Jacobs zidentyfikowali węglowodanowy składnik adenozyny i guanozyny; odkryli, że te nukleozydy zawierają D-rybozę. W 1930 Lewin wykazał, że węglowodanowym składnikiem dezoksyrybonukleozydów jest 2-dezoksy-D-ryboza. Z jego prac wyszło, że kwasy nukleinowe zbudowane są z nukleotydów, czyli fosforylowanych nukleozydów. Levin uważał, że głównym rodzajem wiązania w kwasach nukleinowych (RNA) jest 2", 5" wiązanie fosfodiestrowe. Pogląd ten okazał się błędny. Dzięki pracom angielskiego chemika A. Todda (Nagroda Nobla, 1957) i jego współpracowników, a także angielskich biochemików R. Markhama i J. Smitha, na początku lat 50. stało się wiadome, że głównym typem wiązań w RNA to 3", 5" - wiązanie fosfodiestrowe.

Lewin wykazał, że różne kwasy nukleinowe mogą różnić się charakterem składnika węglowodanowego: niektóre z nich zawierają cukier dezoksyrybozę, podczas gdy inne zawierają rybozę. Ponadto te dwa rodzaje kwasów nukleinowych różniły się charakterem jednej z zasad: kwasy nukleinowe typu pentozy zawierały uracyl, a kwasy nukleinowe typu dezoksypentozy zawierały tyminę. Kwas dezoksypentozowy (we współczesnej terminologii kwas dezoksyrybonukleinowy - DNA) był zazwyczaj łatwo izolowany w dużych ilościach z grasicy (gruczołu słodkiego) cieląt. Dlatego nazwano go kwasem tymonukleinowym. Źródłem kwasu nukleinowego typu pentozowego (RNA) były głównie drożdże i kiełki pszenicy. Ten typ był często określany jako drożdżowy kwas nukleinowy.

Na początku lat trzydziestych XX wieku dość mocno zakorzeniony był pogląd, że komórki roślinne charakteryzują się drożdżowym kwasem nukleinowym, podczas gdy kwas tymonukleinowy był charakterystyczny tylko dla jąder komórek zwierzęcych. Dwa rodzaje kwasów nukleinowych, RNA i DNA, nazwano wówczas odpowiednio roślinnymi i zwierzęcymi kwasami nukleinowymi. Jednak, jak wykazały wczesne badania A. N. Belozersky'ego, taki podział kwasów nukleinowych jest nieuzasadniony. W 1934 roku Belozersky po raz pierwszy odkrył kwas tymonukleinowy w komórkach roślinnych: z sadzonek grochu wyizolował i zidentyfikował zasadę tymino-pirymidynową, która jest charakterystyczna dla DNA. Potem odkrył tyminę w innych roślinach (nasiona soi, fasoli). W 1936 roku AN Belozersky i I. I. Dubrovskaya preparatywnie wyizolowali DNA z sadzonek kasztanowca. Ponadto seria badań przeprowadzonych w Anglii w latach czterdziestych XX wieku przez D. Davidsona i współpracowników w przekonujący sposób wykazała, że ​​roślinny kwas nukleinowy (RNA) jest zawarty w wielu komórkach zwierzęcych.

Powszechne zastosowanie reakcji cytochemicznej na DNA opracowanej przez R. Felgena i G. Rosenbecka (1924) oraz reakcji J. Bracheta (1944) na RNA umożliwiło szybkie i jednoznaczne rozstrzygnięcie kwestii preferencyjnej lokalizacji tych kwasy w komórce. Okazało się, że DNA jest skoncentrowane w jądrze, podczas gdy RNA jest skoncentrowane głównie w cytoplazmie. Później stwierdzono, że RNA jest zawarte zarówno w cytoplazmie, jak iw jądrze, a ponadto zidentyfikowano cytoplazmatyczny DNA.

Jeśli chodzi o kwestię pierwotnej struktury kwasów nukleinowych, do połowy lat czterdziestych XX wieku idea P. Levina została mocno ugruntowana w nauce, zgodnie z którą wszystkie kwasy nukleinowe są zbudowane według tego samego typu i składają się z tego samego tzw. tetranukleotydu Bloki. Każdy z tych bloków, według Lewina, zawiera cztery różne nukleotydy. Tetranukleotydowa teoria budowy kwasów nukleinowych w dużej mierze pozbawiła te biopolimery specyficzności. Nic więc dziwnego, że w tamtym czasie cała specyfika żywych istot była związana tylko z białkami, których natura monomerów jest znacznie bardziej zróżnicowana (20 aminokwasów).

Pierwszą lukę w teorii struktury tetranukleotydowej kwasów nukleinowych dokonały dane analityczne angielskiego chemika J. Goulanda (1945 - 1947). Określając skład kwasów nukleinowych za pomocą azotu zasadowego, nie uzyskał równomolowego stosunku zasad, jak powinien być według teorii Lewina. Ostatecznie tetranukleotydowa teoria budowy kwasów nukleinowych upadła w wyniku badań E. Chargaffa i jego współpracowników (1949 - 1951). Chargaff zastosował chromatografię bibułową do oddzielenia zasad uwolnionych z DNA w wyniku jego kwaśnej hydrolizy. Każdą z tych zasad dokładnie określono spektrofotometrycznie. Chargaff zauważył znaczne odchylenia od równomolowego stosunku zasad w DNA różnego pochodzenia i po raz pierwszy zdecydowanie stwierdził, że DNA ma wyraźną specyficzność gatunkową. To zakończyło hegemonię koncepcji specyficzności białka w żywej komórce. Analizując DNA różnego pochodzenia, Chargaff odkrył i sformułował unikalne wzorce składu DNA, które weszły do ​​nauki pod nazwą reguł Chargaffa. Zgodnie z tymi regułami w każdym DNA, niezależnie od pochodzenia, ilość adeniny jest równa ilości tyminy (A = T), ilość guaniny jest równa ilości cytozyny (G = C), ilość puryn jest równa ilości pirymidyn (G + A = C + T), ilość zasad z grupami 6-aminowymi jest równa liczbie zasad z grupami 6-keto (A + C = G + T). Jednocześnie, pomimo tak ścisłej zgodności ilościowej, DNA różnych gatunków różni się wartością stosunku A+T:G+C. W niektórych DNA ilość guaniny i cytozyny przeważa nad ilością adeniny i tyminy (Chargaff nazwał te DNA DNA typu GC); inne DNA zawierały więcej adeniny i tyminy niż guaniny i cytozyny (te DNA były nazywane DNA typu AT). Uzyskane przez Chargaffa dane dotyczące składu DNA odegrały wyjątkową rolę w biologii molekularnej. To one stały się podstawą odkrycia struktury DNA, dokonanego w 1953 roku przez J. Watsona i F. Cricka.

Już w 1938 roku W. Astbury i F. Bell za pomocą analizy dyfrakcji rentgenowskiej wykazali, że płaszczyzny podstawowe w DNA powinny być prostopadłe do długiej osi cząsteczki i przypominać niejako stos płytek leżących na wierzchu od siebie. Wraz z udoskonaleniem techniki rentgenowskiej analizy dyfrakcyjnej, do lat 1952 - 1953. zgromadził informacje, które pozwoliły ocenić długość poszczególnych wiązań i kąty nachylenia. Umożliwiło to przedstawienie z największym prawdopodobieństwem natury orientacji pierścieni reszt pentozowych w szkielecie cukrowo-fosforanowym cząsteczki DNA. W 1952 roku S. Farberg zaproponował dwa spekulatywne modele DNA, które przedstawiały jednoniciową cząsteczkę zwiniętą lub skręconą na sobie. Nie mniej spekulatywny model budowy DNA zaproponowali w 1953 roku L. Pauling (laureat Nagrody Nobla, 1954) i R. Corey. W tym modelu trzy skręcone nici DNA tworzyły długą helisę, której rdzeń reprezentowały grupy fosforanowe, a zasady znajdowały się poza nią. Do 1953 roku M. Wilkins i R. Franklin uzyskali wyraźniejsze wzory dyfrakcji rentgenowskiej DNA. Ich analiza wykazała całkowitą porażkę modeli Farberga, Paulinga i Coreya. Wykorzystując dane Chargaffa, porównując różne kombinacje modeli molekularnych poszczególnych monomerów i dane z dyfrakcji rentgenowskiej, J. Watson i F. Crick w 1953 roku doszli do wniosku, że cząsteczka DNA musi być dwuniciową helisą. Reguły Chargaffa poważnie ograniczyły liczbę możliwych uporządkowanych kombinacji zasad w proponowanym modelu DNA; zasugerowali Watsonowi i Crickowi, że w cząsteczce DNA musi istnieć specyficzna para zasad - adenina z tyminą i guanina z cytozyną. Innymi słowy, adenina w jednej nici DNA zawsze ściśle odpowiada tyminie w drugiej nici, a guanina w jednej nici koniecznie odpowiada cytozynie w drugiej. Tak więc Watson i Crick jako pierwsi sformułowali niezwykle ważną zasadę komplementarności struktury DNA, zgodnie z którą jedna nić DNA uzupełnia drugą, tj. sekwencja zasad jednej nici jednoznacznie określa sekwencję zasad drugiej (komplementarnej) nici . Stało się oczywiste, że już w samej strukturze DNA tkwi potencjał jego dokładnej reprodukcji. Ten model struktury DNA jest obecnie powszechnie akceptowany. Crick, Watson i Wilkins otrzymali Nagrodę Nobla w 1962 roku za rozszyfrowanie struktury DNA.

Należy zauważyć, że idea mechanizmu dokładnego odtwarzania makrocząsteczek i przekazywania informacji dziedzicznej zrodziła się w naszym kraju. W 1927 roku NK Koltsov zasugerował, że podczas reprodukcji komórek reprodukcja cząsteczek zachodzi poprzez dokładną reprodukcję autokatalityczną istniejących cząsteczek macierzystych. To prawda, że ​​\u200b\u200bw tym czasie Kolcow nadał tej właściwości nie cząsteczkom DNA, ale cząsteczkom o charakterze białkowym, których znaczenie funkcjonalne było wówczas nieznane. Niemniej sama idea autokatalitycznej reprodukcji makrocząsteczek i mechanizmu przekazywania właściwości dziedzicznych okazała się prorocza: stała się myślą przewodnią współczesnej biologii molekularnej.

Przeprowadzone w laboratorium A. N. Belozersky'ego przez A. S. Spirina, G. N. Zaitsevy, B. F. Vanyushina, S. O. Urysona, A. S. Antonova i innych różnorodność organizmów w pełni potwierdziła wzorce odkryte przez Chargaffa i pełną zgodność z molekularnym modelem struktury DNA zaproponowanym przez Watsona i Cricka. Badania te wykazały, że DNA różnych bakterii, grzybów, glonów, promieniowców, roślin wyższych, bezkręgowców i kręgowców ma specyficzny skład. Różnice w składzie (zawartość par zasad AT) są szczególnie wyraźne u mikroorganizmów, okazując się ważną cechą taksonomiczną. U roślin wyższych i zwierząt różnice gatunkowe w składzie DNA są znacznie mniej wyraźne. Nie oznacza to jednak, że ich DNA jest mniej specyficzne. Oprócz składu zasad, specyficzność w dużej mierze zależy od ich sekwencji w łańcuchach DNA.

Oprócz zwykłych zasad w DNA i RNA znaleziono dodatkowe zasady azotowe. Tak więc G. White (1950) znalazł 5-metylocytozynę w DNA roślin i zwierząt, a D. Dunn i J. Smith (1958) znaleźli metylowaną adeninę w pewnym DNA. Przez długi czas metylocytozyna była uważana za cechę charakterystyczną materiału genetycznego organizmów wyższych. W 1968 roku AN Belozersky, BF Vanyushin i NA Kokurina odkryli, że można go również znaleźć w DNA bakterii.

W 1964 roku M. Gold i J. Hurwitz odkryli nową klasę enzymów, które dokonują naturalnej modyfikacji DNA - jego metylacji. Po tym odkryciu stało się jasne, że drugorzędne (zawarte w niewielkich ilościach) zasady powstają już na gotowym łańcuchu polinukleotydowym DNA w wyniku specyficznej metylacji reszt cytozyny i adeniny w specjalnych sekwencjach. W szczególności, według B. F. Vanyushin, Ya. I. Buryanov i A. N. Belozersky (1969), metylacja adeniny w DNA E. coli może zachodzić w kodonach kończących. Według A. N. Belozersky'ego i współpracowników (1968 - 1970), a także M. Meselsona (USA) i V. Arbera (Szwajcaria) (1965 - 1969), metylacja nadaje cząsteczkom DNA unikalne indywidualne cechy i w połączeniu z działaniem specyficzne nukleazy, jest częścią złożonego mechanizmu kontrolującego syntezę DNA w komórce. Innymi słowy, charakter metylacji konkretnego DNA przesądza o tym, czy może się on namnażać w danej komórce.

Niemal w tym samym czasie rozpoczęto izolację i intensywne badania metylaz DNA i endonukleaz restrykcyjnych; w latach 1969 - 1975 ustalono sekwencje nukleotydów rozpoznawane w DNA przez niektóre z tych enzymów (X. Boyer, X. Smith, S. Lynn, K. Murray). Kiedy różne DNA są hydrolizowane przez enzym restrykcyjny, odcinane są raczej duże fragmenty z identycznymi „lepkimi” końcami. Umożliwia to nie tylko analizę struktury genów, jak to ma miejsce w przypadku małych wirusów (D. Nathans, S. Adler, 1973 - 1975), ale także konstruowanie różnych genomów. Wraz z odkryciem tych specyficznych enzymów restrykcyjnych inżynieria genetyczna stała się namacalną rzeczywistością. Osadzone w małym plazmidowym DNA geny różnego pochodzenia są już łatwo wprowadzane do różnych komórek. Otrzymano więc nowy typ biologicznie aktywnych plazmidów, dających oporność na niektóre antybiotyki (S. Cohen, 1973), wprowadzono geny rybosomalne żaby i Drosophila do plazmidów Escherichia coli (J. Morrow, 1974; X. Boyer, D. Hogness, R. Davis, 1974-1975). W ten sposób otwierają się rzeczywiste drogi uzyskiwania zasadniczo nowych organizmów poprzez wprowadzanie i integrowanie różnych genów do ich puli genowej. To odkrycie może być skierowane na korzyść całej ludzkości.

W 1952 roku G. White i S. Cohen odkryli, że DNA fagów T-even zawiera niezwykłą zasadę - 5-hydroksymetylocytozynę. Później z prac E. Volkina i R. Sinsheimera (1954) oraz Cohena (1956) okazało się, że reszty hydroksymetylocytozyny mogą być całkowicie lub częściowo glukozydowane, w wyniku czego cząsteczka DNA faga jest chroniona przed działaniem hydrolitycznym nukleaz.

Na początku lat 50. z prac D. Dunna i J. Smitha (Anglia), S. Zamenhofa (USA) i A. Wackera (Niemcy) wyszło na jaw, że w DNA można włączyć wiele sztucznych analogów zasad, czasem zastępując do 50% tyminy. Z reguły substytucje te prowadzą do błędów w replikacji, transkrypcji i translacji DNA oraz do pojawienia się mutantów. Tak więc J. Marmur (1962) stwierdził, że DNA niektórych fagów zawiera oksymetylouracyl zamiast tyminy. W 1963 roku I. Takahashi i J. Marmur odkryli, że DNA jednego z fagów zawiera uracyl zamiast tyminy. Tym samym upadła kolejna zasada, według której wcześniej rozdzielano kwasy nukleinowe. Od czasów P. Levina uważano, że tymina jest cechą charakterystyczną DNA, a uracyl cechą charakterystyczną RNA. Stało się jasne, że znak ten nie zawsze jest wiarygodny, a zasadniczą różnicą w naturze chemicznej obu rodzajów kwasów nukleinowych, jak się dziś wydaje, jest jedynie charakter składnika węglowodanowego.

W badaniach fagów odkryto wiele niezwykłych cech organizacji kwasów nukleinowych. Od 1953 roku uważa się, że wszystkie DNA są dwuniciowymi liniowymi cząsteczkami, podczas gdy RNA jest tylko jednoniciowy. Stanowisko to uległo znacznemu zachwianiu w 1961 r., kiedy R. Sinsheimer odkrył, że DNA faga φ X 174 jest reprezentowane przez jednoniciową kolistą cząsteczkę. Jednak później okazało się, że w tej postaci to DNA istnieje tylko w cząsteczce faga wegetatywnego, a forma replikacyjna DNA tego faga jest również dwuniciowa. Ponadto okazało się dość nieoczekiwane, że RNA niektórych wirusów może być dwuniciowy. Ten nowy typ makrocząsteczkowej organizacji RNA został odkryty w 1962 roku przez P. Gomatosa, I. Tamma i innych badaczy niektórych wirusów zwierzęcych i wirusa nowotworów ran roślinnych. Ostatnio V. I. Agol i A. A. Bogdanov (1970) ustalili, że oprócz liniowych cząsteczek RNA istnieją również cząsteczki zamknięte lub cykliczne. Wykryli cykliczne dwuniciowe RNA, w szczególności w wirusie zapalenia mózgu i rdzenia sercowego. Dzięki pracom X. Deveaux, L. Tinoko, T. I. Tichonenko, E. I. Budovsky'ego i innych (1960 - 1974) poznano główne cechy organizacji (układania) materiału genetycznego w bakteriofagach.

Pod koniec lat pięćdziesiątych amerykański naukowiec P. Doty odkrył, że ogrzewanie powoduje denaturację DNA, której towarzyszy zerwanie wiązań wodorowych między parami zasad i rozdzielenie łańcuchów komplementarnych. Proces ten ma charakter przejścia fazowego „spiral-cewka” i przypomina topienie kryształów. Dlatego Doty nazwał proces termicznej denaturacji DNA topnieniem DNA. Przy powolnym chłodzeniu następuje renaturacja cząsteczek, czyli ponowne połączenie uzupełniających się połówek.

Zasadę renaturacji w 1960 roku wykorzystali J. Marmur i K. Schildkraut do określenia stopnia „hybrydyzowalności” DNA różnych mikroorganizmów. Następnie E. Bolton i B. McCarthy udoskonalili tę technikę, proponując metodę tzw. kolumn DNA-agar. Metoda ta okazała się niezbędna do badania stopnia homologii sekwencji nukleotydów różnych DNA i wyjaśniania pokrewieństwa genetycznego różnych organizmów. Denaturacja DNA odkryta przez Doty'ego w połączeniu z chromatografią na metylowanej albuminie opisaną przez J. Mandela i A. Hersheya* (1960) oraz wirowanie w gradiencie gęstości (metodę opracowali w 1957 roku M. Meselson, F. Stahl i D. Winograd) jest szeroko stosowany do separacji, izolacji i analizy poszczególnych komplementarnych nici DNA. Na przykład W. Shibalsky (USA), stosując te techniki do rozdzielania DNA faga lambda, wykazał w latach 1967 - 1969, że oba łańcuchy faga są genetycznie aktywny, a nie jeden, jak to uważano (S. Spiegelman, 1961). Należy zauważyć, że po raz pierwszy idea genetycznego znaczenia obu nici DNA faga lambda została wyrażona w ZSRR przez SE Breslera (1961).

* (Za prace nad genetyką bakterii i wirusów A. Hershey wraz z M. Delbrückiem i S. Lurią otrzymali w 1969 roku Nagrodę Nobla.)

Aby zrozumieć organizację i aktywność funkcjonalną genomu, określenie sekwencji nukleotydów DNA ma ogromne znaczenie. Poszukiwania metod takiego oznaczania prowadzone są w wielu laboratoriach na całym świecie. Od końca lat pięćdziesiątych M. Beer i jego współpracownicy próbują ustalić sekwencję DNA za pomocą mikroskopii elektronowej w USA, ale jak dotąd bez powodzenia. Na początku lat pięćdziesiątych XX wieku, z pierwszych prac Sinsheimera, Chargaffa i innych badaczy dotyczących enzymatycznej degradacji DNA, stało się wiadome, że różne nukleotydy w cząsteczce DNA są rozmieszczone, chociaż nie losowo, ale nierównomiernie. Według angielskiego chemika C. Bartona (1961) pirymidyny (ponad 70%) są skoncentrowane głównie w postaci odpowiednich bloków. A. L. Mazin i B. F. Vanyushin (1968 - 1969) stwierdzili, że różne DNA mają różne stopnie spójności pirymidynowej i że w DNA organizmów zwierzęcych zwiększa się ona znacznie w miarę przesuwania się od niższego do wyższego. Tak więc ewolucja organizmów znajduje odzwierciedlenie również w strukturze ich genomów. Dlatego dla zrozumienia procesu ewolucyjnego jako całości szczególne znaczenie mają badania porównawcze struktury kwasów nukleinowych. Analiza budowy ważnych biologicznie polimerów, a przede wszystkim DNA jest niezwykle ważna dla rozwiązania wielu szczegółowych problemów filogenetyki i taksonomii.

Warto zauważyć, że angielski fizjolog E. Lankester, który badał hemoglobiny mięczaków, antycypował idee biologii molekularnej dokładnie 100 lat temu, napisał: „Różnice chemiczne między różnymi gatunkami i rodzajami zwierząt i roślin są równie ważne dla wyjaśnienia historia ich powstania jako ich forma.Gdybyśmy potrafili jasno ustalić różnice w organizacji molekularnej i funkcjonowaniu organizmów, bylibyśmy w stanie zrozumieć pochodzenie i ewolucję różnych organizmów znacznie lepiej niż na podstawie obserwacji morfologicznych" * . Znaczenie badań biochemicznych dla taksonomii podkreślał także VL Komarow, który napisał, że „podstawą wszystkich nawet czysto morfologicznych cech, na podstawie których klasyfikujemy i ustalamy gatunki, są właśnie różnice biochemiczne”**.

* (ER Lankester. 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.)

** (VL Komarow. Wybrane prace, t. 1. M.-L., Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1945, s. 331.)

A. V. Blagoveshchenskii i S. L. Ivanov już w latach dwudziestych XX wieku podjęli w naszym kraju pierwsze kroki w celu wyjaśnienia pewnych kwestii dotyczących ewolucji i systematyki organizmów na podstawie analizy porównawczej ich składu biochemicznego (patrz rozdział 2). Analiza porównawcza struktury białek i kwasów nukleinowych staje się obecnie coraz bardziej namacalnym narzędziem dla taksonomów (patrz rozdział 21). Ta metoda biologii molekularnej pozwala nie tylko doprecyzować pozycję poszczególnych gatunków w systemie, ale także powoduje konieczność świeżego spojrzenia na same zasady klasyfikacji organizmów, a czasem rewizję całego systemu jako całości, jak np. stało się na przykład z systematyką mikroorganizmów. Niewątpliwie w przyszłości analiza struktury genomu zajmie centralne miejsce w chemosystematyce organizmów.

Ogromne znaczenie dla rozwoju biologii molekularnej miało rozszyfrowanie mechanizmów replikacji i transkrypcji DNA (patrz rozdział 24).

Biosynteza białek

Ważny zwrot w rozwiązaniu problemu biosyntezy białek wiąże się z postępem w badaniach nad kwasami nukleinowymi. W 1941 r. T. Kasperson (Szwecja) iw 1942 r. J. Brachet (Belgia) zwrócili uwagę na fakt, że tkanki z aktywną syntezą białek zawierają zwiększoną ilość RNA. Doszli do wniosku, że kwasy rybonukleinowe odgrywają decydującą rolę w syntezie białek. Wydaje się, że w 1953 roku E. Gale i D. Fox otrzymali bezpośrednie dowody na bezpośredni udział RNA w biosyntezie białek: według ich danych rybonukleaza znacznie hamowała wbudowywanie aminokwasów w lizaty komórek bakteryjnych. Podobne dane uzyskali V. Olfri, M. Delhi i A. Mirsky (1953) na temat homogenatów wątroby. Później E. Gale odrzucił słuszną jego myśl o wiodącej roli RNA w syntezie białek, błędnie sądząc, że aktywacja syntezy białek w układzie bezkomórkowym nastąpiła pod wpływem jakiejś innej substancji o nieznanym charakterze. W 1954 r. P. Zamechnik, D. Littlefield, R. B. Khesin-Lurie i inni odkryli, że najbardziej aktywna inkorporacja aminokwasów występuje we frakcjach cząstek subkomórkowych bogatych w RNA - mikrosomach. P. Zamechnik i E. Keller (1953 - 1954) stwierdzili, że włączanie aminokwasów było zauważalnie zwiększone w obecności supernatantu w warunkach regeneracji ATP. P. Sikevitz (1952) i M. Hoagland (1956) wyizolowali z supernatantu frakcję białkową (frakcja o pH 5), która była odpowiedzialna za ostrą stymulację inkluzji aminokwasów w mikrosomach. Wraz z białkami w supernatancie znaleziono specjalną klasę RNA o niskiej masie cząsteczkowej, obecnie nazywaną transferowym RNA (tRNA). W 1958 roku Hoagland i Zamechnik, a także P. Berg, R. Sweet i F. Allen oraz wielu innych badaczy odkryli, że każdy aminokwas wymaga do aktywacji własnego specjalnego enzymu, ATP i specyficznego tRNA. Stało się jasne, że tRNA pełnią wyłącznie funkcję adapterów, czyli urządzeń, które znajdują miejsce na macierzy nukleinowej (mRNA) dla odpowiedniego aminokwasu w powstającej cząsteczce białka. Badania te w pełni potwierdziły hipotezę adaptera F. Cricka (1957), która przewidywała istnienie w komórce adapterów polinukleotydowych niezbędnych do prawidłowego ułożenia reszt aminokwasowych syntetyzowanego białka na macierzy nukleinowej. Znacznie później francuski naukowiec F. Chapville (1962) w laboratorium F. Lipmana (Nagroda Nobla, 1953) w USA bardzo pomysłowo i jednoznacznie wykazał, że położenie aminokwasu w syntetyzowanej cząsteczce białka jest całkowicie zdeterminowane przez specyficznego tRNA, do którego jest przyłączony. Hipoteza adaptera Cricka została opracowana przez Hoaglanda i Zamechnika.

Do 1958 roku znane były następujące główne etapy syntezy białek: 1) aktywacja aminokwasu przez określony enzym z „frakcji pH 5” w obecności ATP z utworzeniem adenylanu aminoacylu; 2) przyłączenie aktywowanego aminokwasu do określonego tRNA z uwolnieniem monofosforanu adenozyny (AMP); 3) wiązanie aminoacylo-tRNA (tRNA obciążonego aminokwasem) do mikrosomów i włączanie aminokwasów do białka z uwolnieniem tRNA. Hoagland (1958) zauważył, że trójfosforan guanozyny (GTP) jest wymagany na ostatnim etapie syntezy białek.

Transfer RNA i synteza genów

Po odkryciu tRNA rozpoczęto aktywne poszukiwania ich frakcjonowania i określania sekwencji nukleotydów. Największy sukces odniósł amerykański biochemik R. Holly. W 1965 roku ustalił strukturę tRNA alaniny z drożdży. Za pomocą rybonukleaz (RNAzy guanylowej i RNazy trzustkowej) Holly podzieliła cząsteczkę kwasu nukleinowego na kilka fragmentów, w każdym z nich z osobna ustaliła sekwencję nukleotydów, a następnie zrekonstruowała sekwencję całej cząsteczki alaniny tRNA. Ten sposób analizy sekwencji nukleotydów nazywany jest metodą blokową. Zasługa Holly'ego polegała głównie na tym, że nauczył się dzielić cząsteczkę RNA nie tylko na małe kawałki, jak wielu przed nim, ale także na duże fragmenty (ćwiartki i połówki). Dało mu to możliwość prawidłowego złożenia pojedynczych małych kawałków razem, a tym samym odtworzenia kompletnej sekwencji nukleotydów całej cząsteczki tRNA (Nagroda Nobla, 1968).

Ta technika została natychmiast przyjęta przez wiele laboratoriów na całym świecie. W ciągu następnych dwóch lat rozszyfrowano pierwotną strukturę kilku tRNA w ZSRR i za granicą. AA Baev (1967) i współpracownicy po raz pierwszy ustalili sekwencję nukleotydów w tRNA waliny drożdży. Do tej pory zbadano kilkanaście różnych pojedynczych tRNA. Osobliwy zapis w określaniu sekwencji nukleotydów ustanowili w Cambridge F. Senger i G. Brownlee. Badacze ci opracowali zaskakująco elegancką metodę oddzielania oligonukleotydów i sekwencjonowania tak zwanego 5S (rybosomalnego) RNA z komórek E. coli (1968). Ten RNA składa się ze 120 reszt nukleotydowych i w przeciwieństwie do tRNA nie zawiera dodatkowych drugorzędnych zasad, co znacznie ułatwia analizę sekwencji nukleotydów, służąc jako unikalne punkty orientacyjne dla poszczególnych fragmentów cząsteczki. Obecnie, dzięki wykorzystaniu metody Sangera i Brownlee'a, w laboratorium J. Ebela (Francja) i innych badaczy z powodzeniem rozwijają się prace nad badaniem sekwencji długich rybosomalnych RNA i niektórych wirusowych RNA.

A. A. Baev i współpracownicy (1967) stwierdzili, że przecięte na pół tRNA waliny przywraca w roztworze swoją strukturę makrocząsteczkową i pomimo defektu w strukturze pierwszorzędowej wykazuje aktywność funkcjonalną pierwotnej (natywnej) cząsteczki. Takie podejście - rekonstrukcja pociętej makrocząsteczki po usunięciu pewnych fragmentów - okazało się bardzo obiecujące. Jest obecnie szeroko stosowany do wyjaśnienia funkcjonalnej roli poszczególnych odcinków niektórych tRNA.

W ostatnich latach osiągnięto duży sukces w otrzymywaniu krystalicznych preparatów poszczególnych tRNA. Wiele tRNA zostało już skrystalizowanych w kilku laboratoriach w USA i Anglii. Umożliwiło to badanie struktury tRNA za pomocą analizy dyfrakcji rentgenowskiej. W 1970 r. R. Bock przedstawił pierwsze wzory rentgenowskie i trójwymiarowe modele kilku tRNA, które stworzył na Uniwersytecie Wisconsin. Modele te pomagają określić lokalizację poszczególnych miejsc aktywnych funkcjonalnie w tRNA i zrozumieć podstawowe zasady funkcjonowania tych cząsteczek.

Pierwszorzędne znaczenie dla ujawnienia mechanizmu syntezy białek i rozwiązania problemu specyfiki tego procesu miało rozszyfrowanie natury kodu genetycznego (patrz rozdział 24), co bez przesady można uznać za wiodące osiągnięcie nauki przyrodnicze XX wieku.

Odkrycie przez R. Holly'ego pierwszorzędowej struktury tRNA dało impuls pracom G. Korany* (USA) nad syntezą oligonukleotydów i skierowało je w stronę syntezy określonej struktury biologicznej - cząsteczki DNA kodującej tRNA alaniny. Pierwsze kroki w chemicznej syntezie krótkich oligonukleotydów wykonane przez Koran prawie 15 lat temu osiągnęły punkt kulminacyjny w 1970 roku wraz z pierwszą syntezą genów. Koran i jego współpracownicy jako pierwsi zsyntetyzowali chemicznie krótkie fragmenty 8-12 reszt nukleotydowych z poszczególnych nukleotydów. Te fragmenty o danej sekwencji nukleotydów tworzyły spontanicznie dwuniciowe komplementarne fragmenty z nakładaniem się 4–5 nukleotydów. Następnie te gotowe kawałki zostały połączone od końca do końca we właściwej kolejności przy użyciu enzymu ligazy DNA. Tak więc, w przeciwieństwie do replikacji cząsteczek DNA, według A. Kornberga ** (patrz rozdział 24), w Koranie udało się odtworzyć naturalną dwuniciową cząsteczkę DNA zgodnie z wcześniej zaplanowanym programem zgodnie z sekwencja tRNA opisana przez Holly. Podobnie obecnie trwają prace nad syntezą innych genów (M. N. Kolosov, Z. A. Shabarova, D. G. Knorre, 1970 - 1975).

* (Za badanie kodu genetycznego G. Koran i M. Nirenberg otrzymali Nagrodę Nobla w 1968 roku.)

** (Za odkrycie polimerazy i syntezy DNA A. Kornberg, a za syntezę RNA S. Ochoa otrzymał w 1959 roku Nagrodę Nobla.)

Mikrosomy, rybosomy, translacja

W połowie lat pięćdziesiątych uważano, że mikrosomy są centrum syntezy białek w komórce. Termin mikrosomy został po raz pierwszy wprowadzony w 1949 roku przez A. Claude'a w odniesieniu do frakcji małych granulek. Później okazało się, że za syntezę białek odpowiada nie cała frakcja mikrosomów, złożona z błon i ziarnistości, a jedynie małe cząsteczki rybonukleoprotein. Cząstki te w 1958 r. zostały nazwane przez R. Robertsa rybosomami.

Klasyczne badania rybosomów bakteryjnych prowadzili A. Tisier i J. Watson w latach 1958-1959. Rybosomy bakteryjne okazały się nieco mniejsze niż rybosomy roślinne i zwierzęce. J. Littleton (1960), M. Clark (1964) i E. N. Svetailo (1966) wykazali, że rybosomy chloroplastów roślin wyższych i mitochondriów należą do typu bakteryjnego. A. Tisier i inni (1958) stwierdzili, że rybosomy dysocjują na dwie nierówne podjednostki zawierające po jednej cząsteczce RNA każda. Pod koniec lat 50. uważano, że każda cząsteczka rybosomalnego RNA składa się z kilku krótkich fragmentów. Jednak AS Spirin w 1960 roku jako pierwszy wykazał, że RNA w podcząstkach jest reprezentowane przez ciągłą cząsteczkę. D. Waller (1960), rozdzielając białka rybosomalne za pomocą elektroforezy w żelu skrobiowym, stwierdził, że są one bardzo niejednorodne. Początkowo wielu wątpiło w dane Wallera, ponieważ wydawało się, że białko rybosomu powinno być ściśle jednorodne, jak na przykład białko TMV. Obecnie, w wyniku badań D. Wallera, R. Trouta, P. Trauba i innych biochemików, okazało się, że skład rzeczywistych cząstek rybosomów obejmuje ponad 50 białek o całkowicie odmiennej strukturze. AS Spirin w 1963 roku jako pierwszy rozwinął podcząstki rybosomów i wykazał, że rybosomy to zwarta skręcona nić rybonukleoproteinowa, która może się rozwijać w określonych warunkach. W latach 1967 - 1968 M. Nomura całkowicie zrekonstruował biologicznie aktywną podjednostkę z rybosomalnego RNA i białka, a nawet uzyskał rybosomy, w których białko i RNA należały do ​​różnych mikroorganizmów.

Rola rybosomalnego RNA jest nadal niejasna. Przyjmuje się, że jest to ta unikalna specyficzna macierz, na której podczas formowania cząsteczki rybosomu każde z licznych rybosomalnych białek znajduje ściśle określone miejsce (AS Spirin, 1968).

A. Rich (1962) odkrył agregaty kilku rybosomów połączonych ze sobą nicią mRNA. Kompleksy te nazwano polisomami. Odkrycie polisomów pozwoliło Richowi i Watsonowi (1963) zasugerować, że synteza łańcucha polipeptydowego zachodzi na rybosomie, który niejako porusza się wzdłuż łańcucha mRNA. Gdy rybosom porusza się wzdłuż łańcucha mRNA, informacja jest odczytywana w cząstce i tworzy się białkowy łańcuch polipeptydowy, a nowe rybosomy na przemian przyłączają się do uwolnionego odczytu końca mRNA. Z danych Richa i Watsona wynikało, że znaczenie polisomów w komórce polega na masowej produkcji białka poprzez sukcesywne odczytywanie matrycy przez kilka rybosomów naraz.

W wyniku badań M. Nirenberga, S. Ochoa, F. Lipmana, G. Korany i innych w latach 1963 - 1970. okazało się, że wraz z mRNA, rybosomami, ATP i aminoacylo-tRNA w procesie translacji bierze udział duża liczba różnych czynników, a sam proces translacji można warunkowo podzielić na trzy etapy - inicjację, samą translację i terminację.

Inicjacja translacji oznacza syntezę pierwszego wiązania peptydowego w kompleksie rybosom - polinukleotyd matrycowy - aminoacylo-tRNA. Taką aktywność inicjacyjną posiada nie jakikolwiek aminoacylo-tRNA, ale formylometionylo-tRNA. Substancja ta została po raz pierwszy wyizolowana w 1964 roku przez F. Sengera i K. Markera. S. Bretcher i K. Marker (1966) wykazali, że funkcja inicjacyjna formylometionylo-tRNA wynika z jego zwiększonego powinowactwa do centrum peptydylowego rybosomu. Dla rozpoczęcia translacji niezwykle ważne są również niektóre białkowe czynniki inicjujące, które zostały wyizolowane w laboratoriach S. Ochoa, F. Gro i innych ośrodków badawczych. Po utworzeniu pierwszego wiązania peptydowego w rybosomie rozpoczyna się sama translacja, czyli sekwencyjne dodawanie reszty aminoacylowej do C-końca polipeptydu. Wiele szczegółów procesu tłumaczenia przestudiowali K. Monroe i J. Bishop (Anglia), I. Rykhlik i F. Shorm (Czechosłowacja), F. Lipman, M. Bretcher, W. Gilbert (USA) i inni badacze. W 1968 roku AS Spirin zaproponował oryginalną hipotezę wyjaśniającą mechanizm rybosomu. Mechanizmem napędowym, który zapewnia wszystkie ruchy przestrzenne tRNA i mRNA podczas translacji, jest okresowe otwieranie i zamykanie subcząstek rybosomów. Terminacja translacji jest zakodowana w samej czytelnej macierzy, która zawiera kodony terminacji. Jak wykazał S. Brenner (1965 - 1967), takimi kodonami są trojaczki UAA, UAG i UGA. M. Capecci (1967) również zidentyfikował specjalne czynniki terminacji białek. AS Spirin i LP Gavrilova opisali tak zwaną „nieenzymatyczną” syntezę białek w rybosomach (1972 - 1975) bez udziału czynników białkowych. To odkrycie jest ważne dla zrozumienia pochodzenia i ewolucji biosyntezy białek.

Regulacja aktywności genów i białek

Po problemie specyficzności syntezy białek, na pierwszym miejscu w biologii molekularnej okazał się problem regulacji syntezy białek, a właściwie regulacji aktywności genów.

Funkcjonalna nierównowaga komórek oraz związana z nią represja i aktywacja genów od dawna przyciągają uwagę genetyków, ale do niedawna prawdziwy mechanizm kontrolowania aktywności genów pozostawał nieznany.

Pierwsze próby wyjaśnienia regulacyjnej aktywności genów związane były z badaniem białek histonowych. Nawet małżonkowie Steadmanów * na początku lat 40. XX wieku. zasugerowali, że główną rolę w tym zjawisku mogą odgrywać histony. Następnie uzyskali pierwsze jasne dane dotyczące różnic w naturze chemicznej białek histonowych. Obecnie z roku na rok przybywa faktów przemawiających za tą hipotezą.

* (E. Stedman, E. Stedman. Podstawowe białka jąder komórkowych.- Filozof. Trans. Roya. towarzyska Londyn, 1951, t. 235, 565 - 595.)

Jednocześnie gromadzi się coraz więcej danych wskazujących, że regulacja aktywności genów jest procesem znacznie bardziej złożonym niż prosta interakcja fragmentów genów z cząsteczkami białek histonowych. W latach 1960 - 1962 w laboratorium R. B. Khesin-Lurie stwierdzono, że geny faga zaczynają być odczytywane niejednocześnie: geny faga T2 można podzielić na geny wczesne, których funkcjonowanie nastąpiło w pierwszych minutach zakażenia komórki bakteryjnej i późnych, które zaczęły syntetyzować mRNA po zakończeniu pracy wczesnych genów.

W 1961 roku francuscy biochemicy F. Jacob i J. Monod zaproponowali schemat regulacji aktywności genów, który odegrał wyjątkową rolę w zrozumieniu mechanizmów regulacyjnych komórki w ogóle. Zgodnie ze schematem Jacoba i Monoda, oprócz genów strukturalnych (informacyjnych), DNA zawiera również geny-regulatory i geny-operatory. Gen regulatorowy koduje syntezę określonej substancji - represora, który może przyłączać się zarówno do genu indukującego, jak i do genu operatora. Gen operatora jest połączony z genami strukturalnymi, podczas gdy gen regulatorowy znajduje się w pewnej odległości od nich. Jeśli w środowisku nie ma induktora, na przykład laktozy, to represor syntetyzowany przez gen regulatorowy wiąże się z genem operatora i blokując go, wyłącza pracę całego operonu (blok genów strukturalnych wraz z operatorem który nimi steruje). Tworzenie enzymów nie zachodzi w tych warunkach. Jeśli w pożywce pojawi się induktor (laktoza), wówczas produkt genu regulatorowego, represor, wiąże się z laktozą i usuwa blokadę z genu operatora. W tym przypadku możliwa staje się praca genu strukturalnego kodującego syntezę enzymu iw pożywce pojawia się enzym (laktoza).

Według Jacoba i Monoda ten schemat regulacji ma zastosowanie do wszystkich enzymów adaptacyjnych i może mieć miejsce zarówno podczas represji, gdy powstawanie enzymu jest hamowane przez nadmiar produktu reakcji, jak i podczas indukcji, gdy wprowadzenie substratu powoduje synteza enzymu. Za badania nad regulacją aktywności genów Jacob i Monod otrzymali Nagrodę Nobla w 1965 roku.

Początkowo ten schemat wydawał się zbyt daleko idący. Jednak później okazało się, że regulacja genów według tej zasady zachodzi nie tylko u bakterii, ale także u innych organizmów.

Od 1960 roku ważne miejsce w biologii molekularnej zajmują badania organizacji genomu i struktury chromatyny w organizmach eukariotycznych (J. Bonner, R. Britten, W. Olfrey, P. Walker, Yu. S. Chentsov , I. B. Zbarsky i inni .) i regulacja transkrypcji (A. Mirsky, G. P. Georgiev, M. Bernstiel, D. Goll, R. Tsanev, R. I. Salganik). Przez długi czas natura represora pozostawała nieznana i kontrowersyjna. W 1968 r. M. Ptashne (USA) wykazał, że białko jest represorem. Wyizolował go w laboratorium J. Watsona i stwierdził, że represor rzeczywiście ma powinowactwo do induktora (laktozy) i jednocześnie „rozpoznaje” gen operatora operonu lac i specyficznie się z nim wiąże.

W ciągu ostatnich 5 - 7 lat uzyskano dane o obecności innej komórki kontrolnej aktywności genu - promotora. Okazało się, że obok miejsca operatorskiego, do którego przyłączony jest produkt syntetyzowany na regulatorze genu – substancja białkowa represora, istnieje jeszcze jedno miejsce, które również należy przypisać członkom systemu regulacyjnego genu. działalność. Do tego miejsca przyłączona jest cząsteczka białka enzymu polimerazy RNA. W regionie promotora musi zachodzić wzajemne rozpoznawanie unikalnej sekwencji nukleotydów w DNA i specyficznej konfiguracji białka polimerazy RNA. Realizacja procesu odczytywania informacji genetycznej z zadaną sekwencją genów operonu przylegającego do promotora będzie zależała od skuteczności rozpoznawania.

Oprócz schematu opisanego przez Jacoba i Monoda istnieją inne mechanizmy regulacji genów w komórce. F. Jacob i S. Brenner (1963) ustalili, że regulacja replikacji bakteryjnego DNA jest w pewien sposób kontrolowana przez błonę komórkową. Eksperymenty Jacoba (1954) dotyczące indukcji różnych profagów przekonująco wykazały, że pod wpływem różnych czynników mutagennych w komórce bakterii lizogennych rozpoczyna się selektywna replikacja genu profaga, a replikacja genomu gospodarza zostaje zablokowana. W 1970 roku F. Bell poinformował, że małe cząsteczki DNA mogą przechodzić z jądra do cytoplazmy i tam ulegać transkrypcji.

Tak więc aktywność genów może być regulowana na poziomie replikacji, transkrypcji i translacji.

Poczyniono znaczne postępy w badaniu regulacji nie tylko syntezy enzymów, ale także ich aktywności. A. Novik i L. Szilard zwrócili uwagę na zjawiska regulacji aktywności enzymów w komórce już w latach 50. XX wieku. G. Umbarger (1956) stwierdził, że w komórce istnieje bardzo racjonalny sposób tłumienia aktywności enzymu przez produkt końcowy łańcucha reakcji ze sprzężeniem zwrotnym. Jak ustalili J. Monod, J. Change, F. Jacob, A. Purdy i inni badacze (1956 - 1960), regulacja aktywności enzymu może być przeprowadzona zgodnie z zasadą allosteryczną. Enzym lub jedna z jego podjednostek, oprócz powinowactwa do substratu, wykazuje powinowactwo do jednego z produktów łańcucha reakcji. Pod wpływem takiego produktu sygnałowego enzym zmienia swoją konformację w taki sposób, że traci aktywność. W efekcie cały łańcuch reakcji enzymatycznych zostaje wyłączony już na samym początku. D. Wieman i R. Woodward (1952; noblista 1965) zwrócili uwagę na istotną rolę zmian konformacyjnych białek w reakcjach enzymatycznych iw pewnym sensie na obecność efektu allosterycznego.

Budowa i funkcja białek

W wyniku prac T. Osborna, G. Hofmeistera, A. Gurbera, F. Schulza i wielu innych pod koniec XIX wieku. Wiele białek zwierzęcych i roślinnych otrzymano w postaci krystalicznej. Mniej więcej w tym samym czasie określono masę cząsteczkową niektórych białek różnymi metodami fizycznymi. Tak więc w 1891 r. A. Sabaneev i N. Alexandrov podali, że masa cząsteczkowa albuminy jaja kurzego wynosi 14 000; w 1905 r. E. Reid odkrył, że masa cząsteczkowa hemoglobiny wynosi 48 000. Polimerową strukturę białek odkryli w 1871 r. G. Glasivetz i D. Gaberman. Ideę wiązania peptydowego poszczególnych reszt aminokwasowych w białkach przedstawił T. Curtius (1883). Prace nad chemiczną kondensacją aminokwasów (E. Schaal, 1871; G. Schiff, 1897; L. Balbiano i D. Traschiatti, 1900) i syntezą heteropolipeptydów (E. Fisher, 1902 - 1907, Nagroda Nobla, 1902) doprowadziło do opracowania podstawowych zasad budowy chemicznej białek.

Pierwszy enzym krystaliczny (ureazę) otrzymał w 1926 r. J. Sumner (Nagroda Nobla, 1946), aw 1930 r. J. Northrop (Nagroda Nobla, 1946) otrzymał krystaliczną pepsynę. Po tych pracach stało się jasne, że enzymy mają charakter białkowy. W 1940 roku M. Kunits wyizolował krystaliczną RNazę. Do 1958 roku znanych było już ponad 100 enzymów krystalicznych i ponad 500 enzymów niekrystalicznych. Uzyskanie wysoko oczyszczonych preparatów poszczególnych białek przyczyniło się do rozszyfrowania ich struktury pierwszorzędowej i organizacji makrocząsteczkowej.

Ogromne znaczenie dla rozwoju biologii molekularnej w ogóle, aw szczególności genetyki człowieka, miało odkrycie przez L. Paulinga (1940) nieprawidłowej hemoglobiny S, wyizolowanej z erytrocytów osób z ciężką chorobą dziedziczną, anemią sierpowatą. W latach 1955 - 1957 W. Ingram wykorzystał metodę „odcisków palców” opracowaną przez F. Sangera (plamki utworzone przez poszczególne peptydy podczas chromatografii na papierze) do analizy produktów hydrolizy hemoglobiny S alkaliami i trypsyną. W 1961 roku Ingram poinformował, że hemoglobina S różni się od normalnej hemoglobiny tylko charakterem jednej reszty aminokwasowej: w normalnej hemoglobinie reszta kwasu glutaminowego znajduje się na siódmej pozycji łańcucha, aw hemoglobinie S reszta waliny. Tak więc założenie Paulinga (1949), że anemia sierpowata jest chorobą o charakterze molekularnym, zostało w pełni potwierdzone. Odziedziczona zmiana tylko jednej reszty aminokwasowej w każdej połowie makrocząsteczki hemoglobiny prowadzi do tego, że hemoglobina traci zdolność łatwego rozpuszczania się przy niskim stężeniu tlenu i zaczyna krystalizować, co prowadzi do rozerwania struktury komórkowej. Badania te wyraźnie pokazały, że struktura białka to ściśle określona sekwencja aminokwasowa zakodowana w genomie. Prace K. Anfinsena (1951) świadczą o wyjątkowym znaczeniu pierwszorzędowej struktury białka w tworzeniu unikalnej biologicznie aktywnej konformacji makrocząsteczki. Anfinsen wykazał, że biologicznie aktywna makrostruktura rybonukleazy trzustkowej, która jest tracona w wyniku odbudowy, jest z góry określona przez sekwencję aminokwasów i może spontanicznie pojawić się ponownie podczas utleniania grup SH reszt cysteiny z tworzeniem wiązań dwusiarczkowych w ściśle określone miejsca łańcucha peptydowego enzymu.

Do tej pory szczegółowo zbadano mechanizm działania dużej liczby enzymów i określono strukturę wielu białek.

W 1953 roku F. Sanger ustalił sekwencję aminokwasową insuliny. : Białko to składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych połączonych dwoma mostkami dwusiarczkowymi. Jeden z łańcuchów zawiera tylko 21 reszt aminokwasowych, podczas gdy drugi zawiera 30 reszt. Sanger spędził około 10 lat na rozszyfrowywaniu struktury tego stosunkowo prostego białka. Za te wybitne badania otrzymał w 1958 roku Nagrodę Nobla. Po stworzeniu przez V. Steina i S. Moore'a (1957) automatycznego analizatora aminokwasów identyfikacja produktów częściowej hydrolizy białek znacznie przyspieszyła. Już w 1960 roku Stein i Moore o tym poinformowali. że byli w stanie określić sekwencję rybonukleazy, której łańcuch peptydowy jest reprezentowany przez 124 reszty aminokwasowe. W tym samym roku w laboratorium G. Schramma w Tybindze (Niemcy) F. Anderer i inni ustalili sekwencję aminokwasową w białku TMV. Następnie określono sekwencję aminokwasów w mioglobinie (A. Edmunson) oraz łańcuchach α i β ludzkiej hemoglobiny (G. Braunitzer, E. Schroeder i in.), lizozymie z białka jaja (J. Jollet, D. Keyfield) . W 1963 roku F. Shorm i B. Keil (Czechosłowacja) ustalili sekwencję aminokwasów w cząsteczce chymotrypsynogenu. W tym samym roku określono sekwencję aminokwasową trypsynogenu (F. Shorm, D. Walsh). W 1965 roku K. Takahashi ustalił pierwotną strukturę rybonukleazy T1. Następnie określono sekwencję aminokwasową dla kilku kolejnych białek.

Jak wiadomo, ostatecznym dowodem poprawności definicji określonej struktury jest jej synteza. W 1969 r. R. Merifield (USA) jako pierwszy przeprowadził chemiczną syntezę rybonukleazy trzustkowej. Wykorzystując metodę syntezy, którą opracował na nośniku w fazie stałej, Merifield dodał jeden aminokwas po drugim do łańcucha zgodnie z sekwencją opisaną przez Steina i Moore'a. W rezultacie otrzymał białko o właściwościach identycznych z rybonukleazą trzustkową A. Za odkrycie struktury rybonukleazy V. Stein, S. Moore i K. Anfinsen otrzymali Nagrodę Nobla w 1972 roku. Ta naturalna synteza białek otwiera ogromne perspektywy, wskazując na możliwość tworzenia dowolnych białek zgodnie z wcześniej zaplanowaną sekwencją.

Z badań rentgenowskich W. Astbury'ego (1933) wynikało, że łańcuchy peptydowe cząsteczek białka są skręcone lub ułożone w stos w jakiś ściśle określony sposób. Od tego czasu wielu autorów sformułowało różne hipotezy dotyczące sposobów fałdowania łańcuchów białkowych, ale do 1951 roku wszystkie modele pozostawały konstrukcjami spekulatywnymi, które nie odpowiadały danym eksperymentalnym. W 1951 roku L. Pauling i R. Corey opublikowali serię błyskotliwych prac, w których ostatecznie sformułowano teorię drugorzędowej struktury białek, teorię α-helisy. Wraz z tym okazało się również, że białka mają również trzeciorzędową strukturę: α-helisa łańcucha peptydowego może być zwinięta w określony sposób, tworząc raczej zwartą strukturę.

W 1957 roku J. Kendrew i jego współpracownicy po raz pierwszy zaproponowali trójwymiarowy model struktury mioglobiny. Model ten był następnie udoskonalany przez kilka lat, aż w 1961 roku pojawiła się ostateczna praca z charakterystyką struktury przestrzennej tego białka. W 1959 r. M. Perutz i współpracownicy ustalili trójwymiarową strukturę hemoglobiny. Naukowcy poświęcili tej pracy ponad 20 lat (pierwsze zdjęcia rentgenowskie hemoglobiny uzyskał Perutz w 1937 r.). Ponieważ cząsteczka hemoglobiny składa się z czterech podjednostek, po rozszyfrowaniu jej organizacji, Perutz jako pierwszy opisał czwartorzędową strukturę białka. Za pracę nad określeniem trójwymiarowej struktury białek Kendrew i Perutz otrzymali w 1962 roku Nagrodę Nobla.

Stworzenie przestrzennego modelu struktury hemoglobiny przez Perutza DOZWOLONE. zbliżyć się do zrozumienia mechanizmu działania tego białka, które jak wiadomo odpowiada za transport tlenu w komórkach zwierzęcych. Już w 1937 roku F. Gaurowitz doszedł do wniosku, że interakcji hemoglobiny z tlenem, powietrzem powinna towarzyszyć zmiana struktury białka. W latach sześćdziesiątych Perutz i współpracownicy odkryli zauważalne przesunięcie w łańcuchach hemoglobiny po jej utlenieniu, spowodowane przesunięciem atomów żelaza w wyniku wiązania z tlenem. Na tej podstawie powstały idee dotyczące „oddychania” makrocząsteczek białkowych.

W 1960 roku D. Phillips i jego współpracownicy rozpoczęli badania dyfrakcji rentgenowskiej cząsteczki lizozymu. Do 1967 roku byli mniej więcej w stanie ustalić szczegóły organizacji tego białka i lokalizację poszczególnych atomów w jego cząsteczce. Ponadto Phillips odkrył naturę dodatku lizozymu do substratu (triacetyloglukozaminy). Umożliwiło to odtworzenie mechanizmu działania tego enzymu. Znajomość struktury pierwszorzędowej i organizacji makrocząsteczek pozwoliła więc nie tylko ustalić naturę centrów aktywnych wielu enzymów, ale także w pełni ujawnić mechanizm działania tych makrocząsteczek.

Zastosowanie metod mikroskopii elektronowej pomogło ujawnić zasady organizacji makrocząsteczkowej tak złożonych formacji białkowych, jak kolagen, fibrynogen, kurczliwe włókienka mięśniowe itp. Pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku zaproponowano modele aparatu kurczliwego mięśni. Wyjątkowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmu skurczu mięśni miało odkrycie przez V. A. Engelgardta i M. N. Lyubimova (1939) aktywności ATPazy miozyny. Oznaczało to, że czynność skurczu mięśnia polega na zmianie właściwości fizykochemicznych i organizacji makrocząsteczkowej białka kurczliwego pod wpływem kwasu adenozynotrójfosforowego (patrz także rozdział 11).

Badania wirusologiczne były niezbędne do zrozumienia zasad składania struktur biologicznych (patrz rozdział 25).

Nie rozwiązane problemy

Główne postępy we współczesnej biologii molekularnej zostały osiągnięte głównie w wyniku badania kwasów nukleinowych. Jednak nawet w tej dziedzinie nie wszystkie problemy zostały rozwiązane. Odszyfrowanie całej sekwencji nukleotydowej genomu będzie wymagało w szczególności wielkich wysiłków. Problem ten z kolei nierozerwalnie łączy się z problemem heterogeniczności DNA i wymaga opracowania nowych zaawansowanych metod frakcjonowania i izolacji poszczególnych cząsteczek z całości materiału genetycznego komórki.

Do tej pory wysiłki koncentrowały się głównie na oddzielnych badaniach białek i kwasów nukleinowych. W komórce biopolimery te są ze sobą nierozerwalnie połączone i funkcjonują głównie w postaci nukleoprotein. Dlatego potrzeba zbadania interakcji białek i kwasów nukleinowych stała się obecnie szczególnie dotkliwa. Na pierwszy plan wysunięto problem rozpoznawania przez białka pewnych odcinków kwasów nukleinowych. Nakreślono już kroki w kierunku zbadania takiej interakcji tych biopolimerów, bez której pełne zrozumienie struktury i funkcji chromosomów, rybosomów i innych struktur jest nie do pomyślenia. Bez tego nie da się też zrozumieć regulacji aktywności genów i ostatecznie rozszyfrować zasady działania mechanizmów syntezy białek. Po pracach Jacoba i Monoda pojawiły się nowe dane dotyczące regulacyjnego znaczenia membran w syntezie materiału jądrowego. Stawia to problem głębszego zbadania roli błon w regulacji replikacji DNA. Ogólnie rzecz biorąc, problem regulacji aktywności genów i ogólnie aktywności komórek stał się jednym z najważniejszych problemów współczesnej biologii molekularnej.

Aktualny stan biofizyki

W ścisłym związku z problematyką biologii molekularnej postępował rozwój biofizyki. Zainteresowanie tą dziedziną biologii było stymulowane z jednej strony potrzebą kompleksowego badania wpływu różnych rodzajów promieniowania na organizm, z drugiej zaś potrzebą zbadania fizycznych i fizykochemiczne podstawy zjawisk życiowych zachodzących na poziomie molekularnym.

Uzyskanie dokładnych informacji o strukturach molekularnych i zachodzących w nich procesach stało się możliwe dzięki zastosowaniu nowych precyzyjnych metod fizycznych i chemicznych. W oparciu o osiągnięcia elektrochemii udało się udoskonalić metodę pomiaru potencjałów bioelektrycznych za pomocą elektrod jonoselektywnych (G. Eisenman, B.P. Nikolsky, Khuri, 50-60s). Coraz częściej do praktyki wchodzi spektroskopia w podczerwieni (z wykorzystaniem urządzeń laserowych), która umożliwia badanie zmian konformacyjnych białek (I. Plotnikov, 1940). Cennych informacji dostarcza również metoda elektronowego rezonansu paramagnetycznego (E. K. Zavoisky, 1944) oraz metoda biochemiluminescencyjna (B. N. Tarusov i in., 1960), które umożliwiają w szczególności ocenę transportu elektronów podczas procesów utleniania.

W latach pięćdziesiątych biofizyka zdobywała już silną pozycję. Istnieje potrzeba szkolenia wykwalifikowanych specjalistów. Jeśli w 1911 roku w Europie tylko Uniwersytet w Peczu na Węgrzech miał katedrę biofizyki, to do 1973 roku takie katedry istnieją na prawie wszystkich większych uniwersytetach.

W 1960 roku zorganizowano Międzynarodowe Towarzystwo Biofizyków. W sierpniu 1961 roku w Sztokholmie odbył się pierwszy Międzynarodowy Kongres Biofizyczny. Drugi kongres odbył się w 1965 roku w Paryżu, trzeci w 1969 roku w Bostonie, czwarty w 1972 roku w Moskwie.

W biofizyce istnieje wyraźne rozróżnienie między dwoma obszarami o różnej treści – biofizyką molekularną i biofizyką komórkową. Wyróżnienie to otrzymuje także wyraz organizacyjny: powstają odrębne katedry tych dwóch dziedzin biofizyki. Na Uniwersytecie Moskiewskim pierwszy wydział biofizyki powstał w 1953 roku na Wydziale Biologii i Gleboznawstwa, a nieco później na Wydziale Fizyki pojawił się Zakład Biofizyki. Na tej samej zasadzie zorganizowano katedry w wielu innych uczelniach.

Biofizyka molekularna

W ostatnich latach związek między biofizyką molekularną a biologią molekularną jest coraz bardziej zacieśniany i obecnie czasami trudno jest określić, gdzie przebiega linia podziału między nimi. W ogólnym ataku na problem informacji dziedzicznej taka współpraca między biofizyką a biologią molekularną jest nieunikniona.

Głównym kierunkiem prac badawczych jest badanie fizyki kwasów nukleinowych - DNA i RNA. Zastosowanie powyższych metod, a przede wszystkim analizy dyfrakcji rentgenowskiej, przyczyniło się do rozszyfrowania struktury molekularnej kwasów nukleinowych. Obecnie trwają intensywne badania nad zachowaniem się tych kwasów w roztworach. Szczególną uwagę zwrócono na przejścia konformacyjne „helisa-cewka”, które są badane poprzez zmiany lepkości, parametrów optycznych i elektrycznych. W związku z badaniem mechanizmów mutagenezy prowadzone są badania mające na celu zbadanie wpływu promieniowania jonizującego na zachowanie kwasów nukleinowych w roztworach, a także wpływu promieniowania na kwasy nukleinowe wirusów i fagów. Kompleksowej analizie poddano wpływ promieniowania ultrafioletowego, którego niektóre obszary widmowe są dobrze absorbowane przez kwasy nukleinowe. Duży udział w tego rodzaju badaniach ma wykrywanie aktywnych rodników kwasów nukleinowych i białek metodą elektronowego rezonansu paramagnetycznego. Zastosowanie tej metody wiąże się z pojawieniem się całego niezależnego kierunku.

Problem kodowania informacji DNA i RNA oraz jej przekazywania podczas syntezy białek od dawna interesuje biofizykę molekularną, a fizycy wielokrotnie wyrażali pewne rozważania na ten temat (E. Schrödinger, G. Gamow). Rozszyfrowanie kodu genetycznego zaowocowało licznymi badaniami teoretycznymi i eksperymentalnymi nad budową helisy DNA, mechanizmem przesuwania i skręcania się jej nici oraz badaniem sił fizycznych zaangażowanych w te procesy.

Biofizyka molekularna stanowi znaczną pomoc dla biologii molekularnej w badaniu struktury cząsteczek białek za pomocą analizy dyfrakcji rentgenowskiej, którą po raz pierwszy zastosował w 1930 r. J. Bernal. To właśnie w wyniku zastosowania metod fizycznych w połączeniu z metodami biochemicznymi (metodami enzymatycznymi) ujawniono konformację molekularną i sekwencję aminokwasów w wielu białkach.

Współczesne badania mikroskopii elektronowej, które ujawniły obecność złożonych systemów błon w komórce i jej organellach, stały się bodźcem do prób zrozumienia ich struktury molekularnej (patrz rozdziały 10 i 11). Skład chemiczny błon, aw szczególności właściwości ich lipidów są badane in vivo. Stwierdzono, że te ostatnie są zdolne do przetlenienia i nieenzymatycznych reakcji utleniania łańcucha (Yu. A. Vladimirov i F. F. Litvin, 1959; B. N. Tarusov i in., 1960; I. I. Ivanov, 1967), prowadzących do dysfunkcji błony. Do badania składu membran zaczęto również stosować metody modelowania matematycznego (V. Ts. Presman, 1964 - 1968; M. M. Shemyakin, 1967; Yu. A. Ovchinnikov, 1972).

Biofizyka komórkowa

Znaczącym wydarzeniem w historii biofizyki było ukształtowanie się w latach 50-tych jasnych idei dotyczących termodynamiki procesów biologicznych, w wyniku których założenia o możliwości samodzielnego wytwarzania energii w żywych komórkach, sprzeczne z drugą zasadą termodynamiki, w końcu zniknął. Zrozumienie działania tego prawa w układach biologicznych wiąże się z wprowadzeniem przez belgijskiego naukowca I. Prigogine (1945)* do termodynamiki biologicznej koncepcji układów otwartych wymieniających energię i materię ze środowiskiem zewnętrznym. Prigogine wykazał, że dodatnia entropia powstaje w żywych komórkach podczas procesów roboczych zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Wprowadzone przez niego równania określały warunki, w jakich powstaje tzw. stan stacjonarny (wcześniej nazywany był również równowagą dynamiczną), w którym ilość energii swobodnej (negentropii) wchodzącej do komórek wraz z pokarmem kompensuje jego zużycie, a dodatnia entropia wynosi wyjście. To odkrycie wzmocniło ogólną biologiczną ideę nierozerwalnego związku między zewnętrznym i wewnętrznym środowiskiem komórek. To zapoczątkowało prawdziwe badanie termodynamiki systemów żywych, w tym metody modelowania (A. Burton, 1939; A. G. Pasynsky, 1967).

* (Ogólna teoria systemów otwartych została po raz pierwszy przedstawiona przez L. Bertalanffy'ego w 1932 roku.)

Zgodnie z podstawową zasadą biotermodynamiki warunkiem koniecznym istnienia życia jest stacjonarność w rozwoju jego procesów biochemicznych, dla realizacji których konieczna jest koordynacja tempa wielu reakcji metabolicznych. Na gruncie nowej termodynamiki biofizycznej wyłonił się nurt wyróżniający zewnętrzne i wewnętrzne czynniki, które zapewniają tę koordynację reakcji i czynią ją stabilną. W ciągu ostatnich dwóch dekad ujawniono dużą rolę w utrzymaniu stanu stacjonarnego układu inhibitorów, a zwłaszcza przeciwutleniaczy (B. N. Tarusov i A. I. Zhuravlev, 1954, 1958). Ustalono, że niezawodność rozwoju stacjonarnego jest związana z czynnikami środowiskowymi (temperatura) oraz właściwościami fizykochemicznymi środowiska komórki.

Współczesne zasady biotermodynamiki umożliwiły fizykochemiczną interpretację mechanizmu adaptacji. Według naszych danych adaptacja do warunków środowiskowych może nastąpić tylko wtedy, gdy przy ich zmianie organizm jest w stanie ustalić stacjonarność w rozwoju reakcji biochemicznych (B.N. Tarusov, 1974). Pojawiło się pytanie o opracowanie nowych metod, które pozwoliłyby na ocenę stanu stacjonarnego in vivo i przewidywanie jego ewentualnych naruszeń. Wprowadzenie cybernetycznych zasad samoregulujących się systemów do biotermodynamiki i badania nad procesami biologicznej adaptacji obiecuje wielkie korzyści. Stało się jasne, że dla rozwiązania problemu stabilności stanu ustalonego istotne jest uwzględnienie tzw. czynników zakłócających, do których należą w szczególności nieenzymatyczne reakcje utleniania lipidów. W ostatnim czasie rozwijają się badania procesów peroksydacji w fazach lipidowych żywych komórek oraz wzrostu produktów aktywnych rodników, które zaburzają funkcje regulacyjne błon. Źródłem informacji o tych procesach jest zarówno wykrywanie aktywnych rodników nadtlenkowych, jak i związków nadtlenkowych biolipidów (A. Tappel, 1965; I. I. Ivanov, 1965; E. B. Burlakova, 1967 i in.). Do wykrywania rodników wykorzystuje się biochemiluminescencję, która zachodzi w lipidach żywych komórek podczas ich rekombinacji.

Na podstawie fizykochemicznych pomysłów na temat stabilności stanu ustalonego powstały biofizyczne idee dotyczące adaptacji roślin do zmian warunków środowiskowych jako naruszenia hamujących układów przeciwutleniających (B. N. Tarusov, Ya. E. Doskoch, B. M. Kitlaev, A. M. Agaverdiev , 1968 - 1972). Otworzyło to możliwość oceny takich właściwości, jak mrozoodporność i tolerancja na sól, a także poczynienia odpowiednich predykcji w doborze roślin rolniczych.

W latach pięćdziesiątych XX wieku odkryto ultrasłabą poświatę - biochemiczną luminescencję wielu obiektów biologicznych w widzialnej i podczerwonej części widma (B. N. Tarusov, A. I. Zhuravlev, A. I. Polivoda). Stało się to możliwe dzięki opracowaniu metod rejestracji supersłabych strumieni światła za pomocą fotopowielaczy (L. A. Kubetsky, 1934). Będąc wynikiem reakcji biochemicznych zachodzących w żywej komórce, biochemiluminescencja umożliwia ocenę ważnych procesów oksydacyjnych w łańcuchach przenoszenia elektronów między enzymami. Odkrycie i badanie biochemiluminescencji ma ogromne znaczenie teoretyczne i praktyczne. Tak więc B. N. Tarusov i Yu. B. Kudryashov zwracają uwagę na wielką rolę produktów utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych w mechanizmie występowania stanów patologicznych, które rozwijają się pod wpływem promieniowania jonizującego, w rakotwórczości i innych naruszeniach normalnych funkcji komórek .

W latach pięćdziesiątych XX wieku, w związku z gwałtownym rozwojem fizyki jądrowej, z biofizyki wyłoniła się radiobiologia, zajmująca się badaniem biologicznych skutków promieniowania jonizującego. Produkcja sztucznych izotopów promieniotwórczych, tworzenie broni termojądrowej, reaktorów atomowych oraz rozwój innych form praktycznego wykorzystania energii atomowej postawiły z całą ostrością problem ochrony organizmów przed szkodliwym działaniem promieniowania jonizującego oraz rozwój teoretyczne podstawy profilaktyki i leczenia choroby popromiennej. Aby to zrobić, trzeba było przede wszystkim dowiedzieć się, które składniki komórki i ogniwa metabolizmu są najbardziej narażone.

Przedmiotem badań biofizyki i radiobiologii było wyjaśnienie natury podstawowych reakcji chemicznych zachodzących w żywych podłożach pod wpływem energii promieniowania. Tutaj ważne było nie tylko zrozumienie mechanizmów tego zjawiska, ale także umiejętność wpływania na proces wymiany energii fizycznej na energię chemiczną, aby zmniejszyć jej współczynnik „użytecznego” działania. Prace w tym kierunku zapoczątkowały studia szkoły N. N. Semenova (1933) w ZSRR i D. Hinshelwooda (1935) w Anglii.

Ważne miejsce w badaniach radiobiologicznych zajmowało badanie stopnia odporności na promieniowanie różnych organizmów. Stwierdzono, że zwiększona oporność na promieniowanie (np. u gryzoni pustynnych) wynika z wysokiej aktywności przeciwutleniającej lipidów błony komórkowej (M. Chang i in., 1964; N. K. Ogryzov i in., 1969). Okazało się, że tokoferole, witamina K i związki tio odgrywają ważną rolę w kształtowaniu właściwości przeciwutleniających tych układów (II Ivanov i in., 1972). W ostatnich latach dużym zainteresowaniem cieszą się również badania mechanizmów mutagenezy. W tym celu bada się wpływ promieniowania jonizującego na zachowanie kwasów nukleinowych i białek in vitro, a także w wirusach i fagach (A. Gustafson, 1945 - 1950).

Walka o dalszy wzrost skuteczności ochrony chemicznej, poszukiwanie skuteczniejszych inhibitorów i zasad inhibicji pozostają głównymi zadaniami biofizyki w tym kierunku.

Poczyniono postępy w badaniu stanów wzbudzonych biopolimerów, które warunkują ich wysoką aktywność chemiczną. Najbardziej udane było badanie stanów wzbudzonych powstających na pierwotnym etapie procesów fotobiologicznych - fotosyntezy i widzenia.

W ten sposób wniesiono solidny wkład w zrozumienie pierwotnej aktywacji cząsteczek systemów barwników roślinnych. Ustalono ogromne znaczenie przenoszenia (migracji) energii stanów wzbudzonych bez strat z aktywowanych pigmentów na inne podłoża. Dużą rolę w rozwoju tych idei odegrały prace teoretyczne A. N. Terenina (1947 i później). A. A. Krasnovsky (1949) odkrył i zbadał reakcję odwracalnej fotochemicznej redukcji chlorofilu i jego analogów. Obecnie panuje powszechne przekonanie, że w niedalekiej przyszłości możliwe będzie odtworzenie fotosyntezy w sztucznych warunkach (patrz także rozdział 5).

Biofizycy nadal pracują nad odkryciem natury skurczu mięśni oraz mechanizmów pobudzenia i przewodzenia nerwów (patrz rozdział 11). Współczesnego znaczenia nabrały również badania nad mechanizmami przejścia ze stanu wzbudzonego do stanu normalnego. Stan wzbudzony jest obecnie uważany za wynik reakcji autokatalitycznej, a inhibicja jest uważana za konsekwencję gwałtownej mobilizacji hamującej aktywności przeciwutleniającej w wyniku przegrupowań molekularnych w związkach takich jak tokoferol (I.I. Ivanov, O.R. Kols, 1966; O.R. Kols, 1970).

Najważniejszym ogólnym problemem biofizyki pozostaje znajomość jakościowych cech fizycznych i chemicznych żywej materii. Właściwości takie jak zdolność żywych biopolimerów do selektywnego wiązania potasu czy polaryzacji prądu elektrycznego nie mogą zostać zachowane nawet przy najostrożniejszym usunięciu z organizmu. Dlatego biofizyka komórki nadal intensywnie rozwija kryteria i metody badania życia żywej materii.

Pomimo młodości biologii molekularnej postęp, jaki dokonała się w tej dziedzinie, jest naprawdę oszałamiający. W stosunkowo krótkim czasie ustalono naturę genu oraz podstawowe zasady jego organizacji, reprodukcji i funkcjonowania. Ponadto przeprowadzono nie tylko reprodukcję genów in vitro, ale także po raz pierwszy dokonano pełnej syntezy samego genu. Kod genetyczny został całkowicie rozszyfrowany i rozwiązany został najważniejszy biologiczny problem specyfiki biosyntezy białek. Zidentyfikowano i zbadano główne sposoby i mechanizmy powstawania białek w komórce. Pierwotna struktura wielu transportowych RNA, swoistych cząsteczek adaptorowych, które tłumaczą język matryc nukleinowych na język sekwencji aminokwasowej syntetyzowanego białka, została całkowicie określona. Sekwencja aminokwasowa wielu białek została w pełni rozszyfrowana, a struktura przestrzenna niektórych z nich została ustalona. Umożliwiło to wyjaśnienie zasady i szczegółów funkcjonowania cząsteczek enzymów. Przeprowadzono syntezę chemiczną jednego z enzymów, rybonukleazy. Ustalono podstawowe zasady organizacji różnych cząstek subkomórkowych, wielu wirusów i fagów oraz odkryto główne sposoby ich biogenezy w komórce. Odkryto podejścia do zrozumienia sposobów regulacji aktywności genów i wyjaśnienia mechanizmów regulujących aktywność życiową. Już prosta lista tych odkryć wskazuje, że w drugiej połowie XX wieku. odznaczał się ogromnym postępem w biologii, który zawdzięczamy przede wszystkim dogłębnym badaniom struktury i funkcji biologicznie ważnych makrocząsteczek – kwasów nukleinowych i białek.

Osiągnięcia biologii molekularnej są już dziś wykorzystywane w praktyce i przynoszą wymierne efekty w medycynie, rolnictwie i niektórych gałęziach przemysłu. Nie ma wątpliwości, że powrót tej nauki będzie wzrastał każdego dnia. Jednak za główny wniosek nadal należy uznać to, że pod wpływem sukcesów biologii molekularnej umocniła się wiara w istnienie nieograniczonych możliwości na drodze do ujawnienia najskrytszych tajemnic życia.

Najwyraźniej w przyszłości zostaną otwarte nowe sposoby badania biologicznej formy ruchu materii - biologia przejdzie z poziomu molekularnego na poziom atomowy. Jednak teraz być może nie ma ani jednego badacza, który mógłby realistycznie przewidzieć rozwój biologii molekularnej nawet przez następne 20 lat.

Na now.nsexy.ru/ spędzisz niezapomniany czas.