Молекулярная биология

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ позднелат. molecula, уменьшительное от лат. moles масса; биология) — медико-биологическая наука, изучающая явления жизни на уровне биологических макромолекул — белков и нуклеиновых кислот, таких простых систем, как бесклеточные структуры, вирусы и, как предел, — на уровне клетки. Большая часть таких объектов является неживой или наделенной элементарными проявлениями жизни. Положение М. б. в системе биол, наук определяется представлениями о структурных уровнях живой материи, т. е. эволюционно сложившихся формах жизни, начинающихся с пребиотических ступеней и кончающихся сложными системами: малые органические молекулы — макромолекулы — клетка и субклеточные структуры — организм и т. д., соответственно к-рым строятся и уровни познания. Исторически М. б. сформировалась в результате исследования биологических макромолекул, в силу чего М. б. рассматривается как раздел биохимии (см.). М. б. является вместе с тем пограничной наукой, возникшей на стыке биохимии, биофизики (см.), органической химии (см.), цитологии (см.) и генетики (см.). Идея М. б. заключается в раскрытии элементарных механизмов основных процессов жизнедеятельности — наследственности (см.), изменчивости (см.), движения и др.— через исследование биол, макромолекул. Молекулярно-биол. представления нашли благодатную почву особенно в генетике — возникла молекулярная генетика (см.), и именно здесь были достигнуты результаты, к-рые способствовали развитию М. б. и признанию ее принципов. Представления М. б. имеют эвристическую (познавательную) ценность, т. к. на всех уровнях развития живой материи существуют и действуют биол, макромолекулы — белки (см.) и нуклеиновые кислоты (см.). По этой причине границы М. б. трудно определимы: она оказывается всепроникающей наукой.

Само название «молекулярная биология» принадлежит англ. кристаллографу Астбери (W. Т. Astbury). Формальной датой возникновения М. б. считают 1953 г., когда Дж. Уотсон и Ф. Крик установили структуру ДНК и высказали подтвердившееся позже предположение о механизме ее репликации, лежащей в основе наследственности. Но по крайней мере с 1944 г., начиная с работ Эйвери (О. Th. Avery), накапливались факты, указывавшие на генетическую роль ДНК; Н. К. Кольцов высказал идею о матричном синтезе в весьма ясной форме еще в 1928 г.; изучение молекулярных основ мышечного сокращения началось с работ В. А. Энгельгардта и М. Н. Любимовой, опубликованных в 1939—1942 гг. М. б. развивалась также в сфере эволюционного учения и систематики. В СССР инициатором изучения нуклеиновых к-т и исследований по молекулярным основам эволюции был А. Н. Белозерский.

Отличительная черта М. б. состоит в характере наблюдений, в ее методических приемах и построении эксперимента. М. б. заставила биологов по-новому взглянуть на материальную основу жизнедеятельности. Для молекулярно-биол. исследований характерно сопоставление биол, функций с хим. и физ. характеристиками (свойствами) биополимеров и в особенности с их пространственным строением.

Для понимания закономерностей строения нуклеиновых к-т и их поведения в клетке важнейшее значение имеет принцип комплементарности оснований в двухтяжевых структурах нуклеиновых к-т, установленный в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, Признание значения пространственных отношений нашло свое выражение в представлении о комплементарности поверхностей макромолекул и молекулярных комплексов, составляющей необходимое условие проявления слабых сил, действующих лишь на коротких дистанциях и способствующих созданию морфол, разнообразия биол. структур, их функциональной подвижности. Эти слабые силы участвуют в образовании комплексов типа фермент — субстрат, антиген — антитело, гормон — рецептор и т. п., в явлениях самосборки биол, структур, напр, рибосом, в образовании пар азотистых оснований в молекулах нуклеиновых к-т и в тому подобных процессах.

М. б. направила внимание биологов на простые, стоящие у границ жизни объекты, ввела в арсенал биол, исследований идеи и точные методы химии и физики. Мутационный процесс получил истолкование на молекулярном уровне как выпадение, вставка и перемещение отрезков ДНК, замена пары азотистых оснований в функционально значимых отрезках генома (см. Мутация). Явления мутагенеза (см.) были, т. о., переведены на хим. язык. Благодаря методам М. б. были раскрыты молекулярные основы таких генетических процессов у прокариотов, как рекомбинация (см.), трансдукции (см.), трансформация (см.), трансфекция, сексдукция. Достигнуты значительные успехи в изучении строения хроматина и хромосом эукариотов; усовершенствование методов культивирования и гибридизации животных клеток создало возможность развития генетики соматических клеток (см.). Регуляция репликации ДНК нашла свое выражение в представлении о репликоне Ф. Жакоба и Бреннера (S. Brenner).

В области биосинтеза белка был установлен так наз. центральный постулат, характеризующий следующее движение генетической информации: ДНК —> информационная РНК —> белок. Согласно этому постулату, белок является своего рода информационным клапаном, препятствующим возвращению информации на уровень РНК и ДНК. В процессе развития М. б. в 1970 г. Темином (H. Temin) и Балтимором (D. Baltimore) было открыто явление обратной транскрипции (в природе синтез ДНК происходит у онкогенных РНК-содержащих вирусов с помощью специального фермента — обратной транскриптазы). Синтезы белков и нуклеиновых к-т происходят по типу матричных синтезов, для их протекания необходима матрица (шаблон) — исходная полимерная молекула, к-рая предопределя-ет последовательность нуклеотидов (аминокислот) в синтезируемой копии. Такими матрицами при репликации и транскрипции является ДНК и при трансляции — информационная РНК. Генетический код (см.) формулирует способ «записи» наследственной информации в информационной РНК, другими словами, он согласует последовательность нуклеотидов в нуклеиновых к-тах и аминокислот в белках. С биосинтезом белка связана транскрипция — синтез информационных РНК на матрице ДНК, катализируемый РНК-полимеразами; трансляция — синтез белка на связанной с рибосомой информационной РНК, протекающий по весьма сложному механизму, в к-ром участвуют десятки вспомогательных белков и транспортные РНК (см. Рибосомы). Регуляция белкового синтеза наиболее изучена на уровне транскрипции и сформулирована в представлении Ф. Жакоба и Моно (J. Monod) об опероне, белках-репрессорах, аллостерическом эффекте, позитивной и негативной регуляции. Разнородным по своему содержанию и еще менее завершенным, чем предыдущие, разделом М. б. является целый ряд проблем фундаментального и прикладного характера. К ним относится репарация повреждений генома, причиненных коротковолновой радиацией, мутагенами (см.) и другими влияниями. Большую самостоятельную область составляют исследования механизма действия ферментов, основанные на представлениях о трехмерной структуре белков и роли слабых хим. взаимодействий. М. б. выяснила многие детали строения и развития вирусов, в особенности бактериофагов. Изучение гемоглобинов у лиц, страдающих серповидно-клеточной анемией (см.) и другими гемоглобинопатиями (см.), положило начало изучению структурной основы «молекулярных болезней», врожденных «ошибок» метаболизма (см. Наследственные болезни). Самая поздняя ветвь М. б.— генная инженерия (см.) — разрабатывает методы конструирования наследственных структур в виде молекул рекомбинантных ДНК.

В молекулярно-биол. опытах находят применение различные способы хроматографии (см.) и ультрацентрифугирования (см.), рентгеноструктурный анализ (см.), электронная микроскопия (см.), молекулярная спектроскопия (электронный парамагнитный и ядерный магнитный резонанс). Начато использование синхротронного (магнитно-тормозного) излучения, дифракции нейтронов, мессбауэровской спектроскопии, лазерной техники. В экспериментах широко применяются модельные системы, получение мутаций. Использование радиоактивных и (в меньшей мере) тяжелых изотопов составляет в М. б. обычный аналитический метод, так же как применение математических методов и ЭВМ. Если раньше молекулярные биологи ориентировались гл. обр. на физ. методы, созданные для исследования полимеров небиол. происхождения, то сейчас наблюдается все усиливающаяся тенденция к использованию хим. методов.

Для развития М. б. в СССР большое значение имело постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О мерах по ускорению развития молекулярной биологии и молекулярной генетики и использованию их достижений в народном хозяйстве», опубликованное 20 мая 1974 г. Исследования координируются Межведомственным научно-техническим советом по проблемам молекулярной биологии и молекулярной генетики при ГКНТ Совета Министров СССР и АН СССР, Научным советом по проблемам молекулярной биологии АН СССР, аналогичными советами АН союзных республик и отраслевых академий. Издается журнал «Молекулярная биология» (с 1967 г.) и реферативный журнал с тем же названием. Исследования по М. б. ведутся в ин-тах АН СССР, АМН СССР, республиканских академий наук, Главмикробиопрома, в высших учебных заведениях страны. В социалистических странах работают многие лаборатории такого профиля. В Европе действуют Европейская молекулярно-биологическая организация (ЕМБО), Европейская молекулярно-биологическая лаборатория (ЕМБЛ) в Гейдельберге, Европейская молекулярно-биологическая конференция (ЕМБК). Работают крупные специализированные лаборатории в США, Франции, Великобритании, ФРГ и других странах.

Специальные периодические издания, посвященные проблемам М. б., за рубежом: «Journal of Molecular Biology», «Nucleic Acids Research», «Molecular Biology Reports», «Gene».

Обзоры по М. б. публикуются в серии «Молекулярная биология» ВИНИТИ, в «Progress in Nucleic Acids Research and Molecular Biology», «Progress in Biophysics and Molecular Biology», «Annual Rewiew of Biochemistry», изданиях «Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology».

Библиография: Ашмарин И. П. Молекулярная биология, Л., 1977; Белозерский А. Н. Молекулярная биология — новая ступень познания природы, М., 1970; Бреслер С. Е. Молекулярная биология, Л., 1973; Кольцов Н. К. Наследственные молекулы, Бюлл. Моск. об-ва испыт. природы, отд. биол., т. 70, в. 4, с. 75, 1965; Октябрь и наука, под ред. А.П. Александрова и др., с. 393, 417, М., 1977; Северин С. Е. Современные проблемы физико-химической биологии, в кн.: 250 лет Академии наук СССР, с. 332, М., 1977; Уотсон Дж. Молекулярная биология: гена, пер. с англ., М., 1978; Энгельгардт В. А. Молекулярная биология, в кн.: Развитие биол, в СССР, под ред. Б. Е. Быховского, с. 598, М., 1967.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, изучает явления жизни на уровне макромолекул (гл. обр. белков и нуклеиновых к-т) в бесклеточных структурах (рибосомы и др.), в вирусах, а также в клетках. Цель молекулярной биологии-установление роли и механизма функционирования этих макромолекул на основе знания их структуры и св-в.

Исторически молекулярная биология сформировалась в ходе развития направлений биохимии, изучающих биополимеры. В то время как биохимия исследует гл. обр. обмен веществ и биоэнергетику, молекулярная биология уделяет главное внимание изучению способа хранения наследств. информации, механизма ее передачи дочерним клеткам и реализации этой информации. Молекулярная биология -пограничная наука, возникшая на границе биохимии, биоорганической химии, биофизики, орг. химии, цитологии и генетики. Формальной датой возникновения молекулярной биологии считают 1953, когда Дж. Уотсон и Ф. Крик установили структуру ДНК и высказали подтвердившееся позже предположение о механизме ее репликации (удвоении), лежащем в основе наследственности. Таким образом были увязаны ф-ции этого биополимера (тот факт, что ДНК-фактор наследственнести, установлен в 1944 О. Эйвери) с его хим. структурой и св-вами. Важное значение для становления молекулярной биологии как науки имели также работы по изучению мол. основ мышечного сокращения (В. А. Энгельгардт и М. И. Любимова, с 1939).

По истокам своего развития молекулярная биология неразрывно связана с м о л е к у л я р н о й г е н е т и к о й (наука, изучающая струк-турно-функцион. организацию генетич. аппарата клеток и механизма реализации наследств. информации), к-рая продолжает составлять важную часть молекулярной биологии, хотя и сформировалась уже в значит. мере в самостоят. дисциплину. Именно в этой области были достигнуты результаты, к-рые способствовали развитию молекулярной биологии и восприятию ее принципов.

Для понимания закономерностей строения нуклеиновых к-т и их поведения в клетке важнейшее значение имеет принцип комплементарности пуриновых и пиримидиновых оснований, установленный в 1953 Уотсоном и Криком. Признание значения пространств. отношений нашло свое выражение также в представлении о комплементарности пов-стей макромолекул и мол. комплексов, что является необходимым условием проявления слабых сил – невалентных взаимод. (водородные связи, ван-дер-ваальсовы взаимод. и др.), действующих лишь на коротких расстояниях и создающих морфологич. разнообразие биол. структур, их функцион. подвижность. Невалентные взаимод. обусловливают образование фермент-субстратных комплексов, самосборку биол. структур, напр. рибосом, и др.

Важное достижение молекулярной биологии-раскрытие на мол. уровне механизма мутаций. Главную роль в нем играют выпадения, вставки и перемещения отрезков ДНК, замены пары нуклео-тидов в функционально значимых отрезках генома. Определена важная роль мутаций в эволюции организмов (в СССР инициатором исследований мол. основ эволюции был А. Н. Белозерский). Раскрыты мол. основы таких генетич. процессов у прокариот (бактерии и синезеленые водоросли) и эукариот (все организмы, за исключением прокариот), как рекомбинация генетическая – обмен участками хромосом, приводящий к появлению бактерий (вирусов) с новым сочетанием генов. Достигнуты значит. успехи в изучении строения клеточного ядра, в т.ч. хромосом эукариот. Усовершенствование методов культивирования и гибридизации животных клеток способствовало развитию генетики со-матич. клеток (клеток тела). Была развита идея о репликоне (элементарная генетич. структура, способная к репликации как единое целое), объясняющая важные аспекты регуляции репликации (Ф. Жакоб и С. Бреннер, 1963). Значит. успех молекулярной биологии-первый хим. синтез гена, к-рый осуществил в 1968 X. Корана. Данные о хим. природе и тонком строении генов способствовали разработке методов их выделения (впервые осуществлено в 1969 Дж. Беквитом).

Исследование механизма биосинтеза белка позволило установить т. наз. центр. постулат, характеризующий движение генетич. информации: ДНК—> матричная рибонуклеи-новая кислота (мРНК) —> белок (существование мРНК впервые предсказано Белозерским и А. С. Спириным в 1957). Согласно этому постулату, белок представляет собой своего рода информац. клапан, препятствующий возвращению информации на уровень РНК и ДНК.

Образование в организме белков и нуклеиновых к-т осуществляется по типу матричного синтеза, для к-рого необходима матрица, или “шаблон”,-исходная полимерная молекула, к-рая предопределяет последовательность нуклеоти-дов (аминокислот) в синтезируемой копии (гипотеза о таком механизме синтеза биополимеров сформулирована в 1928 Н. К. Кольцовым). Такими матрицами являются ДНК при репликации и транскрипции (синтез мРНК на матрице ДНК), а также мРНК при трансляции (синтезе белка на матрице мРНК). Важное значение имело открытие обратной транскрипции, т.е. синтеза ДНК на матрице РНК, к-рое происходит у онкогенных РНК-содержащих вирусов с помощью спец. фермента – обратной транскриптазы (X. Темин и Д. Балтимор, 1970). Открытие генетического кода (его концепция сформулирована А. Даунсом и Г. Гамовым в 1952-54, а расшифровка осуществлена М. Ниренбергом,

X. Маттеи, С. Очоа и Кораной в 1961-65) позволило установить соотношение последовательности нуклеотидов в нуклеиновых к-тах с последовательностью аминокислот в белках. Регуляция синтеза белка наиб. изучена на уровне транскрипции. Для объяснения механизма регуляции важное значение имеет концепция оперона (совокупность связанных между собой генов и прилегающих к ним регуляторных участков), разработанная Жакобом и Ж. Моно в 1959, открытие белков-репрессоров (подавляют транскрипцию гена; см. Регуляторные белки), аллостерич. регуляции (изменение скорости транскрипции в зависимости от активности ферментов, участвующих в этом процессе) и регуляции по принципу обратной связи (см. также Регуляторы ферментов).

К сер. 60-х гг. 20 в. утвердилось представление об универсальности осн. черт строения и ф-ции гена как сложной линейной структуры ДНК, к-рый в результате транскрипции и послед. трансляции определяет первичную структуру по-липептидной цепи.

М олекулярная биология рассматривает также ряд др. вопросов фундаментального и прикладного характера. Большой интерес и значение имеют исследования репараций (исправлений) повреждений генома, причиненных коротковолновой радиацией, мутагенами и др. Большую самостоят. область составляют исследования механизма действия ферментов, основанные на представлениях о трехмерной структуре белков и роли слабых межмол. взаимодействий. Выяснены мн. дета-ли строения и развития вирусов, в особенности бактериофагов (вирусов бактерий). Изучение гемоглобинов у лиц, страдающих серповидно-клеточной анемией и др. гемогло-бинопатиями, положило начало изучению структурной основы “молекулярных болезней” – врожденных ошибок метаболизма.

Важная область молекулярной биологии-генетическая инженерия, разрабатывающая методы конструирования наследств. структур в виде молекул рекомбинантных ДНК. Применение методов генетич. инженерии позволило в короткие сроки выделить многочисл. гены и установить в них последовательность нуклеотидов. Таким образом были обнаружены мигрирующие генетические элементы (впервые предсказаны Б. Мак-Клинток в кон. 40-х гг. 20 в.), установлена мол. природа вариабельности молекул антител, открыта прерывистость в структуре эукариотич. генов и установлены новые принципы регуляции их активности. На базе генетич. инженерии стала активно развиваться биотехнология, связанная с произ-вом пептидов и белков, таких, как человеческие гормон роста, инсулин, интерфероны и др. Целенаправленное изменение структуры генов и их регуляторных областей и введение таких генов в бактериальные, животные и растит. клетки позволило создавать трансгенные организмы, способные вырабатывать новые белки (белковая инженерия) и придавать новые св-ва этим организмам.

Для проведения исследований в молекулярной биологии широко используют физ.-хим. методы и биол. эксперименты. Применяют разл. виды хроматографии, ультрацентрифугирование, рентгено-структурный анализ, электронную микроскопию, ЭПР, ЯМР и изотопные индикаторы, используют также син-хротронное (магнитно-тормозное) излучение, дифракцию нейтронов, мёссбауэровскую спектроскопию и лазерную технику. В экспериментах широко применяют модельные системы “ин витро” и мутагены.

Важное практич. значение молекулярная биология играет в развитии с. х-ва (направленное и контролируемое изменение наследств. аппарата животных и растений для получения высокопродуктивных пород и сортов), микробиол. пром-сти (см., напр., Микробиологический синтез), в развитии теоретич. основ разл. разделов медицины. Актуальные проблемы молекулярной биологии-исследование мол. механизмов злокачественного роста клеток, поиск способов предупреждения наследств. заболеваний, познание механизмов памяти, дальнейшее изучение механизмов действия ферментов, гормонов, лек. и токсич. в-в.

===
Исп. литература для статьи «МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ» : Кольцов Н. К., Наследственные молекулы, “Бюллетень Московского общества испытателей природы”, отдел биологический, 1965, т. 70, в. 4, с. 75-104; Энгельгардт В. А., Молекулярная биология, в кн.: Развитие биологии в СССР, М., 1967; Белозерский А. Н., Молекулярная биология-новая ступень познания природы, М., 1970; Баев А. А., Химические основы жизни, в кн.: Октябрь и наука, под ред. А. П. Александрова и др., М., 1977, с. 417-36; Уотсон Дж., Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1978; Зенг-буш П., Молекулярная и клеточная биология, пер. с нем., т. 1-3, М., 1982; Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот, под ред. А. С. Спирина, М., 1990. А. А. Баев, А. Д. Мирзабеков.

Страница «МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Молекулярная биология

Дата создания сайта: 08 / 12 /2012
Дата обновления главной страницы: 24.04.2019 21:25


icq:
613603564

Полезные ссылки

Эта новая отрасль биологии изучает структуру и функции (поведение) сложных высокомолекулярных соединений, составляющих клетку,- так называемые биологические полимеры. Их роль в жизнедеятельности клетки и всего организма огромна, особенно роль белков и нуклеиновых кислот, потому что именно они составляют материальную основу всего живого. В состав клетки входят и другие сложные биополимеры, например комплексы . Об этих соединениях мы пока еще знаем мало, но в дальнейшем, несомненно, и они станут предметом исследования ученых.
Молекулярная биология, в отличие от биохимии и других смежных наук, изучает поведение полимерных молекул. Это позволяет понять ряд сложных и тонких моментов в таких жизненных явлениях, как размножение, рост, развитие, наследственность и изменчивость.
Молекулярная биология зародилась лишь с появлением новых, очень точных физических и химических методов исследования, таких, как метод меченых атомов, скоростное центрифугирование, различные типы и виды хроматографических исследований, разнообразные оптические методы, рентгено-структурный анализ, электронная микроскопия и др. С их помощью, опираясь на содружество трех наук – биологии, физики и химии, удалось проникнуть в самые глубокие недра клетки и сделать новые открытия в изучении жизненных явлений.
В последнее время ученые расшифровали первичную структуру ряда белков – изучили последовательность расположения аминокислот в белковой цепи друг относительно друга.
Наука раскрыла трехмерную пространственную структуру некоторых белковых молекул, выявила взаимосвязи между химической структурой и биологической активностью ферментов.
Положено начало искусственным химическим синтезам простейших белков, причем синтезированные белки обладают той же биологической активностью, что и природные. Но, пожалуй, самым интересным и особенно важным было раскрытие механизмов биосинтеза белка.
Кропотливыми исследованиями ученые установили, как создается белок в живом организме. Теперь известно, что молекулы самых разнообразных белков состоят примерно из 20 различных аминокислот. Это как бы , из которых строятся разные, порой причудливые по своей архитектуре – белки, все их многообразие. Ведь белки различны даже в пределах одного организма: полагают, что отдельная бактериальная клетка содержит в среднем около 2000 различных белков.
Но если все белки состоят из одних и тех же аминокислот, то чем же объяснить их такие совсем различные биологические свойства?
Исследования последних лет показали, что биологическая особенность тех или иных белков зависит в первую очередь от последовательности и взаиморасположения аминокислот в цепи их молекул. Для биологических функций белка существенно и так называемое его макромолекулярное строение, иначе говоря, то, каким образом изгибается и складывается молекула в пространстве. Это доказано на белках-гормонах. Достаточно иногда переменить местами только две соседние аминокислоты в цепи молекулы, чтобы гормон исказил или даже полностью утратил свою биологическую функцию. Отсюда ясно, что одна из важнейших проблем не только молекулярной биологии, но и биологии в целом – биосинтез белка. Необходимо выяснить, каким образом живой организм, живая клетка могут воспроизводить молекулы белка с необычайно точным распределением аминокислот вдоль цепи.
Белок лежит в основе явлений жизни. И потому биосинтез белка имеет не только познавательное, но и колоссальное практическое значение, в частности для медицины и сельского хозяйства. Ведь ряд болезненных состояний организма связан как раз с нарушением процессов биосинтеза белка. И это не только изменение количества белка, но порой и искажение его молекулярной структуры.
Так, при наследственной болезни – серповидной анемии – синтезируется ненормальный белок-гемоглобин. Такой гемоглобин отличается от нормального только тем, что в его молекуле из 300 аминокислот изменена одна-единственная.
Совсем недавно появился даже термин . Многие ученые считают, что злокачественный рост клеток в живом организме (например, рак) связан с нарушением биосинтеза белка. Как только наука полностью познает этот важнейший жизненный процесс и сумеет управлять им, медицина получит новые способы лечения многих тяжелых болезней.
В науке проблема синтеза белка была впервые поставлена в конце 80-х годов прошлого столетия русским биохимиком А. Я. Данилевским. Однако широкое экспериментирование началось только в шестидесятых годах нашего века. Исследования показали, что в этом синтезе существенную роль играют нуклеиновые кислоты.
В любой живой клетке имеются нуклеиновые кислоты двух типов: рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). Они отличаются друг от друга по составу и химической структуре, а также по положению в клетке. Главная масса ДНК находится в клеточном ядре. Правда, в самое последнее время установлено, что в небольших количествах ДНК содержится и в других клеточных структурах (органоидах), например в пластидах, митохондриях. Что касается РНК, то она в том или ином виде встречается в любой части клетки.
В биосинтезе белка участвуют все типы нуклеиновых кислот. В клетке не одна, а по крайней мере три разновидности РНК, и у каждой в синтезе белка свои функции. Однако всем этим процессом ДНК, так как именно на ней определенных структурных участков ее молекулы образуется особого типа РНК – так называемая информационная, или матричная. Эта РНК переходит затем на мельчайшие клеточные частицы – рибосомы, и здесь в соответствии с ее структурой происходит синтез белка: аминокислоты в особом порядке распределяются вдоль цепи ее молекулы. Другими словами, сначала структура ДНК как бы отпечатывается в структуре информационной РНК, а затем этот отпечаток передается на структуру синтезируемого белка. В итоге образуется белок, который в своем строении отражает все особенности строения ДНК. Опыты показали, что всякие изменения в структуре ДНК сейчас же сказываются на структуре информационной РНК и, значит, на последовательности расположения аминокислот в белковой цепи, в итоге – на качестве синтезируемого белка. С изменением качества белка возникают новые типы процессов обмена веществ и, следовательно, появляются новые свойства клетки – в результате изменяются свойства всего организма.
Отсюда закономерен вывод: наследственность выявляется в процессе биосинтеза белка.
Особый порядок аминокислот в белках, как говорят, химической структурой ДНК, последовательностью расположения ее составных частей – нуклеоти-дов. Если аминокислоты – , из которых строятся белки, то нуклеотиды – это для постройки молекул нуклеиновых кислот. этих четыре сорта (ученые обозначают их буквами А, Т, Г, Ц). В молекуле ДНК несколько десятков, а может быть даже сотен, тысяч нуклео-тидов. Та или иная перестановка их вдоль цепи молекулы изменяет ее биологические свойства. ДНК у разнообразных видов организмов как раз и различается расстановкой нуклеотидов друг относительно друга. В разного типа РНК насчитывается от 60 до 6 тыс. нуклеотидов.
Имеются все основания считать, что аминокислотная последовательность кодируется в белках с помощью трех каких-то соседних нуклеотидов, содержащихся в цепи ДНК. Или, как говорят ученые, код, определяющий природу каждой аминокислоты в молекуле белка,- триплетный. Сейчас уже определен состав кодирующих триплетов – кодонов – для всех двадцати аминокислот. Таким образом, в зависимости от расположения кодирующих триплетов вдоль цепи молекулы ДНК на ней синтезируется молекула информационной, или матричной, РНК. Ее структура – точный отпечаток структуры ДНК. По этой канве (информационной РНК) располагаются аминокислоты в синтезирующейся молекуле белка.

Схема биосинтеза белка.
Информационная РНК (иРНК) образуется непосредственно на молекуле ДНК и является как бы ее отпечатком. Образование иРНК происходит по той же схеме, что и ДНК (см. след. рисунок), с той только разницей, что к одной цепи ДНК присоединяются , из которых строится РНК. Синтез белка начинается только тогда, когда иРНК присоединится к рибосоме. Транспортная РНК (тРНК) переносит аминокислоты и соединяет их в белковую цепь, которая формируется на молекуле иРНК.

Расшифровка основных этапов синтеза белка – большое достижение молекулярной биологии: теперь уже ясна генетическая роль нуклеиновых кислот, сущность генетического кода, основанного на молекулярной структуре ДНК, а значит, и природа наследственных изменений (мутаций) – основаэволюции и изменчивости живого мира. Ведь мутации организма как раз и связаны с изменением молекулярной структуры ДНК, происходящим под воздействием разнообразных факторов, например различного рода излучений, под влиянием химических веществ и др. (см. ст. ).
В 1953 г. Уотсон и Крик (США) установили макромолекулярную структуру ДНК. Это исключительное достижение способствовало не только разрешению ряда принципиальных вопросов, связанных с синтезом белка, но и пониманию явления удвоения (репликации) ДНК. Предложенная ими структурная модель ДНК наглядно объяснила, каким образом при делении клетки из одной материнской молекулы (ДНК) происходит образование двух совершенно тождественных дочерних молекул. Это все больше и больше подтверждается экспериментальными данными.
Открытие ученых выявило материальные основы генетической преемственности поколений. Более того, исходя из теоретических представлений удалось в пробирке, вне организма, произвести синтез ДНК. Теперь уже можно получить ДНК любого сорта, любой специфичности, в зависимости от того, какого сорта ДНК дать в смесь для опыта.
Ведущая роль ДНК в передаче наследственных свойств вытекает из самых разнообразных экспериментов. Показательны в этом отношении так называемые бактериальные трансформации, когда под влиянием ДНК, выделенной из одной разновидности бактерий (штамма), у другого штамма бактерий появляются новые признаки, передающиеся по наследству в последующих поколениях. Наследственные свойства организма, связанные с молекулярной структурой ДНК, реализуются, конечно, только на основе жизнедеятельности клетки в целом. Все это проливает свет на природу явлений, происходящих в хромосомах при делении клеточного ядра.

Схема удвоения молекулы ДНК

Спираль из двух цепей ДНК раскручивается (1) и цепи разъединяются (2); две дополняющие одна другую цепи ДНК (2) начинают присоединять к себе свободные нуклео-тиды (3). После соединения между собой соответствующих частей образуются две новые цепи-спирали (4). При удвоении молекулы ДНК всегда А соединяется с Т, а Г – с Ц. Это свойство способствует точному воспроизведению молекул. (Буквы означают различные составные части ДНК.)

Молекулярная биология, которая теперь стремительно и плодотворно развивается, пока еще мало дает для практики. На основании ее данных можно объяснить лишь некоторые факты бактериальных и вирусных мутаций, понять сущность отдельных вирусных инфекций, а также ряд наследственных заболеваний человека. Во всех странах мира, в том числе и в Советском Союзе, молекулярной биологии уделяется исключительно большое внимание. Размах исследований в этой области растет с каждым днем. И это понятно. Ведь как раз здесь открываются большие перспективы не только к познанию, но и к управлению важнейшими биологическими явлениями. Несомненно, что именно молекулярная биология разработает в будущем новые эффективные методы переделки природы организмов, а это приведет к созданию новых и высокопродуктивных форм животных, растений и микробов. На этой основе становятся реальными мечты человека о направленном изменении форм организмов, когда для получения новых сортов или пород потребуется не целая жизнь или десятилетия, а лишь несколько лет. Человек сможет управлять развитием растений и животных, что, конечно, будет способствовать развитию растениеводства, животноводства и тех отраслей народного хозяйства, которые используют микроорганизмы для производства пищевых и лекарственных продуктов.
О значении молекулярной биологии для медицины уже упоминалось ранее. Многие ученые считают, что достижения в этой области будут весьма существенны и для техники. Так, например, познание тонких механизмов мышечного сокращения и применение этого принципа в технике резко повысит коэффициент полезного действия многих машин. Использование структурной основы ферментов реорганизует всю химическую промышленность, так как они обладают более мощным каталитическим действием, чем неорганические катализаторы, и, что особенно важно, их действие специфично. Вскрытие молекулярных механизмов человеческой памяти, а также принципов биологического кодирования должно произвести переворот в автоматике.
Молекулярная биология скажет свое решающее слово в разрешении таких важных проблем, как фотосинтез и биологическая фиксация атмосферного азота.
Наконец, нельзя не сказать, что молекулярная биология вторглась, казалось бы, в совсем отдаленную от нее область – в систематику организмов. Данные молекулярной биологии в настоящее время как бы взорвали существующую систематику микробов, и, вероятно, в ближайшие годы будет создана новая систематика на основе действительно генетического принципа. Молекулярная биология наверняка впоследствии поможет решить ряд спорных вопросов по систематике и высших форм.
Все это вселяет надежду, что не за горами то время, когда, наконец, биологи подойдут к познанию путей и механизмов эволюционного процесса.
Таков краткий перечень вероятных перспектив, связанных с достижениями молекулярной биологии. Несомненно, что все усилия ученых окупятся сторицей.
Но не только молекулярная биология помогает нам глубоко изучать живой мир. В равной мере важны исследования и на уровне клетки, и на уровне организма, и на уровне биологического вида. Однако совершенно очевидно, что без молекулярной биологии не могут быть поняты такие основные жизненные явления, как размножение, развитие, рост, наследственность и изменчивость..

Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.

Доска объявлений:

www.matrixboard.ru

Каталог ссылок:

Каталог тематических ссылок:
Каталог статей:
Каталог фирм:
Каталог объявлений:
Добавить Ваши данные

Основы молекулярной биологии

I. Белок – субстрат жизни
Основу жизнедеятельности живых организмов составляют процессы превращения веществ (окисление, восстановление, расщепление, синтез). В течение жизни каждая клетка усваивает и продуцирует различные вещества, строит и обновляет свои структуры, выполняет определенные функции. Основным строительным материалом в клетке является белок (матриксы цитоплазмы, ядра, митохондрий, пластид; мембранные и немембранные органоиды) – это структурные белки.
Особую группу структурных белков составляют сократительные белки, которые формируют опорно-двигательные элементы клетки (микротрубочки, микрофиламенты, микрофибриллы) и определяют движение клеток, деление, фагоцитоз и др. К таким белкам относятся: актин, тубулин, миозин и др. Превращение веществ в клетке осуществляется с помощью ферментов, химической основой которых являются белки. Таким образом, структурная (пластическая) и каталитическая (ферментативная) функции являются главными функциями белка в любой клетке, именно белки определяют и строение клетки и процессы ее жизнедеятельности. Кроме этого, белки выполняют многочисленные функции в клетке и организме (табл. 2).

Белки являются универсальными молекулами и имеют принципиально сходное строение у животных, растений, бактерий и вирусов. Каждый белок в своей первичной структуре представляет собой цепочку аминокислот, соединенных пептидными связями (полипептид). Но в то же время, организмы разных видов различаются своими белками; разные ткани одного и того же организма построены из разных белков (соединительная ткань – коллаген; мышечная ткань – актин, миозин, миоглобин; ногти, волосы – кератин и т.д.); имеются индивидуальные отличия организмов по строению белков – следовательно, белки обладают специфичностью. Специфичность белков обусловлена особенностью первичной структуры. Полипептидные цепи различаются между собой набором аминокислот, последовательностью их расположения и количеством. Разнообразие белков огромно.

II. Нуклеиновые кислоты
В многоклеточном организме клетки дифференцируются и поэтому, клетки одной ткани сходны, а клетки разных тканей различаются по морфологии и функциям. При делении каждая клетка образует себе подобные дочерние клетки (из клеток печени образуются клетки печени; из клеток кожи – клетки кожи). Чтобы синтезировать белки, характерные для данного типа клеток, чтобы воспроизводить себе подобных – необходимо иметь информацию, заключенную в каком-то материальном субстрате, которую: а) можно использовать в процессе жизнедеятельности и б) передавать дочерним клеткам при делении. Это обеспечивает преемственность в строении и функции клеток и организмов в поколениях. Материальным субстратом – носителем генетической информации является ДНК (у некоторых вирусов – РНК). Реализация генетической информации происходит с участием различных РНК (мРНК, тРНК, рРНК). Нуклеиновые кислоты – биополимеры, состоящие из мономеров-нуклеотидов. Любой нуклеотид состоит из трёх частей: углевода, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Каждая молекула нуклеиновой кислоты – это определённые последовательности нуклеотидов. При соединении нуклеотидов в цепь образуются связи между углеводом и остатком фосфорной кислоты. Углеродный атом в 5 положении рибозы (дезоксирибозы) одного нуклеотида соединяется через фосфатную группу с углеродным атомом в 3 положении сахара предыдущего нуклеотида.
Таким образом, первый нуклеотид в цепи имеет свободный углеродный атом в 5 положении, а последний – в 3 положении (рис. 9), поэтому концы

полинуклеотидных цепей обозначаются как 5/ и 3/. В молекуле ДНК две полинуклеотидные цепи, они антипараллельны, то есть там, где у одной цепи 5/ конец – у второй – 3/ конец и наоборот.
Принципиально строение ДНК и РНК сходно, но есть и отличия: молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей (РНК – одна цепь), в состав ДНК входит углевод дезоксирибоза (РНК – рибоза), в состав ДНК входят азотистые основания – аденин, тимин, гуанин, цитозин (в РНК вместо тимина входит урацил). Нуклеотиды одной цепи ДНК (РНК) различаются между собой только азотистым основанием. Две цепи нуклеотидов ДНК соединяются водородными связями по правилу комплементарности: А-Т; Г-Ц.
ДНК содержится в ядре клетки, РНК – в ядре (в основном, в ядрышке) и цитоплазме (гиалоплазма, рибосомы). Кроме того, некоторые органоиды имеют собственную ДНК и все виды РНК (митохондрии, пластиды).
ДНК была открыта в 1869 году (Мишер), но только в 1953 году было расшифровано строение этой молекулы (Уотсон и Крик).
Основная биологическая роль ДНК состоит в хранении, передаче и самовоспроизведении наследственной (генетической) информации.
Строение ДНК универсально (принципиально одинаково у всех живых организмов), но разные молекулы ДНК различаются между собой.
Специфичность ДНК зависит от нуклеотидного состава, последовательности нуклеотидов, количества нуклеотидов. Таким образом, от того какие нуклеотиды входят в состав молекулы, как они расположены и сколько их, зависит объём информации и её смысл.
В строении ДНК содержится информация о структуре белков организма и рибонуклеиновых кислот (тРНК, рРНК).
Наследственный аппарат организован по-разному у вирусов, прокариот и эукариот. У вирусов – это может быть молекула ДНК или РНК (различной структурной организации).
У прокариот генетический аппарат представлен двухцепочечной кольцевой молекулой ДНК (нуклеоид, генофор), в которой содержится основная видовая наследственная информация, и плазмоном – совокупностью автономных генетических элементов. Это мелкие кольцевые молекулы ДНК – плазмиды и эписомы, содержащие ограниченную информацию о некоторых признаках данного организма (в плазмидах R находятся гены устойчивости к антибиотикам;эписомы F определяют способность к размножению). Плазмиды и эписомы способны к репликации и перемещению из клетки в клетку при конъюгации.
У эукариот генетический аппарат представлен надмолекулярными структурами – хромосомами, химической основой которых является хроматин (ДНК + белки). Хроматин может быть конденсирован, неактивный – гетерохроматин, или деконденсирован, активный – эухроматин (см. стр. 24). Не вся ДНК эукариот является информативной. Большая часть ее представлена регуляторными последовательностями. Многие участки повторяются в геноме (умеренные и высокие повторы).
Основные различия в организации генетического материала у про- и эукариот сведены в таблицу 3.

III. Генетический код, его характеристика
Смысл генетической информации зашифрован в молекуле ДНК. Генетический код – это система записи генетической информации, которая используется клеткой в процессе жизнедеятельности. Другими словами – это система расположения нуклеотидов в молекуле ДНК,
определяющая последовательность аминокислот в молекуле белка (правило коллинеарности). Единицей генетического кода является триплет нуклеотидов в молекуле ДНК (кодон), который соответств ует одной аминокислоте.
Генетический код характеризуется:
а) универсальностью (другого способа записи генетической информации в природе нет)
б) триплетностью (единица генетического кода – триплет нуклеотидов – кодон)
в) избыточностью (вырожденностью)
г) однозначностью
д) наличием смысловых, терминирующих и инициирующих кодонов.

IV. Реализация генетической информации в клетке
Реализация генетической информации происходит в течение всей жизни клетки в процессе биосинтеза белков, характерных для данного вида организмов (клеток).
Интенсивность биосинтеза белка наибольшая в интерфазе, снижается к началу деления, почти нулевая при делении и возрастает сразу после деления. Биосинтез белка можно разделить на два этапа: транскрипция (происходит в ядре на ДНК) и трансляция (происходит в цитоплазме на рибосомах).
Функциональной единицей, которая участвует в транскрипции, является цистрон – отрезок ДНК состоящий из трёх частей:
а) промотор (около 40 пар последовательностей), с которым связывается фермент РНК-полимераза;
б) последовательности, соответствующие структурному гену;
в) терминальный участок (трейлер), где заканчивается транскрипция.
Биологической сущностью транскрипции является “переписывание” генетической информации с молекулы ДНК на РНК, а химической – синтез молекулы мРНК. Биологической сущностью трансляции является перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот (расшифровка генетического кода), а химической – синтез полипептидной цепочки.
Оба процесса относятся к реакциям матричного синтеза, которые характеризуются: наличием молекулы-образца (матрицы), энергии, специфического фермента, выполнением правила комплементарности и протекают в три этапа (инициация, элонгация, терминация). У прокариот синтезированная мРНК сразу может служить матрицей для трансляции.
У эукариот информативные последовательности структурного гена (экзоны) разделены неинформативными (интроны). Первичный транскрипт включает как экзоны, так и интроны – это незрелая или про-мРНК. Затем начинается процессинг (созревание мРНК), в результате которого удаляются интроны и образуется зрелая мРНК, состоящая только из экзонов. Процессинг состоит из двух этапов: сплайсинга и модификации (рис. 10).

Трансляция (рис.10)
также состоит из инициации, элонгации и терминации.
Местом трансляции являются рибосомы. В рибосомах есть два активных функциональных центра – пептидильный и аминоацильный. Не работающая рибосома диссоциирована на две субъединицы: малую и большую.
Инициация трансляции начинается со связывания мРНК с малой субъединицей рибосомы, причём необходимо чтобы в её пептидильном центре оказался триплет АУГ – это инициирующий кодон. С этим кодоном связывается тРНК-f-метионин, а затем малая и большая субъединицы рибосомы объединяются. Рибосома готова к работе. В аминоацильном центре рибосомы находится другой триплет нуклеотидов мРНК, с которым может связаться тРНК, имеющая комплементарный антикодон. Когда это произойдёт, то между двумя аминокислотами (одна – f-метионин в пептидильном центре, вторая – в аминоацильном центре) возникает пептидная связь – образуется дипептид, инициация завершилась. Рибосома передвигается по мРНК на один триплет, который оказывается в аминоацильном центре, тРНК из него перемещается в пептидильный центр; она связана с дипептидом, а первая тРНК уходит в цитоплазму. Аминоацильный центр свободен, в нем находится новый кодон, с которым может связаться тРНК с комплементарным антикодоном. Так, передвигаясь по мРНК, рибосома “прочитывает” информацию, переводит её на язык аминокислот и полипептидная цепь наращивается. Это – элонгация. Элонгация происходит до тех пор, пока на пути рибосомы в А-центре не окажется кодон-терминатор. Тогда полипептидная цепь отсоединяется от рибосомы, мРНК тоже отделяется от рибосомы, рибосома диссоциируется на субъединицы, происходит терминация Этапы трансляции (рис.10):
Инициация 1-5. Начало матричного синтеза (трансляции) происходит поэтапно:
1- связывание мРНК с малой (30 S) субъединицей рибосомы
2 – установка в пептидильном центре (Р) инициирующего кодона АУГ (AUG)
3 – связывание тРНК с аминокислотой формил-метионин (тРНК – f-met) с кодоном АУГ (образование инициирующего комплекса)
4 – присоединение большой (50 S) субъединицы рибосомы
5.1-образование комплекса кодон-антикодон в аминоацильном (А) центре
5.2 – образование пептидной связи между формил-метионином и второй аминокислотой(образование дипептида)
5.3 – транспозиция рибосомы (перемещение) по мРНК на один триплет (при этом первая тРНК покидает рибосому, вторая тРНК, с которой связан дипептид, перемещается из А – в Р центр, а в А центре появляется новый кодон).
Элонгация 6 – 9. Углубление и ускорение процесса трансляции, результатом чего является наращивание полипептидной цепи. Состоит из многократно повторяющихся этапов:
6 – транспортировка аминокислот в рибосому с помощью тРНК
7.1-образование комплекса кодон-антикодон в А центре
7.2 – образование пептидной связи между аминокислотами
8 – транспозиция рибосомы по мРНК на один триплет
Терминация 10-11. Окончание трансляции.
10 – появление в А центре после очередной транспозиции рибосомы терминирующего кодона (УАА, УАГ, УГА)
11.1-в Р- центре дестабилизируется и утрачивается связь между тРНК и мРНК
11.2 – полипептид отщепляется от тРНК
11.3 – мРНК покидает рибосому
11.4 – диссоциация рибосомы на субъединицы

V. Репликация ДНК
Самовоспроизведение (ауторепродукция) ДНК называется репликацией. Репликация ДНК происходит перед делением клетки; в результате этого процесса содержание ДНК в клетке удваивается, а так как репликация протекает по правилу комплементарности, то две дочерние молекулы идентичны материнской и друг другу. Следовательно, каждая новая клетка получает информацию в количественном и качественном отношении одинаковую с родительской клеткой. Разъединение двух цепей ДНК у эукариот начинается одновременно в нескольких участках (у прокариот в одном месте). Такой участок называется – репликон (рис. 11а). В эукариотической клетке может быть более 2000 репликонов. Репликация – это реакция матричного синтеза; матрицей служит молекула ДНК, основными ферментами являются ДНК-полимераза, лигаза, рестриктаза.

Начинается процесс с разрыва водородных связей между азотистыми основаниями ДНК на участке, включающем около 300 пар нуклеотидов – это место называется точка инициации. Так как разъединение цепей ДНК от точки инициации идет вправо и влево одновременно, цепи ДНК антипараллельны, а фермент ДНК-полимераза может работать только в одном направлении (соединяя нуклеотиды от 5 углерода последующего к 3 углероду предыдущего), то синтез дочерних цепей идет по-разному на разных участках одного репликона. Одна цепь – лидирующая, синтезируется непрерывно, а вторая – отстающая, синтезируется фрагментарно (Рис. 11б).
На цепи 3/_5/ рядом с точкой инициации есть особая последовательность нуклеотидов – сайт инициации, на котором синтезируется небольшая молекула РНК (РНК-затравка). У РНК-затравки свободен 3/ – конец, к которому присоединяется первый нуклеотид ДНК, к нему второй и т. д. В результате синтезируется лидирующая дочерняя цепь. На противоположной, антипараллельной цепи (5/-3/) сайта инициации нет и проходит время, пока в

результате разрыва водородных связей обнаружится такой сайт; РНК-затравка синтезируется и от неё в сторону противоположную направлению разъединения ДНК синтезируется небольшой фрагмент дочерней цепи. После разъединения следующего участка молекулы ДНК, следующая молекула РНК-затравка находит свой сайт и синтезируется новый фрагмент дочерней цепи ДНК в направлении 5/ -3/ и т.д. Таким образом, эта цепь синтезируется небольшими фрагментами (фрагменты Оказаки) и отстаёт во времени. На другой половине репликона, где разъединение цепей ДНК идёт в другую сторону, также, в одном направлении дочерняя цепь синтезируется непрерывно, в другом – фрагментарно. Затем рестриктазы вырезают РНК-затравки (одну – из лидирующей цепи и от каждого фрагмента Оказаки на отстающей цепи), ДНК-полимераза достраивает молекулу ДНК на местах вырезанных РНК-затравок, а лигазы соединяют фрагменты в непрерывную цепь. В каждой новой молекуле ДНК одна цепь старая (материнская), а вторая – новая (дочерняя). Такой способ репликации называется полуконсервативным.

VI. Обратная транскрипция
Представление о направлении потока информации в клетке и последо-вательности процессов получило название центральной догмы молекулярной биологии. Передача генетической информации идёт в направлении

Однако, оказалось, что иногда информация может передаваться от РНК к ДНК. Это явление было изучено у вирусов, генетический аппарат которых представлен не ДНК, а РНК. Это группа ретровирусов, к которым относится вирус гриппа, СПИДа и др. Чтобы после внедрения таких вирусов в клетку хозяина их генетическая информация могла быть использована для синтеза вирусных белков, необходимо на вирусной РНК синтезировать ДНК, с последующим встраиванием ее в геном клетки. Этот процесс идёт под контролем фермента ревертазы (обратной транскриптазы) и называется обратной транскрипцией. Таким образом, направление потока генетической информации в клетке в окончательном виде выглядит так:

Открытие явления обратной транскрипции сыграло большую роль в развитии генной инженерии, микробиологии. С помощью ревертаз получают важные лекарственные препараты белковой природы (интерферон, гамма- глобулин и др.), вводя в микробную клетку мРНК человека с информацией о строении этих белков.

Биохимия и молекулярная биология – где учиться?

16:33, 14 января 2019

Пирогов Сергей – участник подготовки к олимпиаде по биологии, организованной “Слон и Жираф” в 2012 г.
Победитель международной универсиады по биологии
Победитель олимпиады «Ломоносов»
Призёр регионального этапа Всероссийской олимпиады по биологии в 2012 г.
Учится в МГУ им. М.В. Ломоносова на биологическом факультете: кафедре молекулярной биологии, на 6 курсе. Работает в лаборатории биохимической генетики животных Института молекулярной генетики.

— Серёжа, если у читателей появятся вопросы, они смогут их тебе задать?

— Да, конечно, задать вопросы можно хоть сразу. В этом поле:

— Давай начнем со школы, у тебя вроде была не суперкрутая школа?

— Я учился в весьма слабой московской школе школе, такой среднестатистической СОШ. Правда у нас была замечательная учительница по МХК, благодаря которой у нас появилась во многом номинальная “искусствоведческая” направленность школы.

— А что с биологией?

— Биологию у нас вела очень пожилая, глуховатая и резкая женщина, которую все побаивались. Но любви к её предмету не прибавляло. Я же с детства был увлечён биологией, лет с пяти. Читал всё сам, в основном увлекаясь анатомией и зоологией. Так что школьные предметы существовали параллельно моим собственным интересам. Всё поменяли олимпиады.

— Расскажи об этом подробнее.

— В 7 классе я впервые поучаствовал в муниципальном этапе (конечно, сразу почти по всем предметам, так как был единственным учеником, которого учителя имели основания отправить). И стал победителем по биологии. Тогда школа отнеслась к этому как к забавному, но не слишком интересному факту.

— Помогло ли это тебе в школе?

— Помню, что несмотря на блестящую учёбу, нередко получал от преподавателя по биологии четвёрки с придирками вроде “на рисунке разреза луковицы корешки должны быть раскрашены коричневым, а не серым”. Всё это было довольно удручающим. В 8 классе я снова пошёл на олимпиады, но по биологии меня почему-то не отправили. Зато стал победителем и призёром по другим предметам.

— А что было в 9 классе?

— В 9 классе не пошёл на окружной этап. Там-то я неожиданно набрал слабенький, пограничный балл, который оказался всё же проходным на региональный этап. Это имело мощную мотивирующую силу – осознание того, как многого оказывается я не знаю и как много людей, всё это знающих (сколько таких людей в масштабе страны я даже боялся представить).

— Расскажи, как ты готовился.

— Интенсивные самостоятельные занятие, набеги на книжные магазины и тысячи прошлогодних заданий возымели целительный эффект. Я набрал один из наибольших баллов за теорию (что тоже было для меня совершенно внезапным), прошёл на практический этап. и провалил его. В то время я ещё вообще не знал про существование практического этапа.

— Повлияла ли на тебя олимпиада?

— Моя жизнь радикально изменилась. Я узнал про многие другие олимпиады, в особенности полюбил ШБО. Впоследствии на многих показывал хорошие результаты, некоторые выигрывал, благодаря “Ломоносовской” получил право на поступление без экзаменов. Параллельно я выигрывал олимпиады по истории искусства, к которому неровно дышу и поныне. Правда с практическими турами так и не дружил. В 11 классе я всё-таки дошёл до заключительного этапа, но Фортуна не была благосклонна и в этот раз я не успел заполнить матрицу ответов теоретического этапа. Зато это позволило уже не сильно беспокоиться за практический.

— Ты со многими олимпиадниками познакомился?

— Да, до сих пор считаю, что мне очень повезло с кругом моих сверстников, изрядно расширивших мой кругозор. Другой стороной олимпиад, помимо мотивации более гармонично изучать предмет, было знакомство с олимпиадниками. Уже в то время я заметил, что горизонтальное общение подчас полезнее вертикального – с преподавателями на сборах.

— Как ты поступал в ВУЗ? Выбирал факультет?

— После 11 класса я поступил на биофак МГУ. Как раз большинство моих тогдашних товарищей сделали выбор в пользу ФББ, но тут первоочередную роль сыграло то, что я не стал призёром всеросса. Значит мне надо было бы сдавать внутренний экзамен по математике, а в ней, особенно школьной – высшую я полюбил значительно больше – я был не силен. И в школе была очень слабая подготовка (нас даже не готовили к почти всей С части). В плане интересов уже тогда я догадывался, что, в конечном счёте, можно прийти к любому результату, вне зависимости от места поступления. Впоследствии выяснилось, что много есть и выпускников ФББ, переходивших в преимущественно мокрую биологию, и наоборот – многие хорошие биоинформатики начинали любителями. Хотя в тот момент мне и казалось, что на биофаке контингент будет не в пример слабее ФББшному. В этом я, безусловно, ошибался.

В лагере Слон и Жираф есть смены по биохимии и молекулярной биологии, где школьники вместе с опытными преподаватели из МГУ ставят эксперименты, а также готовятся к олимпиадам.

Молекулярная биология МГУ

— Какие у тебя были первые впечатления от МГУ?

— С первой же недели учёбы обнаружилось любопытное открытие: олимпиадное прошлое имеет очень слабый эффект на университетское настоящее. Конечно, биологические дисциплины у олимпиадников шли проще, но это тем сильнее впечатляло – как люди, бывшие ученики гуманитарных или физмат школы, выучившие биологию только на уровень ЕГЭ, в кратчайшие сроки осваивали весь материал почти с нуля.

— Помогала ли тебе олимпиада в университете?

— Вскоре после поступления все олимпиадные заслуги были забыты (это поначалу в меньшей степени коснулось “избранных” групп, куда отбирали всероссников и межнарников, но со временем и на них возымело эффект). Все на равных погружались в матан, все на равных учили физхим. Ещё в старших классах я увлёкся биохимией и цитологией, потом ещё с большим энтузиазмом переключился на молекулярную биологию. У меня никогда не было хороших учителей по биологии, поэтому я привык всё разбирать сам. Так что в университете я наглым образом прогуливал большинство лекций. Это не помешало мне закрыть первые пять сессий на все отличные отметки, причём половину – автоматами.

Кафедра молекулярной биологии

— Расскажи о выборе кафедры.

— Выбор потока был очевиден – биохимический. Так что количество химических дисциплин на втором курсе зашкаливало. Но сложнее был выбор между двумя сильнейшими на нём кафедрами: молекулярной биологии и биохимии. В конце концов, с трудом, я выбрал молекулярную биологию. В этот раз выбор был обусловлен чисто научным интересом. К тому же кафедра молбио (молекулярной биологии) отличалась большей свободой. Например, можно было раньше пойти работать в лабораторию. Забавно, что много лет назад ситуация была обратной: при Спирине порядки были строгими, и все свободолюбцы шли на вирусологию.

— Тяжело было поступать на кафедру?

— Конкурс на кафедру был довольно высоким, не менее двух человек на место (для распределения по кафедрам это много). Задавали, как это было издавна принято, вопросы на “широкий ум”. Физика, химия, математика, география и т.п. Хотя про интересы в молекулярной биологии тоже спросили. Помню, что мне задали вопрос про силу Архимеда, я на него с лёгкостью ответил, а потом попросили назвать саму формулу. С перепуга я её забыл, но возразил, что помнить формулы куда менее важно, чем смысл. Инквизиторы удовлетворились этим ответом. Вообще, в ходе отбора часто бывают неприятные казусы. Не то чтобы унизительные, но неприятные. Но, как говорится, не буду выносить сор из избы. Надеюсь, что со временем это меняется. На биохимию тоже был строгий отбор. На некоторые другие кафедры (например, физиология растений и микробиология) часто берут, как говорится, по остаточному принципу.

— И как впечатления от учёбы на кафедре?

— Несколько лет обучения на кафедре оставили неоднозначное впечатление. Было много хороших курсов, семинаров, практикумов и интересных лекторов. С другой стороны, не хватает местами обновления программы и наборов курсов. Много дисциплин интересных, но далёких от молекулярной биологии. В итоге мы много учимся вместе с другими кафедрами: физиологией растений, вирусологией, биохимией, но своих узких дисциплин меньше, чем хотелось бы. Нужно больше действующих учёных в разных направлениях, пусть не на целый семестровый курс, но по одной-двум лекциям в рамках каких-то объединяющих дисциплин. Такие прецеденты имеются, но есть куда расти.

— В каких лабораториях ты уже успел поработать?

— С третьего курса я работал в лаборатории Георгиева в Институте Биологии Гена под руководством О.Г. Максименко, изучал роль длинной некодирующей РНК в комплексе дозовой компенсации. Тогда я открыл вторую истину: учёба в университете мало коррелирует с ходом научной деятельности, во всяком случае в малом масштабе. Каким бы острым умом и богатой эрудицией не обладал, эксперименту было плевать на это. Конечно, уровень ведущего научного сотрудника, человека планирующего ход многих экспериментов, требует этих качеств. Но пока ты сидишь и ставишь один из многих экспериментов, единственное, что решает – это трудолюбие.

— Тяжело ставить эксперименты?

— Важно не ожидать быстрых результатов. В олимпиадах и университете мы привыкаем, что потрудившись мы сразу получаем рыбок. В науке – нет. Ты работаешь и ждёшь. Пока у друзей начинают выходить штабелями статьи и они получают стипендии за премиями, ты можешь месяцами ходить вокруг одного и того же. К этому надо быть готовым. Этакое научное монастырское смирение. Хотя хороший научный руководитель и старается по возможности обеспечить студента положительным подкреплением.

— Где ты работаешь сейчас?

— Сейчас я поменял лабораторию, работаю у Гвоздева, изучаю регуляцию рибосомных генов. Менять лаборатории, особенно на ранних этапах – полезная практика. Это позволяет заводить контакты в научной среде, расширять кругозор теоретических знаний и практических методов. В перспективе планирую поехать в аспирантуру за рубеж.

— Что ты думаешь о программе обучения на биофаке МГУ?

— Не думаю, что на она всегда грамотно сформирована (иногда кажется, что совсем неправильно – но это скорее наивный максимализм). Но меня это мало тревожит, ведь знания всегда можно добыть самостоятельно. Зато в МГУ я встретил большое число фантастически умных и разносторонне развитых людей. Этот опыт я правда считаю незаменимым, ведь часто именно общение с друзьями сильнее всего может повлиять на наши вкусы и взгляды.

— Сложно попасть в научную лабораторию? Что бы ты мог посоветовать тем, кто только с этим начинает разбираться?

— Попасть в лабораторию гораздо проще, чем кажется. Достаточно лишь написать, дальше проще. Не возьмут в одну – возьмут значит в другую. И лучше начинать это пораньше: многие международные школы и программы уже на ранних этапах затребуют ваши результаты и достижения (и уж точно рекомендательных писем руководителей). А у нас у многих результаты появляются лишь к концу обучения.

— Если у читателей появятся вопросы, они смогут их тебе задать?

— Да, конечно, задать вопросы можно здесь.

В лагере Слон и Жираф есть смены по биохимии и молекулярной биологии, где школьники вместе с опытными преподаватели из МГУ ставят эксперименты, а также готовятся к олимпиадам.

Молекулярная биология – Molecular biology

Часть серии на
биохимия
Ключевые компоненты
  • биомолекулы
  • метаболизм
История и темы
  • история
  • биохимия
  • цитология
  • Биоинформатика
  • энзимология
  • генетика
  • иммунология
  • Молекулярная биология
  • завод биохимия
  • Структурная биология
  • Отрасли биохимии
  • Список биохимиков
глоссарии
  • Глоссарий биологии
  • Словарь химии
Порталы: биология , MCB

Молекулярная биология / м ə л ɛ к J ʊ л ər / является ветвью биологии , что касается молекулярной основы биологической активности между биомолекул в различных системах клетки , в том числе взаимодействий между ДНК , РНК , белков и их биосинтеза , а также регулирование этих взаимодействий. Запись в природе в 1961 году, Астбери описал молекулярную биологию:

. не столько техника , как подход, подход с точки зрения так называемых фундаментальных наук с ведущей идеей поиска ниже крупномасштабных проявлений классической биологии для соответствующего молекулярного плана. Он обеспокоен тем, в частности , с формами биологических молекул и [. ] преимущественно трехмерным и структурно – что не означает, однако, что это всего лишь уточнение морфологии. Он должен в то же время исследовать генезис и функции.

содержание

Отношение к другим биологическим наукам

Исследователи в области молекулярной биологии используют специфические методы произрастающих молекулярной биологии , но все больше и больше комбинировать их с методами и идеями от генетики и биохимии . Существует не определенная грань между этими дисциплинами. Это показано на следующей схеме , которая изображает один возможный вид отношений между полями:

  • Биохимия является изучение химических веществ и жизненно важных процессовпроисходящих в живых организмах . Биохимики тяжело сосредоточиться на роли, функции и структуры биомолекул . Изучение химии за биологических процессов и синтеза биологически активных молекулявляются примерами биохимии .
  • Генетика является изучение влияния генетических различий в организмах. Это часто может быть выведенотсутствии нормальной компоненты (напримеродин ген ). Изучение « мутанты » – организмыкоторыеимеют один или более функциональные компоненты по отношению к так называемому « дикому типу » или нормальному фенотипу . Генетические взаимодействия ( эпистаз ) часто путают простые интерпретации таких « нокаут » исследования.
  • Молекулярная биология является изучение молекулярных основ процессов репликации , транскрипции , трансляции и функции клеток. Центральная догма молекулярной биологии , где генетический материал транскрибируется в РНК и затем транслируется в белок , несмотрятоупрощенно,прежнему обеспечивает хорошую начальную точку для понимания поля. Картина была пересмотрена в свете возникающих новых ролей для РНК .

Большая часть молекулярной биологии является количественным, а в последнее время многое было сделано на ее границе с компьютерной науки в области биоинформатики и вычислительной биологии . В начале 2000 – х лет, изучение структуры генов и функции, молекулярная генетика , было одним из самых известных подполех молекулярной биологии. Все чаще во многих других областях биологии сфокусированы на молекулы, либо непосредственно изучающие взаимодействий в их собственном праве , такие , как в клеточной биологии и биологии развития , или косвенно, где молекулярные методы используются для вывода исторических признаков популяций или вида , как и в областях , в эволюционной биологии такие как популяционная генетика и филогенетика . Существует также давняя традиция изучения биомолекул «с нуля» в биофизике .

Методы молекулярной биологии

Молекулярное клонирование

Одним из самых основных методов молекулярной биологии для изучения функции белка является молекулярным клонированием . В этой технике, ДНК , кодирующий белок , представляющего интерес, клонированной с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР), и / или ферменты рестрикции в плазмиде ( вектора экспрессии , ). Вектор имеет 3 отличительные особенности: начало репликации, а сайт множественного клонирования (MCS), и селективный маркер , как правило , с устойчивостью к антибиотикам . Расположенные выше сайт множественного клонирования являются промоторными областями и транскрипции сайта инициации, которые регулируют экспрессию клонированного гена. Эта плазмида может быть вставлена в либо бактериальные или животных клеток. Введение ДНК в бактериальные клетки может быть сделано путем трансформации с помощью поглощения голой ДНК, конъюгаций с помощью межклеточных контактов или путем трансдукции с помощью вирусного вектора. Введение ДНК в эукариотические клетки, такие как клетки животных, с помощью физических или химических средств, называется трансфекцией . Несколько различных методов трансфекции доступны, такие как фосфат кальция трансфекции, электропорации , микроинъекции и липосомальной трансфекции . Плазмида может быть интегрирована в геном , что приводит к стабильной трансфекции, или может оставаться независимыми от генома, называемого переходными процессы трансфекции.

ДНК , кодирующие белки , представляющего интереса, в настоящее время внутри клетки, и белки , теперь могут быть выражены. Разнообразные системы, такие как индуцибельные промоторы и специфических клеточных сигнальных факторов, которые помогут выразить интерес белок на высоких уровнях. Большие количества белка могут быть затем извлечены из бактериальной или эукариотической клетки. Белок может быть проверен на ферментативную активность при различных ситуациях, белка можно кристаллизовать поэтому его третичная структура может быть изучена, или, в фармацевтической промышленности, активность новых препаратов против белка может быть изучена.

Полимеразной цепной реакции

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) является чрезвычайно универсальным методом для копирования ДНК. Вкратце, ПЦР позволяет конкретная ДНК – последовательность для копирования или изменений в заданных направлениях. Реакция является чрезвычайно мощным и при идеальных условиях может усиливать одна молекула ДНК , чтобы стать 1,07 млрд молекул менее чем за два часа. Метод ПЦР может быть использован для введения ферментов рестрикции участков на концах молекул ДНК, или мутировать конкретных оснований ДНК, причем последний способ называют сайт-направленного мутагенеза . ПЦР также может быть использован , чтобы определить , является ли конкретный фрагмент ДНК найдена в библиотеке кДНК . ПЦР имеет множество вариаций, например обратной транскрипции ПЦР ( RT-PCR ) для амплификации РНК, и, совсем недавно, количественной ПЦР , которые позволяют для количественного измерения молекул ДНК или РНК.

Гель-электрофорез

Гель – электрофорез является одним из основных инструментов молекулярной биологии. Основной принцип заключается в том , что ДНК, РНК и белки могут быть разделены с помощью электрического поля и размера. В электрофорезе в агарозном геле , ДНК и РНК могут быть разделены на основании размера, выполнив ДНК через электрический заряженный агарозный гель. Белки могут быть разделены на основе размера с помощью SDS-PAGE гель, или на основании размера и их электрического заряда , используя то , что известно как электрофореза 2D гель .

Макромолекулы-блоттинга и исследование

Термины северный , западный и восточный блоттинг получает из , что первоначально была молекулярная биология шутка , которая играла на термине Саузернет , после методики , описанной Edwin Southern для гибридизации BLOTTED ДНК. Патриция Томас, разработчик РНК – блоттинга , который затем стал известен как северному – блоттинга , на самом деле не использовать этот термин.

Саузернблоттинг

Названный в честь его изобретателя, биолог Эдвин Южный , то Саузерн – блот представляет собой метод для исследования на наличие специфической последовательности ДНК в образце ДНК. Образцы ДНК до или после фермента рестрикции (рестриктаз) перевариваний разделены с помощью электрофореза в геле , а затем переносили на мембрану с помощью блоттинга с помощью капиллярного действия . Мембрану затем подвергают воздействию меченого ДНК – зонда , который имеет последовательность оснований дополнением к последовательности на ДНК , представляющей интерес. Саузерн – блоттинг менее широко используется в научной лаборатории из – за способности других методов, таких как ПЦР , для обнаружения специфических последовательностей ДНК из образцов ДНК. Эти блоты все еще используются для некоторых применений, однако, таких как измерение трансгена числа копий в трансгенных мышах или в инженерии гена нокаутных линий эмбриональных стволовых клеток .

Северный блоттинга

Нозерн – блот используется для изучения паттерны экспрессии определенного типа молекулы РНК в качестве относительного сравнения между набором различных образцов РНК. По существу , это сочетание денатурации гель – электрофореза РНК , и блот . В этом процессе РНК отделяется в зависимости от размера и затем переносили на мембрану, которая затем зондируют меченым комплемента последовательности , представляющей интерес. Результаты могут быть визуализированы с помощью различных способов в зависимости от используемой метки; Однако, большинство результат в раскрытии полос , представляющих размеры РНК , обнаруженной в образце. Интенсивность этих полос связана с количеством РНК – мишени в образцах , проанализированных. Процедура обычно используется для изучения , когда и сколько экспрессии генов происходит путем измерения , сколько из этой РНК присутствует в различных образцах. Это один из самых основных инструментов для определения , в какое время и при каких условиях, некоторые гены экспрессируются в живых тканях.

Вестерн-блоттинга

В Вестерн – блоттинга , белки сначала разделяют по размеру, в тонкой гель зажатой между двумя стеклянными пластинами в технике , известной как SDS-PAGE . Белки в геле, затем переносили на поливинилиденфторид (ПВДФ), нитроцеллюлоза, нейлон, или другой опорной мембраны. Эта мембрана может быть затем зондировали с растворами антител . Антитела , которые специфически связываются с белком , представляющего интерес , то можно визуализировать с помощью различных методик, в том числе окрашенных продуктов, хемилюминесценции или авторадиографии . Часто, антитела помечены ферментами. Когда хемилюминесцентный субстрат подвергают воздействию фермента , что позволяет обнаруживать. С помощью методов Вестерн – блоттинга позволяет не только обнаруживать , но и количественный анализ. Аналогичные методы в Вестерн – блоттинга может быть использован непосредственно окрашивать специфические белки в живых клетках или ткани секций.

Восточно-блоттинга

Восточный блоттинг метод используются для выявления посттрансляционной модификации белков. Белки промокают на PVDF или нитроцеллюлозную мембрану зондировали для модификаций с использованием специфических субстратов.

Microarrays

Микрочипов ДНК представляет собой совокупность точек , прикрепленных к твердой подложке , таким как стекло микроскопа , где каждое пятно содержит один или несколько одноцепочечных ДНК олигонуклеотидных фрагментов. Массивы позволяют сложить большое количество очень мелких (диаметром 100 микрометров) пятен на одном слайде. Каждое пятно имеет молекулу ДНК – фрагмент , который комплементарен одной ДНК – последовательность . Разновидность этого метода позволяет экспрессии генов организма на определенной стадии развития , чтобы быть квалифицированы ( выражение профилирование ). В этой технике РНК в ткани выдел ют и превращают в меченой комплементарной ДНК (кДНК). Эта кДНК затем гибридизуют фрагменты в массиве и визуализации гибридизации можно сделать. Поскольку несколько массивы могут быть сделаны с точно такой же позиции фрагментов они особенно полезны для сравнения экспрессии генов двух различных тканей, таких как здоровой и раковой ткани. Кроме того , можно измерить , что гены экспрессируются и как это выражение изменяется со временем или с другими факторами. Есть много различных способов для изготовления микрочипов; наиболее распространенными являются кремниевые чипы, предметные стекла микроскопа с пятнами

100 диаметром микрометров, пользовательские массивы и массивы с более крупными пятнами на пористых мембран (macroarrays). Там может быть от 100 мест до более чем 10000 на данном массиве. Массивы также могут быть сделаны с другими , чем ДНК молекул.

Аллель-специфический олигонуклеотид

Аллель-специфический олигонуклеотид (АСО) представляет собой метод , который позволяет обнаруживать одиночные базовые мутации без необходимости в ПЦР или гель – электрофорезе. Короткие (20-25 нуклеотидов в длину), меченые зонды подвергаются нефрагментируемого ДНК – мишени, гибридизация происходит с высокой специфичностью из – за короткой длины зондов и даже одно изменение базовой будет препятствовать гибридизации. ДНК – мишени затем промывают и меченые зонды , которые не гибридизуются удаляются. ДНК – мишень затем анализировали на наличие зонда через радиоактивности или флуоресценции. В этом эксперименте, как и в большинстве методов молекулярной биологии, управление должно быть использовано , чтобы обеспечить успешное экспериментирование.

В молекулярной биологии, процедура и технология постоянно совершенствуются и старые технологии отказались. Например, до появления ДНК геля – электрофорез ( агарозном или полиакриламидном ), размер молекул ДНК , как правило , определяется скорость седиментации в сахарозах градиентов , медленной и трудоемкой техника , требующей дорогостоящие приборы; до градиентов сахарозы, вискозиметрия была использована. Помимо их исторического интереса, часто стоит знать о старой технологии, как это иногда полезно , чтобы решить еще одну новую проблему , для которой новая техника не подходит.

история

В то время как молекулярная биология была создана в 1930 году , этот термин был придуман Уоррен Уивер в 1938 году Уивер был директором естественных наук для Фонда Рокфеллера в то время , и считает , что биология собирался пройти период существенных изменений учитывая последние достижения в области области , такие как рентгеновская кристаллография .

Клинические исследования и медицинские методы лечения , вытекающие из молекулярной биологии, частично охвачены генной терапии . Применение молекулярной биологии или молекулярных клеточная биология подходов в медицине теперь называется молекулярной медициной . Молекулярная биология также играет важную роль в понимании образования, действий и нормативных актов различных частей клеток , которые могут быть использованы для эффективных предназначаться новые лекарства , болезнь диагноза и понять физиологию клетки.

Читайте также:  Кровоточивость дёсен – причины кровотечения в ротовой полости.
Добавить комментарий