عالم الأحياء الجزيئي. البيولوجيا الجزيئية ماذا يدرس البيولوجيا الجزيئية

تطور الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية وعلم الوراثة والكيمياء الخلوية والعديد من أقسام علم الأحياء الدقيقة وعلم الفيروسات في بداية الأربعينيات من القرن العشرين. أدى عن كثب إلى دراسة ظواهر الحياة على المستوى الجزيئي. أدت النجاحات التي حققتها هذه العلوم ، في وقت واحد ومن جوانب مختلفة ، إلى إدراك حقيقة أنه على المستوى الجزيئي تعمل أنظمة التحكم الرئيسية في وظائف الجسم وأن التقدم الإضافي لهذه العلوم سيعتمد على الكشف عن الوظائف البيولوجية للجزيئات التي تتكون منها أجسام الكائنات الحية ، ومشاركتها في التوليف والتفكك ، والتحولات المتبادلة وتكاثر المركبات في الخلية ، وكذلك تبادل الطاقة والمعلومات التي تحدث في هذه الحالة. وهكذا ، عند تقاطع هذه التخصصات البيولوجية مع الكيمياء والفيزياء ، نشأ فرع جديد تمامًا - البيولوجيا الجزيئية.

على عكس الكيمياء الحيوية ، فإن الاهتمام الحديث البيولوجيا الجزيئيةيركز بشكل أساسي على دراسة بنية ووظيفة أهم فئات البوليمرات الحيوية - البروتينات والأحماض النووية ، حيث يحدد أولها إمكانية حدوث تفاعلات التمثيل الغذائي ، والثاني - التخليق الحيوي لبروتينات معينة. من الواضح ، إذن ، أنه من المستحيل التمييز بشكل واضح بين البيولوجيا الجزيئية والكيمياء الحيوية ، والفروع المقابلة لعلم الوراثة ، وعلم الأحياء الدقيقة ، وعلم الفيروسات.

ارتبط ظهور البيولوجيا الجزيئية ارتباطًا وثيقًا بتطوير طرق البحث الجديدة ، والتي تمت مناقشتها بالفعل في الفصول ذات الصلة. إلى جانب تطور المجهر الإلكتروني وطرق أخرى للتقنية المجهرية ، لعبت طرق تجزئة العناصر الخلوية التي تم تطويرها في الخمسينيات دورًا مهمًا. كانت تستند إلى طرق محسنة للطرد المركزي التفاضلي (A. Claude ، 1954). بحلول هذا الوقت ، كانت هناك بالفعل طرق موثوقة تمامًا لعزل وتجزئة البوليمرات الحيوية. يتضمن ذلك ، على وجه الخصوص ، طريقة تجزئة البروتين عن طريق الرحلان الكهربائي التي اقترحها A. ، وغيرها). في الوقت نفسه ، تم تطوير طرق مختلفة للتحليل الكروماتوغرافي في العديد من المختبرات في العالم (A. Martin and R. Sing ، 1941 ؛ جائزة نوبل ، 1952) ، ثم تحسنت بشكل ملحوظ لاحقًا.

لعب تحليل حيود الأشعة السينية خدمة لا تقدر بثمن في فك تشفير بنية البوليمرات الحيوية. تم تطوير المبادئ الأساسية لتحليل حيود الأشعة السينية في جامعة كينجز كوليدج بلندن تحت قيادة دبليو براغ من قبل مجموعة من الباحثين ، تضمنت جيه بيرنال ، أ. لوندسدال ، دبليو أستبيري ، ج. روبرتسون وآخرين.

يجب الإشارة بشكل خاص إلى دراسات الكيمياء الحيوية البروتوبلازم (1925-1929) ، أستاذ جامعة موسكو الحكومية A. R. Kizel ، والتي كانت ذات أهمية كبيرة للتطور اللاحق للبيولوجيا الجزيئية. وجهت Kizel ضربة إلى الفكرة الراسخة الجذور بأن أي بروتوبلازم يعتمد على جسم بروتيني خاص - لوحات ، يُزعم أنها تحدد جميع سماته الهيكلية والوظيفية الأكثر أهمية. أظهر أن الصفائح عبارة عن بروتين موجود فقط في الفطريات المخاطية ، ثم في مرحلة معينة من التطور ، وأنه لا يوجد مكون دائم - بروتين هيكلي واحد - في البروتوبلازم. وهكذا ، فإن دراسة مشكلة بنية البروتوبلازم والدور الوظيفي للبروتينات أخذت المسار الصحيح وحصلت على مجال لتطورها. حازت أبحاث Kisel على اعتراف عالمي ، مما حفز دراسة كيمياء الأجزاء المكونة للخلية.

مصطلح "البيولوجيا الجزيئية" ، الذي استخدمه لأول مرة أستاذ علم البلورات الإنجليزي بجامعة ليدز دبليو أستبري ، ربما ظهر في أوائل الأربعينيات (قبل عام 1945). كانت دراسات حيود الأشعة السينية الأساسية للبروتينات والحمض النووي ، التي أجراها Astbury في الثلاثينيات من القرن الماضي ، بمثابة الأساس لنجاح فك التشفير اللاحق للهيكل الثانوي لهذه البوليمرات الحيوية. في عام 1963 ، كتب ج. برنال: "سيتم تشييد نصب تذكاري له من قبل كل البيولوجيا الجزيئية - العلم الذي سماه وأسسه حقًا" * ، ظهر هذا المصطلح في الأدب لأول مرة ، ربما ، في عام 1946 في مقال لـ W. Astbury بعنوان "تقدم تحليل حيود الأشعة السينية للمركبات العضوية والليفية" ، المنشور في المجلة الإنجليزية "Nature" **. في محاضرة هارفي ، أشار أستبري (1950): "يسعدني أن مصطلح البيولوجيا الجزيئية يُستخدم الآن على نطاق واسع ، على الرغم من أنه من غير المحتمل أن أكون أول من اقترحه. لقد أحببته وحاولت منذ فترة طويلة نشره "***. في عام 1950 ، كان أستبري واضحًا بالفعل في أن البيولوجيا الجزيئية تتعامل في المقام الأول مع بنية وتشكيل الجزيئات الكبيرة ، والتي تعتبر دراستها ذات أهمية حاسمة لفهم عمل الكائنات الحية.

* (بيوجر. ميم. الزملاء روي. سوك ، 1963 ، ق. 9 ، 29.)

** (دبليو تي أستبري. تقدم تحليل الأشعة السينية للبنى العضوية والألياف. - الطبيعة ،. 1946 ، ق. 157 ، 121.)

*** (دبليو تي أستبري. مغامرات في البيولوجيا الجزيئية. توماس سبرينجفيلد ، 1952 ، ص. 3.)

واجهت البيولوجيا الجزيئية وتواجه ، في الواقع ، نفس مهام علم الأحياء ككل - معرفة جوهر الحياة وظواهرها الأساسية ، على وجه الخصوص ، مثل الوراثة والتنوع. تهدف البيولوجيا الجزيئية الحديثة في المقام الأول إلى فك شفرة بنية ووظيفة الجينات ، وطرق وآليات إدراك المعلومات الجينية للكائنات الحية في مراحل مختلفة من التولد وفي مراحل مختلفة من قراءتها. إنه مصمم للكشف عن الآليات الدقيقة لتنظيم نشاط الجينات وتمايز الخلايا ، لتوضيح طبيعة الطفرات والأساس الجزيئي للعملية التطورية.

إثبات الدور الجيني للأحماض النووية

لتطوير البيولوجيا الجزيئية ، كانت الاكتشافات التالية ذات أهمية قصوى. في عام 1944 ، أظهر الباحثون الأمريكيون O. Avery و K. McLeod (جائزة نوبل ، 1923) و M. McCarthy أن جزيئات الحمض النووي المعزولة من المكورات الرئوية لها نشاط تحويلي. بعد التحلل المائي لهذه الحمض النووي بواسطة ديوكسي ريبونوكلياز ، اختفى نشاطها التحويلي تمامًا. وهكذا ، لأول مرة ، ثبت بشكل مقنع أن الحمض النووي ، وليس البروتين ، هو الذي يتمتع بوظائف وراثية في الخلية.

في الإنصاف ، تجدر الإشارة إلى أن ظاهرة التحول البكتيري تم اكتشافها في وقت أبكر بكثير من اكتشاف Avery و McLeod و McCarthy. في عام 1928 ، نشر ف.جريفث مقالًا ذكر فيه أنه بعد إضافة خلايا ميتة لسلالة خبيثة مغلفة إلى المكورات الرئوية غير الخبيثة (غير المغلفة) ، يصبح خليط الخلايا الناتج قاتلاً للفئران. علاوة على ذلك ، كانت خلايا المكورات الرئوية الحية المعزولة من الحيوانات المصابة بهذا الخليط ضارة بالفعل وتمتلك كبسولة عديد السكاريد. وهكذا ، في هذه التجربة ، تبين أنه تحت تأثير بعض مكونات خلايا المكورات الرئوية المقتولة ، يتحول الشكل غير المغلف من البكتيريا إلى شكل كبسولة خبيث. بعد ستة عشر عامًا ، استبدل أفيري وماكلويد ومكارثي خلايا المكورات الرئوية الكاملة المقتولة بحمض ديوكسي ريبونوكلييك في هذه التجربة وأظهروا أن الحمض النووي هو الذي كان له نشاط تحويلي (انظر أيضًا الفصلين 7 و 25). من الصعب المبالغة في أهمية هذا الاكتشاف. حفز دراسة الأحماض النووية في العديد من المختبرات حول العالم وأجبر العلماء على التركيز على الحمض النووي.

إلى جانب اكتشاف Avery و McLeod و McCarthy ، بحلول بداية الخمسينيات من القرن الماضي ، تراكمت بالفعل كمية كبيرة من الأدلة المباشرة وغير المباشرة على أن الأحماض النووية تلعب دورًا استثنائيًا في الحياة ولها وظيفة وراثية. هذا ، على وجه الخصوص ، تمت الإشارة إليه من خلال طبيعة توطين الحمض النووي في الخلية وبيانات R. نصف ذلك في الخلايا الجسدية ثنائية الصبغة. كما شهد الاستقرار الأيضي الواضح للحمض النووي لصالح الدور الجيني للحمض النووي. مع بداية الخمسينيات من القرن الماضي ، تراكمت الكثير من الحقائق المختلفة ، مما يشير إلى أن معظم العوامل المطفرة المعروفة تعمل بشكل رئيسي على الأحماض النووية ، وعلى وجه الخصوص ، على الحمض النووي (R. Hotchkiss، 1949؛ G. Ephrussi-Taylor، 1951؛ فريز ، 1957 وآخرون).

كانت دراسة العاثيات والفيروسات ذات أهمية خاصة في تحديد الدور الجيني للأحماض النووية. في عام 1933 ، وجد د.شليزنجر الحمض النووي في عاثية الإشريكية القولونية. منذ عزل دبليو ستانلي (1935 ، جائزة نوبل ، 1946) لفيروس موزاييك التبغ (TMV) في الحالة البلورية ، عصر جديدفي دراسة فيروسات النبات. في عام 1937 - 1938. أظهر موظفو محطة روثامستيد الزراعية (إنجلترا) F. Bowden و N. Peary أن العديد من فيروسات النبات المعزولة بواسطتهم ليست غلوبولين ، ولكنها بروتينات ريبونية وتحتوي على حمض نووي كمكون إلزامي. في بداية الأربعينيات ، نُشرت أعمال ج. شرام (1940) ، ب. أ. أغاتوف (1941) ، ج. لفقدان عدوى TMV. يشير هذا إلى أن مكون البروتين لا يمكن أن يكون حاملًا للخصائص الوراثية للفيروس ، كما يعتقد العديد من علماء الأحياء الدقيقة. تم الحصول على أدلة مقنعة لصالح الدور الجيني للحمض النووي (RNA) في فيروسات النبات في عام 1956 من قبل G. قام هؤلاء الباحثون في وقت واحد تقريبًا وبشكل مستقل عن بعضهم البعض بعزل الحمض النووي الريبي من TMV وأظهروا أنه ، وليس البروتين ، لديه القدرة على العدوى: نتيجة لإصابة نباتات التبغ بهذا الحمض النووي الريبي ، تشكلت الجزيئات الفيروسية الطبيعية وتضاعفت فيها. هذا يعني أن الحمض النووي الريبي يحتوي على معلومات لتخليق وتجميع جميع المكونات الفيروسية ، بما في ذلك البروتين الفيروسي. في عام 1968 ، أثبت I.G Atabekov أن البروتين يلعب دورًا مهمًا في إصابة النباتات ذاتها - تحدد طبيعة البروتين طيف النباتات المضيفة.

في عام 1957 ، قام Frenkel-Konrat لأول مرة بإعادة بناء TMV من مكوناته المكونة - RNA والبروتين. جنبا إلى جنب مع الجسيمات العادية ، تلقى "هجينة" مختلطة يكون فيها الحمض النووي الريبي من سلالة والبروتين من سلالة أخرى. تم تحديد وراثة هذه الهجينة تمامًا بواسطة الحمض النووي الريبي ، وتنتمي ذرية الفيروسات إلى السلالة التي تم استخدام الحمض النووي الريبي الخاص بها للحصول على الجسيمات المختلطة الأولية. في وقت لاحق ، أظهرت تجارب A. Gierer و G. Schuster و G. Schramm (1958) و G. Witman (1960-1966) أن التعديل الكيميائي للمكون النووي TMV يؤدي إلى ظهور طفرات مختلفة لهذا الفيروس.

في عام 1970 ، وجد D. Baltimore و G. Temin أن نقل المعلومات الجينية يمكن أن يحدث ليس فقط من DNA إلى RNA ، ولكن العكس صحيح. ووجدوا في بعض الفيروسات المحتوية على الحمض النووي الريبي (فيروسات الورم) إنزيمًا خاصًا ، يسمى إنزيم النسخ العكسي ، وهو قادر على تصنيع الحمض النووي التكميلي في سلاسل الحمض النووي الريبي. مكّن هذا الاكتشاف الكبير من فهم آلية إدخال المعلومات الجينية للفيروسات المحتوية على الحمض النووي الريبي في جينوم المضيف وإلقاء نظرة جديدة على طبيعة عملهم الوراثي.

اكتشاف الأحماض النووية ودراسة خصائصها

تم تقديم مصطلح الأحماض النووية من قبل عالم الكيمياء الحيوية الألماني R. Altman في عام 1889 ، بعد اكتشاف هذه المركبات في عام 1869 من قبل الطبيب السويسري F.Miescher. استخرج Misher الخلايا الصديدية بحمض الهيدروكلوريك المخفف لعدة أسابيع وحصل على مادة نووية نقية تقريبًا في الباقي. واعتبر هذه المادة "مادة مميزة لنواة الخلية وأطلق عليها اسم" نوكلين ". وفي خواصه اختلف النوكلين بشدة عن البروتينات: فهو أكثر حمضية ، ولا يحتوي على الكبريت ، ولكنه يحتوي على الكثير من الفسفور ، وكان سريع الذوبان. في القلويات ، لكنها لا تذوب في الأحماض المخففة.

أرسل Misher نتائج ملاحظاته على النوكلين إلى F. Goppe-Seyler للنشر في مجلة. كانت المادة التي وصفها غير عادية (في ذلك الوقت كان الليسيثين فقط معروفًا من جميع المركبات البيولوجية المحتوية على الفوسفور) لدرجة أن جوبي سيلر لم يصدق تجارب ميشر ، وأعاد المخطوطة إليه وأصدر تعليمات إلى موظفيه ن. تحقق من استنتاجاته على مواد أخرى. نُشر عمل ميشر "حول التركيب الكيميائي لخلايا القيح" بعد ذلك بعامين (1871). في الوقت نفسه ، نُشرت أعمال Goppe-Seyler ومعاونيه حول تكوين خلايا القيح ، وكريات الدم الحمراء للطيور ، والثعابين ، وخلايا أخرى. على مدى السنوات الثلاث التالية ، تم عزل النوكلين من الخلايا الحيوانية والخميرة.

أشار Misher في عمله إلى أن الدراسة التفصيلية للنووكلينات المختلفة يمكن أن تؤدي إلى إنشاء اختلافات بينها ، وبالتالي توقع فكرة خصوصية الأحماض النووية. أثناء دراسة حليب السلمون ، وجد Misher أن النوكلين الموجود فيها يكون على شكل ملح ومرتبط بالبروتين الرئيسي الذي أسماه البروتامين.

في عام 1879 ، بدأ A. Kossel في دراسة النوكلينات في مختبر Goppe-Seyler. في عام 1881 ، عزل هيبوكسانتين من النوكلين ، لكنه في ذلك الوقت كان لا يزال يشك في أصل هذه القاعدة ويعتقد أن الهيبوكسانثين يمكن أن يكون ناتجًا عن تحلل البروتينات. في عام 1891 ، من بين منتجات التحلل المائي للنيوكلين ، اكتشف كوسيل الأدينين ، والجوانين ، وحمض الفوسفوريك ، ومادة أخرى لها خصائص السكر. للبحث في كيمياء الأحماض النووية ، حصل كوسيل على جائزة نوبل في عام 1910.

يرتبط التقدم الإضافي في فك رموز بنية الأحماض النووية ببحوث P. Levin وزملائه (1911 - 1934). في عام 1911 ، حدد ب. ليفين وف. جاكوبس عنصر الكربوهيدرات في الأدينوزين والجوانوزين. وجدوا أن هذه النيوكليوسيدات تحتوي على D- ريبوز. في عام 1930 ، أظهر لوين أن مكون الكربوهيدرات في deoxyribonucleosides هو 2-deoxy-D-ribose. من خلال عمله ، أصبح معروفًا أن الأحماض النووية مبنية من النيوكليوتيدات ، أي النيوكليوسيدات الفسفورية. يعتقد ليفين أن النوع الرئيسي من الروابط في الأحماض النووية (RNA) هو رابطة فوسفوديستر 2 "، 5". تبين أن هذه الفكرة خاطئة. بفضل عمل الكيميائي الإنجليزي أ.تود (جائزة نوبل ، 1957) ومعاونيه ، وكذلك عالما الكيمياء الحيوية الإنجليز آر.ماركهام وج. سميث ، أصبح معروفًا في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي أن النوع الرئيسي من الروابط في الحمض النووي الريبي هو 3 "، 5" - رابطة فوسفوديستر.

أظهر لوين أن الأحماض النووية المختلفة يمكن أن تختلف في طبيعة مكون الكربوهيدرات: بعضها يحتوي على سكر ديوكسيريبوز ، بينما يحتوي البعض الآخر على ريبوز. بالإضافة إلى ذلك ، اختلف هذان النوعان من الأحماض النووية في طبيعة إحدى القواعد: تحتوي الأحماض النووية من نوع البنتوز على اليوراسيل ، والأحماض النووية من نوع الديوكسي بنتوز تحتوي على الثايمين. عادة ما يتم عزل الحمض النووي Deoxypentose (في المصطلحات الحديثة ، حمض الديوكسي ريبونوكلييك - DNA) بسهولة بكميات كبيرة من الغدة الصعترية (الغدة الحلوة) للعجول. لذلك ، كان يطلق عليه حمض الثيمونيكليك. كان مصدر الحمض النووي من نوع البنتوز (RNA) هو الخميرة وجنين القمح بشكل أساسي. غالبًا ما يشار إلى هذا النوع باسم حمض نووي الخميرة.

في أوائل الثلاثينيات من القرن الماضي ، كانت الفكرة القائلة بأن الخلايا النباتية تتميز بحمض نووي من نوع الخميرة متجذرة بقوة إلى حد ما ، في حين أن حمض نووي الثيمونيك كان سمة من سمات نوى الخلايا الحيوانية فقط. ثم سمي نوعا الأحماض النووية ، RNA و DNA ، بالأحماض النووية النباتية والحيوانية ، على التوالي. ومع ذلك ، وكما أظهرت الدراسات المبكرة لـ A.N. Belozersky ، فإن مثل هذا التقسيم للأحماض النووية غير مبرر. في عام 1934 ، اكتشف Belozersky لأول مرة حمض الثيمونيكليك في الخلايا النباتية: من شتلات البازلاء ، قام بعزل وتحديد قاعدة الثايمين-بيريميدين ، والتي هي سمة من سمات الحمض النووي. ثم اكتشف الثايمين في نباتات أخرى (بذور فول الصويا ، الفول). في عام 1936 ، عزل A.N. Belozersky و I.I.Dubrovskaya الحمض النووي من شتلات كستناء الحصان. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت سلسلة من الدراسات التي أجراها ديفيدسون وزملاؤه في إنجلترا في الأربعينيات بشكل مقنع أن الحمض النووي للنبات (RNA) موجود في العديد من الخلايا الحيوانية.

أدى الاستخدام الواسع النطاق للتفاعل الكيميائي الخلوي للحمض النووي الذي طوره R. الأحماض في الخلية. اتضح أن الحمض النووي يتركز في النواة ، بينما الحمض النووي الريبي يتركز في الغالب في السيتوبلازم. في وقت لاحق ، وجد أن الحمض النووي الريبي موجود في كل من السيتوبلازم والنواة ، وبالإضافة إلى ذلك ، تم تحديد الحمض النووي السيتوبلازمي.

فيما يتعلق بمسألة التركيب الأساسي للأحماض النووية ، بحلول منتصف الأربعينيات من القرن الماضي ، تم ترسيخ فكرة P. كتل. كل من هذه الكتل ، وفقًا لوين ، تحتوي على أربعة نيوكليوتيدات مختلفة. حرمت نظرية رباعي النوكليوتيدات لبنية الأحماض النووية إلى حد كبير هذه البوليمرات الحيوية من الخصوصية. لذلك ، ليس من المستغرب أنه في ذلك الوقت ، كانت جميع تفاصيل الكائنات الحية مرتبطة فقط بالبروتينات ، وطبيعة المونومرات التي تكون أكثر تنوعًا (20 حمضًا أمينيًا).

تم إجراء الفجوة الأولى في نظرية بنية رباعي النوكليوتيد للأحماض النووية من خلال البيانات التحليلية للكيميائي الإنجليزي J. Gouland (1945-1947). عند تحديد تكوين الأحماض النووية بواسطة النيتروجين الأساسي ، لم يحصل على نسبة متساوية من القواعد ، كما كان ينبغي أن تكون وفقًا لنظرية لوين. أخيرًا ، انهارت نظرية رباعي النوكليوتيدات لبنية الأحماض النووية نتيجة لأبحاث E. Chargaff ومعاونيه (1949 - 1951). استخدم Chargaff الكروماتوغرافيا الورقية لفصل القواعد المنبعثة من الحمض النووي نتيجة تحللها الحمضي. تم تحديد كل من هذه القواعد بدقة من خلال القياس الطيفي. لاحظ Chargaff انحرافات كبيرة عن النسبة المتساوية للقواعد في الحمض النووي من أصول مختلفة ، وللمرة الأولى ذكر بشكل قاطع أن الحمض النووي له خصوصية واضحة للأنواع. هذا أنهى هيمنة مفهوم خصوصية البروتين في الخلية الحية. بتحليل الحمض النووي من أصول مختلفة ، اكتشف Chargaff وصياغة أنماط فريدة من تكوين الحمض النووي ، والتي دخلت العلم تحت اسم قواعد Chargaff. وفقًا لهذه القواعد ، في جميع الحمض النووي ، بغض النظر عن الأصل ، فإن كمية الأدينين تساوي كمية الثايمين (A = T) ، كمية الجوانين تساوي كمية السيتوزين (G = C) ، كمية البيورينات تساوي كمية البيريميدينات (G + A = C + T) ، قواعد الكمية مع 6 مجموعات أمينية تساوي عدد القواعد مع مجموعات 6-keto (A + C = G + T). ومع ذلك ، على الرغم من هذه التطابقات الكمية الصارمة ، الحمض النووي أنواع مختلفةتختلف في حجم النسبة A + T: G + C. في بعض الحمض النووي ، تسود كمية الجوانين والسيتوزين على كمية الأدينين والثيمين (يطلق Chargaff على الحمض النووي DNA من نوع GC) ؛ احتوت الحمض النووي الآخر على كمية من الأدينين والثيمين أكثر من الجوانين والسيتوزين (كانت تسمى هذه الحمض النووي DNA من نوع AT). لعبت البيانات التي حصل عليها Chargaff حول تكوين الحمض النووي دورًا استثنائيًا في البيولوجيا الجزيئية. كانوا هم الذين شكلوا الأساس لاكتشاف بنية الحمض النووي ، الذي تم إجراؤه في عام 1953 بواسطة J. Watson و F. Crick.

في عام 1938 ، أظهر دبليو أستبري وف. بيل ، باستخدام تحليل حيود الأشعة السينية ، أن المستويات الأساسية في الحمض النووي يجب أن تكون متعامدة مع المحور الطويل للجزيء وتشبه ، كما كانت ، كومة من الصفائح الموضوعة على القمة. من بعضها البعض. مع تحسين تقنية تحليل حيود الأشعة السينية ، 1952 - 1953. المعلومات المتراكمة التي جعلت من الممكن الحكم على طول الروابط الفردية وزوايا الميل. هذا جعل من الممكن تمثيل طبيعة اتجاه حلقات بقايا البنتوز في العمود الفقري للسكر والفوسفات في جزيء الحمض النووي بأكبر احتمال ممكن. في عام 1952 ، اقترح S. Farberg نموذجين تأمليين من الحمض النووي ، والذي يمثل جزيءًا واحدًا تقطعت به السبل مطويًا أو ملتويًا على نفسه. تم اقتراح نموذج لا يقل عن المضاربة لهيكل الحمض النووي في عام 1953 من قبل L.Pauling (الحائز على جائزة نوبل ، 1954) و R. Corey. في هذا النموذج ، شكلت ثلاث خيوط ملتوية من الحمض النووي حلزونًا طويلًا ، تم تمثيل جوهره بمجموعات الفوسفات ، وكانت القواعد موجودة خارجها. بحلول عام 1953 ، حصل M. Wilkins و R. Franklin على أنماط حيود أشعة سينية أوضح للحمض النووي. أظهر تحليلهم الفشل الكامل لنماذج Farberg و Pauling و Corey. باستخدام بيانات Chargaff ، بمقارنة مجموعات مختلفة من النماذج الجزيئية للمونومرات الفردية وبيانات حيود الأشعة السينية ، توصل J. Watson و F. Crick في عام 1953 إلى استنتاج مفاده أن جزيء الحمض النووي يجب أن يكون حلزونًا مزدوج الشريطة. حدت قواعد Chargaff بشدة من عدد التوليفات المطلوبة الممكنة من القواعد في نموذج DNA المقترح ؛ اقترحوا على Watson and Crick أنه يجب أن يكون هناك اقتران أساسي محدد في جزيء الحمض النووي - الأدينين مع الثايمين ، والجوانين مع السيتوزين. بعبارة أخرى ، يتطابق الأدينين في أحد خيوط الحمض النووي دائمًا بشكل صارم مع الثايمين في الخيط الآخر ، والجوانين في إحدى الخيطين يتوافق بالضرورة مع السيتوزين في الخيط الآخر. وهكذا ، كان Watson and Crick أول من صاغ مبدأ بالغ الأهمية للبنية التكميلية للحمض النووي ، والذي بموجبه يكمل أحد خيوط الحمض النووي الآخر ، أي أن التسلسل الأساسي لأحد الخيطين يحدد بشكل فريد التسلسل الأساسي في الخيط الآخر (التكميلي) . أصبح من الواضح أنه في بنية الحمض النووي تكمن إمكانية تكاثره الدقيق. هذا النموذج من بنية الحمض النووي مقبول حاليًا بشكل عام. مُنح كريك وواتسون وويلكنز جائزة نوبل في عام 1962 لفك تشفير بنية الحمض النووي.

تجدر الإشارة إلى أن فكرة آلية الاستنساخ الدقيق للجزيئات الكبيرة ونقل المعلومات الوراثية نشأت في بلدنا. في عام 1927 ، اقترح N.K Koltsov أنه أثناء تكاثر الخلايا ، يحدث تكاثر الجزيئات عن طريق التكاثر التحفيزي الدقيق للجزيئات الأم الموجودة. صحيح ، في ذلك الوقت ، لم يمنح Koltsov هذه الخاصية بجزيئات DNA ، ولكن بجزيئات ذات طبيعة بروتينية ، لم تكن أهميتها الوظيفية معروفة بعد ذلك. ومع ذلك ، فإن فكرة التكاثر التحفيزي الذاتي للجزيئات الكبيرة وآلية انتقال الخصائص الوراثية اتضح أنها فكرة نبوية: فقد أصبحت الفكرة الموجهة للبيولوجيا الجزيئية الحديثة.

تم إجراؤه في مختبر A.N. Belozersky بواسطة A. S. وكريك. أظهرت هذه الدراسات أن الحمض النووي للبكتيريا والفطريات والطحالب والفطريات الشعاعية والنباتات العليا واللافقاريات والفقاريات لها تركيبة محددة. تظهر الاختلافات في التركيب (محتوى أزواج AT-base) بشكل خاص في الكائنات الحية الدقيقة ، مما يجعلها ميزة تصنيفية مهمة. في النباتات والحيوانات العليا ، تكون الاختلافات في الأنواع في تكوين الحمض النووي أقل وضوحًا. لكن هذا لا يعني أن حمضهم النووي أقل تحديدًا. بالإضافة إلى تكوين القواعد ، يتم تحديد الخصوصية إلى حد كبير من خلال تسلسلها في سلاسل الحمض النووي.

إلى جانب القواعد المعتادة ، تم العثور على قواعد نيتروجينية إضافية في DNA و RNA. وهكذا ، وجد G. White (1950) 5-methylcytosine في الحمض النووي للنباتات والحيوانات ، و D. لفترة طويلة ، كان الميثيل سيتوزين يعتبر سمة مميزة للمادة الجينية للكائنات الحية الأعلى. في عام 1968 ، اكتشف كل من A.N. Belozersky و B.Fanyushin و N.A Kokurina أنه يمكن أيضًا العثور عليه في الحمض النووي للبكتيريا.

في عام 1964 ، اكتشف M. Gold و J. Hurwitz فئة جديدة من الإنزيمات التي تقوم بالتعديل الطبيعي للحمض النووي - الميثيل الخاص به. بعد هذا الاكتشاف ، أصبح من الواضح أن قواعد ثانوية (محتواة بكميات صغيرة) تنشأ بالفعل على سلسلة عديد النوكليوتيد DNA المنتهية نتيجة مثيلة معينة لبقايا السيتوزين والأدينين في تسلسلات خاصة. على وجه الخصوص ، وفقًا لـ B. F. Vanyushin، Ya. وفقًا لـ A.N. Belozersky وزملائه (1968-1970) ، وكذلك M. Meselson (الولايات المتحدة الأمريكية) و V. نوكليازات محددة ، هي جزء من آلية معقدة تتحكم في تخليق الحمض النووي في الخلية. بعبارة أخرى ، فإن طبيعة المثيلة لدنا معين تحدد مسبقًا مسألة ما إذا كان يمكن أن تتكاثر في خلية معينة.

في نفس الوقت تقريبًا ، بدأ العزل والدراسة المكثفة لميثيلازات الحمض النووي والنوكليازات المقيدة ؛ في عام 1969 - 1975 تم إنشاء تسلسل النوكليوتيدات المعترف بها في الحمض النووي بواسطة بعض هذه الإنزيمات (X. Boyer ، X. Smith ، S. Lynn ، K. Murray). عندما يتم تحلل الدنا المختلفة بواسطة إنزيم تقييد ، يتم قطع شظايا كبيرة إلى حد ما ذات نهايات "لزجة" متطابقة. هذا يجعل من الممكن ليس فقط تحليل بنية الجينات ، كما هو الحال في الفيروسات الصغيرة (D.Nethans ، S. Adler ، 1973 - 1975) ، ولكن أيضًا لبناء جينومات مختلفة. مع اكتشاف هذه الإنزيمات المقيدة المحددة ، أصبحت الهندسة الوراثية حقيقة ملموسة. يتم إدخال جينات DNA البلازميد الصغيرة من أصول مختلفة بسهولة في خلايا مختلفة. لذلك ، تم الحصول على نوع جديد من البلازميدات النشطة بيولوجيًا ، مما أعطى مقاومة لبعض المضادات الحيوية (S. Cohen ، 1973) ، وتم إدخال جينات الريبوسوم من الضفدع و Drosophila في بلازميدات Escherichia coli (J. Morrow ، 1974 ؛ X. Boyer ، D Hogness، R. Davis، 1974 - 1975). وبالتالي ، فإن الطرق الحقيقية مفتوحة للحصول على كائنات حية جديدة بشكل أساسي عن طريق إدخال ودمج جينات مختلفة في مجموعة جيناتها. يمكن توجيه هذا الاكتشاف لصالح البشرية جمعاء.

في عام 1952 ، اكتشف G. White و S. Cohen أن الحمض النووي للعاقمات T-even يحتوي على قاعدة غير عادية - 5-hydroxymethylcytosine. في وقت لاحق ، من أعمال E. Volkin و R. Sinsheimer (1954) و Cohen (1956) ، أصبح من المعروف أن بقايا هيدروكسي ميثيل سيتوزين يمكن أن تكون غلوكوزيد كليًا أو جزئيًا ، ونتيجة لذلك يتم حماية جزيء DNA phage من تأثير التحلل المائي من نوكليازات.

في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، من أعمال D. Dunn and J. تصل إلى 50٪ ثايمين. كقاعدة عامة ، تؤدي هذه الاستبدالات إلى أخطاء في تكرار الحمض النووي ونسخه وترجمته وظهور طفرات. وهكذا ، وجد J. Marmur (1962) أن الحمض النووي لبعض العاثيات يحتوي على أوكسي ميثيلوراسيل بدلاً من الثايمين. في عام 1963 ، اكتشف إ. تاكاهاشي وج. مارمور أن الحمض النووي لأحد العاثيات يحتوي على اليوراسيل بدلاً من الثايمين. وهكذا ، انهار مبدأ آخر ، بموجبه تم فصل الأحماض النووية مسبقًا. منذ زمن عمل P. Levin ، كان يعتقد أن الثايمين هو السمة المميزة للحمض النووي ، واليوراسيل هو السمة المميزة للحمض النووي الريبي. أصبح من الواضح أن هذه العلامة لا يمكن الاعتماد عليها دائمًا ، وأن الاختلاف الأساسي في الطبيعة الكيميائية لنوعين من الأحماض النووية ، كما يبدو اليوم ، هو فقط طبيعة مكون الكربوهيدرات.

في دراسة العاثيات ، تم الكشف عن العديد من السمات غير العادية لتنظيم الأحماض النووية. منذ عام 1953 ، كان يُعتقد أن كل الحمض النووي عبارة عن جزيئات خطية مزدوجة الشريطة ، في حين أن الحمض النووي الريبي هو جزيئات خطية مفردة فقط. اهتز هذا الموقف بشكل كبير في عام 1961 ، عندما اكتشف R. Sinsheimer أن الحمض النووي للعاثية φ X 174 يتم تمثيله بجزيء دائري وحيد الخيط. ومع ذلك ، اتضح لاحقًا أنه في هذا الشكل يوجد هذا الحمض النووي فقط في جسيم الملتهمة الخضرية ، والشكل التكراري للحمض النووي لهذه العاثية هو أيضًا مزدوج الشريطة. بالإضافة إلى ذلك ، اتضح أنه من غير المتوقع تمامًا أن يكون الحمض النووي الريبي لبعض الفيروسات مزدوج الشريطة. تم اكتشاف هذا النوع الجديد من التنظيم الجزيئي للحمض النووي الريبي في عام 1962 من قبل P. Gomatos و I. Tamm وباحثين آخرين في بعض فيروسات الحيوانات وفي فيروس ورم جرح النبات. مؤخرًا ، أثبت كل من V. I. Agol و A. A. Bogdanov (1970) أنه بالإضافة إلى جزيئات RNA الخطية ، هناك أيضًا جزيئات مغلقة أو حلقية. اكتشفوا الحمض النووي الريبي الدوري مزدوج الشريطة ، على وجه الخصوص ، في فيروس التهاب الدماغ والنخاع القلبية. بفضل أعمال X. Deveaux و L. Tinoko و T.

في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، اكتشف العالم الأمريكي ب. هذه العملية لها طابع انتقال طور "الملف اللولبي" وتشبه ذوبان البلورات. لذلك ، دعا دوتي عملية التمسخ الحراري لذوبان الحمض النووي DNA. مع التبريد البطيء ، تحدث إعادة تكوين الجزيئات ، أي إعادة توحيد النصفين التكميليين.

تم استخدام مبدأ إعادة التشبع في عام 1960 بواسطة J. Marmur و K. Schildkraut لتحديد درجة "تهجين" الحمض النووي للكائنات الحية الدقيقة المختلفة. بعد ذلك ، قام E. Bolton و B. McCarthy بتحسين هذه التقنية من خلال اقتراح طريقة ما يسمى بأعمدة DNA-agar. تبين أن هذه الطريقة لا غنى عنها في دراسة درجة تماثل تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي المختلف وتوضيح العلاقة الجينية للكائنات المختلفة. اكتشف Doty تمسخًا لطبيعة الحمض النووي بالاشتراك مع الكروماتوغرافيا على الألبومين الميثلي الذي وصفه J.Mandel و A. Hershey * (1960) والطرد المركزي في تدرج الكثافة (تم تطوير الطريقة في عام 1957 بواسطة M. D. Winograd) على نطاق واسع لفصل وعزل وتحليل خيوط الحمض النووي التكميلية الفردية على سبيل المثال ، أظهر دبليو شيبالسكي (الولايات المتحدة الأمريكية) ، باستخدام هذه التقنيات لفصل الحمض النووي لعثة لامدا ، في 1967-1969 أن كلا سلاسل العاثيات نشط وراثيًا ، وليس واحدًا ، كما كان يُعتبر (S. Spiegelman ، 1961). وتجدر الإشارة إلى أنه لأول مرة تم التعبير عن فكرة الأهمية الجينية لكل من خيوط الحمض النووي الخاصة بالعاثية لامدا في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية بواسطة SE Bresler (1961).

* (لعملهم في علم الوراثة للبكتيريا والفيروسات ، حصل A. Hershey مع M. Delbrück و S. Luria على جائزة نوبل في عام 1969.)

لفهم التنظيم والنشاط الوظيفي للجينوم ، فإن تحديد تسلسل نوكليوتيدات الحمض النووي له أهمية قصوى. يتم البحث عن طرق لهذا التحديد في العديد من المختبرات حول العالم. منذ أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، حاول إم. بير ومعاونوه إنشاء تسلسل الحمض النووي باستخدام المجهر الإلكتروني في الولايات المتحدة ، ولكن دون نجاح حتى الآن. في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، من أول أعمال Sinsheimer و Chargaff وباحثين آخرين حول التحلل الإنزيمي للحمض النووي ، أصبح معروفًا أن النيوكليوتيدات المختلفة في جزيء الحمض النووي يتم توزيعها ، وإن لم يكن بشكل عشوائي ، ولكن بشكل غير متساو. وفقًا للكيميائي الإنجليزي C. Barton (1961) ، تتركز البيريميدين (أكثر من 70 ٪) بشكل أساسي في شكل الكتل المقابلة. وجد A.L Mazin و B. F. Vanyushin (1968 - 1969) أن الحمض النووي المختلف له درجات مختلفة من تماسك البيريميدين وأنه في الحمض النووي للكائنات الحية يزداد بشكل ملحوظ مع انتقاله من الأسفل إلى الأعلى. وهكذا ، فإن تطور الكائنات الحية ينعكس أيضًا في بنية جينوماتها. لهذا السبب ، لفهم العملية التطورية ككل ، فإن الدراسة المقارنة لبنية الأحماض النووية لها أهمية خاصة. يعد تحليل بنية البوليمرات المهمة بيولوجيًا ، وقبل كل شيء ، الحمض النووي مهمًا للغاية لحل العديد من المشكلات الخاصة بعلم الوراثة والتصنيف.

من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن عالم وظائف الأعضاء الإنجليزي إي لانكستر ، الذي درس الهيموجلوبين في الرخويات ، توقع أفكار البيولوجيا الجزيئية قبل 100 عام بالضبط ، كتب: "الاختلافات الكيميائية بين الأنواع المختلفة وأجناس الحيوانات والنباتات مهمة للتوضيح. تاريخ أصلهم كشكلهم. إذا تمكنا من تحديد الاختلافات في التنظيم الجزيئي وعمل الكائنات الحية ، فسنكون قادرين على فهم أصل وتطور الكائنات الحية المختلفة بشكل أفضل بكثير من على أساس الملاحظات المورفولوجية "*. شدد VL Komarov أيضًا على أهمية الدراسات البيوكيميائية في التصنيف ، حيث كتب أن "أساس كل السمات المورفولوجية البحتة ، التي على أساسها نصنف ونؤسس الأنواع ، هي على وجه التحديد الاختلافات البيوكيميائية" **.

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

** (في ال. كوماروف. الأعمال المختارة ، المجلد. 1. M.-L. ، دار النشر التابعة لأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، 1945 ، ص .331.)

بلاغوفيشينسكي وس. ل. إيفانوف ، في عشرينيات القرن الماضي ، اتخذوا الخطوات الأولى في بلدنا لتوضيح بعض الأسئلة المتعلقة بتطور الكائنات الحية ونظامها على أساس تحليل مقارن لتركيبها الكيميائي الحيوي (انظر الفصل 2). أصبح التحليل المقارن لهيكل البروتينات والأحماض النووية الآن أداة ملموسة بشكل متزايد لعلماء التصنيف (انظر الفصل 21). لا تسمح طريقة البيولوجيا الجزيئية هذه فقط بتوضيح موقف الأنواع الفردية في النظام ، ولكنها تجعل من الضروري أيضًا إلقاء نظرة جديدة على مبادئ تصنيف الكائنات الحية ، وفي بعض الأحيان مراجعة النظام بأكمله ، مثل حدث ، على سبيل المثال ، مع منهجية الكائنات الحية الدقيقة. مما لا شك فيه ، في المستقبل ، سيحتل تحليل بنية الجينوم مكانًا مركزيًا في النظم الكيميائية للكائنات الحية.

من الأهمية بمكان تطوير البيولوجيا الجزيئية فك رموز آليات تكرار الحمض النووي ونسخه (انظر الفصل 24).

تخليق البروتين

يرتبط تحول مهم في حل مشكلة التخليق الحيوي للبروتين بالتقدم في دراسة الأحماض النووية. في عام 1941 ، لفت T. وخلصوا إلى أن الأحماض النووية الريبية تلعب دورًا حاسمًا في تخليق البروتين. في عام 1953 ، يبدو أن E.Gale و D. تم الحصول على بيانات مماثلة بواسطة V. Olfri و M. Delhi و A. Mirsky (1953) حول متجانسات الكبد. في وقت لاحق ، رفض E.Gale الفكرة الصحيحة التي أعرب عنها حول الدور الرئيسي للحمض النووي الريبي في تخليق البروتين ، معتقدًا خطأً أن تنشيط تخليق البروتين في نظام خالٍ من الخلايا حدث تحت تأثير مادة أخرى ذات طبيعة غير معروفة. في عام 1954 ، وجد P. Zamechnik و D. وجد P. Zamechnik و E. Keller (1953 - 1954) أن دمج الأحماض الأمينية قد تم تعزيزه بشكل ملحوظ في وجود المادة الطافية في ظل ظروف تجديد ATP. عزل P. Sikevitz (1952) و M. Hoagland (1956) جزءًا من البروتين (pH 5 fraction) من المادة الطافية ، والتي كانت مسؤولة عن التحفيز الحاد لإدراج الأحماض الأمينية في الميكروسومات. جنبا إلى جنب مع البروتينات ، تم العثور على فئة خاصة من الحمض النووي الريبي منخفض الوزن الجزيئي ، تسمى الآن نقل الحمض النووي الريبي (tRNAs) ، في المادة الطافية. في عام 1958 ، وجد Hoagland و Zamechnik وكذلك P. Berg و R. Sweet و F. Allen والعديد من الباحثين الآخرين أن كل حمض أميني يتطلب إنزيمًا خاصًا به ، ATP ، و tRNA محددًا لتنشيطه. أصبح من الواضح أن tRNAs تؤدي فقط وظيفة المحولات ، أي الأجهزة التي تجد مكانًا في المصفوفة النووية (mRNA) للحمض الأميني المقابل في جزيء البروتين الناشئ. أكدت هذه الدراسات تمامًا فرضية المهايئ لـ F. Crick (1957) ، والتي نصت على وجود محولات متعددة النوكليوتيد في الخلية ضرورية للترتيب الصحيح لبقايا الأحماض الأمينية للبروتين المركب على المصفوفة النووية. بعد ذلك بوقت طويل ، أظهر العالم الفرنسي F. Chapville (1962) في مختبر F.LIPman (جائزة نوبل ، 1953) في الولايات المتحدة ببراعة شديدة وبشكل لا لبس فيه أن موقع الحمض الأميني في جزيء البروتين المركب يتم تحديده تمامًا بواسطة الحمض الريبي النووي النقال المحدد الذي يتم إرفاقه به. تم تطوير فرضية محول Crick بواسطة Hoagland و Zamechnik.

بحلول عام 1958 ، أصبحت المراحل الرئيسية التالية من تخليق البروتين معروفة: 1) تنشيط حمض أميني بواسطة إنزيم معين من "جزء pH 5" في وجود ATP مع تكوين aminoacyl adenylate. 2) ربط حمض أميني منشط بحمض نووي معين مع إطلاق الأدينوزين أحادي الفوسفات (AMP) ؛ 3) ربط aminoacyl-tRNA (الحمض الريبي النووي النقال المحمّل بحمض أميني) بالميكروسومات ودمج الأحماض الأمينية في البروتين مع إطلاق الحمض الريبي النووي النقال. لاحظ Hoagland (1958) أن غوانوزين ثلاثي الفوسفات (GTP) مطلوب في المرحلة الأخيرة من تخليق البروتين.

نقل الحمض النووي الريبي والتوليف الجيني

بعد اكتشاف الحمض الريبي النووي النقال ، بدأت عمليات البحث النشطة عن تجزئتها وتحديد تسلسل النوكليوتيدات. حقق عالم الكيمياء الحيوية الأمريكي R. Holly أكبر نجاح. في عام 1965 ، أسس هيكل Alanine tRNA من الخميرة. باستخدام ribonucleases (guanyl RNase و البنكرياس RNase) ، قسمت هولي جزيء الحمض النووي إلى عدة أجزاء ، وحدد تسلسل النيوكليوتيدات في كل منها على حدة ، ثم أعادت بناء تسلسل جزيء alanine tRNA بأكمله. تسمى هذه الطريقة في تحليل تسلسل النوكليوتيدات بطريقة الكتلة. تتمثل ميزة هولي بشكل أساسي في حقيقة أنه تعلم تقسيم جزيء الحمض النووي الريبي ليس فقط إلى أجزاء صغيرة ، كما فعل الكثير من قبله ، ولكن أيضًا إلى أجزاء كبيرة (أرباع وأنصاف). وقد منحه ذلك الفرصة لتجميع القطع الصغيرة الفردية معًا بشكل صحيح وبالتالي إعادة إنشاء تسلسل النوكليوتيدات الكامل لجزيء الحمض الريبي النووي النقال بالكامل (جائزة نوبل ، 1968).

تم تبني هذه التقنية على الفور من قبل العديد من المختبرات حول العالم. على مدار العامين التاليين ، تم فك شفرة الهيكل الأساسي للعديد من الحمض النووي الريبي في الاتحاد السوفياتي وفي الخارج. A. Baev (1967) وزملاؤه أسسوا تسلسل النيوكليوتيدات في الخميرة حمض الحمض الريبي النووي النقال فالين للمرة الأولى. حتى الآن ، تمت دراسة أكثر من دزينة من الحمض الريبي النووي النقال الفردي. تم تعيين سجل غريب في تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في كامبريدج بواسطة F. Senger و G. Brownlee. طور هؤلاء الباحثون طريقة أنيقة بشكل مدهش لفصل قليل النوكليوتيدات وتسلسل ما يسمى 5 S (الريبوسوم) RNA من خلايا الإشريكية القولونية (1968). يتكون هذا الحمض النووي الريبي من 120 بقايا نيوكليوتيد ، وعلى عكس الحمض النووي الريبي ، لا يحتوي على قواعد ثانوية إضافية ، والتي تسهل بشكل كبير تحليل تسلسل النوكليوتيدات ، وتعمل كمعالم فريدة للأجزاء الفردية من الجزيء. في الوقت الحاضر ، وبفضل استخدام طريقة سانجر وبراونلي ، فإن العمل على دراسة تسلسل الحمض النووي الريبوزي الطويل وبعض الحمض النووي الريبي الفيروسي يتم تطويره بنجاح في مختبر جيه إيبيل (فرنسا) وباحثين آخرين.

وجد A. A. Baev وزملاؤه (1967) أن الحمض الريبي النووي الريبي الفالين المقطوع إلى النصف يعيد تركيبه الجزيئي الكبير في المحلول ، وعلى الرغم من وجود خلل في الهيكل الأساسي ، إلا أنه يتمتع بالنشاط الوظيفي للجزيء الأصلي (الأصلي). تبين أن هذا النهج - إعادة بناء جزيء كبير مقطوع بعد إزالة أجزاء معينة - واعد للغاية. يتم استخدامه الآن على نطاق واسع لتوضيح الدور الوظيفي للأقسام الفردية لبعض tRNAs.

في السنوات الاخيرةتم تحقيق نجاح كبير في الحصول على مستحضرات بلورية من الحمض الريبي النووي النقال الفردية. لقد تم بالفعل بلورة العديد من الحمض الريبي النووي النقال في العديد من المختبرات في الولايات المتحدة الأمريكية وإنجلترا. هذا جعل من الممكن دراسة بنية الحمض النووي الريبي باستخدام تحليل حيود الأشعة السينية. في عام 1970 ، قدم R. Bock أنماط الأشعة السينية الأولى والنماذج ثلاثية الأبعاد للعديد من الحمض النووي الريبي الذي صنعه في جامعة ويسكونسن. تساعد هذه النماذج في تحديد توطين المواقع النشطة وظيفيًا الفردية في الحمض الريبي النووي النقال وفهم المبادئ الأساسية لعمل هذه الجزيئات.

من الأهمية بمكان في الكشف عن آلية تخليق البروتين وحل مشكلة خصوصية هذه العملية هو فك رموز طبيعة الشفرة الجينية (انظر الفصل 24) ، والذي يمكن ، دون مبالغة ، اعتباره الإنجاز الرئيسي لـ العلوم الطبيعية للقرن العشرين.

أعطى اكتشاف R. Holly للهيكل الأساسي للـ tRNA زخمًا لعمل G. Korana * (الولايات المتحدة الأمريكية) على تخليق oligonucleotides ووجههم نحو تخليق بنية بيولوجية محددة - جزيء DNA يشفر alanine tRNA. توجت الخطوات الأولى في التخليق الكيميائي للقليل النكليوتيدات القصيرة التي صنعها القرآن منذ ما يقرب من 15 عامًا في عام 1970 بأول تخليق جيني. قام كوران ومعاونيه أولاً بتصنيع شظايا قصيرة كيميائيًا من 8-12 من بقايا النوكليوتيدات من النيوكليوتيدات الفردية. تشكلت هذه الشظايا مع تسلسل نيوكليوتيد معين تلقائيًا قطعًا تكميلية مزدوجة الشريطة مع تداخل من 4-5 نيوكليوتيدات. ثم تم ربط هذه القطع الجاهزة من طرف إلى طرف بالترتيب الصحيح باستخدام إنزيم DNA ligase. وهكذا ، على عكس تكرار جزيئات الحمض النووي ، وفقًا لـ A. Kornberg ** (انظر الفصل 24) ، تمكن القرآن من إعادة تكوين جزيء DNA مزدوج الشريطة وفقًا لبرنامج مخطط مسبقًا وفقًا لـ تسلسل الحمض النووي الريبي الذي وصفه هولي. وبالمثل ، يجري العمل الآن على تخليق جينات أخرى (M.N.Kolosov، Z.A Shabarova، D.G Knorre، 1970 - 1975).

* (لدراسة الشفرة الوراثية ، مُنح G. Koran و M. Nirenberg جائزة نوبل في عام 1968.)

** (لاكتشاف البوليميراز وتخليق الحمض النووي ، حصل A. Kornberg ، ولتركيب RNA S. Ochoa في عام 1959 على جائزة نوبل.)

الميكروسومات ، الريبوسومات ، الترجمة

في منتصف الخمسينيات من القرن الماضي ، كان يعتقد أن الميكروسومات هي مركز تخليق البروتين في الخلية. تم تقديم مصطلح الميكروسومات لأول مرة في عام 1949 بواسطة أ. كلود للإشارة إلى جزء الحبيبات الصغيرة. اتضح لاحقًا أنه ليس الجزء الكامل من الميكروسومات ، الذي يتكون من الأغشية والحبيبات ، ولكن فقط جزيئات البروتين النووي الصغيرة ، هي المسؤولة عن تخليق البروتين. هذه الجسيمات في عام 1958 كانت تسمى الريبوسومات بواسطة ر.روبرتس.

تم إجراء الدراسات الكلاسيكية للريبوسومات البكتيرية بواسطة A. Tisier و J. Watson في 1958-1959. تبين أن الريبوسومات البكتيرية أصغر إلى حد ما من الريبوسومات النباتية والحيوانية. أظهر J. Littleton (1960) و M. Clark (1964) و E.N.Svetailo (1966) أن ريبوسومات البلاستيدات الخضراء في النباتات العليا والميتوكوندريا تنتمي إلى النوع البكتيري. وجد A. Tisier وآخرون (1958) أن الريبوسومات تنفصل إلى وحدتين فرعيتين غير متساويتين تحتوي كل منهما على جزيء RNA واحد. في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، كان يُعتقد أن كل جزيء من جزيئات الحمض النووي الريبوزي يتكون من عدة أجزاء قصيرة. ومع ذلك ، كان AS Spirin في عام 1960 أول من أظهر أن الحمض النووي الريبي في الجسيمات الفرعية يتم تمثيله بواسطة جزيء مستمر. وجد D. Waller (1960) ، بعد أن فصل بروتينات الريبوسوم باستخدام الرحلان الكهربائي للهلام النشا ، أنها غير متجانسة للغاية. في البداية ، شكك الكثيرون في بيانات والر ، حيث بدا أن بروتين الريبوسوم يجب أن يكون متجانسًا تمامًا ، مثل ، على سبيل المثال ، بروتين TMV. في الوقت الحاضر ، نتيجة لأبحاث D. Waller و R. Trout و P. Traub وغيرهم من علماء الكيمياء الحيوية ، أصبح من المعروف أن تكوين جزيئات الريبوسوم الفعلية يتضمن أكثر من 50 بروتينًا مختلفًا تمامًا في التركيب. كان AS Spirin في عام 1963 أول من كشف جزيئات الريبوسومات الفرعية وأظهر أن الريبوسومات عبارة عن خيط بروتين نووي مضغوط ملتوي ، يمكن أن يتكشف في ظل ظروف معينة. في عام 1967 - 1968 قام M. Nomura بإعادة بناء وحدة فرعية نشطة بيولوجيًا بالكامل من RNA الريبوسومي والبروتين وحتى حصل على ريبوسومات ينتمي فيها البروتين والحمض النووي الريبي إلى كائنات دقيقة مختلفة.

لا يزال دور الحمض النووي الريبوزي غير واضح. من المفترض أن هذه المصفوفة الفريدة التي يجد فيها كل من بروتينات الريبوسوم العديدة مكانًا محددًا بدقة أثناء تكوين جسيم الريبوسوم (AS Spirin ، 1968).

اكتشف A.Rich (1962) تجمعات من عدة ريبوسومات مترابطة بواسطة خيط من الرنا المرسال. كانت تسمى هذه المجمعات polysomes. سمح اكتشاف polysomes لريتش وواتسون (1963) باقتراح أن تخليق سلسلة البولي ببتيد يحدث على الريبوسوم ، الذي يتحرك على طول سلسلة الرنا المرسال. عندما يتحرك الريبوسوم على طول سلسلة الرنا المرسال ، تُقرأ المعلومات في الجسيم وتتشكل سلسلة البروتين متعدد الببتيد ، وتلتصق الريبوسومات الجديدة بالتناوب بنهاية القراءة الصادرة من الرنا المرسال. من بيانات ريتش وواتسون ، تبع ذلك أن أهمية polysomes في الخلية تكمن في الإنتاج الضخم للبروتين من خلال القراءة المتتالية للمصفوفة بواسطة عدة ريبوسومات في وقت واحد.

نتيجة لبحوث M. Nirenberg ، S. Ochoa ، F. Lipman ، G. Korana وآخرون في 1963 - 1970. أصبح معروفًا أنه إلى جانب mRNA والريبوسومات و ATP و aminoacyl-tRNA ، يشارك عدد كبير من العوامل المختلفة في عملية الترجمة ، ويمكن تقسيم عملية الترجمة نفسها بشكل مشروط إلى ثلاث مراحل - البدء والترجمة نفسها والإنهاء.

بدء الترجمة يعني تخليق أول رابطة ببتيدية في الريبوسوم المعقد - قالب عديد النوكليوتيد - aminoacyl-tRNA. لا يمتلك هذا النشاط الأولي أي aminoacyl-tRNA ، ولكن بواسطة formylmethionyl-tRNA. تم عزل هذه المادة لأول مرة في عام 1964 بواسطة F. Senger و K.Marker. أظهر S. Bretcher و K. Marker (1966) أن الوظيفة المبدئية لـ formylmethionyl-tRNA ترجع إلى تقاربها المتزايد لمركز الببتيدل للريبوسوم. لبدء الترجمة ، تعتبر بعض عوامل بدء البروتين مهمة للغاية أيضًا ، والتي تم عزلها في مختبرات S. Ochoa و F. Gro ومراكز البحث الأخرى. بعد تكوين الرابطة الببتيدية الأولى في الريبوسوم ، تبدأ الترجمة نفسها ، أي الإضافة المتتابعة لبقايا aminoacyl إلى الطرف C لبولي ببتيد. تمت دراسة العديد من تفاصيل عملية الترجمة من قبل K. Monroe و J. Bishop (إنجلترا) و I. Rykhlik و F. Shorm (تشيكوسلوفاكيا) و F. في عام 1968 ، اقترح A. S. Spirin فرضية أصلية لشرح آلية الريبوسوم. آلية القيادة التي تضمن جميع الحركات المكانية للـ tRNA و mRNA أثناء الترجمة هي الفتح والإغلاق الدوري للجسيمات الفرعية للريبوسوم. يتم ترميز إنهاء الترجمة في المصفوفة المقروءة نفسها ، والتي تحتوي على أكواد الإنهاء. كما أوضح S. Brenner (1965-1967) ، فإن ثلاثة توائم UAA و UAG و UGA هي مثل هذه الأكواد. حدد M. Capecci (1967) أيضًا عوامل إنهاء البروتين الخاصة. وصف AS Spirin و LP Gavrilova ما يسمى بتخليق البروتين "غير الأنزيمي" في الريبوسومات (1972-1975) دون مشاركة عوامل البروتين. هذا الاكتشاف مهم لفهم أصل وتطور التخليق الحيوي للبروتين.

تنظيم نشاط الجينات والبروتينات

بعد مشكلة خصوصية تخليق البروتين ، تبين أن مشكلة تنظيم تخليق البروتين ، أو ما هو نفسه ، تنظيم نشاط الجين ، كانت في المقام الأول في علم الأحياء الجزيئي.

لطالما جذب عدم التكافؤ الوظيفي للخلايا وقمع وتنشيط الجينات المرتبطة بها انتباه علماء الوراثة ، ولكن حتى وقت قريب ظلت الآلية الحقيقية للتحكم في نشاط الجينات غير معروفة.

ارتبطت المحاولات الأولى لشرح النشاط التنظيمي للجينات بدراسة بروتينات الهيستون. حتى أزواج ستيدمان * في أوائل الأربعينيات من القرن العشرين. اقترح أن الهستونات هي التي يمكن أن تلعب الدور الرئيسي في هذه الظاهرة. بعد ذلك ، حصلوا على أول بيانات واضحة عن الاختلافات في الطبيعة الكيميائية لبروتينات الهيستون. في الوقت الحاضر ، يتزايد عدد الحقائق التي تشهد لصالح هذه الفرضية كل عام.

* (إي ستيدمان ، إي ستيدمان. البروتينات الأساسية لنواة الخلية. - فلسفة. عبر. روي. soc. لندن ، 1951 ، ق. 235 ، 565-595.)

في الوقت نفسه ، تتراكم كمية متزايدة من البيانات ، مما يشير إلى أن تنظيم نشاط الجين هو عملية أكثر تعقيدًا بكثير من التفاعل البسيط لأقسام الجينات مع جزيئات بروتين هيستون. في عام 1960 - 1962 في مختبر R.B. Khesin-Lurie ، وجد أن جينات الملتهمة تبدأ في القراءة بشكل غير متزامن: يمكن تقسيم جينات الملتهمة T2 إلى جينات مبكرة ، والتي حدث عملها في الدقائق الأولى من إصابة خلية بكتيرية ، والمتأخرة ، التي بدأت في تصنيع الرنا المرسال بعد الانتهاء من عمل الجينات المبكرة.

في عام 1961 ، اقترح عالما الكيمياء الحيوية الفرنسيان F. Jacob و J. Monod مخططًا لتنظيم نشاط الجين ، والذي لعب دورًا استثنائيًا في فهم الآليات التنظيمية للخلية بشكل عام. وفقًا لمخطط Jacob و Monod ، بالإضافة إلى الجينات الهيكلية (المعلوماتية) ، يحتوي الحمض النووي أيضًا على منظمات الجينات ومشغلي الجينات. يقوم الجين المنظم بتشفير تخليق مادة معينة - مثبط ، يمكن أن يعلق على كل من المحرض وجين المشغل. يرتبط جين المشغل بالجينات الهيكلية ، بينما يقع الجين المنظم على مسافة ما منها. إذا لم يكن هناك محث في البيئة ، على سبيل المثال ، اللاكتوز ، فإن المثبط الذي يصنعه الجين المنظم يرتبط بجين المشغل ، ويمنعه ، ويوقف عمل الأوبون بأكمله (كتلة من الجينات الهيكلية مع المشغل الذي يتحكم فيهم). لا يحدث تكوين الإنزيم في ظل هذه الظروف. إذا ظهر محرض (اللاكتوز) في الوسط ، فإن منتج الجين المنظم ، المكبِط ، يرتبط باللاكتوز ويزيل الكتلة من جين المشغل. في هذه الحالة ، يصبح عمل الجين الهيكلي الذي يشفر تخليق الإنزيم ممكنًا ، ويظهر الإنزيم (اللاكتوز) في الوسط.

وفقًا لجاكوب ومونود ، فإن مخطط التنظيم هذا ينطبق على جميع الإنزيمات التكيفية ويمكن أن يحدث أثناء القمع ، عندما يتم قمع تكوين الإنزيم بفعل فائض منتج التفاعل ، وأثناء الحث ، عندما يتسبب إدخال الركيزة تخليق الانزيم. لدراسات تنظيم النشاط الجيني ، حصل جاكوب ومونود على جائزة نوبل في عام 1965.

في البداية ، بدا هذا المخطط بعيد المنال. ومع ذلك ، اتضح لاحقًا أن تنظيم الجينات وفقًا لهذا المبدأ لا يحدث فقط في البكتيريا ، ولكن أيضًا في الكائنات الحية الأخرى.

منذ عام 1960 ، احتلت دراسات تنظيم الجينوم وهيكل الكروماتين في الكائنات حقيقية النواة (J. Bonner، R. Britten، W. Olfrey، P. Walker، Yu. S. Chentsov) مكانة بارزة في علم الأحياء الجزيئي ، I. B. Zbarsky وآخرون.) وتنظيم النسخ (A. Mirsky، G.P. Georgiev، M. Bernstiel، D. Goll، R. Tsanev، R. I. Salganik). لفترة طويلة ، ظلت طبيعة القامع غير معروفة ومثيرة للجدل. في عام 1968 ، أظهر M. Ptashne (الولايات المتحدة الأمريكية) أن البروتين هو عامل مثبط. قام بعزله في مختبر J. Watson ووجد أن المكبِط لديه بالفعل ألفة للمحث (اللاكتوز) وفي نفس الوقت "يتعرف" على جين مشغل lac operon ويرتبط به على وجه التحديد.

في السنوات الخمس إلى السبع الماضية ، تم الحصول على بيانات عن وجود خلية تحكم أخرى في نشاط الجين - المحفز. اتضح أنه بجانب موقع المشغل ، حيث يتم إرفاق المنتج المركب على منظم الجينات - المادة البروتينية للقمع ، هناك موقع آخر ، والذي يجب أن يُنسب أيضًا إلى أعضاء النظام التنظيمي للجين نشاط. جزيء بروتين من إنزيم RNA polymerase متصل بهذا الموقع. في منطقة المروج ، يجب أن يحدث التعرف المتبادل على تسلسل النوكليوتيدات الفريد في الحمض النووي والتكوين المحدد لبروتين بوليميريز RNA. يعتمد تنفيذ عملية قراءة المعلومات الجينية بتسلسل معين من جينات العامل المجاور للمروج على كفاءة التعرف.

بالإضافة إلى المخطط الذي وصفه جاكوب ومونود ، هناك آليات أخرى لتنظيم الجينات في الخلية. أثبت F. Jacob and S. Brenner (1963) أن تنظيم تكاثر الحمض النووي البكتيري يتم التحكم فيه بطريقة معينة بواسطة غشاء الخلية. أظهرت التجارب التي أجراها جاكوب (1954) على تحريض العديد من العقاقير بشكل مقنع أنه تحت تأثير العوامل الطفرية المختلفة في خلية البكتيريا اللايسوجينية ، يبدأ التكاثر الانتقائي للجين الانبثاق ، ويتم حظر تكرار الجينوم المضيف. في عام 1970 ، أفاد ف. بيل أن جزيئات الحمض النووي الصغيرة يمكن أن تنتقل من النواة إلى السيتوبلازم ويتم نسخها هناك.

وبالتالي ، يمكن تنظيم نشاط الجينات على مستوى التكرار والنسخ والترجمة.

تم إحراز تقدم كبير في دراسة تنظيم ليس فقط تركيب الإنزيمات ، ولكن أيضًا نشاطها. أشار A. Novik و L. Szilard إلى ظاهرة تنظيم نشاط الإنزيمات في الخلية في الخمسينيات من القرن الماضي. وجد G. Umbarger (1956) أن هناك طريقة عقلانية جدًا في الخلية لقمع نشاط الإنزيم من خلال المنتج النهائي لسلسلة ردود الفعل من التفاعلات. كما أسسها J. Monod و J. Change و F. Jacob و A. Purdy وغيرهم من الباحثين (1956-1960) ، يمكن تنظيم نشاط الإنزيم وفقًا لمبدأ allosteric. يحتوي الإنزيم أو إحدى وحداته الفرعية ، بالإضافة إلى تقارب الركيزة ، على تقارب لأحد منتجات سلسلة التفاعل. تحت تأثير منتج الإشارة هذا ، يغير الإنزيم شكله بحيث يفقد النشاط. نتيجة لذلك ، يتم إيقاف سلسلة التفاعلات الأنزيمية بأكملها في البداية. أشار د. ويمان ور. وودوارد (1952 ؛ الحائز على جائزة نوبل ، 1965) إلى الدور الأساسي للتغيرات التوافقية للبروتين في التفاعلات الأنزيمية ، وبمعنى ما ، وجود تأثير خيفي.

هيكل ووظيفة البروتينات

نتيجة لأعمال T. Osborn ، G. Hofmeister ، A. Gurber ، F. Schulz وغيرهم في نهاية القرن التاسع عشر. تم الحصول على العديد من البروتينات الحيوانية والنباتية في شكل بلوري. في نفس الوقت تقريبًا ، تم تحديد الأوزان الجزيئية لبعض البروتينات باستخدام طرق فيزيائية مختلفة. لذلك ، في عام 1891 ، ذكر A. Sabaneev و N. Alexandrov أن الوزن الجزيئي للألبومين البيضاوي هو 14000 ؛ في عام 1905 ، وجد إي ريد أن الوزن الجزيئي للهيموجلوبين هو 48000. تم اكتشاف التركيب البوليمري للبروتينات في عام 1871 من قبل ج. تم طرح فكرة الرابطة الببتيدية لبقايا الأحماض الأمينية الفردية في البروتينات بواسطة T. Curtius (1883). العمل على التكثيف الكيميائي للأحماض الأمينية (E. Schaal ، 1871 ؛ G. Schiff ، 1897 ؛ L. Balbiano و D. Traschiatti ، 1900) وتوليف الببتيدات غير المتجانسة (E. Fisher ، 1902 - 1907 ، جائزة نوبل ، 1902) أدى إلى تطوير المبادئ الأساسية للتركيب الكيميائي للبروتينات.

تم الحصول على أول إنزيم بلوري (اليورياز) في عام 1926 من قبل ج. سومنر (جائزة نوبل ، 1946) ، وفي عام 1930 حصل ج. بعد هذه الأعمال ، أصبح من الواضح أن الإنزيمات ذات طبيعة بروتينية. في عام 1940 ، عزل M. Kunits البلورية RNase. بحلول عام 1958 ، كان أكثر من 100 إنزيم بلوري وأكثر من 500 إنزيم غير بلوري معروفًا بالفعل. ساهم الحصول على مستحضرات عالية النقاء من البروتينات الفردية في فك تشفير هيكلها الأساسي وتنظيمها الجزيئي.

أهمية عظيمةلتطوير البيولوجيا الجزيئية بشكل عام وعلم الوراثة البشرية ، على وجه الخصوص ، كان اكتشاف L. Pauling (1940) للهيموجلوبين S غير الطبيعي المعزول من كريات الدم الحمراء للأشخاص الذين يعانون من مرض وراثي حاد - فقر الدم المنجلي. في 1955 - 1957 استخدم دبليو إنجرام طريقة "البصمة" التي طورها F. Sanger (البقع التي تشكلت بواسطة الببتيدات الفردية أثناء الفصل الكروماتوجرافي على الورق) لتحليل نواتج التحلل المائي للهيموجلوبين S بالقلويات والتريبسين. في عام 1961 ، أفاد إنجرام أن الهيموجلوبين S يختلف عن الهيموجلوبين الطبيعي فقط في طبيعة بقايا حمض أميني واحد: في الهيموجلوبين الطبيعي ، توجد بقايا حمض الغلوتاميك في المركز السابع من السلسلة ، وفي الهيموجلوبين S ، بقايا حمض أميني. وهكذا ، تم تأكيد افتراض بولينج (1949) بأن فقر الدم المنجلي مرض ذو طبيعة جزيئية. يؤدي التغيير الموروث في بقايا حمض أميني واحد فقط في كل نصف جزيء الهيموجلوبين الكبير إلى حقيقة أن الهيموجلوبين يفقد قدرته على الذوبان بسهولة عند تركيز الأكسجين المنخفض ويبدأ في التبلور ، مما يؤدي إلى تعطيل بنية الخلية. أظهرت هذه الدراسات بوضوح أن بنية البروتين عبارة عن تسلسل أحماض أمينية محدد بدقة يتم ترميزه في الجينوم. تشهد أعمال K. Anfinsen (1951) على الأهمية الاستثنائية للبنية الأولية للبروتين في تكوين تشكيل فريد نشط بيولوجيًا لجزيء ضخم. أظهر Anfinsen أن البنية الكلية النشطة بيولوجيًا لريبونوكلياز البنكرياس ، والتي يتم فقدها نتيجة للترميم ، يتم تحديدها مسبقًا من خلال تسلسل الأحماض الأمينية ويمكن أن تظهر مرة أخرى تلقائيًا أثناء أكسدة مجموعات SH من بقايا السيستين مع تكوين روابط متقاطعة ثنائية الكبريتيد بدقة. أماكن محددة من سلسلة الببتيد للإنزيم.

حتى الآن ، تمت دراسة آلية عمل عدد كبير من الإنزيمات بالتفصيل وتم تحديد بنية العديد من البروتينات.

في عام 1953 ، أنشأ F. Sanger تسلسل الأحماض الأمينية للأنسولين. : يتكون هذا البروتين من سلسلتين عديد الببتيد متصلتين بواسطة روابط متقاطعة ثنائية الكبريتيد. تحتوي إحدى السلاسل على 21 بقايا من الأحماض الأمينية فقط ، بينما تحتوي السلسلة الأخرى على 30 بقايا. قضى سانجر حوالي 10 سنوات في فك رموز بنية هذا البروتين البسيط نسبيًا. في عام 1958 حصل على جائزة نوبل عن هذا البحث المتميز. بعد إنشاء V. Stein و S. Moore (1957) لمحلل آلي للأحماض الأمينية ، تسارع تحديد منتجات التحلل المائي الجزئي للبروتينات بشكل ملحوظ. في عام 1960 ، أبلغ شتاين ومور عن ذلك بالفعل. أنهم كانوا قادرين على تحديد تسلسل الريبونوكلياز ، الذي يمثل سلسلة الببتيد 124 من بقايا الأحماض الأمينية. في نفس العام ، في مختبر G. Schramm في توبنغن (ألمانيا) ، حدد F. Anderer وآخرون تسلسل الأحماض الأمينية في بروتين TMV. ثم تم تحديد تسلسل الأحماض الأمينية في سلاسل الميوغلوبين (A. . في عام 1963 ، أنشأ F. Shorm و B. Keil (تشيكوسلوفاكيا) تسلسل الأحماض الأمينية في جزيء كيموتريبسينوجين. في نفس العام ، تم تحديد تسلسل الأحماض الأمينية للتربسينوجين (F. Shorm ، D. Walsh). في عام 1965 ، أنشأ K. Takahashi الهيكل الأساسي للريبونوكلياز T1. ثم تم تحديد تسلسل الأحماض الأمينية للعديد من البروتينات.

كما هو معروف ، فإن الدليل النهائي على صحة تعريف بنية معينة هو توليفها. في عام 1969 ، كان R. Merifield (الولايات المتحدة الأمريكية) أول من قام بالتخليق الكيميائي لريبونوكلياز البنكرياس. باستخدام طريقة التوليف التي طورها على حامل طور صلب ، أضاف Merifield حمضًا أمينيًا واحدًا تلو الآخر إلى السلسلة وفقًا للتسلسل الذي وصفه شتاين ومور. نتيجة لذلك ، حصل على بروتين مطابق في صفاته لريبونوكلياز البنكرياس أ. لاكتشاف بنية الريبونوكليز ، حصل ف.شتاين وس.مور وك.أنفينسن على جائزة نوبل في عام 1972. يفتح هذا التركيب الطبيعي للبروتين آفاقًا هائلة ، مما يشير إلى إمكانية تكوين أي بروتينات وفقًا لتسلسل مخطط مسبقًا.

من دراسات الأشعة السينية التي أجراها W. Astbury (1933) ، تبع ذلك أن سلاسل الببتيد لجزيئات البروتين ملتوية أو مكدسة بطريقة محددة بدقة. منذ ذلك الوقت ، أعرب العديد من المؤلفين عن فرضيات مختلفة حول الطرق التي يتم بها طي سلاسل البروتين ، ولكن حتى عام 1951 ، ظلت جميع النماذج عبارة عن إنشاءات تأملية لا تتوافق مع البيانات التجريبية. في عام 1951 ، نشر L.Pauling و R. إلى جانب ذلك ، أصبح معروفًا أيضًا أن البروتينات لها أيضًا بنية ثلاثية: يمكن طي الحلزون α لسلسلة الببتيد بطريقة معينة ، لتشكيل بنية مضغوطة إلى حد ما.

في عام 1957 ، اقترح J. Kendrew ومعاونوه لأول مرة نموذجًا ثلاثي الأبعاد لهيكل الميوجلوبين. ثم تم تنقيح هذا النموذج على مدى عدة سنوات ، حتى ظهر العمل النهائي في عام 1961 مع توصيف التركيب المكاني لهذا البروتين. في عام 1959 ، أنشأ إم. بيروتز وزملاؤه التركيب ثلاثي الأبعاد للهيموجلوبين. قضى الباحثون أكثر من 20 عامًا في هذا العمل (تم الحصول على أول أشعة سينية للهيموجلوبين بواسطة Perutz في عام 1937). نظرًا لأن جزيء الهيموجلوبين يتكون من أربع وحدات فرعية ، بعد فك تشفير تنظيمه ، وصف Perutz بذلك أولاً البنية الرباعية للبروتين. حصل كندرو وبيروتز على جائزة نوبل عام 1962 لعملهما على تحديد البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات.

تم السماح بإنشاء نموذج مكاني لهيكل الهيموجلوبين بواسطة Perutz. للاقتراب من فهم آلية عمل هذا البروتين ، والذي ، كما هو معروف ، ينقل الأكسجين في الخلايا الحيوانية. في عام 1937 ، توصل F. Gaurowitz إلى استنتاج مفاده أن تفاعل الهيموجلوبين مع الأكسجين والهواء يجب أن يكون مصحوبًا بتغيير في بنية البروتين. في الستينيات ، اكتشف بيروتز وزملاؤه تحولًا ملحوظًا في سلاسل الهيموجلوبين بعد أكسدة ، بسبب تحول ذرات الحديد نتيجة الارتباط بالأكسجين. على هذا الأساس ، تم تشكيل أفكار حول "تنفس" جزيئات البروتين الكبيرة.

في عام 1960 ، بدأ د.فيليبس ومعاونوه دراسات حيود الأشعة السينية لجزيء الليزوزيم. بحلول عام 1967 ، كانوا أكثر أو أقل قدرة على تحديد تفاصيل تنظيم هذا البروتين وتوطين الذرات الفردية في جزيئه. بالإضافة إلى ذلك ، اكتشف فيليبس طبيعة إضافة الليزوزيم إلى الركيزة (ثلاثي أسيتيل جلوكوزامين). هذا جعل من الممكن إعادة إنشاء آلية هذا الإنزيم. وهكذا ، فإن معرفة الهيكل الأساسي والتنظيم الجزيئي جعل من الممكن ليس فقط تحديد طبيعة المراكز النشطة للعديد من الإنزيمات ، ولكن أيضًا للكشف الكامل عن آلية عمل هذه الجزيئات الكبيرة.

ساعد استخدام طرق المجهر الإلكتروني في الكشف عن مبادئ التنظيم الجزيئي لتكوينات البروتين المعقدة مثل الكولاجين والفيبرينوجين والليفات العضلية المقلصة ، إلخ. في نهاية الخمسينيات من القرن الماضي ، تم اقتراح نماذج للجهاز العضلي المقلص. كان اكتشاف V A. Engelgardt و M.N.Lubimova (1939) لنشاط ATPase للميوسين ذا أهمية استثنائية لفهم آلية تقلص العضلات. هذا يعني أن فعل تقلص العضلات يعتمد على تغيير في الخصائص الفيزيائية والكيميائية والتنظيم الجزيئي للبروتين المقلص تحت تأثير حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك (انظر أيضًا الفصل 11).

كان البحث الفيروسي ضروريًا لفهم مبادئ تجميع الهياكل البيولوجية (انظر الفصل 25).

القضايا التي لم تحل

تحققت التطورات الرئيسية في البيولوجيا الجزيئية الحديثة نتيجة لدراسة الأحماض النووية. ومع ذلك ، حتى في هذا المجال بعيدا عن كل المشاكل تم حلها. ستكون هناك حاجة إلى جهود كبيرة ، على وجه الخصوص ، لفك تشفير تسلسل النوكليوتيدات بأكمله في الجينوم. ترتبط هذه المشكلة ، بدورها ، ارتباطًا وثيقًا بمشكلة عدم تجانس الحمض النووي وتتطلب تطوير طرق متقدمة جديدة لتجزئة وعزل الجزيئات الفردية من المادة الوراثية الكلية للخلية.

حتى الآن ، تركزت الجهود بشكل أساسي على الدراسة المنفصلة للبروتينات والأحماض النووية. في الخلية ، ترتبط هذه البوليمرات الحيوية ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض وتعمل بشكل أساسي في شكل البروتينات النووية. لذلك ، أصبحت الحاجة إلى دراسة تفاعل البروتينات والأحماض النووية حادة بشكل خاص الآن. يتم إبراز مشكلة التعرف على أقسام معينة من الأحماض النووية بواسطة البروتينات. لقد تم بالفعل تحديد الخطوات نحو دراسة مثل هذا التفاعل بين هذه البوليمرات الحيوية ، والتي بدونها لا يمكن تصور الفهم الكامل لهيكل ووظائف الكروموسومات والريبوسومات والهياكل الأخرى. بدون هذا ، من المستحيل أيضًا فهم تنظيم نشاط الجينات وفك تشفير مبادئ عمل آليات تصنيع البروتين. بعد عمل جاكوب ومونود ، ظهرت بعض البيانات الجديدة حول الأهمية التنظيمية للأغشية في تخليق المواد النووية. هذا يطرح مشكلة دراسة أعمق لدور الأغشية في تنظيم تكرار الحمض النووي. بشكل عام ، أصبحت مشكلة تنظيم نشاط الجينات ونشاط الخلية بشكل عام واحدة من أهم مشاكل البيولوجيا الجزيئية الحديثة.

الوضع الحالي للفيزياء الحيوية

في اتصال وثيق مع مشاكل البيولوجيا الجزيئية ، استمر تطور الفيزياء الحيوية. تم تحفيز الاهتمام بهذا المجال من علم الأحياء ، من ناحية ، من خلال الحاجة إلى دراسة شاملة لتأثير أنواع مختلفة من الإشعاع على الجسم ، ومن ناحية أخرى ، من خلال الحاجة إلى دراسة المادية و الأسس الفيزيائية والكيميائية لظواهر الحياة التي تحدث على المستوى الجزيئي.

أصبح الحصول على معلومات دقيقة حول الهياكل الجزيئية والعمليات التي تجري فيها ممكنًا نتيجة لاستخدام طرق فيزيائية وكيميائية جديدة. بناءً على إنجازات الكيمياء الكهربائية ، كان من الممكن تحسين طريقة قياس الجهد الكهربائي الحيوي باستخدام أقطاب كهربائية انتقائية للأيونات (G. Eisenman ، B.P. Nikolsky ، Khuri ، 50-60s). على نحو متزايد ، يتم تطبيق التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (باستخدام أجهزة الليزر) ، مما يجعل من الممكن دراسة التغيرات التوافقية في البروتينات (I. Plotnikov ، 1940). يتم توفير معلومات قيمة أيضًا من خلال طريقة الرنين المغنطيسي للإلكترون (E.K. Zavoisky ، 1944) وطريقة الإضاءة الكيميائية الحيوية (B.

بحلول الخمسينيات من القرن الماضي ، كانت الفيزياء الحيوية تكتسب بالفعل مكانة قوية. هناك حاجة لتدريب المتخصصين المؤهلين. إذا كان في عام 1911 في أوروبا فقط جامعة بيكس ، في المجر ، كان لديها كرسي للفيزياء الحيوية ، فبحلول عام 1973 ، كانت هذه الكراسي موجودة في جميع الجامعات الكبرى تقريبًا.

في عام 1960 ، تم تنظيم الجمعية الدولية لعلماء الفيزياء الحيوية. في أغسطس 1961 ، انعقد المؤتمر الدولي الأول للفيزياء الحيوية في ستوكهولم. وعقد المؤتمر الثاني عام 1965 في باريس والثالث عام 1969 في بوسطن والرابع عام 1972 في موسكو.

في الفيزياء الحيوية ، هناك تمييز واضح بين مجالين مختلفين المحتوى - الفيزياء الحيوية الجزيئية والفيزياء الحيوية الخلوية. يتلقى هذا التمييز أيضًا تعبيرًا تنظيميًا: يتم إنشاء أقسام منفصلة لهذين المجالين من الفيزياء الحيوية. في جامعة موسكو ، تم إنشاء أول قسم للفيزياء الحيوية في عام 1953 في كلية البيولوجيا وعلوم التربة ، وبعد ذلك بقليل ظهر قسم الفيزياء الحيوية في كلية الفيزياء. تم تنظيم الأقسام على نفس المبدأ في العديد من الجامعات الأخرى.

الفيزياء الحيوية الجزيئية

في السنوات الأخيرة ، تعززت الصلة بين الفيزياء الحيوية الجزيئية والبيولوجيا الجزيئية بشكل متزايد ، وأصبح من الصعب أحيانًا تحديد مكان الخط الفاصل بينهما. في هجوم عام على مشكلة المعلومات الوراثية ، فإن مثل هذا التعاون بين الفيزياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية أمر لا مفر منه.

الاتجاه الرئيسي في العمل البحثي هو دراسة فيزياء الأحماض النووية - DNA و RNA. ساهم استخدام الطرق المذكورة أعلاه ، وقبل كل شيء ، تحليل حيود الأشعة السينية في فك تشفير التركيب الجزيئي للأحماض النووية. حاليًا ، يجري بحث مكثف لدراسة سلوك هذه الأحماض في المحاليل. يتم إيلاء اهتمام خاص للتحولات التوافقية "الملف الحلزوني" ، والتي تتم دراستها من خلال التغيرات في اللزوجة والمعلمات الضوئية والكهربائية. فيما يتعلق بدراسة آليات الطفرات ، يجري تطوير دراسات لدراسة تأثير الإشعاع المؤين على سلوك الأحماض النووية في المحاليل ، وكذلك تأثير الإشعاع على الأحماض النووية للفيروسات والعاقمات. خضع تأثير الأشعة فوق البنفسجية ، التي من المعروف أن الأحماض النووية تمتصها جيدًا ، بعض المناطق الطيفية منها تمتصها جيدًا ، لتحليل شامل. جزء كبير من هذا النوع من البحث هو الكشف عن الجذور النشطة للأحماض النووية والبروتينات بطريقة الرنين الإلكتروني المغنطيسي. باستخدام هذه الطريقة ، يرتبط ظهور اتجاه مستقل بالكامل.

لطالما كانت مشكلة ترميز معلومات DNA و RNA ونقلها أثناء تخليق البروتين موضع اهتمام الفيزياء الحيوية الجزيئية ، وقد أعرب الفيزيائيون مرارًا وتكرارًا عن اعتبارات معينة حول هذا الموضوع (E. Schrödinger، G. Gamow). تسبب فك الشفرة الوراثية في العديد من الدراسات النظرية والتجريبية حول بنية حلزون الحمض النووي ، وآلية انزلاق ولف خيوطه ، ودراسة القوى الفيزيائية المشاركة في هذه العمليات.

توفر الفيزياء الحيوية الجزيئية مساعدة كبيرة للبيولوجيا الجزيئية في دراسة بنية جزيئات البروتين بمساعدة تحليل حيود الأشعة السينية ، والذي استخدمه ج. برنال لأول مرة في عام 1930. نتيجة لاستخدام الطرق الفيزيائية مع الكيمياء الحيوية (الطرق الأنزيمية) تم الكشف عن التشكل الجزيئي وتسلسل الأحماض الأمينية في عدد من البروتينات.

حفزت الدراسات المجهرية الإلكترونية الحديثة ، التي كشفت عن وجود أنظمة غشائية معقدة في الخلايا وعضياتها ، محاولات لفهم تركيبها الجزيئي (انظر الفصلين 10 و 11). درس في الجسم الحي التركيب الكيميائيالأغشية وخصائص دهونها على وجه الخصوص. وقد وجد أن الأخير قادر على الأكسدة المفرطة والتفاعلات غير الأنزيمية لأكسدة السلسلة (Yu. A. Vladimirov and F.FLitvin، 1959؛ B.N Tarusov et al.، 1960؛ I. I. Ivanov، 1967) ، مما يؤدي إلى اختلال وظيفي في الغشاء. كما تم استخدام طرق لدراسة تكوين الأغشية. النمذجة الرياضية(V. Ts. Presman، 1964 - 1968؛ M.M.Shemyakin، 1967؛ Yu. A. Ovchinnikov، 1972).

الفيزياء الحيوية الخلوية

كان الحدث المهم في تاريخ الفيزياء الحيوية هو تكوين أفكار واضحة في الخمسينيات من القرن الماضي حول الديناميكا الحرارية للعمليات البيولوجية ، ونتيجة لذلك كانت الافتراضات حول إمكانية توليد طاقة مستقلة في الخلايا الحية ، على عكس القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، اختفى أخيرًا. يرتبط فهم عمل هذا القانون في الأنظمة البيولوجية بإدخال العالم البلجيكي I. Prigogine (1945) * في الديناميكا الحرارية البيولوجية لمفهوم الأنظمة المفتوحة التي تتبادل الطاقة والمادة مع البيئة الخارجية. أظهر Prigogine أن الانتروبيا الإيجابية تتشكل في الخلايا الحية أثناء عمليات العمل وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. حددت المعادلات التي قدمها الظروف التي تنشأ بموجبها ما يسمى بالحالة الثابتة (كانت تسمى سابقًا أيضًا التوازن الديناميكي) ، حيث تعوض كمية الطاقة الحرة (نيجنتروبيا) التي تدخل الخلايا مع الطعام عن استهلاكها ، والنتروبيا الإيجابية هي انتاج. عزز هذا الاكتشاف الفكرة البيولوجية العامة للعلاقة التي لا تنفصم بين البيئة الخارجية والداخلية للخلايا. لقد كانت بداية دراسة حقيقية للديناميكا الحرارية للأنظمة الحية ، بما في ذلك طريقة النمذجة (A. Burton ، 1939 ؛ A.G. Pasynsky ، 1967).

* (تم طرح النظرية العامة للأنظمة المفتوحة لأول مرة من قبل L. Bertalanffy في عام 1932.)

وفقًا للمبدأ الأساسي للديناميكا الحرارية الحيوية ، فإن الثبات في تطوير عملياتها البيوكيميائية شرط ضروري لوجود الحياة ، والتي من الضروري تنفيذها لتنسيق معدلات العديد من التفاعلات الأيضية. على أساس الديناميكا الحرارية الفيزيائية الحيوية الجديدة ، ظهر اتجاه يميز العوامل الخارجية والداخلية التي تضمن هذا التنسيق للتفاعلات وتجعلها مستقرة. على مدى العقدين الماضيين ، تم الكشف عن دور كبير في الحفاظ على الحالة الثابتة لنظام المثبطات وخاصة مضادات الأكسدة (B.N. Tarusov و A. I. Zhuravlev ، 1954 ، 1958). لقد ثبت أن موثوقية التطور الثابت مرتبطة بالعوامل البيئية (درجة الحرارة) والخصائص الفيزيائية والكيميائية لبيئة الخلية.

جعلت المبادئ الحديثة للديناميكا الحيوية من الممكن إعطاء تفسير فيزيائي-كيميائي لآلية التكيف. وفقًا لبياناتنا ، لا يمكن أن يحدث التكيف مع الظروف البيئية إلا إذا كان الجسم ، عندما تتغير ، قادرًا على تثبيت الثبات في تطوير التفاعلات الكيميائية الحيوية (B.N. Tarusov ، 1974). نشأ السؤال عن تطوير طرق جديدة من شأنها أن تسمح بتقييم الحالة الثابتة في الجسم الحي والتنبؤ بها. الانتهاكات المحتملة. يعد إدخال مبادئ علم الإنترنت للأنظمة ذاتية التنظيم في الديناميكا الحرارية الحيوية والبحث في عمليات التكيف البيولوجي بفوائد كبيرة. أصبح من الواضح أنه من أجل حل مشكلة استقرار الحالة المستقرة ، من المهم مراعاة ما يسمى بالعوامل المضطربة ، والتي تشمل على وجه الخصوص التفاعلات غير الأنزيمية لأكسدة الدهون. في الآونة الأخيرة ، تتوسع دراسات عمليات الأكسدة في المراحل الدهنية للخلايا الحية ونمو المنتجات الجذرية النشطة التي تعطل الوظائف التنظيمية للأغشية. مصدر المعلومات حول هذه العمليات هو اكتشاف جذور البيروكسيد النشطة ومركبات البيروكسيد الخاصة بالدهون الحيوية (A. Tappel ، 1965 ؛ I. I. Ivanov ، 1965 ؛ E.B Burlakova ، 1967 وغيرها). للكشف عن الجذور ، يتم استخدام التلألؤ الكيميائي الحيوي ، والذي يحدث في دهون الخلايا الحية أثناء إعادة تركيبها.

على أساس الأفكار الفيزيائية والكيميائية حول استقرار الحالة المستقرة ، نشأت أفكار فيزيائية حيوية حول تكيف النباتات مع التغيرات في الظروف البيئية باعتبارها انتهاكًا لأنظمة مضادات الأكسدة المثبطة (B.N Tarusov ، Ya. 1968-1972). وقد فتح هذا إمكانية تقييم خصائص مثل مقاومة الصقيع وتحمل الملح ، بالإضافة إلى عمل تنبؤات مناسبة في اختيار النباتات الزراعية.

في الخمسينيات من القرن الماضي ، تم اكتشاف وهج شديد الضعف - تلألؤ كيميائي حيوي لعدد من الكائنات البيولوجية في الأجزاء المرئية والأشعة تحت الحمراء من الطيف (B.N. Tarusov ، A. I. أصبح هذا ممكنًا نتيجة لتطوير طرق تسجيل تدفقات الضوء فائقة الضعف باستخدام المضاعفات الضوئية (L.A Kubetsky ، 1934). نظرًا لكونه نتيجة تفاعلات كيميائية حيوية تحدث في خلية حية ، فإن اللمعان الكيميائي الحيوي يجعل من الممكن الحكم على عمليات الأكسدة المهمة في سلاسل نقل الإلكترون بين الإنزيمات. إن اكتشاف ودراسة اللمعان الحيوي الحيوي لهما أهمية نظرية وعملية كبيرة. لذلك ، لاحظ B.N.Tarusov و Yu.B.Kudryashov الدور الكبير لمنتجات أكسدة الأحماض الدهنية غير المشبعة في آلية حدوث الحالات المرضية التي تتطور تحت تأثير الإشعاع المؤين ، في التسرطن وانتهاكات أخرى لوظائف الخلايا الطبيعية .

في الخمسينيات من القرن الماضي ، فيما يتعلق بالتطور السريع للفيزياء النووية ، ظهر علم الأحياء الإشعاعي ، الذي يدرس التأثير البيولوجي للإشعاع المؤين ، من الفيزياء الحيوية. إن إنتاج النظائر المشعة الاصطناعية ، وإنشاء أسلحة نووية حرارية ، ومفاعلات ذرية ، وتطوير أشكال أخرى من الاستخدام العملي للطاقة الذرية قد طرح بكل خطورتها مشكلة حماية الكائنات الحية من الآثار الضارة للإشعاع المؤين ، وتطوير الأسس النظرية للوقاية من المرض الإشعاعي وعلاجه. للقيام بذلك ، كان من الضروري أولاً وقبل كل شيء معرفة مكونات الخلية وروابط التمثيل الغذائي الأكثر ضعفًا.

كان الهدف من الدراسة في الفيزياء الحيوية وعلم الأحياء الإشعاعي هو توضيح طبيعة التفاعلات الكيميائية الأولية التي تحدث في الركائز الحية تحت تأثير الطاقة الإشعاعية. هنا كان من المهم ليس فقط فهم آليات هذه الظاهرة ، ولكن أيضًا القدرة على التأثير في عملية تبادل الطاقة الفيزيائية للطاقة الكيميائية ، لتقليل معاملها للعمل "المفيد". بدأ العمل في هذا الاتجاه من خلال دراسات مدرسة N.N.Semenov (1933) في الاتحاد السوفياتي و D. Hinshelwood (1935) في إنجلترا.

احتلت دراسة درجة مقاومة الإشعاع للكائنات المختلفة مكانًا مهمًا في البحث البيولوجي الإشعاعي. وجد أن زيادة المقاومة الإشعاعية (على سبيل المثال ، في القوارض الصحراوية) ترجع إلى النشاط المضاد للأكسدة العالي لدهون غشاء الخلية (M. Chang et al. ، 1964 ؛ N.K.Ogryzov et al. ، 1969). اتضح أن مركبات توكوفيرول وفيتامين ك وثيو تلعب دورًا مهمًا في تكوين الخصائص المضادة للأكسدة لهذه الأنظمة (II Ivanov et al. ، 1972). في السنوات الأخيرة ، جذبت دراسات آليات الطفرات أيضًا الكثير من الاهتمام. لهذا الغرض ، تمت دراسة تأثير الإشعاع المؤين على سلوك الأحماض النووية والبروتينات في المختبر ، وكذلك في الفيروسات والعاثيات (A. Gustafson ، 1945 - 1950).

يظل الكفاح من أجل زيادة فعالية الحماية الكيميائية ، والبحث عن مثبطات أكثر فعالية ومبادئ التثبيط هي المهام الرئيسية للفيزياء الحيوية في هذا الاتجاه.

تم إحراز تقدم في دراسة الحالات المثارة للبوليمرات الحيوية ، والتي تحدد نشاطها الكيميائي العالي. كان الأكثر نجاحًا هو دراسة الحالات المتحمسة الناشئة في المرحلة الأولية من العمليات الحيوية الضوئية - التمثيل الضوئي والرؤية.

وبالتالي ، فقد تم تقديم مساهمة قوية لفهم التنشيط الأولي لجزيئات أنظمة أصباغ النبات. تم إثبات الأهمية الكبرى لنقل (هجرة) طاقة الحالات المثارة دون فقد من الأصباغ المنشطة إلى ركائز أخرى. لعبت الأعمال النظرية لـ A.N. Terenin (1947 وما بعده) دورًا رئيسيًا في تطوير هذه الأفكار. اكتشف A. A. Krasnovsky (1949) ودرس تفاعل الاختزال الكيميائي الضوئي القابل للانعكاس للكلوروفيل ونظائره. يوجد الآن اعتقاد عام بأنه في المستقبل القريب سيكون من الممكن إعادة إنتاج التمثيل الضوئي في ظل ظروف اصطناعية (انظر أيضًا الفصل 5).

يواصل علماء الفيزياء الحيوية العمل على الكشف عن طبيعة تقلص العضلات وآليات إثارة الأعصاب والتوصيل (انظر الفصل 11). أصبح البحث في آليات الانتقال من حالة الإثارة إلى الحالة الطبيعية ذا أهمية في الوقت الحالي. تعتبر الحالة المثارة الآن نتيجة تفاعل التحفيز الذاتي ، ويعتبر التثبيط نتيجة للتعبئة الحادة لنشاط مضادات الأكسدة المثبطة نتيجة لإعادة الترتيب الجزيئي في مركبات مثل توكوفيرول (I. كولز ، 1970).

تظل أهم مشكلة عامة للفيزياء الحيوية هي معرفة السمات الفيزيائية والكيميائية النوعية للمادة الحية. خصائص مثل قدرة البوليمرات الحيوية الحية على الارتباط الانتقائي للبوتاسيوم أو الاستقطاب كهرباء، لا يمكن الحفاظ عليها حتى مع الإزالة الأكثر حرصًا من الجسم. لذلك ، تواصل الفيزياء الحيوية الخلوية تطوير معايير وطرق لدراسة المادة الحية مدى الحياة.

على الرغم من شباب البيولوجيا الجزيئية ، فإن التقدم الذي أحرزته في هذا المجال مذهل حقًا. في فترة زمنية قصيرة نسبيًا ، تم تحديد طبيعة الجين والمبادئ الأساسية لتنظيمه وتكاثره وعمله. علاوة على ذلك ، لم يتم إجراء استنساخ الجينات في المختبر فقط ، ولكن أيضًا لأول مرة تم الانتهاء من التوليف الكامل للجين نفسه. تم فك الشفرة الجينية تمامًا وتم حل المشكلة البيولوجية الأكثر أهمية لخصوصية التخليق الحيوي للبروتين. تم تحديد ودراسة الطرق والآليات الرئيسية لتكوين البروتين في الخلية. تم تحديد البنية الأساسية للعديد من RNAs للنقل ، وهي جزيئات محول محددة تترجم لغة القوالب النووية إلى لغة تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين المركب. تم فك تشفير تسلسل الأحماض الأمينية للعديد من البروتينات بالكامل وتم إنشاء البنية المكانية لبعضها. هذا جعل من الممكن توضيح مبدأ وتفاصيل عمل جزيئات الإنزيم. تم إجراء التركيب الكيميائي لأحد الإنزيمات ، الريبونوكلياز. تم وضع المبادئ الأساسية لتنظيم الجسيمات دون الخلوية المختلفة والعديد من الفيروسات والعاقمات ، وتم الكشف عن الطرق الرئيسية لتكوينها الحيوي في الخلية. تم اكتشاف طرق لفهم طرق تنظيم نشاط الجينات وتوضيح الآليات التنظيمية للنشاط الحيوي. بالفعل قائمة بسيطة من هذه الاكتشافات تشير إلى أن النصف الثاني من القرن العشرين. تميزت بالتقدم الهائل في علم الأحياء ، والذي يرجع في المقام الأول إلى دراسة متعمقة لهيكل ووظائف الجزيئات الكبيرة ذات الأهمية البيولوجية - الأحماض والبروتينات النووية.

يتم بالفعل استخدام الإنجازات في مجال البيولوجيا الجزيئية في الممارسة العملية اليوم وتحقق نتائج ملموسة في الطب والزراعة وبعض الصناعات. لا شك أن عودة هذا العلم ستزداد كل يوم. ومع ذلك ، لا يزال ينبغي اعتبار النتيجة الرئيسية أنه تحت تأثير نجاحات البيولوجيا الجزيئية ، تعززت الثقة في وجود إمكانيات غير محدودة في طريق الكشف عن أسرار الحياة الأكثر سرية.

في المستقبل ، على ما يبدو ، سيتم فتح طرق جديدة لدراسة الشكل البيولوجي لحركة المادة - سوف ينتقل علم الأحياء من المستوى الجزيئي إلى المستوى الذري. ومع ذلك ، ربما لا يوجد الآن باحث واحد يمكنه توقع تطور البيولوجيا الجزيئية بشكل واقعي حتى خلال العشرين عامًا القادمة.

مقابلة

بيروجوف سيرجي - مشارك في التحضير للأولمبياد في علم الأحياء ، الذي نظمته "الفيل والزرافة" في عام 2012.
الفائز بالجامعة الدولية في علم الأحياء
الفائز في الأولمبياد "لومونوسوف"
الفائز في المرحلة الإقليمية من أولمبياد عموم روسيا في علم الأحياء عام 2012
يدرس في جامعة موسكو الحكومية. م. لومونوسوف في كلية الأحياء: قسم البيولوجيا الجزيئية ، طالب في السنة السادسة. يعمل في مختبر علم الوراثة البيوكيميائية للحيوانات التابع لمعهد علم الوراثة الجزيئية.

- سريوزا ، إذا كان لدى القراء أسئلة ، فهل سيتمكنون من طرحها عليك؟

نعم ، بالطبع ، يمكنك طرح الأسئلة فورًا على الأقل. في هذا الحقل:

انقر هنا لطرح سؤال.

- لنبدأ بالمدرسة ، أليس لديك مدرسة رائعة؟

لقد درست في مدرسة موسكو ضعيفة للغاية ، مثل مدرسة ثانوية متوسطة. صحيح ، كان لدينا مدرس رائع في مسرح موسكو للفنون ، وبفضله كان لدينا توجه رمزي إلى حد كبير "تاريخ الفن" للمدرسة.

- ماذا عن علم الأحياء؟

كانت معلمة الأحياء لدينا امرأة مسنة جدًا وصماء وحادة ، كان الجميع يخافها. لكن الحب لموضوعها لم يضيف. لقد كنت شغوفًا بالبيولوجيا منذ الطفولة ، من سن الخامسة. لقد قرأت كل شيء بنفسي ، حيث كنت أجد نفسي في علم التشريح وعلم الحيوان. لذلك كانت المواد الدراسية موجودة بالتوازي مع اهتماماتي الخاصة. غيرت الألعاب الأولمبية كل شيء.

- أخبرني المزيد عنه.

في الصف السابع ، شاركت في المرحلة البلدية لأول مرة (بالطبع ، في جميع المواد تقريبًا مرة واحدة ، لأنني كنت الطالب الوحيد الذي كان لدى المعلمين سبب لإرساله). وفاز في علم الأحياء. ثم تعاملت المدرسة مع هذا على أنه حقيقة مضحكة ، لكنها ليست مثيرة للاهتمام.

- هل ساعدتك في المدرسة؟

أتذكر أنه على الرغم من دراساتي الرائعة ، فقد تلقيت في كثير من الأحيان B من مدرس الأحياء مع قطف الصئبان مثل "في رسم جزء من البصل ، يجب أن تكون الجذور مطلية باللون البني وليس الرمادي." كان كل شيء محبطًا جدًا. في الصف الثامن ، ذهبت مرة أخرى إلى الأولمبياد ، لكن لسبب ما لم يتم إرسالي في علم الأحياء. لكنه أصبح فائزًا وحائزًا على جوائز في مواضيع أخرى.

- ماذا حدث في الصف التاسع؟

في الصف التاسع ، لم أذهب إلى مرحلة المقاطعة. هناك سجلت بشكل غير متوقع نتيجة ضعيفة ، حدودية ، والتي تبين مع ذلك أنها انتقلت إلى المسرح الإقليمي. كان لديها قوة دافعة قوية - إدراك مقدار ما لا أعرفه وعدد الأشخاص الذين يعرفون كل هذا (كم عدد هؤلاء الأشخاص على نطاق وطني كنت أخشى حتى أن أتخيله).

- أخبرنا كيف أعددت.

كان للدراسة الذاتية المكثفة ، والغزوات في المكتبات ، والآلاف من مهام العام الماضي تأثير شافي. لقد سجلت واحدة من أعلى الدرجات للنظرية (وهو أمر غير متوقع تمامًا بالنسبة لي أيضًا) ، وذهبت إلى المرحلة العملية ... وفشلت فيها. في ذلك الوقت ، لم أكن أعرف حتى عن وجود المرحلة العملية.

- هل أثرت الأولمبياد عليك؟

لقد تغيرت حياتي بشكل جذري. لقد تعلمت الكثير من الألعاب الأولمبية الأخرى ، خاصة أنني وقعت في حب SBO. بعد ذلك ، أظهر نتائج جيدة على الكثيرين ، وفاز ببعض ، بفضل Lomonosovskaya حصل على حق الدخول بدون امتحانات. في الوقت نفسه ، فزت بأولمبياد في تاريخ الفن ، والذي ما زلت أتنفسه بشكل غير متساو. صحيح أنه لم يكن صديقًا للجولات العملية. في الصف الحادي عشر ، وصلت مع ذلك إلى المرحلة النهائية ، لكن Fortune لم تكن مواتية ، وهذه المرة لم يكن لدي الوقت لملء مصفوفة الإجابة في المرحلة النظرية. لكن هذا جعل من الممكن ألا تقلق كثيرًا بشأن العملية.

- هل قابلت العديد من الألعاب الأولمبية؟

نعم ، ما زلت أعتقد أنني كنت محظوظًا جدًا مع دائرة زملائي ، الذين وسعوا آفاقي بشكل كبير. الجانب الآخر من الأولمبياد ، بالإضافة إلى الدافع لدراسة الموضوع بشكل أكثر انسجامًا ، كان التعرف على الأولمبياد. لقد لاحظت بالفعل في ذلك الوقت أن الاتصال الأفقي يكون أحيانًا أكثر فائدة من الاتصال الرأسي - مع المعلمين في المعسكر التدريبي.

- كيف دخلت الجامعة؟ هل اخترت كلية؟

بعد الصف الحادي عشر ، التحقت بكلية الأحياء بجامعة موسكو الحكومية. فقط غالبية رفاقي في ذلك الوقت قاموا باختيارهم لصالح FBB ، ولكن الدور الأساسي هنا تم لعبه من خلال حقيقة أنني لم أصبح الفائز في All-Russian. لذلك كان علي أن أجري امتحانًا داخليًا في الرياضيات ، وفيه ، خاصة في المدرسة - لقد وقعت في حب الشخص الأعلى كثيرًا - لم أكن قويًا. وكان الإعداد سيئًا للغاية في المدرسة (لم نكن مستعدين حتى للجزء C بأكمله تقريبًا). من حيث الاهتمامات ، حتى ذلك الحين كنت أعتقد أنه في النهاية ، يمكنك الوصول إلى أي نتيجة ، بغض النظر عن مكان القبول. بعد ذلك ، اتضح أن هناك العديد من خريجي FBB الذين تحولوا إلى علم الأحياء الرطب في الغالب ، والعكس صحيح - بدأ العديد من علماء المعلومات الحيوية الجيدين كهواة. على الرغم من أنه بدا لي في تلك اللحظة أن الوحدة في الكلية البيولوجية ستكون مختلفة عن فرقة FBBshny. في هذا كنت مخطئا بالتأكيد.

هل كنت تعلم؟

مثير للإعجاب

هل كنت تعلم؟

مثير للإعجاب

في مخيم Elephant and Giraffe ، هناك تحولات في الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية ، حيث يقوم تلاميذ المدارس ، جنبًا إلى جنب مع مدرسين ذوي خبرة من جامعة موسكو الحكومية ، بإجراء تجارب والاستعداد أيضًا للأولمبياد.

© أجرى المقابلة ريشيتوف دينيس. تم تقديم الصور من قبل سيرجي بيروجوف.

البيولوجيا الجزيئية

علم يحدد مهمة معرفة طبيعة ظواهر الحياة من خلال دراسة الكائنات والأنظمة البيولوجية على مستوى يقترب من المستوى الجزيئي ، وفي بعض الحالات الوصول إلى هذا الحد. الهدف النهائي في هذه الحالة هو توضيح كيف وإلى أي مدى المظاهر المميزة للحياة ، مثل الوراثة ، والتكاثر من نوعه ، والتخليق الحيوي للبروتين ، والاستثارة ، والنمو والتنمية ، وتخزين ونقل المعلومات ، وتحولات الطاقة ، والتنقل ، الخ ، بسبب بنية وخصائص وتفاعل جزيئات المواد المهمة بيولوجيًا ، في المقام الأول الفئتان الرئيسيتان من البوليمرات الحيوية عالية الوزن الجزيئي (انظر البوليمرات الحيوية) - البروتينات والأحماض النووية. سمة مميزة لـ M. b. - دراسة ظواهر الحياة على الجماد أو تلك التي تتميز بأكثر مظاهر الحياة بدائية. هذه تكوينات بيولوجية من المستوى الخلوي وأدناه: عضيات تحت خلوية ، مثل نواة الخلية المعزولة ، الميتوكوندريا ، الريبوسومات ، الكروموسومات ، أغشية الخلايا ؛ علاوة على ذلك - الأنظمة التي تقف على حدود الطبيعة الحية وغير الحية - الفيروسات ، بما في ذلك العاثيات ، وتنتهي بجزيئات أهم مكونات المادة الحية - الأحماض النووية (انظر الأحماض النووية) والبروتينات (انظر البروتينات).

م. ب. - مجال جديد من العلوم الطبيعية ، يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمجالات البحث الراسخة ، والتي تغطيها الكيمياء الحيوية (انظر الكيمياء الحيوية) ، والفيزياء الحيوية (انظر الفيزياء الحيوية) والكيمياء العضوية الحيوية (انظر الكيمياء العضوية الحيوية). التمييز هنا ممكن فقط على أساس مراعاة الأساليب المستخدمة والطبيعة الأساسية للطرق المستخدمة.

تم وضع الأساس الذي تطور عليه M. بواسطة علوم مثل علم الوراثة ، والكيمياء الحيوية ، وعلم وظائف الأعضاء للعمليات الأولية ، وما إلى ذلك وفقًا لأصول تطورها ، M. ب. ترتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم الوراثة الجزيئي (انظر علم الوراثة الجزيئية) , التي لا تزال تشكل جزءًا مهمًا من الخدمات المصرفية الإلكترونية ، على الرغم من أنها تشكلت بالفعل إلى حد كبير في مجال مستقل. عزلة م. من الكيمياء الحيوية تمليه الاعتبارات التالية. تقتصر مهام الكيمياء الحيوية بشكل أساسي على التحقق من مشاركة بعض المواد الكيميائية في وظائف وعمليات بيولوجية معينة وتوضيح طبيعة تحولاتها ؛ ينتمي الدور الرائد إلى المعلومات المتعلقة بالتفاعلية وعن السمات الرئيسية للتركيب الكيميائي ، التي يعبر عنها المعتاد صيغة كيميائية. وهكذا ، في الجوهر ، يتركز الاهتمام على التحولات التي تؤثر على القيمة الرئيسية روابط كيميائية. في غضون ذلك ، كما أكد ل. بولينج , في النظم البيولوجية ومظاهر النشاط الحيوي ، يجب إعطاء الأهمية الرئيسية ليس لروابط التكافؤ الرئيسية التي تعمل داخل نفس الجزيء ، ولكن لأنواع مختلفة من الروابط التي تحدد التفاعلات بين الجزيئات (كهرباء ، فان دير فال ، روابط هيدروجينية ، إلخ.) .

يمكن تمثيل النتيجة النهائية لدراسة كيميائية حيوية في شكل نظام معادلات كيميائية ، وعادة ما يتم استنفادها تمامًا من خلال تمثيلها على مستوى ، أي في بعدين. سمة مميزة لـ M. b. هي أبعادها الثلاثية. جوهر M. ب. يرى M. Perutz ذلك في تفسير الوظائف البيولوجية من حيث التركيب الجزيئي. يمكننا القول أنه في السابق ، عند دراسة الكائنات البيولوجية ، كان من الضروري الإجابة على السؤال "ماذا" ، أي ، ما هي المواد الموجودة ، والسؤال "أين" - في أي الأنسجة والأعضاء ، ثم M. ب. يجعل من مهمته الحصول على إجابات على السؤال "كيف" ، بعد أن تعلم جوهر دور ومشاركة التركيب الكامل للجزيء ، وعلى الأسئلة "لماذا" و "لماذا" ، بعد أن اكتشف ، من ناحية ، الروابط بين خصائص الجزيء (مرة أخرى ، البروتينات والأحماض النووية بشكل أساسي) والوظائف التي يؤديها ، ومن ناحية أخرى ، دور هذه الوظائف الفردية في المجمع العام لمظاهر النشاط الحيوي.

الترتيب المتبادل للذرات وتجمعاتها في الهيكل العام للجزيء الكبير ، تكتسب علاقاتها المكانية دورًا حاسمًا. ينطبق هذا على كل من المكونات الفردية والفردية والتكوين العام للجزيء ككل. نتيجة لظهور بنية حجمية محددة بدقة ، تكتسب جزيئات البوليمر الحيوي تلك الخصائص ، والتي من خلالها تكون قادرة على العمل كأساس مادي للوظائف البيولوجية. يعد مبدأ النهج هذا في دراسة الأحياء أكثر السمات المميزة والنموذجية لـ M. b.

مرجع التاريخ.تم توقع الأهمية الكبرى لدراسة المشكلات البيولوجية على المستوى الجزيئي بواسطة I.P. Pavlov , الذي تحدث عن الخطوة الأخيرة في علم الحياة - فسيولوجيا الجزيء الحي. المصطلح ذاته "M. ب." تم استخدامه لأول مرة في اللغة الإنجليزية. قام العلماء W. Astbury في تطبيقهم على البحث المتعلق بتوضيح العلاقة بين التركيب الجزيئي والخصائص الفيزيائية والبيولوجية للبروتينات الليفية (الليفية) ، مثل الكولاجين أو ليفي الدم أو بروتينات العضلات المقلصة. استخدم مصطلح "M. ب." الصلب منذ أوائل الخمسينيات من القرن الماضي. القرن ال 20

ظهور M. كعلم ناضج ، من المعتاد الإشارة إلى عام 1953 ، عندما اكتشف J. Watson و F. Crick في كامبريدج (بريطانيا العظمى) التركيب ثلاثي الأبعاد للحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA). جعل هذا من الممكن التحدث عن كيفية تحديد تفاصيل هذا الهيكل للوظائف البيولوجية للحمض النووي باعتباره ناقلًا ماديًا للمعلومات الوراثية. من حيث المبدأ ، أصبح هذا الدور للحمض النووي معروفًا في وقت سابق إلى حد ما (1944) نتيجة لعمل عالم الوراثة الأمريكي O. T. الحمض النووي. أصبح هذا ممكنًا فقط بعد أن طورت مختبرات دبليو إل براغ ، وجيه بيرنال ، وغيرهما مبادئ جديدة لتحليل حيود الأشعة السينية ، والتي كفلت استخدام هذه الطريقة للحصول على معرفة مفصلة بالبنية المكانية لجزيئات البروتين الكبيرة والأحماض النووية.

مستويات التنظيم الجزيئي.في عام 1957 ، أسس J. Kendrew الهيكل ثلاثي الأبعاد لـ Myoglobin a , وفي السنوات اللاحقة ، تم إجراء ذلك بواسطة M. Perutz فيما يتعلق بالهيموجلوبين أ. تمت صياغة أفكار حول مستويات مختلفة من التنظيم المكاني للجزيئات الكبيرة. الهيكل الأساسي هو سلسلة من الوحدات الفردية (المونومرات) في سلسلة جزيء البوليمر الناتج. بالنسبة للبروتينات ، المونومرات عبارة عن أحماض أمينية. , للأحماض النووية - النيوكليوتيدات. الجزيء الخطي الخيطي من البوليمر الحيوي ، نتيجة لحدوث الروابط الهيدروجينية ، لديه القدرة على التوافق في الفضاء بطريقة معينة ، على سبيل المثال ، في حالة البروتينات ، كما أوضح ل. شكل حلزوني. يشار إلى هذا على أنه هيكل ثانوي. يقال إن البنية الثلاثية هي عندما ينثني جزيء له بنية ثانوية بطريقة أو بأخرى ، ويملأ الفضاء ثلاثي الأبعاد. أخيرًا ، يمكن للجزيئات التي لها بنية ثلاثية الأبعاد أن تدخل في تفاعل ، وتقع بانتظام في الفضاء بالنسبة لبعضها البعض وتشكل ما يُعرف بهيكل رباعي ؛ يشار عادةً إلى مكوناته الفردية باسم الوحدات الفرعية.

معظم مثال جيدكيف يحدد التركيب الجزيئي ثلاثي الأبعاد الوظائف البيولوجية للجزيء هو الحمض النووي. له هيكل اللولب المزدوج: خيطان يعملان في اتجاه معاكس بشكل متبادل (عكس الموازاة) يتم لف أحدهما حول الآخر ، مما يشكل حلزونًا مزدوجًا مع ترتيب مكمل بشكل متبادل من القواعد ، أي أنه مقابل قاعدة معينة من سلسلة واحدة هناك هي دائمًا القاعدة التي توفر أفضل تكوين للروابط الهيدروجينية: أزواج الأديبين (A) مع الثايمين (T) ، الجوانين (G) مع السيتوزين (C). مثل هذا الهيكل يخلق الظروف المثلى لأهم الوظائف البيولوجية للحمض النووي: الضرب الكمي للمعلومات الوراثية في عملية انقسام الخلية ، مع الحفاظ على الثوابت النوعية لهذا التدفق للمعلومات الجينية. عندما تنقسم الخلية ، فإن خيوط اللولب المزدوج للحمض النووي ، والتي تعمل كقالب أو قالب ، تنفصل وفي كل منها ، تحت تأثير الإنزيمات ، يتم تصنيع خيط جديد مكمل. نتيجة لذلك ، يتم الحصول على جزيئين ابنتين متطابقين تمامًا من جزيء DNA أحد الوالدين (انظر الخلية ، الانقسام المتساوي).

وبالمثل ، في حالة الهيموجلوبين ، اتضح أن وظيفته البيولوجية - القدرة على ربط الأكسجين بشكل عكسي في الرئتين ومن ثم إعطائه للأنسجة - ترتبط ارتباطًا وثيقًا بخصائص التركيب ثلاثي الأبعاد للهيموجلوبين وتغيراته في عملية تنفيذ دورها الفسيولوجي. عند ارتباط O 2 وفصله ، تحدث تغيرات مكانية في تكوين جزيء الهيموجلوبين ، مما يؤدي إلى تغير في ألفة ذرات الحديد الموجودة فيه للأكسجين. التغييرات في حجم جزيء الهيموجلوبين ، التي تذكرنا بالتغيرات في حجم الصدر أثناء التنفس ، جعلت من الممكن تسمية الهيموجلوبين "الرئتين الجزيئيتين".

من أهم سمات الكائنات الحية قدرتها على التنظيم الدقيق لجميع مظاهر النشاط الحيوي. مساهمة M. الرئيسية. يجب اعتبار الاكتشافات العلمية اكتشافًا لآلية تنظيمية جديدة غير معروفة سابقًا ، يشار إليها باسم التأثير الخيفي. يكمن في قدرة المواد ذات الوزن الجزيئي المنخفض - ما يسمى. الترابط - لتعديل الوظائف البيولوجية المحددة للجزيئات الكبيرة ، وبروتينات تعمل بشكل تحفيزي في المقام الأول - الإنزيمات ، والهيموجلوبين ، وبروتينات المستقبل التي تشارك في بناء الأغشية البيولوجية (انظر الأغشية البيولوجية) ، في الانتقال المشبكي (انظر المشابك العصبية) ، إلخ.

ثلاثة تيارات حيوية.في ضوء أفكار م. يمكن اعتبار مجمل ظواهر الحياة نتيجة مزيج من ثلاثة تدفقات: تدفق المادة ، الذي يجد تعبيره في ظاهرة التمثيل الغذائي ، أي الاستيعاب والتشتت ؛ تدفق الطاقة ، وهو القوة الدافعة لجميع مظاهر الحياة ؛ وتدفق المعلومات ، لا تخترق فقط مجموعة كاملة من عمليات التطور ووجود كل كائن حي ، ولكن أيضًا سلسلة مستمرة من الأجيال المتعاقبة. إن فكرة تدفق المعلومات ، التي أدخلت في عقيدة العالم الحي من خلال تطوير المواد الحيوية ، هي التي تترك بصمتها الخاصة والفريدة من نوعها عليها.

أهم إنجازات البيولوجيا الجزيئية.سرعة ونطاق وعمق تأثير M. تتم مقارنة التقدم في فهم المشكلات الأساسية لدراسة الطبيعة الحية ، على سبيل المثال ، مع تأثير نظرية الكم على تطور الفيزياء الذرية. شرطان مترابطان جوهريا حددا هذا التأثير الثوري. من ناحية أخرى ، تم لعب دور حاسم من خلال اكتشاف إمكانية دراسة أهم مظاهر النشاط الحيوي في ظل أبسط الظروف ، مع الاقتراب من نوع التجارب الكيميائية والفيزيائية. من ناحية أخرى ، نتيجة لهذا الظرف ، كان هناك مشاركة سريعة لعدد كبير من ممثلي العلوم الدقيقة - الفيزيائيين والكيميائيين وعلماء البلورات ثم علماء الرياضيات - في تطوير المشكلات البيولوجية. في مجملها ، حددت هذه الظروف الوتيرة السريعة بشكل غير عادي لتطور M. b. ، عدد وأهمية نجاحاتها ، التي تحققت في عقدين فقط. هذا بعيد عن قائمة كاملةهذه الإنجازات: الكشف عن بنية وآلية الوظيفة البيولوجية للحمض النووي ، وجميع أنواع الحمض النووي الريبي والريبوزومات (انظر الريبوسومات) , الكشف عن الشفرة الجينية (انظر الشفرة الجينية) ; اكتشاف النسخ العكسي (انظر النسخ) , أي توليف الحمض النووي على قالب RNA ؛ دراسة آليات عمل أصباغ الجهاز التنفسي. اكتشاف بنية ثلاثية الأبعاد ودورها الوظيفي في عمل الإنزيمات (انظر الإنزيمات) , مبدأ تخليق المصفوفة وآليات التخليق الحيوي للبروتين ؛ الكشف عن بنية الفيروسات (انظر الفيروسات) وآليات تكاثرها ، والبنية الأولية والمكانية جزئيًا للأجسام المضادة ؛ عزل الجينات الفردية , التوليف الكيميائي ثم البيولوجي (الأنزيمي) الجيني ، بما في ذلك الإنسان ، خارج الخلية (في المختبر) ؛ نقل الجينات من كائن حي إلى آخر ، بما في ذلك الخلايا البشرية ؛ التقدم السريع في فك تشفير التركيب الكيميائي لعدد متزايد من البروتينات الفردية ، وخاصة الإنزيمات ، وكذلك الأحماض النووية ؛ اكتشاف ظاهرة "التجميع الذاتي" لبعض الكائنات البيولوجية ذات التعقيد المتزايد باستمرار ، بدءًا من جزيئات الحمض النووي والانتقال إلى الإنزيمات متعددة المكونات والفيروسات والريبوزومات ، وما إلى ذلك ؛ توضيح المبادئ الخيفية وغيرها من المبادئ الأساسية لتنظيم الوظائف والعمليات البيولوجية.

الاختزال والتكامل. م. ب. هي المرحلة الأخيرة من هذا الاتجاه في دراسة الكائنات الحية ، والتي تسمى "اختزالية" ، أي الرغبة في اختزال وظائف الحياة المعقدة إلى ظواهر تحدث على المستوى الجزيئي وبالتالي يمكن دراستها بواسطة طرق الفيزياء والكيمياء . حقق M. b. النجاحات تشهد على فعالية هذا النهج. في الوقت نفسه ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه في الظروف الطبيعية في الخلية والأنسجة والعضو والكائن الحي بأكمله ، فإننا نتعامل مع أنظمة ذات تعقيد متزايد. تتشكل هذه الأنظمة من مكونات منخفضة المستوى من خلال تكاملها المنتظم في الكل ، والحصول على تنظيم هيكلي ووظيفي وامتلاك خصائص جديدة. لذلك ، كما تم تفصيل معرفة الأنماط المتاحة للكشف على المستويات الجزيئية والمجاورة ، قبل M. ب. تنشأ مهمة فهم آليات التكامل كخط لمزيد من التطوير في دراسة ظواهر الحياة. نقطة البداية هنا هي دراسة قوى التفاعلات بين الجزيئات - روابط الهيدروجين ، فان دير فالس ، القوى الكهروستاتيكية ، إلخ. من خلال تجميعها وترتيبها المكاني ، فإنها تشكل ما يمكن تسميته "بالمعلومات التكاملية". يجب اعتباره أحد الأجزاء الرئيسية لتدفق المعلومات الذي سبق ذكره. في منطقة M. يمكن أن تكون أمثلة التكامل ظاهرة التجميع الذاتي للتكوينات المعقدة من مزيج من الأجزاء المكونة لها. يتضمن ذلك ، على سبيل المثال ، تكوين بروتينات متعددة المكونات من وحداتها الفرعية ، وتشكيل فيروسات من أجزائها المكونة - البروتينات والأحماض النووية ، واستعادة البنية الأصلية للريبوسومات بعد فصل البروتينات والمكونات النووية ، وما إلى ذلك. ترتبط دراسة هذه الظواهر ارتباطًا مباشرًا بمعرفة "التعرف" على الظاهرة الرئيسية لجزيئات البوليمر الحيوي. الهدف هو معرفة ما هي مجموعات الأحماض الأمينية - في جزيئات البروتين أو النيوكليوتيدات - في الأحماض النووية التي تتفاعل مع بعضها البعض أثناء عمليات ارتباط الجزيئات الفردية بتكوين مجمعات ذات تركيبة وبنية محددة بدقة ومحددة مسبقًا. وتشمل هذه عمليات تكوين البروتينات المعقدة من وحداتها الفرعية ؛ علاوة على ذلك ، التفاعل الانتقائي بين جزيئات الحمض النووي ، على سبيل المثال ، النقل والمصفوفة (في هذه الحالة ، أدى اكتشاف الشفرة الوراثية إلى توسيع نطاق معلوماتنا بشكل كبير) ؛ أخيرًا ، هذا هو تكوين العديد من أنواع الهياكل (على سبيل المثال ، الريبوسومات والفيروسات والكروموسومات) ، والتي يشارك فيها كل من البروتينات والأحماض النووية. يعد الكشف عن القوانين المقابلة ، ومعرفة "اللغة" الكامنة وراء هذه التفاعلات ، أحد أهم مجالات علم اللغة الرياضي ، والتي لا تزال تنتظر التطوير. تعتبر هذه المنطقة تنتمي إلى عدد من المشاكل الأساسية للمحيط الحيوي بأكمله.

مشاكل البيولوجيا الجزيئية.جنبا إلى جنب مع المهام الهامة المحددة م. (معرفة قوانين "التعرف" والتجميع الذاتي والتكامل) الاتجاه الفعلي للبحث العلمي للمستقبل القريب هو تطوير طرق تسمح بفك تشفير الهيكل ، ثم التنظيم المكاني ثلاثي الأبعاد للجزيئات العالية احماض نووية. تم تحقيق ذلك الآن فيما يتعلق بالخطة العامة للبنية ثلاثية الأبعاد للحمض النووي (الحلزون المزدوج) ، ولكن دون معرفة دقيقة بهيكله الأساسي. يتيح لنا التقدم السريع في تطوير الأساليب التحليلية أن نتوقع بثقة تحقيق هذه الأهداف خلال السنوات القادمة. هنا ، بالطبع ، تأتي المساهمات الرئيسية من ممثلي العلوم ذات الصلة ، والفيزياء والكيمياء في المقام الأول. تم اقتراح وتطوير جميع الطرق الأكثر أهمية ، والتي أدى استخدامها إلى ظهور ونجاح M. b. ، من قبل علماء الفيزياء (التنبيذ الفائق ، تحليل حيود الأشعة السينية ، المجهر الإلكتروني ، الرنين المغناطيسي النووي ، إلخ). تفتح جميع الأساليب التجريبية الفيزيائية الجديدة تقريبًا (على سبيل المثال ، استخدام أجهزة الكمبيوتر ، السنكروترون ، أو أشعة الشمس ، والإشعاع ، وتكنولوجيا الليزر ، وغيرها) إمكانيات جديدة لإجراء دراسة متعمقة لمشاكل M. ب. من بين أهم المهام ذات الطبيعة العملية ، التي يتوقع الإجابة عليها من M. b. ، في المقام الأول مشكلة الأساس الجزيئي للنمو الخبيث ، إذن - طرق الوقاية ، وربما التغلب على الأمراض الوراثية - " الأمراض الجزيئية "(انظر الأمراض الجزيئية). سيكون توضيح الأساس الجزيئي للحفز البيولوجي ، أي عمل الإنزيمات ، ذا أهمية كبيرة. من بين أهم الاتجاهات الحديثة لم. يجب أن تتضمن الرغبة في فك الآليات الجزيئية لعمل الهرمونات (انظر الهرمونات) , المواد السامة والطبية ، وكذلك لمعرفة تفاصيل التركيب الجزيئي وعمل الهياكل الخلوية مثل الأغشية البيولوجية المشاركة في تنظيم عمليات اختراق ونقل المواد. الأهداف البعيدة M. ب. - معرفة طبيعة العمليات العصبية وآليات الذاكرة (انظر الذاكرة) وما إلى ذلك. ومن الأقسام الناشئة الهامة م. ب. - ما يسمى. الهندسة الوراثية ، التي تحدد مهمتها العملية الهادفة للجهاز الوراثي (الجينوم) للكائنات الحية ، بدءًا من الميكروبات وأقل (أحادية الخلية) وانتهاءً بالبشر (في الحالة الأخيرة ، في المقام الأول لغرض المعالجة الجذرية لـ الأمراض الوراثية (انظر الأمراض الوراثية) وتصحيح العيوب الوراثية). لا يمكن مناقشة التدخلات الأكثر شمولاً في الأساس الجيني البشري إلا في المستقبل البعيد إلى حد ما ، لأنه في هذه الحالة تنشأ عقبات خطيرة ، فنية وأساسية على حد سواء. والمتعلقة بالميكروبات والنباتات وممكن ، والصفحة- x. بالنسبة للحيوانات ، تعتبر هذه الاحتمالات مشجعة للغاية (على سبيل المثال ، الحصول على أنواع مختلفة من النباتات المزروعة التي تحتوي على جهاز لتثبيت النيتروجين من الهواء ولا تحتاج إلى الأسمدة). وهي تستند إلى النجاحات التي تحققت بالفعل: عزل الجينات وتوليفها ، ونقل الجينات من كائن حي إلى آخر ، واستخدام مزارع الخلايا الجماعية كمنتجين للمواد الاقتصادية أو ذات الأهمية الطبية.

تنظيم البحث في علم الأحياء الجزيئي.التطور السريع في M. أدى إلى ظهور عدد كبير من المراكز البحثية المتخصصة. عددهم ينمو بسرعة. الأكبر: في المملكة المتحدة - مختبر البيولوجيا الجزيئية في كامبريدج ، والمعهد الملكي في لندن ؛ في فرنسا - معاهد البيولوجيا الجزيئية في باريس ومرسيليا وستراسبورغ ومعهد باستير ؛ في الولايات المتحدة الأمريكية - أقسام M. b. في جامعات ومعاهد في بوسطن (جامعة هارفارد ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) ، سان فرانسيسكو (بيركلي) ، لوس أنجلوس (معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا) ، نيويورك (جامعة روكفلر) ، المعاهد الصحية في بيثيسدا ، إلخ ؛ في ألمانيا - معاهد ماكس بلانك والجامعات في غوتنغن وميونيخ ؛ في السويد ، معهد كارولينسكا في ستوكهولم ؛ في ألمانيا الشرقية - المعهد المركزي للبيولوجيا الجزيئية في برلين ، معاهد في يينا وهالي ؛ في المجر - المركز البيولوجي في زيجيد. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، سيكون أول معهد متخصص M. في موسكو عام 1957 في نظام أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية (انظر. ); ثم تم تشكيل ما يلي: معهد الكيمياء الحيوية العضوية التابع لأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في موسكو ، ومعهد البروتين في بوشينو ، والقسم البيولوجي في معهد الطاقة الذرية (موسكو) ، وأقسام M. b. في معاهد فرع سيبيريا لأكاديمية العلوم في نوفوسيبيرسك ، والمختبر المشترك بين الأقسام للكيمياء الحيوية العضوية بجامعة موسكو الحكومية ، والقطاع (لاحقًا المعهد) للبيولوجيا الجزيئية وعلم الوراثة التابع لأكاديمية العلوم في جمهورية أوكرانيا الاشتراكية السوفياتية الأوكرانية في كييف ؛ عمل كبير على M. ب. يتم إجراؤه في معهد المركبات الجزيئية في لينينغراد ، في عدد من الأقسام والمختبرات التابعة لأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والإدارات الأخرى.

جنبا إلى جنب مع مراكز البحوث الفردية ، نشأت منظمات على نطاق أوسع. في أوروبا الغربية ، نشأت المنظمة الأوروبية لـ M. (EMBO) ، والتي تشارك فيها أكثر من 10 دول. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، في عام 1966 ، في معهد البيولوجيا الجزيئية ، تم إنشاء مجلس علمي حول M.B ، وهو مركز التنسيق والتنظيم في هذا المجال المعرفي. نشر سلسلة واسعة من الدراسات حول أهم أقسام M.b. ، يتم تنظيم "المدارس الشتوية" في M.b بشكل منتظم ، وتعقد المؤتمرات والندوات حول المشكلات الموضوعية لـ M. b. في المستقبل ، فإن المشورة العلمية بشأن M. تم إنشاؤها في أكاديمية العلوم الطبية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والعديد من الأكاديميات الجمهورية للعلوم. تم نشر مجلة Molecular Biology منذ عام 1966 (6 أعداد في السنة).

على المدى القصير إلى حد ما في الاتحاد السوفياتي ، نمت مجموعة كبيرة من الباحثين في مجال M. هؤلاء هم علماء من الجيل الأكبر سناً ممن حولوا اهتماماتهم جزئياً عن المجالات الأخرى ؛ في الغالب ، هم باحثون شباب كثيرون. من بين العلماء البارزين الذين لعبوا دورًا نشطًا في تكوين وتطوير M. b. في الاتحاد السوفياتي ، يمكن للمرء أن يسمي مثل A. A. Baev ، A. N. Belozersky ، A. E. E. Braunshtein ، Yu. A. Ovchinnikov ، A. S. Spirin ، M. M. Shemyakin ، V. A. Engelgardt. إنجازات M. الجديدة. وسيتم تعزيز علم الوراثة الجزيئي بقرار من اللجنة المركزية للحزب الشيوعي السوفيتي ومجلس وزراء اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية (مايو 1974) "بشأن تدابير تسريع تطوير البيولوجيا الجزيئية وعلم الوراثة الجزيئي واستخدام إنجازاتهم في اقتصاد."

أشعل.: Wagner R. ، ميتشل G. ، علم الوراثة والتمثيل الغذائي ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1958 ؛ Szent-Gyorgy and A. ، الطاقة الحيوية ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1960 ؛ Anfinsen K. الأساس الجزيئي للتطور ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1962 ؛ ستانلي دبليو ، فالنس إي ، الفيروسات وطبيعة الحياة ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1963 ؛ علم الوراثة الجزيئية ، العابرة. مع. اللغة الإنجليزية ، الجزء 1 ، م ، 1964 ؛ Volkenstein MV ، الجزيئات والحياة. مقدمة في الفيزياء الحيوية الجزيئية ، M. ، 1965 ؛ Gaurowitz F. كيمياء ووظائف البروتينات العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1965 ؛ Bresler S. E. ، مقدمة في البيولوجيا الجزيئية ، الطبعة الثالثة ، M. - L. ، 1973 ؛ Ingram V. ، التخليق الحيوي للجزيئات الكبيرة ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1966 ؛ Engelhardt V.A، Molecular biology، in the book: Development of biology in the USSR، M.، 1967؛ مقدمة في علم الأحياء الجزيئي ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1967 ؛ واتسون ، ج. ، البيولوجيا الجزيئية للجين ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1967 ؛ Finean J. ، البنى التحتية البيولوجية ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1970 ؛ Bendoll ، J. ، العضلات والجزيئات والحركة ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1970 ؛ Ichas M. ، الكود البيولوجي ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1971 ؛ البيولوجيا الجزيئية للفيروسات ، M. ، 1971 ؛ القواعد الجزيئية للتخليق الحيوي للبروتين ، M. ، 1971 ؛ Bernhard S. ، بنية ووظيفة الإنزيمات ، ترانس. من الإنجليزية ، M. ، 1971 ؛ Spirin A. S.، Gavrilova L. P.، Ribosome، 2nd ed.، M.، 1971؛ Frenkel-Konrat H. ، كيمياء وبيولوجيا الفيروسات ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1972 ؛ Smith C. ، Hanewalt F. ، البيولوجيا الجزيئية. عمليات التعطيل والانتعاش ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1972 ؛ هاريس جي ، أساسيات علم الوراثة البيوكيميائية للإنسان ، العابرة. من الإنجليزية ، M. ، 1973.

في أيه إنجلهاردت.

الموسوعة السوفيتية العظمى. - م: الموسوعة السوفيتية. 1969-1978 .

(البيولوجيا الجزيئية / -بيولوجين)

• نوع من

  المهنة بعد التخرج

• مرتب

  3667-5623 يورو شهريًا

يدرس علماء الأحياء الجزيئية العمليات الجزيئية كأساس لجميع عمليات الحياة. بناءً على النتائج التي تم الحصول عليها ، يطورون مفاهيم لاستخدام العمليات الكيميائية الحيوية ، على سبيل المثال في البحث الطبي والتشخيص أو في التكنولوجيا الحيوية. بالإضافة إلى ذلك ، قد يشاركون في تصنيع المنتجات الصيدلانية أو تطوير المنتجات أو ضمان الجودة أو الاستشارات الصيدلانية.

مسؤوليات عالم الأحياء الجزيئية

يمكن لعلماء الأحياء الجزيئية العمل في مجالات مختلفة. على سبيل المثال ، تتعلق باستخدام نتائج البحث للإنتاج في مجالات مثل الهندسة الوراثية أو كيمياء البروتين أو علم العقاقير (اكتشاف الأدوية). في الصناعات الكيميائية والصيدلانية ، تسهل نقل المنتجات المطورة حديثًا من البحث إلى الإنتاج وتسويق المنتجات وإرشادات المستخدم.

في البحث العلمي ، يدرس علماء الأحياء الجزيئية الخصائص الكيميائية الفيزيائية للمركبات العضوية ، وكذلك العمليات الكيميائية (في مجال التمثيل الغذائي الخلوي) في الكائنات الحية وينشرون نتائج البحث. في مؤسسات التعليم العالي ، يقومون بتدريس الطلاب ، والاستعداد للمحاضرات والندوات ، والتحقق من الأعمال الكتابية ، وإدارة الامتحانات. لا يمكن ممارسة النشاط العلمي المستقل إلا بعد الحصول على درجتي الماجستير والدكتوراه.

أين يعمل علماء الأحياء الجزيئية؟

يجد علماء الأحياء الجزيئية عملاً ، مثل

• في معاهد البحث ، على سبيل المثال في مجالات العلوم والطب
• في مؤسسات التعليم العالي
• في الصناعة الكيميائية الصيدلانية
• في أقسام حماية البيئة

راتب عالم الأحياء الجزيئية

مستوى الراتب الذي يتقاضاه علماء الأحياء الجزيئية في ألمانيا هو

• من 3667 يورو إلى 5623 يورو شهريًا

(حسب مختلف المكاتب الإحصائية وخدمات التوظيف في ألمانيا)

مهام ومسؤوليات عالم الأحياء الجزيئية بالتفصيل

ما هو جوهر مهنة عالم الأحياء الجزيئي

يدرس علماء الأحياء الجزيئية العمليات الجزيئية كأساس لجميع عمليات الحياة. بناءً على النتائج التي تم الحصول عليها ، يطورون مفاهيم لاستخدام العمليات الكيميائية الحيوية ، على سبيل المثال في البحث الطبي والتشخيص أو في التكنولوجيا الحيوية. بالإضافة إلى ذلك ، قد يشاركون في تصنيع المنتجات الصيدلانية أو تطوير المنتجات أو ضمان الجودة أو الاستشارات الصيدلانية.

علم الأحياء الجزيئي المهنة

يتعامل علم الأحياء الجزيئي أو علم الوراثة الجزيئي مع دراسة التركيب والتركيب الحيوي للأحماض النووية والعمليات التي ينطوي عليها نقل هذه المعلومات وتحقيقها في شكل بروتينات. هذا يجعل من الممكن فهم الاضطرابات المؤلمة لهذه الوظائف ، وربما علاجها بمساعدة العلاج الجيني. هناك واجهات للتكنولوجيا الحيوية والهندسة الوراثية يتم فيها إنشاء كائنات بسيطة مثل البكتيريا والخميرة لجعل المواد ذات الأهمية الدوائية أو التجارية متاحة على نطاق صناعي من خلال الطفرات المستهدفة.

نظرية وممارسة البيولوجيا الجزيئية

تقدم الصناعة الكيميائية الصيدلانية العديد من مجالات العمل لعلماء الأحياء الجزيئية. في البيئات الصناعية ، يقومون بتحليل عمليات التحول البيولوجي أو تطوير وتحسين عمليات الإنتاج الميكروبيولوجي للمكونات النشطة والوسائط الصيدلانية. بالإضافة إلى ذلك ، يشاركون في انتقال المنتجات المطورة حديثًا من البحث إلى الإنتاج. من خلال أداء مهام الفحص ، فإنهم يضمنون أن مرافق الإنتاج والمعدات والأساليب التحليلية وجميع خطوات إنتاج المنتجات الحساسة مثل الأدوية تفي دائمًا بمعايير الجودة المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك ، ينصح علماء الأحياء الجزيئية المستخدمين باستخدام المنتجات الجديدة.

غالبًا ما تتطلب المناصب الإدارية برنامج الماجستير.

علماء الأحياء الجزيئية في البحث والتعليم

في مجال العلم والبحث ، يتعامل علماء الأحياء الجزيئية مع موضوعات مثل التعرف على البروتينات في الخلية ونقلها وطيها وتدوينها. يتم نشر نتائج البحث ، التي هي أساس التطبيقات العملية في مختلف المجالات ، وبالتالي إتاحتها للعلماء والطلاب الآخرين. في المؤتمرات والمؤتمرات ، يناقشون ويقدمون نتائج الأنشطة العلمية. يلقي علماء الأحياء الجزيئية محاضرات وندوات ، ويشرفون على العمل العلمي ، ويديرون الامتحانات.

يتطلب النشاط العلمي المستقل درجة الماجستير والدكتوراه.

البيولوجيا الجزيئية،علم يحدد مهمة معرفة طبيعة ظواهر الحياة من خلال دراسة الكائنات والأنظمة البيولوجية على مستوى يقترب من المستوى الجزيئي ، وفي بعض الحالات الوصول إلى هذا الحد. الهدف النهائي في هذه الحالة هو توضيح كيف وإلى أي مدى المظاهر المميزة للحياة ، مثل الوراثة ، والتكاثر من نوعه ، والتخليق الحيوي للبروتين ، والاستثارة ، والنمو والتنمية ، وتخزين ونقل المعلومات ، وتحولات الطاقة ، والتنقل ، إلخ ، بسبب بنية وخصائص وتفاعل جزيئات المواد المهمة بيولوجيًا ، في المقام الأول الفئتان الرئيسيتان من البوليمرات الحيوية عالية الجزيئية - البروتينات والأحماض النووية. سمة مميزة لـ M. b. - دراسة ظواهر الحياة على الجماد أو تلك التي تتميز بأكثر مظاهر الحياة بدائية. هذه تكوينات بيولوجية من المستوى الخلوي وأدناه: عضيات تحت خلوية ، مثل نواة الخلية المعزولة ، الميتوكوندريا ، الريبوسومات ، الكروموسومات ، أغشية الخلايا ؛ علاوة على ذلك - الأنظمة التي تقف على حدود الطبيعة الحية وغير الحية - الفيروسات ، بما في ذلك العاثيات ، وتنتهي بجزيئات أهم مكونات المادة الحية - الأحماض النووية والبروتينات.

تم وضع الأساس الذي تطور عليه M. بواسطة علوم مثل علم الوراثة ، والكيمياء الحيوية ، وعلم وظائف الأعضاء للعمليات الأولية ، وما إلى ذلك وفقًا لأصول تطورها ، M. ب. يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم الوراثة الجزيئي ، والذي لا يزال جزءًا مهمًا من

سمة مميزة لـ M. b. هي أبعادها الثلاثية. جوهر M. ب. يرى M. Perutz ذلك في تفسير الوظائف البيولوجية من حيث التركيب الجزيئي. م. ب. يهدف إلى الحصول على إجابات لسؤال "كيف" ، ومعرفة جوهر دور ومشاركة الهيكل الكامل للجزيء ، والأسئلة "لماذا" و "لماذا" ، بعد اكتشاف العلاقة من ناحية بين خصائص الجزيء (مرة أخرى ، البروتينات والأحماض النووية بشكل أساسي) والوظائف التي يؤديها ، ومن ناحية أخرى ، دور هذه الوظائف الفردية في التعقيد الكلي لمظاهر النشاط الحيوي.

أهم إنجازات البيولوجيا الجزيئية.فيما يلي قائمة غير كاملة بهذه الإنجازات: الكشف عن بنية وآلية الوظيفة البيولوجية للحمض النووي ، وجميع أنواع الحمض النووي الريبي والريبوزومات ، والكشف عن الشفرة الجينية ؛ اكتشاف النسخ العكسي ، أي تخليق الحمض النووي على قالب RNA ؛ دراسة آليات عمل أصباغ الجهاز التنفسي. اكتشاف البنية ثلاثية الأبعاد ودورها الوظيفي في عمل الإنزيمات ، ومبدأ تخليق المصفوفة وآليات التخليق الحيوي للبروتين ؛ الكشف عن بنية الفيروسات وآليات تكرارها ، والبنية الأولية ، والجزئية ، المكانية للأجسام المضادة ؛ عزل الجينات الفردية ، والتوليف الكيميائي ثم البيولوجي (الأنزيمي) الجيني ، بما في ذلك الإنسان ، خارج الخلية (في المختبر) ؛ نقل الجينات من كائن حي إلى آخر ، بما في ذلك الخلايا البشرية ؛ التقدم السريع في فك تشفير التركيب الكيميائي لعدد متزايد من البروتينات الفردية ، وخاصة الإنزيمات ، وكذلك الأحماض النووية ؛ اكتشاف ظاهرة "التجميع الذاتي" لبعض الكائنات البيولوجية ذات التعقيد المتزايد باستمرار ، بدءًا من جزيئات الحمض النووي والانتقال إلى الإنزيمات متعددة المكونات والفيروسات والريبوزومات ، وما إلى ذلك ؛ توضيح المبادئ الخيفية وغيرها من المبادئ الأساسية لتنظيم الوظائف والعمليات البيولوجية.

مشاكل البيولوجيا الجزيئية.جنبا إلى جنب مع المهام الهامة المحددة م. (معرفة قوانين "التعرف" والتجميع الذاتي والتكامل) الاتجاه الفعلي للبحث العلمي للمستقبل القريب هو تطوير طرق تسمح بفك تشفير الهيكل ، ثم التنظيم المكاني ثلاثي الأبعاد للجزيئات العالية احماض نووية. تم اقتراح وتطوير جميع الطرق الأكثر أهمية ، والتي أدى استخدامها إلى ظهور ونجاح M. b. ، من قبل علماء الفيزياء (التنبيذ الفائق ، تحليل حيود الأشعة السينية ، المجهر الإلكتروني ، الرنين المغناطيسي النووي ، إلخ). تفتح جميع الأساليب التجريبية الفيزيائية الجديدة تقريبًا (على سبيل المثال ، استخدام أجهزة الكمبيوتر ، السنكروترون ، أو أشعة الشمس ، والإشعاع ، وتكنولوجيا الليزر ، وغيرها) إمكانيات جديدة لإجراء دراسة متعمقة لمشاكل M. ب. من بين أهم المهام ذات الطبيعة العملية ، التي يتوقع الإجابة عليها من M. b. ، في المقام الأول مشكلة الأساس الجزيئي للنمو الخبيث ، إذن - طرق الوقاية ، وربما التغلب على الأمراض الوراثية - " الأمراض الجزيئية ". سيكون توضيح الأساس الجزيئي للحفز البيولوجي ، أي عمل الإنزيمات ، ذا أهمية كبيرة. من بين أهم الاتجاهات الحديثة لم. يجب أن تتضمن الرغبة في فك شفرة الآليات الجزيئية لعمل الهرمونات والمواد السامة والطبية ، وكذلك لمعرفة تفاصيل التركيب الجزيئي وعمل مثل هذه الهياكل الخلوية مثل الأغشية البيولوجية المشاركة في تنظيم عمليات الاختراق و نقل المواد. الأهداف البعيدة M. ب. - معرفة طبيعة العمليات العصبية ، وآليات الذاكرة ، وما إلى ذلك. ومن الأقسام الناشئة الهامة م. ب. - ما يسمى. الهندسة الوراثية ، التي تحدد مهمتها العملية الهادفة للجهاز الوراثي (الجينوم) للكائنات الحية ، بدءًا من الميكروبات وأقل (أحادية الخلية) وانتهاءً بالبشر (في الحالة الأخيرة ، في المقام الأول لغرض المعالجة الجذرية لـ الأمراض الوراثية وتصحيح العيوب الوراثية).

أهم اتجاهات MB:

- علم الوراثة الجزيئية - دراسة التنظيم البنيوي والوظيفي للجهاز الوراثي للخلية وآلية تنفيذ المعلومات الوراثية

- علم الفيروسات الجزيئي - دراسة الآليات الجزيئية لتفاعل الفيروسات مع الخلايا

- المناعة الجزيئية - دراسة أنماط التفاعلات المناعية للجسم

- علم الأحياء الجزيئي للتطور - دراسة ظهور تنوع الخلايا في سياق التطور الفردي للكائنات الحية وتخصص الخلايا

الأهداف الرئيسية للبحث: الفيروسات (بما في ذلك العاثيات) ، الخلايا والهياكل تحت الخلوية ، الجزيئات الكبيرة ، الكائنات متعددة الخلايا.