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

Molekularna biologija

znanost koja kao svoj zadatak postavlja poznavanje prirode životnih pojava proučavanjem bioloških objekata i sustava na razini koja se približava molekularnoj razini, au nekim slučajevima i dostiže ovu granicu. Konačni je cilj u ovom slučaju razjasniti kako i u kojoj mjeri karakteristične manifestacije života, kao što su nasljednost, reprodukcija vlastite vrste, biosinteza proteina, ekscitabilnost, rast i razvoj, pohranjivanje i prijenos informacija, transformacije energije, pokretljivost, razjašnjavaju kako i u kojoj mjeri karakteristične manifestacije života. itd., nastaju zbog strukture, svojstava i međudjelovanja molekula biološki važnih tvari, prvenstveno dviju glavnih klasa biopolimera velike molekularne težine (vidi Biopolimeri) - proteina i nukleinskih kiselina. Posebnost M. b. - proučavanje fenomena života na neživim objektima ili onima koji se odlikuju najprimitivnijim manifestacijama života. To su biološke tvorevine od stanične razine i niže: substanične organele, kao što su izolirane stanične jezgre, mitohondriji, ribosomi, kromosomi, stanične membrane; nadalje - sustavi koji stoje na granici žive i nežive prirode - virusi, uključujući bakteriofage, a završava s molekulama kritične komponentežive tvari – nukleinske kiseline (Vidi Nukleinske kiseline) i bjelančevine (Vidi Proteini).

M. b. - novo područje prirodnih znanosti, usko povezano s davno utvrđenim područjima istraživanja, koja pokrivaju biokemija (Vidi Biokemija), biofizika (Vidi Biofizika) i bioorganska kemija (Vidi Bioorganska kemija). Razlika je ovdje moguća samo na temelju uzimanja u obzir korištenih metoda i temeljne prirode korištenih pristupa.

Temelj na kojem se razvio M. položile su znanosti poput genetike, biokemije, fiziologije elementarnih procesa itd. Prema podrijetlu svog razvoja, M. b. neraskidivo povezana s molekularnom genetikom (vidi Molekularna genetika) , koje i dalje čini važan dio M. bankarstva, iako se već dobrim dijelom formiralo u samostalnu disciplinu. M.-ova izolacija. iz biokemije diktiraju sljedeća razmatranja. Zadaci biokemije uglavnom su ograničeni na utvrđivanje sudjelovanja određenih kemijskih tvari u određenim biološkim funkcijama i procesima i razjašnjavanje prirode njihovih transformacija; vodeću ulogu imaju informacije o reaktivnosti i o glavnim značajkama kemijske strukture, izražene uobičajenim kemijska formula. Dakle, u biti, pozornost je usmjerena na transformacije koje utječu na glavni valent kemijske veze. U međuvremenu, kako je naglasio L. Pauling , u biološkim sustavima i manifestacijama vitalne aktivnosti, glavnu važnost treba dati ne glavnim valentnim vezama koje djeluju unutar iste molekule, već različitim vrstama veza koje određuju međumolekulske interakcije (elektrostatske, van der Waalsove, vodikove veze itd.) .

Krajnji rezultat biokemijskog istraživanja može se prikazati u obliku sustava kemijskih jednadžbi, koji se obično potpuno iscrpljuje njihovim prikazom u ravnini, odnosno u dvije dimenzije. Posebnost M. b. je njegova trodimenzionalnost. Bit M. b. M. Perutz to vidi u tumačenju bioloških funkcija u terminima molekularne strukture. Možemo reći da ako je prije, proučavajući biološke objekte, bilo potrebno odgovoriti na pitanje "što", odnosno koje su tvari prisutne, i na pitanje "gdje" - u kojim tkivima i organima, onda je M. b. postavlja sebi zadaću dobiti odgovore na pitanje "kako", spoznavši bit uloge i sudjelovanja cijele strukture molekule, te na pitanja "zašto" i "zašto", saznavši, na s jedne strane, veze između svojstava molekule (opet prvenstveno proteina i nukleinskih kiselina) i funkcija koje ona obavlja, a s druge strane, uloga takvih pojedinačnih funkcija u ukupnom kompleksu manifestacija vitalne aktivnosti.

Međusobni raspored atoma i njihovo grupiranje u općoj strukturi makromolekule, njihovi prostorni odnosi dobivaju odlučujuću ulogu. To se odnosi kako na pojedinačne, pojedinačne komponente, tako i na ukupnu konfiguraciju molekule kao cjeline. Kao rezultat nastanka strogo određene volumetrijske strukture, molekule biopolimera poprimaju ona svojstva, zbog kojih mogu poslužiti kao materijalna osnova bioloških funkcija. Ovo načelo pristupa proučavanju živoga najkarakterističnije je, tipično obilježje M. b.

Povijesna referenca. Veliku važnost proučavanja bioloških problema na molekularnoj razini predvidio je I. P. Pavlov , koji je govorio o posljednjem koraku u znanosti o životu – fiziologiji žive molekule. Sam pojam „M. b." prvi put je korišten u engleskom jeziku. znanstvenika W. Astburyja u primjeni na istraživanja povezana s razjašnjavanjem odnosa između molekularne strukture i fizikalnih i biološka svojstva fibrilarne (vlaknaste) bjelančevine kao što su kolagen, krvni fibrin ili kontraktilne mišićne bjelančevine. Široko se koristi izraz "M. b." čelika od ranih 1950-ih. 20. stoljeće

Pojava M.-a. kao zrelu znanost, uobičajeno je spominjati 1953. godinu, kada su J. Watson i F. Crick u Cambridgeu (Velika Britanija) otkrili trodimenzionalnu strukturu deoksiribonukleinske kiseline (DNK). To je omogućilo govoriti o tome kako detalji ove strukture određuju biološke funkcije DNK kao materijalnog nositelja nasljednih informacija. Načelno se za ovu ulogu DNK saznalo nešto ranije (1944.) kao rezultat rada američkog genetičara O. T. Averyja i suradnika (vidi Molekularna genetika), ali se nije znalo u kojoj mjeri dana funkcija ovisi o molekularnoj strukturi DNA. To je postalo moguće tek nakon što su laboratoriji W. L. Bragga, J. Bernala i drugih razvili nove principe difrakcijske analize X-zraka, koji su osigurali korištenje ove metode za detaljno poznavanje prostorne strukture proteinskih makromolekula i nukleinskih kiselina.

Razine molekularne organizacije. Godine 1957. J. Kendrew ustanovio je trodimenzionalnu strukturu mioglobina a , a u narednim godinama to je učinio M. Perutz u vezi s hemoglobinom a. Formulirane su ideje o različitim razinama prostorne organizacije makromolekula. Primarna struktura je niz pojedinačnih jedinica (monomera) u lancu nastale polimerne molekule. Za proteine, monomeri su aminokiseline. , za nukleinske kiseline – Nukleotidi. Linearna, nitasta molekula biopolimera, kao rezultat nastanka vodikovih veza, ima sposobnost uklapanja u prostor na određeni način, npr. u slučaju proteina, kako je pokazao L. Pauling, može uzeti obliku spirale. To se naziva sekundarna struktura. Tercijarna struktura je kada se molekula koja ima sekundarnu strukturu dalje presavija na ovaj ili onaj način, ispunjavajući trodimenzionalni prostor. Konačno, molekule koje imaju trodimenzionalnu strukturu mogu stupiti u interakciju, pravilno smještene u prostoru jedna u odnosu na drugu i tvoreći ono što je označeno kao kvaternarna struktura; njegove pojedinačne komponente se obično nazivaju podjedinicama.

Najviše dobar primjer Način na koji molekularna trodimenzionalna struktura određuje biološke funkcije molekule je DNK. Ima strukturu dvostruke zavojnice: dvije niti koje teku u međusobno suprotnom smjeru (antiparalelno) uvijaju se jedna oko druge tvoreći dvostruku zavojnicu s međusobno komplementarnim rasporedom baza, tj. tako da nasuprot određene baze jednog lanca stoji uvijek je takav temelj, koji najbolji način osigurava stvaranje vodikovih veza: adepin (A) tvori par s timinom (T), gvanin (G) - s citozinom (C). Ova struktura stvara optimalni uvjeti za najvažnije biološke funkcije DNA: kvantitativno umnažanje nasljednih informacija u procesu stanične diobe uz održavanje kvalitativne nepromjenjivosti ovog protoka genetskih informacija. Dijeljenjem stanice lanci dvostruke spirale DNA, koji služe kao predložak, odnosno predložak, odmotaju se i na svakom od njih pod djelovanjem enzima sintetizira se komplementaran novi lanac. Kao rezultat toga, dvije potpuno identične molekule kćeri dobivene su iz jedne roditeljske molekule DNA (vidi Stanica, Mitoza).

Slično, u slučaju hemoglobina, pokazalo se da je njegova biološka funkcija - sposobnost reverzibilnog vezanja kisika u plućima i zatim predaje tkivima - usko povezana sa značajkama trodimenzionalne strukture hemoglobina i njegovim promjenama u proces provedbe svoje fiziološke uloge. Prilikom vezanja i disocijacije O 2 dolazi do prostornih promjena u konformaciji molekule hemoglobina, što dovodi do promjene afiniteta atoma željeza sadržanih u njemu prema kisiku. Promjene u veličini molekule hemoglobina, nalik promjenama volumena prsa pri disanju, dopušteno nazvati hemoglobin "molekularnim plućima".

Jedna od najvažnijih značajki živih objekata je njihova sposobnost finog reguliranja svih manifestacija vitalne aktivnosti. Glavni doprinos M. znanstvenim otkrićima treba smatrati otkriće novog, dosad nepoznatog regulatornog mehanizma, koji se naziva alosterički učinak. Leži u sposobnosti tvari niske molekularne težine - tzv. ligandi - za modificiranje specifičnih bioloških funkcija makromolekula, prvenstveno katalitički djelujućih proteina - enzima, hemoglobina, receptorskih proteina uključenih u izgradnju bioloških membrana (vidi Biološke membrane), u sinaptičkom prijenosu (vidi sinapse) itd.

Tri biotička toka. U svjetlu ideja M. ukupnost životnih pojava može se smatrati rezultatom kombinacije triju tokova: toka materije, koji nalazi svoj izraz u fenomenima metabolizma, tj. asimilaciji i disimilaciji; protok energije, koja je pokretačka snaga za sve manifestacije života; i tok informacija, prodirući ne samo u cjelokupnu raznolikost procesa razvoja i postojanja svakog organizma, već i u kontinuirani niz uzastopnih generacija. Upravo ideja o protoku informacija, uvedena u doktrinu živog svijeta razvojem biomaterijala, ostavlja na njemu svoj specifičan, jedinstven pečat.

Najvažnija dostignuća molekularne biologije. Brzina, opseg i dubina utjecaja M. napredak u razumijevanju temeljnih problema proučavanja žive prirode s pravom se uspoređuje, primjerice, s utjecajem kvantne teorije na razvoj atomske fizike. Dva intrinzično povezana uvjeta odredila su ovaj revolucionarni učinak. S jedne strane, odlučujuću ulogu imalo je otkriće mogućnosti proučavanja najvažnijih manifestacija vitalne aktivnosti u najjednostavnijim uvjetima, približavajući se vrsti kemijskih i fizikalnih eksperimenata. S druge strane, kao posljedica ove okolnosti, došlo je do brzog uključivanja značajnog broja predstavnika egzaktnih znanosti - fizičara, kemičara, kristalografa, a potom i matematičara - u razvoj bioloških problema. U svojoj ukupnosti te su okolnosti odredile neobično brz tempo razvoja M. b., brojnost i značaj njezinih uspjeha, postignutih u samo dva desetljeća. Ovdje je daleko nepotpuni popis ovih postignuća: otkrivanje strukture i mehanizma biološke funkcije DNA, svih vrsta RNA i ribosoma (vidi Ribosomi) , otkrivanje genetskog koda (vidi genetski kod) ; otkriće obrnute transkripcije (vidi transkripciju) , tj. sinteza DNA na šabloni RNA; proučavanje mehanizama funkcioniranja dišnih pigmenata; otkriće trodimenzionalne strukture i njezine funkcionalne uloge u djelovanju enzima (Vidi Enzimi) , princip sinteze matriksa i mehanizmi biosinteze proteina; otkrivanje strukture virusa (vidi Virusi) i mehanizama njihove replikacije, primarne i dijelom prostorne strukture protutijela; izolacija pojedinih gena , kemijska, a zatim biološka (enzimska) sinteza gena, uključujući i ljudsku, izvan stanice (in vitro); prijenos gena iz jednog organizma u drugi, uključujući i u ljudske stanice; brzo napredujuće dešifriranje kemijske strukture sve većeg broja pojedinačnih proteina, uglavnom enzima, kao i nukleinskih kiselina; otkriće fenomena "samosastavljanja" nekih bioloških objekata sve veće složenosti, počevši od molekula nukleinskih kiselina pa sve do višekomponentnih enzima, virusa, ribosoma itd.; rasvjetljavanje alosteričnih i drugih temeljnih principa regulacije bioloških funkcija i procesa.

Redukcionizam i integracija. M. b. je završna faza tog smjera u proučavanju živih bića, koji se označava kao "redukcionizam", tj. želja da se složene životne funkcije svedu na fenomene koji se događaju na molekularnoj razini i stoga dostupni proučavanju metodama fizike i kemije. . Ostvaren M. b. uspjesi svjedoče o učinkovitosti ovog pristupa. Pritom se mora uzeti u obzir da se u prirodnim uvjetima u stanici, tkivu, organu i cijelom organizmu radi o sustavima sve veće složenosti. Takvi sustavi nastaju od komponenti niže razine njihovim pravilnim spajanjem u cjeline, poprimajući strukturnu i funkcionalnu organizaciju i posjedujući nova svojstva. Stoga, kako je znanje o obrascima dostupnim za otkrivanje na molekularnoj i susjednim razinama detaljno, prije M. b. postavlja se zadatak razumijevanja mehanizama integracije kao pravca daljnjeg razvoja u proučavanju fenomena života. Ovdje se polazi od proučavanja sila međumolekulskih interakcija - vodikovih veza, van der Waalsovih, elektrostatskih sila itd. Svojom kombinacijom i prostornim rasporedom one tvore ono što se može nazvati "integrativnom informacijom". Treba ga smatrati jednim od glavnih dijelova već spomenutog protoka informacija. Na području M.-a. primjeri integracije mogu biti fenomeni samosastavljanja složenih tvorevina iz mješavine njihovih sastavnih dijelova. To uključuje, primjerice, stvaranje višekomponentnih proteina iz njihovih podjedinica, stvaranje virusa iz njihovih sastavnih dijelova - proteina i nukleinskih kiselina, obnavljanje izvorne strukture ribosoma nakon odvajanja njihovih proteinskih i nukleinskih komponenti itd. proučavanje ovih fenomena izravno je povezano sa poznavanjem glavnog fenomena "prepoznavanje" molekula biopolimera. Poanta je otkriti koje kombinacije aminokiselina - u proteinskim molekulama ili nukleotidima - u nukleinskim kiselinama međusobno djeluju tijekom procesa asocijacije pojedinačnih molekula uz stvaranje kompleksa strogo specifičnog, unaprijed određenog sastava i strukture. To uključuje procese stvaranja složenih proteina iz njihovih podjedinica; dalje, selektivna interakcija između molekula nukleinskih kiselina, na primjer, transport i matrica (u ovom slučaju, otkriće genetskog koda značajno je proširilo naše informacije); konačno, ovo je formiranje mnogih vrsta struktura (na primjer, ribosoma, virusa, kromosoma), u kojima sudjeluju i proteini i nukleinske kiseline. Otkrivanje relevantnih obrazaca, poznavanje "jezika" koji je u osnovi tih interakcija, jedan je od kritična područja M. b., još uvijek čeka svoj razvoj. Ovo područje spada u red temeljnih problema za cjelokupnu biosferu.

Problemi molekularne biologije. Uz navedene važne poslove M. bi. (poznavanje zakona "prepoznavanja", samosastavljanja i integracije) stvarni smjer znanstvenog traganja za blisku budućnost je razvoj metoda koje omogućuju dešifriranje strukture, a potom i trodimenzionalne, prostorne organizacije visokomolekularnih nukleinske kiseline. To je sada postignuto s obzirom na opći plan trodimenzionalne strukture DNA (dvostruka spirala), ali bez točnog poznavanja njezine primarne strukture. Brz napredak u razvoju analitičkih metoda omogućuje nam da s pouzdanjem očekujemo postizanje ovih ciljeva u narednim godinama. Ovdje, naravno, glavni doprinosi dolaze od predstavnika srodnih znanosti, prvenstveno fizike i kemije. Sve najvažnije metode, čijom je primjenom osiguran nastanak i uspjeh M. b., predložili su i razvili fizičari (ultracentrifugiranje, difrakcijska analiza X-zraka, elektronska mikroskopija, nuklearna magnetska rezonancija i dr.). Gotovo svi novi fizički eksperimentalni pristupi (na primjer, uporaba računala, sinkrotrona ili kočnog zračenja, zračenja, laserske tehnologije i drugi) otvaraju nove mogućnosti za dubinsko proučavanje problema M. b. Među najvažnijim zadacima praktične prirode, čiji se odgovor očekuje od M. b., na prvom je mjestu problem molekularne osnove malignog rasta, zatim – načini sprječavanja, a možda i prevladavanja nasljednih bolesti –“ molekularne bolesti" (vidi Molekularne bolesti). Od velike važnosti bit će rasvjetljavanje molekularne osnove biološke katalize, odnosno djelovanja enzima. Među najvažnijim moderni trendovi M. b. treba uključiti želju za dešifriranjem molekularnih mehanizama djelovanja hormona (vidi Hormoni) , otrovnih i ljekovitih tvari, kao i saznati pojedinosti molekularne strukture i funkcioniranja takvih staničnih struktura kao što su biološke membrane uključene u regulaciju procesa prodiranja i transporta tvari. Dalji ciljevi M. b. - poznavanje prirode živčanih procesa, mehanizama pamćenja (vidi Memorija), itd. Jedan od važnih dijelova M. b. - tzv. genetski inženjering, koji kao svoju zadaću postavlja svrhovito djelovanje genetskog aparata (Genoma) živih organizama, počevši od mikroba i nižih (jednostaničnih) do čovjeka (u potonjem slučaju prvenstveno u svrhu radikalnog liječenja nasljedne bolesti (Vidi. Nasljedne bolesti) i ispravljanje genetskih defekata ). O opsežnijim zahvatima u ljudsku genetičku osnovu može se govoriti tek u manje ili više dalekoj budućnosti, jer u tom slučaju nastaju ozbiljne prepreke, tehničke 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). Oni se temelje na već postignutim uspjesima: izolacija i sinteza gena, prijenos gena iz jednog organizma u drugi, korištenje masovnih staničnih kultura kao proizvođača ekonomski ili medicinski važnih tvari.

Organizacija istraživanja u molekularnoj biologiji. Brz razvoj M.-a. dovela je do pojave velikog broja specijaliziranih istraživačkih centara. Njihov broj brzo raste. Najveći: u Velikoj Britaniji - Laboratorij za molekularnu biologiju u Cambridgeu, Kraljevski institut u Londonu; u Francuskoj - instituti za molekularnu biologiju u Parizu, Marseilleu, Strasbourgu, Institut Pasteur; u SAD - odjeli M. b. na sveučilištima i institutima u Bostonu (Harvard University, Massachusetts Institute of Technology), San Franciscu (Berkeley), Los Angelesu (California Institute of Technology), New Yorku (Rockefeller University), zdravstvenim institutima u Bethesdi itd.; u Njemačkoj - Max Planck instituti, sveučilišta u Göttingenu i Münchenu; u Švedskoj, Institut Karolinska u Stockholmu; u DDR-u - Središnji institut za molekularnu biologiju u Berlinu, instituti u Jeni i Halleu; u Mađarskoj - Biološki centar u Szegedu. U SSSR-u prvi specijalizirani institut M. bi. stvorena je u Moskvi 1957. u sustavu Akademije znanosti SSSR-a (vidi. ); tada su formirani: Institut za bioorgansku kemiju Akademije znanosti SSSR-a u Moskvi, Institut za proteine ​​u Puščinu, Biološki odjel pri Institutu za atomsku energiju (Moskva) i odjeli M. b. u institutima Sibirskog ogranka Akademije znanosti u Novosibirsku, Međuodsječkom laboratoriju za bioorgansku kemiju Moskovskog državnog sveučilišta, Sektoru (kasnije Institutu) za molekularnu biologiju i genetiku Akademije znanosti Ukrajinske SSR u Kijevu. ; značajan rad na M. b. provodi se u Institutu za makromolekularne spojeve u Lenjingradu, u nizu odjela i laboratorija Akademije znanosti SSSR-a i drugih odjela.

Uz pojedinačna istraživačka središta nastale su organizacije šireg opsega. U zapadnoj Europi nastala je Europska organizacija za M. (EMBO), u kojem sudjeluje više od 10 zemalja. U SSSR-u je 1966. godine na Institutu za molekularnu biologiju osnovan Znanstveni savjet za M. B., koji je koordinacijski i organizacijski centar u ovom području znanja. Objavio je opsežnu seriju monografija o najvažnijim dijelovima M. B., redovito se organiziraju “zimske škole” o M. B., konferencije i simpoziji na aktualna pitanja M. b. U budućnosti bi znanstveni savjeti o M. stvoreni su na Akademiji medicinskih znanosti SSSR-a i mnogim republičkim akademijama znanosti. Časopis Molecular Biology izlazi od 1966. (6 brojeva godišnje).

Za relativno kratko vrijeme u SSSR-u je narasla značajna skupina istraživača u području M.; to su znanstvenici starije generacije koji su djelomično preusmjerili svoje interese s drugih područja; uglavnom su to brojni mladi istraživači. Među vodećim znanstvenicima koji su aktivno sudjelovali u formiranju i razvoju M. b. u SSSR-u se mogu navesti A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunshtein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. M. nova postignuća. i molekularna genetika promicat će se rezolucijom Centralnog komiteta CPSU-a i Vijeća ministara SSSR-a (svibanj 1974.) "O mjerama za ubrzanje razvoja molekularne biologije i molekularne genetike i korištenje njihovih postignuća u nacionalnoj Ekonomija."

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

V. A. Engelhardt.

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

Strip za nagradni natječaj "bio/mol/tekst": Danas će vas epruveta molekularnog biologa voditi kroz svijet nevjerojatne znanosti - molekularne biologije! Započet ćemo s povijesnim izletom kroz faze njegova razvoja, opisat ćemo glavna otkrića i pokuse od 1933. godine. Također ćemo jasno opisati glavne metode molekularne biologije, koje su omogućile manipuliranje 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 ovom području – uređivanja genoma pomoću CRISPR/Cas sustava.

Generalni sponzor natjecanja i partner nominacije Skoltech je .

Sponzor natjecanja je tvrtka Diaem: najveći dobavljač opreme, reagensa i potrošnog materijala za biološka istraživanja i proizvodnju.

Tvrtka je sponzorirala nagradu publike.

“Book” pokrovitelj natječaja – “Alpina non-fiction”

1. Uvod. Bit molekularne biologije

Proučava osnove vitalne aktivnosti organizama na razini makromolekula. Cilj molekularne biologije je utvrditi ulogu i mehanizme funkcioniranja ovih makromolekula na temelju spoznaja o njihovoj strukturi i svojstvima.

Povijesno gledano, molekularna biologija nastala je tijekom razvoja područja biokemije koja proučavaju nukleinske kiseline i proteine. Dok je biokemija proučavanje metabolizma, kemijski sastavživih stanica, organizama i kemijskih procesa koji se u njima odvijaju, molekularna biologija usmjerena je na proučavanje mehanizama prijenosa, reprodukcije i pohranjivanja genetskih informacija.

A predmet proučavanja molekularne biologije su same nukleinske kiseline - deoksiribonukleinska (DNA), ribonukleinska (RNA) - i proteini, kao i njihovi makromolekularni kompleksi - kromosomi, ribosomi, multienzimski sustavi koji osiguravaju biosintezu proteina i nukleinskih kiselina. Molekularna biologija također graniči s predmetima proučavanja i djelomično se poklapa s molekularnom genetikom, virologijom, biokemijom i nizom drugih srodnih bioloških znanosti.

2. Povijesni izlet kroz faze razvoja molekularne biologije

Kao zasebno područje biokemije, molekularna biologija počela se razvijati 30-ih godina prošlog stoljeća. Već tada je postalo nužno razumjeti fenomen života na molekularnoj razini kako bi se proučavali procesi prijenosa i pohranjivanja genetskih informacija. Upravo u to vrijeme postavljena je zadaća molekularne biologije u proučavanju svojstava, strukture i međudjelovanja proteina i nukleinskih kiselina.

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

U 1940 Kolosalno postignuće bilo je to što su George Beadle i Edward Tatham ustanovili uzročnu vezu između gena i proteina. Hipoteza znanstvenika "Jedan gen - jedan enzim" bila je osnova za koncept da specifičnu strukturu proteina reguliraju geni. Vjeruje se da su genetske informacije kodirane posebnim nizom nukleotida u DNK koji regulira primarnu strukturu proteina. Kasnije je dokazano da mnogi proteini imaju kvaternarnu strukturu. U formiranju takvih struktura sudjeluju različiti peptidni lanci. Na temelju toga, odredba o odnosu između gena i enzima donekle je transformirana i sada zvuči kao "Jedan gen - jedan polipeptid".

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

Početkom 1950-ih, Frederick Sanger je pokazao da je proteinski lanac jedinstveni niz aminokiselinskih ostataka. U 1951 I 1952 godine, znanstvenik je utvrdio kompletan slijed dvaju polipeptidnih lanaca – goveđeg inzulina U(30 aminokiselinskih ostataka) i A(21 aminokiselinski ostatak).

Otprilike u isto vrijeme, u 1951–1953 Erwin Chargaff formulirao je pravila za omjer dušičnih baza u DNA. Prema pravilu, bez obzira na vrsnu razliku živih organizama u njihovoj DNA, količina adenina (A) jednaka je količini timina (T), a količina gvanina (G) jednaka je količini citozina. (C).

U 1953 dokazao genetsku ulogu DNK. James Watson i Francis Crick, na temelju rendgenske snimke DNK koju su dobili Rosalind Franklin i Maurice Wilkins, utvrdili su prostornu strukturu DNK i iznijeli kasnije potvrđenu pretpostavku o mehanizmu njezine replikacije (udvostručavanja), koji je u osnovi nasljeđa.

1958 godine - formiranje središnje dogme molekularne biologije Francisa Cricka: prijenos genetske informacije ide u smjeru DNA → RNA → protein.

Bit dogme je da u stanicama postoji određeni usmjereni protok informacija iz DNK, koja je, pak, izvorni genetski tekst, koji se sastoji od četiri slova: A, T, G i C. Zapisan je u DNK dvostruka spirala u obliku nizova tih slova – nukleotida.

Ovaj tekst se prepisuje. I proces se zove transkripcija. Tijekom tog procesa sintetizira se RNK, koja je identična genetskom tekstu, ali s razlikom: u RNK se umjesto T nalazi U (uracil).

Ova RNK se zove messenger RNA (mRNA), ili matrica (mRNA). Emitiranje mRNA se provodi korištenjem genetskog koda u obliku tripletnih sekvenci nukleotida. Tijekom ovog procesa, tekst DNA i RNA nukleinskih kiselina prevodi se iz teksta od četiri slova u tekst od dvadeset slova aminokiselina.

Prirodnih aminokiselina je samo dvadesetak, au tekstu nukleinskih kiselina postoje četiri slova. Zbog toga postoji prijevod s abecede od četiri slova na abecedu od dvadeset slova kroz genetski kod, u kojem svaka tri nukleotida odgovaraju aminokiselini. Dakle, od četiri slova možete napraviti cijele 64 troslovne kombinacije, štoviše, aminokiselina je 20. Iz ovoga proizlazi da genetski kod nužno mora imati svojstvo degeneriranosti. Međutim, u to vrijeme genetski kod nije bio poznat, osim toga, nije se ni počeo dešifrirati, ali Crick je već formulirao svoju središnju dogmu.

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

Dakle, možemo zaključiti da je središnja dogma postulat koji kaže da se u stanici događa usmjeren protok informacija: DNA → RNA → protein. Crick je naglasio glavni sadržaj središnje dogme: ne može se dogoditi obrnuti protok informacija, protein nije sposoban promijeniti genetsku informaciju.

To je glavno značenje središnje dogme: protein nije u stanju promijeniti i transformirati informaciju u DNA (ili RNA), tok uvijek ide samo u jednom smjeru.

Neko vrijeme nakon toga, otkriven je novi enzim, koji nije bio poznat u vrijeme formulacije središnje dogme, - reverzna transkriptaza koji sintetizira DNA iz RNA. Enzim je otkriven u virusima, u kojima je genetska informacija kodirana u RNK, a ne DNK. Takvi virusi nazivaju se retrovirusi. Imaju virusnu kapsulu u kojoj je zatvorena RNK i poseban enzim. Enzim je reverzna transkriptaza koja sintetizira DNA prema uzorku ove virusne RNA, a ta DNA zatim služi kao genetski materijal za daljnji razvoj virusa u stanici.

Naravno, ovo je otkriće izazvalo veliki šok i brojne kontroverze među molekularnim biolozima, jer se vjerovalo da to, na temelju središnje dogme, nije moguće. Međutim, Crick 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 sasvim su mogući bilo kakvi procesi: sinteza DNK na DNK, DNK na RNK, RNK na DNK i RNK na RNK.

Nakon formuliranja središnje dogme, ostala su brojna pitanja: kako abeceda od četiri nukleotida koji čine DNK (ili RNK) kodira abecedu od 20 slova aminokiselina koje čine proteine? Što je bit genetskog koda?

Prve ideje o postojanju genetskog koda formulirao je Alexander Downes ( 1952 d.) i Georgij Gamov ( 1954 G.). Znanstvenici su pokazali da sekvenca nukleotida mora sadržavati najmanje tri veze. Kasnije je dokazano da se takav niz sastoji od tri nukleotida, tzv kodon (trojka). Međutim, pitanje koji su nukleotidi odgovorni za ugradnju koje aminokiseline u proteinsku molekulu ostalo je otvoreno sve do 1961. godine.

I u 1961 Marshall Nirenberg, zajedno s Heinrichom Matteijem, koristio je sustav za emitiranje in vitro. Oligonukleotid je korišten kao kalup. Sadržavao je samo ostatke uracila, a peptid sintetiziran iz njega uključivao je samo aminokiselinu fenilalanin. Tako je prvo utvrđeno 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 Kuranu, to 1965 godine, genetski kod je potpuno razotkriven. Ispostavilo se da svaki triplet kodira određenu aminokiselinu. A redoslijed kodona određuje redoslijed aminokiselina u proteinu.

Glavna načela funkcioniranja proteina i nukleinskih kiselina formulirana su početkom 70-ih godina. Utvrđeno je da se sinteza proteina i nukleinskih kiselina odvija prema matričnom mehanizmu. Predloška molekula nosi kodiranu informaciju o slijedu aminokiselina ili nukleotida. Tijekom replikacije ili transkripcije predložak je DNA, a tijekom translacije i obrnute transkripcije to je mRNA.

Time su stvoreni preduvjeti za formiranje područja molekularne biologije, uključujući genetičko inženjerstvo. A 1972. Paul Berg i kolege razvili su tehnologiju molekularnog kloniranja. Znanstvenici su dobili prvu rekombinantnu DNK in vitro. Ova izvanredna otkrića stvorila 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 DNA i biosinteze proteina doveo je do stvaranja niza metoda od velike važnosti u medicini, poljoprivreda i znanosti općenito.

Nakon proučavanja genetskog koda i temeljnih principa pohranjivanja, prijenosa i implementacije nasljednih informacija, za daljnji razvoj molekularne biologije postale su potrebne posebne metode. Te bi metode omogućile manipulaciju genima, njihovu promjenu i izolaciju.

Pojava takvih metoda dogodila se 1970-ih i 1980-ih. To je dalo veliki poticaj razvoju molekularne biologije. Prije svega, ove su metode izravno povezane s proizvodnjom gena i njihovim uvođenjem u stanice drugih organizama, kao i s mogućnošću određivanja slijeda nukleotida u genima.

3.1. DNA elektroforeza

DNA elektroforeza je osnovna metoda rada s DNK. DNA elektroforeza se koristi uz gotovo sve druge metode za izolaciju željenih molekula i daljnju analizu rezultata. Sama metoda gel elektroforeze koristi se za razdvajanje fragmenata DNA po duljini.

Prije ili nakon elektroforeze, gel se tretira bojama koje se mogu vezati na DNK. Boje fluoresciraju na ultraljubičastom svjetlu, što rezultira uzorkom traka u gelu. Da bi se odredila duljina fragmenata DNA, oni se mogu usporediti s oznake- setovi fragmenata standardnih duljina, koji se nanose na isti gel.

Fluorescentni proteini

Pri proučavanju eukariotskih organizama prikladno je koristiti fluorescentne proteine ​​kao markerske gene. Gen za prvi zeleni fluorescentni protein ( zeleni fluorescentni protein, GFP) izoliran iz meduza Aqeuorea victoria a zatim se unose u razne organizme. Nakon toga izolirani su 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 DNA su enzimi koji provode niz transformacija DNA u stanicama: DNA polimeraza, DNA ligaze I restriktaze (restrikcijske endonukleaze).

transgeneza

transgeneza To se zove prijenos gena iz jednog organizma u drugi. Takvi se organizmi nazivaju transgenski.

Rekombinantni proteinski pripravci upravo se dobivaju prijenosom gena u stanice mikroorganizama. Većina tih proteina je interferoni, inzulin, neki proteinski hormoni, kao i proteini za proizvodnju niza cjepiva.

U drugim slučajevima koriste se kulture stanica eukariota ili transgenih životinja, uglavnom stoke, koje izlučuju potrebne bjelančevine u mlijeko. Na taj način se dobivaju antitijela, faktori zgrušavanja krvi i druge bjelančevine. Metodom transgeneze dobivaju se usjevi otporni na štetnike i herbicide, a otpadne vode pročišćavaju se uz pomoć transgenih mikroorganizama.

Uz sve navedeno, transgene tehnologije nezamjenjive su u znanstvenim istraživanjima, jer je razvoj biologije brži korištenjem metoda modifikacije i prijenosa gena.

Restriktaze

Sekvence koje restrikcijski enzimi prepoznaju su simetrične, pa se bilo kakvi prekidi mogu dogoditi bilo u sredini takve sekvence, bilo s pomakom u jednom ili oba lanca molekule DNA.

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

Možete dobiti jednu molekulu spajanjem ovih nizova pomoću DNA ligaze. Zbog toga je moguće kombinirati fragmente dviju različitih DNK i dobiti rekombinantnu DNK.

3.2. PCR

Metoda se temelji na sposobnosti DNA polimeraza da kompletiraju drugi lanac DNA duž komplementarnog lanca na isti način kao u procesu replikacije DNA u stanici.

3.3. Sekvenciranje DNA

Brz razvoj metode sekvenciranja omogućuje učinkovito određivanje karakteristika organizma koji se proučava na razini njegovog genoma. Glavna prednost takvih genomskih i postgenomskih tehnologija je povećanje istraživačkih i studijskih mogućnosti. genetske prirode ljudske bolesti, kako bi se pre-uzelo potrebne mjere i izbjeći bolest.

Opsežnim istraživanjem moguće je doći do potrebnih podataka o različitim genetskim karakteristikama različitih skupina ljudi, čime se razvijaju metode medicine. Zbog toga je danas vrlo popularna identifikacija genetske predispozicije za razne bolesti.

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

4. Biotehnologija

Biotehnologija- disciplina koja proučava mogućnosti korištenja živih organizama ili njihovih sustava za rješavanje tehnoloških problema, kao i stvaranje živih organizama s željena svojstva kroz genetski inženjering. Biotehnologija primjenjuje metode kemije, mikrobiologije, biokemije i, naravno, molekularne biologije.

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

1. Stvaranje i proizvodnja novih vrsta hrane i stočne hrane.
2. Dobivanje i proučavanje novih sojeva mikroorganizama.
3. Oplemenjivanje novih sorti biljaka, kao i stvaranje sredstava za zaštitu biljaka od bolesti i štetnika.
4. Primjena biotehnoloških metoda za potrebe ekologije. Takve biotehnološke metode koriste se za recikliranje otpada, pročišćavanje otpadnih voda, ispušni zrak i sanitaciju tla.
5. Proizvodnja vitamina, hormona, enzima, seruma za potrebe medicine. Biotehnolozi se sve više razvijaju lijekovi prije smatran neizlječivim.

Glavno dostignuće biotehnologije je genetski inženjering.

Genetski inženjering- skup tehnologija i metoda za dobivanje rekombinantnih molekula RNA i DNA, izolaciju pojedinih gena iz stanica, manipulaciju genima i njihovo uvođenje u druge organizme (bakterije, kvasci, sisavci). Takvi organizmi mogu proizvoditi konačne proizvode sa željenim, modificiranim svojstvima.

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

Govoreći o dostignućima genetskog inženjeringa, nemoguće je ne dotaknuti temu kloniranja. Kloniranje je jedna od metoda biotehnologije koja se koristi za dobivanje identičnog potomstva različitih organizama nespolnim razmnožavanjem.

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

Zloglasna ovca Dolly 1966. postala je prvi klonirani sisavac. Dobivena je presađivanjem jezgre somatske stanice u citoplazmu jajne stanice. Dolly je bila genetska kopija ovce donora jezgre. U prirodnim uvjetima, jedinka se formira iz jednog oplođenog jajašca, dobivši polovicu genetskog materijala od dva roditelja. Međutim, tijekom kloniranja genetski materijal uzet je iz stanice jedne jedinke. Prvo je iz zigote uklonjena jezgra, koja sadrži samu DNK. Zatim su iz stanice odrasle ovce uklonili jezgru i usadili je u tu zigotu bez jezgre, a potom je presađena u maternicu odrasle osobe i ostavljena da raste i razvija se.

Međutim, nisu svi pokušaji kloniranja bili uspješni. Paralelno s Dollynim kloniranjem, eksperiment zamjene DNK proveden je na 273 druga jajašca. Ali samo u jednom slučaju živa odrasla životinja mogla se potpuno razviti i rasti. Nakon Dolly, znanstvenici su pokušali klonirati i druge vrste sisavaca.

Jedna od vrsta genetskog inženjeringa je uređivanje genoma.

Alat CRISPR/Cas temelji se na elementu imunološkog obrambenog sustava bakterija, koji su znanstvenici prilagodili za uvođenje bilo kakvih promjena u DNK životinja ili biljaka.

CRISPR/Cas jedna je od biotehnoloških metoda za manipuliranje pojedinačnim genima u stanicama. Postoje mnoge primjene ove tehnologije. CRISPR/Cas omogućuje 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 sustava:

1. Poljoprivreda. Kroz CRISPR/Cas sustave usjevi se mogu poboljšati. Naime, kako bi bili ukusniji i hranjiviji te otporniji na toplinu. Moguće je biljkama dati druga svojstva: na primjer, iz orašastih plodova (kikirikija ili lješnjaka) izrezati gen alergena.
2. Medicina, nasljedne bolesti. Znanstvenici imaju cilj koristiti CRISPR/Cas za uklanjanje mutacija iz ljudskog genoma koje mogu uzrokovati bolesti, poput anemije srpastih stanica, itd. U teoriji, CRISPR/Cas može zaustaviti razvoj HIV-a.
3. Genski pogon. CRISPR/Cas može promijeniti ne samo genom pojedinačne životinje ili biljke, već i genetski fond vrste. Ovaj koncept je poznat kao "genski pogon". Svaki živi organizam prenosi polovicu svojih gena na svoje potomke. Ali korištenje CRISPR/Cas može povećati mogućnost prijenosa gena do 100%. Ovo je važno kako bi se željeno svojstvo brže proširilo kroz populaciju.

Švicarski znanstvenici značajno su unaprijedili i modernizirali metodu uređivanja genoma CRISPR/Cas, čime su proširili njezine mogućnosti. Međutim, znanstvenici su mogli modificirati samo jedan po jedan gen koristeći CRISPR/Cas sustav. Ali sada su istraživači s ETH Zurich razvili metodu koja može istovremeno modificirati 25 gena u stanici.

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

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

31.2

Za prijatelje!

Referenca

Molekularna biologija izrasla je iz biokemije u travnju 1953. Njegov izgled povezan je s imenima Jamesa Watsona i Francisa Cricka, koji su otkrili strukturu molekule DNA. Otkriće je omogućeno proučavanjem genetike, bakterija i biokemije virusa. Profesija molekularnog biologa nije raširena, ali danas je njegova uloga u modernom društvu vrlo velika. Velik broj bolesti, uključujući i one koje se manifestiraju na genetskoj razini, zahtijeva od znanstvenika pronalaženje rješenja za ovaj problem.

Opis djelatnosti

Virusi i bakterije neprestano mutiraju, što znači da lijekovi više ne pomažu čovjeku, a bolesti postaju teško liječive. Zadatak molekularne biologije je preduhitriti ovaj proces i razviti novi lijek za bolesti. Znanstvenici rade prema dobro utvrđenoj shemi: blokiraju uzrok bolesti, eliminiraju mehanizme nasljedstva i time ublažavaju stanje bolesnika. Postoji niz centara, klinika i bolnica diljem svijeta u kojima molekularni biolozi razvijaju nove tretmane za pomoć pacijentima.

Odgovornosti na poslu

Odgovornosti molekularnog biologa uključuju proučavanje procesa unutar stanice (na primjer, promjene u DNK tijekom razvoja tumora). Također, stručnjaci proučavaju značajke DNK, njihov učinak na cijeli organizam i pojedinu stanicu. Takve se studije provode, na primjer, na temelju PCR (lančane reakcije polimeraze), koja vam omogućuje analizu tijela za infekcije, nasljedne bolesti i određivanje biološke veze.

Značajke rasta karijere

Zanimanje molekularnog biologa prilično je perspektivno u svom području i već danas tvrdi da je prvo na ljestvici medicinskih zanimanja budućnosti. Inače, molekularni biolog ne mora stalno ostati na ovom polju. Ukoliko postoji želja za promjenom zanimanja, može se prekvalificirati za voditelja prodaje laboratorijske opreme, početi razvijati instrumente za razne studije ili otvoriti vlastiti obrt.

1. Uvod.

Predmet, zadaće i metode molekularne biologije i genetike. Značenje "klasične" genetike i genetike mikroorganizama u razvoju molekularne biologije i genetičkog inženjerstva. Pojam gena u "klasičnoj" i molekularnoj genetici, njegova evolucija. Doprinos metodologije genetičkog inženjerstva razvoju molekularne genetike. Primijenjena vrijednost genetičkog inženjerstva za biotehnologiju.

2. Molekularne osnove nasljeđa.

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

2.1. Razne vrste nukleinskih kiselina. Biološke funkcije nukleinskih kiselina. Kemijska struktura, prostorna struktura i fizička svojstva nukleinske kiseline. Strukturne značajke genetskog materijala pro- i eukariota. Komplementarni parovi Watson-Crick baza. Genetski kod. Povijest dešifriranja genetskog koda. Glavna svojstva koda: triplet, kod bez zareza, degeneriranost. Značajke kodnog rječnika, obitelji kodona, semantički i "besmisleni" kodoni. Kružne molekule DNA i koncept supersmotanosti DNA. Topoizomeri DNA i njihove vrste. Mehanizmi djelovanja topoizomeraza. Bakterijska DNA giraza.

2.2. transkripcija DNA. Prokariotska RNA polimeraza, njezina podjedinica i trodimenzionalne strukture. Raznolikost sigma faktora. Promotor prokariotskog gena, njegovi strukturni elementi. Faze transkripcijskog ciklusa. Inicijacija, stvaranje "otvorenog kompleksa", elongacija i terminacija transkripcije. slabljenje transkripcije. Regulacija ekspresije operona triptofana. "Riboprekidači". Mehanizmi terminacije transkripcije. Negativna i pozitivna regulacija transkripcije. laktozni operon. Regulacija transkripcije u razvoju lambda faga. Principi prepoznavanja DNA regulatornim proteinima (CAP protein i lambda fag represor). Značajke transkripcije u eukariota. Procesiranje RNK u eukariota. Zatvaranje, spajanje i poliadenilacija transkripata. mehanizmi za spajanje. Uloga male nuklearne RNA i proteinskih čimbenika. Alternativno spajanje, primjeri.

2.3. Emitiranje, njegove faze, funkcija ribosoma. Položaj ribosoma u stanici. Prokariotski i eukariotski tipovi ribosoma; 70S i 80S ribosomi. Morfologija ribosoma. Podjela na podčestice (podjedinice). Vezanje aminoacil-tRNA ovisno o kodonu u ciklusu elongacije. Interakcija kodon-antikodon. Sudjelovanje faktora elongacije EF1 (EF-Tu) u vezivanju aminoacil-tRNA na ribosom. Faktor istezanja EF1B (EF-Ts), njegova funkcija, slijed reakcija s njegovim sudjelovanjem. Antibiotici koji utječu na stadij vezanja aminoacil-tRNA na ribosom ovisno o kodonu. Aminoglikozidni antibiotici (streptomicin, neomicin, kanamicin, gentamicin i dr.), njihov mehanizam djelovanja. Tetraciklini kao inhibitori vezanja aminoacil-tRNA na ribosom. Pokretanje emitiranja. Glavne faze procesa inicijacije. Inicijacija translacije u prokariota: čimbenici inicijacije, inicijacijski kodoni, RNA 3¢-kraj male ribosomske podjedinice i Shine-Dalgarno sekvenca u mRNA. Inicijacija translacije u eukariota: čimbenici inicijacije, inicijacijski kodoni, 5¢-netranslatirana regija i terminalna inicijacija ovisna o cap-u. "Unutarnja" inicijacija neovisna o kapi u eukariota. Transpeptidacija. Inhibitori transpeptidacije: kloramfenikol, linkomicin, amicetin, streptogramini, anizomicin. Translokacija. Učešće faktora istezanja EF2 (EF-G) i GTP. Inhibitori translokacije: fusidatna kiselina, viomicin, mehanizmi djelovanja. Prekid prijevoda. Završni kodoni. Faktori proteinske terminacije prokariota i eukariota; dvije klase faktora terminacije i mehanizmi njihovog djelovanja. Regulacija translacije u prokariota.

2.4. replikacija DNK i njegovu genetsku kontrolu. Polimeraze uključene u replikaciju, karakteristike njihove enzimske aktivnosti. DNK vjernost. Uloga prostornih interakcija između parova baza DNA tijekom replikacije. E. coli polimeraze I, II i III. Podjedinice polimeraze III. Replikacijski fork, "vodeće" i "zaostale" niti tijekom replikacije. Fragmenti Okazakija. Kompleks proteina u replikacijskoj vilici. Regulacija inicijacije replikacije u E. coli. Prekid replikacije kod bakterija. Značajke regulacije replikacije plazmida. Dvosmjerna i rolling ring replikacija.

2.5. Rekombinacija, njegove vrste i modeli. Opća ili homologna rekombinacija. Dvolančani prekidi u DNA koji započinju rekombinaciju. Uloga rekombinacije u postreplikacijskom popravku dvolančanih prekida. Hollidayeva struktura u rekombinacijskom modelu. Enzimologija opće rekombinacije u E. coli. RecBCD kompleks. Reca protein. Uloga rekombinacije u osiguravanju sinteze DNA kod oštećenja DNA koja prekidaju replikaciju. rekombinacija u eukariota. Rekombinacijski enzimi u eukariota. Rekombinacija specifična za mjesto. Razlike u molekularnim mehanizmima opće i site-specific rekombinacije. Klasifikacija rekombinaza. Vrste kromosomskih preraspodjela koje se provode tijekom rekombinacije specifične za mjesto. Regulacijska uloga rekombinacije specifične za mjesto kod bakterija. Konstrukcija višestaničnih eukariotskih kromosoma korištenjem sustava rekombinacije faga specifičnog za mjesto.

2.6. popravak DNK. Klasifikacija vrsta reparacije. Izravno popravljanje dimera timina i metiliranog gvanina. Izrezivanje baza. Glikozilaze. Mehanizam popravka nesparenih nukleotida (mismatch repair). Odabir DNA lanca koji treba popraviti. SOS popravak. Svojstva DNA polimeraza uključenih u SOS popravak u prokariota i eukariota. Koncept "adaptivnih mutacija" kod bakterija. Popravak dvolančanih prekida: homologna postreplikacijska rekombinacija i asocijacija nehomolognih krajeva molekule DNA. Odnos između procesa replikacije, rekombinacije i reparacije.

3. Proces mutacije.

Uloga biokemijskih mutanata u formiranju teorije jedan gen – jedan enzim. Klasifikacija mutacija. Točkaste mutacije i kromosomske preraspodjele, mehanizam njihovog nastanka. Spontana i inducirana mutageneza. Klasifikacija mutagena. Molekularni mehanizam mutageneze. Odnos između mutageneze i popravka. Identifikacija i selekcija mutanata. Supresija: intragenska, intergenska i fenotipska.

4. Izvankromosomski genetski elementi.

Plazmidi, njihova struktura i podjela. Spolni faktor F, njegova struktura i životni ciklus. Uloga faktora F u mobilizaciji prijenosa kromosoma. Stvaranje Hfr i F donora. 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. DNA - transpozoni u genomima prokariota i eukariota IS-sekvence bakterija, njihova struktura IS-sekvencije kao sastavnica F-faktora bakterija, koji određuje sposobnost prijenosa genetskog materijala tijekom konjugacije Transpozoni bakterija i eukariotski organizmi Izravni nereplikacijski i replikativni mehanizmi transpozicija Koncept horizontalnog prijenosa transpozona i njihova uloga u strukturnim preustrojima (ektopična rekombinacija) iu evoluciji genoma.

5. Proučavanje strukture i funkcije gena.

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

6. Regulacija ekspresije gena. Pojmovi operon i regulon. Kontrola na razini inicijacije transkripcije. Promotorski, operatorski i regulatorni proteini. Pozitivna i negativna kontrola ekspresije gena. Kontrola na razini terminacije transkripcije. Operoni kontrolirani katabolitom: modeli operona laktoze, galaktoze, arabinoze i maltoze. Operoni kontrolirani atenuatorom: model operona triptofana. Multivalentna regulacija ekspresije gena. Globalni sustavi regulacije. Regulatorni odgovor na stres. posttranskripcijska kontrola. prijenos signala. Regulacija posredovana RNA: male RNA, senzorske RNA.

7. Osnove genetskog inženjeringa. Restrikcijski enzimi i modifikacije. Izolacija i kloniranje gena. Vektori za molekularno kloniranje. Principi izgradnje rekombinantne DNA i njihovo uvođenje u stanice primateljice. Primijenjeni aspekti genetičkog inženjerstva.

A). Glavna literatura:

1. Watson J., Tooze J., Rekombinantna DNA: Kratki tečaj. – M.: Mir, 1986.

2. Geni. – M.: Mir. 1987. godine.

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

4. , – Molekularna biotehnologija. M. 2002. (monografija).

5. Spirin ribosomi i biosinteza proteina. - M .: Viša škola, 1986.

b). Dodatna literatura:

1. Hesin genoma. – M.: Znanost. 1984. godine.

2. Rybchin genetskog inženjeringa. - St. Petersburg: Državno tehničko sveučilište St. Petersburg. 1999. godine.

3. Patruševljevi geni. – M.: Nauka, 2000.

4. Suvremena mikrobiologija. Prokarioti (u 2 sv.). – M.: Mir, 2005.

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

6. Shchelkunov inženjering. - Novosibirsk: Iz Sib. sveuč., 2004. (monografija).

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

(Molekularni biologe/-biolog)

• Tip

  Zanimanje nakon diplome

• Plaća

  3667-5623 € mjesečno

Molekularni biolozi proučavaju molekularne procese kao osnovu svih životnih procesa. Na temelju dobivenih rezultata razvijaju koncepte za korištenje biokemijskih procesa, primjerice u medicinskim istraživanjima i dijagnostici ili u biotehnologiji. Osim toga, mogu biti uključeni u proizvodnju farmaceutskih proizvoda, razvoj proizvoda, osiguranje kvalitete ili farmaceutsko savjetovanje.

Odgovornosti molekularnog biologa

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

U znanstvenim istraživanjima molekularni biolozi proučavaju kemijsko-fizikalna svojstva organskih spojeva, kao i kemijske procese (na području staničnog metabolizma) u živim organizmima te objavljuju rezultate istraživanja. U višim obrazovne ustanove podučavaju studente, pripremaju predavanja i seminare, provjeravaju pismene radove i polažu ispite. Samostalna znanstvena djelatnost moguća je tek nakon stjecanja magisterija i doktorata znanosti.

Gdje rade molekularni biolozi?

Molekularni biolozi nalaze posao, kao npr

• u istraživačkim institutima, npr. u područjima znanosti i medicine
• u visokoškolskim ustanovama
• u kemijsko-farmaceutskoj industriji
• u odjelima zaštite okoliša

Plaća molekularnog biologa

Razina plaće koju primaju molekularni biolozi u Njemačkoj je

• od 3667€ do 5623€ mjesečno

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

Detaljno o zadacima i odgovornostima molekularnog biologa

Što je bit zanimanja Molekularni biolog

Molekularni biolozi proučavaju molekularne procese kao osnovu svih životnih procesa. Na temelju dobivenih rezultata razvijaju koncepte za korištenje biokemijskih procesa, primjerice u medicinskim istraživanjima i dijagnostici ili u biotehnologiji. Osim toga, mogu biti uključeni u proizvodnju farmaceutskih proizvoda, razvoj proizvoda, osiguranje kvalitete ili farmaceutsko savjetovanje.

Zvanje Molekularna biologija

Molekularna biologija ili molekularna genetika bavi se proučavanjem strukture i biosinteze nukleinskih kiselina i procesa uključenih u prijenos i realizaciju tih informacija u obliku proteina. To omogućuje razumijevanje bolnih poremećaja ovih funkcija i, eventualno, njihovo liječenje uz pomoć genske terapije. Postoje sučelja za biotehnologiju i genetski inženjering koja stvaraju jednostavni organizmi, kao što su bakterije i kvasci, kako bi se tvari od farmakološkog ili komercijalnog interesa učinile dostupnima u industrijskim razmjerima kroz ciljane mutacije.

Teorija i praksa molekularne biologije

Kemijsko-farmaceutska industrija nudi brojna područja zapošljavanja za molekularne biologe. U industrijskim okruženjima analiziraju procese biotransformacije ili razvijaju i poboljšavaju procese za mikrobiološku proizvodnju aktivnih sastojaka i farmaceutskih međuprodukata. Osim toga, uključeni su u prijelaz novorazvijenih proizvoda iz istraživanja u proizvodnju. Obavljanjem inspekcijskih zadataka osiguravaju da proizvodni pogoni, oprema, analitičke metode i svi koraci u proizvodnji osjetljivih proizvoda kao što su lijekovi uvijek zadovoljavaju potrebne standarde kvalitete. Osim toga, molekularni biolozi savjetuju korisnike o korištenju novih proizvoda.

Rukovodeće pozicije često zahtijevaju magistarski program.

Molekularni biolozi u istraživanju i obrazovanju

U području znanosti i istraživanja, molekularni biolozi bave se temama kao što su prepoznavanje, transport, savijanje i kodifikacija proteina u stanici. Rezultati istraživanja, koji su temelj za praktičnu primjenu u raznim područjima, objavljuju se i tako postaju dostupni drugim znanstvenicima i studentima. Na konferencijama i kongresima raspravljaju i prezentiraju rezultate znanstvenog rada. Molekularni biolozi drže predavanja i seminare, prate znanstveni rad i polažu ispite.

Za samostalnu znanstvenu djelatnost potreban je magisterij i doktorat.