Молекулярная биология термины. Молекулярная биология

Молекулярная биология

наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности путём изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образом и в какой мере характерные проявления жизни, такие, как наследственность, воспроизведение себе подобного, биосинтез белков, возбудимость, рост и развитие, хранение и передача информации, превращения энергии, подвижность и т. д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь двух главных классов высокомолекулярных биополимеров (См. Биополимеры) - белков и нуклеиновых кислот. Отличительная черта М. б. - изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, которым присущи самые примитивные проявления жизни. Таковыми являются биологические образования от клеточного уровня и ниже: субклеточные органеллы, такие, как изолированные клеточные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные мембраны; далее - системы, стоящие на границе живой и неживой природы, - вирусы, в том числе и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой материи - нуклеиновых кислот (См. Нуклеиновые кислоты) и белков (См. Белки).

М. б. - новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися направлениями исследований, которые охватываются биохимией (См. Биохимия), биофизикой (См. Биофизика) и биоорганической химией (См. Биоорганическая химия). Разграничение здесь возможно лишь на основе учёта применяемых методов и по принципиальному характеру используемых подходов.

Фундамент, на котором развивалась М. б., закладывался такими науками, как генетика, биохимия, физиология элементарных процессов и т. д. По истокам своего развития М. б. неразрывно связана с молекулярной генетикой (См. Молекулярная генетика), которая продолжает составлять важную часть М. б., хотя и сформировалась уже в значительной мере в самостоятельную дисциплину. Вычленение М. б. из биохимии продиктовано следующими соображениями. Задачи биохимии в основном ограничиваются констатацией участия тех или иных химических веществ при определённых биологических функциях и процессах и выяснением характера их превращений; ведущее значение принадлежит сведениям о реакционной способности и об основных чертах химического строения, выражаемого обычной химической формулой. Т. о., по существу, внимание сосредоточено на превращениях, затрагивающих главновалентные химические связи. Между тем, как было подчёркнуто Л. Полинг ом, в биологических системах и проявлениях жизнедеятельности основное значение должно быть отведено не главновалентным связям, действующим в пределах одной молекулы, а разнообразным типам связей, обусловливающих межмолекулярные взаимодействия (электростатическим, ван-дер-ваальсовым, водородным связям и др.).

Конечный результат биохимического исследования может быть представлен в виде той или иной системы химических уравнений, обычно полностью исчерпываемой их изображением на плоскости, т. е. в двух измерениях. Отличительной чертой М. б. является её трехмерность. Сущность М. б. усматривается М. Перуц ем в том, чтобы истолковать биологические функции в понятиях молекулярной структуры. Можно сказать, что если прежде при изучении биологических объектов необходимо было ответить на вопрос «что», т. е. какие вещества присутствуют, и на вопрос «где» - в каких тканях и органах, то М. б. ставит своей задачей получить ответы на вопрос «как», познав сущность роли и участия всей структуры молекулы, и на вопросы «почему» и «зачем», выяснив, с одной стороны, связи между свойствами молекулы (опять-таки в первую очередь белков и нуклеиновых кислот) и осуществляемыми ею функциями и, с другой стороны, роль таких отдельных функций в общем комплексе проявлений жизнедеятельности.

Решающую роль приобретают взаимное расположение атомов и их группировок в общей структуре макромолекулы, их пространственные взаимоотношения. Это касается как отдельных, индивидуальных, компонентов, так и общей конфигурации молекулы в целом. Именно в результате возникновения строго детерминированной объёмной структуры молекулы биополимеров приобретают те свойства, в силу которых они оказываются способными служить материальной основой биологических функций. Такой принцип подхода к изучению живого составляет наиболее характерную, типическую черту М. б.

Историческая справка. Огромное значение исследований биологических проблем на молекулярном уровне предвидел И. П. Павлов , говоривший о последней ступени в науке о жизни - физиологии живой молекулы. Самый термин «М. б.» был впервые употреблен англ. учёным У. Астбери в приложении к исследованиям, касавшимся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибриллярных (волокнистых) белков, таких, как коллаген, фибрин крови или сократительные белки мышц. Широко применять термин «М. б.» стали с начала 50-х гг. 20 в.

Возникновение М. б. как сформировавшейся науки принято относить к 1953, когда Дж. Уотсон ом и Ф. Крик ом в Кембридже (Великобритания) была раскрыта трёхмерная структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (См. Дезоксирибонуклеиновая кислота) (ДНК). Это позволило говорить о том, каким образом детали данной структуры определяют биологические функции ДНК в качестве материального носителя наследственной информации. В принципе, об этой роли ДНК стало известно несколько раньше (1944) в результате работ американского генетика О. Т. Эйвери с сотрудниками (см. Молекулярная генетика), но не было известно, в какой мере данная функция зависит от молекулярного строения ДНК. Это стало возможным лишь после того, как в лабораториях У. Л. Брэгга (См. Брэгга - Вульфа условие), Дж. Бернал а и др. были разработаны новые принципы рентгеноструктурного анализа, обеспечившие применение этого метода для детального познания пространственного строения макромолекул белков и нуклеиновых кислот.

Уровни молекулярной организации. В 1957 Дж. Кендрю установил трёхмерную структуру Миоглобин а, а в последующие годы это было сделано М. Перуцем в отношении Гемоглобин а. Были сформулированы представления о различных уровнях пространственной организации макромолекул. Первичная структура - это последовательность отдельных звеньев (мономеров) в цепи образующейся молекулы полимера. Для белков мономерами являются Аминокислоты , для нуклеиновых кислот - Нуклеотиды . Линейная, нитевидная молекула биополимера в результате возникновения водородных связей обладает способностью определённым образом укладываться в пространстве, например в случае белков, как показал Л. Полинг, приобретать форму спирали. Это обозначается как вторичная структура. О третичной структуре говорят, когда молекула, обладающая вторичной структурой, складывается далее тем или иным образом, заполняя трёхмерное пространство. Наконец, молекулы, обладающие трёхмерной структурой, могут вступать во взаимодействие, закономерно располагаясь в пространстве относительно друг друга и образуя то, что обозначается как четвертичная структура; её отдельные компоненты обычно называемые субъединицами.

Наиболее наглядным примером того, как молекулярная трёхмерная структура определяет биологические функции молекулы, служит ДНК. Она обладает строением двойной спирали: две нити, идущие во взаимно противоположном направлении (антипараллельно), закручены одна вокруг другой, образуя двойную спираль со взаимно комплементарным расположением оснований, т. е. так, что против определённого основания одной цепи всегда в другой цепи стоит такое основание, которое наилучшим образом обеспечивает образование водородных связей: адепин (А) образует пару с тимином (Т), гуанин (Г) - с цитозином (Ц). Такая структура создаёт оптимальные условия для важнейших биологических функций ДНК: количественного умножения наследственной информации в процессе клеточного деления при сохранении качественной неизменности этого потока генетической информации. При делении клетки нити двойной спирали ДНК, служащей в качестве матрицы, или шаблона, расплетаются и на каждой из них под действием ферментов синтезируется комплементарная новая нить. В результате этого из одной материнской молекулы ДНК получаются две совершенно тождественные ей дочерние молекулы (см. Клетка , Митоз).

Так же и в случае гемоглобина оказалось, что его биологическая функция - способность обратимо присоединять кислород в лёгких и затем отдавать его тканям - теснейшим образом связана с особенностями трёхмерной структуры гемоглобина и её изменениями в процессе осуществления свойственной ему физиологической роли. При связывании и диссоциации O 2 происходят пространственные изменения конформации молекулы гемоглобина, ведущие к изменению сродства содержащихся в нём атомов железа к кислороду. Изменения размеров молекулы гемоглобина, напоминающие изменения объёма грудной клетки при дыхании, позволили назвать гемоглобин «молекулярными лёгкими».

Одна из важнейших черт живых объектов - их способность тонко регулировать все проявления жизнедеятельности. Крупным вкладом М. б. в научные открытия следует считать раскрытие нового, ранее неизвестного регуляторного механизма, обозначаемого как аллостерический эффект. Он заключается в способности веществ низкой молекулярной массы - т. н. лигандов - видоизменять специфические биологические функции макромолекул, в первую очередь каталитически действующих белков - ферментов, гемоглобина, рецепторных белков, участвующих в построении биологических мембран (См. Биологические мембраны), в синаптической передаче (см. Синапсы) и т. д.

Три биотических потока. В свете представлений М. б. совокупность явлений жизни можно рассматривать как результат сочетания трёх потоков: потока материи, находящего своё выражение в явлениях обмена веществ, т. е. ассимиляции и диссимиляции; потока энергии, являющейся движущей силой для всех проявлений жизнедеятельности; и потока информации, пронизывающего собой не только всё многообразие процессов развития и существования каждого организма, но и непрерывную череду сменяющих друг друга поколений. Именно представление о потоке информации, внесённое в учение о живом мире развитием М. б., накладывает на неё свой специфический, уникальный отпечаток.

Важнейшие достижения молекулярной биологии. Стремительность, размах и глубину влияния М. б. на успехи в познании коренных проблем изучения живой природы справедливо сравнивают, например, с влиянием квантовой теории на развитие атомной физики. Два внутренне связанных условия определили это революционизирующее воздействие. С одной стороны, решающую роль сыграло обнаружение возможности изучения важнейших проявлений жизнедеятельности в простейших условиях, приближающихся к типу химических и физических экспериментов. С другой стороны, как следствие указанного обстоятельства, имело место быстрое включение значительного числа представителей точных наук - физиков, химиков, кристаллографов, а затем и математиков - в разработку биологических проблем. В своей совокупности эти обстоятельства и обусловили необычайно быстрый темп развития М. б., число и значимость её успехов, достигнутых всего за два десятилетия. Вот далеко не полный перечень этих достижений: раскрытие структуры и механизма биологической функции ДНК, всех типов РНК и рибосом (См. Рибосомы), раскрытие генетического кода (См. Код генетический); открытие обратной транскрипции (См. Транскрипция), т. е. синтеза ДНК на матрице РНК; изучение механизмов функционирования дыхательных пигментов; открытие трёхмерной структуры и её функциональной роли в действии ферментов (См. Ферменты), принципа матричного синтеза и механизмов биосинтеза белков; раскрытие структуры вирусов (См. Вирусы) и механизмов их репликации, первичной и, частично, пространственной структуры антител; изолирование индивидуальных Генов , химический, а затем биологический (ферментативный) синтез гена, в том числе человеческого, вне клетки (in vitro); перенос генов из одного организма в другой, в том числе в клетки человека; стремительно идущая расшифровка химической структуры возрастающего числа индивидуальных белков, главным образом ферментов, а также нуклеиновых кислот; обнаружение явлений «самосборки» некоторых биологических объектов всё возрастающей сложности, начиная от молекул нуклеиновых кислот и переходя к многокомпонентным ферментам, вирусам, рибосомам и т. д.; выяснение аллостерических и других основных принципов регулирования биологических функций и процессов.

Редукционизм и интеграция. М. б. является завершающим этапом того направления в изучении живых объектов, которое обозначается как «редукционизм», т. е. стремление свести сложные жизненные функции к явлениям, протекающим на уровне молекул и потому доступным изучению методами физики и химии. Достигнутые М. б. успехи свидетельствуют об эффективности такого подхода. Вместе с тем необходимо учитывать, что в естественных условиях в клетке, ткани, органе и целом организме мы имеем дело с системами возрастающей степени усложнённости. Такие системы образуются из компонентов более низкого уровня путём их закономерной интеграции в целостности, приобретающие структурную и функциональную организацию и обладающие новыми свойствами. Поэтому по мере детализации познаний о закономерностях, доступных раскрытию на молекулярном и примыкающих уровнях, перед М. б. встают задачи познания механизмов интеграции как линии дальнейшего развития в изучении явлений жизни. Отправной точкой здесь служит исследование сил межмолекулярных взаимодействий - водородных связей, ван-дер-ваальсовых, электростатических сил и т. д. Своей совокупностью и пространственным расположением они образуют то, что может быть обозначено как «интегративная информация». Её следует рассматривать как одну из главных частей уже упоминавшегося потока информации. В области М. б. примерами интеграции могут служить явления самосборки сложных образований из смеси их составных частей. Сюда относятся, например, образование многокомпонентных белков из их субъединиц, образование вирусов из их составных частей - белков и нуклеиновой кислоты, восстановление исходной структуры рибосом после разделения их белковых и нуклеиновых компонентов и т. д. Изучение этих явлений непосредственно связано с познанием основных феноменов «узнавания» молекул биополимеров. Речь идёт о том, чтобы выяснить, какие сочетания аминокислот - в молекулах белков или нуклеотидов - в нуклеиновых кислотах взаимодействуют между собой при процессах ассоциации индивидуальных молекул с образованием комплексов строго специфичного, наперёд заданного состава и строения. Сюда относятся процессы образования сложных белков из их субъединиц; далее, избирательное взаимовоздействие между молекулами нуклеиновых кислот, например транспортными и матричными (в этом случае существенно расширило наши сведения раскрытие генетического кода); наконец, это образование многих типов структур (например, рибосом, вирусов, хромосом), в которых участвуют и белки, и нуклеиновые кислоты. Раскрытие соответствующих закономерностей, познание «языка», лежащего в основе указанных взаимодействий, составляет одну из важнейших областей М. б., ещё ожидающую своей разработки. Эту область рассматривают как принадлежащую к числу фундаментальных проблем для всей биосферы.

Задачи молекулярной биологии. Наряду с указанными важными задачами М. б. (познанием закономерностей «узнавания», самосборки и интеграции) актуальным направлением научного поиска ближайшего будущего является разработка методов, позволяющих расшифровывать структуру, а затем и трёхмерную, пространственную организацию высокомолекулярных нуклеиновых кислот. В данное время это достигнуто в отношении общего плана трёхмерной структуры ДНК (двойной спирали), но без точного знания её первичной структуры. Быстрые успехи в разработке аналитических методов позволяют с уверенностью ждать достижения указанных целей на протяжении ближайших лет. Здесь, разумеется, главные вклады идут от представителей смежных наук, в первую очередь физики и химии. Все важнейшие методы, использование которых обеспечило возникновение и успехи М. б., были предложены и разработаны физиками (ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, ядерный магнитный резонанс и др.). Почти все новые физические экспериментальные подходы (например, использование ЭВМ, синхротронного, или тормозного, излучения, лазерной техники и др.) открывают новые возможности для углублённого изучения проблем М. б. В числе важнейших задач практического характера, ответ на которые ожидается от М. б., на первом месте стоит проблема молекулярных основ злокачественного роста, далее - пути предупреждения, а быть может, и преодоления наследственных заболеваний - «молекулярных болезней» (См. Молекулярные болезни). Большое значение будет иметь выяснение молекулярных основ биологического катализа, т. е. действия ферментов. К числу важнейших современных направлений М. б. следует отнести стремление расшифровать молекулярные механизмы действия гормонов (См. Гормоны), токсических и лекарственных веществ, а также выяснить детали молекулярного строения и функционирования таких клеточных структур, как биологические мембраны, участвующие в регуляции процессов проникновения и транспорта веществ. Более отдалённые цели М. б. - познание природы нервных процессов, механизмов памяти (См. Память) и т. д. Один из важных формирующихся разделов М. б. - т. н. генная инженерия, ставящая своей задачей целенаправленное оперирование генетическим аппаратом (Геном ом) живых организмов, начиная с микробов и низших (одноклеточных) и кончая человеком (в последнем случае прежде всего в целях радикального лечения наследственных заболеваний (См. Наследственные заболевания) и исправления генетических дефектов). О более обширных вмешательствах в генетическую основу человека речь может идти лишь в более или менее отдалённом будущем, т. к. при этом возникают серьёзные препятствия как технического, так и принципиального характера. В отношении микробов, растений, а возможно, и с.-х. животных такие перспективы весьма обнадёживающи (например, получение сортов культурных растений, обладающих аппаратом фиксации азота из воздуха и не нуждающихся в удобрениях). Они основаны на уже достигнутых успехах: изолирование и синтез генов, перенос генов из одного организма в другой, применение массовых культур клеток в качестве продуцентов хозяйственных или медицинских важных веществ.

Организация исследований по молекулярной биологии. Быстрое развитие М. б. повлекло за собой возникновение большого числа специализированных научно-исследовательских центров. Количество их быстро возрастает. Наиболее крупные: в Великобритании - Лаборатория молекулярной биологии в Кембридже, Королевский институт в Лондоне; во Франции - институты молекулярной биологии в Париже, Марселе, Страсбуре, Пастеровский институт; в США - отделы М. б. в университетах и институтах в Бостоне (Гарвардский университет, Массачусетсский технологический институт), Сан-Франциско (Беркли), Лос-Анджелесе (Калифорнийский технологический институт), Нью-Йорке (Рокфеллеровский университет), институты здравоохранения в Бетесде и др.; в ФРГ - институты Макса Планка, университеты в Гёттингене и Мюнхене; в Швеции - Каролинский институт в Стокгольме; в ГДР - Центральный институт молекулярной биологии в Берлине, институты в Йене и Галле; в Венгрии - Биологический центр в Сегеде. В СССР первый специализированный институт М. б. был создан в Москве в 1957 в системе АН СССР (см. ); затем были образованы: институт биоорганической химии АН СССР в Москве, институт белка в Пущине, Биологический отдел в институте атомной энергии (Москва), отделы М. б. в институтах Сибирского отделения АН в Новосибирске, Межфакультетская лаборатория биоорганической химии МГУ, сектор (затем институт) молекулярной биологии и генетики АН УССР в Киеве; значительная работа по М. б. ведётся в институте высокомолекулярных соединений в Ленинграде, в ряде отделов и лабораторий АН СССР и других ведомств.

Наряду с отдельными научно-исследовательскими центрами возникли организации более широкого масштаба. В Западной Европе возникла Европейская организация по М. б. (ЕМБО), в которой участвует свыше 10 стран. В СССР при институте молекулярной биологии в 1966 создан научный совет по М. б., являющийся координирующим и организующим центром в этой области знаний. Им выпущена обширная серия монографий по важнейшим разделам М. б., регулярно организуются «зимние школы» по М. б., проводятся конференции и симпозиумы по актуальным проблемам М. б. В дальнейшем научные советы по М. б. были созданы при АМН СССР и многих республиканских Академиях наук. С 1966 выходит журнал «Молекулярная биология» (6 выпусков в год).

За сравнительно короткий срок в СССР вырос значительный отряд исследователей в области М. б.; это учёные старшего поколения, частично переключившие свои интересы из др. областей; в главной же своей массе это многочисленные молодые исследователи. Из числа ведущих учёных, принявших деятельное участие в становлении и развитии М. б. в СССР, можно назвать таких, как А. А. Баев, А. Н. Белозерский, А. Е. Браунштейн, Ю. А. Овчинников, А. С. Спирин, М. М. Шемякин, В. А. Энгельгардт. Новым достижениям М. б. и молекулярной генетики будет способствовать постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР (май 1974) «О мерах по ускорению развития молекулярной биологии и молекулярной генетики и использованию их достижений в народном хозяйстве».

Лит.: Вагнер Р., Митчелл Г., Генетика и обмен веществ, пер. с англ., М., 1958; Сент-Дьердь и А., Биоэнергетика, пер. с англ., М., 1960; Анфинсен К., Молекулярные основы эволюции, пер. с англ., М., 1962; Стэнли У., Вэленс Э., Вирусы и природа жизни, пер. с англ., М., 1963; Молекулярная генетика, пер. с. англ., ч. 1, М., 1964; Волькенштейн М. В., Молекулы и жизнь. Введение в молекулярную биофизику, М., 1965; Гауровиц Ф., Химия и функции белков, пер. с англ., М., 1965; Бреслер С. Е., Введение в молекулярную биологию, 3 изд., М. - Л., 1973; Ингрэм В., Биосинтез макромолекул, пер. с англ., М., 1966; Энгельгардт В. А., Молекулярная биология, в кн.: Развитие биологии в СССР, М., 1967; Введение в молекулярную биологию, пер. с англ., М., 1967; Уотсон Дж., Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967; Финеан Дж., Биологические ультраструктуры, пер. с англ., М., 1970; Бендолл Дж., Мышцы, молекулы и движение, пер. с англ., М., 1970; Ичас М., Биологический код, пер. с англ., М., 1971; Молекулярная биология вирусов, М., 1971; Молекулярные основы биосинтеза белков, М., 1971; Бернхард С., Структура и функция ферментов, пер. с англ., М., 1971; Спирин А. С., Гаврилова Л. П., Рибосома, 2 изд., М., 1971; Френкель-Конрат Х., Химия и биология вирусов, пер. с англ., М., 1972; Смит К., Хэнеуолт Ф., Молекулярная фотобиология. Процессы инактивации и восстановления, пер. с англ., М., 1972; Харрис Г., Основы биохимической генетики человека, пер. с англ., М., 1973.

В. А. Энгельгардт.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Лекция 1. Понятие молекулярной биологии и основные этапы её развития

Определение предмета молекулярная биология

Термин «молекулярная биология» принадлежит нобелевскому лауреату Фрэнсису Крику, которому «надоело в ответ на вопрос о его профессии объявлять себя смесью кристаллографа, биохимика, биофизика и генетика».

После атомной бомбежки Хиросимы и Нагасаки в 1945 г. началось бегство ученых из физики, а в 1947 г. нобелевский лауреат физик Эрвин Шредингер написал книгу «Что такое жизнь с точки зрения физика?», которая привлекла в биологию многих физиков и математиков.

Определение понятия

Молекулярная биология - это наука о механизмах хранения, воспроизведения, передачи и реализации генетической информации, о структуре и функциях нерегулярных биополимеров – нуклеиновых кислот и белков.

Начав с изучения биологических процессов на молекулярно-атомном уровне, молекулярная биология перешла к сложным надмолекулярным клеточным структурам, а в настоящее время успешно решает проблемы генетики, физиологии, эволюции и экологии.

Основные этапы развития молекулярной биологии

1. Первый романтический период 1935-1944 гг.

Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением репродукции фагов и вирусов, представляющих собой комплексы нуклеиновых кислот с белками.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу - "Один ген -один фермент". Однако, что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали.

2. Второй романтический период 1944-1953гг.

Была доказана генетическая роль ДНК. В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.

3. Догматический период 1953-1962 гг.

Сформулирована центральная догма молекулярной биологии:

Перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок.

В 1962 г. был расшифрован генетический код.

4. Академический период с 1962 г. по настоящее время, в котором с 1974 года выделяют генно-инженерный подпериод.

Oc новны e открытия

1944 г . Доказательство генетической роли ДНК. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти.

1953 г . Установление структуры ДНК. Джеймс Уотсон, Френсис Крик.

1961 г . Открытие генетической регуляции синтеза ферментов. Андре Львов, Франсуа Жакоб, Жак Моно.

1962 г . Расшифровка генетического кода. Маршалл Нирнберг, Генрих Маттеи, Северо Очоа.

1967 г . Синтез in vitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг (неформальный лидер молекулярной биологии).

1970 г . Химический синтез гена. Гобинд Корана.

1970 г . Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной транскрипции. Говард Темин, ДэвидБалтимор, Ренато Дульбеко.

1974 г . Открытие рестриктаз. Гамильтон Смит, Даниэль Натанс, Вернер Арбер.

1978 г . Открытие сплайсинга. Филипп Шарп.

1982 г . Открытие автосплайсинга. ТомасЧек.

Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот

1 . 1928 г . Опыты Фредерика Гриффита.

Гриффит работал с пневмококками - бактериями, вызывающими пневмонию. Он брал два штамма пневмококков: капсульный и бескапсульный. Капсульный - патогенный (вирулентный), при инфицировании таким штаммом мыши погибают, бескапсульный - непатогенный. При введении мышам смеси убитых нагреванием (и, следовательно, потерявших вирулентность) капсульных пневмококков и живых бескапсульных невирулентных бактерий, животные погибали в результате размножения капсульных вирулентных форм. Обнаруженное явление Гриффит интерпретировал как трансформацию.

Определение:

Трансформация - это приобретение одним организмом некоторых признаков другого организма за счет захвата части его генетической информации.

В 1944 г. этот эксперимент был повторен Освальдом Эйвери, Колином Мак-Леодом и Маклином Мак-Карти в варианте смешивания бескапсульных пневмококков с взятыми от капсульных белками, полисахаридами или ДНК. В результате этого эксперимента была выявлена природа трансформирующего фактора.

Трансформирующими фактором оказалась ДНК.

2 . 1952 г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз. Фаги (бактериофаги) - это вирусы, размножающиеся в бактериях. Е. coli - кишечная палочка (эубактерия).

Суть опыта: фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S 35 ), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р 32), инкубировали с бактериями. Затем бактерии отмывали.

В смывных водах не обнаруживали Р 32 , а в бактериях - S 35 . Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК.

Отсюда следовал однозначный вывод о том, что именно ДНК выполняет генетическую функцию - несет информацию как о создании новых копий ДНК, тик и о синтезе фаговых белков.

3 . 1957 г. Опыты Френкеля - Конрата.

Френкель-Конрат работал с вирусом табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. Было известно, что разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим белком.

Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации.

На сегодняшний день существуют сотни тысяч доказательств генетической роли нуклеиновых кислот. Приведенные три являются классическими.

1. История изучения нуклеиновых кислот. Методы молекулярной биологии………………3

2. Строение нуклеиновых кислот. Нуклеопротеиды…………………………………………..6

Работа №1. Гидролиз нуклеопротеидов……………………………………………………..8

Работа №2. Выделение дезоксирибонуклеопротеидов (ДНП) из тканей………………...10

3. Синтез нуклеотидов. Распределение нуклеотидов в организме………………………….11

4. Структура и функции ДНК и РНК. Контрольные вопросы………………………………13

5. Количественное определение нуклеиновых кислот………………………………………14

Работа №3. Количественное определение нуклеиновых кислот в крови…………….......-

Работа №4. Спектрофотометрическое определение суммарного

Работа №5. Количественное определение ДНК колориметрическим методом…………16

Работа №6. Количественное определение РНК колориметрическим методом………….17

Контрольные вопросы……………………………………………………………………….18

6. Структура генома. Экспрессия генов. Контрольные вопросы……………………………19

Литература………………………………………………………………………………………20

История изучения нуклеиновых кислот. Методы молекулярной биологии.

1. Молекулярная биология как наука. Возникновение.

2. Задачи молекулярной биологии.

3. Основополагающие открытия молекулярной биологии. Основной постулат.

4. Взаимосвязь молекулярной биологии с другими науками.

5. Возникновение новых наук – геномики и протеомики. Создание банков генов.

6. Методы молекулярной биологии: - микроскопия;

Рентгеноструктурный анализ;

Использование радиоактивных изотопов;

Ультрацентрифугирование;

Хроматография;

Электрофорез;

Изоэлектрофокусирование;

Метод культуры клеток;

Бесклеточные системы;

Моноклональные антитела и др.

____________________________

«Молекулярная биология изучает связь структуры биологических макромолекул и основных клеточных компонентов с их функцией, а также основные принципы и механизмы саморегуляции клеток, которые опосредуют согласованность и единство всех протекающих в клетке процессов, составляющих сущность жизни» - Дж. Уотсон, 1968 г.

Задачи молекулярной биологии:

расшифровка структуры геномов;

создание банков генов;

геномная дактилоскопия;

изучение молекулярных основ эволюции, дифференцировки, биоразнообразия, развития и старения, канцерогенеза, иммунитета и др.;

создание методов диагностики и лечения генетических болезней, вирусных заболеваний;

создание новых биотехнологий производства пищевых продуктов и разнообразных биологически активных соединений (гормонов, антигормонов, релизинг-факторов, энергоносителей и др.)

Этапы :

1) Ф. Мишер (F. Miesher) впервые выделил ДНК (1869г.); А.Н. Белозерский

выделил ДНК из растений.

2) 50-е годы XX века - получены данные об элементарном строении белков и нуклеиновых кислот.

3) 60-е - 70-е гг. XX века – раскрыта природа и основные пути передачи и реализации генетической информации. Сформулирован основной постулат.

4) 70-е - 80-е гг. XX века – изучение механизмов сплайсинга, открытие РНК-ферментов и аутосплайсинга, изучение механизмов генетической рекомбинации, начинаются работы по расшифровке структуры геномов высших организмов, возникает белковая инженерия; организация банков генов.

5) 90-е гг. XX века – начало XXI века – развитие биоинформатики; определение нуклеотидных последовательностей (секвенирование) ДНК различных организмов: 1995г. – секвенирован первый бактериальный геном, 1997г. – геном дрожжей, 1998г. – геном нематоды, 2000г. – геном дрозофилы, 2001г. – почти полностью геном человека.

В середине 60-х гг. XX века окончательно сформирован основной постулат молекулярной генетики, формулирующий магистральный путь реализации генетической информации в клетке: ДНК → РНК → белок

Для кого? Старшеклассники, студенты.
Что дает? Знание основ молекулярной биологии.
Преподаватели. Заведующий лабораториями молекулярной генетики микроорганизмов Института биологии гена РАН, профессор Университета Ратгерса (США), профессор Сколковского института науки и технологий (SkolTech).
Когда? Необходимо уточнять.
Стоимость. 9 000 р.
Условия участия. Необходимо оставить заявку на участие на сайте.

Биологические кружки. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.

Для кого? 9–11 классы.
Что дает? Знания по биологии, навык выполнения проектных работ, навык работы в лаборатории.
Преподаватели. Сотрудники биологического факультета МГУ.
Когда?
Стоимость. Необходимо уточнять.
Условия участия. Необходимо уточнять.

Биологическое отделение Московской гимназии № 1543 на Юго-Западе.

Для кого? 7–10 классы.
Что дает? Углубленные знания биологии.
Преподаватели. Сотрудники МГУ, выпускники гимназии.
Когда? Есть возможность отслеживать даты начала набора.
Обязательные требования. Необходимо пройти вступительные испытания.
Стоимость. Бесплатно (существует добровольный взнос).
Условия участия. Поступление в гимназию на полноценное обучение.

Школа «Хим*Био*Плюс». Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова.

Для кого? 10–11 классы.
Что дает? Знания по биологии, химии.
Когда? Набор - ежегодно, в сентябре.
Обязательные требования . Набор по результатам тестирования.
Стоимость. 10 000 - 75 000 р. (есть пробное занятие).

Академия. «ПостНаука».

Для кого? Школьники, студенты.
Что дает?

знания в области физики элементарных частиц, химии, медицины, математики, нейрофизиологии, генетики, социологии, компьютерных наук;
знание о том, как научные разработки применяются в реальной жизни.

Преподаватели. Высококвалифицированные специалисты, ученые.
Когда? Есть возможность отслеживать даты набора Вконтакте и Facebook .
Стоимость. 9 000 р.
Условия участия. Необходимо отслеживать нужный курс . Зарегистрироваться на курс, оплатить обучение.

Петрозаводск

STEM-центр Петрозаводского государственного университета.

Для кого? 1–11 классы.
Что дает? Навыки проектной, научно-исследовательской деятельности в области программирования, биологии, химии, физики.
Когда? Есть возможность отслеживать даты начала набора.
Стоимость. Необходимо уточнять.
Условия участия. Учащиеся петрозаводских школ.

Открытый университетский лицей Петрозаводского государственного университета.

Для кого? 10 класс.
Что дает?

техническое направление (физика, математика, информатика, русский язык);
медико-биологическое (химия, биология, русский язык).

Когда? Есть возможность отслеживать даты начала набора.
Стоимость. Необходимо уточнять.
Условия участия. Гражданство РФ, заявление, оплата обучения.

Мастер-классы

«Строение и функции клетки» - урок в музее.

Для кого? 14–16 лет.
Что дает?

практические навыки по биологии;
навык работы с микроскопом;
навык проведения эксперимента.

Когда? Необходимо уточнять.
Стоимость. Необходимо уточнять.
Продолжительность. 90 минут.
Особые условия посещения. Последний вторник месяца - санитарный день.
Как записаться? Оставить заявку на сайте.

«Мир под микроскопом».

Для кого? 6–16 лет.
Что дает? Наблюдение микроорганизмов, строения клетки под микроскопом.
Когда? Необходимо уточнять.
Стоимость. 200 р.
Продолжительность. 1 час.
Особые условия посещения. Сборные занятия (для посетителей от 6 лет) проходят в выходные дни и дни школьных каникул по расписанию.
Как записаться? Оставить заявку на сайте.

Урок химии «Самое удивительное вещество на Земле».

Для кого? 14–16 лет.
Что дает?

знания о свойствах воды;
навык проведения лабораторных экспериментов.

Когда? Необходимо уточнять.
Стоимость. 16 000 р. за сдвоенную группу по 15 человек в каждой.
Продолжительность. 90 минут.

Лагеря

Московская область

Лагерь по химии «Слон и жираф».

Для кого? 9–11 классы.
Когда? Ежегодно.
Что дает?

знания по химии;
навыки работы с реактивами.

Примечание: учебные программы меняются каждую смену, поэтому необходимо уточнять их содержание у организаторов.
Преподаватели. Высококвалифицированные практикующие медики разных специализаций, профессиональные биологи, ученые.
Стоимость. 32 000 р.
Условия участия. Необходимо подать заявку на сайте.

Образовательный центр «Сириус». Направление «Наука». Смены «Химия», «Биология».

Для кого? 10–17 лет.
Что дает? Углубленное знание профильных предметов, расширение кругозора и личностное развитие.
Преподаватели. Ученые, педагоги ведущих вузов, физико-математических и химико-биологических школ, тренеры национальных и региональных сборных по математике, физике, химии и биологии.
Когда? Ежегодно. Есть возможность отслеживать даты набора.
Обязательные требования. Глубокие знания профильных предметов, уровень всероссийских, международных олимпиад.
Стоимость. Бесплатно.
Условия участия. Подать заявку на сайте. Возможен конкурсный отбор. Подробности необходимо уточнять у организаторов или отслеживать на сайте.

Вузы

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.

Биологический факультет.
Год создания: 1930.
Что дает?
Квалификация:

Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова.

Кафедра биохимии и молекулярной биологии.
Год создания: 1963.
Что дает? Готовит квалифицированных специалистов.
Квалификация: специалист, срок обучения - 6 лет.

Новосибирск

Новосибирский государственный университет.

Факультет естественных наук. Биологическое отделение. Кафедра молекулярной биологии.
Год создания: 1959.
Что дает? Готовит квалифицированных специалистов.
Квалификация: бакалавр, срок обучения - 4 года, магистр - 2 года.

Онлайн-курсы

На русском языке

«Реальная математика». Электронная школа «Знаника».

Для кого? 5–9 классы.
Что дает? Углубленное знание математики.
Когда? В любое время.
Преподаватели. Кандидаты физико-математических, педагогических наук, доценты, профессора и преподаватели ведущих вузов страны.
Условия участия. Необходима регистрация.

Виртуальная химическая лаборатория. Марийский государственный технический университет.

Для кого? 8–11 классы.
Что дает? Навык работы в химической лаборатории, навык выполнения опытов в режиме реального времени.
Стоимость. 3 500 - 9 000 р.
Условия участия. Оформить заказ.

Mark Zentrum. Международный образовательный онлайн-центр.

Для кого? С 11 лет.
Что дает? Программы обучения по биологии, химии, математике, иностранным языкам.
Когда? Индивидуальные занятия согласовываются с преподавателем. Групповые занятия проходят в соответствии с расписанием.
Преподаватели. Лингвисты, практикующие преподаватели профильных предметов.
Стоимость. Пробный урок - бесплатно. Индивидуальные занятия: один урок - 450–1200 р., в зависимости от количества занятий (минимум пять) и от продолжительности урока. Групповые занятия: один урок - 280–640 р.
Стоимость занятий по иностранному языку. Пробный урок с носителем языка - платный: 10 евро. Стоимость одного занятия: 15–35 евро, в зависимости от продолжительности урока.
Продолжительность. Зависит от формы занятий. Индивидуальное занятие - 45–90 минут, занятие в группе - 90 минут, вебинар - 120 минут. Первое пробное занятие - 30–40 минут.
Условия участия. Заполнить заявку-анкету на пробный урок.
Особые условия. Необходимые материалы и учебники высылаются преподавателем в электронном виде (есть возможность приобрести учебные материалы в печатном виде).

На английском языке

Лекция. Surprises and Discovery in Catalysis.

Для кого? Школьники, студенты.
Что дает? Знания о последних достижениях в области катализа.
Преподаватели. Erick M. Carreira, профессор органической химии в университете Цюриха.
Когда? В любое время.
Стоимость. Бесплатно.

Виртулаб по химии на английском языке. Есть возможность настроить русский язык.

Для кого? Школьники.
Что дает? Навык работы в лаборатории с сотнями реагентов в режиме реального времени.
Когда? В любое время.
Стоимость. Бесплатно.

Детективно-химический виртулаб. Расследование преступления с помощью знания химии.

Для кого? Школьники, студенты.
Что дает? Навык применения знаний по химии в игровой форме.
Когда? В любое время.
Продолжительность квеста. 40–50 минут.
Стоимость. Бесплатно.
Условия участия. Загрузить программу на компьютер.

Можно сказать, что молекулярная биология исследует проявления жизни на неживых структурах или системах с элементарными признаками жизнедеятельности (которыми могут быть отдельные биологические макромолекулы, их комплексы или органеллы), изучая, каким образом ключевые процессы, характеризующие живую материю, реализуются посредством химических взаимодействий и превращений.

Выделение молекулярной биологии из биохимии в самостоятельную область науки продиктовано тем, что её главной задачей является изучение структуры и свойств биологических макромолекул, участвующих в различных процессах, выяснение механизмов их взаимодействия. Биохимия же занимается изучением собственно процессов жизнедеятельности, закономерностей их протекания в живом организме и превращений молекул, сопровождающих эти процессы. В конечном счёте, молекулярная биология пытается ответить на вопрос, зачем происходит тот или иной процесс, тогда как биохимия отвечает на вопросы где и как с точки зрения химии происходит рассматриваемый процесс.

История

Молекулярная биология как отдельное направление биохимии начала формироваться в 30-х годах прошлого столетия. Именно тогда для углублённого понимания феномена жизни возникла необходимость в целенаправленных исследованиях на молекулярном уровне процессов хранения и передачи наследственной информации в живых организмах. Тогда и определилась задача молекулярной биологии в изучении структуры, свойств и взаимодействия нуклеиновых кислот и белков. Термин «молекулярная биология» был впервые употреблен английским учёным Уильямом Астбери в контексте исследований, касавшихся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибриллярных белков, таких, как коллаген, фибрин крови или сократительные белки мышц.

На заре возникновения молекулярной биологии РНК считалась компонентом растений и грибов, а ДНК рассматривалась как типичный компонент животных клеток. Первым исследователем, доказавшим, что ДНК содержится в растениях, был Андрей Николаевич Белозерский , выделивший в 1935 году ДНК гороха. Это открытие установило тот факт, что ДНК является универсальныой нуклеиновой кислотой, присутствующей в клетках растений и животных.

Серьёзным достижением стало установление Джорджем Бидлом и Эдуардом Татумом прямой причинно-следственной связи между генами и белками. В своих экспериментах они подвергали клетки нейроспоры (Neurospora crassa ) ретгеновскому облучению, вызывавшему мутации. Полученные результаты показали, что это приводило к изменению свойств специфических ферментов.

В 1940 году Альбер Клод выделил из цитоплазмы животных клеток цитоплазматические РНК-содержащие гранулы, которые были меньше митохондрий. Он назвал их микросомами. Впоследствии при исследовании структруы и свойств выделенных частиц была установлена их основополагающая роль в процессе биосинтеза белка. В 1958 году на первом симпозиуме, посвящённом этим частицам, было принято решение называть эти частицы рибосомами.

Ещё одним важным шагом в развитии молекулярной биологии стали опубликованные в 1944 г. данные эксперимента Освальда Эвери, Колина МакЛауда и Маклина МакКарти, показавшие, что причиной трансформации бактерий является ДНК. Это было первое экспериментальное доказательство роли ДНК в передаче наследственной информации, развенчавшее бытовавшее ранее представление о белковой природе генов.

В начале 50-х годов Фредерик Сэнгер показал, что белковая цепь является уникальной последовательностью аминокислотных остатков. В конце 50-х годов Макс Перуц и Джон Кендрю расшифровали пространственное строение первых белков. Уже в 2000 году были известны сотни тысяч природных аминокислотных последовательностей и тысячи пространственных структур белков.

Примерно в то же время исследования Эрвина Чаргаффа позволили ему сформулировать правила, описывающие соотношение азотистых оснований в ДНК (правила гласят, что независимо от видовых различий в ДНК количество гуанина равно количеству цитозина, а количество аденина равно количеству темина), что помогло в дальнейшем сделать величайший прорыв в молекулярной биологии и одно из величайших открытий в биологии вообще.

Это событие произошло в 1953 году, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик , основываясь на работах Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса по рентгено-структурному анализу ДНК, установили двухспиральную структуру молекулы ДНК. Это открытие позволило ответить на принципиальный вопрос о способности носителя наследственной информации к самовоспроизведению и понять механизм передачи такой информации. Этими же учеными был сформулирован принцип комплементарности азотистых оснований, имеющий ключевое значение для понимания механизма образования надмолекулярных структур. Это принцип, применяемый теперь для описания всех молекулярных комплексов, позволяет описывать и предсказывать условия возникновения слабых (невалентных) межмолекулярных взаимодействий, обуславливающих возможность формирования вторичной, третичной и т.д. структуры макромолекул, протекания самосборки надмолекулярных биологических систем, определяющих столь большое разнообразие молекулярных структур и их функциональных наборов. Тогда же, в 1953 году возник научный журнал Journal of Molecular Biology. Его возглавил Джон Кендрю, сферой научных интересов которого было исследование структуры глобулярных белков (Нобелевская премия 1962 года совместно с Максом Перуцем). Аналогичный русскоязычный журнал под названием «Молекулярная биология» был основан в СССР В. А. Энгельгардтом в 1966 году.

В 1958 году Фрэнсис Крик сформулировал т.н. центральнаю догму молекулярной биологии: представление о необратимости потока генетической информации от ДНК через РНК к белкам по схеме ДНК→ДНК (репликация, создание копии ДНК), ДНК→РНК (транскрипция , копирование генов), РНК→ белок (трансляция, декодирование информации о структуре белков). Эта догма в 1970 году была несколько поправлена с учётом накопленных знаний, поскольку было открыто явление обратной транскрипции независимо Ховардом Темином и Дэвидом Балтимором: был обнаружен фермент - ревертаза, отвечающий за осуществление обратной транскрипции - образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК, которое происходит у онкогенных вирусов. Следует отметить, что строгая необходимость потока генетической информации от нуклеиновых кислот к белкам до сих пор остаётся основой молекулярной биологии.

В 1957 году Александр Сергеевич Спирин совместно с Андреем Николаевичем Белозерским показали, что, при существенных различиях в нуклеотидном составе ДНК из разных организмов, состав суммарных РНК сходен. На основании этих данных они пришли к сенсационному заключению о том, что суммарная РНК клетки не может выступать в качестве переносчика генетической информации от ДНК к белкам, поскольку не соответствует ей по своему составу. Вместе с тем они заметили, что существует минорная фракция РНК, которая полностью соответствует по своему нуклеотидному составу ДНК и которая может быть истинным переносчиком генетической инфрмации от ДНК к белкам. В результате они предсказали существование относительно небольших молекул РНК, являющихся по строению аналогами отдельных участков ДНК и выполняющих роль посредников при передаче генетической информации, содержащейся в ДНК, в рибосому, где с использованием этой информации осуществляется синтез белковых молекул. В 1961 году (С. Бреннер , Ф. Жакоб , М. Месельсон с одной стороны и Ф. Гро, Франсуа Жакоб и Жак Моно первыми получили опытное подтверждение существования таких молекул - информационной (матричной) РНК. Тогда же они разработали концепцию и модель функциональной единицы ДНК - оперона, которая позволила объяснить, как именно осуществляется регуляция экспрессии генов у прокариот. Исследование механизмов биосинтеза белка и принципов структурной организации и работы молекулярных машин - рибосом - позволило сформулировать постулат, описывающий движение генетической информации, называемый центральной догмой молекулярной биологии: ДНК - иРНК - белок.

В 1961 году и в течение последующих нескольких лет Хайнрихом Маттэем и Маршаллом Ниренбергом, а затем Харом Кораной и Робертом Холли были проведены несколько работ по расшифровке генетического кода, в результате которых была установлена непосредственная взаимосвязь между структурой ДНК и синтезируемыми белками и определена последовательность нуклеотидов, определяющая набор аминокислот в белке. Также были получены данные об универсальности генетического кода. Открытия были отмечены нобелевской премией 1968 года.

Для развития современных представлений о функциях РНК решающим было открытие некодирующих РНК, сделанное по результатам работ Александра Сергеевича Спирина совместно с Андреем Николаевичем Белозерским 1958 года, Чарльзом Бреннером с соавторами и Солом Шпигельманом 1961 года. Этот вид РНК составляют основную часть клеточных РНК. К некодирующим в первую очередь относятся рибосомные РНК.

Серьёзное развитие получили способы культивирования и гибридизации животных клеток. В 1963 году Франсуа Жакобом и Сиднеема Бреннером были сформулированы представления о репликоне - последовательности неотъемлемо реплицирующихся генов, объясняющей важные аспекты регуляции репликации генов.

В 1967 году в лаборатории А. С. Спирина было впервые продемонстрировано, что форма компактно свёрнутой РНК определяет морфологию рибосомной частицы.

В 1968 году было сделано значительное фундаментальное открытие. Оказаки, обнаружив фрагменты ДНК отстающей цепи при исследовании процесса репликации, названные в честь неё фрагментами Оказаки, уточнила механизм репликации ДНК.

В 1970 году независимо Ховардом Темином и Дэвидом Балтимором было сделано значительное открытие: был обнаружен фермент - ревертаза, отвечающий за осуществление обратной транскрипции - образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК, которое происходит у онкогенных вирусов, содержащих РНК.

Ещё одним важным достижением молекулярной биологии стало объяснение механизма мутаций на молекулярном уровне. В результате серии исследований были установлены основные типы мутаций: дупликации, инверсии, делеции, транслокации и транспозиции. Это дало возможность рассматривать эволюционные изменения с точки зрения генных процессов, позволило разработать теорию молекулярных часов, которая применяется в филогении.

К началу 70-х годов были сформулированы основные принципы функционирования нуклеиновых кислот и белков в живом организме. Было установлено, что белки и нуклеиновые кислоты в организме синтезируются по матричному механизму, молекула-матрица несёт в себе зашифрованную информацию о последовательности аминокислот (в белке) или нуклеотидов (в нуклеиновой кислоте). При репликации (удвоении ДНК) или транскрипции (синтезе иРНК) такой матрицей служит ДНК, при трансляции (синтезе белка) или обратной транскрипции - иРНК.

Таким образом, были созданы теоретические предпосылки для развития прикладных направлений молекулярной биологии, в частности, генетической инженерии . В 1972 году Пол Берг , Герберт Боер и Стэнли Коэн разработали технологию молекулярного клонирования. Тогда ими впервые была получена в пробирке рекомбинантная ДНК. Эти выдающиеся эксперименты заложили основы генетической инженерии, а этот год считается датой рождения этого научного направления.

В 1977 году Фредерик Сэнгер, и независимо Аллан Максам и Уолтер Гилберт разработали различные методы определения первичной структуры (секвенирования) ДНК. Метод Сэнгера, так называемый метод обрыва цепи, является основой современного метода секвенирования. Принцип секвенирования основан на использовании меченых оснований, выступающих в качестве терминаторов в циклической реакции секвенирования. Этот метод получил широкое распространение благодаря возможности быстро проводить анализ.

1976 г. - Фредерик. Сэнгер расшифровал нуклеотидную последовательность ДНК фага φΧ174 длиной 5375 нуклеотидных пар.

1981 г. - серповидноклеточная анемия становится первой генетической болезнью, диагностируемой с помощью анализа ДНК.

1982-1983 открытие каталитической функции РНК в американских лабораториях Т. Чека и С. Олтмана изменило существовавшее представления об исключительной роли белков. По аналогии с каталитическими белками - энзимами, каталитические РНК были названы рибозимами.

1987 год Кери Мюллез открыл полимеразную цепную реакцию, благодаря которой возможно искусственно значительно увеличить количество молекул ДНК в растворе для дальнейшей работы. На сегодняшний день это один из наиболее важных методов молекулярной биологии, применяющийся при исследовании наследственных и вирусных заболеваний, при изучении генов и при генетическом установлении личности и установлении родства и т.п.

В 1990 году одновременно тремя группами учёных был опубликован метод, позволявший быстро получать в лаборатории синтетические функционально активные РНК (искусственные рибозимы или молекулы, взаимодействующие с различными лигандами - аптамеры). Этот метод получил название «эволюция в пробирке». А вскоре после этого, в 1991-1993 года в лаборатории А.Б. Четверина была экспериментально показана возможность существования, роста и амплификации молекул РНК в форме колоний на твёрдых средах.

В 1998 году практически одновременно Крейг Мелло и Эндрю Фаер описали наблюдавшийся ранее при генных экспериментах с бактериями и цветами механизм РНК-интерференции , при котором небольшая двухцепочечная молекула РНК приводит к специфичному подавлению экспрессии гена.

Открытие механизма РНК-интерференции имеет очень важное практическое значение для современной молекулярной биологии. Это явление широко используется в научных экспериментах в качестве инструмента для «выключения», то есть, подавления экспрессии отдельных генов. Особый интерес вызван тем, что этот способ позволяет осуществлять обратимое (временное) подавление активности изучаемых генов. Ведутся исследования возможности применения этого явления для лечения вирусных, опухолевых, дегенеративных и метаболических заболеваний. Следует отметить, что в 2002 году были открыты мутанты вирусы полиомиелита, способные избегать РНК-интерференции, поэтому требуется ещё кропотливая работа для разработки действительно эффективных методов лечения на основе этого явления.

В 1999-2001 годах несколькими группами исследователей определена с разрешением от 5,5 до 2,4 ангстрем структура бактериальной рибосомы.

Предмет

Достижения молекулярной биологии в познании живой природы трудно переоценить. Больших успехов удалось достичь благодаря удачной концепции исследований: сложные биологические процессы рассматриваются с позиции отдельных молекулярных систем, что позволяет применять точные физико-химические методы исследования. Это также привлекло в эту область науки много великих умов из смежных направлений: химии, физики, цитологии, вирусологии , что также благотворно повлияло на масштабы и скорость развития научных знаний в этой области. Столь значимые открытия, как определение структуры ДНК, расшифровка генетического кода, искусственная направленная модификация генома, позволили значительно глубже понять специфику процессов развития организмов и успешно решать многочисленные важнейшие фундаментальные и прикладные научные, медицинские и социальные задачи, которые ещё не так давно считались неразрешимыми.

Предметом изучения молекулярной биологии являются в основном белки, нуклеиновые кислоты и молекулярные комплексы (молекулярные машины) на их основе и процессы, в которых они участвуют.

Нуклеиновые кислоты представляют собой линейные полимеры, состоящие из нуклеотидных звеньев (соединений пятичленного сахара с фосфатной группой при пятом атоме цикла и одного из четырёх азотистых оснований), соединённых между собой сложноэфирной связью фосфатных групп. Таким образом, нуклеиновая кислота - это пентозофосфатный полимер с азотистыми основаниями в качестве боковых заместителей. Химический состав цепочки РНК отличается от ДНК тем, что первая состоит из пятичленного цикла углевода рибозы, тогда как вторая - из дегидрокслилированного производного рибозы - дезоксирибозы. При этом пространственно эти молекулы различаются кардинально, поскольку РНК - это гибкая одноцепочечная молекула, тогда как ДНК - это двуцепочечная молекула.

Белки - это линейные полимеры, представляющие собой цепочки альфа-аминокислот, соединённых между собой пептидной связью, откуда их второе название - полипептиды. В состав природных белков входит множество различных аминокислотных звеньев - у человека до 20 -, что определяет широкое разнообразие функциональных свойств этих молекул. Те или иные белки принимают участие почти в каждом процессе в организме и выполняют множество задач: играют роль клеточного строительного материала, обеспечивают транспорт веществ и ионов, катализируют химические реакции, - список этот очень длинный. Белки образуют устойчивые молекулярные конформации различного уровня организации (вторичные и третичные структуры) и молекулярные комплексы, что ещё больше расширяет их функционал. Эти молекулы могут обладать высокой специфичностью к выполнению каких-либо задач благодаря образованию сложной пространственной глобулярной структуры. Большое разнообразие белков обеспечивает постоянный интерес учёных к этому виду молекул.

Современные представления о предмете молекулярной биологии основаны на обобщении, выдвинутом впервые в 1958 году Фрэнсисом Криком как центральная догма молекулярной биологии. Суть её заключалась в утверждении, что генетическая информация в живых организмах проходит строго определённые этапы реализации: копирование из ДНК в ДНК входе наследования, из ДНК в РНК, а затем из РНК в белок, причём обратный переход не осуществим. Это утверждение было справедливо лишь от части, поэтому впоследствии центральная догма была поправлена с оглядкой на открывшиеся новые данные.

На данный момент известно несколько путей реализации генетического материала, представляющих различные последовательности осуществления трёх видов существования генетической информации: ДНК, РНК и белок. В девяти возможных путях реализации выделяют три группы: это три общих превращения (general), осуществляющиеся в норме в большинстве живых организмов; три особых превращения(special), осуществляющиеся в некоторых вирусах или в особых лабораторных условиях; три неизвестных превращения (unknown), осуществление которых, как считается, невозможно.

К общим превращениям относятся следующие пути реализации генетического кода: ДНК→ДНК (репликация), ДНК→РНК (транскрипция), РНК→белок (трансляция).

Для осуществления передачи наследственных признаков родителям необходимо передать потомкам полноценную молекулу ДНК. Процесс, благодаря которому на основе исходной ДНК может быть синтезирована её точная копия, а следовательно, может быть передан генетический материал, называется репликацией. Он осуществляется специальными белками, которые распутывают молекулу (выпрямляют её участок), расплетают двойную спираль и при помощи ДНК-полимеразы создают точную копию исходной молекулы ДНК.

Для обеспечения жизнедеятельности клетки ей необходимо постоянно обращаться к генетическому коду, заложенному в двойной спирали ДНК. Однако эта молекула слишком велика и неповоротлива для применения её в качестве непосредственного источника генетического материала для непрерывного синтеза белка. Поэтому в ходе реализации информации, заложенной в ДНК, есть посредническая стадия: синтез иРНК, представляющей собой небольшую одноцепочечную молекулу, комплементарную определённому отрезку ДНК, кодирующему некоторый белок. Процесс транскрипции обеспечивается РНК-полимеразой и факторами транскрипции. Полученная молекула затем может быть легко доставлена в отдел клетки, ответственный за синтез белка - рибосому.

После попадания и РНК в рибосому наступает заключительная стадия реализации генетической информации. При этом рибосома считывает с иРНК генетический код триплетами , называющимися кодонами и синтезирует на основе получаемой информации соответствующий белок.

В ходе особых превращений генетический код реализуется по схеме РНК→РНК (репликация), РНК→ДНК (обратная транскрипция), ДНК→белок (прямая трансляция). Репликация такого вида реализуется во многих вирусах, где она осуществляется ферментом РНК-зависимой РНК-полимеразой. Аналогичные ферменты находятся и в клетках эукариот, где они связаны с процессом РНК-глушения (silencing). Обратная транскрипция обнаружена в ретровирусах, где она осуществляется под действием фермента обратной транскриптазы, а также в некоторых случаях в эукариотических клетках, например, при теломерном синтезе. Прямая трансляция осуществляется только в искусственных условиях в изолированной системе вне клетки.

Любой из трех возможных переходов генетической информации из белка в белок, РНК или ДНК считается невозможным. Случай воздействия прионов на белки, в результате которого образуется аналогичный прион, условно можно было бы отнести к виду реализации генетической информации белок→белок. Тем не менее, формально он таковым не является, поскольку не затрагивает аминокислотную последовательность в белке.

Любопытна история возникновения термина «центральная догма». Поскольку слово догма в общем случае означает утверждение, которое не подлежит сомнению, а само слово имеет явный религиозный подтекст, выбор его в качестве описания научного факта не совсем правомерен. По признанию самого Фрэнсиса Крика, это была его ошибка. Он хотел придать выдвигаемой теории большей значимости, выделить её на фоне остальных теорий и гипотез; для чего решил использовать это величественное, по его представлению, слово, не понимая его истинного смысла. Название это, однако, прижилось.

Молекулярная биология сегодня

Бурное развитие молекулярной биологии, постоянный интерес к достижениям в этой области со стороны общества и объективная важность исследований привели к возникновению большого числа крупных научно-исследовательских центров молекулярной биологии по всему миру. Среди крупнейших следует упомянуть следующие: лаборатория молекулярной биологии в Кембридже, Королевский институт в Лондоне - в Великобритании; институты молекулярной биологии в Париже, Марселе и Страсбурге, Пастеровский институт - во Франции; отделы молекулярной биологии в Гарвардском университете и Массачусетском технологическом институте, университете в Беркли, в Калифорнийском технологическом институте, в Рокфеллеровском университете, в институте здравоохранения в Бетесде - в США; институты Макса Планка, университеты в Гёттингене и Мюнхене, Центральный институт молекулярной биологии в Берлине, институты в Йене и Халле - в Германии; Каролинский институт в Стокгольме в Швеции.

В России ведущими центрами в этой области являются Институт молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН, Институт молекулярной генетики РАН, Институт биологии гена РАН, Институт физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ им. М.В.Ломоносова, Институт биохимии им. А.Н.Баха РАН и Институт белка РАН в Пущино.

Сегодня область интересов молекулярных биологов охватывает широкий спектр фундаментальных научных вопросов. По-прежнему ведущую роль занимает изучение структуры нуклеиновых кислот и биосинтеза белка, исследования строения и функций различных внутриклеточных структур, и клеточных поверхностей. Также важными направления исследований являются изучение механизмов рецепции и передачи сигналов, молекулярных механизмов транспорта соединений внутри клетки а также из клетки во внешнюю среду и обратно. Cреди основных направлений научного поиска в области прикладной молекулярной биологии одной из наиболее приоритетных является проблема возникновения и развития опухолей. Также очень важным направлением, изучением которого занимается раздел молекулярной биологии - молекулярная генетика, является изучение молекулярных основ возникновения наследственных заболеваний, и вирусных заболеваний, например, СПИДа, а также разработка способов их предупреждения и, возможно, лечения на генном уровне. Широкое применение нашли открытия и разработки молекулярных биологов в судебной медицине. Настоящая революция в области идентификации личности была сделана в 80-х годах учёными из России, США и Великобритании благодаря разработке и внедрению в повседневную практику метода «геномной дактилоскопии» - установления личности по ДНК. Исследования в этой области не прекращаются и по сей день, современные методы позволяют устанавливать личность с вероятностью ошибки одна миллиардная процента. Уже сейчас идёт активная разработка проекта генетического паспорта, что, как предполагается, позволит сильно снизить уровень преступности.

Методология

Сегодня молекулярная биология располагает обширным арсеналом методов, позволяющих решать самые передовые и самые сложные задачи, стоящие перед учёными.

Одним из самых распространённых методов в молекулярной биологии является гель-электрофорез , который решает задачи разделения смеси макромолекул по размеру или по заряду. Почти всегда после разделения макромолекул в геле применяется блоттинг , метод, позволяющий переносить макромолекулы из геля (сорбировать ) на поверхность мембраны для удобства дальнейшей работы с ними, в частности гибридизации . Гибридизация - формирование гибридной ДНК из двух цепей, имеющих различную природу, - метод, играющий важную роль в фундаментальных исследованиях. Он применяется для определения комплементарных отрезков в разных ДНК (ДНК разных видов), с его помощью происходит поиск новых генов, с его помощью была открыта РНК интерференция, а его принцип лёг в основу геномной дактилоскопии.

Большую роль в современной практике молекулярно-биологических исследований играет метод секвенирования - определения последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах и аминокислот в белках.

Современную молекулярную биологию невозможно представить без метода полимеразной цепной реакции (ПЦР). Благодаря этому методу осуществляется увеличение количества (амплификация) копий некоторой последовательности ДНК, чтобы позволяет получить из одной молекулы достаточное количество вещества для дальнейшей работы с ним. Аналогичный результат достигается технологией молекулярного клонирования, в которой требующаяся нуклеотидная последовательность внедряется в ДНК бактерии (живых систем), после чего размножение бактерий приводит к необходимому результату. Этот подход технически значительно сложнее, однако позволяет одновременно получать результат экспрессии исследуемой нуклеотидной последовательности.

Также в молекулярно-биологических исследованиях широко применяются методы ультрацентрифугирование (для разделения макромолекул (больших количеств), клеток, органелл), методы электронной и флуоресцентной микроскопии, спектрофотометрические методы, рентгеноструктурный анализ, авторадиография, и т.п.

Благодаря техническому прогрессу и научным изысканиям в области химии, физики, биологии и информатики современное оборудование позволяет выделять, изучать и изменять отдельные гены и процессы, в которые они вовлечены.