Molekulární biolog. Molekulární biologie Co studuje molekulární biologie

Rozvoj biochemie, biofyziky, genetiky, cytochemie, mnoha úseků mikrobiologie a virologie kolem počátku 40. let XX. úzce vedl ke studiu životních jevů na molekulární úrovni. Úspěchy dosažené těmito vědami současně a z různých stran vedly k poznání skutečnosti, že právě na molekulární úrovni fungují hlavní řídicí systémy těla a že další pokrok těchto věd bude záviset na odhalení biologické funkce molekul, které tvoří těla organismů, jejich účast na syntéze a dezintegraci, vzájemných přeměnách a reprodukci sloučenin v buňce, jakož i výměně energie a informací, ke které v tomto případě dochází. Na spojnici těchto biologických oborů s chemií a fyzikou tak vznikl zcela nový obor – molekulární biologie.

Na rozdíl od biochemie pozornost moderní molekulární biologie je zaměřena především na studium struktury a funkce nejdůležitějších tříd biopolymerů - proteinů a nukleových kyselin, z nichž první určují samotnou možnost metabolických reakcí a druhá - biosyntéza specifických proteinů. Je tedy zřejmé, že nelze jasně rozlišovat mezi molekulární biologií a biochemií, odpovídajícími obory genetiky, mikrobiologie a virologie.

Vznik molekulární biologie úzce souvisel s rozvojem nových výzkumných metod, o kterých již byla řeč v příslušných kapitolách. Spolu s rozvojem elektronové mikroskopie a dalších metod mikroskopické techniky sehrály důležitou roli metody frakcionace buněčných elementů vyvinuté v 50. letech 20. století. Byly založeny na zdokonalených metodách diferenciální centrifugace (A. Claude, 1954). V této době již existovaly poměrně spolehlivé metody pro izolaci a frakcionaci biopolymerů. Patří sem zejména způsob frakcionace proteinů elektroforézou navržený A. Tiseliusem (1937; Nobelova cena, 1948), způsoby izolace a purifikace nukleových kyselin (E. Kay, A. Downs, M. Sevag, A. Mirsky , a další.). Současně byly v mnoha laboratořích světa vyvinuty různé metody chromatografické analýzy (A. Martin a R. Sing, 1941; Nobelova cena, 1952), následně výrazně zdokonaleny.

Rentgenová difrakční analýza sehrála neocenitelnou službu při dešifrování struktury biopolymerů. Základní principy rentgenové difrakční analýzy byly vyvinuty na King's College London University pod vedením W. Bragga skupinou výzkumníků, mezi něž patřili J. Bernal, A. Londsdale, W. Astbury, J. Robertson a další.

Zvláště je třeba zmínit studie biochemie protoplazmy (1925 - 1929), profesora Moskevské státní univerzity A. R. Kizela, které měly velký význam pro další rozvoj molekulární biologie. Kizel zasadil ránu pevně zakořeněné představě, že každá protoplazma je založena na speciálním proteinovém těle – destičkách, které údajně určují všechny její nejdůležitější strukturální a funkční znaky. Ukázal, že destičky jsou proteinem, který se nachází pouze v myxomycetách a poté v určité fázi vývoje, a že v protoplazmě neexistuje žádná trvalá složka – jediný kosterní protein. Studium problému struktury protoplazmy a funkční role proteinů tak nabralo správnou cestu a dostalo prostor pro svůj rozvoj. Kiselův výzkum získal celosvětové uznání a stimuloval studium chemie základních částí buňky.

Pojem „molekulární biologie“, který poprvé použil anglický krystalograf profesor University of Leeds W. Astbury, se pravděpodobně objevil na počátku 40. let (před rokem 1945). Základní rentgenové difrakční studie proteinů a DNA, které provedl Astbury ve 30. letech 20. století, posloužily jako základ pro následné úspěšné dešifrování sekundární struktury těchto biopolymerů. V roce 1963 napsal J. Bernal: „Pomník mu postaví celá molekulární biologie – věda, kterou pojmenoval a skutečně založil“ * , V literatuře se tento termín objevil poprvé snad v roce 1946 v článku W. Astburyho „Progress in X-ray difraction analysis of organic and fibrillar materials“, publikovaném v anglickém časopise „Nature“**. Astbury (1950) ve své Harvey Lecture (1950) poznamenal: "Jsem rád, že termín molekulární biologie je nyní poměrně široce používán, i když je nepravděpodobné, že bych byl první, kdo jej navrhl. Líbilo se mi a dlouho jsem se ho snažil šířit." “***. Již v roce 1950 bylo Astbury jasné, že molekulární biologie se zabývá především strukturou a konformací makromolekul, jejichž studium má rozhodující význam pro pochopení fungování živých organismů.

* (biogr. Mem. Kolegové Royi. Soc, 1963, v. 9, 29.)

** (W. T. Astbury. Průběh rentgenové analýzy organických a vláknitých struktur.- Příroda,. 1946, v. 157, 121.)

*** (W. T. Astbury. Dobrodružství v molekulární biologii. Thomas Springfield, 1952, str. 3.)

Molekulární biologie čelila a čelí vlastně stejným úkolům jako biologie jako celek – poznání podstaty života a jeho hlavních fenoménů, zejména dědičnosti a proměnlivosti. Moderní molekulární biologie má především dešifrovat strukturu a funkci genů, způsoby a mechanismy realizace genetické informace organismů v různých fázích ontogeneze a v různých fázích jejího čtení. Je navržen tak, aby odhalil jemné mechanismy regulace genové aktivity a diferenciace buněk, objasnil podstatu mutageneze a molekulární základ evolučního procesu.

Stanovení genetické role nukleových kyselin

Pro rozvoj molekulární biologie měly největší význam následující objevy. V roce 1944 američtí výzkumníci O. Avery, K. McLeod (Nobelova cena, 1923) a M. McCarthy ukázali, že molekuly DNA izolované z pneumokoků mají transformační aktivitu. Po hydrolýze těchto DNA deoxyribonukleázou jejich transformační aktivita zcela vymizela. Tak bylo poprvé přesvědčivě prokázáno, že genetické funkce v buňce má DNA, a nikoli protein.

Pro spravedlnost je třeba poznamenat, že fenomén bakteriální transformace byl objeven mnohem dříve než objev Averyho, McLeoda a McCarthyho. V roce 1928 F. Griffith publikoval článek, ve kterém uvedl, že po přidání usmrcených buněk enkapsulovaného virulentního kmene k nevirulentním (nezapouzdřeným) pneumokokům se výsledná směs buněk stává pro myši osudnou. Navíc živé pneumokokové buňky izolované ze zvířat infikovaných touto směsí byly již virulentní a měly polysacharidové pouzdro. V tomto experimentu se tedy ukázalo, že vlivem některých složek usmrcených pneumokokových buněk se neopouzdřená forma bakterií mění na kapslově tvořící virulentní formu. O šestnáct let později Avery, McLeod a McCarthy v tomto experimentu nahradili zabité celé pneumokokové buňky svou deoxyribonukleovou kyselinou a ukázali, že to byla DNA, která měla transformační aktivitu (viz také kapitoly 7 a 25). Význam tohoto objevu je těžké přeceňovat. Podnítilo to studium nukleových kyselin v mnoha laboratořích po celém světě a donutilo vědce zaměřit se na DNA.

Spolu s objevem Averyho, McLeoda a McCarthyho se začátkem 50. let nashromáždilo poměrně velké množství přímých i nepřímých důkazů o tom, že nukleové kyseliny hrají v životě výjimečnou roli a nesou genetickou funkci. Nasvědčuje tomu zejména povaha lokalizace DNA v buňce a údaje R. Vendrelliho (1948), že obsah DNA na buňku je přísně konstantní a koreluje se stupněm ploidie: v haploidních zárodečných buňkách je DNA poloviční než v diploidních somatických buňkách. Výrazná metabolická stabilita DNA také svědčila ve prospěch genetické role DNA. Na začátku 50. let se nashromáždilo mnoho různých faktů, které naznačují, že většina známých mutagenních faktorů působí hlavně na nukleové kyseliny a zejména na DNA (R. Hotchkiss, 1949; G. Ephrussi-Taylor, 1951; E. Freese, 1957 a další).

Zvláštní význam při stanovení genetické role nukleových kyselin mělo studium různých fágů a virů. V roce 1933 našel D. Schlesinger DNA v bakteriofágu Escherichia coli. Od izolace viru tabákové mozaiky (TMV) v krystalickém stavu W. Stanleym (1935, Nobelova cena, 1946) začala nová etapa ve studiu rostlinných virů. V letech 1937-1938. pracovníci zemědělské stanice Rothamsted (Anglie) F. Bowden a N. Pirie ukázali, že mnohé jimi izolované rostlinné viry nejsou globuliny, ale jsou to ribonukleoproteiny a obsahují jako povinnou složku nukleovou kyselinu. Na samém počátku 40. let byly publikovány práce G. Schramma (1940), P. A. Agatova (1941), G. Millera a W. Stanleyho (1941), které naznačují, že výrazná chemická modifikace proteinové složky nevede ke ztrátě infekčnosti TMV. To naznačovalo, že proteinová složka nemůže být nositelem dědičných vlastností viru, jak se mnoho mikrobiologů nadále domnívalo. Přesvědčivé důkazy ve prospěch genetické role nukleové kyseliny (RNA) v rostlinných virech získali v roce 1956 G. Schramm v Tübingenu (SRN) a H. Frenkel-Konrath v Kalifornii (USA). Tito výzkumníci téměř současně a nezávisle na sobě izolovali RNA z TMV a prokázali, že ona, a nikoli protein, má infekčnost: v důsledku infekce rostlin tabáku touto RNA se v nich vytvořily a pomnožily normální virové částice. To znamenalo, že RNA obsahovala informace pro syntézu a sestavení všech virových složek, včetně virového proteinu. V roce 1968 I. G. Atabekov zjistil, že protein hraje významnou roli v samotné infekci rostlin – povaha proteinu určuje spektrum hostitelských rostlin.

V roce 1957 Frenkel-Konrat poprvé provedl rekonstrukci TMV z jejích základních složek - RNA a proteinu. Spolu s normálními částicemi dostal smíšené „hybridy“, ve kterých byla RNA z jednoho kmene a protein z jiného. Dědičnost takových hybridů byla zcela určena RNA a potomstvo virů patřilo ke kmeni, jehož RNA byla použita k získání počátečních smíšených částic. Později experimenty A. Gierera, G. Schustera a G. Schramma (1958) a G. Witmana (1960 - 1966) ukázaly, že chemická modifikace nukleové složky TMV vede ke vzniku různých mutantů tohoto viru.

V roce 1970 D. Baltimore a G. Temin zjistili, že k přenosu genetické informace může dojít nejen z DNA do RNA, ale i naopak. Našli v některých onkogenních virech obsahujících RNA (onkornaviry) speciální enzym, tzv. reverzní transkriptázu, která je schopna syntetizovat komplementární DNA na řetězcích RNA. Tento významný objev umožnil pochopit mechanismus vkládání genetické informace virů obsahujících RNA do hostitelského genomu a nově se podívat na povahu jejich onkogenního působení.

Objev nukleových kyselin a studium jejich vlastností

Termín nukleové kyseliny zavedl německý biochemik R. Altman v roce 1889 poté, co tyto sloučeniny v roce 1869 objevil švýcarský lékař F. Miescher. Misher extrahoval buňky hnisu zředěnou kyselinou chlorovodíkovou několik týdnů a ve zbytku získal téměř čistý jaderný materiál. Tento materiál považoval za charakteristickou "látku buněčných jader a nazval jej nuklein. Nuklein se svými vlastnostmi výrazně lišil od bílkovin: byl kyselejší, neobsahoval síru, ale obsahoval hodně fosforu, byl snadno rozpustný v alkáliích, ale nerozpouští se ve zředěných kyselinách.

Misher poslal výsledky svých pozorování nukleinu F. Goppe-Seylerovi k publikaci v časopise. Látka, kterou popsal, byla tak neobvyklá (v té době byl ze všech biologických sloučenin obsahujících fosfor znám pouze lecitin), že Goppe-Seyler Misherovým experimentům nevěřil, rukopis mu vrátil a nařídil svým zaměstnancům N. Ploshovi a N. Lyubavinovi, aby zkontrolujte jeho závěry na jiném materiálu. Miescherova práce „O chemickém složení hnisových buněk“ vyšla o dva roky později (1871). Současně byly publikovány práce Goppe-Seylera a jeho spolupracovníků o složení buněk hnisu, erytrocytů ptáků, hadů a dalších buněk. Během následujících tří let byl nuklein izolován ze zvířecích buněk a kvasinek.

Ve své práci Misher poznamenal, že podrobná studie různých nukleinů může vést ke stanovení rozdílů mezi nimi, a tím předvídat myšlenku specifičnosti nukleových kyselin. Při studiu lososového mléka Misher zjistil, že nuklein v nich je ve formě soli a je spojen s hlavním proteinem, který nazval protamin.

V roce 1879 začal A. Kossel studovat nukleiny v laboratoři Goppe-Seyler. V roce 1881 izoloval hypoxanthin z nukleinu, ale tehdy ještě pochyboval o původu této báze a domníval se, že hypoxantin může být degradačním produktem bílkovin. V roce 1891 objevil Kossel mezi produkty hydrolýzy nukleinu adenin, guanin, kyselinu fosforečnou a další látku s vlastnostmi cukru. Za výzkum chemie nukleových kyselin získal Kossel v roce 1910 Nobelovu cenu.

Další pokrok v dešifrování struktury nukleových kyselin je spojen s výzkumem P. Levina a kolektivu (1911 - 1934). V roce 1911 P. Levin a V. Jacobs identifikovali sacharidovou složku adenosinu a guanosinu; zjistili, že tyto nukleosidy obsahují D-ribózu. V roce 1930 Lewin ukázal, že sacharidovou složkou deoxyribonukleosidů je 2-deoxy-D-ribóza. Z jeho práce vešlo ve známost, že nukleové kyseliny jsou sestaveny z nukleotidů, tj. fosforylovaných nukleosidů. Levin věřil, že hlavním typem vazby v nukleových kyselinách (RNA) je 2", 5" fosfodiesterová vazba. Tato představa se ukázala jako mylná. Díky práci anglického chemika A. Todda (Nobelova cena, 1957) a jeho spolupracovníků, stejně jako anglických biochemiků R. Markhama a J. Smithe, se na počátku 50. let vešlo ve známost, že hlavním typem vazby v RNA je 3", 5" - fosfodiesterová vazba.

Lewin ukázal, že různé nukleové kyseliny se mohou lišit povahou sacharidové složky: některé z nich obsahují cukr deoxyribózu, zatímco jiné obsahují ribózu. Tyto dva typy nukleových kyselin se navíc lišily povahou jedné z bází: nukleové kyseliny pentózového typu obsahovaly uracil a nukleové kyseliny deoxypentózového typu obsahovaly thymin. Nukleová kyselina deoxypentózová (v moderní terminologii deoxyribonukleová kyselina - DNA) byla obvykle snadno izolována ve velkém množství z brzlíku (sladké žlázy) telat. Proto se jí říkalo kyselina thymonukleová. Zdrojem nukleové kyseliny pentózového typu (RNA) byly především kvasinky a pšeničné klíčky. Tento typ byl často označován jako kvasinková nukleová kyselina.

Na počátku 30. let 20. století byla představa, že rostlinné buňky jsou charakterizovány nukleovou kyselinou kvasinkového typu, spíše pevně zakořeněna, zatímco kyselina thymonukleová byla charakteristická pouze pro jádra živočišných buněk. Dva typy nukleových kyselin, RNA a DNA, se pak nazývaly rostlinné a živočišné nukleové kyseliny. Jak však ukázaly rané studie A. N. Belozerského, takové dělení nukleových kyselin je neopodstatněné. V roce 1934 Belozersky poprvé objevil kyselinu thymonukleovou v rostlinných buňkách: ze sazenic hrachu izoloval a identifikoval thymin-pyrimidinovou bázi, která je charakteristická pro DNA. Pak objevil thymin v dalších rostlinách (sója semena, fazole). V roce 1936 A. N. Belozersky a I. I. Dubrovskaya izolovali DNA preparativně ze sazenic jírovce. Řada studií provedených v Anglii ve 40. letech 20. století D. Davidsonem a spolupracovníky navíc přesvědčivě prokázala, že rostlinná nukleová kyselina (RNA) je obsažena v mnoha živočišných buňkách.

Široké využití cytochemické reakce pro DNA vyvinuté R. Felgenem a G. Rosenbeckem (1924) a reakce J. Bracheta (1944) pro RNA umožnily rychle a jednoznačně vyřešit otázku preferenční lokalizace těchto nukleových kyseliny v buňce. Ukázalo se, že DNA je koncentrována v jádře, zatímco RNA je převážně koncentrována v cytoplazmě. Později se zjistilo, že RNA je obsažena jak v cytoplazmě, tak v jádře a navíc byla identifikována cytoplazmatická DNA.

Pokud jde o otázku primární struktury nukleových kyselin, do poloviny 40. let se ve vědě pevně prosadila myšlenka P. Levina, podle níž jsou všechny nukleové kyseliny sestaveny podle stejného typu a skládají se ze stejného tzv. tetranukleotidu. bloky. Každý z těchto bloků podle Lewina obsahuje čtyři různé nukleotidy. Tetranukleotidová teorie struktury nukleových kyselin do značné míry připravila tyto biopolymery o specifičnost. Proto není divu, že v té době byla všechna specifika živých věcí spojena pouze s bílkovinami, jejichž povaha monomerů je mnohem rozmanitější (20 aminokyselin).

První mezeru v teorii tetranukleotidové struktury nukleových kyselin vytvořila analytická data anglického chemika J. Goulanda (1945 - 1947). Při určování složení nukleových kyselin zásaditým dusíkem nezískal ekvimolární poměr zásad, jak by měl být podle Lewinovy ​​teorie. Nakonec se tetranukleotidová teorie struktury nukleových kyselin zhroutila v důsledku výzkumu E. Chargaffa a jeho spolupracovníků (1949 - 1951). Chargaff použil papírovou chromatografii k oddělení bází uvolněných z DNA v důsledku její kyselé hydrolýzy. Každá z těchto bází byla přesně stanovena spektrofotometricky. Chargaff zaznamenal výrazné odchylky od ekvimolárního poměru bází v DNA různého původu a poprvé definitivně prohlásil, že DNA má výraznou druhovou specifitu. Tím skončila hegemonie konceptu proteinové specifity v živé buňce. Analýzou DNA různého původu Chargaff objevil a vytvořil jedinečné vzorce složení DNA, které vstoupily do vědy pod názvem Chargaffova pravidla. Podle těchto pravidel se ve všech DNA, bez ohledu na původ, množství adeninu rovná množství thyminu (A = T), množství guaninu se rovná množství cytosinu (G = C), množství purinů se rovná množství pyrimidinů (G + A = C + T), množství bází s 6-aminoskupinami se rovná počtu bází s 6-ketoskupinami (A + C = G + T). Navzdory tak přísným kvantitativním shodám však DNA odlišné typy se liší velikostí poměru A + T: G + C. V některých DNA převažuje množství guaninu a cytosinu nad množstvím adeninu a thyminu (Chargaff tyto DNA nazval DNA typu GC); jiné DNA obsahovaly více adeninu a thyminu než guanin a cytosin (tyto DNA se nazývaly DNA typu AT). Údaje získané Chargaffem o složení DNA sehrály v molekulární biologii výjimečnou roli. Právě ony vytvořily základ pro objev struktury DNA, který v roce 1953 provedli J. Watson a F. Crick.

V roce 1938 W. Astbury a F. Bell pomocí rentgenové difrakční analýzy ukázali, že základní roviny v DNA by měly být kolmé k dlouhé ose molekuly a podobat se, jako by tomu bylo, hromadě desek ležících nad nimi. jiný. S vylepšením techniky rentgenové difrakční analýzy v letech 1952 - 1953. nashromážděné informace, které umožnily posoudit délku jednotlivých vazeb a úhly sklonu. To umožnilo s největší pravděpodobností znázornit povahu orientace kruhů pentózových zbytků v cukerně-fosfátové kostře molekuly DNA. V roce 1952 navrhl S. Farberg dva spekulativní modely DNA, které představovaly jednovláknovou molekulu složenou nebo zkroucenou na sebe. Neméně spekulativní model struktury DNA navrhli v roce 1953 L. Pauling (nositel Nobelovy ceny, 1954) a R. Corey. V tomto modelu tři zkroucené řetězce DNA vytvořily dlouhou šroubovici, jejíž jádro představovaly fosfátové skupiny a báze byly umístěny mimo ni. V roce 1953 získali M. Wilkins a R. Franklin jasnější rentgenové difrakční obrazce DNA. Jejich analýza ukázala naprosté selhání modelů Farberga, Paulinga a Coreyho. J. Watson a F. Crick v roce 1953 s použitím Chargaffových dat, porovnáváním různých kombinací molekulárních modelů jednotlivých monomerů a dat rentgenové difrakce, došli k závěru, že molekula DNA musí být dvouvláknová šroubovice. Chargaffova pravidla výrazně omezila počet možných uspořádaných kombinací bází v navrhovaném modelu DNA; navrhli Watsonovi a Crickovi, že v molekule DNA musí existovat specifické párování bází - adenin s thyminem a guanin s cytosinem. Jinými slovy, adenin v jednom řetězci DNA vždy přesně odpovídá thyminu ve druhém řetězci a guanin v jednom řetězci nutně odpovídá cytosinu ve druhém. Watson a Crick tak poprvé formulovali princip komplementární struktury DNA mimořádné důležitosti, podle kterého se jeden řetězec DNA doplňuje s druhým, tj. sekvence bází jednoho řetězce jednoznačně určuje sekvenci bází ve druhém řetězci. (doplňkové) vlákno. Ukázalo se, že již v samotné struktuře DNA se skrývá potenciál pro její přesnou reprodukci. Tento model struktury DNA je v současnosti obecně přijímán. Crick, Watson a Wilkins získali v roce 1962 Nobelovu cenu za rozluštění struktury DNA.

Je třeba poznamenat, že myšlenka mechanismu pro přesnou reprodukci makromolekul a přenos dědičné informace vznikla u nás. V roce 1927 N. K. Koltsov navrhl, že během reprodukce buněk dochází k reprodukci molekul přesnou autokatalytickou reprodukcí existujících rodičovských molekul. Je pravda, že v té době Koltsov obdařil tuto vlastnost nikoli molekulami DNA, ale molekulami proteinové povahy, jejichž funkční význam byl tehdy neznámý. Samotná myšlenka autokatalytické reprodukce makromolekul a mechanismu přenosu dědičných vlastností se však ukázala jako prorocká: stala se vůdčí myšlenkou moderní molekulární biologie.

Různé organismy, které v laboratoři A. N. Belozerského provedli A. S. Spirin, G. N. Zaitseva, B. F. Vanyushin, S. O. Uryson, A. S. Antonov a další, plně potvrdily vzory objevené Chargaffem a plnou shodu s molekulárním modelem struktury DNA navrženým Watsona a Cricka. Tyto studie ukázaly, že DNA různých bakterií, hub, řas, aktinomycet, vyšších rostlin, bezobratlých a obratlovců má specifické složení. Rozdíly ve složení (obsah párů AT-bází) jsou zvláště výrazné u mikroorganismů, což se ukazuje jako důležitý taxonomický znak. U vyšších rostlin a živočichů jsou druhové variace ve složení DNA mnohem méně výrazné. To ale neznamená, že jejich DNA je méně specifická. Kromě složení bází je specificita do značné míry určena jejich sekvencí v řetězcích DNA.

Spolu s obvyklými bázemi byly v DNA a RNA nalezeny další dusíkaté báze. G. White (1950) tedy nalezl 5-methylcytosin v DNA rostlin a zvířat a D. Dunn a J. Smith (1958) našli v některých DNA methylovaný adenin. Dlouhou dobu byl methylcytosin považován za charakteristický znak genetického materiálu vyšších organismů. V roce 1968 A. N. Belozersky, B. F. Vanyushin a N. A. Kokurina zjistili, že ji lze nalézt i v DNA bakterií.

V roce 1964 objevili M. Gold a J. Hurwitz novou třídu enzymů, které provádějí přirozenou modifikaci DNA – její methylaci. Po tomto objevu se ukázalo, že minoritní (obsažené v malém množství) báze vznikají již na hotovém polynukleotidovém řetězci DNA jako výsledek specifické methylace cytosinových a adeninových zbytků ve speciálních sekvencích. Konkrétně podle B. F. Vanyushina, Ya. I. Buryanova a A. N. Belozerského (1969) může k methylaci adeninu v DNA E. coli docházet v terminačních kodonech. Podle A. N. Belozerského a kolegů (1968 - 1970), stejně jako M. Meselsona (USA) a V. Arbera (Švýcarsko) (1965 - 1969), dává metylace molekulám DNA jedinečné individuální vlastnosti a v kombinaci s působením specifické nukleázy, je součástí komplexního mechanismu, který řídí syntézu DNA v buňce. Jinými slovy, povaha metylace konkrétní DNA předurčuje otázku, zda se může v dané buňce množit.

Téměř ve stejné době začala izolace a intenzivní studium DNA metyláz a restrikčních endonukleáz; v letech 1969-1975 byly stanoveny nukleotidové sekvence rozpoznávané v DNA některými z těchto enzymů (X. Boyer, X. Smith, S. Lynn, K. Murray). Když jsou různé DNA hydrolyzovány restrikčním enzymem, odštěpí se spíše velké fragmenty s identickými "lepivými" konci. To umožňuje nejen analyzovat strukturu genů, jako je tomu u malých virů (D. Nathans, S. Adler, 1973 - 1975), ale také konstruovat různé genomy. S objevem těchto specifických restrikčních enzymů se genetické inženýrství stalo hmatatelnou realitou. Geny různého původu vložené do malého plazmidu DNA jsou již snadno zavedeny do různých buněk. Byl tak získán nový typ biologicky aktivních plazmidů poskytujících rezistenci vůči některým antibiotikům (S. Cohen, 1973), ribozomální geny žáby a Drosophila byly zavedeny do plazmidů Escherichia coli (J. Morrow, 1974; X. Boyer, D Hogness, R. Davis, 1974-1975). Jsou tedy otevřené skutečné cesty pro získání zásadně nových organismů zavedením a integrací různých genů do jejich genofondu. Tento objev může být nasměrován ku prospěchu celého lidstva.

V roce 1952 G. White a S. Cohen objevili, že DNA fágů T-even obsahuje neobvyklou bázi – 5-hydroxymethylcytosin. Později z prací E. Volkina a R. Sinsheimera (1954) a Cohena (1956) vešlo ve známost, že hydroxymethylcytosinové zbytky mohou být zcela nebo částečně glukosidizovány, v důsledku čehož je molekula fágové DNA chráněna před hydrolytickým působením. nukleáz.

Na počátku 50. let 20. století z prací D. Dunna a J. Smitha (Anglie), S. Zamenhofa (USA) a A. Wackera (Německo) vešlo ve známost, že do DNA může být zahrnuto mnoho umělých analogů bází, které někdy nahrazují až 50 % tyminu. Tyto substituce zpravidla vedou k chybám v replikaci DNA, transkripci a translaci a ke vzniku mutantů. J. Marmur (1962) tedy zjistil, že DNA některých fágů obsahuje místo thyminu oxymethyluracil. V roce 1963 I. Takahashi a J. Marmur zjistili, že DNA jednoho z fágů obsahuje místo thyminu uracil. Zhroutil se tak další princip, podle kterého se dříve oddělovaly nukleové kyseliny. Od dob práce P. Levina se věřilo, že thymin je charakteristickým znakem DNA a uracil je charakteristickým znakem RNA. Ukázalo se, že tento znak není vždy spolehlivý a zásadní rozdíl v chemické povaze dvou typů nukleových kyselin, jak se dnes zdá, je pouze povaha sacharidové složky.

Při studiu fágů bylo odhaleno mnoho neobvyklých rysů organizace nukleových kyselin. Od roku 1953 se věřilo, že veškerá DNA jsou dvouvláknové lineární molekuly, zatímco RNA je pouze jednovláknová. Tato pozice byla výrazně otřesena v roce 1961, kdy R. Sinsheimer zjistil, že DNA fága φ X 174 je reprezentována jednovláknovou kruhovou molekulou. Později se však ukázalo, že v této formě tato DNA existuje pouze ve vegetativní fágové částici a replikativní forma DNA tohoto fága je také dvouvláknová. Navíc se celkem neočekávaně ukázalo, že RNA některých virů může být dvouvláknová. Tento nový typ makromolekulární organizace RNA byl objeven v roce 1962 P. Gomatosem, I. Tammem a dalšími výzkumníky u některých živočišných virů a u viru nádorových onemocnění rostlin. Nedávno V. I. Agol a A. A. Bogdanov (1970) zjistili, že kromě lineárních molekul RNA existují také uzavřené nebo cyklické molekuly. Detekovali cyklickou dvouvláknovou RNA, zejména u viru encefalomyelokarditidy. Díky pracím X. Deveauxe, L. Tinoko, T. I. Tichonenka, E. I. Budovského a dalších (1960 - 1974) vešly ve známost hlavní rysy organizace (ukládání) genetického materiálu do bakteriofágů.

Koncem 50. let americký vědec P. Doty zjistil, že zahřívání způsobuje denaturaci DNA, která je doprovázena štěpením vodíkových vazeb mezi páry bází a separací komplementárních řetězců. Tento proces má charakter fázového přechodu „spiral-coil“ a připomíná tání krystalů. Proto Doty nazval proces tepelné denaturace DNA tavením DNA. Při pomalém ochlazování dochází k renaturaci molekul, tedy ke znovusjednocení komplementárních polovin.

Princip renaturace v roce 1960 využili J. Marmur a K. Schildkraut ke stanovení stupně „hybridizability“ DNA různých mikroorganismů. Následně E. Bolton a B. McCarthy tuto techniku ​​zdokonalili návrhem metody tzv. DNA-agarových kolon. Tato metoda se ukázala být nepostradatelnou při studiu stupně homologie nukleotidové sekvence různých DNA a objasnění genetického vztahu různých organismů. Denaturace DNA objevená Dotym v kombinaci s chromatografií na methylovaném albuminu popsanou J. Mandelem a A. Hersheyem * (1960) a centrifugací v hustotním gradientu (metoda byla vyvinuta v roce 1957 M. Meselsonem, F. Stahlem a D. Winograd) je široce používán pro separaci, izolaci a analýzu jednotlivých komplementárních řetězců DNA. Například W. Shibalsky (USA), pomocí těchto technik k separaci DNA fága lambda, prokázal v letech 1967 - 1969, že oba fágové řetězce jsou geneticky aktivní a ne jeden, jak se to považovalo za (S. Spiegelman, 1961). Je třeba poznamenat, že myšlenku genetického významu obou řetězců DNA fága lambda poprvé vyjádřil v SSSR SE Bresler (1961).

* (Za práci o genetice bakterií a virů byli A. Hershey spolu s M. Delbrückem a S. Luriou oceněni v roce 1969 Nobelovou cenou.)

Pro pochopení organizace a funkční aktivity genomu má určení nukleotidové sekvence DNA prvořadý význam. Hledání metod pro takové stanovení probíhá v mnoha laboratořích po celém světě. Od konce 50. let se M. Beer a jeho spolupracovníci pokoušeli v USA stanovit sekvenci DNA pomocí elektronové mikroskopie, ale zatím neúspěšně. Na počátku 50. let 20. století z prvních prací Sinsheimera, Chargaffa a dalších výzkumníků o enzymatické degradaci DNA vešlo ve známost, že různé nukleotidy v molekule DNA jsou distribuovány, i když ne náhodně, ale nerovnoměrně. Podle anglického chemika C. Bartona (1961) jsou pyrimidiny (více než 70 %) koncentrovány především ve formě odpovídajících bloků. A. L. Mazin a B. F. Vanyushin (1968 - 1969) zjistili, že různé DNA mají různé stupně pyrimidinové koheze a že v DNA živočišných organismů se výrazně zvyšuje, když se pohybuje od nižšího k vyššímu. Evoluce organismů se tedy odráží i ve struktuře jejich genomů. Proto je pro pochopení evolučního procesu jako celku zvláště důležité srovnávací studium struktury nukleových kyselin. Analýza struktury biologicky důležitých polymerů a především DNA je nesmírně důležitá pro řešení mnoha konkrétních problémů fylogenetiky a taxonomie.

Je zajímavé poznamenat, že anglický fyziolog E. Lankester, který studoval hemoglobiny měkkýšů, předjímal myšlenky molekulární biologie přesně před 100 lety, napsal: „Chemické rozdíly mezi různými druhy a rody zvířat a rostlin jsou stejně důležité pro objasnění historii jejich vzniku jako jejich formy. Pokud bychom dokázali jasně stanovit rozdíly v molekulární organizaci a fungování organismů, byli bychom schopni porozumět původu a vývoji různých organismů mnohem lépe než na základě morfologických pozorování " * . Význam biochemických studií pro taxonomii zdůraznil i V. L. Komarov, který napsal, že „základem všech i čistě morfologických znaků, na jejichž základě třídíme a zakládáme druhy, jsou právě biochemické rozdíly“ **.

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

** (V. L. Komárov. Vybrané práce, svazek 1. M.-L., Nakladatelství Akademie věd SSSR, 1945, s. 331.)

A. V. Blagoveščenskij a S. L. Ivanov již ve 20. letech 20. století u nás podnikli první kroky k objasnění některých otázek evoluce a systematiky organismů na základě srovnávací analýzy jejich biochemického složení (viz kapitola 2). Srovnávací analýza struktury proteinů a nukleových kyselin se nyní stává pro taxonomy stále hmatatelnějším nástrojem (viz kapitola 21). Tato metoda molekulární biologie umožňuje nejen objasnit postavení jednotlivých druhů v systému, ale také vyžaduje nový pohled na samotné principy klasifikace organismů a někdy i revizi celého systému jako celku. , jak se to stalo například u systematiky mikroorganismů. Nepochybně v budoucnu bude analýza struktury genomu zaujímat ústřední místo v chemosystematice organismů.

Velký význam pro rozvoj molekulární biologie mělo rozluštění mechanismů replikace a transkripce DNA (viz kap. 24).

Biosyntéza bílkovin

Důležitý posun v řešení problému biosyntézy proteinů je spojen s pokroky ve studiu nukleových kyselin. V roce 1941 upozornili T. Kasperson (Švédsko) a v roce 1942 J. Brachet (Belgie) na skutečnost, že tkáně s aktivní syntézou bílkovin obsahují zvýšené množství RNA. Došli k závěru, že ribonukleové kyseliny hrají rozhodující roli v syntéze proteinů. Zdá se, že v roce 1953 E. Gale a D. Fox získali přímý důkaz o přímém zapojení RNA do biosyntézy proteinů: podle jejich údajů ribonukleáza významně potlačila inkorporaci aminokyselin do lyzátů bakteriálních buněk. Podobné údaje získali V. Olfri, M. Delhi a A. Mirsky (1953) na jaterních homogenátech. Později E. Gale odmítl svou správnou myšlenku o vedoucí roli RNA v syntéze proteinů a mylně se domníval, že k aktivaci syntézy proteinů v bezbuněčném systému došlo pod vlivem nějaké jiné látky neznámé povahy. V roce 1954 P. Zamechnik, D. Littlefield, R. B. Khesin-Lurie a další zjistili, že k nejaktivnějšímu zabudování aminokyselin dochází ve frakcích subcelulárních částic bohatých na RNA – mikrozomech. P. Zamechnik a E. Keller (1953 - 1954) zjistili, že začlenění aminokyselin se znatelně zvýšilo v přítomnosti supernatantu za podmínek regenerace ATP. P. Sikevitz (1952) a M. Hoagland (1956) izolovali ze supernatantu proteinovou frakci (frakce pH 5), která byla zodpovědná za ostrou stimulaci inkorporace aminokyselin do mikrozomů. Spolu s proteiny byla v supernatantu nalezena speciální třída nízkomolekulárních RNA, nyní nazývaných transferové RNA (tRNA). V roce 1958 Hoagland a Zamechnik, stejně jako P. Berg, R. Sweet a F. Allen a mnoho dalších výzkumníků zjistili, že každá aminokyselina vyžaduje k aktivaci svůj vlastní speciální enzym, ATP a specifickou tRNA. Ukázalo se, že tRNA plní výhradně funkci adaptérů, tedy zařízení, která najdou místo na nukleové matrici (mRNA) pro odpovídající aminokyselinu ve vznikající molekule proteinu. Tyto studie plně potvrdily adaptorovou hypotézu F. Cricka (1957), která předpokládala existenci polynukleotidových adaptérů v buňce, které jsou nezbytné pro správné uspořádání aminokyselinových zbytků syntetizovaného proteinu na matrici nukleové kyseliny. Mnohem později francouzský vědec F. Chapville (1962) v laboratoři F. Lipmana (Nobelova cena, 1953) v USA velmi důmyslně a jednoznačně ukázal, že umístění aminokyseliny v molekule syntetizovaného proteinu je zcela určeno tzv. specifická tRNA, ke které je připojen. Crickovu hypotézu adaptéru vyvinuli Hoagland a Zamechnik.

V roce 1958 byly známy následující hlavní stupně syntézy proteinů: 1) aktivace aminokyseliny specifickým enzymem z "frakce pH 5" v přítomnosti ATP za vzniku aminoacyladenylátu; 2) připojení aktivované aminokyseliny ke specifické tRNA s uvolněním adenosinmonofosfátu (AMP); 3) vazba aminoacyl-tRNA (tRNA nabitá aminokyselinou) na mikrozomy a začlenění aminokyselin do proteinu s uvolněním tRNA. Hoagland (1958) poznamenal, že guanosintrifosfát (GTP) je vyžadován v poslední fázi syntézy proteinů.

Transfer RNA a genová syntéza

Po objevení tRNA začalo aktivní hledání jejich frakcionace a stanovení nukleotidové sekvence. Největšího úspěchu dosáhl americký biochemik R. Holly. V roce 1965 stanovil strukturu alaninové tRNA z kvasinek. Holly pomocí ribonukleáz (guanyl RNázy a pankreatické RNázy) rozdělila molekulu nukleové kyseliny na několik fragmentů, v každém z nich samostatně určila nukleotidovou sekvenci a poté zrekonstruovala sekvenci celé molekuly alaninové tRNA. Tento způsob analýzy nukleotidové sekvence se nazývá bloková metoda. Hollého zásluha spočívala především v tom, že se naučil dělit molekulu RNA nejen na malé kousky, jak to dělali mnozí před ním, ale i na velké fragmenty (čtvrtky a poloviny). To mu dalo příležitost správně sestavit jednotlivé malé kousky dohromady a tím znovu vytvořit kompletní nukleotidovou sekvenci celé molekuly tRNA (Nobelova cena, 1968).

Tato technika byla okamžitě přijata mnoha laboratořemi po celém světě. Během následujících dvou let byla v SSSR i v zahraničí dešifrována primární struktura několika tRNA. A. A. Baev (1967) a spolupracovníci poprvé stanovili nukleotidovou sekvenci v kvasinkové valinové tRNA. K dnešnímu dni bylo studováno více než tucet různých jednotlivých tRNA. Zvláštní rekord v určování nukleotidové sekvence zaznamenali v Cambridge F. Senger a G. Brownlee. Tito výzkumníci vyvinuli překvapivě elegantní metodu separace oligonukleotidů a sekvenování takzvané 5S (ribozomální) RNA z buněk E. coli (1968). Tato RNA se skládá ze 120 nukleotidových zbytků a na rozdíl od tRNA neobsahuje další minoritní báze, což značně usnadňuje analýzu nukleotidové sekvence a slouží jako jedinečné orientační body pro jednotlivé fragmenty molekuly. V současné době díky použití metody Sangera a Brownleeho úspěšně postupují v laboratoři J. Ebela (Francie) a dalších výzkumníků práce na studiu sekvence dlouhých ribozomálních RNA a některých virových RNA.

A. A. Baev a kolegové (1967) zjistili, že valinová tRNA rozpůlená v roztoku obnovuje svou makromolekulární strukturu a i přes defekt v primární struktuře má funkční aktivitu původní (nativní) molekuly. Tento přístup – rekonstrukce řezané makromolekuly po odstranění určitých fragmentů – se ukázal jako velmi slibný. Nyní je široce používán k objasnění funkční role jednotlivých úseků určitých tRNA.

V minulé roky Velkého úspěchu bylo dosaženo při získávání krystalických preparátů jednotlivých tRNA. Mnoho tRNA již bylo krystalizováno v několika laboratořích v USA a Anglii. To umožnilo studovat strukturu tRNA pomocí rentgenové difrakční analýzy. V roce 1970 představil R. Bock první rentgenové obrazce a trojrozměrné modely několika tRNA, které vytvořil na University of Wisconsin. Tyto modely pomáhají určit lokalizaci jednotlivých funkčně aktivních míst v tRNA a pochopit základní principy fungování těchto molekul.

Rozluštění podstaty genetického kódu (viz kapitola 24), které lze bez nadsázky považovat za vrchol přírodní vědy 20. století, mělo prvořadý význam pro odhalení mechanismu syntézy bílkovin a řešení problému. o specifičnosti tohoto procesu.

Objev primární struktury tRNA R. Hollyho dal podnět k práci G. Korany * (USA) na syntéze oligonukleotidů a nasměroval je k syntéze specifické biologické struktury - molekuly DNA kódující alanin tRNA. První kroky chemické syntézy krátkých oligonukleotidů, které provedl Korán téměř před 15 lety, vyvrcholily v roce 1970 první genovou syntézou. Korán a jeho spolupracovníci nejprve chemicky syntetizovali krátké fragmenty 8-12 nukleotidových zbytků z jednotlivých nukleotidů. Tyto fragmenty s danou nukleotidovou sekvencí spontánně vytvářely dvouvláknové komplementární kusy s přesahem 4–5 nukleotidů. Poté byly tyto hotové kusy spojeny end-to-end ve správném pořadí pomocí enzymu DNA ligázy. Na rozdíl od replikace molekul DNA se tedy podle A. Kornberga ** (viz kapitola 24) Koránu podařilo znovu vytvořit přirozenou dvouvláknovou molekulu DNA podle předem naplánovaného programu v souladu s sekvence tRNA popsaná Holly. Podobně nyní probíhají práce na syntéze dalších genů (M. N. Kolosov, Z. A. Shabarova, D. G. Knorre, 1970 - 1975).

* (Za studium genetického kódu byli G. Koran a M. Nirenberg v roce 1968 oceněni Nobelovou cenou.)

** (Za objev polymerázy a syntézy DNA A. Kornberg a za syntézu RNA získal S. Ochoa v roce 1959 Nobelovu cenu.)

Mikrosomy, ribozomy, translace

V polovině 50. let se věřilo, že mikrosomy jsou centrem syntézy bílkovin v buňce. Termín mikrosomy poprvé zavedl v roce 1949 A. Claude k označení frakce malých granulí. Později se ukázalo, že za syntézu proteinů není odpovědná celá frakce mikrosomů, skládající se z membrán a granulí, ale pouze malé ribonukleoproteinové částice. Tyto částice v roce 1958 nazval R. Roberts ribozomy.

Klasické studie bakteriálních ribozomů provedli A. Tisier a J. Watson v letech 1958-1959. Bakteriální ribozomy se ukázaly být poněkud menší než rostlinné a živočišné. J. Littleton (1960), M. Clark (1964) a E. N. Svetailo (1966) ukázali, že ribozomy chloroplastů vyšších rostlin a mitochondrií patří k bakteriálnímu typu. A. Tisier a další (1958) zjistili, že ribozomy se disociují na dvě nestejné podjednotky, z nichž každá obsahuje jednu molekulu RNA. Na konci 50. let se věřilo, že každá molekula ribozomální RNA se skládá z několika krátkých fragmentů. Nicméně AS Spirin v roce 1960 jako první ukázal, že RNA v subčásticích je reprezentována spojitou molekulou. D. Waller (1960), který separoval ribozomální proteiny pomocí elektroforézy na škrobovém gelu, zjistil, že jsou velmi heterogenní. Zpočátku mnozí pochybovali o Wallerových datech, protože se zdálo, že ribozomový protein by měl být přísně homogenní, jako například protein TMV. V současnosti, jako výsledek výzkumu D. Wallera, R. Trouta, P. Trauba a dalších biochemiků, vešlo ve známost, že složení skutečných ribozomálních částic zahrnuje více než 50 strukturálně zcela odlišných proteinů. AS Spirin v roce 1963 jako první rozvinul ribozomální subčástice a ukázal, že ribozomy jsou kompaktně zkroucené ribonukleoproteinové vlákno, které se může za určitých podmínek rozvinout. V letech 1967-1968 M. Nomura kompletně rekonstruoval biologicky aktivní podjednotku z ribozomální RNA a proteinu a dokonce získal ribozomy, ve kterých protein a RNA patřily různým mikroorganismům.

Role ribozomální RNA je stále nejasná. Předpokládá se, že je to ona jedinečná specifická matrice, na které při tvorbě ribozomální částice najde každý z četných ribozomálních proteinů přesně definované místo (AS Spirin, 1968).

A. Rich (1962) objevil agregáty několika ribozomů propojených vláknem mRNA. Tyto komplexy se nazývaly polysomy. Objev polysomů umožnil Richovi a Watsonovi (1963) navrhnout, že k syntéze polypeptidového řetězce dochází na ribozomu, který se jakoby pohybuje podél řetězce mRNA. Jak se ribozom pohybuje podél řetězce mRNA, informace se načítají v částici a tvoří se proteinový polypeptidový řetězec a na uvolněný čtený konec mRNA se střídavě připojují nové ribozomy. Z dat Riche a Watsona vyplynulo, že význam polysomů v buňce spočívá v masové produkci proteinu postupným čtením matrice několika ribozomy najednou.

Výsledkem výzkumu M. Nirenberga, S. Ochoa, F. Lipmana, G. Korany a dalších v letech 1963 - 1970. vešlo ve známost, že spolu s mRNA, ribozomy, ATP a aminoacyl-tRNA se na procesu translace podílí velké množství různých faktorů a samotný proces translace lze podmíněně rozdělit do tří fází - iniciace, samotná translace a ukončení.

Iniciace translace znamená syntézu první peptidové vazby v komplexním ribozom - templátový polynukleotid - aminoacyl-tRNA. Takovou iniciační aktivitu nemá žádná aminoacyl-tRNA, ale formylmethionyl-tRNA. Tuto látku poprvé izolovali v roce 1964 F. Senger a K. Marker. S. Bretcher a K. Marker (1966) ukázali, že iniciační funkce formylmethionyl-tRNA je způsobena její zvýšenou afinitou k peptidylovému centru ribozomu. Pro zahájení translace jsou mimořádně důležité i některé proteinové iniciační faktory, které byly izolovány v laboratořích S. Ochoa, F. Gro a dalších výzkumných center. Po vytvoření první peptidové vazby v ribozomu začíná samotná translace, tj. sekvenční adice aminoacylového zbytku na C-konec polypeptidu. Mnoho detailů překladatelského procesu studovali K. Monroe a J. Bishop (Anglie), I. Rykhlik a F. Shorm (Československo), F. Lipman, M. Bretcher, W. Gilbert (USA) a další badatelé. V roce 1968 navrhl A. S. Spirin originální hypotézu k vysvětlení mechanismu ribozomu. Hnacím mechanismem, který zajišťuje veškeré prostorové pohyby tRNA a mRNA během translace, je periodické otevírání a zavírání ribozomových subčástic. Terminace translace je zakódována v samotné čitelné matrici, která obsahuje terminační kodony. Jak ukázal S. Brenner (1965 - 1967), triplety UAA, UAG a UGA jsou takové kodony. M. Capecci (1967) také identifikoval speciální proteinové terminační faktory. AS Spirin a LP Gavrilova popsali tzv. „neenzymatickou“ syntézu proteinů v ribozomech (1972 - 1975) bez účasti proteinových faktorů. Tento objev je důležitý pro pochopení původu a vývoje biosyntézy proteinů.

Regulace aktivity genů a proteinů

Po problému specifičnosti syntézy proteinů se v molekulární biologii na prvním místě ukázal problém regulace syntézy proteinů, respektive regulace aktivity genů.

Funkční neekvivalence buněk a s ní spojená represe a aktivace genů přitahovala pozornost genetiků, ale až donedávna zůstával skutečný mechanismus řízení genové aktivity neznámý.

První pokusy vysvětlit regulační aktivitu genů byly spojeny se studiem histonových proteinů. Dokonce i manželé Steadmanovi * na počátku 40. let XX. naznačil, že hlavní roli v tomto jevu mohou hrát histony. Následně získali první jasná data o rozdílech v chemické povaze histonových proteinů. V současnosti se každým rokem zvyšuje počet skutečností svědčících ve prospěch této hypotézy.

* (E. Stedman, E. Stedman. Základní proteiny buněčných jader.- Filosof. Trans. Royi. soc. Londýn, 1951, v. 235, 565 - 595.)

Zároveň se hromadí stále větší množství dat, což naznačuje, že regulace genové aktivity je mnohem složitější proces než prostá interakce genových úseků s molekulami histonových proteinů. V letech 1960-1962 v laboratoři R. B. Khesin-Lurie bylo zjištěno, že fágové geny se začínají odečítat nesoučasně: geny fága T2 lze rozdělit na rané, k jejichž fungování došlo v prvních minutách infekce bakteriálního buňky, a pozdní, které začaly syntetizovat mRNA po dokončení práce raných genů.

V roce 1961 navrhli francouzští biochemici F. Jacob a J. Monod schéma regulace aktivity genů, které sehrálo výjimečnou roli v pochopení regulačních mechanismů buňky obecně. Podle schématu Jacoba a Monoda obsahuje DNA kromě strukturních (informačních) genů také geny-regulátory a geny-operátory. Regulační gen kóduje syntézu specifické látky – represoru, který se může napojit jak na induktor, tak na gen operátora. Operátorový gen je spojen se strukturními geny, zatímco regulační gen je umístěn v určité vzdálenosti od nich. Pokud v prostředí není žádný induktor, například laktóza, pak se represor syntetizovaný regulačním genem naváže na gen operátora a jeho zablokováním vypne práci celého operonu (blok strukturálních genů spolu s operátorem která je ovládá). Za těchto podmínek nedochází k tvorbě enzymu. Pokud se v médiu objeví induktor (laktóza), pak se produkt regulačního genu, represor, naváže na laktózu a odstraní blok z operátorového genu. V tomto případě je možná práce strukturního genu kódujícího syntézu enzymu a enzym (laktóza) se objeví v médiu.

Podle Jacoba a Monoda je toto regulační schéma aplikovatelné na všechny adaptivní enzymy a může probíhat jak během represe, kdy je tvorba enzymu potlačena přebytkem reakčního produktu, tak během indukce, kdy zavedení substrátu způsobí syntéza enzymu. Za studie regulace aktivity genů získali Jacob a Monod v roce 1965 Nobelovu cenu.

Zpočátku se toto schéma zdálo příliš přitažené za vlasy. Později se však ukázalo, že regulace genů podle tohoto principu neprobíhá pouze u bakterií, ale i u jiných organismů.

Od roku 1960 zaujímají přední místo v molekulární biologii studie organizace genomu a struktury chromatinu v eukaryotických organismech (J. Bonner, R. Britten, W. Olfrey, P. Walker, Yu. S. Chentsov , I. B. Zbarsky a další.) a regulace transkripce (A. Mirsky, G. P. Georgiev, M. Bernstiel, D. Goll, R. Tsanev, R. I. Salganik). Povaha represoru zůstávala dlouhou dobu neznámá a kontroverzní. V roce 1968 M. Ptashne (USA) ukázal, že protein je represor. Izoloval jej v laboratoři J. Watsona a zjistil, že represor má skutečně afinitu k induktoru (laktóze) a zároveň „rozpoznává“ operátorový gen lac operonu a specificky se na něj váže.

V posledních 5 - 7 letech byly získány údaje o přítomnosti další kontrolní buňky genové aktivity - promotoru. Ukázalo se, že v sousedství místa operátora, na které je navázán produkt syntetizovaný na genovém regulátoru - proteinová látka represoru, se nachází další místo, které by mělo být rovněž připsáno členům regulačního systému. genové aktivity. Na toto místo je připojena proteinová molekula enzymu RNA polymerázy. V promotorové oblasti musí dojít k vzájemnému rozpoznání jedinečné nukleotidové sekvence v DNA a specifické konfigurace proteinu RNA polymerázy. Realizace procesu čtení genetické informace s danou sekvencí genů operonu sousedícího s promotorem bude záviset na účinnosti rozpoznávání.

Kromě schématu popsaného Jacobem a Monodem existují v buňce další mechanismy genové regulace. F. Jacob a S. Brenner (1963) zjistili, že regulace replikace bakteriální DNA je určitým způsobem řízena buněčnou membránou. Experimenty Jacoba (1954) o indukci různých profágů přesvědčivě ukázaly, že vlivem různých mutagenních faktorů v buňce lysogenních bakterií začíná selektivní replikace genu profága a je blokována replikace hostitelského genomu. V roce 1970 F. Bell oznámil, že malé molekuly DNA mohou přejít z jádra do cytoplazmy a tam být přepsány.

Genová aktivita může být tedy regulována na úrovni replikace, transkripce a translace.

Významného pokroku bylo dosaženo ve studiu regulace nejen syntézy enzymů, ale i jejich aktivity. A. Novik a L. Szilard poukázali na fenomén regulace aktivity enzymů v buňce již v 50. letech 20. století. G. Umbarger (1956) zjistil, že v buňce existuje velmi racionální způsob potlačení aktivity enzymu konečným produktem zpětnovazebního řetězce reakcí. Jak zjistili J. Monod, J. Change, F. Jacob, A. Purdy a další výzkumníci (1956 - 1960), regulace enzymové aktivity může být prováděna podle alosterického principu. Enzym nebo jedna z jeho podjednotek má kromě afinity k substrátu i afinitu k jednomu z produktů reakčního řetězce. Pod vlivem takového signálního produktu mění enzym svou konformaci takovým způsobem, že ztrácí aktivitu. Tím se hned na začátku vypne celý řetězec enzymatických reakcí. D. Wieman a R. Woodward (1952; nositel Nobelovy ceny, 1965) poukázali na zásadní roli proteinových konformačních změn v enzymatických reakcích a v určitém smyslu na přítomnost alosterického efektu.

Struktura a funkce bílkovin

Výsledkem práce T. Osborna, G. Hofmeistera, A. Gurbera, F. Schulze a mnoha dalších na konci 19. století. Mnoho živočišných a rostlinných proteinů bylo získáno v krystalické formě. Přibližně ve stejné době byly pomocí různých fyzikálních metod stanoveny molekulové hmotnosti určitých proteinů. Takže v roce 1891 A. Sabaneev a N. Alexandrov oznámili, že molekulová hmotnost ovalbuminu je 14 000; v roce 1905 E. Reid zjistil, že molekulová hmotnost hemoglobinu je 48 000. Polymerní strukturu proteinů objevili v roce 1871 G. Glasivetz a D. Gaberman. Myšlenku peptidové vazby jednotlivých aminokyselinových zbytků v proteinech předložil T. Curtius (1883). Práce o chemické kondenzaci aminokyselin (E. Schaal, 1871; G. Schiff, 1897; L. Balbiano a D. Traschiatti, 1900) a syntéze heteropolypeptidů (E. Fisher, 1902 - 1907, Nobelova cena, 1902) vedl k vývoji základních principů chemické struktury proteinů.

První krystalický enzym (ureázu) získal v roce 1926 J. Sumner (Nobelova cena, 1946) a v roce 1930 J. Northrop (Nobelova cena, 1946) krystalický pepsin. Po těchto pracích vyšlo najevo, že enzymy jsou bílkovinné povahy. V roce 1940 M. Kunits izoloval krystalickou RNázu. V roce 1958 již bylo známo více než 100 krystalických enzymů a více než 500 nekrystalických enzymů. Získání vysoce purifikovaných preparátů jednotlivých proteinů přispělo k dešifrování jejich primární struktury a makromolekulární organizace.

Velký význam pro rozvoj molekulární biologie obecně a genetiky člověka zvláště měl objev L. Paulinga (1940) abnormálního hemoglobinu S, izolovaného z erytrocytů lidí se závažným dědičným onemocněním, srpkovitou anémií. V letech 1955-1957 W. Ingram použil k analýze produktů hydrolýzy hemoglobinu S alkálií a trypsinem metodu "fingerprint" vyvinutou F. Sangerem (skvrny tvořené jednotlivými peptidy při chromatografii na papíře). V roce 1961 Ingram uvedl, že hemoglobin S se liší od normálního hemoglobinu pouze povahou jednoho aminokyselinového zbytku: v normálním hemoglobinu je zbytek kyseliny glutamové na sedmé pozici řetězce a v hemoglobinu S je zbytek valinu. Plně se tak potvrdil Paulingův předpoklad (1949), že srpkovitá anémie je onemocnění molekulární povahy. Dědičná změna pouze jednoho aminokyselinového zbytku v každé polovině makromolekuly hemoglobinu vede k tomu, že hemoglobin při nízké koncentraci kyslíku ztrácí schopnost snadno se rozpouštět a začíná krystalizovat, což vede k narušení buněčné struktury. Tyto studie jasně ukázaly, že struktura proteinu je přesně definovaná aminokyselinová sekvence, která je kódována v genomu. Práce K. Anfinsena (1951) svědčí o výjimečném významu primární struktury proteinu při tvorbě unikátní biologicky aktivní konformace makromolekuly. Anfinsen ukázal, že biologicky aktivní makrostruktura pankreatické ribonukleázy, která je ztracena v důsledku obnovy, je předurčena sekvencí aminokyselin a může se spontánně znovu objevit během oxidace SH skupin cysteinových zbytků s tvorbou disulfidových příčných vazeb v přísně definovaná místa peptidového řetězce enzymu.

Dosud byl podrobně studován mechanismus působení velkého množství enzymů a byla stanovena struktura mnoha proteinů.

V roce 1953 F. Sanger stanovil aminokyselinovou sekvenci inzulínu. : Tento protein se skládá ze dvou polypeptidových řetězců spojených dvěma disulfidovými příčnými vazbami. Jeden z řetězců obsahuje pouze 21 aminokyselinových zbytků, zatímco druhý obsahuje 30 zbytků. Sanger strávil asi 10 let dešifrováním struktury tohoto relativně jednoduchého proteinu. V roce 1958 mu byla za tento mimořádný výzkum udělena Nobelova cena. Po vytvoření automatického analyzátoru aminokyselin V. Steinem a S. Moorem (1957) se výrazně zrychlila identifikace produktů částečné hydrolýzy proteinů. V roce 1960 to již Stein a Moore uvedli. že byli schopni určit sekvenci ribonukleázy, jejíž peptidový řetězec je reprezentován 124 aminokyselinovými zbytky. V témže roce v laboratoři G. Schramma v Tübingenu (Německo) F. Anderer a další stanovili sekvenci aminokyselin v proteinu TMV. Poté byla stanovena aminokyselinová sekvence v myoglobinu (A. Edmunson) a α- a β-řetězcích lidského hemoglobinu (G. Braunitzer, E. Schroeder aj.), lysozymu z vaječného proteinu (J. Jollet, D. Keyfield) . V roce 1963 F. Shorm a B. Keil (Československo) stanovili aminokyselinovou sekvenci v molekule chymotrypsinogenu. Ve stejném roce byla stanovena aminokyselinová sekvence trypsinogenu (F. Shorm, D. Walsh). V roce 1965 K. Takahashi stanovil primární strukturu ribonukleázy T1. Poté byla určena sekvence aminokyselin pro několik dalších proteinů.

Jak známo, konečným důkazem správnosti definice konkrétní struktury je její syntéza. V roce 1969 R. Merifield (USA) jako první provedl chemickou syntézu pankreatické ribonukleázy. Pomocí metody syntézy, kterou vyvinul na nosiči na pevné fázi, přidával Merifield jednu aminokyselinu za druhou do řetězce v souladu se sekvencí, kterou popsali Stein a Moore. Díky tomu dostal protein, který byl svými kvalitami identický s pankreatickou ribonukleázou A. Za objev struktury ribonukleázy byli V. Stein, S. Moore a K. Anfinsen v roce 1972 oceněni Nobelovou cenou. Tato přirozená syntéza proteinů otevírá obrovské vyhlídky a ukazuje na možnost vytvoření jakýchkoli proteinů v souladu s předem naplánovanou sekvencí.

Z rentgenových studií W. Astburyho (1933) vyplynulo, že peptidové řetězce proteinových molekul jsou zkroucené nebo naskládané nějakým přesně definovaným způsobem. Od té doby mnoho autorů vyjádřilo různé hypotézy o způsobech skládání proteinových řetězců, ale až do roku 1951 zůstaly všechny modely spekulativními konstrukcemi, které neodpovídaly experimentálním datům. V roce 1951 publikovali L. Pauling a R. Corey řadu skvělých prací, v nichž byla konečně formulována teorie sekundární struktury bílkovin, teorie α-helixu. Spolu s tím také vešlo ve známost, že proteiny mají také terciární strukturu: α-helix peptidového řetězce může být určitým způsobem složen a tvoří poměrně kompaktní strukturu.

V roce 1957 J. Kendrew a jeho spolupracovníci poprvé navrhli trojrozměrný model struktury myoglobinu. Tento model byl poté několik let zdokonalován, až se v roce 1961 objevila závěrečná práce s charakterizací prostorové struktury tohoto proteinu. V roce 1959 M. Perutz a kolegové stanovili trojrozměrnou strukturu hemoglobinu. Výzkumníci na této práci strávili více než 20 let (první rentgenové snímky hemoglobinu získal Perutz v roce 1937). Protože se molekula hemoglobinu skládá ze čtyř podjednotek, po rozluštění její organizace, Perutz nejprve popsal kvartérní strukturu proteinu. Za práci na stanovení trojrozměrné struktury proteinů byli Kendrew a Perutz oceněni v roce 1962 Nobelovou cenou.

Vytvoření prostorového modelu struktury hemoglobinu podle Perutze POVOLENO. přiblížit se k pochopení mechanismu fungování tohoto proteinu, který, jak známo, zajišťuje transport kyslíku v živočišných buňkách. Již v roce 1937 došel F. Gaurowitz k závěru, že interakce hemoglobinu s kyslíkem, vzduchem by měla být doprovázena změnou struktury proteinu. V 60. letech 20. století Perutz a spolupracovníci objevili znatelný posun řetězců hemoglobinu po jeho oxidaci, způsobený posunem atomů železa v důsledku vazby s kyslíkem. Na tomto základě vznikly představy o „dýchání“ makromolekul bílkovin.

V roce 1960 D. Phillips a jeho spolupracovníci zahájili rentgenové difrakční studie molekuly lysozymu. Do roku 1967 byli víceméně schopni zjistit podrobnosti o organizaci tohoto proteinu a lokalizaci jednotlivých atomů v jeho molekule. Kromě toho Phillips zjistil povahu přidání lysozymu do substrátu (triacetylglukosamin). To umožnilo znovu vytvořit mechanismus tohoto enzymu. Znalost primární struktury a makromolekulárního uspořádání tedy umožnila nejen stanovit povahu aktivních center mnoha enzymů, ale také plně odhalit mechanismus fungování těchto makromolekul.

Využití metod elektronové mikroskopie pomohlo odhalit principy makromolekulární organizace tak složitých proteinových útvarů, jako je kolagen, fibrinogen, kontraktilní svalové fibrily atd. Koncem 50. let byly navrženy modely svalového kontraktilního aparátu. Mimořádný význam pro pochopení mechanismu svalové kontrakce měl objev V. A. Engelgardta a M. N. Lyubimové (1939) o ATPázové aktivitě myosinu. To znamenalo, že akt svalové kontrakce je založen na změně fyzikálně-chemických vlastností a makromolekulární organizace kontraktilního proteinu pod vlivem kyseliny adenosintrifosforečné (viz také kapitola 11).

Virologický výzkum byl nezbytný pro pochopení principů sestavování biologických struktur (viz kapitola 25).

Nevyřešené problémy

Hlavní pokroky v moderní molekulární biologii byly dosaženy především jako výsledek studia nukleových kyselin. Ani v této oblasti však nejsou zdaleka všechny problémy vyřešeny. Velkého úsilí bude zapotřebí zejména k rozluštění celé nukleotidové sekvence genomu. Tento problém je zase neoddělitelně spojen s problémem heterogenity DNA a vyžaduje vývoj nových pokročilých metod frakcionace a izolace jednotlivých molekul z celkového genetického materiálu buňky.

Doposud bylo úsilí zaměřeno především na samostatné studium proteinů a nukleových kyselin. V buňce jsou tyto biopolymery navzájem nerozlučně spojeny a fungují převážně ve formě nukleoproteinů. Potřeba studovat interakci proteinů a nukleových kyselin se proto nyní stala obzvláště akutní. Do popředí se dostává problém rozpoznávání určitých úseků nukleových kyselin proteiny. Byly již nastíněny kroky ke studiu takové interakce těchto biopolymerů, bez nichž je úplné pochopení struktury a funkcí chromozomů, ribozomů a dalších struktur nemyslitelné. Bez toho je také nemožné porozumět regulaci aktivity genů a konečně dešifrovat principy práce mechanismů syntetizujících proteiny. Po práci Jacoba a Monoda se objevily některé nové údaje o regulačním významu membrán při syntéze jaderného materiálu. To představuje problém hlubšího studia role membrán v regulaci replikace DNA. Obecně se problém regulace genové aktivity a buněčné aktivity obecně stal jedním z nejdůležitějších problémů moderní molekulární biologie.

Současný stav biofyziky

V úzké návaznosti na problémy molekulární biologie postupoval rozvoj biofyziky. Zájem o tuto oblast biologie byl na jedné straně podnícen potřebou komplexního studia účinků různých druhů záření na organismus a na druhé straně potřebou studovat fyzikální a fyzikální -chemické základy životních jevů probíhajících na molekulární úrovni.

Získávání přesných informací o molekulárních strukturách a procesech v nich probíhajících bylo možné díky použití nových jemných fyzikálních a chemických metod. Na základě úspěchů elektrochemie bylo možné zlepšit metodu měření bioelektrických potenciálů pomocí iontově selektivních elektrod (G. Eisenman, B. P. Nikolsky, Khuri, 50-60s). Stále častěji se do praxe dostává infračervená spektroskopie (s využitím laserových zařízení), která umožňuje studovat konformační změny proteinů (I. Plotnikov, 1940). Cenné informace poskytuje také metoda elektronové paramagnetické rezonance (E. K. Zavoisky, 1944) a biochemiluminiscenční metoda (B. N. Tarusov et al., 1960), které umožňují zejména posuzovat transport elektronů při oxidačních procesech.

V 50. letech 20. století již biofyzika získávala silné postavení. Je potřeba vychovat kvalifikované specialisty. Jestliže v roce 1911 měla v Evropě katedru biofyziky pouze univerzita v Pécsi v Maďarsku, pak v roce 1973 takové katedry existovaly téměř na všech velkých univerzitách.

V roce 1960 byla organizována Mezinárodní společnost biofyziků. V srpnu 1961 se ve Stockholmu konal první mezinárodní biofyzikální kongres. Druhý kongres se konal v roce 1965 v Paříži, třetí - v roce 1969 v Bostonu, čtvrtý - v roce 1972 v Moskvě.

V biofyzice se jasně rozlišují dvě oblasti různého obsahu – molekulární biofyzika a buněčná biofyzika. Toto rozlišení dostává i organizační výraz: vznikají samostatná oddělení těchto dvou oblastí biofyziky. Na Moskevské univerzitě byla první katedra biofyziky vytvořena v roce 1953 na Fakultě biologie a pedologie a o něco později se katedra biofyziky objevila na Fyzikální fakultě. Katedry byly organizovány na stejném principu na mnoha jiných univerzitách.

Molekulární biofyzika

V posledních letech se propojení molekulární biofyziky a molekulární biologie stále více posiluje a nyní je někdy obtížné určit, kde mezi nimi leží dělicí čára. V obecném útoku na problém dědičné informace je taková spolupráce mezi biofyzikou a molekulární biologií nevyhnutelná.

Hlavním směrem ve výzkumné práci je studium fyziky nukleových kyselin - DNA a RNA. Použití výše uvedených metod a především rentgenové difrakční analýzy přispělo k dešifrování molekulární struktury nukleových kyselin. V současné době probíhá intenzivní výzkum zaměřený na studium chování těchto kyselin v roztocích. Zvláštní pozornost je věnována konformačním přechodům "helix-coil", které jsou studovány změnami viskozity, optických a elektrických parametrů. V souvislosti se studiem mechanismů mutageneze jsou rozvíjeny studie ke studiu vlivu ionizujícího záření na chování nukleových kyselin v roztocích a také vlivu záření na nukleové kyseliny virů a fágů. Účinek ultrafialového záření, o jehož některých spektrálních oblastech je známo, že jsou dobře absorbovány nukleovými kyselinami, byl podroben komplexní analýze. Velký podíl na tomto druhu výzkumu má detekce aktivních radikálů nukleových kyselin a proteinů metodou elektronové paramagnetické rezonance. S použitím této metody je spojen vznik celého nezávislého směru.

Problém kódování informace DNA a RNA a její přenos během syntézy proteinů je dlouhodobě předmětem zájmu molekulární biofyziky a fyzici opakovaně vyjadřovali určité úvahy na toto téma (E. Schrödinger, G. Gamow). Rozluštění genetického kódu vyvolalo četné teoretické a experimentální studie o struktuře šroubovice DNA, mechanismu klouzání a kroucení jejích vláken a studiu fyzikálních sil, které se na těchto procesech podílejí.

Molekulární biofyzika poskytuje značnou pomoc molekulární biologii při studiu struktury molekul proteinů pomocí rentgenové difrakční analýzy, kterou poprvé použil v roce 1930 J. Bernal. Právě v důsledku použití fyzikálních metod v kombinaci s biochemickými (enzymatickými metodami) byla odhalena molekulární konformace a sekvence aminokyselin v řadě proteinů.

Moderní elektronové mikroskopické studie, které odhalily přítomnost komplexních membránových systémů v buňkách a jejich organelách, podnítily pokusy o pochopení jejich molekulární struktury (viz kapitoly 10 a 11). Chemické složení membrán a zejména vlastnosti jejich lipidů jsou studovány in vivo. Bylo zjištěno, že posledně jmenované jsou schopny přeoxidace a neenzymatických reakcí oxidace řetězců (Yu. A. Vladimirov a F. F. Litvin, 1959; B. N. Tarusov a kol., 1960; I. I. Ivanov, 1967), což vede k dysfunkci membrány. Metody byly také použity ke studiu složení membrán. matematické modelování(V. Ts. Presman, 1964 - 1968; M. M. Shemyakin, 1967; Yu. A. Ovchinnikov, 1972).

Buněčná biofyzika

Významnou událostí v dějinách biofyziky bylo vytvoření jasných představ o termodynamice biologických procesů v 50. letech 20. století, v důsledku čehož byly předpoklady o možnosti samostatné tvorby energie v živých buňkách v rozporu s druhým termodynamickým zákonem. , konečně zmizel. Pochopení fungování tohoto zákona v biologických systémech je spojeno se zavedením belgického vědce I. Prigogina (1945) * do biologické termodynamiky konceptu otevřených systémů vyměňujících energii a hmotu s vnějším prostředím. Prigogine ukázal, že pozitivní entropie se tvoří v živých buňkách během pracovních procesů v souladu s druhým zákonem termodynamiky. Rovnice, které zavedl, určovaly podmínky, za kterých vzniká tzv. stacionární stav (dříve se tomu také říkalo dynamická rovnováha), ve kterém množství volné energie (negentropie) vstupující do buněk s potravou kompenzuje její spotřebu a kladná entropie je výstup. Tento objev posílil obecnou biologickou představu o neoddělitelném spojení mezi vnějším a vnitřním prostředím buněk. Znamenalo počátek skutečného studia termodynamiky živých systémů, včetně metody modelování (A. Burton, 1939; A. G. Pasynsky, 1967).

* (Obecnou teorii otevřených systémů poprvé předložil L. Bertalanffy v roce 1932.)

Podle základního principu biotermodynamiky je nezbytnou podmínkou existence života stacionarita ve vývoji jeho biochemických procesů, k jejichž realizaci je třeba koordinovat rychlosti četných metabolických reakcí. Na základě nové biofyzikální termodynamiky se objevil trend, který vyčleňuje vnější a vnitřní faktory, které tuto koordinaci reakcí zajišťují a činí ji stabilní. Během posledních dvou desetiletí byla odhalena velká role v udržování stacionárního stavu systému inhibitorů a zejména antioxidantů (B. N. Tarusov a A. I. Zhuravlev, 1954, 1958). Bylo zjištěno, že spolehlivost stacionárního vývoje je spojena s faktory prostředí (teplota) a fyzikálně-chemickými vlastnostmi buněčného prostředí.

Moderní principy biotermodynamiky umožnily podat fyzikálně-chemickou interpretaci mechanismu adaptace. Podle našich údajů může k adaptaci na podmínky prostředí dojít pouze tehdy, když je tělo při jejich změně schopno nastolit stacionární vývoj biochemických reakcí (B.N. Tarusov, 1974). Vyvstala otázka vývoje nových metod, které by umožnily hodnotit stacionární stav in vivo a předpovídat jej. možná porušení. Velký přínos slibuje zavedení kybernetických principů samoregulačních systémů do biotermodynamiky a výzkum procesů biologické adaptace. Ukázalo se, že pro řešení problému stability ustáleného stavu je důležité vzít v úvahu tzv. perturbující faktory, mezi které patří zejména neenzymatické reakce oxidace lipidů. V poslední době se rozšiřují studie procesů nadměrné oxidace v lipidových fázích živých buněk a růstu produktů aktivních radikálů, které narušují regulační funkce membrán. Zdrojem informací o těchto procesech je jak detekce aktivních peroxidových radikálů, tak peroxidových sloučenin biolipidů (A. Tappel, 1965; I. I. Ivanov, 1965; E. B. Burlakova, 1967 a další). K detekci radikálů se využívá biochemiluminiscence, ke které dochází v lipidech živých buněk při jejich rekombinaci.

Na základě fyzikálně-chemických představ o stabilitě stacionárního stavu vznikly biofyzikální představy o adaptaci rostlin na změny podmínek prostředí jako porušení inhibičních antioxidačních systémů (B. N. Tarusov, Ya. E. Doskoch, B. M. Kitlaev, A. M. Agaverdiev, 1968 - 1972). To otevřelo možnost posouzení takových vlastností, jako je mrazuvzdornost a odolnost vůči solím, a také vhodné předpovědi při výběru zemědělských rostlin.

V 50. letech 20. století byla objevena ultraslabá záře - biochemiluminiscence řady biologických objektů ve viditelné i infračervené části spektra (B. N. Tarusov, A. I. Žuravlev, A. I. Polivoda). To bylo možné díky vývoji metod pro registraci superslabých světelných toků pomocí fotonásobičů (L. A. Kubetsky, 1934). Biochemiluminiscence, která je výsledkem biochemických reakcí probíhajících v živé buňce, umožňuje posoudit důležité oxidační procesy v řetězcích přenosu elektronů mezi enzymy. Objev a studium biochemiluminiscence má velký teoretický i praktický význam. B. N. Tarusov a Yu. B. Kudryashov tedy upozorňují na velkou roli produktů oxidace nenasycených mastných kyselin v mechanismu výskytu patologických stavů, které se vyvíjejí pod vlivem ionizujícího záření, v karcinogenezi a jiných porušeních normálních funkcí. buňky.

V 50. letech 20. století v souvislosti s prudkým rozvojem jaderné fyziky vznikla z biofyziky radiobiologie, která studuje biologický účinek ionizujícího záření. Výroba umělých radioaktivních izotopů, vytváření termonukleárních zbraní, atomových reaktorů a vývoj dalších forem praktického využití atomové energie postavily se vší svou naléhavostí problém ochrany organismů před škodlivými účinky ionizujícího záření a rozvoje teoretické základy prevence a léčby nemoci z ozáření. K tomu bylo potřeba především zjistit, které složky buňky a články metabolismu jsou nejzranitelnější.

Předmětem studia v biofyzice a radiobiologii bylo objasnění podstaty primárních chemických reakcí, ke kterým dochází v živých substrátech pod vlivem energie záření. Zde bylo důležité nejen porozumět mechanismům tohoto jevu, ale také umět ovlivnit proces výměny fyzikální energie za energii chemickou, snížit její koeficient „užitečného“ působení. Práce v tomto směru byla zahájena studiem školy N. N. Semenova (1933) v SSSR a D. Hinshelwooda (1935) v Anglii.

Významné místo v radiobiologickém výzkumu zaujímalo studium stupně radiační odolnosti různých organismů. Bylo zjištěno, že zvýšená radiorezistence (například u pouštních hlodavců) je způsobena vysokou antioxidační aktivitou lipidů buněčných membrán (M. Chang et al., 1964; N. K. Ogryzov et al., 1969). Ukázalo se, že tokoferoly, vitamin K a thiosloučeniny hrají důležitou roli při vytváření antioxidačních vlastností těchto systémů (II. Ivanov et al., 1972). V posledních letech přitahují velkou pozornost také studie mechanismů mutageneze. Za tímto účelem je studován vliv ionizujícího záření na chování nukleových kyselin a proteinů in vitro, stejně jako ve virech a fágech (A. Gustafson, 1945 - 1950).

Hlavním úkolem biofyziky v tomto směru zůstává boj o další zvýšení účinnosti chemické ochrany, hledání účinnějších inhibitorů a principů inhibice.

Pokroku bylo dosaženo ve studiu excitovaných stavů biopolymerů, které určují jejich vysokou chemickou aktivitu. Nejúspěšnější bylo studium excitovaných stavů vznikajících v primární fázi fotobiologických procesů – fotosyntéze a vidění.

Byl tedy učiněn solidní příspěvek k pochopení primární aktivace molekul rostlinných pigmentových systémů. Byl prokázán velký význam přenosu (migrace) energie excitovaných stavů bez ztrát z aktivovaných pigmentů na jiné substráty. Velkou roli v rozvoji těchto myšlenek sehrály teoretické práce A. N. Terenina (1947 a později). A. A. Krasnovsky (1949) objevil a studoval reakci reverzibilní fotochemické redukce chlorofylu a jeho analogů. Nyní panuje všeobecné přesvědčení, že v blízké budoucnosti bude možné reprodukovat fotosyntézu v umělých podmínkách (viz také kapitola 5).

Biofyzici pokračují v práci na odhalování podstaty svalové kontrakce a mechanismů nervové excitace a vedení (viz kapitola 11). Současný význam nabyl také výzkum mechanismů přechodu z excitovaného stavu do normálního stavu. Excitovaný stav je nyní považován za výsledek autokatalytické reakce a inhibice je považována za důsledek prudké mobilizace inhibiční antioxidační aktivity v důsledku molekulárních přeskupení ve sloučeninách, jako je tokoferol (I. I. Ivanov, O. R. Kols, 1966; O. R. Kols, 1970).

Nejdůležitějším obecným problémem biofyziky zůstává znalost kvalitativních fyzikálních a chemických vlastností živé hmoty. Vlastnosti, jako je schopnost živých biopolymerů selektivně vázat draslík nebo polarizovat elektřina, nelze zachovat ani při nejopatrnějším vyjmutí z těla. Buněčná biofyzika proto nadále intenzivně vyvíjí kritéria a metody pro celoživotní studium živé hmoty.

Navzdory mládí molekulární biologie je pokrok, kterého v této oblasti dosáhl, skutečně ohromující. V relativně krátké době byla stanovena povaha genu a základní principy jeho organizace, reprodukce a fungování. Kromě toho byla provedena nejen in vitro reprodukce genů, ale také poprvé byla dokončena úplná syntéza samotného genu. Genetický kód byl zcela dešifrován a nejdůležitější biologický problém specifičnosti biosyntézy proteinů byl vyřešen. Byly identifikovány a studovány hlavní způsoby a mechanismy tvorby proteinů v buňce. Primární struktura mnoha transportních RNA, specifických adaptorových molekul, které překládají jazyk nukleových templátů do jazyka aminokyselinové sekvence syntetizovaného proteinu, byla zcela určena. Aminokyselinová sekvence mnoha proteinů byla plně dešifrována a prostorová struktura některých z nich byla stanovena. To umožnilo objasnit princip a podrobnosti fungování molekul enzymů. Byla provedena chemická syntéza jednoho z enzymů, ribonukleázy. Byly stanoveny základní principy organizace různých subcelulárních částic, mnoha virů a fágů a byly odhaleny hlavní způsoby jejich biogeneze v buňce. Byly objeveny přístupy k pochopení způsobů regulace aktivity genů a objasnění regulačních mechanismů vitální aktivity. Již jednoduchý výčet těchto objevů naznačuje, že druhá polovina 20. stol. byla poznamenána obrovským pokrokem v biologii, za který vděčí především hloubkovému studiu struktury a funkcí biologicky významných makromolekul - nukleových kyselin a proteinů.

Úspěchy v molekulární biologii se již dnes využívají v praxi a přinášejí hmatatelné výsledky v lékařství, zemědělství a některých průmyslových odvětvích. Není pochyb o tom, že návratnost této vědy bude každým dnem narůstat. Za hlavní výsledek je však stále třeba považovat, že pod vlivem úspěchů molekulární biologie posílila důvěra v existenci neomezených možností na cestě k odhalení nejtajnějších tajemství života.

V budoucnu se zřejmě otevřou nové způsoby studia biologické formy pohybu hmoty – biologie se přesune z molekulární úrovně na atomární. Nyní však pravděpodobně neexistuje jediný badatel, který by dokázal reálně předpovědět vývoj molekulární biologie i na dalších 20 let.

rozhovor

Pirogov Sergey - účastník přípravy na olympiádu v biologii, kterou v roce 2012 uspořádal "Elephant and Giraffe".
Vítěz mezinárodní univerziády v biologii
Vítěz olympiády "Lomonosov"
Vítěz krajské etapy Všeruské olympiády v biologii v roce 2012
Studium na Moskevské státní univerzitě. M.V. Lomonosova na Biologické fakultě: Katedra molekulární biologie, student 6. ročníku. Pracuje v Laboratoři biochemické genetiky zvířat Ústavu molekulární genetiky.

- Serjožo, pokud budou mít čtenáři otázky, budou se vás moci zeptat?

Ano, samozřejmě, můžete se ptát alespoň okamžitě. V tomto poli:

Chcete-li položit otázku, klikněte sem.

- Začněme školou, neměl jsi super super školu?

Studoval jsem na velmi slabé moskevské škole, takové průměrné střední škole. Pravda, měli jsme skvělého učitele v Moskevském uměleckém divadle, díky kterému jsme měli z velké části nominální „uměleckohistorickou“ orientaci školy.

- A co biologie?

Naše učitelka biologie byla velmi postarší, hluchá a ostrá žena, které se všichni báli. Láska k jejímu předmětu ale nepřidala. Pro biologii jsem byl nadšený od dětství, od pěti let. Sám jsem si vše přečetl, hlavně jsem se nechal unést anatomií a zoologií. Školní předměty tedy existovaly paralelně s mými vlastními zájmy. Olympiáda vše změnila.

- Řekni mi o tom víc.

V 7. třídě jsem se poprvé zúčastnil obecní etapy (samozřejmě téměř ve všech předmětech najednou, jelikož jsem byl jediný žák, kterého měli učitelé důvod poslat). A vyhrál v biologii. Pak to škola považovala za vtipnou, ale nepříliš zajímavou skutečnost.

- Pomohlo ti to ve škole?

Pamatuji si, že i přes brilantní studium jsem od učitele biologie často dostával B s hnidopichem typu „na kresbě řezu cibule by měly být kořeny natřeny hnědou, ne šedou“. Všechno to bylo dost depresivní. V 8. třídě jsem opět šel na olympiádu, ale z nějakého důvodu mě neposlali na biologii. Ale stal se vítězem a vítězem v jiných předmětech.

- Co se stalo v 9. třídě?

V 9. třídě jsem nešel na okresní stupeň. Právě tam jsem si nečekaně připsal slabé, hraniční skóre, které se nicméně ukázalo jako přechod na krajský stupeň. Mělo to mocnou motivační sílu – uvědomění si toho, kolik toho nevím a kolik lidí, kteří tohle všechno vědí (kolik takových lidí v celostátním měřítku jsem se dokonce bál představit).

- Řekni nám, jak jsi se připravil.

Intenzivní samostudium, vpády do knihkupectví a tisíce loňských úkolů měly léčivý účinek. Získal jsem jedno z nejvyšších bodů za teorii (což pro mě bylo také zcela nečekané), šel jsem do praktické fáze... a neuspěl. V té době jsem o existenci praktického jeviště ani nevěděl.

- Ovlivnila vás olympiáda?

Můj život se radikálně změnil. Dozvěděl jsem se o mnoha dalších olympiádách, zvláště jsem se zamiloval do SBO. Následně na mnoha ukázal dobré výsledky, některé vyhrál, díky Lomonosovské získal právo vstoupit bez zkoušek. Vyhrával jsem přitom olympiády v dějinách umění, na které dodnes nerovnoměrně dýchám. Pravda, s praktickými výlety se nekamarádil. V 11. třídě jsem se přesto dostal do závěrečné fáze, ale Fortune nebyla nakloněna a já jsem tentokrát nestihl vyplnit matici odpovědí teoretické fáze. To však umožnilo nedělat si příliš velké starosti s praktickými záležitostmi.

- Setkal jste se s mnoha olympiádami?

Ano, stále si myslím, že jsem měl velké štěstí na okruh svých vrstevníků, kteří mi velmi rozšířili obzory. Druhou stránkou olympiád, kromě motivace k harmoničtějšímu studiu předmětu, bylo seznámení s olympiádami. Už v té době jsem si všiml, že horizontální komunikace je někdy užitečnější než vertikální komunikace – s učiteli na soustředění.

- Jak jste se dostal na univerzitu? Vybrali jste si fakultu?

Po 11. třídě jsem nastoupil na Biologickou fakultu Moskevské státní univerzity. Jen většina mých tehdejších spolubojovníků se rozhodla ve prospěch FBB, ale zde sehrál primární roli fakt, že jsem se nestal vítězem Všeruského. Musela bych tedy udělat interní zkoušku z matematiky a v ní, hlavně ve škole - mnohem víc jsem si zamilovala tu vyšší - jsem nebyla silná. A ve škole byla velmi špatná příprava (ani jsme nebyli připraveni skoro na celou C část). Co se týče zájmů, už tehdy jsem tušil, že nakonec můžete dojít k jakémukoli výsledku, bez ohledu na místo přijetí. Následně se ukázalo, že je mnoho absolventů FBB, kteří přešli na převážně mokrou biologii, a naopak – mnoho dobrých bioinformatiků začínalo jako amatéři. I když se mi v tu chvíli zdálo, že kontingent na biologické fakultě bude jiný než ten FBBshny. V tomhle jsem se určitě mýlil.

Věděl jsi?

zajímavý

Věděl jsi?

zajímavý

V táboře Elephant and Giraffe jsou posuny v biochemii a molekulární biologii, kde školáci spolu se zkušenými učiteli z Moskevské státní univerzity zařizují pokusy a také se připravují na olympiády.

© Rozhovor s Reshetovem Denisem. Fotografie laskavě poskytl Sergej Pirogov.

Molekulární biologie

věda, která si klade za úkol poznání podstaty životních jevů studiem biologických objektů a systémů na úrovni blížící se molekulární úrovni a v některých případech dosahující této hranice. Konečným cílem je v tomto případě objasnit, jak a do jaké míry jsou charakteristické projevy života, jako je dědičnost, rozmnožování vlastního druhu, biosyntéza bílkovin, vzrušivost, růst a vývoj, uchovávání a přenos informací, přeměny energie, mobilita, přeměna energie, pohyb, hybnost. atd., jsou způsobeny strukturou, vlastnostmi a interakcí molekul biologicky důležitých látek, především dvou hlavních tříd vysokomolekulárních biopolymerů (viz Biopolymery) - proteiny a nukleové kyseliny. Charakteristickým rysem M. b. - studium jevů života na neživých předmětech nebo těch, které se vyznačují nejprimitivnějšími projevy života. Jedná se o biologické útvary z buněčné úrovně a níže: subcelulární organely, jako jsou izolovaná buněčná jádra, mitochondrie, ribozomy, chromozomy, buněčné membrány; dále - systémy, které stojí na pomezí živé a neživé přírody - viry včetně bakteriofágů a konče molekulami nejdůležitějších složek živé hmoty - nukleových kyselin (Viz Nukleové kyseliny) a bílkovin (Viz Proteiny).

M. b. - nový přírodovědný obor, úzce související s dlouholetými oblastmi výzkumu, které pokrývají biochemie (viz Biochemie), biofyzika (viz Biofyzika) a bioorganická chemie (viz Bioorganická chemie). Rozlišení je zde možné pouze na základě zohlednění použitých metod a základní povahy použitých přístupů.

Základ, na kterém se M. vyvinul, položily takové vědy jako genetika, biochemie, fyziologie elementárních procesů atd. Podle počátků svého vývoje M. b. neoddělitelně spjato s molekulární genetikou (viz Molekulární genetika) , která nadále tvoří důležitou součást M. bankovnictví, i když se již z velké části zformovala v samostatnou disciplínu. M. izolace. z biochemie je diktováno následujícími úvahami. Úkoly biochemie se omezují především na zjišťování účasti určitých chemických látek na určitých biologických funkcích a procesech a objasňování podstaty jejich přeměn; vedoucí hodnota náleží informaci o reaktivitě a o hlavních rysech chemické struktury, vyjádřené obvyklým chemickým vzorcem. Pozornost se tedy v podstatě soustřeďuje na proměny postihující hlavního valence chemické vazby. Mezitím, jak zdůraznil L. Pauling , v biologických systémech a projevech vitální aktivity by hlavní význam neměly být přikládány vazbám principál-valence působícím uvnitř téže molekuly, ale různým typům vazeb, které určují mezimolekulární interakce (elektrostatické, van der Waalsovy, vodíkové můstky atd.) .

Konečný výsledek biochemické studie může být reprezentován ve formě systému chemických rovnic, obvykle zcela vyčerpaných jejich znázorněním v rovině, tedy ve dvou rozměrech. Charakteristickým rysem M. b. je jeho trojrozměrnost. Podstatou M. b. M. Perutz to vidí v interpretaci biologických funkcí z hlediska molekulární struktury. Můžeme říci, že pokud bylo dříve při studiu biologických objektů nutné odpovědět na otázku „co“, tedy jaké látky jsou přítomny, a na otázku „kde“ - ve kterých tkáních a orgánech, pak M. b. Jeho úkolem je získat odpovědi na otázku „jak“, když se dozvěděl o podstatě role a účasti celé struktury molekuly, a na otázky „proč“ a „k čemu“, když zjistil na na jedné straně souvislosti mezi vlastnostmi molekuly (opět především proteinů a nukleových kyselin) a funkcemi, které plní, a na straně druhé role těchto jednotlivých funkcí v celkovém komplexu projevů vitální činnosti.

Rozhodující roli nabývá vzájemné uspořádání atomů a jejich seskupení v obecné struktuře makromolekuly, jejich prostorové vztahy. To platí jak pro jednotlivé, jednotlivé složky, tak pro celkovou konfiguraci molekuly jako celku. V důsledku vzniku přesně stanovené objemové struktury získávají molekuly biopolymerů takové vlastnosti, díky nimž mohou sloužit jako materiální základ biologických funkcí. Tento princip přístupu ke studiu živého je nejcharakterističtějším, typickým rysem M. b.

Odkaz na historii. Velký význam studia biologických problémů na molekulární úrovni předvídal I. P. Pavlov , který mluvil o posledním kroku ve vědě o životě – fyziologii živé molekuly. Samotný výraz „M. b." byl poprvé použit v angličtině. vědci W. Astbury v aplikaci na výzkum související s objasněním vztahu mezi molekulární strukturou a fyzikálními a biologickými vlastnostmi fibrilárních (vláknitých) proteinů, jako je kolagen, krevní fibrin nebo proteiny kontraktilních svalů. Široce používat termín „M. b." oceli od počátku 50. let 20. století. 20. století

Vznik M.. jako vyspělá věda je zvykem odkazovat se na rok 1953, kdy J. Watson a F. Crick v Cambridge (Velká Británie) objevili trojrozměrnou strukturu deoxyribonukleové kyseliny (DNA). To umožnilo mluvit o tom, jak detaily této struktury určují biologické funkce DNA jako materiálního nosiče dědičné informace. V zásadě se tato role DNA stala známou poněkud dříve (1944) jako výsledek práce amerického genetika O. T. Averyho a spolupracovníků (viz Molekulární genetika), ale nebylo známo, do jaké míry tato funkce závisí na molekulární struktuře DNA. To bylo možné až poté, co laboratoře W. L. Bragga, J. Bernala a dalších vyvinuly nové principy rentgenové difrakční analýzy, které zajistily využití této metody pro detailní poznání prostorové struktury proteinových makromolekul a nukleových kyselin.

Úrovně molekulární organizace. V roce 1957 vytvořil J. Kendrew trojrozměrnou strukturu Myoglobin a , a v dalších letech to provedl M. Perutz ve vztahu k Hemoglobin a. Byly formulovány představy o různých úrovních prostorové organizace makromolekul. Primární struktura je sekvence jednotlivých jednotek (monomerů) v řetězci výsledné molekuly polymeru. U proteinů jsou monomery aminokyseliny. , pro nukleové kyseliny - Nukleotidy. Lineární, vláknitá molekula biopolymeru má v důsledku výskytu vodíkových vazeb schopnost určitým způsobem zapadat do prostoru, např. u proteinů, jak ukazuje L. Pauling, může trvat ve tvaru spirály. Toto je označováno jako sekundární struktura. O terciární struktuře se říká, že když se molekula, která má sekundární strukturu, dále složí tak či onak a vyplňuje trojrozměrný prostor. Konečně, molekuly, které mají trojrozměrnou strukturu, mohou vstupovat do interakce, pravidelně umístěné v prostoru vůči sobě navzájem a tvořící to, co je označováno jako kvartérní struktura; jeho jednotlivé složky se běžně označují jako podjednotky.

Většina dobrý příklad To, jak molekulární trojrozměrná struktura určuje biologické funkce molekuly, je DNA. Má strukturu dvojité šroubovice: dvě nitě běžící ve vzájemně opačném směru (antiparalelně) jsou stočeny kolem sebe a tvoří dvojitou šroubovici se vzájemně se doplňujícím uspořádáním bází, tj. tak, že proti určité bázi jednoho řetězce vzniká je vždy taková báze, která nejlépe zajišťuje tvorbu vodíkových vazeb: adepin (A) se páruje s thyminem (T), guanin (G) s cytosinem (C). Taková struktura vytváří optimální podmínky pro nejdůležitější biologické funkce DNA: kvantitativní množení dědičné informace v procesu buněčného dělení při zachování kvalitativní invariance tohoto toku genetické informace. Při dělení buňky se vlákna dvoušroubovice DNA, která slouží jako templát neboli templát, rozvinou a na každém z nich se působením enzymů syntetizuje nové komplementární vlákno. V důsledku toho jsou z jedné rodičovské molekuly DNA získány dvě zcela identické dceřiné molekuly (viz Buňka, Mitóza).

Podobně se v případě hemoglobinu ukázalo, že jeho biologická funkce – schopnost reverzibilně vázat kyslík v plicích a následně ho dávat tkáním – úzce souvisí se znaky trojrozměrné struktury hemoglobinu a jeho změnami v proces realizace jeho fyziologické role. Při vazbě a disociaci O 2 dochází k prostorovým změnám v konformaci molekuly hemoglobinu vedoucí ke změně afinity atomů železa v ní obsažených ke kyslíku. Změny velikosti molekuly hemoglobinu, připomínající změny objemu hrudníku při dýchání, umožnily nazvat hemoglobin „molekulárními plícemi“.

Jednou z nejdůležitějších vlastností živých předmětů je jejich schopnost jemně regulovat všechny projevy vitální činnosti. M. hlavní příspěvek. vědecké objevy by měly být považovány za objev nového, dříve neznámého regulačního mechanismu, označovaného jako alosterický efekt. Spočívá ve schopnosti látek o nízké molekulové hmotnosti – tzv. ligandy - k modifikaci specifických biologických funkcí makromolekul, primárně katalyticky působících proteinů - enzymů, hemoglobinu, receptorových proteinů podílejících se na stavbě biologických membrán (viz Biologické membrány), v synaptickém přenosu (viz Synapse) atd.

Tři biotické proudy. Ve světle myšlenek M. souhrn jevů života lze považovat za výsledek kombinace tří toků: toku hmoty, který nachází svůj výraz v jevech metabolismu, tj. asimilaci a disimilaci; tok energie, který je hnací silou pro všechny projevy života; a tok informací, pronikající nejen celou řadou procesů vývoje a existence každého organismu, ale také nepřetržitou řadou po sobě jdoucích generací. Je to myšlenka toku informací, zavedená do doktríny živého světa vývojem biomateriálů, která v ní zanechává svůj specifický, jedinečný otisk.

Nejdůležitější úspěchy molekulární biologie. Rychlost, rozsah a hloubka M. vlivu. pokrok v chápání zásadních problémů studia živé přírody je právem srovnáván např. s vlivem kvantové teorie na rozvoj atomové fyziky. Tento revoluční dopad určily dvě vnitřně související podmínky. Na jedné straně sehrál rozhodující roli objev možnosti studia nejdůležitějších projevů životní činnosti za nejjednodušších podmínek, přibližujících se typu chemických a fyzikálních experimentů. Na druhou stranu v důsledku této okolnosti došlo k rychlému zapojení značného počtu představitelů exaktních věd – fyziků, chemiků, krystalografů a posléze matematiků – do vývoje biologických problémů. Tyto okolnosti ve svém souhrnu určovaly neobvykle rychlé tempo rozvoje M. b., počet a význam jeho úspěchů, dosažených během pouhých dvou desetiletí. To je daleko kompletní seznam tyto úspěchy: odhalení struktury a mechanismu biologické funkce DNA, všech typů RNA a ribozomů (viz Ribozomy) , odhalení genetického kódu (viz genetický kód) ; objev reverzní transkripce (viz transkripce) , tj. syntéza DNA na templátu RNA; studium mechanismů fungování respiračních pigmentů; objev trojrozměrné struktury a její funkční role v působení enzymů (viz Enzymy) , princip syntézy matrice a mechanismy biosyntézy proteinů; odhalení struktury virů (viz Viry) a mechanismů jejich replikace, primární a částečně i prostorové struktury protilátek; izolace jednotlivých genů , chemická a poté biologická (enzymatická) syntéza genů, včetně lidských, mimo buňku (in vitro); přenos genů z jednoho organismu do druhého, včetně do lidských buněk; rychle postupující dešifrování chemické struktury rostoucího počtu jednotlivých proteinů, zejména enzymů, a také nukleových kyselin; objev jevů „samoorganizace“ některých biologických objektů stále větší složitosti, počínaje molekulami nukleových kyselin a přecházet k vícesložkovým enzymům, virům, ribozomům atd.; objasnění alosterických a dalších základních principů regulace biologických funkcí a procesů.

Redukcionismus a integrace. M. b. je konečným stupněm tohoto směru ve studiu živých objektů, který je označován jako „redukcionismus“, tj. touha redukovat složité životní funkce na jevy vyskytující se na molekulární úrovni, a proto přístupné ke studiu metodami fyziky a chemie. . Dosaženo M. b. úspěchy svědčí o účinnosti tohoto přístupu. Zároveň je třeba vzít v úvahu, že v přirozených podmínkách v buňce, tkáni, orgánu a celém organismu máme co do činění se soustavami stále složitější. Takové systémy jsou tvořeny z komponent nižší úrovně jejich pravidelnou integrací do celků, získávají strukturální a funkční organizaci a mají nové vlastnosti. Proto, protože znalost vzorů dostupných pro zveřejnění na molekulární a sousední úrovni je podrobná, před M.b. vyvstává úkol pochopit mechanismy integrace jako linii dalšího vývoje ve studiu fenoménů života. Východiskem je zde studium sil mezimolekulárních interakcí – vodíkových vazeb, van der Waalsových sil, elektrostatických sil atd. Svou kombinací a prostorovým uspořádáním tvoří to, co lze označit jako „integrační informaci“. Je třeba ji považovat za jednu z hlavních částí již zmíněného toku informací. V oblasti M. příklady integrace mohou být jevy samoskládání složitých útvarů ze směsi jejich součástí. Patří sem např. tvorba vícesložkových proteinů z jejich podjednotek, tvorba virů z jejich součástí - proteinů a nukleových kyselin, obnova původní struktury ribozomů po oddělení jejich proteinových a nukleových složek atd. studium těchto jevů přímo souvisí se znalostí hlavních jevů „rozpoznávání“ molekul biopolymerů. Jde o to zjistit, jaké kombinace aminokyselin - v molekulách bílkovin nebo nukleotidů - v nukleových kyselinách na sebe vzájemně působí při procesech asociace jednotlivých molekul za vzniku komplexů přísně specifického, předem určeného složení a struktury. Patří sem procesy tvorby komplexních proteinů z jejich podjednotek; dále selektivní interakce mezi molekulami nukleových kyselin, například transportem a matricí (v tomto případě objev genetického kódu významně rozšířil naši informaci); konečně jde o tvorbu mnoha typů struktur (například ribozomů, virů, chromozomů), na kterých se podílejí jak proteiny, tak nukleové kyseliny. Odhalení odpovídajících zákonitostí, znalost „jazyka“, který je základem těchto interakcí, je jednou z nejdůležitějších oblastí matematické lingvistiky, která stále čeká na svůj vývoj. Tato oblast je považována za součást řady zásadních problémů pro celou biosféru.

Problémy molekulární biologie. Kromě specifikovaných důležitých úkolů by M. (znalost zákonů „poznání“, sebeuspořádání a integrace) skutečným směrem vědeckého pátrání do blízké budoucnosti je vývoj metod, které umožňují dešifrování struktury, a následně trojrozměrné, prostorové uspořádání vysokomolekulárních nukleové kyseliny. Toho bylo nyní dosaženo s ohledem na obecný plán trojrozměrné struktury DNA (dvojitá šroubovice), ale bez přesné znalosti její primární struktury. Rychlý pokrok ve vývoji analytických metod nám umožňuje s jistotou očekávat dosažení těchto cílů v následujících letech. Zde samozřejmě hlavní příspěvky pocházejí od zástupců příbuzných věd, především fyziky a chemie. Všechny nejdůležitější metody, jejichž použití zajistilo vznik a úspěch M. b., byly navrženy a vyvinuty fyziky (ultracentrifugace, rentgenová difrakční analýza, elektronová mikroskopie, nukleární magnetická rezonance atd.). Téměř všechny nové fyzikální experimentální přístupy (například použití počítačů, synchrotronu nebo brzdného záření, záření, laserové technologie a další) otevírají nové možnosti pro hloubkové studium problémů meteorologické analýzy. Mezi nejdůležitější úkoly praktického charakteru, jejichž zodpovězení se od M. b. očekává, je na prvním místě problém molekulární podstaty zhoubného bujení, dále - způsoby prevence a možná i překonání dědičných chorob - " molekulární nemoci“ (viz Molekulární nemoci). Velký význam bude mít objasnění molekulárního základu biologické katalýzy, tj. působení enzymů. Mezi nejvýznamnější moderní směry M. b. by měla zahrnovat touhu rozluštit molekulární mechanismy působení hormonů (viz Hormony) , toxické a léčivé látky, jakož i zjistit podrobnosti o molekulární struktuře a fungování takových buněčných struktur, jako jsou biologické membrány, které se podílejí na regulaci procesů pronikání a transportu látek. Vzdálenější cíle M. b. - znalost podstaty nervových procesů, paměťových mechanismů (viz Paměť) atd. Jedna z důležitých nově vznikajících částí M. b. - tzv. genetické inženýrství, které si klade za úkol cílevědomé provozování genetického aparátu (Genomu) živých organismů, mikroby a nižší (jednobuněčné) a konče lidmi (v druhém případě především za účelem radikální léčby dědičné choroby (viz. Dědičné choroby) a náprava genetických vad). O rozsáhlejších zásazích do lidského genetického základu lze hovořit až ve více či méně vzdálené budoucnosti, neboť v tomto případě vznikají vážné překážky, technické i zásadní. Ohledně mikrobů, rostlin a je to možné a strana - x. Pro zvířata jsou takové vyhlídky velmi povzbudivé (například získání odrůd pěstovaných rostlin, které mají aparát na fixaci dusíku ze vzduchu a nepotřebují hnojiva). Jsou založeny na již dosažených úspěších: izolace a syntéza genů, přenos genů z jednoho organismu do druhého, využití hromadných buněčných kultur jako producentů ekonomicky nebo lékařsky významných látek.

Organizace výzkumu v molekulární biologii. M. rychlý vývoj. vedl ke vzniku velkého počtu specializovaných výzkumných center. Jejich počet rychle roste. Největší: ve Spojeném království - Laboratoř molekulární biologie v Cambridge, Královský institut v Londýně; ve Francii - ústavy molekulární biologie v Paříži, Marseille, Štrasburku, Pasteurův institut; v USA - oddělení M. b. na univerzitách a institutech v Bostonu (Harvard University, Massachusetts Institute of Technology), San Franciscu (Berkeley), Los Angeles (California Institute of Technology), New Yorku (Rockefeller University), zdravotních institutech v Bethesdě atd.; v Německu - instituty Maxe Plancka, univerzity v Göttingenu a Mnichově; ve Švédsku Karolinska Institute ve Stockholmu; v NDR - Ústřední ústav pro molekulární biologii v Berlíně, ústavy v Jeně a Halle; v Maďarsku - Biologické centrum v Szegedu. V SSSR první specializovaný ústav M. by byl. byla vytvořena v Moskvě v roce 1957 v systému Akademie věd SSSR (viz. ); poté vznikly: Ústav bioorganické chemie Akademie věd SSSR v Moskvě, Ústav bílkovin v Puščinu, Biologické oddělení Ústavu pro atomovou energii (Moskva) a oddělení M. b. v ústavech Sibiřské pobočky Akademie věd v Novosibirsku, Mezirezortní laboratoři bioorganické chemie Moskevské státní univerzity, Sektoru (později Ústavu) molekulární biologie a genetiky Akademie věd Ukrajinské SSR v Kyjevě. ; významná práce na M. b. se provádí v Ústavu makromolekulárních sloučenin v Leningradu, v řadě oddělení a laboratoří Akademie věd SSSR a dalších odděleních.

Spolu s jednotlivými výzkumnými centry vznikaly organizace širšího rozsahu. V západní Evropě vznikla Evropská organizace pro M. (EMBO), kterého se účastní více než 10 zemí. V SSSR byla v roce 1966 na Ústavu molekulární biologie ustavena Vědecká rada o M. B., která je koordinačním a organizačním centrem v této oblasti poznání. Vydal obsáhlou řadu monografií o nejvýznamnějších úsecích M. b., pravidelně jsou pořádány „zimní školy“ o M. b., pořádají se konference a sympozia k aktuálním problémům M. b. V budoucnu by vědecké rady o M. by. byly vytvořeny na Akademii lékařských věd SSSR a mnoha republikových akademiích věd. Časopis Molecular Biology vychází od roku 1966 (6 čísel ročně).

Za poměrně krátkou dobu se v SSSR rozrostla značná skupina badatelů v oboru M.; jde o vědce starší generace, kteří částečně přeorientovali své zájmy z jiných oborů; z velké části jsou to četní mladí badatelé. Z předních vědců, kteří se aktivně podíleli na vzniku a rozvoji M. b. v SSSR lze jmenovat jako A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunshtein, Yu, A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. M. nové úspěchy. a molekulární genetika bude prosazována usnesením ÚV KSSS a Rady ministrů SSSR (květen 1974) „O opatřeních k urychlení rozvoje molekulární biologie a molekulární genetiky a využití jejich úspěchů v národním ekonomika."

lit.: Wagner R., Mitchell G., Genetika a metabolismus, přel. z angličtiny, M., 1958; Szent-Gyorgy a A., Bioenergetika, přel. z angličtiny, M., 1960; Anfinsen K., Molekulární základ evoluce, přel. z angličtiny, M., 1962; Stanley W., Valens E., Viry a povaha života, přel. z angličtiny, M., 1963; Molekulární genetika, trans. S. Angličtina, část 1, M., 1964; Volkenstein M.V., Molekuly a život. Úvod do molekulární biofyziky, M., 1965; Gaurowitz F., Chemie a funkce proteinů, trans. z angličtiny, M., 1965; Bresler S. E., Úvod do molekulární biologie, 3. vyd., M. - L., 1973; Ingram V., Biosyntéza makromolekul, trans. z angličtiny, M., 1966; Engelhardt V. A., Molekulární biologie, v knize: Vývoj biologie v SSSR, M., 1967; Úvod do molekulární biologie, přel. z angličtiny, M., 1967; Watson, J., Molecular Biology of the Gene, přel. z angličtiny, M., 1967; Finean J., Biologické ultrastruktury, přel. z angličtiny, M., 1970; Bendoll, J., Muscles, Molecules, and Movement, přel. z angličtiny, M., 1970; Ichas M., Biologický kód, přel. z angličtiny, M., 1971; Molekulární biologie virů, M., 1971; Molekulární základy biosyntézy proteinů, M., 1971; Bernhard S., Struktura a funkce enzymů, trans. z angličtiny, M., 1971; Spirin A.S., Gavrilova L.P., Ribosome, 2. vyd., M., 1971; Frenkel-Konrat H., Chemie a biologie virů, přel. z angličtiny, M., 1972; Smith C., Hanewalt F., Molekulární fotobiologie. Procesy inaktivace a obnovy, trans. z angličtiny, M., 1972; Harris G., Základy lidské biochemické genetiky, přel. z angličtiny, M., 1973.

V. A. Engelhardt.

Velká sovětská encyklopedie. - M.: Sovětská encyklopedie. 1969-1978 .

(Molekulární biolog/-biologin)

• Typ

  Profese po ukončení studia

• Plat

  3667-5623 € měsíčně

Molekulární biologové studují molekulární procesy jako základ všech životních procesů. Na základě získaných výsledků vypracovávají koncepce využití biochemických procesů například v lékařském výzkumu a diagnostice nebo v biotechnologiích. Kromě toho se mohou podílet na výrobě farmaceutických produktů, vývoji produktů, zajišťování kvality nebo farmaceutickém poradenství.

Povinnosti molekulárního biologa

Molekulární biologové mohou pracovat v různých oblastech. Týkají se například využití výsledků výzkumu pro výrobu v oblastech, jako je genetické inženýrství, proteinová chemie nebo farmakologie (objevování léčiv). V chemickém a farmaceutickém průmyslu usnadňují přenos nově vyvinutých produktů z výzkumu do výroby, marketingu produktů a poradenství pro uživatele.

Ve vědeckém výzkumu molekulární biologové studují chemicko-fyzikální vlastnosti organických sloučenin, ale i chemické procesy (v oblasti buněčného metabolismu) v živých organismech a výsledky výzkumu publikují. Na vysokých školách vyučují studenty, připravují se na přednášky a semináře, kontrolují písemné práce a vedou zkoušky. Samostatná vědecká činnost je možná pouze po získání magisterského a doktorského titulu.

Kde pracují molekulární biologové?

Práci nacházejí molekulární biologové, jako kupř

• ve výzkumných ústavech, např. v oblasti vědy a medicíny
• ve vysokoškolských institucích
• v chemicko-farmaceutickém průmyslu
• na odborech ochrany životního prostředí

Plat molekulárního biologa

Úroveň platu, kterou dostávají molekulární biologové v Německu, je

• od 3 667 € do 5 623 € měsíčně

(podle různých statistických úřadů a služeb zaměstnanosti v Německu)

Úkoly a povinnosti molekulárního biologa v detailu

Co je podstatou profese Molekulární biolog

Molekulární biologové studují molekulární procesy jako základ všech životních procesů. Na základě získaných výsledků vypracovávají koncepce využití biochemických procesů například v lékařském výzkumu a diagnostice nebo v biotechnologiích. Kromě toho se mohou podílet na výrobě farmaceutických produktů, vývoji produktů, zajišťování kvality nebo farmaceutickém poradenství.

Povolání Molekulární biologie

Molekulární biologie nebo molekulární genetika se zabývá studiem struktury a biosyntézy nukleových kyselin a procesů, které se podílejí na přenosu a realizaci této informace ve formě proteinů. To umožňuje pochopit bolestivé poruchy těchto funkcí a případně je vyléčit pomocí genové terapie. Existují rozhraní pro biotechnologii a genetické inženýrství, ve kterých jsou vytvářeny jednoduché organismy, jako jsou bakterie a kvasinky, aby se prostřednictvím cílených mutací zpřístupnily látky farmakologického nebo komerčního zájmu v průmyslovém měřítku.

Teorie a praxe molekulární biologie

Chemicko-farmaceutický průmysl nabízí molekulárním biologům četné oblasti zaměstnání. V průmyslovém prostředí analyzují biotransformační procesy nebo vyvíjejí a zlepšují procesy pro mikrobiologickou výrobu účinných látek a farmaceutických meziproduktů. Kromě toho se podílejí na přechodu nově vyvinutých produktů z výzkumu do výroby. Prováděním kontrolních úkolů zajišťují, že výrobní zařízení, zařízení, analytické metody a všechny kroky při výrobě citlivých produktů, jako jsou léčiva, vždy splňují požadované standardy kvality. Molekulární biologové navíc uživatelům radí s používáním nových produktů.

Manažerské pozice často vyžadují magisterský program.

Molekulární biologové ve výzkumu a vzdělávání

V oblasti vědy a výzkumu se molekulární biologové zabývají tématy, jako je rozpoznávání, transport, skládání a kodifikace proteinů v buňce. Výsledky výzkumu, které jsou základem pro praktické aplikace v různých oblastech, jsou publikovány a zpřístupněny tak dalším vědcům a studentům. Na konferencích a kongresech diskutují a prezentují výsledky vědecké činnosti. Molekulární biologové pořádají přednášky a semináře, dohlížejí na vědeckou práci a provádějí zkoušky.

Samostatná vědecká činnost vyžaduje magisterský titul a doktorát.

Molekulární biologie, věda, která si klade za úkol poznání podstaty životních jevů studiem biologických objektů a systémů na úrovni blížící se molekulární úrovni a v některých případech dosahující této hranice. Konečným cílem je v tomto případě zjistit, jak a do jaké míry jsou charakteristické projevy života, jako je dědičnost, rozmnožování vlastního druhu, biosyntéza bílkovin, vzrušivost, růst a vývoj, ukládání a přenos informací, přeměny energie, mobilita , atd., jsou dány strukturou, vlastnostmi a interakcí molekul biologicky významných látek, především dvou hlavních tříd vysokomolekulárních biopolymerů - proteinů a nukleových kyselin. Charakteristickým rysem M. b. - studium jevů života na neživých předmětech nebo těch, které se vyznačují nejprimitivnějšími projevy života. Jedná se o biologické útvary z buněčné úrovně a níže: subcelulární organely, jako jsou izolovaná buněčná jádra, mitochondrie, ribozomy, chromozomy, buněčné membrány; dále - systémy stojící na pomezí živé a neživé přírody - viry včetně bakteriofágů a končící molekulami nejdůležitějších složek živé hmoty - nukleových kyselin a bílkovin.

Základ, na kterém se M. vyvinul, položily takové vědy jako genetika, biochemie, fyziologie elementárních procesů atd. Podle počátků svého vývoje M. b. je neoddělitelně spjata s molekulární genetikou, která je i nadále důležitou součástí

Charakteristickým rysem M. b. je jeho trojrozměrnost. Podstatou M. b. M. Perutz to vidí v interpretaci biologických funkcí z hlediska molekulární struktury. M. b. si klade za cíl získat odpovědi na otázku „jak“, poznání podstaty role a participace celé struktury molekuly a na otázky „proč“ a „k čemu“, zjistit na jedné straně vztah mezi vlastnostmi molekuly (opět primárně bílkovin a nukleových kyselin) a funkcemi, které plní, a na druhé straně rolí těchto jednotlivých funkcí v celkovém komplexu projevů vitální činnosti.

Nejdůležitější úspěchy molekulární biologie. Zde je zdaleka ne úplný seznam těchto úspěchů: odhalení struktury a mechanismu biologické funkce DNA, všech typů RNA a ribozomů, odhalení genetického kódu; objev reverzní transkripce, tj. syntézy DNA na templátu RNA; studium mechanismů fungování respiračních pigmentů; objev trojrozměrné struktury a její funkční role v působení enzymů, principu syntézy matrice a mechanismů biosyntézy proteinů; odhalení struktury virů a mechanismů jejich replikace, primární a částečně i prostorové struktury protilátek; izolace jednotlivých genů, chemická a následně biologická (enzymatická) syntéza genů včetně lidských mimo buňku (in vitro); přenos genů z jednoho organismu do druhého, včetně do lidských buněk; rychle postupující dešifrování chemické struktury rostoucího počtu jednotlivých proteinů, zejména enzymů, a také nukleových kyselin; objev jevů „samoorganizace“ některých biologických objektů stále větší složitosti, počínaje molekulami nukleových kyselin a přecházet k vícesložkovým enzymům, virům, ribozomům atd.; objasnění alosterických a dalších základních principů regulace biologických funkcí a procesů.

Problémy molekulární biologie. Kromě specifikovaných důležitých úkolů by M. (znalost zákonů „poznání“, sebeuspořádání a integrace) skutečným směrem vědeckého pátrání pro blízkou budoucnost je vývoj metod, které umožňují dešifrování struktury, a následně trojrozměrné, prostorové uspořádání vysokomolekulárních nukleové kyseliny. Všechny nejdůležitější metody, jejichž použití zajistilo vznik a úspěch M. b., byly navrženy a vyvinuty fyziky (ultracentrifugace, rentgenová difrakční analýza, elektronová mikroskopie, nukleární magnetická rezonance atd.). Téměř všechny nové fyzikální experimentální přístupy (například použití počítačů, synchrotronu nebo brzdného záření, záření, laserové technologie a další) otevírají nové možnosti pro hloubkové studium problémů meteorologické analýzy. Mezi nejdůležitější úkoly praktického charakteru, jejichž zodpovězení se od M. b. očekává, je na prvním místě problém molekulární podstaty zhoubného bujení, dále - způsoby prevence a možná i překonání dědičných chorob - " molekulární nemoci“. Velký význam bude mít objasnění molekulárního základu biologické katalýzy, tj. působení enzymů. Mezi nejvýznamnější moderní směry M. b. by měla zahrnovat touhu dešifrovat molekulární mechanismy působení hormonů, toxických a léčivých látek, stejně jako zjistit podrobnosti o molekulární struktuře a fungování takových buněčných struktur, jako jsou biologické membrány, které se podílejí na regulaci procesů pronikání a transport látek. Vzdálenější cíle M. b. - znalost podstaty nervových procesů, mechanismů paměti atd. Jedna z důležitých vznikajících částí M. b. - tzv. genetického inženýrství, jehož cílem je cílevědomě provozovat genetický aparát (genom) živých organismů počínaje mikroby a nižšími (jednobuněčnými) a konče člověkem (v druhém případě především za účelem radikální léčby dědičných chorob a nápravy genetické vady).

Nejdůležitější směry MB:

- Molekulární genetika - studium strukturní a funkční organizace genetického aparátu buňky a mechanismu realizace dědičné informace

– Molekulární virologie – studium molekulárních mechanismů interakce virů s buňkami

– Molekulární imunologie – studium zákonitostí imunitních reakcí organismu

– Molekulární biologie vývoje – studium vzhledu buněčné diverzity v průběhu individuálního vývoje organismů a specializace buněk

Hlavní předměty výzkumu: Viry (včetně bakteriofágů), Buňky a subcelulární struktury, Makromolekuly, Mnohobuněčné organismy.