Молекулярна біологія та біологічна хімія вивчають. Молекулярна біологія як лекція к.б.н

Розвиток біохімії, біофізики, генетики, цитохімії, багатьох розділів мікробіології та вірусології приблизно на початок 40-х років XX ст. впритул підвело до вивчення життєвих явищ на молекулярному рівні. Успіхи, досягнуті цими науками, одночасно і з різних боків призвели до усвідомлення того факту, що саме на молекулярному рівні функціонують основні керуючі системи організму і що подальший прогрес цих наук залежатиме від розкриття біологічних функціймолекул, що становлять тіла організмів, їх участі у синтезі та розпаді, взаємних перетвореннях та репродукції сполук у клітині, а також обміну енергією та інформацією, що при цьому відбувається. Так на стику цих біологічних дисциплін з хімією та фізикою виникла абсолютно нова галузь- Молекулярна біологія.

На відміну від біохімії, увага сучасної молекулярної біології зосереджена переважно на вивченні структури та функції найважливіших класівбіополімерів - білків і нуклеїнових кислот, перші з яких визначають можливість перебігу обмінних реакцій, а другі - біосинтез специфічних білків. Зрозуміло тому, що чітке розмежування молекулярної біології та біохімії, відповідних розділів генетики, мікробіології та вірусології неможливо.

Виникнення молекулярної біології було тісно пов'язане з розробкою нових методів дослідження, про які вже йшлося у відповідних розділах. Поряд із розвитком електронної мікроскопії та інших методів мікроскопічної техніки велику роль відіграли розроблені у 50-х роках методи фракціонування клітинних елементів. Вони ґрунтувалися на вдосконалених методах диференціального центрифугування (А. Клод, 1954). До цього часу вже були досить надійні способи виділення та фракціонування біополімерів. Сюди належить, зокрема, запропонований А. Тизеліусом (1937; Нобелівська премія, 1948) метод фракціонування білків за допомогою електрофорезу, методи виділення та очищення нуклеїнових кислот (Е. Кей, А. Даунс, М. Севаг, А. Мирський та ін. ). Паралельно у багатьох лабораторіях світу розроблялися різні методи хроматографічного аналізу (А. Мартін та Р. Сінг, 1941; Нобелівська премія, 1952), згодом суттєво вдосконалені.

Неоціненну послугу у розшифруванні структури біополімерів зіграв рентгеноструктурний аналіз. Основні принципи рентгеноструктурного аналізу було розроблено у Королівському коледжі Лондонського університету під керівництвом У. Брегга групою дослідників, куди входили Дж. Бернал, А. Лондсдейл, У. Астбері, Дж. Робертсон та інших.

Слід особливо відзначити дослідження професора Московського державного університету А. Р. Кізеля з біохімії протоплазми (1925 – 1929), що мали найважливіше значення для подальшого становлення молекулярної біології. Кизель завдав удару уявленню, що міцно укоренилося, що в основі будь-якої протоплазми лежить особливе білкове тіло - пластин, що нібито визначає всі її найважливіші структурні і функціональні особливості. Він показав, що пластин - це білок, який зустрічається тільки у міксоміцетів, і то на певній стадії розвитку, і що жодного постійного компонента - єдиного скелетного білка - у протоплазмі немає. Тим самим вивчення проблеми будови протоплазми та функціональної ролі білків вийшло на правильний шляхі набула простору для свого розвитку. Дослідження Кізеля здобули світове визнання, стимулювавши вивчення хімії складових частин клітини.

Термін "молекулярна біологія", вперше використаний англійським кристалографом професором Лідського університету У. Астбері, з'явився, ймовірно, на початку 40-х (до 1945 р.). Основні рентгеноструктурні дослідження білків і ДНК, проведені Астбері в 30-х роках, послужили основою для подальшого успішного розшифрування вторинної структури цих біополімерів. У 1963 р. Дж. Бернал писав: "Пам'ятник йому буде встановлено всією молекулярною біологією - наукою, яку він назвав і справді заснував" * , У літературі цей термін з'явився вперше, мабуть, у 1946 р. у статті У. Астбері "Прогрес рентгеноструктурного" аналізу органічних та фібрилярних сполук", опублікованої в англійському журналі "Природа"**. У своїй Гарвіївській лекції Астбері (1950) відзначав: "Мені приємно, що зараз термін молекулярна біологія вже досить широко вживається, хоча мало ймовірно, що я першим запропонував його. Він мені подобався і я вже давно намагався його поширювати". Вже в 1950 р. Астбері було ясно, що молекулярна біологія має справу насамперед із структурою та конформацією макромолекул, вивчення яких має вирішальне значеннярозуміння функціонування живих організмів.

* (Biogr. Mem. Fellows Roy. Soc, 1963, v. 9, 29.)

** (W. T. Astbury. Progress of X-ray analysis of organic and fibre structures.- Nature,. 1946, v. 157, 121.)

*** (W. T. Astbury. Adventures in Molecular Biology. Thomas Springfield, 1952, p. 3.)

Перед молекулярною біологією стояли і стоять, власне, самі завдання, як і перед усією біологією загалом,- пізнання сутності життя та її основних явищ, зокрема таких, як спадковість і мінливість. Сучасна молекулярна біологія в першу чергу покликана розшифрувати структуру та функцію генів, шляхи та механізми реалізації генетичної інформаціїорганізмів на різних стадіяхонтогенезу та на різних етапахїї зчитування. Вона покликана розкрити тонкі механізми регуляції активності генів та клітинного диференціювання, з'ясувати природу мутагенезу та молекулярні основи еволюційного процесу.

Встановлення генетичної ролі нуклеїнових кислот

Для становлення молекулярної біології найбільше значення мали такі відкриття. У 1944 р. американські дослідники О. Евері, К. Мак-Леод (Нобелевська премія, 1923) і М. Мак-Карті показали, що виділені з пневмококів молекули ДНК мають трансформуючу активність. Після гідролізу цих ДНК дезоксирибонуклеазою їхня трансформуюча активність повністю зникала. Тим самим було вперше було переконливо доведено, що генетичними функціями у клітині наділена саме ДНК, а чи не білок.

Заради справедливості слід зазначити, що явище бактеріальної трансформації було виявлено значно раніше відкриття Евері, Мак-Леода та Мак-Карті. У 1928 р. Ф. Гріффіт опублікував статтю, в якій повідомив, що після додавання до невірулентних (некапсульованих) пневмококів вбитих клітин капсулированного вірулентного штаму одержувана суміш клітин стає згубною для мишей. Більше того, живі клітини пневмококів, що виділяються із заражених цією сумішшю тварин, були вже вірулентними і мали полісахаридну капсулу. Тим самим у цьому досвіді було показано, що під впливом якихось компонентів убитих клітин пневмококів некапсульована форма бактерій перетворюється на капсулоутворюючу вірулентну форму. Через 16 років Евері, Мак-Леод і Мак-Карті замінили в цьому досвіді вбиті цілі клітини пневмококів їх дезоксирибонуклеїновою кислотою і показали, що саме ДНК має трансформуючу активність (див. також глави 7 і 25). Значення цього відкриття важко переоцінити. Воно стимулювало вивчення нуклеїнових кислот у багатьох лабораторіях світу та змусило сконцентрувати увагу вчених саме на ДНК.

Поряд з відкриттям Евері, Мак-Леода та Мак-Карті до початку 50-х років вже накопичилося досить велика кількістьпрямих і непрямих даних у тому, що нуклеїнові кислоти грають виняткову роль життєдіяльності і несуть генетичну функцію. На це, зокрема, вказував і характер локалізації ДНК у клітині та дані Р. Вендрелі (1948) про те, що вміст ДНК на клітину строго постійно і корелює зі ступенем плідності: у гаплоїдних статевих клітинах ДНК вдвічі менше, ніж у диплоїдних соматичних. На користь генетичної роліДНК також засвідчила її виражена метаболічна стабільність. До початку 50-х років накопичилося багато різноманітних фактів, що свідчили про те, що більшість відомих мутагенних факторів діють переважно на нуклеїнові кислоти і особливо на ДНК (Р. Хочкісс, 1949; Г. Ефруссі-Тейлор, 1951; Е. Фріз , 1957 та ін.).

Особливого значення у встановленні генетичної ролі нуклеїнових кислот мало вивчення різних фагів та вірусів. У 1933 р. Д. Шлезінгер знайшов ДНК у бактеріофазі кишкової палички. З моменту виділення У. Стенлі (1935, Нобелівська премія, 1946) вірусу тютюнової мозаїки (ВТМ) у кристалічному стані розпочався новий етап у вивченні рослинних вірусів. У 1937 - 1938 роках. Співробітники Ротамстедської сільськогосподарської станції (Англія) Ф. Боуден і Н. Пірі показали, що багато виділених ними рослинних вірусів є не глобулінами, а являють собою рибонуклеопротеїди і містять як обов'язковий компонент нуклеїнову кислоту. На самому початку 40-х років були опубліковані роботи Г. Шрамма (1940), П. А. Агатова (1941), Г. Міллера та У. Стенлі (1941), які свідчили про те, що помітна хімічна модифікація білкового компонента не призводить до втрати інфекційності ВТМ. Це вказувало на те, що білковий компонент не може бути носієм спадкових властивостей вірусу, як продовжували вважати багато мікробіологів. Переконливі докази на користь генетичної ролі нуклеїнової кислоти (РНК) у рослинних вірусів були отримані у 1956 р. Г. Шраммом у Тюбінгені (ФРН) та X. Френкель-Конратом у Каліфорнії (США). Ці дослідники практично одночасно і незалежно один від одного виділили з ВТМ РНК і показали, що саме вона, а не білок, має інфекційність: внаслідок зараження рослин тютюну цієї РНК у них відбувалося формування та розмноження нормальних вірусних частинок. Це означало, що РНК містить інформацію для синтезу та збирання всіх вірусних компонентів, у тому числі і вірусного білка. У 1968 р. І. Р. Атабеков встановив, що білок відіграє істотну роль при зараженні рослин - природою білка визначається спектр рослин-господарів.

У 1957 р. Френкель-Конрат вперше здійснив реконструкцію ВТМ із складових його компонентів – РНК та білка. Поряд із нормальними частинками він отримав змішані "гібриди", у яких РНК була від одного штаму, а білок - від іншого. Спадковість таких гібридів повністю визначалася РНК, і потомство вірусів належало до того штаму, РНК якого було використано отримання вихідних змішаних частинок. Пізніше досліди А. Гірера, Г. Шустера та Г. Шрамма (1958) та Г. Вітмана (1960 – 1966) показали, що хімічна модифікація нуклеїнового компонента ВТМ призводить до появи різноманітних мутантів цього вірусу.

У 1970 р. Д. Балтімор та Г. Темін встановили, що перенесення генетичної інформації може відбуватися не тільки від ДНК до РНК, а й навпаки. Вони виявили у деяких онкогенних РНК-вірусів (онкорнавіруси) особливий фермент, так звану зворотну транскриптазу, який здатний на ланцюгах РНК комплементарно синтезувати ДНК. Це велике відкриття дозволило зрозуміти механізм вбудовування в геном господаря генетичної інформації РНК-вірусів і по-новому поглянути на природу їх онкогенної дії.

Відкриття нуклеїнових кислот та вивчення їх властивостей

Термін нуклеїнових кислот був введений німецьким біохіміком Р. Альтманом в 1889 р., після того, як ці сполуки були відкриті в 1869 р. швейцарським лікарем Ф. Мішером. Мішер екстрагував клітини гною розведеною соляною кислотою протягом кількох тижнів і отримав у залишку майже чистий ядерний матеріал. Цей матеріал він вважав характерною речовиною клітинних ядер і назвав його нуклеїном. За своїми властивостями нуклеїн різко відрізнявся від білків: він був більш кислим, не містив сірку, зате в ньому було багато фосфору, він добре розчинявся в лугах, але не розчинявся в розведених кислот.

Результати своїх спостережень над нуклеїном Мішер направив Гоппе-Зейлеру для опублікування в журналі. Описана ним речовина була настільки незвичайною (тоді з усіх біологічних сполук фосфору був відомий тільки лецитин), що Гоппе-Зейлер не повірив досвідам Мішера, повернув йому рукопис і доручив своїм співробітникам М. Плошу та М. Любавіну перевірити його висновки на іншому матеріалі. . Робота Мішера "Про хімічний склад клітин гною" побачила світ на два роки пізніше (1871). У той же час були опубліковані роботи Гоппе-Зейлера та його співробітників щодо складу клітин гною, еритроцитів птахів, змій та інших клітин. Протягом наступних трьох років нуклеїн був виділений із тварин клітин та дріжджів.

У своїй роботі Мішер зазначав, що детальне вивчення різних нуклеїнів може призвести до встановлення відмінностей між ними, передбачивши цим ідею специфічності нуклеїнових кислот. Досліджуючи молоко лосося, Мішер встановив, що нуклеїн знаходиться в них у вигляді солі і пов'язаний з основним білком, який він назвав протаміном.

У 1879 р. в лабораторії Гоппе-Зейлер вивченням нуклеїнів почав займатися А. Коссель. У 1881 р. він виділив з нуклеїну гіпоксантин, проте на той час він ще сумнівався у походженні цієї основи і вважав, що гіпоксантин може бути продуктом деградації білків. У 1891 р. у числі продуктів гідролізу нуклеїну Коссель виявив аденін, гуанін, фосфорну кислоту та ще одну речовину із властивостями цукру. За дослідження з хімії нуклеїнових кислот Косселя у 1910 р. було присуджено Нобелівську премію.

Подальші успіхи у розшифровці структури нуклеїнових кислот пов'язані з дослідженнями П. Левіна та співробітників (1911 – 1934). У 1911 р. П. Левін та В. Жакобс ідентифікували вуглеводний компонент аденозину та гуанозину; вони встановили, що до цих нуклеозидів входить D-рибоза. У 1930 р. Левін показав, що вуглеводним компонентом дезоксирибонуклеозидів є 2-дезокси-D-рибоза. З його робіт стало відомо, що нуклеїнові кислоти побудовані з нуклеотидів, тобто фосфорильованих нуклеозидів. Левін вважав, що основним типом зв'язку в нуклеїнових кислотах (РНК) є 2", 5"-фосфодіефірний зв'язок. Це уявлення виявилося помилковим. Завдяки роботам англійського хіміка А. Тодда (Нобелевська премія, 1957) та його співробітників, а також англійських біохіміків Р. Маркхема та Дж. Сміта на початку 50-х років стало відомо, що основним типом зв'язку в РНК є 3", 5"- фосфодіефірний зв'язок.

Левін показав, що різні нуклеїнові кислоти можуть відрізнятися за природою вуглеводного компонента: одні містять цукор дезоксирибозу, інші - рибозу. Крім того, зазначені два типи нуклеїнових кислот відрізнялися за природою однієї з основ: у нуклеїнових кислотах пентозного типу містився урацил, а в нуклеїнових кислотах дезоксипентозного типу – тімін. Дезоксипентозну нуклеїнову кислоту (за сучасною термінологією, дезоксирибонуклеїнова кислота – ДНК) зазвичай легко виділяли у великих кількостях з тимусу (зобної залози) телят. Тому вона отримала назву тимонуклеїнової кислоти. Джерелом нуклеїнової кислоти пентозного типу (РНК) служили головним чином дріжджі та зародки пшениці. Цей тип часто називали дріжджовою нуклеїновою кислотою.

На початку 30-х років досить міцно вкоренилося уявлення, ніби рослинних клітин характерна нуклеїнова кислота дріжджового типу, а тимонуклеинова кислота властива лише ядрам тварин клітин. Два типи нуклеїнових кислот - РНК і ДНК - тоді називали відповідно рослинної і тваринної нуклеїновими кислотами. Однак, як показали ранні дослідження А. Н. Білозерського, такий поділ нуклеїнових кислот невиправданий. У 1934 р. Білозерський вперше виявив тимонуклеїнову кислоту рослинних клітинах: із проростків гороху він виділив та ідентифікував тімін-піримідинову основу, характерну саме для ДНК. Потім він виявив тімін і в інших рослинах (насінні сої, квасолі). У 1936 р. А. Н. Білозерський та І. І. Дубровська виділили препаративно ДНК із проростків кінського каштану. Крім того, серія робіт, виконаних у 40-х роках в Англії Д. Девідсоном зі співробітниками, переконливо показала, що рослинна нуклеїнова кислота (РНК) міститься у багатьох тваринних клітинах.

Широке застосування розробленої Р. Фельгеном і Р. Розенбеком (1924) цитохімічної реакцію ДНК і реакції Ж. Браше (1944) на РНК дозволило досить швидко і однозначно вирішити питання переважної локалізації цих нуклеїнових кислот у клітині. Виявилося, що ДНК зосереджена в ядрі, тоді як РНК концентрується переважно в цитоплазмі. Пізніше було з'ясовано, що РНК міститься як у цитоплазмі, так і в ядрі, крім того, були виявлені цитоплазматичні ДНК.

Що стосується питання про первинну структуру нуклеїнових кислот, то до середини 40-х років у науці міцно утвердилося уявлення П. Левіна, згідно з яким усі нуклеїнові кислоти побудовані за одним типом і складаються з однакових так званих тетрануклеотидних блоків. У кожному з цих блоків, на думку Левіна, міститься чотири різні нуклеотиди. Тетрануклеотидна теорія будови нуклеїнових кислот значною мірою позбавляла ці біополімери специфічності. Тому не дивно, що всю специфіку живого пов'язували тоді лише з білками, природа мономерів яких набагато різноманітніша (20 амінокислот).

Першу пролом теоренуклеотидного будови нуклеїнових кислот пробили аналітичні дані англійського хіміка Дж. Гуланда (1945 - 1947). При визначенні складу нуклеїнових кислот азоту підстав він не отримав еквімолярного співвідношення підстав, як це мало б бути згідно з теорією Левіна. Остаточно тетрануклеотидна теорія будови нуклеїнових кислот впала в результаті досліджень Е. Чаргаффа та його співробітників (1949 – 1951). Для поділу основ, що вищеплюються з ДНК в результаті її кислотного гідролізуЧаргафф використовував хроматографію на папері. Кожна з цих підстав була точно визначена спектрофотометрично. Чаргафф помітив значні відхилення від еквімолярного співвідношення основ ДНК різного походженняі вперше виразно заявив, що ДНК має виражену видову специфічність. Тим самим було покладено край гегемонії концепції про специфічність білка в живій клітині. Аналізуючи ДНК різного походження, Чаргафф відкрив і сформулював унікальні закономірності складу ДНК, що увійшли до науки під назвою правил Чаргаффа. Згідно з цими правилами, у всіх ДНК, незалежно від походження, кількість аденіну дорівнює кількості тиміну (А = Т), кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину (Г = Ц), кількість пуринів дорівнює кількості піримідинів (Г + А = Ц + Т), кількість основ з 6-аміногрупами дорівнює кількості основ з 6-кетогруп-пами (А+Ц=Г+Т). Разом про те, попри такі суворі кількісні відповідності, ДНК різних видів відрізняються за величиною відношення А+Т:Г+Ц. В одних ДНК кількість гуаніну та цитозину переважає над кількістю аденіну та тиміну (ці ДНК Чаргафф назвав ДНК ГЦ-типу); інші ДНК містили аденіну та тиміну більше, ніж гуаніну та цитозину (ці ДНК були названі ДНК АТ-типу). Отримані Чаргаффом дані щодо складу ДНК зіграли виняткову роль молекулярної біології. Саме вони лягли в основу відкриття будови ДНК, зробленої в 1953 Дж. Вотсоном і Ф. Криком.

Ще в 1938 р. У. Астбері та Ф. Белл за допомогою рентгеноструктурного аналізу показали, що площини основ у ДНК повинні бути перпендикулярними до довгої осі молекули і нагадувати як би стопку пластин, що лежать один над одним. У міру вдосконалення техніки рентгеноструктурного аналізу до 1952 – 1953 р.р. накопичилися відомості, що дозволили судити про довжину окремих зв'язківта кутах нахилу. Це дозволило з найбільшою ймовірністю уявити характер орієнтації кілець пентозних залишків в сахарофосфатном кістяку молекули ДНК. У 1952 р. С. Фарберг запропонував дві умоглядні моделі ДНК, які представляли складену або закручену саму на себе одноважну молекулу. Не менш спекулятивна модель будови ДНК була запропонована у 1953 р. Л. Полінгом (лауреат Нобелівської премії, 1954) та Р. Корі. У цій моделі три закручені ланцюги ДНК утворювали довгу спіраль, стрижень якої був представлений фосфатними групами, а основи розташовувалися назовні від нього. До 1953 р. М. Вілкінс та Р. Франклін отримали більш чіткі рентгеноструктурні картини ДНК. Їхній аналіз показав повну неспроможність моделей Фарберга, Полінга та Корі. Використовуючи дані Чаргафа, зіставляючи різні поєднаннямолекулярних моделей окремих мономерів та дані рентгеноструктурного аналізу, Дж. Вотсон та Ф. Крик у 1953 р. дійшли висновку, що молекула ДНК має бути двотяжкою спіраллю. Правила Чаргаффа різко обмежили кількість можливих упорядкованих поєднань основ у запропонованій моделі ДНК; вони підказали Вотсону і Крику, що у молекулі ДНК має бути специфічне парування підстав - аденіну з тиміном, а гуаніну з цитозином. Іншими словами аденіну в одному ланцюзі ДНК завжди строго відповідає тимін в іншому ланцюзі, а гуаніну в одному ланцюзі обов'язково відповідає цитозин в іншій. Тим самим Уотсон і Крик вперше сформулювали виняткову важливість принцип комплементарної будови ДНК, згідно з яким один ланцюг ДНК доповнює іншу, тобто послідовність основ одного ланцюга однозначно визначає послідовність основ в іншому (комплементарному) ланцюзі. Стало очевидним, що вже в самій структурі ДНК закладено потенційну можливість її точного відтворення. Ця модель будови ДНК нині є загальновизнаною. За розшифрування структури ДНК Крику, Вотсону та Уїлкінсу в 1962 р. було присуджено Нобелівську премію.

Слід зазначити, що ідея про механізм точного відтворення макромолекул та передачу спадкової інформації зародилася в нашій країні. У 1927 р. Н. К. Кольцов висловив припущення, що при розмноженні клітин відбувається репродукція молекул шляхом точного автокаталітичного відтворення наявних материнських молекул. Щоправда, тоді Кольцов наділяв цим властивістю не молекули ДНК, а молекули білкової природи, про функціональному значенні яких тоді нічого не було відомо. Проте сама думка про автокаталітичне відтворення макромолекул та механізм передачі спадкових властивостей виявилася пророчою: вона стала керівною ідеєю сучасної молекулярної біології.

Проведені в лабораторії А. Н. Білозерського А. С. Спіріним, Г. Н. Зайцевою, Б. Ф. Ванюшиним, С. О. Урисон, А. С. Антоновим та іншими багаторічними дослідженнями (1957-1974) складу ДНК у самих різноманітних організмів повністю підтвердили закономірності, виявлені Чаргаффом, і повну відповідність до молекулярної моделі ДНК, запропонованої Уотсоном і Криком. Ці дослідження показали, що ДНК різних бактерій, грибів, водоростей, актиноміцетів, вищих рослин, безхребетних і хребетних мають специфічність складу. Особливо різко відмінності у складі (змісті АТ-пар основ) виражені у мікроорганізмів, виявляючись важливою таксономічною ознакою. У вищих рослин та тварин видові варіації у складі ДНК виражені значно слабше. Але це зовсім не означає, що ДНК у них менш специфічна. Крім складу підстав специфічність більшою міроювизначається їх послідовністю у ланцюгах ДНК.

Поряд із звичайними основами у складі ДНК та РНК були виявлені додаткові азотисті основи. Так, у складі ДНК рослин і тварин Г. Уайт (1950) знайшов 5-метилцитозин, а Д. Данн та Дж. Сміт (1958) виявили в деяких ДНК метильований аденін. Довгий часметилцитозин вважався відмінною рисою генетичного матеріалунайвищих організмів. У 1968 р. А. Н. Білозерський, Б. Ф. Ванюшин та Н. А. Кокуріна встановили, що він може зустрічатися також і в ДНК бактерій.

У 1964 р. М. Голд та Дж. Хурвітц відкрили новий клас ферментів, що здійснюють природну модифікацію ДНК – її метилювання. Після цього відкриття стало ясно, що мінорні (що містяться в малих кількостях) основи виникають вже на готовому полінуклеотидному ланцюзі ДНК в результаті специфічного метилювання залишків цитозину та аденіну в особливих послідовностях. Зокрема, за даними Б. Ф. Ванюшина, Я. І. Бур'янова та А. Н. Білозерського (1969) метилювання аденіну в ДНК кишкової палички може відбуватися в термінуючих кодонах. За даними А. Н. Білозерського та співробітників (1968 – 1970), а також М. Мезельсона (США) та В. Арбера (Швейцарія) (1965 – 1969) метилювання надає молекулам ДНК унікальні індивідуальні рисита у поєднанні з дією специфічних нуклеаз є частиною складного механізму, який здійснює контроль за синтезом ДНК у клітині. Іншими словами, характер метилювання тієї чи іншої ДНК визначає питання про те, чи може вона розмножуватися у цій клітині.

Практично в той же час почалося виділення та інтенсивне вивчення ДНК-метилаз та рестрикуючих ендонуклеаз; 1969 - 1975 рр. встановлені нуклеотидні послідовності, відомі в ДНК деякими з цих ферментів (X. Бойєр, X. Сміт, С. Лінн, К. Муррей). При гідролізі різних ДНК ферментом, що рестрикує, вищеплюються досить великі фрагменти з однаковими "липкими" кінцями. Це дає можливість як аналізувати структуру генів, як і зроблено в невеликих вірусів (Д. Натанс, З. Адлер, 1973 - 1975), а й конструювати різні геноми. З відкриттям цих специфічних ферментів рестрикції генетична інженерія стала відчутною реальністю. Вбудовані в невеликі плазмідні ДНК гени різного походження легко вводять у різні клітини. Так, отримано новий типбіологічно активних плазмід, що дають стійкість до деяких антибіотиків (С. Коен, 1973), введені рибосомальні гени жаби та дрозофіли в плазміди кишкової палички (Дж. Морроу, 1974; X. Бойєр, Д. Хогнесс, Р. 5 Девіс, 1 . Таким чином, відкриті реальні шляхи для отримання принципово нових організмів шляхом введення та вбудовування у їх генофонд різноманітних генів. Це відкриття може бути спрямоване на благо людства.

У 1952 р. Г. Уайт та С. Коен виявили, що в ДНК Т-парних фагів міститься незвичайна основа - 5-оксиметилцитозин. Пізніше з робіт Е. Волькіна і Р. Сінсхеймера (1954) та Коена (1956) стало відомо, що залишки оксиметилцитозину можуть бути повністю або частково глюкозидовані, внаслідок чого молекула фагової ДНК виявляється захищеною від гідролітичної дії нуклеаз.

На початку 50-х років із робіт Д. Данна та Дж. Сміта (Англія), С. Заменхофа (США) та А. Вакера (ФРН) стало відомо, що в ДНК можуть включатися багато штучних аналогів основ, заміщаючи іноді до 50% тиміну. Як правило, ці заміщення призводять до помилок при реплікації, транскрипції ДНК та трансляції та до появи мутантів. Так, Дж. Мармур (1962) встановив, що ДНК деяких фагів замість тиміну міститься оксиметилурацил. У 1963 р. І. Такахаші та Дж. Мармур виявили, що в ДНК одного з фагів замість тиміну міститься урацил. Таким чином, звалився ще один принцип, яким раніше розділяли нуклеїнові кислоти. З часів робіт П. Левіна вважалося, що відмітною ознакоюДНК є тимін, а РНК – урацил. Стало ясно, що ця ознака не завжди надійна, і важливою відмінністю хімічної природи двох типів нуклеїнових кислот, як це представляється на сьогоднішній день, є лише характер вуглеводного компонента.

Під час вивчення фагів було розкрито багато незвичайних ознак організації нуклеїнових кислот. З 1953 р. вважалося, що це ДНК є двотяжкі лінійні молекули, а РНК - лише однотяжні. Це становище суттєво похитнулося в 1961 р., коли Р. Сінсхеймер виявив, що ДНК фага φ X 174 представлена ​​однотяжкою кільцевою молекулою. Щоправда, потім з'ясувалося, що у такій формі ця ДНК існує лише у вегетативної фагової частки, а реплікативна форма ДНК цього фага також двотяжка. Крім того, дуже несподіваним виявилося, що РНК деяких вірусів може бути двотяжкою. Цей новий тип макромолекулярної організації РНК був виявлений у 1962 р. П. Гоматосом, І. Таммом та іншими дослідниками у деяких вірусів тварин та у вірусу ранової пухлини рослин. Нещодавно В. І. Агол і А. А. Богданов (1970) встановили, що крім лінійних молекул РНК існують замкнуті або циклічні молекули. Циклічна двотяжка РНК виявлена ​​ними, зокрема, у вірусу енцефаломієлокардиту. Завдяки роботам X. Діво, Л. Тіноко, Т. І. Тихоненка, Е. І. Будовського та інших (1960 – 1974) стали відомі основні риси організації (укладання) генетичного матеріалу у бактеріофагів.

Наприкінці 50-х років американський вчений П. Доті встановив, що при нагріванні відбувається денатурація ДНК, що супроводжується розривом водневих зв'язків між парами основ та розбіжністю комплементарних ланцюгів. Цей процес носить характер фазового переходу на кшталт "спіраль-клубок" і нагадує плавлення кристалів. Тому процес теплової денатурації ДНК Доті назвав плавленням ДНК. При повільному охолодженні відбувається ренатурацпя молекул, тобто возз'єднання комплементарних половинок.

Принцип ренатурації в 1960 р. був використаний Дж. Мармуром і К. Шільдкраутом для визначення ступеня "гібридизування" ДНК різних мікроорганізмів. Згодом Е. Болтон та Б. Мак-Карті удосконалили цей прийом, запропонувавши метод так званих ДНК-агарових колонок. Цей метод виявився незамінним у вивченні ступеня гомології нуклеотидної послідовності різних ДНК та з'ясуванні генетичної спорідненості різних організмів. Відкрита Доти денатурація ДНК у поєднанні з описаною Дж. Манделем та А. Херши* (1960) хроматографією на метильованому альбуміні та центрифугуванням у градієнті щільності (метод розроблений у 1957 р. М. Мезельсоном, Ф. Сталем та Д. Виноградом) розділення, виділення та аналізу окремих комплементарних ланцюгів ДНК Так, наприклад, В. Шибальськи (США), використовуючи ці прийоми для поділу ДНК лямбда фага, показав у 1967 - 1969 рр., що генетично активними є обидва ланцюжки фага, а не один, як це було прийнято рахувати (С. Спігельман, 1961). Слід зазначити, що вперше ідея про генетичну значущість обох ланцюжків ДНК лямбда фага була висловлена ​​в СРСР С. Є. Бреслером (1961).

* (За роботи з генетики бактерій та вірусів А. Херші спільно з М. Дельбрюком та С. Луріа були удостоєні 1969 р. Нобелівської премії.)

Для розуміння організації та функціональної активності геному першорядне значення має визначення нуклеотидної послідовності ДНК. Пошуки методів такого визначення ведуться у багатьох лабораторіях світу. У США М. Бір із співробітниками з кінця 50-х років намагається встановити послідовність ДНК за допомогою електронної мікроскопії, але поки що безуспішно. На початку 50-х років із перших робіт Сінсхеймера, Чаргаффа та інших дослідників з ферментативної деградації ДНК стало відомо, що різні нуклеотиди в молекулі ДНК розподілені хоч і нехаотично, але нерівномірно. За даними англійського хіміка К. Бартона (1961), піримідини (їх понад 70%) зосереджені переважно у вигляді відповідних блоків. А. Л. Мазін і Б. Ф. Ванюшин (1968 - 1969) встановили, що різні ДНК мають різним ступенемЗблоченість піримідинів і що в ДНК тварин організмів вона помітно зростає в міру переходу від нижчих до вищих. Отже, еволюція організмів відбито у структурі їх геномів. Саме тому для розуміння еволюційного процесу в цілому порівняльне вивчення структури нуклеїнових кислот набуває особливого значення. Аналіз структури біологічно важливих полімеріві, в першу чергу, ДНК вкрай важливий для вирішення багатьох приватних питань філогенетики і таксономії.

Цікаво відзначити, що англійський фізіолог Е. Ланкестер, який вивчав гемоглобіни молюсків, що рівно 100 років тому передбачив ідеї молекулярної біології, писав: "Хімічні відмінності різних видів і пологів тварин і рослин мають таке ж важливе значеннядля з'ясування історії їхнього походження, як і відмінності у їхній формі. Якби ми могли чітко встановлювати відмінності в молекулярній організації та функціонуванні організмів, ми змогли б значно краще розібратися в походженні та еволюції різних організмів, ніж на підставі морфологічних спостережень”. . , що "в основі всіх навіть чисто морфологічних ознак, виходячи з яких ми класифікуємо і встановлюємо види, лежать саме біохімічні відмінності" ** .

* (Е. R. Lankester. Uber das Vorcommen von Haemoglobin в днині Muskeln der Mollusken und die Verbreitung desselben в дн lebendigen Organismen.)

** (В. Л. Комаров. Вибрані соч., т. 1. М.-Л., Вид-во АН СРСР, 1945, стор 331.)

А. В. Благовіщенський і С. Л. Іванов ще в 20-х роках зробили перші в нашій країні кроки щодо з'ясування деяких питань еволюції та систематики організмів на основі порівняльного аналізу їхнього біохімічного складу (див. гл. 2). Порівняльний аналіз структури білків і нуклеїнових кислот в даний час стає все більш відчутною підмогою для систематиків (див. Розділ 21). Цей метод молекулярної біології дозволяє не лише уточнити становище окремих видіву системі, а й змушує по-новому поглянути самі принципи класифікації організмів, котрий іноді переглянути всю систему загалом, як і сталося, наприклад, із систематикою мікроорганізмів. Безперечно, і в майбутньому аналіз структури геному займатиме центральне місце в хемосистематиці організмів.

Величезне значення для становлення молекулярної біології мало розшифрування механізмів реплікації ДНК та транскрипції (див. розділ 24).

Біосинтез білка

Важливе зрушення у вирішенні проблеми біосинтезу білка пов'язане з успіхами у вивченні нуклеїнових кислот. У 1941 р. Т. Касперсон (Швеція) та 1942 р. Ж. Браше (Бельгія) звернули увагу на те, що в тканинах з активним білковим синтезом міститься підвищена кількість РНК. Вони дійшли висновку, що рибонуклеїнові кислоти грають визначальну роль синтезі білка. У 1953 р. Е. Гейл і Д. Фокс, начебто, отримали прямі докази безпосередньої участі РНК у біосинтезі білка: за їхніми даними, рибонуклеаза значно пригнічувала включення амінокислот у лізатах бактеріальних клітин. Аналогічні дані були отримані В. Олфрі, М. Делі та А. Мирським (1953) на гомогенатах печінки. Пізніше Еге. Гейл відмовився від висловленої їм правильної ідеї про провідну роль РНК у білковому синтезі, помилково вважаючи, що активація білкового синтезу у безклітинній системі відбувалася під впливом якоїсь іншої речовини невідомої природи. У 1954 р. П. Замітник, Д. Літлфілд, Р. Б. Хесін-Лур'є та інші виявили, що найбільш активне включення амінокислот відбувається у багатих РНК фракціях субклітинних частинок – мікросом. П. Замітник та Е. Келлер (1953 – 1954) виявили, що включення амінокислот помітно посилювалося у присутності надосадової фракції в умовах регенерації АТФ. П. Сікевіц (1952) та М. Хогланд (1956) виділили з надосадової рідини білкову фракцію (рН 5 фракція), яка була відповідальною за різке стимулювання включення амінокислот у мікросомах. Поряд із білками в надосадовій рідині було виявлено особливий клас низькомолекулярних РНК, які тепер називають транспортними РНК (тРНК). У 1958 р. Хогланд і Помітник, і навіть П. Берг, Р. Світ і Ф. Аллен та ще дослідники виявили, що з активації кожної амінокислоти необхідний свій особливий фермент, АТФ і специфічна тРНК. Стало ясно, що тРНК виконують виключно функцію адаптерів, тобто пристосувань, які знаходять на нуклеїновій матриці (іРНК) місце відповідної амінокислоті у білковій молекулі, що формується. Ці дослідження повністю підтвердили адапторну гіпотезу Ф. Крику (1957), що передбачала існування в клітині полінуклеотидних адапторів, необхідних для правильного розташування амінокислотних залишків білка, що синтезується на нуклеїновій матриці. Вже набагато пізніше французький вчений Ф. Шапвіль (1962) в лабораторії Ф. Ліпмана (Нобелівська премія, 1953) у США дуже дотепно і однозначно показав, що місце розташування амінокислоти в білковій молекулі, що синтезується, повністю визначається тією специфічною тРНК, до якої вона приєднана. Адапторна гіпотеза Крику була розвинена у роботах Хогланда та Помічника.

До 1958 стали відомі такі основні етапи білкового синтезу: 1) активація амінокислоти специфічним ферментом з "рН 5 фракції" в присутності АТФ з утворенням аміноациладенілату; 2) приєднання активованої амінокислоти до специфічної тРНК із вивільненням аденозинмонофосфату (АМФ); 3) зв'язування аміноацил-тРНК (тРНК, навантажена амінокислотою) з мікросомами та включення амінокислот у білок з вивільненням тРНК. Хогланд (1958) зазначив, що на останньому етапібілкового синтезу необхідний гуанозинтріфосфат (ГТФ).

Транспортні РНК та синтез гена

Після виявлення тРНК почалися активні пошуки їхнього фракціонування та визначення нуклеотидної послідовності. Найбільших успіхів досяг американський біохімік Р. Холлі. У 1965 р. він встановив структуру аланінової тРНК із дріжджів. За допомогою рибонуклеаз (гуанілова РНК-аза та панкреатична РНК-аза) Холлі розділив молекулу нуклеїнової кислоти на кілька фрагментів, визначив у кожному окремо нуклеотидну послідовність і потім реконструював послідовність всієї молекули аланінової тРНК. Цей шлях аналізу нуклеотидної послідовності отримав назву блочного методу. Заслуга Холлі полягала головним чином тому, що він навчився розділяти молекулу РНК як на дрібні шматки, як і багато хто й до нього, а й у великі фрагменти (четвертинки і половинки). Це й дало можливість правильно зібрати окремі маленькі шматки воєдино і цим відтворити повну нуклеотидну послідовність всієї молекули тРНК (Нобелевская премія, 1968).

Цей прийом відразу ж було прийнято на озброєння у багатьох лабораторіях світу. Протягом наступних двох років у СРСР та за кордоном була розшифрована первинна структураодночасно кількох тРНК. А. А. Баєв (1967) та співробітники вперше встановили послідовність нуклеотидів у дріжджовій валіновій тРНК. На цей час вивчено вже понад десяток різних індивідуальних тРНК. Своєрідний рекорд у визначенні нуклеотидної послідовності встановлено у Кембриджі Ф. Сенгером та Г. Браунлі. Ці дослідники розробили напрочуд витончений метод поділу олігонуклеотидів і встановили послідовність так званої 5 S ​​(рибосомної) РНК із клітин кишкової палички (1968). Ця РНК складається з 120 нуклеотидних залишків і, на відміну від тРНК, не містить додаткових мінорних основ, які помітно полегшують аналіз нуклеотидної послідовності, служачи унікальними орієнтирами окремих фрагментів молекули. В даний час завдяки використанню методу Сенгера та Браунлі успішно просувається робота з вивчення послідовності довгих рибосомних РНК та деяких вірусних РНК у лабораторії Ж. Ебеля (Франція) та інших дослідників.

А. А. Баєв та співробітники (1967) виявили, що розрізана навпіл валінова тРНК відновлює свою макромолекулярну структуру в розчині і, незважаючи на дефект у первинній структурі, має функціональну активність вихідної (нативної) молекули. Цей підхід – реконструкція розрізаної макромолекули після видалення певних фрагментів – виявився досить перспективним. Він широко використовується зараз з'ясування функціональної ролі окремих ділянок тих чи інших тРНК.

В останні роки досягнуто великого успіху в отриманні кристалічних препаратів індивідуальних тРНК. Зараз у кількох лабораторіях у США та Англії вдалося закристалізувати вже багато тРНК. Це дало змогу дослідити стуруктуру тРНК за допомогою рентгеноструктурного аналізу. У 1970 р. Р. Бок представив перші рентгенограми та тривимірні моделі кількох тРНК, створені ним у Вісконсінському університеті. Ці моделі допомагають визначити локалізацію окремих функціонально активних ділянок у тРНК та зрозуміти основні засади функціонування цих молекул.

Найважливіше значення для розкриття механізму синтезу білка та вирішення проблеми специфічності цього процесу мало розшифровка природи генетичного коду (див. розділ 24), яку без перебільшення можна розглядати як провідне завоювання природознавства XX ст.

Розкриття Р. Холлі первинної структури тРНК дало поштовх роботам Г. Корани* (США) щодо синтезу олігонуклеотидів і направило їх на шлях синтезу певної біологічної структури – молекули ДНК, що кодує аланінову тРНК. Зроблені Кораною майже 15 років тому перші кроки щодо хімічного синтезу коротких олігонуклеотидів завершилися в 1970 р. вперше здійсненим синтезом гена. Корана та його співробітники спочатку з окремих нуклеотидів синтезували хімічним шляхомкороткі фрагменти завдовжки 8-12 нуклеотидних залишків. Ці фрагменти із заданою нуклеотидною послідовністю утворювали спонтанно двотяжкі комплементарні шматки з перекриттям 4 - 5 нуклеотидів. Потім ці готові шматки в потрібному порядку по черзі з'єднували кінець кінець за допомогою ферменту ДНК-лігази. Таким чином, на відміну від реплікації молекул ДНК, за А. Корнбергом** (див. розділ 24), Корані вдалося заново створити молекулу природної двотяжкової ДНК за заздалегідь наміченою програмою відповідно до послідовності тРНК, описаної Холлі. Аналогічним чином зараз ведуться роботи з синтезу інших генів (М. Н. Колосов, 3. А. Шабарова, Д. Г. Кнорре, 1970 – 1975).

* (За дослідження генетичного коду Г. Корані та М. Ніренбергу було присуджено у 1968 р. Нобелівську премію.)

** (За відкриття полімерази та синтез ДНК А. Корнбергу, а за синтез РНК С. Очоа у 1959 р. було присуджено Нобелівську премію.)

Мікросоми, рибосоми, трансляція

У 1950-х років вважалося, що центром білкового синтезу у клітині є микросомы. Термін мікросоми був уперше введений у 1949 р. А. Клодом для позначення фракції дрібних гранул. Пізніше з'ясувалося, що за білковий синтез відповідальна не вся фракція мікросом, що складається з мембран та гранул, а лише дрібні рибонуклеопротеїдні частки. Ці частки у 1958 р. були названі Р. Робертсом рибосомами.

Класичні дослідження бактеріальних рибосом були проведені А. Тисьєром та Дж. Вотсоном у 1958 - 1959 рр. Бактеріальні рибосоми виявилися дещо дрібнішими від рослинних і тварин. Дж. Літлтон (1960), М. Кларк (1964) та Е. Н. Світайло (1966) показали, що рибосоми хлоропластів вищих рослин та мітохондрій належать до бактеріального типу. А. Тисьєр та інші (1958) виявили, що рибосоми дисоціюють на дві нерівні субодиниці, що містять по одній молекулі РНК. Наприкінці 50-х років вважалося, що кожна молекула рибосомної РНК складається з кількох коротких фрагментів. Однак А. С. Спірін у 1960 р. вперше показав, що РНК у субчастинках представлені безперервною молекулою. Д. Уоллер (1960), розділивши рибосомні білки за допомогою електрофорезу в крохмальному гелі, встановив, що вони гетерогенні. Спочатку багато хто сумнівався в даних Уоллера, оскільки здавалося, що білок рибосоми повинен бути суворо гомогенним, як, наприклад, білок ВТМ. В даний час в результаті досліджень Д. Уоллера, Р. Траута, П. Трауба та інших біохіміків стало відомо, що до складу власне рибосомних частинок входить більше 50 різних за структурою білків. А. С. Спіріну в 1963 р. вдалося вперше розгорнути рибосомні субчастинки і показати, що рибосоми являють собою компактно скручений рибонуклеопротеїдний тяж, який в певних умовах може розгортатися. У 1967 - 1968 р.р. М. Номура повністю реконструював біологічно активну субчастицю з рибосомної РНК та білка і навіть отримав такі рибосоми, у яких білок та РНК належали різним мікроорганізмам.

До сьогодні незрозуміла роль рибосомної РНК. Передбачається, що вона є унікальною специфічною матрицею, на якій при формуванні рибосомної частки знаходить строго певне місце кожен з численних рибосомних білків (А. С. Спірін, 1968).

А. Річ (1962) виявив агрегати з кількох рибосом, з'єднаних між собою ниткою іРНК. Ці комплекси було названо полісомами. Виявлення полісом дозволило Річу і Вотсону (1963) висловити припущення, що синтез поліпептидного ланцюга відбувається на рибосомі, яка ніби просувається ланцюжком іРНК. У міру просування рибосоми по ланцюжку іРНК в частинці здійснюється зчитування інформації та утворення поліпептидного ланцюга білка, а нові рибосоми по черзі приєднуються до прочитаного кінця іРНК, що вивільняється. З даних Річа та Уотсона випливало, що значення полісом у клітині полягає у масовій продукції білка шляхом послідовного прочитування матриці відразу кількома рибосомами.

В результаті досліджень М. Ніренберга, С. Очоа, Ф. Ліпмана, Г. Корани та інших у 1963 – 1970 pp. стало відомо, що поряд з іРНК, рибосомами, АТФ та аміноацил-тРНК у процесі трансляції бере участь велика кількість різноманітних факторів, а сам процес трансляції може бути умовно поділений на три етапи – ініціацію, власне трансляцію та термінацію.

Ініціація трансляції означає синтез першої пептидного зв'язкуу комплексі рибосома – матричний полінуклеотид – аміноацил-тРНК. Таку ініціаторну активність має не всяка аміноацил-тРНК, а формілметіоніл-тРНК. Ця речовина була вперше виділена у 1964 р. Ф. Сенгером та К. Маркером. С. Бретчер і К. Маркер (1966) показали, що ініціаторна функція формілметіоніл-тРНК обумовлена ​​її підвищеною спорідненістю до пептидильного центру рибосоми. Для початку трансляції вкрай важливими є також деякі білкові фактори ініціації, які були виділені в лабораторіях С. Очоа, Ф. Гро та інших дослідницьких центрах. Після утворення першого пептидного зв'язку в рибосомі починається власне трансляція, тобто послідовне приєднання аміноацильного залишку до С-кінця поліпептиду. Багато деталей процесу трансляції вивчили К. Монро та Дж. Бішоп (Англія), І. Рихлік та Ф. Шорм (ЧССР), Ф. Ліпман, М. Бретчер, В. Гілберт (США) та інші дослідники. У 1968 р. А. С. Спірін пояснення механізму роботи рибосоми запропонував оригінальну гіпотезу. Привідним механізмом, що забезпечує всі просторові переміщення тРНК та іРНК під час трансляції, є періодичне розмикання та змикання субчастинок рибосоми. Закінчення трансляції закодовано в матриці, що зчитується, яка містить термінуючі кодони. Як показав С. Бреннер (1965 – 1967), такими кодонами є триплети УАА, УАГ та УГА. М. Капеччі (1967) виявив також спеціальні білкові фактори термінації. А. С. Спіріним та Л. П. Гаврилової описаний так званий "неферментативний" синтез білка в рибосомах (1972 - 1975) без участі білкових факторів. Це відкриття є важливим для розуміння походження та еволюції біосинтезу білка.

Регуляція активності генів та білків

Після проблеми специфічності білкового синтезу першому місці у молекулярної біології виявилася проблема регуляції синтезу білків, чи, що те саме, регуляції активності генів.

Функціональна нерівнозначність клітин та пов'язані з нею репресія та активація генів давно привертали увагу генетиків, але досі реальний механізм контролю генної активності залишався невідомим.

Перші спроби пояснити регуляторну активність генів пов'язані з вивченням гістонних білків. Ще подружжя Стедман на початку 40-х років XX ст. висловлювали думку, що саме гістони можуть грати у цьому явищі основну роль. Надалі вони отримали перші чіткі дані про відмінності у хімічній природі гістонних білків. В даний час кількість фактів, що свідчать на користь цієї гіпотези, з кожним роком зростає.

* (Е. Stedman, E. Stedman. The basic proteins of cell nuclei.- Phylosoph. Trans. Roy. Soc. London, 1951, v. 235, 565 – 595.)

У той же час накопичується все більше даних, які говорять про те, що регуляція генної активності - набагато складніший процес, ніж проста взаємодія ділянок генів з молекулами гістонних білків. У 1960 - 1962 р.р. в лабораторії Р. Б. Хесіна-Лур'є було з'ясовано, що гени фагів починають зчитуватися неодночасно: гени фага Т2 можна поділити на ранні, функціонування яких відбувалося в перші хвилини зараження бактеріальної клітини, та пізні, що починали синтезувати іРНК після завершення роботи ранніх генів.

У 1961 р. французькі біохіміки Ф. Жакоб і Ж. Моно запропонували схему регулювання активності генів, яка відіграла виняткову роль у розумінні регуляторних механізмів клітини взагалі. Згідно зі схемою Жакоба і Моно, у ДНК крім структурних (інформаційних) генів є ще гени-регулятори та гени-оператори. Ген-регулятор кодує синтез специфічної речовини - репресора, який може приєднуватись як до індуктора, так і до гена-оператора. Ген-оператор зчеплений зі структурними генами, а ген-регулятор перебуває у певному віддаленні них. Якщо в середовищі немає індуктора, наприклад, лактози, то репресор, що синтезується геном-регулятором, зв'язується з геном-оператором і, блокуючи його, вимикає роботу всього оперону (блок структурних генів разом з керуючим ними оператором). Утворення ферменту цих умовах немає. Якщо ж середовищі з'являється індуктор (лактоза), то продукт гена-регулятора - репресор - зв'язується з лактозою і знімає блок з гена-оператора. У цьому випадку стає можливою робота структурного гена, що кодує синтез ферменту, і фермент (лактоза) утворюється в середовищі.

На думку Жакоба і Моно, ця схема регуляції може бути застосована до всіх адаптивних ферментів і може мати місце як при репресії, коли утворення ферменту пригнічується надлишком продукту реакції, так і при індукції, коли внесення субстрату викликає синтез ферменту. За дослідження регулювання активності генів Жакоб і Моно були удостоєні в 1965 р. Нобелівської премії.

Спочатку ця схема здавалася надто надуманою. Однак згодом з'ясувалося, що регуляція генів за цим принципом має місце не лише у бактерій, а й в інших організмів.

Починаючи з 1960 р. помітне місце в молекулярній біології займають дослідження організації геному і структури хроматину в еукаріотичних організмів (Дж. Боннер, Р. Бріттен, В. Олфрі, П. Уокер, Ю. С. Ченцов, І. Б. Збарський та ін. .) та з регуляції транскрипції (А. Мирський, Г. П. Георгієв, М. Бернстіл, Д. Голл, Р. Цанев, Р. І. Салганик). Довгий час залишалася невідомою та спірною природа репресора. У 1968 р. Пташне (США) показав, що репресором є білок. Він виділив його в лабораторії Дж. Вотсона і виявив, що репресор, дійсно, має спорідненість до індуктора (лактози) і одночасно "дізнається" ген-оператор лак-оперона і специфічно зв'язується з ним.

В останні 5 - 7 років отримані дані про наявність ще одного керуючого осередку генної активності - промотор. Виявилося, що по сусідству з операторною ділянкою, до якої приєднується продукт, синтезований на гені-регуляторі - білковій речовині репресора, є інша ділянка, яку слід віднести до членів регуляторної системи генної активності. До цієї ділянки приєднується білкова молекула ферменту РНК-полімерази. У промоторній ділянці має відбутися взаємне впізнавання унікальної послідовності нуклеотидів у ДНК та специфічної конфігурації білка РНК-полімерази. Від ефективності впізнавання залежатиме здійснення процесу зчитування генетичної інформації з даною послідовністю генів оперону, що примикає до промотор.

Крім описаної Жакобом і Моно схеми, у клітині існують інші механізми регуляції генів. Ф. Жакоб та С. Бреннер (1963) встановили, що регуляція реплікації бактеріальної ДНК певним чином контролюється клітинною мембраною. Досліди Жакоба (1954) з індукції різних профагів переконливо показали, що під впливом різних мутагенних факторів у клітині лізогенних бактерій починається вибіркова реплікація гена профагу, а реплікація геному господаря блокується. У 1970 р. Ф. Белл повідомив, що в цитоплазму з ядра можуть переходити невеликі молекули ДНК і вже там транскрибуватися.

Таким чином, регуляція активності генів може здійснюватися на рівні реплікації, транскрипції та трансляції.

Значних успіхів досягнуто у вивченні регуляції як синтезу ферментів, а й їх активності. На явища регуляції активності ферментів у клітині вказували ще у 50-х роках А. Новік та Л. Сциллард. Г. Умбаргер (1956) встановив, що у клітині існує дуже раціональний шлях придушення активності ферменту кінцевим продуктом ланцюга реакцій на кшталт зворотнього зв'язку. Як було встановлено Ж. Моно, Ж. Шанже, Ф. Жакобом, А. Парді та іншими дослідниками (1956 – 1960), регуляція активності ферментів може здійснюватися за алостеричним принципом. Фермент або одна з його субодиниць, крім спорідненості до субстрату, має спорідненість до одного з продуктів ланцюга реакцій. Під впливом такого продукту-сигналу фермент змінює свою конформацію, що втрачає активність. В результаті весь ланцюг ферментативних реакцій вимикається на самому початку. На суттєву роль конформаційних змін білка у ферментативних реакціях, а у певному сенсі і на наявність алостеричного ефекту, вказували Д. Вімен та Р. Вудворд (1952; лауреат Нобелівської премії, 1965).

Структура та функції білків

В результаті робіт Т. Осборна, Г. Гофмейстера, А. Гюрбера, Ф. Шульца та багатьох інших наприкінці ХІХ ст. було отримано багато тварин і рослинні білки в кристалічному вигляді. Приблизно в цей час за допомогою різних фізичних методівбули встановлені молекулярні ваги деяких білків. Так було в 1891 р. А. Сабанєєв і М. Олександров повідомили, що молекулярна вага овальбуміну становить 14 000; в 1905 р. Е. Рейд встановив, що молекулярна вага гемоглобіну дорівнює 48 000. Полімерна структура білків була розкрита в 1871 р. Г. Глазівець і Д. Габерманом. Ідея про пептидний зв'язок окремих амінокислотних залишків у білках була висловлена ​​Т. Куртіусом (1883). Роботи з хімічної конденсації амінокислот (Е. Шаал, 1871; Г. Шифф, 1897; Л. Бальбіано та Д. Траскіатті, 1900) та синтезу гетерополіпептидів (Е. Фішер, 1902 - 1907, 1907, Нобелівська премія, 1 хімічна структура білків.

Перший кристалічний фермент (уреаза) було отримано 1926 р. Дж. Самнером (Нобелівська премія, 1946), а 1930 р. Дж. Нортроп (Нобелівська премія, 1946) отримав кристалічний пепсин. Після цих робіт зрозуміли, що ферменти мають білкову природу. У 1940 р. М. Куніц виділив кристалічну РНК-азу. До 1958 вже було відомо більше 100 кристалічних ферментів і понад 500 ферментів, виділених у некристалічному вигляді. Отримання високоочищених препаратів індивідуальних білків сприяло розшифровці їхньої первинної структури та макромолекулярної організації.

Велике значення у розвиток молекулярної біології взагалі і генетики людини, особливо, мало відкриття Л. Полингом (1940) ненормального гемоглобіну S, виділеного з еритроцитів людей із тяжкою спадковою хворобою - серповидно-клітинної анемією. У 1955 - 1957 р.р. В. Інгрем використовував розроблений Ф. Сенгер метод "відбитків пальців" (плям, утворених окремими пептидами при хроматографії на папері) для аналізу продуктів гідролізу гемоглобіну S лугом і трипсином. У 1961 р. Інгрем повідомив, що гемоглобін S відрізняється від нормального гемоглобіну тільки за природою одного амінокислотного залишку: у нормальному гемоглобіні в сьомому положенні ланцюга знаходиться залишок глютамінової кислоти, а в гемоглобіні S - залишок валіну. Цим повністю підтвердилося (1949) припущення Полінга, що серповидно-клітинна анемія є хворобою молекулярної природи. Спадкова зміна всього одного залишку амінокислоти в кожній половинці макромолекули гемоглобіну призводить до того, що гемоглобін втрачає здатність легко розчинятися при низькій концентрації кисню і починає кристалізуватися, що призводить до порушення структури клітини. Ці дослідження з усією очевидністю показали, що структура білка є суворо певною амінокислотною послідовністю, яка закодована в геномі. Про виняткове значення первинної структури білка у формуванні унікальної біологічно активної конформації макромолекули свідчили роботи К. Анфінсена (1951). Анфінсен показав, що біологічно активна макроструктура панкреатичної рибонуклеази, що втрачається в результаті відновлення, зумовлена ​​амінокислотною послідовністю і може знову виникати спонтанно при окисленні SH-груп залишків цистеїну з утворенням дисульфідних зшивок у строго визначених місцях пептидного ланцюга ферменту.

На сьогодні детально вивчено механізм дії великої кількостіферментів та визначено структуру багатьох білків.

У 1953 р. Ф. Сенгер встановив амінокислотну послідовність інсуліну. :Цей білок складається з двох поліпептидних ланцюгів, з'єднаних двома дисульфідними зшивками. Один з ланцюгів містить всього 21 амінокислотний залишок, а інший - 30 залишків. На розшифрування будівлі цього порівняно простого білка Сенгер витратив близько 10 років. У 1958 р. за це видатне дослідження йому було присуджено Нобелівську премію. Після створення Ст. Стейном і С. Муром (1957) автоматичного аналізатора амінокислот, ідентифікація продуктів часткового гідролізу білків значно прискорилася. У 1960 р. Стейн і Мур вже повідомили про це. що їм вдалося визначити послідовність рибонуклеази, пептидний ланцюжок якого представлений 124 амінокислотними залишками. У тому ж році в лабораторії Г. Шрамма у Тюбінгені (ФРН) Ф. Андерер та інші визначили амінокислотну послідовність у білку ВТМ. Потім амінокислотна послідовність була визначена в міоглобіні (А. Едмунсон) та α- і β-ланцюгах гемоглобіну людини (Г. Браунітцер, Е. Шредер та ін), лізоцимі з білка курячого яйця (Ж. Жолле, Д. Кейфілд). У 1963 р. Ф. Шорм та Б. Кейл (ЧССР) встановили послідовність амінокислот у молекулі хімотрипсиногену. У тому ж році було визначено амінокислотну послідовність трипсиногену (Ф. Шорм, Д. Уолш). У 1965 р. К. Такахаші встановив первинну структуру рибонуклеази T1. Потім послідовність амінокислот було визначено ще в кількох білків.

Як відомо, остаточним доказом правильності визначення тієї чи іншої структури є її синтез. У 1969 р. Р. Меріфілд (США) вперше здійснив хімічний синтез панкреатичної рибонуклеази. За допомогою розробленого ним методу синтезу на твердофазовому носії Меріфілд приєднував до ланцюжка одну амінокислоту за іншою відповідно до тієї послідовності, яка була описана Стейном і Муром. В результаті він отримав білок, який за своїми якостями був ідентичний панкреатичній рибонуклеазі А. За розкриття будови рибонуклеази В. Стейну, С. Муру та К. Анфінсену було в 1972 р. присуджено Нобелівську премію. Цей синтез природного білка відкриває грандіозні перспективи, вказуючи на можливість створення будь-яких білків відповідно до запланованої послідовності.

З рентгеноструктурних досліджень У. Астбері (1933) випливало, що пептидні ланцюги білкових молекул скручені чи укладені якимось строго певним чином. Починаючи з цього часу багато авторів висловлювали різні гіпотезипро способи укладання білкових ланцюгів, але до 1951 р. всі моделі залишалися умоглядними побудовами, що не відповідали експериментальним даним. У 1951 р. Л. Полінг та Р. Корі опублікували серію блискучих робіт, в яких остаточно було сформульовано теорію вторинної структури білків - теорію α-спіралі. Поряд з цим стало також відомо, що білки мають ще третинну структуру: α-спіраль пептидного ланцюга може бути певним чином складена, утворюючи досить компактну структуру.

У 1957 р. Дж. Кендрю та його співробітники вперше запропонували тривимірну модель структури міоглобіну. Ця модель потім уточнювалася протягом декількох років, поки в 1961 не з'явилася підсумкова робота з характеристикою просторової структури цього білка. У 1959 р. М. Перутц та співробітники встановили тривимірну структуру гемоглобіну. На цю роботу дослідники витратили понад 20 років (перші рентгенограми гемоглобіну були отримані Перутцем 1937 р.). Оскільки молекула гемоглобіну складається з чотирьох субодиниць, то, розшифрувавши його організацію, Перутц цим вперше описав четвертинну структурубілка. За роботи з визначення тривимірної структури білків Кендрю та Перутцу у 1962 р. було присуджено Нобелівську премію.

Створення Перуком просторової моделі структури гемоглобіну дозволило. наблизитись до розуміння механізму функціонування цього білка, який, як відомо, здійснює перенесення кисню у тварин клітинах. Ще 1937 р. Ф. Гауровиц дійшов висновку у тому, що взаємодія гемоглобіну з киснем, повітря має супроводжуватися зміною структури білка. У 60-х роках Перутц та його співробітники виявили помітне зміщення ланцюгів гемоглобіну після його окислення, що викликалося зрушенням атомів заліза внаслідок зв'язування з киснем. На цій основі сформувалися уявлення про "дихання" білкових макромолекул.

У 1960 р. Д. Філліпс та його співробітники розпочали рентгеноструктурні дослідження молекули лізоциму. До 1967 р. їм більш-менш точно вдалося встановити деталі організації цього білка та локалізацію окремих атомів у його молекулі. Крім цього, Філіпс з'ясував характер приєднання лізоциму до субстрату (тріацетилглюкозаміну). Це дозволило відтворити механізм роботи цього ферменту. Таким чином, знання первинної структури та макромолекулярної організації дало можливість не тільки встановити природу активних центрів багатьох ферментів, а й повністю розкрити механізм цих макромолекул.

Використання методів електронної мікроскопії допомогло розкрити принципи макромолекулярної організації таких складних білкових утворень, як нитки колагену, фібриногену, скорочувальних фібрил м'язів та ін. Наприкінці 50-х років було запропоновано моделі м'язового скорочувального апарату. Виняткове значення розуміння механізму м'язового скорочення мало відкриття У. А. Енгельгардтом і М. М. Любимової (1939) АТФ-азной активності міозину. Це означало, що в основі акта м'язового скорочення лежить зміна фізико-хімічних властивостей та макромолекулярної організації скорочувального білка під впливом аденозинтрифосфорної кислоти (див. розділ 11).

Для розуміння принципів збирання біологічних структур істотне значення мали вірусологічні дослідження (див. Розділ 25).

Невирішені проблеми

Основних успіхів у сучасній молекулярної біології досягнуто переважно у результаті вивчення нуклеїнових кислот. Проте навіть у цій галузі ще далеко не всі проблеми вирішені. Великих зусиль вимагатиме, зокрема, розшифрування всієї нуклеотидної послідовності геному. Ця проблема у свою чергу нерозривно пов'язана з проблемою гетерогенності ДНК і вимагає розробки нових досконалих методів фракціонування та виділення індивідуальних молекул із сумарного генетичного матеріалу клітини.

До цих пір зусилля в основному були зосереджені на окремому вивченні білків та нуклеїнових кислот. У клітині ці біополімери нерозривно пов'язані один з одним і функціонують головним чином у формі нуклеопротеїдів. Тому зараз з особливою гостротою виявилася необхідність вивчення взаємодії білків та нуклеїнових кислот. На перший план висувається проблема впізнавання білками певних ділянок нуклеїнових кислот. Вже намітилися кроки до вивчення такої взаємодії цих біополімерів, без якого немислимо повне розуміння структури та функцій хромосом, рибосом та інших структур. Без цього неможливо також усвідомити регуляцію активності генів та остаточно розшифрувати принципи роботи білоксинтезуючих механізмів. Після робіт Жакоба та Моно з'явилися деякі нові дані про регуляторне значення мембран у синтезі ядерного матеріалу. Це ставить завдання глибшого дослідження ролі мембран у регуляції реплікації ДНК. Загалом проблема регуляції активності генів та клітинної активності взагалі стала однією з найважливіших проблем сучасної молекулярної біології.

Сучасний стан біофізики

У тісного зв'язкуз проблемами молекулярної біології йшло розвиток біофізики. Інтерес до цієї галузі біології стимулювався, з одного боку, необхідністю всебічного вивчення впливу на організм різного родувипромінювань, з іншого - потребою дослідження фізичних та фізико-хімічних основ життєвих явищ, що протікають на молекулярному рівні.

Отримання точних відомостей про молекулярні структури і в них процесах стало можливим в результаті застосування нових тонких фізико-хімічних методів. На основі досягнень електрохімії вдалося вдосконалити метод вимірювання біоелектричних потенціалів, застосувавши іонно-виборчі електроди (Г. Ейзенман, Б. П. Нікольський, Кхурі, 50 – 60-і роки). Дедалі ширше входить у практику інфрачервона спектроскопія (з використанням лазерних пристроїв), що дозволяє досліджувати конформаційні зміни білків (І. Плотніков, 1940). Цінні відомості дає також метод електронного парамагнітного резонансу (Е. К. Завойський, 1944) та біохемолюмінесцентний метод (Б. Н. Тарусов та ін., 1960), які дозволяють, зокрема, судити про транспорт електронів при окислювальних процесах.

До 50-х років біофізика завойовує міцне становище. Виникає потреба у підготовці кваліфікованих спеціалістів. Якщо у 1911 р. в Європі тільки в університеті м. Печ, в Угорщині, була кафедра біофізики, то до 1973 р. такі кафедри існують майже у всіх великих університетах.

У 1960 р. було організовано Міжнародне товариство біофізиків. Торішнього серпня 1961 р. відбувся перший Міжнародний біофізичний конгрес у Стокгольмі. Другий конгрес було проведено 1965 р. у Парижі, третій - 1969 р. у Бостоні, четвертий - 1972 р. у Москві.

У біофізиці зберігається чітке розмежування між двома різними за змістом напрямами – молекулярною біофізикою та клітинною біофізикою. Це розмежування набуває й організаційне вираження: створюються окремі кафедри цих двох напрямів біофізики. У Московському університеті перша кафедра біофізики була створена в 1953 р. на біолого-ґрунтовому факультеті, дещо пізніше виникла кафедра біофізики на фізичному факультеті. За таким же принципом організовувалися кафедри у багатьох інших університетах.

Молекулярна біофізика

В останні роки все більше зміцнювався зв'язок молекулярної біофізики з молекулярною біологією, і зараз іноді буває важко визначити, де проходить межа поділу між ними. У генеральному наступі на проблему спадкової інформації така кооперація біофізики з молекулярною біологією неминуча.

Головним напрямком у дослідницької роботиє вивчення фізики нуклеїнових кислот – ДНК та РНК. Застосування зазначених вище методів і насамперед рентгеноструктурного аналізу сприяло розшифровці молекулярної структури нуклеїнових кислот. В даний час ведуться інтенсивні дослідження з вивчення поведінки цих кислот у розчинах. Особливу увагуприділяється при цьому конформаційним переходам "спіраль-клубок", що вивчаються щодо змін в'язкості, оптичних та електричних показників. У зв'язку з вивченням механізмів мутагенезу розвиваються дослідження щодо вивчення дії іонізуючої радіаціїна поведінку нуклеїнових кислот у розчинах, а також дії радіації на нуклеїнові кислоти вірусів та фагів. Всебічного аналізу зазнав впливу ультрафіолетового випромінювання, деякі спектральні ділянки якого, як відомо, добре поглинаються нуклеїновими кислотами. Велику питому вагу у таких дослідженнях займає виявлення активних радикалів нуклеїнових кислот і білків методом електронного парамагнитного резонансу. Із застосуванням цього пов'язано виникнення цілого самостійного напрями.

Проблема кодування інформації ДНК та РНК та її передачі при синтезі білка давно цікавила молекулярну біофізику, і фізики неодноразово висловлювали з цього приводу ті чи інші міркування (Е. Шредінгер, Г. Гамов). Розшифровка генетичного коду викликала численні теоретичні та експериментальні дослідження щодо структури спіралі ДНК, механізму ковзання та закручування її ниток, з вивчення фізичних сил, що беруть участь у даних процесах.

Значну допомогу молекулярна біофізика надає молекулярної біології до вивчення структури білкових молекул з допомогою рентгеноструктурного аналізу, вперше застосованого 1930 р. Дж. Берналом. Саме в результаті використання фізичних методів у поєднанні з біохімічними (ферментативні методи) було розкрито молекулярну конформацію та послідовність розташування амінокислот у ряді білків.

Сучасні електронно-мікроскопічні дослідження, що виявили наявність у клітинах та її органоїдах складних мембранних систем, стимулювали спроби зрозуміти їхню молекулярну будову (див. глави 10 та 11). Вивчається прижиттєво хімічний склад мембран та, зокрема, властивості їх ліпідів. Було з'ясовано, що останні здатні до переокислення та неферментативних реакцій ланцюгового окислення (Ю. А. Володимиров та Ф. Ф. Литвин, 1959; Б. Н. Тарусов та ін., 1960; І. І. Іванов, 1967), що призводить до порушення мембранних функцій. Для вивчення складу мембран стали також користуватися методами математичного моделювання(В. Ц. Пресман, 1964 - 1968; М. М. Шемякін, 1967; Ю. А. Овчинніков, 1972).

Клітинна біофізика

Знаменною подією в історії біофізики стало формування в 50-х роках чітких уявлень про термодинаміку біологічних процесів, внаслідок чого остаточно відпали припущення про можливість самостійного утворення енергії в живих клітинах всупереч другому закону термодинаміки. Розуміння дії цього закону у біологічних системахпов'язано із запровадженням бельгійським ученим І. Пригожиним (1945) * у біологічну термодинаміку поняття відкритих систем, що обмінюються із зовнішнім середовищем енергією та матерією. Пригожин показав, що позитивна ентропія утворюється в живих клітинах при робочих процесах відповідно до другого закону термодинаміки. Введені ним рівняння визначили умови, у яких виникає так зване стаціонарне стан (раніше його називали також динамічним рівновагою), у якому кількість вільної енергії (негентропії), що надходить у клітини з їжею, компенсує її витрата, а позитивна ентропія виводиться. Це відкриття підкріпило загальнобіологічну ідею про нерозривний зовнішній зв'язок і внутрішнього середовищаклітин. Воно поклало початок реальному вивченню термодинаміки живих систем, у тому числі методом моделювання (А. Бертон, 1939; А. Г. Пасинський, 1967).

* (Загальну теорію відкритих систем вперше висунув Л. Берталанфі 1932 р.)

Відповідно до основного принципу біотермодинаміки, необхідною умовоюіснування життя виявляється стаціонарність у розвитку її біохімічних процесівдля здійснення якої необхідна координація швидкостей численних реакцій обміну речовин. На основі нової біофізичної термодинаміки виник напрям, що виділяє зовнішні та внутрішні фактори, які забезпечують цю координацію реакцій та роблять її стійкою. За останні два десятиліття виявлено велику роль у підтримці стаціонарного станусистеми інгібіторів і особливо антиоксидантів (Б. Н. Тарусов та А. І. Журавльов, 1954, 1958). Встановлено, що надійність стаціонарного розвитку пов'язана із факторами зовнішнього середовища(температурою) та фізико-хімічними властивостями середовища клітин.

Сучасні принципи біотермодинаміки дозволили надати фізико-хімічне тлумачення механізму адаптації. За нашими даними, пристосування до умов довкілля може відбуватися тільки в тому випадку, якщо при їх зміні організм здатний встановити стаціонарність у розвитку біо хімічних реакцій(Б. Н. Тарусов, 1974). Постало питання про розробку нових методів, які б дозволили оцінювати стаціонарний стан прижиттєво і прогнозувати його можливі порушення. Велику користь обіцяє впровадження в біотермодинаміку та дослідження процесів біологічної адаптації кібернетичних принципів саморегулівних систем. Стало ясно, що для вирішення питання про стійкість стаціонарного стану важливий облік так званих факторів, що обурюють, до яких відносяться, зокрема, неферментативні реакції окислення ліпідів. У Останнім часомдедалі більше розширюються дослідження процесів переокислення в ліпідних фазах живих клітин та наростання активних радикальних продуктів, що порушують регуляторні функції мембран. Джерелом інформації про ці процеси служить як виявлення активних перекисних радикалів, і перекисних сполук біоліпідів (А. Таппель, 1965; І. І. Іванов, 1965; Є. Б. Бурлакова, 1967 та інші). Для виявлення радикалів використовують біохемолюмінесценцію, що виникає у ліпідах живих клітин при їх рекомбінації.

На основі фізико-хімічних уявлень про стабільність стаціонарного стану виникли біофізичні уявлення про адаптацію рослин до змін умов зовнішнього середовища як порушення інгібуючих антиокислювальних систем (Б. М. Тарусов, Я. Є. Доскоч, Б. М. Кітлаєв, А. М. Агавердієв , 1968 – 1972). Це відкрило можливість оцінювати такі властивості, як морозостійкість та солестійкість, а також робити відповідні прогнози під час селекції сільськогосподарських рослин.

У 50-х роках було відкрито надслабке світіння – біохемолюмінесценція низки біологічних об'єктів у видимій та інфрачервоній частинах спектру (Б. Н. Тарусов, А. І. Журавльов, А. І. Поливода). Це стало можливим у результаті розробки методів реєстрації надслабких світлових потоків за допомогою фотоелектронних помножувачів (Л. А. Кубецький, 1934). Будучи результатом біохімічних реакцій, що протікають у живій клітині, біохемолюмінесценція дозволяє судити про важливі окислювальні процеси в ланцюгах перенесення електронів між ферментами. Відкриття та вивчення біохемолюмінесценції має велике теоретичне та практичне значення. Так, Б. Н. Тарусов та Ю. Б. Кудряшов відзначають велику роль продуктів окислення ненасичених жирних кислот у механізмі виникнення патологічних станів, що розвиваються під дією іонізуючих випромінювань, при канцерогенезі та інших порушеннях нормальних функційклітини.

У 50-х роках у зв'язку з бурхливим розвитком ядерної фізики з біофізики виділилася радіобіологія, що досліджує біологічну дію іонізуючих випромінювань. Отримання штучних радіоактивних ізотопів, створення термоядерної зброї, атомних реакторівта розвиток інших форм практичного використання атомної енергіїпоставило з усією гостротою проблему захисту організмів від шкідливої ​​дії іонізуючої радіації, розробки теоретичних засадпрофілактики та лікування променевої хвороби. Для цього необхідно було насамперед з'ясувати, які компоненти клітини та ланки обміну речовин найбільш уразливі.

Об'єктом вивчення біофізики та радіобіології стало з'ясування природи первинних хімічних реакцій, що виникають у живих субстратах під впливом енергії випромінювань. Тут було важливо зрозуміти механізми цього явища, а й зуміти впливати на процес розміни фізичної енергії на хімічну, зменшити його коефіцієнт " корисного " дії. Роботам у цьому напрямі започаткували дослідження школи Н. Н. Семенова (1933) в СРСР і Д. Хіншельвуда (1935) в Англії.

Велике місце у радіобіологічних дослідженнях зайняло вивчення ступеня радіаційної опірності різних організмів. Було встановлено, що підвищена радіорезистентність (наприклад, гризунів пустель) обумовлена ​​високою антиокислювальною активністю ліпідів. клітинних мембран(М. Чанг та ін., 1964; Н. К. Огризов та ін., 1969). Виявилося, що у формуванні антиоксидативних властивостей цих систем велику роль відіграють токофероли, вітамін К та тіосполуки (І. І. Іванов та ін., 1972). В останні роки велика увагазалучають себе дослідження механізмів мутагенезу. З цією метою вивчається дія іонізуючих випромінювань на поведінку нуклеїнових кислот та білків in vitro, а також у вірусах та фагах (А. Густафсон, 1945 – 1950).

Боротьба за подальше підвищенняефективності хімічного захисту, пошук більш ефективних інгібіторів та принципів інгібування залишаються у цьому напрямі основними завданнями біофізики.

Просунулося вперед дослідження збуджених станів біополімерів, що визначають їхню високу хімічну активність. Найбільш успішно йшло вивчення збуджених станів, що виникають на первинній стадії фотобіологічних процесів – фотосинтезу та зору.

Так, зроблено солідний внесок у розуміння первинної активації молекул пігментних систем рослин. Встановлено велике значенняперекидання (міграції) енергії збуджених станів без втрат з активованих пігментів інші субстрати. Велику роль у розвитку цих уявлень відіграли теоретичні роботиА. Н. Тереніна (1947 та пізніше). А. А. Красновський (1949) відкрив і досліджував реакцію оборотного фотохімічного відновлення хлорофілу та його аналогів. Нині складається загальне переконання, що найближчим часом можна буде відтворити фотосинтез у штучних умовах (див. також розділ 5).

Біофізики продовжують працювати над розкриттям природи м'язового скорочення та механізмів нервового збудження та проведення (див. розділ 11). Актуального значення набули також дослідження механізмів переходу від збудженого стану до норми. Збуджений стан розглядають тепер як результат автокаталітичної реакції, а гальмування - як наслідок різкої мобілізації інгібіторної антиокислювальної активності в результаті молекулярних перегрупувань в таких сполуках, як токоферол (І. І. Іванов, О. Р. Кольс, 1966; О. Р. Кольс, 1970).

Найважливішою загальною проблемою біофізики залишається пізнання якісних фізико-хімічних особливостей живої матерії. Такі властивості, як здатність живих біополімерів вибірково пов'язувати калій або поляризувати електричний струм, не вдається зберегти навіть при їх обережному витягуванні з організму. Тому клітинна біофізика продовжує інтенсивно розробляти критерії та методи для прижиттєвого дослідження живої матерії.

Незважаючи на молодість молекулярної біології, успіхи, досягнуті нею в цій галузі, справді приголомшливі. За порівняно короткий термін встановлено природу гена та основні принципи його організації, відтворення та функціонування. Понад те, здійснено як розмноження генів in vitro, а й уперше завершено повний синтез самого гена. Повністю розшифровано генетичний код і дозволено найважливішу біологічна проблемаСпецифіка біосинтезу білка. Виявлено та досліджено головні шляхи та механізми утворення білка в клітині. Повністю визначено первинну структуру багатьох транспортних РНК- специфічних молекул-адапторів, що здійснюють переклад мови нуклеїнових матриць на мову амінокислотної послідовності білка, що синтезується. До кінця розшифровано амінокислотну послідовність багатьох білків і встановлено просторову структуру деяких з них. Це дозволило з'ясовувати принцип і деталі функціонування молекул ферментів. Здійснено хімічний синтез одного з ферментів – рибонуклеази. Встановлено основні принципи організації різних субклітинних частинок, багатьох вірусів та фагів та розгадано основні шляхи їх біогенезу у клітині. Розкрито підходи до розуміння шляхів регуляції активності генів та з'ясування регуляторних механізмів життєдіяльності. Вже простий перелік цих відкриттів свідчить, що друга половина XX в. ознаменувалася величезним прогресом біології, який зобов'язаний насамперед поглибленому вивченнюструктури та функції біологічно найважливіших макромолекул - нуклеїнових кислот і білків.

Досягнення молекулярної біології вже сьогодні використовуються на практиці і приносять відчутні плоди в медицині. сільському господарствіта деяких галузях промисловості. Безперечно, що віддача цієї науки зростатиме з кожним днем. Однак головним підсумком все ж таки слід вважати, що під впливом успіхів молекулярної біології зміцнилася впевненість у існуванні необмежених можливостейна шляху розкриття самих потаємних таємницьжиття.

У майбутньому, мабуть, будуть відкриті нові шляхи дослідження біологічної форми руху матерії. молекулярного рівнябіологія перейде на атомарний рівень. Однак зараз не знайдеться, мабуть, жодного дослідника, який міг би реально передбачити розвиток молекулярної біології навіть на найближчі 20 років.

На now.nsexy.ru/ ти проведеш незабутній час.

Лекція 1. Поняття молекулярної біології та основні етапи її розвитку

Визначення предмета молекулярна біологія

Термін «молекулярна біологія» належить нобелівському лауреату Френсісу Крику, якому «набридло у відповідь на питання про його професію оголошувати себе сумішшю кристалографа, біохіміка, біофізика та генетика».

Після атомної бомбардування Хіросіми і Нагасакі в 1945 р. почалася втеча вчених із фізики, а в 1947 р. нобелівський лауреат фізик Ервін Шредінгер написав книгу «Що таке життя з погляду фізика?», яка залучила в біологію багатьох фізиків та математиків.

Визначення поняття

Молекулярна біологія - це наука про механізми зберігання, відтворення, передачі та реалізації генетичної інформації, про структуру та функції нерегулярних біополімерів – нуклеїнових кислот та білків.

Почавши з вивчення біологічних процесів на молекулярно-атомному рівні, молекулярна біологія перейшла до складних надмолекулярних клітинних структур, а в даний час успішно вирішує проблеми генетики, фізіології, еволюції та екології.

Основні етапи розвитку молекулярної біології

1. Перший романтичний період 1935-1944 р.р.

Макс Дельбрюк і Сальвадор Лурія займалися вивченням репродукції фагів і вірусів, що є комплексами нуклеїнових кислот з білками.

У 1940 р. Джордж Бідл і Едуард Татум сформулювали гіпотезу - "Один ген-один фермент". Однак що таке ген у фізико-хімічному плані тоді ще не знали.

2. Другий романтичний період 1944-1953гг.

Було доведено генетичну роль ДНК. У 1953 р. з'явилася модель подвійної спіралі ДНК, за яку її творці Джеймс Вотсон, Френсіс Крік та Моріс Уілкінс були удостоєні Нобелівської премії.

3. Догматичний період 1953-1962 рр.

Сформульовано центральну догму молекулярної біології:

Перенесення генетичної інформації йде у напрямкуДНК → РНК → білок.

У 1962 р. було розшифровано генетичний код.

4. Академічний період з 1962 р. до теперішнього часу, у якому з 1974 року виділяють генно-інженерний підперіод

Oc нові e відкриття

1944 р . Доказ генетичної ролі ДНК.Освальд Ейвері, Колін Мак-Леод, Маклін Мак-Карті.

1953 р . Встановлення структури ДНК.Джеймс Вотсон, Френк Крик.

1961 р . Відкриття генетичного регулювання синтезу ферментів.Андре Львів, Франсуа Жакоб, Жак Моно.

1962 р . Розшифрування генетичного коду.Маршалл Нірнберг, Генріх Маттеї, Північна Очоа.

1967 р. Синтез invitroбіологічно активної ДНК Артур Корнберг (неформальний лідер молекулярної біології).

1970 р . Хімічний синтезгена.Гобінд Корану.

1970 р . Відкриття ферменту зворотної транскриптази та явища зворотної транскрипції.Говард Темін, Девід Балтімор, Ренато Дульбеко.

1974 р . Відкриття рестриктаз.Гамільтон Сміт, Даніель Натанс, Вернер Арбер.

1978 р . Відкриття сплайсингу.Філіп Шарп.

1982 р . Відкриття автосплайсингу.Томас Чек.

Докази генетичної ролі нуклеїнових кислот

1 . 1928 р. Досвіди Фредеріка Гріффіта.

Гріффіт працював з пневмококами- Бактеріями, що викликають пневмонію. Він брав два штами пневмококів: капсульний та безкапсульний. Капсульний – патогенний (вірулентний), при інфікуванні таким штамом миші гинуть, безкапсульний – непатогенний. При введенні мишам суміші вбитих нагріванням (і, отже, втратили вірулентність) капсульних пневмококів і живих безкапсульних бактерій невірулентних, тварини гинули в результаті розмноження капсульних вірулентних форм. Виявлене явище Гриффіт інтерпретував як трансформацію.

Визначення:

Трансформація - це придбання одним організмом деяких ознак іншого організму з допомогою захоплення частини його генетичної інформації.

У 1944 р. цей експеримент був повторений Освальдом Ейвері, Коліном Мак-Леодом та Макліном Мак-Карті у варіанті змішування безкапсульних пневмококів із взятими від капсульних білками, полісахаридами або ДНК. В результаті цього експерименту було виявлено природу трансформуючого фактора.

Трансформуючим фактором виявилася ДНК.

2 . 1952 р. Експеримент Альфреда Херші та Марти Чейз. Фаги (бактеріофаги) – це віруси, що розмножуються у бактеріях. е. coli - Кишкова паличка (еубактерія).

Суть досвіду:фаги, у яких білкова оболонка була мічена радіоактивною сіркою ( S 35 ), а ДНК - радіоактивним фосфором (Р 32), інкубували з бактеріями. Потім бактерії відмивали.

У змивних водах не виявляли Р 32 а в бактеріях - S 35 . Отже, усередину потрапила лише ДНК.Через кілька хвилин з бактерії виходили десятки повноцінних фагів, що містять і білкову оболонку, і ДНК.

Звідси випливав однозначний висновок про те, що саме ДНК виконує генетичну функцію - несе інформацію як про створення нових копій ДНК, тик та про синтез фагових білків.

3 . 1957 Досвіди Френкеля - Конрата.

Френкель-Конрат працював із вірусом тютюнової мозаїки (ВТМ). У цьому вірусі міститься РНК, а чи не ДНК. Було відомо, що різні штами вірусу викликають різну картину поразки листя тютюну. Після зміни білкової оболонки "переодягнені" віруси викликали картину поразки, характерну для того штаму, чия РНК була покрита чужим білком.

Отже, як ДНК, а й РНК може бути носієм генетичної інформації.

На сьогоднішній день існують сотні тисяч доказів генетичної ролі нуклеїнових кислот. Наведені три є класичними.

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ,детальне вивчення живих клітин та їх складових частин (органел), що простежує роль окремих ідентифікованих сполук у функціонуванні цих структур. До сфери молекулярної біології відноситься дослідження всіх пов'язаних із життям процесів, таких, як харчування та виділення, дихання, секреція, зростання, репродукція, старіння та смерть. Найважливіше досягнення молекулярної біології – розшифровка генетичного коду та з'ясування механізму використання клітиною інформації, необхідної, наприклад, для синтезу ферментів. Молекулярно-біологічні дослідження сприяють і більш повному розумінню інших процесів життєдіяльності – фотосинтезу, клітинного диханнята м'язової активності.

У молекулярній біології вважають за краще працювати з відносно простими системами, такими, як одноклітинні організми (бактерії, деякі водорості), у яких кількість компонентів порівняно невелика, а отже, і розрізнити їх легше. Але й при цьому потрібні дуже витончені методи для того, щоб точно локалізувати окремі речовини та відрізнити їх від інших.

На основі фізико-хімічних підходів та інструментарію розроблені складні, чутливі прилади та методи, пристосовані для роботи з органічними сполукамиживих систем. Метод радіоавтографії заснований на включенні до певних речовин радіоактивних атомів, т.зв. «радіоактивної мітки», яка дозволяє простежити – за випромінюванням, що випускається – хімічні перетворення цих речовин. Під час вивчення низькомолекулярних речовин застосовують методи, дозволяють об'єднати малі молекули речовини у т.зв. макромолекули досить великі для того, щоб їх можна було спостерігати при великому збільшенні трансмісійного електронного мікроскопа. За дифрацією рентгенівських променіввизначають загальну формумакромолекул, як це було зроблено, наприклад, з дезоксирибонуклеїновою кислотою (ДНК). Для поділу суміші речовин, що різняться за розмірами та хімічним складом, використовують відмінності у швидкості їх пересування в електричному полі (метод електрофорезу) або різну швидкість дифузії в розчиннику, що протікає через нерухому фазу, наприклад папір (метод хроматографії).

За допомогою відповідних ферментів можна визначити нуклеотидну послідовність генів, а за нею – амінокислотну послідовність білків, що синтезуються. Якщо тварин різних видів близькі нуклеотидні послідовності генів, що кодують загальні їм білки, наприклад гемоглобін, можна зробити висновок, що у минулому ці тварини мали спільного предка. Якщо ж розбіжності у тому генах великі, то ясно, що розбіжність видів від загального предка сталося набагато раніше. Такі молекулярно-біологічні дослідження відкрили новий підхіддо вивчення еволюції організмів

Важливий внесок у медицину має зробити ідентифікація вірусів за їх складом. З її допомогою можна, наприклад, встановити, що вірус, що викликає ту чи іншу хворобу у людини, гніздиться природним чином в якійсь дикій тварині, від якої і передається людині хвороба. Якщо у тварин, які є в природі резервуаром даного вірусу, симптоми хвороби не виявляються, то, мабуть, тут діє якийсь механізм імунітету, і тоді виникає нове завдання – вивчити цей механізм, щоб спробувати включити його в імунну систему людини.

Для кого?Старшокласники, студенти.
Що дає?Знання засад молекулярної біології.
Викладачі.Завідувач лабораторій молекулярної генетики мікроорганізмів Інституту біології гена РАН, професор Університету Ратгерса (США), професор Сколківського інституту науки та технологій (SkolTech).
Коли?Потрібно уточнювати.
Вартість. 9 000 грн.
Умови участі.Потрібно залишити заявку на участь на сайті.

Біологічні кружки. Московський державний університет ім. М.В. Ломоносова.

Для кого? 9-11 класи.
Що дає?Знання з біології, навички виконання проектних робіт, навички роботи в лабораторії.
Викладачі.Співробітники біологічного факультету МДУ.
Коли?
Вартість.Потрібно уточнювати.
Умови участі.Потрібно уточнювати.

Біологічне відділення Московської гімназії №1543 на Південному Заході.

Для кого? 7-10 класи.
Що дає?Поглиблені знання біології.
Викладачі.Співробітники МДУ, випускники гімназії.
Коли?Є можливість відстежувати дати початку набору.
Обов'язкові вимогиПотрібно пройти вступні випробування.
Вартість.Безкоштовно (існує добровільний внесок).
Умови участі.Вступ до гімназії на повноцінне навчання.

Школа «Хім Біо Плюс». Російський національний дослідницький медичний університетімені М.І. Пирогова.

Для кого? 10-11 класи.
Що дає?Знання з біології, хімії.
Коли?Набір щорічно, у вересні.
Обов'язкові вимоги. Набір результатів тестування.
Вартість. 10 000 - 75 000 грн. (є пробне заняття).

Академія. "ПостНаука".

Для кого?Школярі, студенти.
Що дає?

• знання у галузі фізики елементарних частинок, хімії, медицини, математики, нейрофізіології, генетики, соціології, комп'ютерних наук;
• знання про те, як наукові розробкизастосовуються у реальному житті.

Викладачі.Висококваліфіковані спеціалісти, вчені.
Коли?Є можливість відстежувати дати набору Вконтактеі Facebook.
Вартість. 9 000 грн.
Умови участі. Необхідно відстежувати потрібний курс. Зареєструватись на курс, оплатити навчання.

Петрозаводськ

STEM-центр Петрозаводського державного університету.

Для кого? 1-11 класи.
Що дає?Навички проектної, науково-дослідної діяльності у галузі програмування, біології, хімії, фізики.
Коли?Є можливість відстежувати дати початку набору.
Вартість.Потрібно уточнювати.
Умови участі.Учні петрозаводських шкіл.

Відкритий університетський ліцей Петрозаводського державного університету.

Для кого? 10 клас.
Що дає?

• технічний напрямок (фізика, математика, інформатика, російська мова);
• медико-біологічне (хімія, біологія, російська).

Коли?Є можливість відстежувати дати початку набору.
Вартість.Потрібно уточнювати.
Умови участі.Громадянство РФ, заява, оплата за навчання.

Майстер-класи

«Будова та функції клітини» – урок у музеї.

Для кого? 14-16 років.
Що дає?

• практичні навички з біології;
• навик роботи з мікроскопом;
• навик проведення експерименту.

Коли?Потрібно уточнювати.
Вартість.Потрібно уточнювати.
Тривалість. 90 хвилин.
Особливі умови відвідин.Останній вівторок місяця – санітарний день.
Як записатись?Залишити заявку на сайті.

"Світ під мікроскопом".

Для кого? 6-16 років.
Що дає?Спостереження мікроорганізмів, будова клітини під мікроскопом.
Коли?Потрібно уточнювати.
Вартість. 200 р.
Тривалість. 1:00.
Особливі умови відвідин.Збірні заняття (для відвідувачів від 6 років) відбуваються у вихідні дні та дні шкільних канікул за розкладом.
Як записатись?Залишити заявку на сайті.

Урок хімії «Найдивовижніша речовина на Землі».

Для кого? 14-16 років.
Що дає?

• знання про властивості води;
• навичка проведення лабораторних експериментів.

Коли?Потрібно уточнювати.
Вартість. 16 000 грн. за здвоєну групу по 15 осіб у кожній.
Тривалість. 90 хвилин.

Табори

Московська область

Табір з хімії «Слон та жираф».

Для кого? 9-11 класи.
Коли?Щороку.
Що дає?

• знання з хімії;
• навички роботи з реактивами.

Примітка:навчальні програми змінюються кожну зміну, тому необхідно уточнювати їх зміст організаторів.
Викладачі.Висококваліфіковані практикуючі медики різних спеціалізацій, професійні біологи, науковці.
Вартість. 32 000 грн.
Умови участі.Потрібно подати заявку на сайті.

Освітній центр "Сіріус". Напрямок «Наука». Зміни "Хімія", "Біологія".

Для кого? 10-17 років.
Що дає?Поглиблене знання профільних предметів, розширення кругозору та особистісний розвиток.
Викладачі.Вчені, педагоги провідних вузів, фізико-математичних та хіміко-біологічних шкіл, тренери національних та регіональних збірних з математики, фізики, хімії та біології.
Коли?Щороку. Можна відстежувати дати набору.
Обов'язкові вимогиГлибокі знання профільних предметів, рівень всеросійських, міжнародних олімпіад.
Вартість.Безкоштовно.
Умови участі.Подати заявку на сайт. Можливий конкурсний відбір. Подробиці необхідно уточнювати в організаторів чи відстежувати на сайті.

ВНЗ

Московський державний університет ім. М.В. Ломоносова.

Біологічний факультет.
Рік створення: 1930.
Що дає?
Кваліфікація:

Російський національний дослідницький медичний університет імені М.І. Пирогова.

Кафедра біохімії та молекулярної біології.
Рік створення: 1963.
Що дає?Готує кваліфікованих спеціалістів.
Кваліфікація:спеціаліст, термін навчання – 6 років.

Новосибірськ

Новосибірський державний університет.

Факультет природничих наук. Біологічне відділення. Кафедра молекулярної біології.
Рік створення: 1959.
Що дає?Готує кваліфікованих спеціалістів.
Кваліфікація:бакалавр, термін навчання – 4 роки, магістр – 2 роки.

Онлайн-курси

Російською мовою

"Реальна математика". Електронна школа "Знаніка".

Для кого? 5-9 класи.
Що дає?Поглиблене знання математики.
Коли?В будь-який час.
Викладачі.Кандидати фізико-математичних, педагогічних наук, доценти, професори та викладачі провідних вишів країни.
Умови участі.Потрібна реєстрація.

Віртуальна хімічна лабораторія Марійський державний технічний університет.

Для кого? 8-11 класи.
Що дає?Навичка роботи в хімічній лабораторії, навичка виконання дослідів у режимі реального часу.
Вартість. 3 500 - 9 000 грн.
Умови участі.Оформити замовлення.

Mark Zentrum. Міжнародний освітній онлайн-центр.

Для кого?З 11 років.
Що дає?Програми навчання з біології, хімії, математики, іноземних мов.
Коли?Індивідуальні заняття узгоджуються із викладачем. Групові заняттяпроходять відповідно до розкладу.
Викладачі.Лінгвісти, які практикують викладачі профільних предметів.
Вартість.Пробний урок – безкоштовно. Індивідуальні заняття: один урок - 450-1200 р., Залежно від кількості занять (мінімум п'ять) і від тривалості уроку. Групові заняття: один урок – 280–640 грн.
Вартість занять із іноземної мови. Пробний урок з носієм мови- Платне: 10 євро. Вартість одного заняття: 15–35 євро залежно від тривалості уроку.
Тривалість.Залежить від форми занять. Індивідуальне заняття- 45-90 хвилин, заняття у групі - 90 хвилин, вебінар - 120 хвилин. Перше пробне заняття – 30–40 хвилин.
Умови участі.Заповнити заявку-анкету на пробний урок.
Особливі умови.Необхідні матеріали та підручники надсилаються викладачем у електронному вигляді(є можливість придбати навчальні матеріалиу друкованому вигляді).

Англійською мовою

лекція. Surprises and Discovery in Catalysis.

Для кого?Школярі, студенти.
Що дає?Знання про останні досягнення в галузі каталізу.
Викладачі. Erick M. Carreira, професор органічної хімії університету Цюріха.
Коли?В будь-який час.
Вартість.Безкоштовно.

Віртулаб з хімії англійською мовою. Є можливість настроїти російську мову.

Для кого?Школярі.
Що дає?Навичка роботи в лабораторії з сотнями реагентів у режимі реального часу.
Коли?В будь-який час.
Вартість.Безкоштовно.

Детективно-хімічний віртулаб. Розслідування злочину за допомогою знання хімії.

Для кого?Школярі, студенти.
Що дає?Навичка застосування знань з хімії в ігровій формі.
Коли?В будь-який час.
Тривалість квесту. 40-50 хвилин.
Вартість.Безкоштовно.
Умови участі.Завантажити програму на комп'ютер.

1. Історія вивчення нуклеїнових кислот. Методи молекулярної біології………………3

2. Будова нуклеїнових кислот. Нуклеопротеїди…………………………………………..6

Робота №1. Гідроліз нуклеопротеїдів……………………………………………………..8

Робота №2. Виділення дезоксирибонуклеопротеїдів (ДНП) з тканин………………...10

3. Синтез нуклеотидів. Розподіл нуклеотидів в организме………………………….11

4. Структура та функції ДНК та РНК. Контрольні питання………………………………13

5. Кількісне визначення нуклеїнових кислот………………………………………14

Робота №3. Кількісне визначення нуклеїнових кислот у крові…………….......-

Робота №4. Спектрофотометричне визначення сумарного

Робота №5. Кількісне визначення ДНК колориметричним методом…………16

Робота №6. Кількісне визначення РНК колориметричним методом………….17

Контрольні питання……………………………………………………………………….18

6. Структура геному. Експресія генів. Контрольні питання……………………………19

Література………………………………………………………………………………………20

Історія вивчення нуклеїнових кислот. Методи молекулярної біології.

1. Молекулярна біологія як наука. Виникнення.

2. Завдання молекулярної біології.

3. Основні відкриття молекулярної біології. Основний постулат.

4. Взаємозв'язок молекулярної біології коїться з іншими науками.

5. Виникнення нових наук – геноміки та протеоміки. Створення банків генів.

6. Методи молекулярної біології: - Мікроскопія;

Рентгеноструктурний аналіз;

використання радіоактивних ізотопів;

Ультрацентрифугування;

Хроматографія;

Електрофорез;

Ізоелектрофокусування;

Метод культури клітин;

Безклітинні системи;

Моноклональні антитіла та ін.

____________________________

«Молекулярна біологія вивчає зв'язок структури біологічних макромолекул та основних клітинних компонентів з їх функцією, а також основні принципи та механізми саморегуляції клітин, які опосередковують узгодженість і єдність всіх процесів, що протікають у клітині, що складають сутність життя» - Дж. Вотсон, 1968 р.

Завданнямолекулярної біології:

розшифрування структури геномів;

створення банків генів;

геномна дактилоскопія;

вивчення молекулярних основ еволюції, диференціювання, біорізноманіття, розвитку та старіння, канцерогенезу, імунітету та ін;

створення методів діагностики та лікування генетичних хвороб, вірусних захворювань;

створення нових біотехнологій виробництва харчових продуктівта різноманітних біологічно активних сполук (гормонів, антигормонів, релізинг-факторів, енергоносіїв та ін.)

Етапи:

1) Ф. Мішер (F. Miesher) вперше виділив ДНК (1869); О.М. Білозерський

виділив ДНК із рослин.

2) 50-ті роки XX століття – отримані дані про елементарну будову білків та нуклеїнових кислот.

3) 60-ті - 70-ті рр. XX століття – розкрито природу та основні шляхи передачі та реалізації генетичної інформації. Сформульовано основний постулат.

4) 70-ті - 80-ті рр. XX століття – вивчення механізмів сплайсингу, відкриття РНК-ферментів та аутосплайсингу, вивчення механізмів генетичної рекомбінації, починаються роботи з розшифрування структури геномів вищих організмів, виникає білкова інженерія; організація банків генів

5) 90-ті роки. XX ст. – початок XXI ст. – розвиток біоінформатики; визначення нуклеотидних послідовностей (секвенування) ДНК різних організмів: 1995р. - Секвенований перший бактеріальний геном, 1997р. - Геном дріжджів, 1998р. - Геном нематоди, 2000р. - Геном дрозофіли, 2001р. - Майже повністю геном людини.

У середині 60-х років. XX століття остаточно сформовано основний постулат молекулярної генетики, що формулює магістральний шлях реалізації генетичної інформації в клітині: ДНК → РНК → білок