Biohemija i molekularna biologija - gdje studirati? Molekularna biologija Molekularni biolozi u istraživanju i obrazovanju

Molekularna biologija

nauka koja za svoj zadatak postavlja poznavanje prirode životnih fenomena proučavanjem bioloških objekata i sistema na nivou koji se približava molekularnom nivou, au nekim slučajevima i dostiže ovu granicu. Krajnji cilj u ovom slučaju je otkriti kako i u kojoj mjeri karakteristične manifestacije života, kao što su nasljedstvo, reprodukcija vlastite vrste, biosinteza proteina, ekscitabilnost, rast i razvoj, skladištenje i prijenos informacija, konverzija energije, pokretljivost itd., nastaju zbog strukture, svojstava i interakcije molekula biološki važnih supstanci, prvenstveno biološki važnih supstanci Sepo-a, prvenstveno biološki važnih bioloških supstanci, pre svega dvaju biomernih supstanci. - proteini i nukleinske kiseline. Posebnost M. b. - proučavanje fenomena života na neživim predmetima ili onima koje karakteriziraju najprimitivnije manifestacije života. To su biološke formacije sa ćelijskog nivoa i ispod: subćelijske organele, kao što su izolirana ćelijska jezgra, mitohondrije, ribozomi, hromozomi, ćelijske membrane; dalje - sistemi koji stoje na granici žive i nežive prirode - virusi, uključujući bakteriofage, i završavajući sa molekulima kritične komponenteživa tvar - nukleinske kiseline (Vidi Nukleinske kiseline) i proteini (Vidi Proteini).

M. b. - nova oblast prirodnih nauka, usko povezana sa davno uspostavljenim oblastima istraživanja, koje pokrivaju biohemija (vidi Biohemija), biofizika (vidi Biofizika) i bioorganska hemija (vidi Bioorganska hemija). Razlikovanje je ovdje moguće samo na osnovu uzimanja u obzir korištenih metoda i fundamentalne prirode korištenih pristupa.

Osnove na kojima se M. razvio postavile su nauke kao što su genetika, biohemija, fiziologija elementarnih procesa, itd. Prema poreklu svog razvoja, M. b. neraskidivo povezan sa molekularnom genetikom (vidi Molekularna genetika) , koje i dalje čini važan dio M. bankarstva, iako se već u velikoj mjeri formiralo u samostalnu disciplinu. M.-ova izolacija. iz biohemije diktiraju sljedeća razmatranja. Zadaci biohemije uglavnom su ograničeni na utvrđivanje učešća određenih hemijskih supstanci u određenim biološkim funkcijama i procesima i rasvetljavanje prirode njihovih transformacija; vodeću ulogu imaju informacije o reaktivnosti i o glavnim karakteristikama hemijske strukture, izražene uobičajenim hemijska formula. Dakle, u suštini, pažnja je usmerena na transformacije koje utiču na glavni valent hemijske veze. U međuvremenu, kako je naglasio L. Pauling , u biološkim sistemima i manifestacijama vitalne aktivnosti, glavni značaj treba dati ne glavno-valentnim vezama koje djeluju unutar istog molekula, već različitim vrstama veza koje određuju međumolekulske interakcije (elektrostatičke, van der Waalsove, vodonične veze itd.).

Krajnji rezultat biohemijske studije može se predstaviti u obliku sistema hemijskih jednačina, obično potpuno iscrpljenih njihovim predstavljanjem na ravni, odnosno u dve dimenzije. Posebnost M. b. je njegova trodimenzionalnost. Suština M. b. M. Perutz to vidi u tumačenju bioloških funkcija u smislu molekularne strukture. Možemo reći da ako je prije, prilikom proučavanja bioloških objekata, bilo potrebno odgovoriti na pitanje "šta", odnosno koje su supstance prisutne, i pitanje "gdje" - u kojim tkivima i organima, onda je M. b. postavlja sebi zadatak da dobije odgovore na pitanje "kako", znajući suštinu uloge i sudjelovanja cjelokupne strukture molekule, te na pitanja "zašto" i "zašto", otkrivši, s jedne strane, veze između svojstava molekule (opet, prvenstveno proteina i nukleinskih kiselina) i vitalnih funkcija koje ona obavlja, s druge strane, vitalnih funkcija koje obavlja, te uloge pojedinih kompleksnih funkcija.

Međusobni raspored atoma i njihova grupisanja u opštoj strukturi makromolekula, njihovi prostorni odnosi dobijaju odlučujuću ulogu. Ovo se odnosi kako na pojedinačne, pojedinačne komponente, tako i na ukupnu konfiguraciju molekula u cjelini. Kao rezultat nastanka strogo određene volumetrijske strukture, molekule biopolimera dobijaju ona svojstva, zbog kojih su u stanju da služe kao materijalna osnova bioloških funkcija. Ovaj princip pristupa proučavanju živog je najkarakterističnija, tipična karakteristika M. b.

Istorijska referenca. Veliku važnost proučavanja bioloških problema na molekularnom nivou predvidio je I. P. Pavlov , koji je govorio o poslednjem koraku u nauci o životu - fiziologiji živog molekula. Sam pojam „M. b." je prvi put korišten na engleskom jeziku. naučnici W. Astbury u primjeni na istraživanja koja se odnose na razjašnjavanje odnosa između molekularne strukture i fizičke i biološka svojstva fibrilarni (vlaknasti) proteini kao što su kolagen, krvni fibrin ili kontraktilni mišićni proteini. Široko koristite izraz „M. b." čelika od ranih 1950-ih. 20ti vijek

Pojava M. kao zrelu nauku, uobičajeno je da se poziva na 1953. godinu, kada su J. Watson i F. Crick u Kembridžu (Velika Britanija) otkrili trodimenzionalnu strukturu deoksiribonukleinske kiseline (DNK). To je omogućilo da se govori o tome kako detalji ove strukture određuju biološke funkcije DNK kao materijalnog nosioca nasljednih informacija. U principu, ova uloga DNK postala je poznata nešto ranije (1944.) kao rezultat rada američkog genetičara O. T. Averyja i saradnika (vidi Molekularna genetika), ali nije poznato u kojoj mjeri datu funkciju zavisi od molekularne strukture DNK. To je postalo moguće tek nakon što su laboratorije W. L. Bragga, J. Bernala i drugih razvile nove principe analize rendgenske difrakcije, što je omogućilo korištenje ove metode za detaljno poznavanje prostorne strukture makromolekula proteina i nukleinskih kiselina.

Nivoi molekularne organizacije. Godine 1957, J. Kendrew je uspostavio trodimenzionalnu strukturu mioglobina a , a u narednim godinama to je uradio M. Perutz u odnosu na Hemoglobin a. Formulisane su ideje o različitim nivoima prostorne organizacije makromolekula. Primarna struktura je niz pojedinačnih jedinica (monomera) u lancu rezultirajućeg molekula polimera. Za proteine, monomeri su aminokiseline. , za nukleinske kiseline - Nukleotidi. Linearna, filamentozna molekula biopolimera, kao rezultat nastanka vodikovih veza, ima sposobnost da se na određeni način uklapa u prostor, na primjer, u slučaju proteina, kako je pokazao L. Pauling, može imati oblik spirale. Ovo se naziva sekundarnom strukturom. Kaže se da je tercijarna struktura kada se molekul koji ima sekundarnu strukturu dalje savija na ovaj ili onaj način, ispunjavajući trodimenzionalni prostor. Konačno, molekuli koji imaju trodimenzionalnu strukturu mogu ući u interakciju, pravilno locirani u prostoru jedan u odnosu na druge i formirajući ono što je označeno kao kvartarna struktura; njegove pojedinačne komponente se obično nazivaju podjedinicama.

Većina dobar primjer Način na koji molekularna trodimenzionalna struktura određuje biološke funkcije molekula je DNK. Ima strukturu dvostruke spirale: dvije niti koje se kreću u međusobno suprotnom smjeru (antiparalelno) su upletene jedna oko druge, tvoreći dvostruku spiralu sa međusobno komplementarnim rasporedom baza, tj. tako da naspram određene osnove jednog lanca uvijek postoji takva baza u drugom lancu da najbolji način obezbeđuje stvaranje vodoničnih veza: adepin (A) formira par sa timinom (T), gvanin (G) - sa citozinom (C). Ova struktura stvara optimalni uslovi za najvažnije biološke funkcije DNK: kvantitativno umnožavanje nasljednih informacija u procesu ćelijske diobe uz održavanje kvalitativne nepromjenjivosti ovog toka genetskih informacija. Kada se ćelija podijeli, lanci dvostruke spirale DNK, koja služi kao šablona, ​​odnosno šablona, ​​odmotaju se i na svakom od njih, pod djelovanjem enzima, sintetizira se komplementarni novi lanac. Kao rezultat toga, dvije potpuno identične kćerke molekule se dobijaju iz jednog roditeljskog molekula DNK (vidi Ćelija, Mitoza).

Slično, u slučaju hemoglobina, pokazalo se da je njegova biološka funkcija - sposobnost reverzibilnog pričvršćivanja kisika u plućima i potom davanja u tkiva - usko povezana s karakteristikama trodimenzionalne strukture hemoglobina i njegovim promjenama u procesu implementacije njegove fiziološke uloge. Prilikom vezivanja i disocijacije O 2 dolazi do prostornih promjena u konformaciji molekule hemoglobina, što dovodi do promjene afiniteta atoma željeza koji se u njemu nalaze za kisik. Promjene u veličini molekula hemoglobina, nalik promjenama u volumenu prsa prilikom disanja, dozvoljeno je nazvati hemoglobin "molekularnim plućima".

Jedna od najvažnijih karakteristika živih objekata je njihova sposobnost da fino reguliraju sve manifestacije vitalne aktivnosti. Najveći doprinos M. naučna otkrića treba smatrati otkrićem novog, ranije nepoznatog regulatornog mehanizma, koji se naziva alosterijski efekat. Leži u sposobnosti tvari male molekularne težine - tzv. ligandi - za modificiranje specifičnih bioloških funkcija makromolekula, prvenstveno proteina koji djeluju katalitički - enzima, hemoglobina, receptorskih proteina koji su uključeni u izgradnju bioloških membrana (vidi Biološke membrane), u sinaptičkom prijenosu (vidi sinapse) itd.

Tri biotička toka. U svjetlu M.-ovih ideja. ukupnost fenomena života može se posmatrati kao rezultat kombinacije tri toka: protok materije, koji svoj izraz nalazi u fenomenima metabolizma, odnosno asimilacije i disimilacije; protok energije, koji je pokretačka snaga za sve manifestacije života; i protok informacija, prožimajući ne samo čitavu raznolikost procesa razvoja i postojanja svakog organizma, već i kontinuirani niz uzastopnih generacija. Upravo ideja protoka informacija, unesena u doktrinu živog svijeta razvojem biomaterijala, ostavlja na njoj svoj specifičan, jedinstven pečat.

Najvažnija dostignuća molekularne biologije. Brzina, obim i dubina M. uticaja. napredak u razumijevanju temeljnih problema proučavanja žive prirode s pravom se poredi, na primjer, sa uticajem kvantne teorije na razvoj atomske fizike. Dva suštinski povezana uslova odredila su ovaj revolucionarni uticaj. S jedne strane, odlučujuću ulogu odigralo je otkriće mogućnosti proučavanja najvažnijih manifestacija vitalne aktivnosti u najjednostavnijim uvjetima, približavajući se vrsti kemijskih i fizičkih eksperimenata. S druge strane, kao posljedica ove okolnosti, došlo je do ubrzanog uključivanja značajnog broja predstavnika egzaktnih nauka - fizičara, hemičara, kristalografa, a potom i matematičara - u izradu bioloških problema. U svojoj ukupnosti, ove okolnosti su odredile neuobičajeno brz tempo razvoja M. b., broj i značaj njegovih uspjeha, postignutih za samo dvije decenije. Evo daleko od potpune liste ovih dostignuća: otkrivanje strukture i mehanizma biološke funkcije DNK, svih vrsta RNK i ribozoma (vidi Ribozomi) , otkrivanje genetskog koda (vidi genetski kod) ; otkriće obrnute transkripcije (vidi transkripciju) , tj. sinteza DNK na RNK šablonu; proučavanje mehanizama funkcionisanja respiratornih pigmenata; otkriće trodimenzionalne strukture i njene funkcionalne uloge u djelovanju enzima (vidi Enzimi) , princip matriksne sinteze i mehanizmi biosinteze proteina; otkrivanje strukture virusa (vidi Virusi) i mehanizama njihove replikacije, primarne i, dijelom, prostorne strukture antitijela; izolacija pojedinačnih gena , hemijska, a zatim biološka (enzimska) sinteza gena, uključujući humanu, izvan ćelije (in vitro); prijenos gena iz jednog organizma u drugi, uključujući i ljudske ćelije; brzo napreduje dešifrovanje hemijske strukture sve većeg broja pojedinačnih proteina, uglavnom enzima, kao i nukleinskih kiselina; otkrivanje fenomena "samosastavljanja" nekih bioloških objekata sve složenije, počevši od molekula nukleinskih kiselina pa do višekomponentnih enzima, virusa, ribozoma itd.; rasvjetljavanje alosteričnih i drugih osnovnih principa regulacije bioloških funkcija i procesa.

Redukcionizam i integracija. M. b. je završna faza tog pravca u proučavanju živih objekata, koja se označava kao "redukcionizam", odnosno želja da se složene životne funkcije svedu na pojave koje se javljaju na molekularnom nivou i stoga dostupne za proučavanje metodama fizike i hemije. Ostvareno M. b. uspjesi svjedoče o djelotvornosti ovog pristupa. Pri tome se mora uzeti u obzir da se u prirodnim uslovima u ćeliji, tkivu, organu i celom organizmu radi sa sistemima sve složenije. Takvi sistemi se formiraju od komponenti nižeg nivoa kroz njihovu regularnu integraciju u cjeline, dobijajući strukturnu i funkcionalnu organizaciju i posjeduju nova svojstva. Stoga, pošto je poznavanje obrazaca dostupnih za otkrivanje na molekularnom i susjednom nivou detaljno, prije M. b. nameće se zadatak razumevanja mehanizama integracije kao pravca daljeg razvoja u proučavanju fenomena života. Ovdje se polazi od proučavanja sila međumolekularnih interakcija - vodikovih veza, van der Waalsovih, elektrostatičkih sila, itd. Svojom kombinacijom i prostornim rasporedom one formiraju ono što se može nazvati "integrativna informacija". Treba ga smatrati jednim od glavnih dijelova već spomenutog toka informacija. Na području M. primjeri integracije mogu biti fenomeni samosastavljanja složenih formacija iz mješavine njihovih sastavnih dijelova. To uključuje, na primjer, formiranje višekomponentnih proteina iz njihovih podjedinica, formiranje virusa iz njihovih sastavnih dijelova - proteina i nukleinskih kiselina, obnavljanje originalne strukture ribozoma nakon odvajanja njihovih proteinskih i nukleinskih komponenti, itd. Proučavanje ovih fenomena je u direktnoj vezi sa poznavanjem osnovnih fenomena "recimopoognog molekula". Poenta je otkriti koje kombinacije aminokiselina - u proteinskim molekulima ili nukleotidima - u nukleinskim kiselinama međusobno djeluju tijekom procesa povezivanja pojedinačnih molekula s formiranjem kompleksa strogo specifičnog, unaprijed određenog sastava i strukture. To uključuje procese formiranja kompleksnih proteina iz njihovih podjedinica; dalje, selektivna interakcija između molekula nukleinske kiseline, na primjer, transporta i matriksa (u ovom slučaju, otkriće genetskog koda značajno je proširilo naše informacije); konačno, to je formiranje mnogih vrsta struktura (na primjer, ribozoma, virusa, kromosoma), u kojima učestvuju i proteini i nukleinske kiseline. Otkrivanje relevantnih obrazaca, poznavanje "jezika" koji leži u osnovi ovih interakcija, jedan je od kritična područja M. b., još uvijek čeka svoj razvoj. Smatra se da ovo područje spada u niz fundamentalnih problema za cijelu biosferu.

Problemi molekularne biologije. Uz navedene važne zadatke M. bi. (poznavanje zakona "prepoznavanja", samosastavljanja i integracije) stvarni pravac naučne potrage za blisku budućnost je razvoj metoda koje omogućavaju dešifrovanje strukture, a potom i trodimenzionalne, prostorne organizacije visokomolekularnih nukleinskih kiselina. Ovo je sada postignuto s obzirom na opšti plan trodimenzionalne strukture DNK (dvostruki heliks), ali bez tačnog poznavanja njene primarne strukture. Brzi napredak u razvoju analitičkih metoda omogućava nam da sa sigurnošću očekujemo postizanje ovih ciljeva u narednim godinama. Ovdje, naravno, glavni doprinosi dolaze od predstavnika srodnih nauka, prije svega fizike i hemije. Sve najvažnije metode, čija je upotreba osigurala nastanak i uspjeh M. b., predložili su i razvili fizičari (ultracentrifugiranje, analiza rendgenske difrakcije, elektronska mikroskopija, nuklearna magnetna rezonanca itd.). Gotovo svi novi fizički eksperimentalni pristupi (na primjer, upotreba kompjutera, sinhrotrona ili kočnog zraka, zračenja, laserske tehnologije i drugi) otvaraju nove mogućnosti za dubinsko proučavanje problema M. b. Među najvažnijim zadacima praktične prirode, na koje se odgovor očekuje od M., na prvom mjestu je problem molekularnih osnova malignog rasta, zatim – načini prevencije, a možda i prevladavanja nasljednih bolesti – „molekularne bolesti“ (vidi Molekularne bolesti). Od velikog značaja biće rasvetljavanje molekularne osnove biološke katalize, odnosno delovanja enzima. Među najvažnijim savremeni trendovi M. b. treba uključiti želju za dešifriranjem molekularnih mehanizama djelovanja hormona (vidi Hormoni) , toksičnih i medicinskih supstanci, kao i da saznaju detalje molekularne strukture i funkcioniranja takvih ćelijskih struktura kao što su biološke membrane uključene u regulaciju procesa prodiranja i transporta tvari. Dalji golovi M. b. - poznavanje prirode nervnih procesa, mehanizama pamćenja (vidi Memorija) itd. Jedan od važnih novonastalih dijelova M. b. - takozvani. genetskog inženjeringa, koji za svoj zadatak postavlja svrsishodan rad genetskog aparata (Genoma) živih organizama, počevši od mikroba i nižih (jednoćelijskih) pa do ljudi (u ovom drugom slučaju, prvenstveno u svrhu radikalnog liječenja nasljednih bolesti i korekcije genetskih defekata). O opsežnijim intervencijama u genetskoj osnovi čovjeka može se govoriti tek u manje-više dalekoj budućnosti, jer se u ovom slučaju pojavljuju ozbiljne prepreke, kako tehničke tako i fundamentalne. Što se tiče mikroba, biljaka, a moguće je i stranica - x. Za životinje su takvi izgledi vrlo ohrabrujući (na primjer, dobivanje sorti kultiviranih biljaka koje imaju aparat za fiksiranje dušika iz zraka i ne trebaju gnojiva). Zasnivaju se na već postignutim uspjesima: izolaciji i sintezi gena, prijenosu gena iz jednog organizma u drugi, korištenju masovnih ćelijskih kultura kao proizvođača ekonomski ili medicinski važnih supstanci.

Organizacija istraživanja u molekularnoj biologiji. Brzi razvoj M. dovelo je do pojave velikog broja specijalizovanih istraživačkih centara. Njihov broj brzo raste. Najveći: u UK - Laboratorija za molekularnu biologiju u Kembridžu, Kraljevski institut u Londonu; u Francuskoj - instituti za molekularnu biologiju u Parizu, Marseilleu, Strazburu, Pasteur institut; u SAD-u - odjeli M. b. na univerzitetima i institutima u Bostonu (Univerzitet Harvard, Massachusetts Institute of Technology), San Francisku (Berkeley), Los Angelesu (Kalifornijski institut za tehnologiju), New Yorku (Rockefeller University), zdravstvenim institutima u Bethesdi, itd.; u Njemačkoj - Instituti Max Planck, univerziteti u Getingenu i Minhenu; u Švedskoj, Institut Karolinska u Stockholmu; u DDR - Centralni institut za molekularnu biologiju u Berlinu, instituti u Jeni i Haleu; u Mađarskoj - Biološki centar u Segedinu. U SSSR-u bi bio prvi specijalizovani institut M. stvorena je u Moskvi 1957. godine u sistemu Akademije nauka SSSR-a (vidi. ); zatim su formirani: Institut za bioorgansku hemiju Akademije nauka SSSR u Moskvi, Institut za proteine ​​u Puščinu, Biološki odsek Instituta za atomsku energiju (Moskva) i odeljenja M. b. na institutima Sibirskog ogranka Akademije nauka u Novosibirsku, Interdepartmanskoj laboratoriji bioorganske hemije Moskovskog državnog univerziteta, Sektoru (kasnije Institut) za molekularnu biologiju i genetiku Akademije nauka Ukrajinske SSR u Kijevu; značajan rad na M. b. sprovodi se u Institutu za makromolekularna jedinjenja u Lenjingradu, u nizu odeljenja i laboratorija Akademije nauka SSSR-a i drugim odeljenjima.

Uz pojedinačne istraživačke centre, nastale su organizacije šireg obima. U zapadnoj Evropi je nastala Evropska organizacija za M. (EMBO), u kojoj učestvuje više od 10 zemalja. U SSSR-u je 1966. godine u Institutu za molekularnu biologiju osnovano Naučno vijeće o M. B., koje je koordinirajući i organizacioni centar u ovoj oblasti znanja. Objavio je obimnu seriju monografija o najvažnijim rubrikama M. B., redovno se organizuju „zimske škole“ o M. B., održavaju konferencije i simpozijumi. aktuelna pitanja M. b. U budućnosti bi naučni savjeti o M. stvoreni su na Akademiji medicinskih nauka SSSR-a i mnogim republičkim akademijama nauka. Časopis Molekularna biologija izlazi od 1966. godine (6 brojeva godišnje).

Za prilično kratkotrajno razdoblje u SSSR-u je porasla značajna grupa istraživača u oblasti M.; to su naučnici starije generacije koji su djelimično promijenili svoja interesovanja iz drugih oblasti; uglavnom su to brojni mladi istraživači. Među vodećim naučnicima koji su aktivno učestvovali u formiranju i razvoju M. b. u SSSR-u se mogu imenovati A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunshtein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. M. nova dostignuća. a molekularna genetika će biti promovirana rezolucijom Centralnog komiteta KPSS i Vijeća ministara SSSR-a (maj 1974.) „O mjerama za ubrzanje razvoja molekularne biologije i molekularne genetike i korištenja njihovih dostignuća u nacionalnoj ekonomiji“.

Lit.: Wagner R., Mitchell G., Genetika i metabolizam, trans. sa engleskog, M., 1958; Szent-Gyorgy i A., Bioenergetics, trans. sa engleskog, M., 1960; Anfinsen K., Molekularna osnova evolucije, trans. sa engleskog, M., 1962; Stanley W., Valens E., Virusi i priroda života, trans. sa engleskog, M., 1963; Molekularna genetika, trans. With. engleski, dio 1, M., 1964; Volkenstein M.V., Molekuli i život. Uvod u molekularnu biofiziku, M., 1965; Gaurowitz F., Hemija i funkcije proteina, trans. sa engleskog, M., 1965; Bresler S. E., Uvod u molekularnu biologiju, 3. izd., M. - L., 1973; Ingram V., Biosinteza makromolekula, trans. sa engleskog, M., 1966; Engelhardt V. A., Molekularna biologija, u knjizi: Razvoj biologije u SSSR-u, M., 1967; Uvod u molekularnu biologiju, trans. sa engleskog, M., 1967; Watson, J., Molecular Biology of the Gene, trans. sa engleskog, M., 1967; Finean J., Biološke ultrastrukture, trans. sa engleskog, M., 1970; Bendoll, J., Muscles, Molecules, and Movement, trans. sa engleskog, M., 1970; Ichas M., Biološki kod, trans. sa engleskog, M., 1971; Molekularna biologija virusa, M., 1971; Molekularne osnove biosinteze proteina, M., 1971; Bernhard S., Struktura i funkcija enzima, trans. sa engleskog, M., 1971; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribozom, 2. izd., M., 1971; Frenkel-Konrat H., Hemija i biologija virusa, trans. sa engleskog, M., 1972; Smith C., Hanewalt F., Molekularna fotobiologija. Procesi inaktivacije i oporavka, trans. sa engleskog, M., 1972; Harris G., Osnove ljudske biohemijske genetike, trans. sa engleskog, M., 1973.

V. A. Engelhardt.

Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija. 1969-1978 .

Strip za konkurs "bio/mol/tekst": Danas će vas epruveta molekularnog biologa voditi kroz svijet nevjerovatne nauke - molekularne biologije! Počet ćemo s povijesnim izletom kroz faze njegovog razvoja, opisati ćemo glavna otkrića i eksperimente od 1933. godine. Također ćemo jasno opisati glavne metode molekularne biologije, koje su omogućile manipulaciju genima, njihovu promjenu i izolaciju. Pojava ovih metoda poslužila je kao snažan poticaj razvoju molekularne biologije. A prisjetimo se i uloge biotehnologije i dotaknimo se jedne od najpopularnijih tema u ovoj oblasti - uređivanja genoma pomoću CRISPR/Cas sistema.

Generalni sponzor takmičenja i partner Skoltech nominacije je .

Pokrovitelj takmičenja je kompanija Diaem: najveći dobavljač opreme, reagensa i potrošnog materijala za biološka istraživanja i proizvodnju.

Kompanija je sponzorisala nagradu publike.

"Knjiga" pokrovitelj takmičenja - "Alpina non-fiction"

1. Uvod. Suština molekularne biologije

Proučava osnove vitalne aktivnosti organizama na nivou makromolekula. Cilj molekularne biologije je utvrditi ulogu i mehanizme funkcionisanja ovih makromolekula na osnovu znanja o njihovoj strukturi i svojstvima.

Istorijski gledano, molekularna biologija je nastala tokom razvoja oblasti biohemije koje proučavaju nukleinske kiseline i proteine. Dok je biohemija proučavanje metabolizma, hemijski sastavživim ćelijama, organizmima i hemijskim procesima koji se u njima odvijaju, molekularna biologija se fokusira na proučavanje mehanizama prenosa, reprodukcije i skladištenja genetskih informacija.

A predmet proučavanja molekularne biologije su same nukleinske kiseline - deoksiribonukleinska (DNK), ribonukleinska (RNA) - i proteini, kao i njihovi makromolekularni kompleksi - hromozomi, ribozomi, multienzimski sistemi koji obezbeđuju biosintezu proteina i nukleinskih kiselina. Molekularna biologija se takođe graniči sa objektima proučavanja i delimično se poklapa sa molekularnom genetikom, virusologijom, biohemijom i nizom drugih srodnih bioloških nauka.

2. Istorijski izlet kroz faze razvoja molekularne biologije

Kao posebna oblast biohemije, molekularna biologija se počela razvijati 30-ih godina prošlog stoljeća. Već tada je postalo neophodno razumjeti fenomen života na molekularnom nivou kako bi se proučavali procesi prijenosa i skladištenja genetskih informacija. Upravo u to vrijeme uspostavljen je zadatak molekularne biologije u proučavanju svojstava, strukture i interakcije proteina i nukleinskih kiselina.

Termin "molekularna biologija" prvi put je upotrijebljen u 1933 godine William Astbury tokom proučavanja fibrilarnih proteina (kolagen, krvni fibrin, kontraktilni mišićni proteini). Astbury je proučavao odnos između molekularne strukture i bioloških, fizičkih karakteristika ovih proteina. Na početku nastanka molekularne biologije, RNK se smatrala komponentom samo biljaka i gljiva, a DNK samo životinja. I unutra 1935 Otkriće DNK graška od strane Andreja Belozerskog dovelo je do utvrđivanja činjenice da se DNK nalazi u svakoj živoj ćeliji.

IN 1940 Kolosalno dostignuće bilo je uspostavljanje uzročne veze između gena i proteina od strane Georgea Beadlea i Edwarda Tathama. Hipoteza naučnika "Jedan gen - jedan enzim" formirala je osnovu za koncept da je specifična struktura proteina regulisana genima. Vjeruje se da je genetska informacija kodirana posebnim nizom nukleotida u DNK koji regulira primarnu strukturu proteina. Kasnije je dokazano da mnogi proteini imaju kvarternu strukturu. U formiranju takvih struktura učestvuju različiti peptidni lanci. Na osnovu toga, odredba o odnosu gena i enzima je donekle transformisana i sada zvuči kao "Jedan gen - jedan polipeptid".

IN 1944 Godine 1999. američki biolog Oswald Avery i njegove kolege (Colin McLeod i McLean McCarthy) dokazali su da je supstanca koja uzrokuje transformaciju bakterija DNK, a ne proteini. Eksperiment je poslužio kao dokaz uloge DNK u prijenosu nasljednih informacija, precrtavajući zastarjela znanja o proteinskoj prirodi gena.

Početkom 1950-ih, Frederick Sanger je pokazao da je proteinski lanac jedinstvena sekvenca aminokiselinskih ostataka. IN 1951 I 1952 godine, naučnik je odredio kompletnu sekvencu dva polipeptidna lanca - goveđeg insulina IN(30 aminokiselinskih ostataka) i A(21 aminokiselinski ostatak), respektivno.

Otprilike u isto vrijeme, u 1951–1953 Erwin Chargaff je formulisao pravila za omjer azotnih baza u DNK. Prema pravilu, bez obzira na vrste razlika živih organizama u njihovoj DNK, količina adenina (A) jednaka je količini timina (T), a količina guanina (G) jednaka je količini citozina (C).

IN 1953 dokazali genetsku ulogu DNK. James Watson i Francis Crick, na osnovu rendgenskog zraka DNK koji su dobili Rosalind Franklin i Maurice Wilkins, ustanovili su prostornu strukturu DNK i iznijeli kasnije potvrđenu pretpostavku o mehanizmu njene replikacije (udvostručavanja), koja leži u osnovi nasljeđa.

1958 godine - formiranje centralne dogme molekularne biologije Francisa Cricka: prijenos genetskih informacija ide u smjeru DNK → RNK → protein.

Suština dogme je da u ćelijama postoji određeni usmjereni tok informacija iz DNK, koji je, pak, originalni genetski tekst, koji se sastoji od četiri slova: A, T, G i C. Zapisan je u dvostrukoj spirali DNK u obliku sekvenci ovih slova - nukleotida.

Ovaj tekst se transkribuje. I proces se zove transkripcija. U tom procesu se sintetiše RNK, koja je identična genetskom tekstu, ali sa razlikom: u RNK se umesto T nalazi U (uracil).

Ova RNK se zove glasničku RNA (mRNA), ili matrica (mRNA). Broadcast mRNA se izvodi korištenjem genetskog koda u obliku tripletnih sekvenci nukleotida. Tokom ovog procesa, tekst DNK i RNK nukleinskih kiselina se prevodi iz teksta od četiri slova u tekst od dvadeset slova aminokiselina.

Prirodnih aminokiselina ima samo dvadeset, a u tekstu nukleinskih kiselina postoje četiri slova. Zbog toga postoji prijevod sa abecede od četiri slova na azbuku od dvadeset slova putem genetskog koda, u kojem svaka tri nukleotida odgovaraju aminokiselini. Dakle, možete napraviti čitave 64 kombinacije od tri slova od četiri slova, štaviše, aminokiselina ima 20. Iz ovoga proizilazi da genetski kod nužno mora imati svojstvo degeneracije. Međutim, u to vrijeme genetski kod nije bio poznat, osim toga, nije se ni počeo dešifrirati, ali je Krik već formulirao svoju središnju dogmu.

Ipak, postojala je sigurnost da kod mora postojati. Do tada je dokazano da ovaj kod ima trostruki karakter. To znači da konkretno tri slova u nukleinskim kiselinama ( kodoni) odgovaraju bilo kojoj aminokiselini. Postoje 64 ova kodona, oni kodiraju za 20 aminokiselina. To znači da svaka aminokiselina odgovara nekoliko kodona odjednom.

Dakle, možemo zaključiti da je centralna dogma postulat koji kaže da se u ćeliji odvija usmjeren tok informacija: DNK → RNK → protein. Krik je naglasio glavni sadržaj centralne dogme: ne može doći do obrnutog toka informacija, protein nije sposoban da promeni genetske informacije.

Ovo je glavno značenje centralne dogme: protein nije u stanju da promeni i transformiše informacije u DNK (ili RNK), tok uvek ide samo u jednom pravcu.

Neko vrijeme nakon toga otkriven je novi enzim, koji nije bio poznat u vrijeme formulacije centralne dogme, - reverzna transkriptaza koji sintetizira DNK iz RNK. Enzim je otkriven u virusima, kod kojih su genetske informacije kodirane u RNK, a ne u DNK. Takvi virusi se nazivaju retrovirusi. Imaju virusnu kapsulu u kojoj je zatvorena RNK i poseban enzim. Enzim je reverzna transkriptaza koja sintetiše DNK prema šablonu ove virusne RNK, a ta DNK potom služi kao genetski materijal za dalji razvoj virusa u ćeliji.

Naravno, ovo otkriće izazvalo je veliki šok i mnoge kontroverze među molekularnim biolozima, jer se vjerovalo da, na osnovu središnje dogme, to ne može biti. Međutim, Krik je odmah objasnio da nikada nije rekao da je to nemoguće. Rekao je samo da nikada ne može postojati protok informacija od proteina do nukleinskih kiselina, a već unutar nukleinskih kiselina su sasvim mogući bilo kakvi procesi: sinteza DNK na DNK, DNK na RNK, RNK na DNK i RNK na RNK.

Nakon formulacije središnje dogme, ostala su brojna pitanja: kako abeceda od četiri nukleotida koja čine DNK (ili RNK) kodira abecedu od 20 slova aminokiselina koje čine proteine? Šta je suština genetskog koda?

Prve ideje o postojanju genetskog koda formulirao je Alexander Downes ( 1952 d.) i Georgij Gamov ( 1954 G.). Naučnici su pokazali da sekvenca nukleotida mora uključivati ​​najmanje tri veze. Kasnije je dokazano da se takva sekvenca sastoji od tri nukleotida, tzv kodon (trojka). Međutim, pitanje koji su nukleotidi odgovorni za ugradnju koje amino kiseline u proteinski molekul ostalo je otvoreno do 1961.

I unutra 1961 Marshall Nirenberg, zajedno sa Heinrich Matteijem, koristio je sistem za emitovanje in vitro. Kao šablon je korišten oligonukleotid. Sadržao je samo ostatke uracila, a peptid sintetiziran iz njega uključivao je samo aminokiselinu fenilalanin. Tako je prvo ustanovljeno značenje kodona: kodon UUU kodira fenilalanin. Kasnije je Har Qur'an otkrio da nukleotidna sekvenca UCUCUCUCUCUC kodira skup aminokiselina serin-leucin-serin-leucin. Uglavnom, zahvaljujući djelima Nirenberga i Kurana, do 1965 godine, genetski kod je potpuno razotkriven. Ispostavilo se da svaki triplet kodira određenu aminokiselinu. A poredak kodona određuje redosled aminokiselina u proteinu.

Glavni principi funkcionisanja proteina i nukleinskih kiselina formulisani su početkom 70-ih godina. Utvrđeno je da se sinteza proteina i nukleinskih kiselina odvija prema matričnom mehanizmu. Molekul šablona nosi kodirane informacije o sekvenci aminokiselina ili nukleotida. Tokom replikacije ili transkripcije, šablon je DNK, a tokom translacije i reverzne transkripcije to je mRNA.

Time su stvoreni preduslovi za formiranje oblasti molekularne biologije, uključujući i genetski inženjering. A 1972. Paul Berg i kolege razvili su tehnologiju molekularnog kloniranja. Naučnici su dobili prvu rekombinantnu DNK in vitro. Ova izvanredna otkrića činila su osnovu novog smjera u molekularnoj biologiji, i 1972 godina se od tada smatra datumom rođenja genetskog inženjeringa.

3. Metode molekularne biologije

Ogroman napredak u proučavanju nukleinskih kiselina, strukture DNK i biosinteze proteina doveo je do stvaranja niza metoda od velikog značaja u medicini, poljoprivreda i nauke uopšte.

Nakon proučavanja genetskog koda i osnovnih principa skladištenja, prijenosa i implementacije nasljednih informacija, posebne metode postale su neophodne za dalji razvoj molekularne biologije. Ove metode bi omogućile da se genima manipuliše, menja i izoluje.

Pojava takvih metoda dogodila se 1970-ih i 1980-ih godina. To je dalo ogroman poticaj razvoju molekularne biologije. Prije svega, ove metode su direktno vezane za proizvodnju gena i njihovo uvođenje u ćelije drugih organizama, kao i mogućnost određivanja nukleotidnog niza u genima.

3.1. DNK elektroforeza

DNK elektroforeza je osnovna metoda rada sa DNK. DNK elektroforeza se koristi zajedno sa gotovo svim drugim metodama za izolaciju željenih molekula i daljnju analizu rezultata. Sama metoda gel elektroforeze koristi se za razdvajanje fragmenata DNK po dužini.

Prije ili poslije elektroforeze, gel se tretira bojama koje se mogu vezati za DNK. Boje fluoresciraju u ultraljubičastom svjetlu, što rezultira uzorkom traka u gelu. Da bi se odredila dužina fragmenata DNK, oni se mogu uporediti sa markeri- setovi fragmenata standardne dužine, koji se nanose na isti gel.

Fluorescentni proteini

Prilikom proučavanja eukariotskih organizama, zgodno je koristiti fluorescentne proteine ​​kao marker gene. Gen za prvi zeleni fluorescentni protein ( zeleni fluorescentni protein, GFP) izolovan od meduza Aqeuorea victoria a zatim uneti u razne organizme. Nakon toga su izolovani geni za fluorescentne proteine ​​drugih boja: plave, žute, crvene. Da bi se dobili proteini sa svojstvima od interesa, takvi geni su umjetno modificirani.

Općenito, najvažniji alati za rad s molekulom DNK su enzimi koji provode brojne DNK transformacije u stanicama: DNK polimeraza, DNK ligaze I restriktaze (restrikcijske endonukleaze).

transgeneza

transgeneza To se naziva prijenosom gena iz jednog organizma u drugi. Takvi organizmi se nazivaju transgenic.

Rekombinantni proteinski preparati se upravo dobijaju prenosom gena u ćelije mikroorganizama. Većina ovih proteina jeste interferoni, insulin, neki proteinski hormoni, kao i proteini za proizvodnju niza vakcina.

U drugim slučajevima koriste se stanične kulture eukariota ili transgenih životinja, uglavnom stoke, koje luče potrebne proteine ​​u mlijeko. Na taj način se dobijaju antitela, faktori zgrušavanja krvi i drugi proteini. Metodom transgeneze dobijaju se usjevi otporni na štetočine i herbicide, a otpadne vode se prečišćavaju uz pomoć transgenih mikroorganizama.

Pored svega navedenog, transgene tehnologije su nezaobilazne u naučnim istraživanjima, jer je razvoj biologije brži uz korišćenje metoda modifikacije i transfera gena.

Restrictases

Sekvence koje prepoznaju restrikcijski enzimi su simetrične, tako da se bilo koja vrsta prekida može dogoditi ili u sredini takve sekvence, ili sa pomakom u jednom ili oba lanca DNK molekula.

Prilikom cijepanja bilo koje DNK restrikcijskim enzimom, sekvence na krajevima fragmenata će biti iste. Moći će se ponovo povezati jer imaju komplementarne stranice.

Možete dobiti jednu molekulu spajanjem ovih sekvenci pomoću DNK ligaze. Zbog toga je moguće kombinirati fragmente dvije različite DNK i dobiti rekombinantnu DNK.

3.2. PCR

Metoda se zasniva na sposobnosti DNK polimeraza da kompletiraju drugi lanac DNK duž komplementarnog lanca na isti način kao u procesu replikacije DNK u ćeliji.

3.3. DNK sekvenciranje

Brzi razvoj metode sekvenciranja omogućava efikasno određivanje karakteristika organizma koji se proučava na nivou njegovog genoma. Glavna prednost takvih genomskih i postgenomskih tehnologija je povećanje mogućnosti istraživanja i proučavanja. genetske prirode bolesti ljudi, kako bi se prethodno uzeo neophodne mere i izbegavajte bolest.

Kroz istraživanja velikih razmjera moguće je doći do potrebnih podataka o različitim genetskim karakteristikama različitih grupa ljudi, čime se razvijaju metode medicine. Zbog toga je identifikacija genetske predispozicije za razne bolesti danas vrlo popularna.

Slične metode su široko primjenjive praktično u cijelom svijetu, uključujući i Rusiju. Zbog naučnog napretka, takve metode se uvode u medicinska istraživanja i medicinska praksa općenito.

4. Biotehnologija

Biotehnologija- disciplina koja proučava mogućnosti korištenja živih organizama ili njihovih sistema za rješavanje tehnoloških problema, kao i stvaranje živih organizama sa željena svojstva putem genetskog inženjeringa. Biotehnologija primjenjuje metode hemije, mikrobiologije, biohemije i, naravno, molekularne biologije.

Glavni pravci razvoja biotehnologije (principi biotehnoloških procesa se uvode u proizvodnju svih industrija):

1. Stvaranje i proizvodnja novih vrsta hrane i stočne hrane.
2. Dobijanje i proučavanje novih sojeva mikroorganizama.
3. Oplemenjivanje novih sorti biljaka, kao i stvaranje sredstava za zaštitu biljaka od bolesti i štetočina.
4. Primjena biotehnoloških metoda za potrebe ekologije. Takve biotehnološke metode koriste se za reciklažu otpada, tretman otpadnih voda, otpadni zrak i sanitaciju tla.
5. Proizvodnja vitamina, hormona, enzima, seruma za potrebe medicine. Biotehnolozi se poboljšavaju lijekovi ranije smatran neizlečivim.

Glavno dostignuće u biotehnologiji je genetski inženjering.

Genetski inženjering- skup tehnologija i metoda za dobijanje rekombinantnih RNA i DNK molekula, izolovanje pojedinačnih gena iz ćelija, manipulisanje genima i njihovo uvođenje u druge organizme (bakterije, kvasac, sisare). Takvi organizmi mogu proizvesti finalne proizvode sa željenim, modificiranim svojstvima.

Metode genetskog inženjeringa usmjerene su na konstruiranje novih, ranije nepostojećih kombinacija gena u prirodi.

Govoreći o dostignućima genetskog inženjeringa, nemoguće je ne dotaknuti se teme kloniranja. Kloniranje je jedna od metoda biotehnologije koja se koristi za dobijanje identičnog potomstva različitih organizama aseksualnom reprodukcijom.

Drugim riječima, kloniranje se može smatrati procesom stvaranja genetski identičnih kopija organizma ili ćelije. A klonirani organizmi su slični ili potpuno identični ne samo po vanjskim karakteristikama, već i po genetskom sadržaju.

Zloglasna ovca Doli je 1966. godine postala prvi klonirani sisar. Dobiven je presađivanjem jezgra somatske ćelije u citoplazmu jajeta. Doli je bila genetska kopija ovce donora jezgra. U prirodnim uslovima, pojedinac se formira iz jednog oplođenog jajeta, koji je primio polovinu genetskog materijala od dva roditelja. Međutim, tokom kloniranja, genetski materijal je uzet iz ćelije jedne osobe. Prvo je iz zigote uklonjeno jezgro, koje sadrži samu DNK. Zatim su iz ćelije odrasle ovce uklonili jezgro i ugradili ga u tu zigotu bez jezgre, a zatim je presađeno u matericu odrasle osobe i ostavljeno da raste i razvija se.

Međutim, nisu svi pokušaji kloniranja bili uspješni. Paralelno s Dolinim kloniranjem, izveden je eksperiment zamjene DNK na 273 druga jajašca. Ali samo u jednom slučaju živa odrasla životinja mogla bi se u potpunosti razviti i rasti. Nakon Doli, naučnici su pokušali da kloniraju druge vrste sisara.

Jedna od vrsta genetskog inženjeringa je uređivanje genoma.

Alat CRISPR/Cas baziran je na elementu imunološkog odbrambenog sistema bakterija, koji su naučnici prilagodili da uvedu bilo kakve promjene u DNK životinja ili biljaka.

CRISPR/Cas je jedna od biotehnoloških metoda za manipulaciju pojedinačnim genima u ćelijama. Postoji mnogo aplikacija za ovu tehnologiju. CRISPR/Cas omogućava istraživačima da otkriju funkciju različitih gena. Da biste to učinili, samo trebate izrezati gen koji se proučava iz DNK i proučiti koje su funkcije tijela pogođene.

Neke praktične primjene sistema:

1. Poljoprivreda. Kroz CRISPR/Cas sisteme, usevi se mogu poboljšati. Naime, da budu ukusnije i hranljivije, kao i otporne na toplotu. Biljke je moguće obdariti drugim svojstvima: na primjer, izrezati alergenski gen iz orašastih plodova (kikiriki ili lješnjaci).
2. Medicina, nasljedne bolesti. Naučnici imaju za cilj da koriste CRISPR/Cas za uklanjanje mutacija iz ljudskog genoma koje mogu uzrokovati bolesti, kao što je anemija srpastih ćelija, itd. Teoretski, CRISPR/Cas može zaustaviti razvoj HIV-a.
3. Gene drive. CRISPR/Cas može promijeniti ne samo genom pojedine životinje ili biljke, već i genski fond vrste. Ovaj koncept je poznat kao "genski pogon". Svaki živi organizam prenosi polovinu svojih gena na svoje potomstvo. Ali korištenje CRISPR/Cas može povećati šansu za prijenos gena do 100%. Ovo je važno kako bi se željena osobina brže širila u populaciji.

Švicarski naučnici su značajno unaprijedili i modernizirali CRISPR/Cas metod uređivanja genoma, čime su proširili njegove mogućnosti. Međutim, naučnici su mogli da modifikuju samo jedan po jedan gen koristeći CRISPR/Cas sistem. Ali sada su istraživači sa ETH Zuricha razvili metodu koja može istovremeno modificirati 25 gena u ćeliji.

Za najnoviju tehniku ​​stručnjaci su koristili enzim Cas12a. Genetičari su po prvi put u istoriji uspješno klonirali majmune. "Popularna mehanika";

Nikolenko S. (2012). Genomika: Izjava o problemu i metode sekvenciranja. "post-nauka".

31.2

Za prijatelje!

Referenca

Molekularna biologija izrasla je iz biohemije u aprilu 1953. Njegov izgled povezuje se s imenima Jamesa Watsona i Francisa Cricka, koji su otkrili strukturu molekule DNK. Otkriće je omogućeno proučavanjem genetike, bakterija i biohemije virusa. Profesija molekularnog biologa nije rasprostranjena, ali je danas njena uloga u modernom društvu veoma velika. Veliki broj bolesti, uključujući i one koje se manifestuju na genetskom nivou, zahtevaju od naučnika da pronađu rešenja za ovaj problem.

Opis aktivnosti

Virusi i bakterije konstantno mutiraju, što znači da lijekovi više ne pomažu čovjeku i bolesti postaju neizlječive. Zadatak molekularne biologije je da preduhitri ovaj proces i razvije novi lijek za bolesti. Naučnici rade po dobro utvrđenoj shemi: blokiraju uzrok bolesti, eliminišu mehanizme naslijeđa i time olakšavaju stanje pacijenta. Postoji niz centara, klinika i bolnica širom svijeta u kojima molekularni biolozi razvijaju nove tretmane kako bi pomogli pacijentima.

Poslovna zaduženja

Odgovornosti molekularnog biologa uključuju proučavanje procesa unutar ćelije (na primjer, promjene u DNK tokom razvoja tumora). Takođe, stručnjaci proučavaju karakteristike DNK, njihov uticaj na ceo organizam i jednu ćeliju. Takve studije se provode, na primjer, na osnovu PCR (lančana reakcija polimeraze), koja vam omogućava da analizirate tijelo na infekcije, nasljedne bolesti i utvrdite biološki odnos.

Karakteristike karijernog rasta

Profesija molekularnog biologa je prilično perspektivna u svojoj oblasti i već danas tvrdi da je prva na rang listi medicinskih profesija budućnosti. Inače, molekularni biolog ne mora stalno boraviti u ovoj oblasti. Ako postoji želja za promjenom zanimanja, može se prekvalificirati u menadžera prodaje laboratorijske opreme, početi razvijati instrumente za različite studije ili otvoriti vlastiti posao.

1. Uvod.

Predmet, zadaci i metode molekularne biologije i genetike. Značaj "klasične" genetike i genetike mikroorganizama u razvoju molekularne biologije i genetskog inženjeringa. Koncept gena u "klasičnoj" i molekularnoj genetici, njegova evolucija. Doprinos metodologije genetskog inženjeringa razvoju molekularne genetike. Primijenjena vrijednost genetskog inženjeringa za biotehnologiju.

2. Molekularne osnove nasljeđa.

Pojam ćelije, njen makromolekularni sastav. Priroda genetskog materijala. Povijest dokaza o genetskoj funkciji DNK.

2.1. Različite vrste nukleinskih kiselina. Biološke funkcije nukleinskih kiselina. Hemijska struktura, prostorna struktura i fizička svojstva nukleinske kiseline. Strukturne karakteristike genetskog materijala pro- i eukariota. Komplementarni Watson-Crick bazni parovi. Genetski kod. Istorija dešifrovanja genetskog koda. Glavna svojstva koda: triplet, kod bez zareza, degeneracija. Karakteristike kodnog rječnika, porodice kodona, semantičkih i "besmislenih" kodona. Kružne molekule DNK i koncept supersmotanja DNK. Topoizomeri DNK i njihovi tipovi. Mehanizmi djelovanja topoizomeraza. Bakterijska DNK giraza.

2.2. DNK transkripcija. Prokariotska RNA polimeraza, njena podjedinica i trodimenzionalne strukture. Raznolikost sigma faktora. Promotor prokariotskog gena, njegovi strukturni elementi. Faze ciklusa transkripcije. Pokretanje, formiranje “otvorenog kompleksa”, elongacija i terminacija transkripcije. slabljenje transkripcije. Regulacija ekspresije triptofanskih operona. "Riboprekidači". Mehanizmi terminacije transkripcije. Negativna i pozitivna regulacija transkripcije. laktozni operon. Regulacija transkripcije u razvoju lambda faga. Principi prepoznavanja DNK od strane regulatornih proteina (CAP protein i represor lambda faga). Osobine transkripcije kod eukariota. Obrada RNK kod eukariota. Pokrivanje, spajanje i poliadenilacija transkripata. mehanizmi za spajanje. Uloga male nuklearne RNK i proteinskih faktora. Alternativno spajanje, primjeri.

2.3. Broadcast, njegove faze, funkcija ribozoma. Lokacija ribozoma u ćeliji. Prokariotski i eukariotski tipovi ribozoma; 70S i 80S ribozomi. Morfologija ribozoma. Podjela na podčestice (podjedinice). Kodon-ovisno vezivanje aminoacil-tRNA u ciklusu elongacije. Interakcija kodon-antikodon. Učešće faktora elongacije EF1 (EF-Tu) u vezivanju aminoacil-tRNA za ribozom. Faktor elongacije EF1B (EF-Ts), njegova funkcija, redoslijed reakcija s njegovim učešćem. Antibiotici koji utiču na fazu kodon-ovisnog vezivanja aminoacil-tRNA za ribozom. Aminoglikozidni antibiotici (streptomicin, neomicin, kanamicin, gentamicin, itd.), njihov mehanizam djelovanja. Tetraciklini kao inhibitori vezivanja aminoacil-tRNA za ribozom. Pokretanje emitovanja. Glavne faze procesa inicijacije. Inicijacija translacije kod prokariota: faktori inicijacije, inicijatorski kodoni, RNA 3¢-kraj male ribosomske podjedinice i Shine-Dalgarno sekvenca u mRNA. Inicijacija translacije kod eukariota: inicijacijski faktori, kodoni inicijatora, 5¢-netranslaciona regija i terminalna inicijacija zavisna od kapa. "Unutrašnja" inicijacija nezavisna od kapa kod eukariota. Transpeptidacija. Inhibitori transpeptidacije: hloramfenikol, linkomicin, amicetin, streptogramini, anizomicin. Translokacija. Učešće faktora elongacije EF2 (EF-G) i GTP. Inhibitori translokacije: fusidna kiselina, viomicin, njihovi mehanizmi djelovanja. Prevođenje. Terminacijski kodoni. Faktori terminacije proteina prokariota i eukariota; dvije klase faktora terminacije i mehanizama njihovog djelovanja. Regulacija translacije kod prokariota.

2.4. DNK replikacija i njegovu genetsku kontrolu. Polimeraze uključene u replikaciju, karakteristike njihovih enzimskih aktivnosti. DNK vjernost. Uloga steričkih interakcija između parova baza DNK tokom replikacije. E. coli polimeraze I, II i III. Podjedinice polimeraze III. Račva replikacije, "vodeće" i "zaostale" niti tokom replikacije. Fragmenti Okazakija. Kompleks proteina u replikacionoj vilici. Regulacija inicijacije replikacije u E. coli. Prestanak replikacije u bakterijama. Osobine regulacije replikacije plazmida. Dvosmjerna i kotrljajuća replikacija prstena.

2.5. Rekombinacija, njegove vrste i modeli. Opća ili homologna rekombinacija. Dvolančani prekidi u DNK koji pokreću rekombinaciju. Uloga rekombinacije u post-replikacijskom popravljanju dvolančanih prekida. Holliday struktura u modelu rekombinacije. Enzimologija opće rekombinacije u E. coli. RecBCD kompleks. Reca protein. Uloga rekombinacije u osiguravanju sinteze DNK u oštećenju DNK koja prekida replikaciju. rekombinacija kod eukariota. Rekombinacioni enzimi kod eukariota. Rekombinacija specifična za lokaciju. Razlike u molekularnim mehanizmima opće i site-specifične rekombinacije. Klasifikacija rekombinaza. Vrste hromozomskih preuređivanja izvedenih tokom rekombinacije specifične za lokaciju. Regulatorna uloga rekombinacije specifične za mjesto u bakterijama. Konstrukcija višećelijskih eukariotskih hromozoma korišćenjem sistema rekombinacije faga specifičnog za lokaciju.

2.6. Popravak DNK. Klasifikacija vrsta reparacija. Direktna popravka timinskih dimera i metiliranog gvanina. Izrezivanje baza. Glikozilaze. Mehanizam popravke nesparenih nukleotida (mismatch repair). Odabir lanca DNK koji treba popraviti. SOS popravka. Svojstva DNK polimeraza uključenih u popravku SOS kod prokariota i eukariota. Koncept "prilagodljivih mutacija" u bakterijama. Popravak dvolančanih prekida: homologna post-replikativna rekombinacija i asocijacija nehomolognih krajeva DNK molekula. Odnos između procesa replikacije, rekombinacije i reparacije.

3. Proces mutacije.

Uloga biohemijskih mutanata u formiranju teorije jednog gena - jednog enzima. Klasifikacija mutacija. Tačkaste mutacije i kromosomski preustroj, mehanizam njihovog nastanka. Spontana i indukovana mutageneza. Klasifikacija mutagena. Molekularni mehanizam mutageneze. Odnos između mutageneze i popravke. Identifikacija i selekcija mutanata. Supresija: intragenska, intergenska i fenotipska.

4. Ekstrahromozomski genetski elementi.

Plazmidi, njihova struktura i klasifikacija. Spolni faktor F, njegova struktura i životni ciklus. Uloga faktora F u mobilizaciji prijenosa hromozoma. Formiranje donora Hfr i F tipa Mehanizam konjugacije Bakteriofagi, njihova struktura i životni ciklus Virulentni i umjereni bakteriofagi Lizogenija i transdukcija Opća i specifična transdukcija Migrirajući genetski elementi: transpozoni i IS sekvence, njihova uloga u genetskom metabolizmu. DNK i bakterije transpozoni, njihova struktura transpozona DNK i bakterija transpozoni u strukturi ISkar gena. IS- sekvence kao komponenta F-faktora bakterija, koja određuje sposobnost prijenosa genetskog materijala tijekom konjugacije Transpozoni bakterija i eukariotskih organizama Direktni nereplikacijski i replikativni mehanizmi transpozicija Razumijevanje horizontalnog prijenosa transpozona i njihove uloge u strukturnim preustrojima (ektopična rekombinacija) i u genomskoj voluciji

5. Proučavanje strukture i funkcije gena.

Elementi genetske analize. Cis-trans komplementarni test. Genetsko mapiranje korištenjem konjugacije, transdukcije i transformacije. Izrada genetskih mapa. Fino genetsko mapiranje. Fizička analiza strukture gena. heterodupleks analiza. Analiza ograničenja. Metode sekvenciranja. lančana reakcija polimeraze. Otkrivanje funkcije gena.

6. Regulacija ekspresije gena. Koncepti operona i regulona. Kontrola na nivou inicijacije transkripcije. Promotori, operateri i regulatorni proteini. Pozitivna i negativna kontrola ekspresije gena. Kontrola na nivou terminacije transkripcije. Operaoni kontrolirani katabolitima: modeli operona laktoze, galaktoze, arabinoze i maltoze. Operaoni kontrolirani atenuatorom: model triptofanskog operona. Multivalentna regulacija ekspresije gena. Globalni sistemi regulacije. Regulatorni odgovor na stres. post-transkripcionu kontrolu. transdukcija signala. Regulacija posredovana RNA: male RNK, senzorne RNK.

7. Osnove genetskog inženjeringa. Restrikcijski enzimi i modifikacije. Izolacija i kloniranje gena. Vektori za molekularno kloniranje. Principi izgradnje rekombinantne DNK i njihovo uvođenje u ćelije primaoca. Primijenjeni aspekti genetskog inženjeringa.

A). Glavna literatura:

1. Watson J., Tooze J., Rekombinantna DNK: Kratak kurs. – M.: Mir, 1986.

2. Geni. – M.: Mir. 1987.

3. Molekularna biologija: struktura i biosinteza nukleinskih kiselina. / Ed. . - M. Viša škola. 1990.

4. , – Molekularna biotehnologija. M. 2002.

5. Spirinski ribozomi i biosinteza proteina. - M.: Viša škola, 1986.

b). Dodatna literatura:

1. Hesin genoma. – M.: Nauka. 1984.

2. Rybchin genetskog inženjeringa. - Sankt Peterburg: St. Petersburg State Technical University. 1999.

3. Patrušev geni. – M.: Nauka, 2000.

4. Moderna mikrobiologija. Prokarioti (u 2 sveska). – M.: Mir, 2005.

5. M. Singer, P. Berg. Geni i genomi. – M.: Mir, 1998.

6. Shchelkunov inženjering. - Novosibirsk: Od Sib. Univ., 2004.

7. Stepanov biologija. Struktura i funkcije proteina. - M.: V. Š., 1996.

(Molekularni biolog/-biologin)

• Tip

  Profesija nakon diplomiranja

• Plata

  3667-5623 € mesečno

Molekularni biolozi proučavaju molekularne procese kao osnovu svih životnih procesa. Na osnovu dobijenih rezultata razvijaju koncepte za upotrebu biohemijskih procesa, na primer u medicinskim istraživanjima i dijagnostici ili u biotehnologiji. Osim toga, mogu biti uključeni u proizvodnju farmaceutskih proizvoda, razvoj proizvoda, osiguranje kvaliteta ili farmaceutsko savjetovanje.

Odgovornosti molekularnog biologa

Molekularni biolozi mogu raditi u različitim oblastima. Na primjer, tiču ​​se korištenja rezultata istraživanja za proizvodnju u oblastima kao što su genetski inženjering, hemija proteina ili farmakologija (otkrivanje lijekova). U hemijskoj i farmaceutskoj industriji olakšavaju transfer novorazvijenih proizvoda iz istraživanja u proizvodnju, marketing proizvoda i savjetovanje korisnika.

U naučnim istraživanjima molekularni biolozi proučavaju hemijsko-fizička svojstva organskih jedinjenja, kao i hemijske procese (u oblasti ćelijskog metabolizma) u živim organizmima i objavljuju rezultate istraživanja. U višim obrazovne institucije predaju studentima, pripremaju se za predavanja i seminare, provjeravaju pismene radove i polažu ispite. Samostalna naučna djelatnost je moguća tek nakon sticanja zvanja magistra i doktora.

Gdje rade molekularni biolozi?

Molekularni biolozi nalaze posao, kao npr

• u istraživačkim institutima, npr. u oblasti nauke i medicine
• u visokoškolskim ustanovama
• u hemijsko-farmaceutskoj industriji
• u odjeljenjima za zaštitu životne sredine

Plata molekularnog biologa

Visina plate koju primaju molekularni biolozi u Njemačkoj je

• od 3667€ do 5623€ mesečno

(prema raznim statističkim uredima i službama za zapošljavanje u Njemačkoj)

Zadaci i odgovornosti molekularnog biologa u pojedinostima

Šta je suština profesije molekularni biolog

Molekularni biolozi proučavaju molekularne procese kao osnovu svih životnih procesa. Na osnovu dobijenih rezultata razvijaju koncepte za upotrebu biohemijskih procesa, na primer u medicinskim istraživanjima i dijagnostici ili u biotehnologiji. Osim toga, mogu biti uključeni u proizvodnju farmaceutskih proizvoda, razvoj proizvoda, osiguranje kvaliteta ili farmaceutsko savjetovanje.

Vocation Molecular Biology

Molekularna biologija ili molekularna genetika bavi se proučavanjem strukture i biosinteze nukleinskih kiselina i procesa uključenih u prijenos i realizaciju ovih informacija u obliku proteina. To omogućava razumijevanje bolnih poremećaja ovih funkcija i, eventualno, njihovo izliječenje uz pomoć genske terapije. Postoje interfejsi za biotehnologiju i genetski inženjering koji stvaraju jednostavnih organizama, kao što su bakterije i kvasac, kako bi supstance od farmakološkog ili komercijalnog interesa bile dostupne u industrijskom obimu putem ciljanih mutacija.

Teorija i praksa molekularne biologije

Hemijsko-farmaceutska industrija nudi brojne oblasti zapošljavanja molekularnih biologa. U industrijskim okruženjima analiziraju procese biotransformacije ili razvijaju i poboljšavaju procese za mikrobiološku proizvodnju aktivnih sastojaka i farmaceutskih međuproizvoda. Osim toga, oni su uključeni u tranziciju novorazvijenih proizvoda iz istraživanja u proizvodnju. Obavljanjem inspekcijskih poslova osiguravaju da proizvodni pogoni, oprema, analitičke metode i svi koraci u proizvodnji osjetljivih proizvoda kao što su farmaceutski uvijek ispunjavaju tražene standarde kvalitete. Osim toga, molekularni biolozi savjetuju korisnike o korištenju novih proizvoda.

Za rukovodeće pozicije često je potreban master program.

Molekularni biolozi u istraživanju i obrazovanju

U oblasti nauke i istraživanja, molekularni biolozi se bave temama kao što su prepoznavanje, transport, savijanje i kodifikacija proteina u ćeliji. Rezultati istraživanja, koji su osnova za praktičnu primjenu u različitim oblastima, se objavljuju i na taj način stavljaju na raspolaganje drugim naučnicima i studentima. Na konferencijama i kongresima raspravljaju i predstavljaju rezultate naučne aktivnosti. Molekularni biolozi drže predavanja i seminare, nadgledaju naučni rad i sprovode ispite.

Za samostalnu naučnu djelatnost potrebna je diploma magistra i doktorata.