მოლეკულური ბიოლოგია, როგორც სამეცნიერო ლექცია დოქტორის მიერ. თაზაბაევა კ.ა

Მოლეკულური ბიოლოგია

მეცნიერება, რომელიც მიზნად ისახავს ცხოვრების ფენომენების ბუნების გაგებას ბიოლოგიური ობიექტებისა და სისტემების შესწავლით მოლეკულურ დონესთან მიახლოებულ დონეზე და ზოგიერთ შემთხვევაში ამ ზღვარს მიაღწია. საბოლოო მიზანია გაარკვიოს, თუ როგორ და რამდენად არის სიცოცხლის დამახასიათებელი გამოვლინებები, როგორიცაა მემკვიდრეობა, საკუთარი სახის რეპროდუქცია, ცილების ბიოსინთეზი, აგზნებადობა, ზრდა და განვითარება, ინფორმაციის შენახვა და გადაცემა, ენერგიის გარდაქმნები, მობილურობა და ა.შ. , განისაზღვრება ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი ნივთიერებების მოლეკულების სტრუქტურით, თვისებებით და ურთიერთქმედებით, პირველ რიგში მაღალმოლეკულური ბიოპოლიმერების ორი ძირითადი კლასით (იხ. ბიოპოლიმერები) - ცილები და ნუკლეინის მჟავები. გამორჩეული თვისება M. b. - სიცოცხლის ფენომენების შესწავლა უსულო საგნებზე ან მათზე, რომლებიც ხასიათდება სიცოცხლის ყველაზე პრიმიტიული გამოვლინებით. ეს არის ბიოლოგიური წარმონაქმნები უჯრედული დონიდან და ქვემოთ: უჯრედქვეშა ორგანელები, როგორიცაა იზოლირებული უჯრედის ბირთვები, მიტოქონდრია, რიბოსომები, ქრომოსომა, უჯრედის მემბრანები; შემდგომში - სისტემები, რომლებიც დგანან ცოცხალი და უსულო ბუნების საზღვარზე - ვირუსები, მათ შორის ბაქტერიოფაგები და მთავრდება ცოცხალი ნივთიერების ყველაზე მნიშვნელოვანი კომპონენტების მოლეკულებით - ნუკლეინის მჟავებით (იხ. ნუკლეინის მჟავები) და ცილებით (იხ. პროტეინები).

მ.ბ. - საბუნებისმეტყველო მეცნიერების ახალი დარგი, მჭიდროდ დაკავშირებული კვლევის დიდი ხნის დამკვიდრებულ სფეროებთან, რომლებიც მოიცავს ბიოქიმიას (იხ. ბიოქიმია), ბიოფიზიკას (იხ. ბიოფიზიკა) და ბიოორგანული ქიმიას (იხ. ბიოორგანული ქიმია). აქ განსხვავება შესაძლებელია მხოლოდ გამოყენებული მეთოდებისა და გამოყენებული მიდგომების ფუნდამენტური ხასიათის გათვალისწინებით.

საფუძველი, რომელზედაც განვითარდა მ.ბ., ჩაეყარა ისეთმა მეცნიერებებმა, როგორიცაა გენეტიკა, ბიოქიმია, ელემენტარული პროცესების ფიზიოლოგია და ა.შ.. მისი განვითარების საწყისებიდან გამომდინარე, მ.ბ. განუყოფლად არის დაკავშირებული მოლეკულურ გენეტიკასთან (იხ. მოლეკულური გენეტიკა) , რომელიც აგრძელებს მათემატიკის მნიშვნელოვან ნაწილს, თუმცა ის უკვე დიდწილად დამოუკიდებელ დისციპლინად იქცა. მ.ბ-ის იზოლაცია. ბიოქიმიიდან ნაკარნახევია შემდეგი მოსაზრებებით. ბიოქიმიის ამოცანები ძირითადად შემოიფარგლება გარკვეულ ბიოლოგიურ ფუნქციებსა და პროცესებში გარკვეული ქიმიური ნივთიერებების მონაწილეობის დადგენით და მათი გარდაქმნების ბუნების გარკვევით; წამყვანი მნიშვნელობა ენიჭება ინფორმაციას ჩვეულებრივი ქიმიური ფორმულით გამოხატული რეაქტიულობისა და ქიმიური სტრუქტურის ძირითადი მახასიათებლების შესახებ. ამრიგად, არსებითად, ყურადღება გამახვილებულია ტრანსფორმაციებზე, რომლებიც გავლენას ახდენენ ძირითად ვალენტურ ქიმიურ ბმებზე. ამასობაში, როგორც ლ.პაულინგმა ხაზგასმით აღნიშნა , ბიოლოგიურ სისტემებში და სიცოცხლის გამოვლინებებში მთავარი მნიშვნელობა უნდა მიენიჭოს არა ერთ მოლეკულაში მოქმედ მთავარ ვალენტურ ობლიგაციებს, არამედ სხვადასხვა სახის ობლიგაციებს, რომლებიც განსაზღვრავენ ინტერმოლეკულურ ურთიერთქმედებებს (ელექტროსტატიკური, ვან დერ ვაალსი, წყალბადის ბმები და ა.შ.).

ბიოქიმიური კვლევის საბოლოო შედეგი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ქიმიური განტოლებების ამა თუ იმ სისტემის სახით, როგორც წესი, მთლიანად ამოწურულია მათი წარმოდგენით თვითმფრინავზე, ანუ ორ განზომილებაში. გამორჩეული თვისება M. b. არის მისი სამგანზომილებიანი. არსი M. b. M. Peruts-ის მიერ ჩანს ბიოლოგიური ფუნქციების ინტერპრეტაცია მოლეკულური სტრუქტურის თვალსაზრისით. შეგვიძლია ვთქვათ, რომ თუ ადრე, ბიოლოგიური ობიექტების შესწავლისას, საჭირო იყო პასუხის გაცემა კითხვაზე „რა“, ანუ რა ნივთიერებები იმყოფება და კითხვაზე „სად“, რომელ ქსოვილებსა და ორგანოებში, მაშინ M.b. მიზნად ისახავს პასუხის მიღებას კითხვაზე "როგორ", როდესაც შეიტყო მოლეკულის მთელი სტრუქტურის როლისა და მონაწილეობის არსი და კითხვებზე "რატომ" და "რისთვის", ერთი მხრივ, რომ გაარკვია, კავშირი მოლეკულის (ისევ, პირველ რიგში, ცილების და ნუკლეინის მჟავების) თვისებებსა და მის მიერ შესრულებულ ფუნქციებს შორის და, მეორე მხრივ, ასეთი ინდივიდუალური ფუნქციების როლი სიცოცხლის გამოვლინებების საერთო კომპლექსში.

ატომების და მათი ჯგუფების შედარებითი პოზიცია მაკრომოლეკულის საერთო სტრუქტურაში და მათი სივრცითი ურთიერთობები გადამწყვეტ როლს თამაშობს. ეს ეხება როგორც ცალკეულ კომპონენტებს, ასევე მოლეკულის მთლიან კონფიგურაციას. ეს არის მკაცრად განსაზღვრული მოცულობითი სტრუქტურის გაჩენის შედეგად, რომ ბიოპოლიმერის მოლეკულები იძენენ იმ თვისებებს, რის გამოც მათ შეუძლიათ ბიოლოგიური ფუნქციების მატერიალური საფუძველი. ცოცხალი არსების შესწავლისადმი მიდგომის ეს პრინციპი ყველაზე დამახასიათებელი, ტიპიური თვისებაა M. b.

ისტორიული ცნობა.ბიოლოგიური პრობლემების მოლეკულურ დონეზე კვლევის უზარმაზარ მნიშვნელობას ითვალისწინებდა ი.პ. პავლოვი. , რომელმაც ისაუბრა სიცოცხლის მეცნიერების ბოლო საფეხურზე – ცოცხალი მოლეკულის ფიზიოლოგიაზე. თავად ტერმინი „მ. ბ." პირველად გამოიყენეს ინგლისური. მეცნიერი W. Astbury კვლევაში, რომელიც ეხება მოლეკულურ სტრუქტურასა და ფიბრილარული (ბოჭკოვანი) ცილების ფიზიკურ და ბიოლოგიურ თვისებებს შორის ურთიერთობის გარკვევას, როგორიცაა კოლაგენი, სისხლის ფიბრინი ან კუნთების შეკუმშვადი ცილები. ფართოდ გამოიყენება ტერმინი „მ. ბ." ფოლადი 50-იანი წლების დასაწყისიდან. მე -20 საუკუნე

მ.ბ.-ის გაჩენა. როგორც მომწიფებული მეცნიერება, ჩვეულებრივად თარიღდება 1953 წლით, როდესაც ჯ. უოტსონმა და ფ. კრიკმა კემბრიჯში (დიდი ბრიტანეთი) აღმოაჩინეს დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავის (დნმ) სამგანზომილებიანი სტრუქტურა. ამან შესაძლებელი გახადა საუბარი იმაზე, თუ როგორ განსაზღვრავს ამ სტრუქტურის დეტალები დნმ-ის, როგორც მემკვიდრეობითი ინფორმაციის მატერიალური მატარებლის ბიოლოგიურ ფუნქციებს. პრინციპში, დნმ-ის ეს როლი ცნობილი გახდა ცოტა ადრე (1944) ამერიკელი გენეტიკოსის O.T. Avery-ისა და მისი კოლეგების მუშაობის შედეგად (იხ. მოლეკულური გენეტიკა), მაგრამ არ იყო ცნობილი, რამდენად არის ეს ფუნქცია დამოკიდებული მოლეკულაზე. დნმ-ის სტრუქტურა. ეს შესაძლებელი გახდა მხოლოდ მას შემდეგ, რაც შემუშავდა რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის ახალი პრინციპები W. L. Bragg-ის (იხ. Bragg-Wolff პირობა), J. Bernal და სხვების ლაბორატორიებში, რამაც უზრუნველყო ამ მეთოდის გამოყენება სივრცითი სტრუქტურის დეტალური ცოდნისთვის. ცილების და ნუკლეინის მჟავების მაკრომოლეკულები.

მოლეკულური ორგანიზაციის დონეები. 1957 წელს ჯ.კენდრიუმ ჩამოაყალიბა მიოგლობინის სამგანზომილებიანი სტრუქტურა ა , და შემდგომ წლებში ეს გააკეთა M. Perutz-მა ჰემოგლობინთან მიმართებაში ა. ჩამოყალიბდა იდეები მაკრომოლეკულების სივრცითი ორგანიზაციის სხვადასხვა დონის შესახებ. პირველადი სტრუქტურა არის ცალკეული ერთეულების (მონომერების) თანმიმდევრობა მიღებული პოლიმერის მოლეკულის ჯაჭვში. ცილებისთვის, მონომერები ამინომჟავებია , ნუკლეინის მჟავებისთვის - ნუკლეოტიდები. ბიოპოლიმერის ხაზოვან, ძაფის მსგავს მოლეკულას წყალბადური ბმების წარმოქმნის შედეგად აქვს უნარი მოერგოს სივრცეში გარკვეული სახით, მაგალითად, ცილების შემთხვევაში, როგორც ლ. პაულინგმა აჩვენა, შეიძინოს. სპირალის ფორმა. ეს არის მოხსენიებული, როგორც მეორადი სტრუქტურა. მესამეული სტრუქტურაზეა საუბარი, როდესაც მეორადი სტრუქტურის მქონე მოლეკულა ამა თუ იმ გზით იკეცება და ავსებს სამგანზომილებიან სივრცეს. და ბოლოს, სამგანზომილებიანი სტრუქტურის მქონე მოლეკულებს შეუძლიათ ურთიერთქმედება, ბუნებრივად განლაგებულნი არიან ერთმანეთთან შედარებით სივრცეში და ქმნიან იმას, რასაც მეოთხეულ სტრუქტურას უწოდებენ; მის ცალკეულ კომპონენტებს ჩვეულებრივ ქვეერთეულებს უწოდებენ.

ყველაზე აშკარა მაგალითი იმისა, თუ როგორ განსაზღვრავს მოლეკულური სამგანზომილებიანი სტრუქტურა მოლეკულის ბიოლოგიურ ფუნქციებს, არის დნმ. მას აქვს ორმაგი სპირალის სტრუქტურა: ერთმანეთის ირგვლივ ტრიალდება ერთმანეთის საპირისპირო მიმართულებით (ანტიპარალელური) ძაფები, რომლებიც ქმნიან ორმაგ სპირალს ფუძეების ურთიერთშემავსებელი განლაგებით, ანუ ისე, რომ ერთი ჯაჭვის გარკვეული ფუძის საპირისპიროდ არის. ყოველთვის იგივეა მეორე ჯაჭვში ფუძე, რომელიც საუკეთესოდ უზრუნველყოფს წყალბადური ბმების ფორმირებას: ადენინი (A) ქმნის წყვილს თიმინთან (T), გუანინი (G) ციტოზინთან (C). ეს სტრუქტურა ქმნის ოპტიმალურ პირობებს დნმ-ის ყველაზე მნიშვნელოვანი ბიოლოგიური ფუნქციებისთვის: მემკვიდრეობითი ინფორმაციის რაოდენობრივი გამრავლება უჯრედების გაყოფის პროცესში, გენეტიკური ინფორმაციის ამ ნაკადის ხარისხობრივი უცვლელობის შენარჩუნებით. როდესაც უჯრედი იყოფა, დნმ-ის ორმაგი სპირალის ძაფები, რომელიც მატრიცას ან შაბლონს ემსახურება, იხსნება და თითოეულ მათგანზე ფერმენტების მოქმედებით სინთეზირდება დამატებითი ახალი ჯაჭვი. ამის შედეგად, ერთი დედა დნმ-ის მოლეკულიდან მიიღება ორი სრულიად იდენტური ქალიშვილი მოლეკულა (იხ. უჯრედი, მიტოზი).

ასევე ჰემოგლობინის შემთხვევაში, აღმოჩნდა, რომ მისი ბიოლოგიური ფუნქცია - ფილტვებში ჟანგბადის შექცევად დამატების და შემდეგ ქსოვილებში მიცემის უნარი - მჭიდრო კავშირშია ჰემოგლობინის სამგანზომილებიანი სტრუქტურის მახასიათებლებთან და მის ცვლილებებთან. მისი თანდაყოლილი ფიზიოლოგიური როლის შესრულების პროცესი. როდესაც O2 აკავშირებს და იშლება, ხდება სივრცითი ცვლილებები ჰემოგლობინის მოლეკულის კონფორმაციაში, რაც იწვევს მასში შემავალი რკინის ატომების ჟანგბადისადმი მიდრეკილების ცვლილებას. ჰემოგლობინის მოლეკულის ზომის ცვლილებებმა, რომლებიც ახსენებს გულმკერდის მოცულობის ცვლილებებს სუნთქვის დროს, საშუალებას აძლევდა ჰემოგლობინს ეწოდოს "მოლეკულური ფილტვები".

ცოცხალი ობიექტების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია მათი უნარი წვრილად მოაწესრიგონ ცხოვრებისეული აქტივობის ყველა გამოვლინება. მთავარი წვლილი M. b. სამეცნიერო აღმოჩენები უნდა ჩაითვალოს ახალი, მანამდე უცნობი მარეგულირებელი მექანიზმის აღმოჩენად, რომელსაც ალოსტერიულ ეფექტს უწოდებენ. ის მდგომარეობს დაბალმოლეკულური წონის ნივთიერებების უნარში - ე.წ. ლიგანდები - ცვლის მაკრომოლეკულების სპეციფიკურ ბიოლოგიურ ფუნქციებს, უპირველეს ყოვლისა, კატალიზურ მოქმედ ცილებს - ფერმენტებს, ჰემოგლობინს, რეცეპტორულ ცილებს, რომლებიც მონაწილეობენ ბიოლოგიური მემბრანების მშენებლობაში (იხ. ბიოლოგიური მემბრანები), სინაფსურ გადაცემაში (იხ. სინაფსები) და ა.შ.

სამი ბიოტური ნაკადი.მ-ის იდეების ფონზე ბ. სიცოცხლის ფენომენების მთლიანობა შეიძლება მივიჩნიოთ სამი ნაკადის შერწყმის შედეგად: მატერიის დინება, რომელიც გამოხატულებას პოულობს მეტაბოლიზმის, ანუ ასიმილაციისა და დისიმილაციის მოვლენებში; ენერგიის ნაკადი, რომელიც არის მამოძრავებელი ძალა ცხოვრების ყველა გამოვლინებისთვის; და ინფორმაციის ნაკადი, რომელიც მოიცავს არა მხოლოდ თითოეული ორგანიზმის განვითარებისა და არსებობის პროცესების მთელ მრავალფეროვნებას, არამედ თანმიმდევრული თაობების უწყვეტ სერიას. ბიოლოგიური მეცნიერების განვითარებით ცოცხალი სამყაროს დოქტრინაში შემოტანილი ინფორმაციის ნაკადის იდეაა, რომელიც მასზე თავის სპეციფიკურ, უნიკალურ კვალს ტოვებს.

მოლეკულური ბიოლოგიის ყველაზე მნიშვნელოვანი მიღწევები. M.b-ის გავლენის სიჩქარე, მასშტაბი და სიღრმე. ცოცხალი ბუნების შესწავლის ფუნდამენტური პრობლემების გაგების მიღწევები სწორად არის შედარებული, მაგალითად, კვანტური თეორიის გავლენა ატომური ფიზიკის განვითარებაზე. ორმა შინაგანად დაკავშირებულმა პირობამ განსაზღვრა ეს რევოლუციური გავლენა. ერთის მხრივ, გადამწყვეტი როლი ითამაშა სიცოცხლის აქტივობის ყველაზე მნიშვნელოვანი გამოვლინებების უმარტივეს პირობებში შესწავლის შესაძლებლობის აღმოჩენამ, ქიმიური და ფიზიკური ექსპერიმენტების ტიპთან მიახლოებით. მეორე მხრივ, ამ გარემოების შედეგად, ბიოლოგიური პრობლემების შემუშავებაში სწრაფი ჩართვა მოხდა ზუსტი მეცნიერებების - ფიზიკოსების, ქიმიკოსების, კრისტალოგრაფების, შემდეგ კი მათემატიკოსების მნიშვნელოვანი რაოდენობის წარმომადგენლების. ამ გარემოებებმა ერთად განისაზღვრა სამედიცინო მეცნიერების განვითარების უჩვეულოდ სწრაფი ტემპი და სულ რაღაც ორ ათწლეულში მიღწეული წარმატებების რაოდენობა და მნიშვნელობა. აქ არის შორს ამ მიღწევების სრული ჩამონათვალი: დნმ-ის ბიოლოგიური ფუნქციის სტრუქტურისა და მექანიზმის აღმოჩენა, რნმ-ის ყველა ტიპისა და რიბოზომები (იხილეთ რიბოსომები) , გენეტიკური კოდის გამჟღავნება (იხ. გენეტიკური კოდი) ; საპირისპირო ტრანსკრიფციის აღმოჩენა (იხ. ტრანსკრიფცია) , ანუ დნმ-ის სინთეზი რნმ-ის შაბლონზე; რესპირატორული პიგმენტების ფუნქციონირების მექანიზმების შესწავლა; სამგანზომილებიანი სტრუქტურის აღმოჩენა და მისი ფუნქციური როლი ფერმენტების მოქმედებაში (იხ. ფერმენტები) , მატრიცის სინთეზის პრინციპი და ცილების ბიოსინთეზის მექანიზმები; ვირუსების სტრუქტურის (იხ. ვირუსები) და მათი რეპლიკაციის მექანიზმების, ანტისხეულების პირველადი და ნაწილობრივ სივრცითი სტრუქტურის გამჟღავნება; ცალკეული გენების იზოლაცია , გენის ქიმიური და შემდეგ ბიოლოგიური (ფერმენტული) სინთეზი, მათ შორის ადამიანის, უჯრედის გარეთ (ინ ვიტრო); გენების გადატანა ერთი ორგანიზმიდან მეორეზე, მათ შორის ადამიანის უჯრედებში; ინდივიდუალური ცილების, ძირითადად ფერმენტების, აგრეთვე ნუკლეინის მჟავების მზარდი რაოდენობის ქიმიური სტრუქტურის გაშიფვრა; მზარდი სირთულის ზოგიერთი ბიოლოგიური ობიექტის „თვითშეკრების“ ფენომენის გამოვლენა, ნუკლეინის მჟავის მოლეკულებიდან დაწყებული და მრავალკომპონენტიან ფერმენტებზე, ვირუსებზე, რიბოზომებზე და ა.შ. ბიოლოგიური ფუნქციებისა და პროცესების რეგულირების ალოსტერული და სხვა ძირითადი პრინციპების გარკვევა.

რედუქციონიზმი და ინტეგრაცია. მ.ბ. ეს არის ამ მიმართულების ბოლო ეტაპი ცოცხალი ობიექტების შესწავლაში, რომელიც დასახელებულია როგორც „რედუქციონიზმი“, ანუ რთული ცხოვრებისეული ფუნქციების შემცირების სურვილი მოლეკულების დონეზე წარმოქმნილ ფენომენებზე და, შესაბამისად, მისაწვდომი ფიზიკისა და მეთოდებით შესასწავლად. ქიმია. მიაღწია მ.ბ. წარმატებები მიუთითებს ამ მიდგომის ეფექტურობაზე. ამასთან, გასათვალისწინებელია, რომ ბუნებრივ პირობებში უჯრედში, ქსოვილში, ორგანოსა და მთლიან ორგანიზმში საქმე გვაქვს მზარდი სირთულის სისტემებთან. ასეთი სისტემები ჩამოყალიბებულია ქვედა დონის კომპონენტებისგან მათი ბუნებრივი ინტეგრაციის შედეგად მთლიანობაში, იძენს სტრუქტურულ და ფუნქციურ ორგანიზაციას და ფლობენ ახალ თვისებებს. მაშასადამე, რამდენადაც ცოდნა მოლეკულურ და მიმდებარე დონეზე გამოსავლენად ხელმისაწვდომი შაბლონების შესახებ უფრო დეტალური ხდება, სანამ M.b. ინტეგრაციის მექანიზმების გაგების ამოცანა ჩნდება, როგორც ცხოვრებისეული ფენომენების შესწავლის შემდგომი განვითარების ხაზი. აქ ამოსავალი წერტილი არის მოლეკულათაშორისი ურთიერთქმედების ძალების შესწავლა - წყალბადის ბმები, ვან დერ ვაალსი, ელექტროსტატიკური ძალები და ა.შ. მათი მთლიანობისა და სივრცითი განლაგებით ისინი ქმნიან იმას, რაც შეიძლება დასახელდეს როგორც „ინტეგრაციული ინფორმაცია“. ის უნდა ჩაითვალოს უკვე აღნიშნული ინფორმაციის ნაკადის ერთ-ერთ ძირითად ნაწილად. M.b-ის ტერიტორიაზე. ინტეგრაციის მაგალითები მოიცავს რთული წარმონაქმნების თვითშეკრების ფენომენს მათი შემადგენელი ნაწილების ნარევიდან. ეს მოიცავს, მაგალითად, მრავალკომპონენტიანი ცილების წარმოქმნას მათი ქვედანაყოფებიდან, ვირუსების წარმოქმნას მათი შემადგენელი ნაწილებიდან - ცილებიდან და ნუკლეინის მჟავებიდან, რიბოზომების თავდაპირველი სტრუქტურის აღდგენა მათი ცილისა და ნუკლეინის მჟავის კომპონენტების გამოყოფის შემდეგ და ა.შ. ამ ფენომენებიდან პირდაპირ კავშირშია ბიოპოლიმერული მოლეკულების ძირითადი ფენომენების ცოდნასთან „აღიარება“. საქმე იმაშია, რომ გავარკვიოთ ამინომჟავების რა კომბინაციები - ცილების მოლეკულებში ან ნუკლეოტიდებში - ნუკლეინის მჟავებში ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან ცალკეული მოლეკულების ასოცირების პროცესებში მკაცრად სპეციფიკური, წინასწარ განსაზღვრული შემადგენლობისა და სტრუქტურის კომპლექსების წარმოქმნით. მათ შორისაა მათი ქვედანაყოფებიდან რთული ცილების წარმოქმნის პროცესები; გარდა ამისა, შერჩევითი ურთიერთქმედება ნუკლეინის მჟავას მოლეკულებს შორის, მაგალითად, ტრანსპორტი და მატრიცა (ამ შემთხვევაში, გენეტიკური კოდის გამჟღავნებამ მნიშვნელოვნად გააფართოვა ჩვენი ინფორმაცია); დაბოლოს, ეს არის მრავალი სახის სტრუქტურის ფორმირება (მაგალითად, რიბოსომები, ვირუსები, ქრომოსომა), რომელშიც მონაწილეობენ როგორც ცილები, ასევე ნუკლეინის მჟავები. შესაბამისი შაბლონების აღმოჩენა, ამ ურთიერთქმედების საფუძვლად არსებული „ენის“ ცოდნა წარმოადგენს მათემატიკური ბიოლოგიის ერთ-ერთ ყველაზე მნიშვნელოვან სფეროს, რომელიც ჯერ კიდევ ელოდება მის განვითარებას. ეს ტერიტორია მთელი ბიოსფეროს ერთ-ერთ ფუნდამენტურ პრობლემად ითვლება.

მოლეკულური ბიოლოგიის პრობლემები.მითითებულ მნიშვნელოვან ამოცანებთან ერთად მ.ბ. ("აღიარების", თვითშეკრებისა და ინტეგრაციის კანონების ცოდნა) უახლოეს მომავალში სამეცნიერო კვლევის გადაუდებელი მიმართულებაა მეთოდების შემუშავება, რომლებიც შესაძლებელს გახდის სტრუქტურის გაშიფვრას, შემდეგ კი სამგანზომილებიანი, სივრცითი ორგანიზების მაღალმოლეკულური ნუკლეინის მჟავები. ეს უკვე მიღწეულია დნმ-ის სამგანზომილებიანი სტრუქტურის (ორმაგი სპირალი) ზოგადი მონახაზის მიმართ, მაგრამ მისი პირველადი სტრუქტურის ზუსტი ცოდნის გარეშე. ანალიტიკური მეთოდების შემუშავების სწრაფი პროგრესი საშუალებას გვაძლევს დარწმუნებით ველოდოთ ამ მიზნების მიღწევას მომდევნო წლებში. აქ, რა თქმა უნდა, ძირითადი წვლილი მოდის მონათესავე მეცნიერებების, პირველ რიგში, ფიზიკისა და ქიმიის წარმომადგენლებისგან. ყველა ყველაზე მნიშვნელოვანი მეთოდი, რომლის გამოყენებამ უზრუნველყო მოლეკულური ბიოლოგიის გაჩენა და წარმატება, შემოთავაზებული და შემუშავებული იყო ფიზიკოსების მიერ (ულტრაცენტრფუგაცია, რენტგენის დიფრაქციული ანალიზი, ელექტრონული მიკროსკოპია, ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი და ა.შ.). თითქმის ყველა ახალი ფიზიკური ექსპერიმენტული მიდგომა (მაგალითად, კომპიუტერების, სინქროტრონის ან ბრემსტრაჰლუნგის გამოყენება, რადიაცია, ლაზერული ტექნოლოგია და ა.შ.) ხსნის ახალ შესაძლებლობებს მოლეკულური ბიოლოგიის პრობლემების სიღრმისეული შესწავლისთვის. უმთავრეს პრაქტიკულ პრობლემებს შორის, რომლებზეც პასუხს მ.ბ.-სგან ელოდებიან, პირველ რიგში არის ავთვისებიანი ზრდის მოლეკულური საფუძვლის პრობლემა, შემდეგ - მემკვიდრეობითი დაავადებების პრევენციისა და შესაძლოა დაძლევის გზები - „მოლეკულური დაავადებები. ” (იხ. მოლეკულური დაავადებები). დიდი მნიშვნელობა ექნება ბიოლოგიური კატალიზის მოლეკულური საფუძვლის, ანუ ფერმენტების მოქმედების გარკვევას. ყველაზე მნიშვნელოვან თანამედროვე ტენდენციებს შორის M. b. უნდა მოიცავდეს ჰორმონების მოქმედების მოლეკულური მექანიზმების გაშიფვრის სურვილს (იხ. ჰორმონები) , ტოქსიკური და სამკურნალო ნივთიერებები, აგრეთვე გაირკვეს ისეთი უჯრედული სტრუქტურების მოლეკულური სტრუქტურისა და ფუნქციონირების დეტალები, როგორიცაა ბიოლოგიური გარსები, რომლებიც მონაწილეობენ ნივთიერებების შეღწევისა და ტრანსპორტირების პროცესების რეგულირებაში. უფრო შორეული მიზნები მ.ბ. - ნერვული პროცესების ბუნების ცოდნა, მეხსიერების მექანიზმები (იხ. მეხსიერება) და ა.შ. დამახსოვრების ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი განვითარებადი განყოფილება. - ე. წ გენეტიკური ინჟინერია, რომელიც მიზნად ისახავს ცოცხალი ორგანიზმების გენეტიკური აპარატის (გენომის) მიზანმიმართულ მუშაობას, მიკრობებიდან და ქვედა (ერთუჯრედიანი) ადამიანებამდე (ამ უკანასკნელ შემთხვევაში, ძირითადად, მემკვიდრეობითი დაავადებების რადიკალური მკურნალობის მიზნით (იხ. მემკვიდრეობითი დაავადებები) და გენეტიკური დეფექტების გამოსწორება). უფრო ვრცელი ინტერვენციები ადამიანის გენეტიკურ საფუძველში შეიძლება მხოლოდ მეტ-ნაკლებად შორეულ მომავალში განიხილებოდეს, რადგან ეს გამოიწვევს როგორც ტექნიკური, ისე ფუნდამენტური ხასიათის სერიოზულ დაბრკოლებებს. მიკრობებთან, მცენარეებთან და შესაძლოა სოფლის მეურნეობის პროდუქტებთან მიმართებაში. ცხოველებისთვის, ასეთი პერსპექტივები ძალიან წამახალისებელია (მაგალითად, კულტივირებული მცენარეების ჯიშების მიღება, რომლებსაც აქვთ ჰაერიდან აზოტის დასამაგრებელი აპარატურა და არ საჭიროებს სასუქებს). ისინი ეფუძნება უკვე მიღწეულ წარმატებებს: გენების იზოლაცია და სინთეზი, გენების გადატანა ერთი ორგანიზმიდან მეორეზე, მასობრივი უჯრედული კულტურების გამოყენება ეკონომიკურად ან სამედიცინო თვალსაზრისით მნიშვნელოვანი ნივთიერებების მწარმოებლებად.

კვლევის ორგანიზაცია მოლეკულურ ბიოლოგიაში.მ.ბ.ს სწრაფი განვითარება. გამოიწვია დიდი რაოდენობით სპეციალიზებული კვლევითი ცენტრების გაჩენა. მათი რიცხვი სწრაფად იზრდება. ყველაზე დიდი: დიდ ბრიტანეთში - მოლეკულური ბიოლოგიის ლაბორატორია კემბრიჯში, სამეფო ინსტიტუტი ლონდონში; საფრანგეთში - მოლეკულური ბიოლოგიის ინსტიტუტები პარიზში, მარსელი, სტრასბურგი, პასტერის ინსტიტუტი; აშშ-ში - დეპარტამენტები M. b. ბოსტონის უნივერსიტეტებსა და ინსტიტუტებში (ჰარვარდის უნივერსიტეტი, მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტი), სან-ფრანცისკოში (ბერკლი), ლოს-ანჯელესში (კალიფორნიის ტექნოლოგიური ინსტიტუტი), ნიუ-იორკში (როკფელერის უნივერსიტეტი), ჯანდაცვის ინსტიტუტებში ბეთესდაში და სხვ.; გერმანიაში - მაქს პლანკის ინსტიტუტები, გიოტინგენისა და მიუნხენის უნივერსიტეტები; შვედეთში - კაროლინსკის ინსტიტუტი სტოკჰოლმში; გდრ-ში - მოლეკულური ბიოლოგიის ცენტრალური ინსტიტუტი ბერლინში, ინსტიტუტები იენასა და ჰალეში; უნგრეთში - ბიოლოგიური ცენტრი სეგედში. სსრკ-ში, სამედიცინო მედიცინის პირველი სპეციალიზებული ინსტიტუტი. შეიქმნა მოსკოვში 1957 წელს სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის სისტემაში (იხ. ); შემდეგ ჩამოყალიბდა: სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის ბიოორგანული ქიმიის ინსტიტუტი მოსკოვში, პროტეინის ინსტიტუტი პუშჩინოში, ატომური ენერგიის ინსტიტუტის ბიოლოგიური განყოფილება (მოსკოვი) და მ.ბ. ნოვოსიბირსკის მეცნიერებათა აკადემიის ციმბირის ფილიალის ინსტიტუტებში, მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის ბიოორგანული ქიმიის ფაკულტეტთაშორის ლაბორატორიაში, კიევში უკრაინის სსრ მეცნიერებათა აკადემიის მოლეკულური ბიოლოგიისა და გენეტიკის სექტორში (მაშინ ინსტიტუტში); მნიშვნელოვანი სამუშაოები მ.ბ. ტარდება ლენინგრადის მაკრომოლეკულური ნაერთების ინსტიტუტში, სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის რიგ განყოფილებებსა და ლაბორატორიებში და სხვა განყოფილებებში.

ცალკეულ კვლევით ცენტრებთან ერთად გაჩნდა უფრო მასშტაბური ორგანიზაციები. M. b.-ის ევროპული ორგანიზაცია გაჩნდა დასავლეთ ევროპაში. (EMBO), რომელშიც 10-ზე მეტი ქვეყანა მონაწილეობს. სსრკ-ში მოლეკულური ბიოლოგიის ინსტიტუტში 1966 წელს შეიქმნა მოლეკულური ბიოლოგიის სამეცნიერო საბჭო, რომელიც წარმოადგენს ცოდნის ამ დარგის საკოორდინაციო და მაორგანიზებელ ცენტრს. მან გამოაქვეყნა მონოგრაფიების ვრცელი სერია მათემატიკის ყველაზე მნიშვნელოვან სექციებზე, რეგულარულად აწყობს მათემატიკის „ზამთრის სკოლებს“ და ატარებს კონფერენციებსა და სიმპოზიუმებს მათემატიკის აქტუალურ პრობლემებზე. მომავალში სამეცნიერო რჩევები მ.ბ. შეიქმნა სსრკ სამედიცინო მეცნიერებათა აკადემიაში და ბევრ რესპუბლიკურ მეცნიერებათა აკადემიაში. 1966 წლიდან გამოდის ჟურნალი Molecular Biology (წელიწადში 6 ნომერი).

შედარებით მოკლე დროში სსრკ-ში მიკრობიოლოგიის დარგის მკვლევართა მნიშვნელოვანი ჯგუფი გაიზარდა; ესენი არიან უფროსი თაობის მეცნიერები, რომლებმაც ნაწილობრივ გადაიტანეს ინტერესები სხვა სფეროებიდან; უმეტესწილად ეს არის მრავალი ახალგაზრდა მკვლევარი. იმ წამყვან მეცნიერთა შორის, რომლებმაც აქტიური მონაწილეობა მიიღეს მ.ბ. სსრკ-ში შეიძლება დავასახელოთ A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunstein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelhardt. M.b-ის ახალი მიღწევები. და მოლეკულური გენეტიკა ხელს შეუწყობს სკკპ ცენტრალური კომიტეტის და სსრკ მინისტრთა საბჭოს დადგენილებით (1974 წლის მაისი) „მოლეკულური ბიოლოგიის და მოლეკულური გენეტიკის განვითარების დაჩქარების ღონისძიებების შესახებ და მათი მიღწევების გამოყენება ეროვნულში. ეკონომია."

ნათ.:ვაგნერ რ., მიტჩელ გ., გენეტიკა და მეტაბოლიზმი, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1958; Szent-Gyorgy and A., Bioenergetics, trans. ინგლისურიდან, მ., 1960; ანფინსენ კ., ევოლუციის მოლეკულური საფუძველი, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1962; სტენლი ვ., ვალენს ე., ვირუსები და სიცოცხლის ბუნება, თარგმანი. ინგლისურიდან, მ., 1963; მოლეკულური გენეტიკა, ტრანს. თან. ინგლისური, ნაწილი 1, მ., 1964; ვოლკენშტეინი M.V., მოლეკულები და სიცოცხლე. მოლეკულური ბიოფიზიკის შესავალი, მ., 1965; Gaurowitz F., ქიმია და ცილების ფუნქციები, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1965; Bresler S.E., Introduction to molecular biology, 3rd ed., M. - L., 1973; ინგრამ ვ., მაკრომოლეკულების ბიოსინთეზი, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1966; ენგელჰარდტ ვ.ა., მოლეკულური ბიოლოგია, წიგნში: ბიოლოგიის განვითარება სსრკ-ში, მ., 1967; შესავალი მოლეკულურ ბიოლოგიაში, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1967; Watson J., გენის მოლეკულური ბიოლოგია, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1967; Finean J., Biological ultrastructures, trans. ინგლისურიდან, მ., 1970; ბენდალ ჯ., კუნთები, მოლეკულები და მოძრაობა, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1970; იჩას მ., ბიოლოგიური კოდი, თარგმანი. ინგლისურიდან, მ., 1971; ვირუსების მოლეკულური ბიოლოგია, მ., 1971; ცილის ბიოსინთეზის მოლეკულური საფუძველი, მ., 1971; ბერნჰარდ ს., ფერმენტების სტრუქტურა და ფუნქცია, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1971; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosome, 2nd ed., M., 1971; Frenkel-Konrath H., ვირუსების ქიმია და ბიოლოგია, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1972; სმიტ კ., ჰანევალტ ფ., მოლეკულური ფოტობიოლოგია. ინაქტივაციისა და აღდგენის პროცესები, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1972; ჰარის გ., ადამიანის ბიოქიმიური გენეტიკის საფუძვლები, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1973 წ.

ვ.ა. ენგელჰარდტი.

დიდი საბჭოთა ენციკლოპედია. - მ.: საბჭოთა ენციკლოპედია. 1969-1978 .

მოკლედ გავიხსენებ ე.წ მოლეკულური ბიოლოგიის ცენტრალური დოგმატი, თავდაპირველად ჩამოყალიბებული ფრენსის კრიკის მიერ. ზოგადად, მასში ნათქვამია, რომ გენეტიკური ინფორმაცია, როდესაც განხორციელდება, გადადის ნუკლეინის მჟავებიდან ცილებზე, მაგრამ არა პირიქით. უფრო ზუსტად, შესაძლებელია დნმ-ის გადატანა → დნმ ( რეპლიკაცია), დნმ → რნმ ( ტრანსკრიფცია) და რნმ → ცილა ( გადაცემა). ასევე არსებობს ზოგიერთი ვირუსისთვის დამახასიათებელი გაცილებით ნაკლებად ხშირად დანერგილი გზები: რნმ → დნმ ( საპირისპირო ტრანსკრიფცია) და რნმ → რნმ ( რნმ რეპლიკაცია). ასევე შეგახსენებთ, რომ ცილები შედგება ამინომჟავების ნარჩენებისგან, რომელთა თანმიმდევრობა დაშიფრულია ორგანიზმის გენეტიკურ კოდში: სამი ნუკლეოტიდი (მათ ე.წ. კოდონი, ან სამეული) კოდირებულია ერთი ამინომჟავისთვის და რამდენიმე კოდონს შეუძლია იგივე ამინომჟავის კოდირება.

მე-20 საუკუნის მეორე ნახევარში განვითარდა ტექნოლოგია რეკომბინანტული დნმ(ანუ დნმ-ის მანიპულირების მეთოდები, რომლებიც საშუალებას აძლევს მოლეკულაში ნუკლეოტიდების თანმიმდევრობისა და შემადგენლობის შეცვლას სხვადასხვა გზით). სწორედ მათ საფუძველზე ვითარდება დღემდე ყველა მოლეკულური ბიოლოგიური მეთოდი, თუმცა ისინი ბევრად უფრო რთული გახდა, როგორც იდეოლოგიურად, ასევე ტექნოლოგიურად. სწორედ მოლეკულურმა ბიოლოგიამ გამოიწვია ბიოლოგიური ინფორმაციის რაოდენობის ასეთი სწრაფი ზრდა ბოლო ნახევარი საუკუნის განმავლობაში.

მე ვისაუბრებ დნმ-ისა და რნმ-ის მანიპულირებისა და შესწავლის მეთოდებზე და ძალიან მოკლედ შევეხები ცილებს, რადგან ზოგადად მათთან დაკავშირებული მეთოდები უფრო ახლოსაა ბიოქიმიასთან, ვიდრე მოლეკულურ ბიოლოგიასთან (თუმცა მათ შორის ზღვარი ბოლო დროს ძალიან ბუნდოვანი გახდა).

ჭრა და შეკერვა

ფერმენტები არის ცილები, რომლებიც აჩქარებენ ქიმიურ რეაქციებს. ისინი ძალიან ეფექტურია: აჩქარება შეიძლება იყოს რამდენიმე რიგის მასშტაბები! მაგალითად, ფერმენტი კატალაზა, რომელიც ყოფს წყალბადის ზეჟანგს, აჩქარებს რეაქციას სიდიდის დაახლოებით 12 რიგით, ანუ ტრილიონჯერ! ამავდროულად, არაორგანული კატალიზატორი - წვრილად გაფანტული პლატინი - აჩქარებს იმავე რეაქციას მხოლოდ ექვსი რიგით სიდიდით, ანუ მილიონჯერ. თუმცა, ეს ხდება მათი უმეტესობისთვის ძალიან მკაცრი საოპერაციო პირობების ფასად.

შეზღუდვის ენდონუკლეაზები

სურათი 2. შეზღუდვის ადგილები. ზემოთ სმა I, რომლის ექსპლუატაციის დროს წარმოიქმნება "ბლაგვი" ბოლოები. ქვემოდან- შეზღუდვის ფერმენტის სამიზნე თანმიმდევრობა ეკო RI, რომელიც წარმოქმნის "წებოვან" ბოლოებს.

მოლეკულურ ბიოლოგიაში ერთ-ერთი პირველი და ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაბიჯი იყო დნმ-ის მოლეკულების მოჭრის უნარი და მკაცრად განსაზღვრულ ადგილებში. ეს მეთოდი 1950-1970-იან წლებში ასეთი ფენომენის შესწავლისას გამოიგონეს: ზოგიერთი ტიპის ბაქტერია გარემოში უცხო დნმ-ის დამატებისას ანადგურებდა მას, ხოლო საკუთარი დნმ უვნებელი რჩებოდა. აღმოჩნდა, რომ ამისთვის იყენებენ ფერმენტებს, მოგვიანებით ე.წ შეზღუდვის ნუკლეაზებიან შეზღუდვის ფერმენტები. არსებობს მრავალი სახის შემაკავებელი ფერმენტი: 2007 წლისთვის ცნობილი იყო 3000-ზე მეტი მათგანი. თითოეული ასეთი ფერმენტის მნიშვნელოვანი თვისებაა მისი უნარი მოჭრას მკაცრად განსაზღვრული - სამიზნე- დნმ ნუკლეოტიდების თანმიმდევრობა (ნახ. 2). შემზღუდველი ფერმენტები არ მოქმედებს უჯრედის საკუთარ დნმ-ზე, რადგან სამიზნე თანმიმდევრობებში ნუკლეოტიდები ისეა მოდიფიცირებული, რომ შემაკავებელი ფერმენტი მათთან მუშაობას ვერ შეძლებს. (მართალია, ზოგჯერ, პირიქით, მათ შეუძლიათ გაჭრა მხოლოდმოდიფიცირებული თანმიმდევრობები - მათთან საბრძოლველად, ვინც ცვლის დნმ-ს, იცავს თავს ზემოთ აღწერილი შემზღუდავი ფერმენტებისგან.) იმის გამო, რომ სამიზნე თანმიმდევრობები სხვადასხვა სიგრძეშია, მათი გაჩენის სიხშირე დნმ-ის მოლეკულებში იცვლება: რაც უფრო გრძელია საჭირო ფრაგმენტი, მით ნაკლებია ალბათობა. ეს არის გამოჩენა. შესაბამისად, დნმ-ის ფრაგმენტებს, რომლებიც წარმოიქმნება სხვადასხვა შემაკავებელი ფერმენტებით დამუშავებისას, განსხვავებული სიგრძე ექნება.

ახალი ენდონუკლეაზების აღმოჩენა დღემდე გრძელდება. ბევრი მათგანი ჯერ კიდევ არ არის კლონირებული, ანუ არ არის ცნობილი გენები, რომლებიც მათ კოდირებს და ცილების გარკვეული გაწმენდილი ფრაქცია, რომელსაც აქვს სასურველი კატალიზური აქტივობა, გამოიყენება როგორც "ფერმენტი". ნოვოსიბირსკის კომპანია SibEnzyme დიდი ხნის განმავლობაში წარმატებით ეჯიბრებოდა New England Biolabs კომპანიას, მსოფლიოში აღიარებულ ლიდერს შეზღუდვის ფერმენტების მიწოდებაში (ანუ შესთავაზა იგივე ან მეტი განსხვავებული შეზღუდვის ფერმენტები, რომელთაგან ზოგიერთი ძალიან ეგზოტიკურია). - რედ.

პირველი შემაკავებელი ფერმენტის იზოლირებისთვის, მისი თვისებების შესასწავლად და პირველმა გამოიყენა ქრომოსომების რუკებისთვის, ვერნერ არბერი ( ვერნერ არბერი), დენ ნათანსი ( დენ ნათანსი) და ჰამილტონ სმიტი ( ჰამილტონ სმიტი 1978 წელს მიიღო ნობელის პრემია ფიზიოლოგიასა და მედიცინაში.

დნმ ლიგაზები

ახალი დნმ-ის მოლეკულების შესაქმნელად, რა თქმა უნდა, გარდა ჭრისა, აუცილებელია ორი ძაფის შეკერვის უნარიც. ეს კეთდება ფერმენტების გამოყენებით ე.წ დნმ ლიგაზები, რომელიც ჯვარედინად აკავშირებს დნმ-ის ორი ჯაჭვის შაქარ-ფოსფატის ხერხემალს. ვინაიდან დნმ-ის ქიმიური სტრუქტურა არ განსხვავდება ორგანიზმებს შორის, დნმ ნებისმიერი წყაროდან შეიძლება იყოს შეკერილი და უჯრედი ვერ შეძლებს მიღებული მოლეკულის გარჩევას საკუთარი დნმ-ისგან.

დნმ-ის მოლეკულების გამოყოფა: გელის ელექტროფორეზი

ხშირად გიწევთ საქმე სხვადასხვა სიგრძის დნმ-ის მოლეკულების ნარევთან. მაგალითად, როდესაც ორგანიზმიდან ქიმიურად იზოლირებული დნმ მუშავდება შემზღუდველი ფერმენტებით, მიიღება დნმ-ის ფრაგმენტების ნარევი და მათი სიგრძე იცვლება.

ვინაიდან წყალხსნარში დნმ-ის ნებისმიერი მოლეკულა უარყოფითად არის დამუხტული, შესაძლებელი ხდება სხვადასხვა ზომის დნმ-ის ფრაგმენტების ნარევის გამოყოფა მათი სიგრძის მიხედვით. ელექტროფორეზი, . დნმ მოთავსებულია გელში (ჩვეულებრივ, აგაროზა შედარებით გრძელი და ძალიან ცვალებადი მოლეკულებისთვის, ან პოლიაკრილამიდი მაღალი გარჩევადობის ელექტროფორეზისთვის), რომელიც მოთავსებულია მუდმივი ელექტრული ველის ქვეშ. ამის გამო, დნმ-ის მოლეკულები გადაადგილდებიან დადებითი ელექტროდისკენ ( ანოდი), და მათი სიჩქარე დამოკიდებული იქნება მოლეკულის სიგრძეზე: რაც უფრო გრძელია ის, მით უფრო აფერხებს გელი მის მოძრაობას და, შესაბამისად, უფრო დაბალია სიჩქარე. ელექტროფორეზის შემდეგ, გელში სხვადასხვა სიგრძის ფრაგმენტების ნარევები ქმნიან ზოლებს, რომლებიც შეესაბამება იმავე სიგრძის ფრაგმენტებს. მარკერების გამოყენებით (ცნობილი სიგრძის დნმ-ის ფრაგმენტების ნარევები) შეიძლება განისაზღვროს ნიმუშის მოლეკულების სიგრძე (ნახ. 3).

ფორეზის შედეგების ვიზუალიზაციის ორი გზა არსებობს. პირველი, ყველაზე ხშირად გამოყენებული ბოლო დროს, არის გელში ნივთიერებების დამატება, რომლებიც ფლუორესციულებენ დნმ-ის თანდასწრებით (ტრადიციულად გამოიყენებოდა საკმაოდ ტოქსიკური ეთიდიუმის ბრომიდი; ახლახან უფრო უსაფრთხო ნივთიერებები შემოვიდა). ეთიდიუმის ბრომიდი ანათებს ნარინჯისფრად ულტრაიისფერი შუქით დასხივებისას და დნმ-თან შეერთებისას ნათების ინტენსივობა იზრდება რამდენიმე რიგით სიდიდით (ნახ. 4). კიდევ ერთი მეთოდია რადიოაქტიური იზოტოპების გამოყენება, რომლებიც ჯერ უნდა იყოს შეტანილი დნმ-ის ანალიზის პროცესში. ამ შემთხვევაში, გელის თავზე თავსდება ფოტოგრაფიული ფირფიტა, რომელიც განათებულია დნმ-ის ზოლების ზემოთ რადიოაქტიური გამოსხივების გამო (ვიზუალიზაციის ეს მეთოდი ე.წ. ავტორადიოგრაფია).

სურათი 4. აგაროზის გელის ელექტროფორეზიეთიდიუმის ბრომიდის გამოყენება ულტრაიისფერი შედეგების ვიზუალიზაციისთვის ( დატოვა). მეორე ბილიკი მარცხნიდან არის მარკერი ცნობილი ფრაგმენტების სიგრძით. Მარჯვნივ- მონტაჟი გელის ელექტროფორეზისთვის.

გელის ფირფიტაში "ჩვეულებრივი" ელექტროფორეზის გარდა, ზოგიერთ შემთხვევაში ისინი იყენებენ კაპილარული ელექტროფორეზი, რომელიც ტარდება ძალიან თხელ მილში, რომელიც სავსეა გელით (ჩვეულებრივ, პოლიაკრილამიდით). ასეთი ელექტროფორეზის გარჩევადობა გაცილებით მაღალია: მისი გამოყენება შესაძლებელია დნმ-ის მოლეკულების განცალკევებისთვის, რომლებიც განსხვავდება სიგრძით. მხოლოდ ერთი ნუკლეოტიდი. წაიკითხეთ ამ მეთოდის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი განაცხადის შესახებ Sanger-ის დნმ-ის თანმიმდევრობის მეთოდის აღწერაში ქვემოთ.

ნარევში კონკრეტული დნმ-ის თანმიმდევრობის იდენტიფიცირება. სამხრეთის ბლოტი

ელექტროფორეზის გამოყენებით შეგიძლიათ გაიგოთ დნმ-ის მოლეკულების ზომა ხსნარში, მაგრამ ეს არაფერს გეტყვით მათში არსებული ნუკლეოტიდების თანმიმდევრობის შესახებ. Გამოყენებით დნმ-ის ჰიბრიდიზაციაშეგიძლიათ გაიგოთ, რომელი ზოლებით შეიცავს ფრაგმენტს მკაცრად განსაზღვრულითანმიმდევრობა. დნმ-ის ჰიბრიდიზაცია ეფუძნება წყალბადის ბმების წარმოქმნას დნმ-ის ორ ჯაჭვს შორის, რაც იწვევს მათ კავშირს.

ჯერ უნდა გააკეთოთ სინთეზი დნმ-ის ზონდი, რომელიც ავსებს იმ თანმიმდევრობას, რომელსაც ჩვენ ვეძებთ. ჩვეულებრივ, ეს არის ერთჯაჭვიანი დნმ-ის მოლეკულა 10-1000 ნუკლეოტიდის სიგრძით. კომპლემენტარობის გამო, ზონდი დაუკავშირდება სასურველ თანმიმდევრობას და ზონდში ჩადგმული ფლუორესცენტური ტეგის ან რადიოიზოტოპების გამო, შედეგების ნახვა შესაძლებელია.

ამისათვის გამოიყენეთ პროცედურა ე.წ სამხრეთის ბლოტიან სამხრეთ ტრანსფერიმეცნიერის სახელი, რომელმაც გამოიგონა ( ედვინ სამხრეთი). თავდაპირველად, დნმ-ის ფრაგმენტების ნარევი გამოიყოფა ელექტროფორეზის გამოყენებით. ნიტროცელულოზის ან ნეილონის ფურცელს ათავსებენ გელის თავზე და გამოყოფილი დნმ-ის ფრაგმენტები მასში გადადის ბლოტით: გელი დევს ღრუბელზე ტუტე ხსნარის აბაზანაში, რომელიც გადის გელისა და ნიტროცელულოზის მეშვეობით კაპილარების გამო. ზემოდან დაკეცილი ქაღალდის პირსახოცების ეფექტი. პერკოლაციის დროს ტუტე იწვევს დნმ-ის დენატურაციას და ერთჯაჭვიანი ფრაგმენტები გადადის ნიტროცელულოზის ფირფიტის ზედაპირზე და იქ ფიქსირდება. ნიტროცელულოზის ფურცელი საგულდაგულოდ ამოღებულია გელიდან და მუშავდება რადიო მარკირებული დნმ-ის ზონდით, სპეციფიკური დნმ-ის სასურველი თანმიმდევრობისთვის. ნიტროცელულოზის ფურცელი კარგად ირეცხება ისე, რომ მასზე დარჩეს მხოლოდ ის ნიმუში მოლეკულები, რომლებიც ჰიბრიდირებულია ნიტროცელულოზის დნმ-თან. ავტორადიოგრაფიის შემდეგ, დნმ, რომლითაც ზონდი ჰიბრიდირებულია, გამოჩნდება ზოლების სახით ფოტოგრაფიულ ფირფიტაზე (ნახ. 5).

ამ ტექნიკის ადაპტაციას რნმ-ის სპეციფიკური თანმიმდევრობების გამოსავლენად, სამხრეთის ბლოტისგან განსხვავებით, ჩრდილოეთის ბლოტი ეწოდება: სამხრეთიინგლისურად ნიშნავს "სამხრეთს" და ჩრდილოეთი- "ჩრდილოეთი"). ამ შემთხვევაში ელექტროფორეზი ტარდება გელში mRNA მოლეკულებით და ზონდად ირჩევა ერთჯაჭვიანი დნმ ან რნმ მოლეკულა.

დნმ-ის კლონირება

ჩვენ უკვე ვიცით, როგორ დავჭრათ გენომი ნაწილებად (და შევკეროთ ისინი თვითნებური დნმ-ის მოლეკულებით), გამოვყოთ მიღებული ფრაგმენტები სიგრძის მიხედვით და გამოვიყენოთ ჰიბრიდიზაცია, რათა შევარჩიოთ საჭირო. ახლა დროა ვისწავლოთ, თუ როგორ შეგვიძლია ამ მეთოდების კომბინაციით გენომის ნაწილის (მაგალითად, კონკრეტული გენის) კლონირება. გენომში ნებისმიერი გენი იკავებს უკიდურესად მცირე სიგრძეს (უჯრედის მთლიან დნმ-თან შედარებით). დნმ-ის კლონირებასიტყვასიტყვით ნიშნავს მისი კონკრეტული ფრაგმენტის დიდი რაოდენობით ასლების შექმნას. სწორედ ამით არის განპირობებული გაძლიერებაჩვენ ვიღებთ შესაძლებლობას გამოვყოთ დნმ-ის ნაწილი და მივიღოთ იგი შესასწავლად საკმარისი რაოდენობით.

როგორ გამოვყოთ დნმ-ის ფრაგმენტები სიგრძის მიხედვით და იდენტიფიციროთ სასურველი, ზემოთ აღწერილი იყო. ახლა ჩვენ უნდა გავიგოთ, როგორ შეგვიძლია დავაკოპიროთ ჩვენთვის საჭირო ფრაგმენტი. არსებობს ორი ძირითადი მეთოდი: სწრაფად გამყოფი ორგანიზმების (ჩვეულებრივ ბაქტერიების) გამოყენება ეშერიხია კოლი- E. coli - ან საფუარი Saccharomyces serevisiae) ან გააკეთეთ მსგავსი პროცესი, მაგრამ ინ ვიტროგამოყენებით პოლიმერიზაციის ჯაჭვური რეაქციის.

რეპლიკაცია ბაქტერიებში

ვინაიდან ბაქტერიები (როგორც ნებისმიერი სხვა უჯრედი, ჩანასახოვანი უჯრედების წინამორბედების გარეშე) აორმაგებს მათ დნმ-ს თითოეული უჯრედის გაყოფისას, ეს შეიძლება გამოყენებულ იქნას რიცხვის გასამრავლებლად. ჩვენთვის აუცილებელიდნმ. იმისათვის, რომ ჩვენი დნმ-ის ფრაგმენტი ბაქტერიაში შევიტანოთ, საჭიროა მისი „შეკერვა“ სპეციალურ ვექტორად, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება როგორც ბაქტერია. პლაზმიდი(პატარა - ბაქტერიულ ქრომოსომასთან შედარებით - წრიული დნმ-ის მოლეკულა, რომელიც ქრომოსომისგან განცალკევებით მეორდება). მსგავსი სტრუქტურები ხშირად გვხვდება "ველური ტიპის" ბაქტერიებში: ისინი ხშირად გადადიან "ჰორიზონტალურად" სხვადასხვა შტამებს ან თუნდაც ბაქტერიების სახეობებს შორის. ყველაზე ხშირად, ისინი შეიცავს ანტიბიოტიკებისადმი მდგრადობის გენებს (სწორედ ამ თვისების გამო აღმოაჩინეს ისინი) ან ბაქტერიოფაგებს, ასევე გენებს, რომლებიც უჯრედს საშუალებას აძლევს გამოიყენოს უფრო მრავალფეროვანი სუბსტრატი. (ზოგჯერ ისინი „ეგოისტები“ არიან და არანაირ ფუნქციას არ ასრულებენ.) სწორედ ეს პლაზმიდები ჩვეულებრივ გამოიყენება მოლეკულურ გენეტიკურ კვლევებში. პლაზმიდები აუცილებლად შეიცავენ რეპლიკაციის საწყისს (მიმდევრობას, საიდანაც იწყება მოლეკულის რეპლიკაცია), სამიზნე შეზღუდვის ფერმენტის თანმიმდევრობას და გენს, რომელიც საშუალებას აძლევს შეარჩიოს იმ უჯრედები, რომლებსაც აქვთ ეს პლაზმიდი (ჩვეულებრივ, ეს არის გენები ზოგიერთი ანტიბიოტიკის მიმართ რეზისტენტობისთვის). . ზოგიერთ შემთხვევაში (მაგალითად, დნმ-ის ძალიან დიდი ფრაგმენტების შესწავლისას) გამოიყენება არა პლაზმიდი, არამედ ხელოვნური ბაქტერიული ქრომოსომა.

საჭირო დნმ-ის ფრაგმენტი შეჰყავთ პლაზმიდში რესტრიქციული ფერმენტების და ლიგაზების გამოყენებით, რის შემდეგაც იგი ემატება ბაქტერიულ კულტურას სპეციალურ პირობებში, რაც უზრუნველყოფს ტრანსფორმაცია- გარე გარემოდან ბაქტერიების მიერ დნმ-ის აქტიური დაჭერის პროცესი (ნახ. 6). ამის შემდეგ, ბაქტერიები, რომელთა ტრანსფორმაცია წარმატებული იყო, შეირჩევა პლაზმიდში გენის შესაბამისი ანტიბიოტიკის დამატებით: ცოცხალი რჩება მხოლოდ რეზისტენტობის გენის მატარებელი უჯრედები (და, შესაბამისად, პლაზმიდი). შემდეგ, მას შემდეგ, რაც უჯრედული კულტურა გაიზარდა, პლაზმიდები იზოლირებულია მისგან და "ჩვენი" დნმ-ის ფრაგმენტი იზოლირებულია მათგან შემაკავებელი ფერმენტების გამოყენებით (ან მთელი პლაზმიდის გამოყენებით). თუ გენი შეჰყავთ პლაზმიდში მისი ცილოვანი პროდუქტის მისაღებად, აუცილებელია კულტურისთვის პირობების უზრუნველყოფა, შემდეგ კი უბრალოდ საჭირო ცილის იზოლირება.

ამ დროს დაუყოვნებლივ უნდა გაჩნდეს კითხვა: როგორ იყო შესაძლებელი ამ ყველაფრის გამოყენება გენომის გაშიფვრამდე და დნმ-ის თანმიმდევრობის კითხვა ჯერ კიდევ ძვირი და იშვიათი იყო? დავუშვათ, რომ მიღებული ფრაგმენტების შეზღუდვისა და კლონირების გზით ვიღებთ დნმ ბიბლიოთეკა, ანუ ბაქტერიების ნაკრები, რომლებიც ატარებენ სხვადასხვა პლაზმიდებს, რომლებიც შეიცავს მთელ გენომს (ან მის მნიშვნელოვან ნაწილს). მაგრამ როგორ გავარკვიოთ რომელი ფრაგმენტი შეიცავს საჭირო გენს? ამ მიზნით გამოიყენეს ჰიბრიდიზაციის მეთოდი. პირველ რიგში, საჭირო იყო სასურველი გენის ცილის იზოლირება. შემდეგ დაალაგეთ მისი ფრაგმენტი, შეცვალეთ გენეტიკური კოდი და მიიღეთ ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობა (რა თქმა უნდა, გენეტიკური კოდის დეგენერაციულობის გამო, მრავალი განსხვავებული ვარიანტის ცდა მოგვიწია). ამის შესაბამისად, ქიმიურად სინთეზირებულია დნმ-ის მოკლე მოლეკულა, რომელიც გამოიყენებოდა როგორც ჰიბრიდიზაციის ზონდი.

მაგრამ ზოგიერთ შემთხვევაში ეს მეთოდი წარუმატებელი აღმოჩნდა - მაგალითად, ეს მოხდა სისხლის შედედების VIII ფაქტორით. ეს ცილა მონაწილეობს სისხლის შედედებაში და მისი ფუნქციონალური დარღვევები არის ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული გენეტიკური დაავადების - ჰემოფილიის A. მიზეზი. ბაქტერიების მიერ წარმოებისთვის. ეს გამოწვეული იყო იმით, რომ მისი სიგრძე დაახლოებით 180 000 ნუკლეოტიდური წყვილია და შეიცავს ბევრ ინტრონს (არაკოდირებულ ფრაგმენტებს შორის კოდირებულებს) - გასაკვირი არ არის, რომ ეს გენი მთლიანად არც ერთ პლაზმიდში არ შედიოდა.

სისხლის შედედების მექანიზმებისთვის იხ. როგორ მუშაობს სისხლის შედედება? ». - რედ.

პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქცია (PCR)

მეთოდი ეფუძნება დნმ-ის გარკვეული მონაკვეთის განმეორებით შერჩევით კოპირებას ფერმენტების გამოყენებით ხელოვნურ პირობებში. ამ შემთხვევაში კოპირდება მხოლოდ დნმ-ის განყოფილება, რომელიც აკმაყოფილებს მითითებულ პირობებს და მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ის იმყოფება შესასწავლ ნიმუშში. ცოცხალი ორგანიზმების უჯრედებში დნმ-ის რეპლიკაციისგან განსხვავებით, PCR აძლიერებს დნმ-ის შედარებით მოკლე მონაკვეთებს (ჩვეულებრივ არაუმეტეს 3000 ნუკლეოტიდის წყვილი, მაგრამ არსებობს მეთოდები, რომლებიც საშუალებას გაძლევთ "ამაღლოთ" 20 ათასამდე ნუკლეოტიდური წყვილი - ე.წ. PCR).

სინამდვილეში, PCR არის დნმ-ის ფრაგმენტის ხელოვნური მრავალჯერადი რეპლიკაცია (ნახ. 7). დნმ პოლიმერაზები შექმნილია ისე, რომ მათ არ შეუძლიათ ახალი დნმ-ის სინთეზირება უბრალოდ შაბლონისა და მონომერების არსებობით. ამას ასევე სჭირდება თესლი ( პრაიმერი), საიდანაც იწყებენ სინთეზს. პრაიმერი არის მოკლე, ერთჯაჭვიანი ნუკლეინის მჟავის ფრაგმენტი, რომელიც ავსებს დნმ-ის შაბლონს. უჯრედში რეპლიკაციის დროს ასეთი პრაიმერები სინთეზირდება სპეციალური ფერმენტით პრიმაზადა არის რნმ-ის მოლეკულები, რომლებიც მოგვიანებით შეიცვალა დნმ-ით. ამასთან, PCR იყენებს ხელოვნურად სინთეზირებულ დნმ-ის მოლეკულებს, ვინაიდან ამ შემთხვევაში რნმ-ის მოცილებისა და მის ადგილზე დნმ-ის სინთეზის ეტაპი საჭირო არ არის. PCR-ში პრაიმერები ზღუდავენ ორივე მხრიდან გასაძლიერებელ რეგიონს.

სურათი 7. დნმ-ის რეპლიკაცია- ცოცხალი ორგანიზმებისთვის ყველაზე მნიშვნელოვანი პროცესი, მრავალი მოლეკულური ბიოლოგიური მეთოდის საფუძველი. ვინაიდან დნმ-ის თითოეული ჯაჭვი შეიცავს ნუკლეოტიდების თანმიმდევრობას, რომლებიც ავსებენ მეორე ჯაჭვს (მათი ინფორმაციის შინაარსი იგივეა), როდესაც დნმ გაორმაგდება, ჯაჭვები განსხვავდება და შემდეგ თითოეული ჯაჭვი ემსახურება როგორც შაბლონს, რომელზედაც ახალი დნმ-ის ჯაჭვი ავსებს. აშენებულია. შედეგად, წარმოიქმნება დნმ-ის ორი დუპლექსი, რომელთაგან თითოეული არის ორიგინალური მოლეკულის ზუსტი (სინთეზის შეცდომების გათვალისწინების გარეშე) ასლი.

ასე რომ, დროა განვმარტოთ, თუ როგორ მუშაობს PCR. თავდაპირველად, რეაქციის ნარევი შეიცავს: დნმ-ის შაბლონს, პრაიმერებს, დნმ პოლიმერაზას, თავისუფალ ნუკლეოზიდებს (მომავალი „ასო“ ახლად სინთეზირებულ დნმ-ში), ასევე ზოგიერთ სხვა ნივთიერებას, რომელიც აუმჯობესებს პოლიმერაზას ფუნქციონირებას (მათ ემატება სპეციალური ბუფერები, რომლებიც გამოიყენება რეაქცია).

შაბლონის შემავსებელი დნმ-ის სინთეზირებისთვის აუცილებელია, რომ ერთ-ერთმა პრაიმერმა შექმნას მასთან წყალბადის ბმები (როგორც იტყვიან, მასზე „ანილი“). მაგრამ მატრიცა უკვე აყალიბებს მათ მეორე ჯაჭვით! ეს ნიშნავს, რომ ჯერ დნმ უნდა გადნოს, ანუ წყალბადის ბმები უნდა განადგურდეს. ეს ხდება მარტივი გათბობით (≈95 °C-მდე) - ეტაპი ე.წ დენატურაცია. მაგრამ ახლა, მაღალი ტემპერატურის გამო, პრაიმერებიც კი ვერ ახდენენ მატრიცას! შემდეგ ტემპერატურა იკლებს (50–65 °C), პრაიმერებს ადუღებენ, რის შემდეგაც ტემპერატურა ოდნავ მატულობს (პოლიმერაზას ოპტიმალურ დონემდე, ჩვეულებრივ, დაახლოებით 72 °C). შემდეგ კი პოლიმერაზა იწყებს მატრიცის შემავსებელი დნმ-ის ჯაჭვების სინთეზს - ეს ე.წ. დრეკადობა(ნახ. 8). ერთი ასეთი ციკლის შემდეგ, საჭირო ფრაგმენტების ასლების რაოდენობა გაორმაგდა. თუმცა, არაფერი გიშლის ხელს ამის გამეორებაში. და არა მხოლოდ ერთხელ, რამდენიმე ათეულჯერ! და ყოველი გამეორებისას ჩვენი დნმ-ის ფრაგმენტის ასლების რაოდენობა გაორმაგდება, რადგან ახლად სინთეზირებული მოლეკულები შაბლონებადაც გამოდგება (ნახ. 9)! (სინამდვილეში, PCR ეფექტურობა იშვიათად არის იმდენად მაღალი, რომ ასლის ნომერი ზუსტად იყოს ორმაგდება, მაგრამ იდეალურად ეს ასეა და რეალური რიცხვები ხშირად ახლოსაა ამას.)

სურათი 9. ყოველი PCR ციკლით, სამიზნე დნმ-ის რაოდენობა ორმაგდება.

PCR-ის შედეგების ნახვა ძალიან მარტივია: უბრალოდ შეასრულეთ რეაქციის ნარევის ელექტროფორეზი PCR-ის შემდეგ და გამოჩნდება ნათელი ზოლი მიღებული ასლებით.

ადრე, პოლიმერაზა, რომელიც ინაქტივირებული იყო ყოველი ციკლის გაცხელებით, მუდმივად უნდა დაემატებინა, მაგრამ მალე შემოთავაზებული იქნა თერმოფილური ბაქტერიებისგან თერმოსტაბილური პოლიმერაზას გამოყენება, რომელიც გაუძლებს ასეთ გათბობას, რაც მნიშვნელოვნად ამარტივებს PCR-ს (ყველაზე ხშირად, Taq პოლიმერაზას). ბაქტერიისგან გამოიყენება თერმუს აკვატიკუსი ).

რეაქციის ნარევიდან წყლის ძლიერი აორთქლების თავიდან აცილების მიზნით, დაამატეთ ზეთი ზემოდან და/ან გამოიყენეთ გახურებული სახურავი. თერმოციკლერი- მოწყობილობა, რომელშიც ტარდება PCR. ის სწრაფად ცვლის ტესტის მილების ტემპერატურას და არ არის საჭირო მათი მუდმივად გადატანა ერთი თერმოსტატიდან მეორეზე. არასპეციფიკური სინთეზის თავიდან ასაცილებლად, თუნდაც გაცხელებამდე და ციკლების რეალურ დაწყებამდე, მე ხშირად ვიყენებ "ცხელ დაწყების" PCR-ს: ყველა დნმ და პოლიმერაზა ერთმანეთისგან გამოყოფილია პარაფინის ფენით, რომელიც დნება მაღალ ტემპერატურაზე და საშუალებას აძლევს მათ ურთიერთქმედონ. სწორი პირობები. ზოგჯერ გამოიყენება მოდიფიცირებული პოლიმერაზები, რომლებიც არ მუშაობს დაბალ ტემპერატურაზე.

ჩვენ შეგვიძლია კიდევ ბევრი ვისაუბროთ PCR-ის სხვადასხვა სირთულეებზე, მაგრამ ყველაზე მნიშვნელოვანი ის არის, რომ ვისაუბროთ კლასიკური ფორეზის ალტერნატიული შედეგების განსაზღვრის მეთოდებზე. მაგალითად, საკმაოდ აშკარა ვარიანტია რეაქციის დაწყებამდე ნივთიერებების დამატება, რომლებიც დნმ-ის თანდასწრებით ფლუორესცირდება რეაქციის მილში. შემდეგ, საწყისი ფლუორესცენციის საბოლოო ფლუორესცენციასთან შედარებით, შეგიძლიათ ნახოთ, სინთეზირებულია თუ არა დნმ-ის მნიშვნელოვანი რაოდენობა. მაგრამ ეს მეთოდი არ არის სპეციფიკური: ჩვენ ვერანაირად ვერ განვსაზღვრავთ, იყო თუ არა ის სინთეზირებული საჭიროფრაგმენტი, ან რამდენიმე პრაიმერი ერთმანეთთან დამაგრებული და აგებული არაპროგნოზირებადი თანმიმდევრობით.

ყველაზე საინტერესო ვარიანტია რეალურ დროში PCR. ამ მეთოდის რამდენიმე განხორციელება არსებობს, მაგრამ იდეა ყველგან ერთი და იგივეა: რეაქციის დროს შეგიძლიათ პირდაპირ აკონტროლოთ PCR პროდუქტების დაგროვება (ფლუორესცენციით). შესაბამისად, რეალურ დროში PCR-ის ჩასატარებლად, საჭიროა სპეციალური მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია ამაღელვებელი და წაიკითხოს ფლუორესცენცია თითოეულ მილში. უმარტივესი გამოსავალია სინჯარაში იგივე ნივთიერებების დამატება, რომლებიც დნმ-ის თანდასწრებით ფლუორესცირდება, თუმცა, ამ მეთოდის უარყოფითი მხარეები უკვე აღწერილია ზემოთ.

ამას მკაცრად უწოდებენ "რეალურ დროში ფლუორესცენციის PCR" ან "რაოდენობრივი PCR". - რედ.

სურათი 11. ფლუორესცენციის დაგროვების მრუდების მაგალითი რეალურ დროში PCR-ში:ფლუორესცენციის ინტენსივობის დამოკიდებულება (რამდენიმე საცდელ მილში - თითოეულს თავისი მრუდით) ციკლის რიცხვზე.

ამ მიდგომის ყველაზე პოპულარული განხორციელებაა ზონდის განადგურების გამო ფტორფორის გამოთავისუფლების მეთოდი (TaqMan Assay; სურ. 10). ამ შემთხვევაში, რეაქციის ნარევი უნდა შეიცავდეს კიდევ ერთ კომპონენტს - სპეციალურ ერთჯაჭვიან დნმ-ის ზონდს: დნმ-ის მოლეკულას, რომელიც ავსებს მდებარე გაძლიერებული ფრაგმენტის თანმიმდევრობას. შორისპრაიმერები. ამ შემთხვევაში, ერთი ბოლო უნდა იყოს ქიმიურად მიმაგრებული ფტორფორი(ფლუორესცენტური მოლეკულა), ხოლო მეორეს - ჩამქრალი (მოლეკულა, რომელიც შთანთქავს ფტორფორის ენერგიას და "ჩაქრობს" ფლუორესცენციას). როდესაც ასეთი ზონდი ხსნარშია ან სრულყოფილად არის დაკავშირებული სამიზნე თანმიმდევრობასთან, ფტორფორი და ჩამქრალი შედარებით ახლოს არიან ერთმანეთთან და არ შეინიშნება ფლუორესცენცია. თუმცა, 3'-ეგზონუკლეაზას აქტივობის გამო, რომელიც გააჩნია Taq პოლიმერაზას (ანუ ჭრის დნმ-ს, რომელსაც სინთეზის დროს „ეჯახება“ და მის ადგილას ასინთეზებს ახალს), ზონდი ნადგურდება მეორე ჯაჭვის სინთეზის დროს. , დიფუზიების გამო ფტორფორი და ჩამქრალი ერთმანეთს შორდებიან და ჩნდება ფლუორესცენცია.

როგორც ასლის რაოდენობა ექსპონენტურად იზრდება PCR-ის დროს, ასევე იზრდება ფლუორესცენცია. თუმცა ეს დიდხანს არ გრძელდება, ვინაიდან რაღაც მომენტში რეაქციის ეფექტურობა იწყებს კლებას პოლიმერაზას თანდათანობითი ინაქტივაციის, ზოგიერთი კომპონენტის ნაკლებობის და ა.შ. (ნახ. 11). ფლუორესცენციის ზრდის გრაფიკების გაანალიზებით, თქვენ შეგიძლიათ გაიგოთ ბევრი რამ PCR-ის პროგრესის შესახებ, მაგრამ რაც მთავარია, შეგიძლიათ გაიგოთ, რამდენი დნმ-ის შაბლონი იყო თავდაპირველად: ეს არის ე.წ. რაოდენობრივი PCR(რაოდენობრივი PCR, qPCR).

შეუძლებელია PCR-ის ყველა გამოყენების ჩამოთვლა მეცნიერებაში. დნმ-ის ფრაგმენტის გამოყოფა, თანმიმდევრობა, მუტაგენეზი... PCR ერთ-ერთი ყველაზე პოპულარული მეთოდია არამეცნიერული მიზნებისთვის (ვიდეო 1). იგი ფართოდ გამოიყენება მედიცინაში მემკვიდრეობითი და ინფექციური დაავადებების ადრეული დიაგნოსტიკისთვის, მამობის დასადგენად, პირადობის გამოკვლევებში და მრავალი სხვა.

ბუნებრივი უჯრედული პროცესები ინ ვიტრო

ყველა ძირითადი მოლეკულური ბიოლოგიური პროცესი მარტივად შეიძლება განხორციელდეს ინ ვიტრო(ანუ ინ ვიტრო). ზემოთ მოცემულია მაგალითი: PCR არის დნმ-ის რეპლიკაციის ანალოგი. ამისათვის უბრალოდ შეურიეთ საჭირო რეაგენტები შესაფერის პირობებში: ტრანსკრიფციისთვის გჭირდებათ დნმ-ის შაბლონი, რნმ პოლიმერაზა და რიბონუკლეოტიდები, ტრანსლაციისთვის - mRNA, რიბოსომური ქვედანაყოფები და ამინომჟავები, საპირისპირო ტრანსკრიფციისთვის - რნმ შაბლონი. საპირისპირო ტრანსკრიპტაზა(aka reversease) და დეზოქსირიბონუკლეოტიდები. ეს მეთოდები ფართოდ გამოიყენება ბიოლოგიის სხვადასხვა დარგში, როდესაც საჭიროა, მაგალითად, გარკვეული გენის სუფთა რნმ-ის მიღება. ამ შემთხვევაში, თქვენ ჯერ უნდა შეცვალოთ მისი (გენის) mRNA, გააძლიეროთ იგი PCR-ის გამოყენებით და შემდეგ გამოიყენოთ ინ ვიტრო-ტრანსკრიფცია, რათა გამოიმუშაოს ბევრი mRNA. პირველი ეტაპი აუცილებელია იმის გამო, რომ უჯრედში მომწიფებული mRNA-ს წარმოქმნამდე, შერწყმადა დამუშავებარნმ (ევკარიოტებში; ბაქტერიებში, ამ თვალსაზრისით, ყველაფერი უფრო მარტივია) - მომზადება ცილის სინთეზისთვის მატრიცად მუშაობისთვის. ზოგჯერ ამის თავიდან აცილება შესაძლებელია, თუ გენის მთელი კოდირების თანმიმდევრობა მდებარეობს ერთ ეგზონში.

დნმ-ის თანმიმდევრობა

შეიძლება ითქვას, რომ დნმ-ის მანიპულირების ყველაზე მნიშვნელოვანი მეთოდები უკვე აღწერილია. შემდეგი ეტაპი არის მოლეკულაში ჯაჭვის ფაქტობრივი ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის განსაზღვრა - თანმიმდევრობა. დნმ-ის ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის განსაზღვრა ძალზე მნიშვნელოვანია მრავალი ფუნდამენტური და გამოყენებული პრობლემისთვის. მას განსაკუთრებული ადგილი უჭირავს მეცნიერებაში: გენომის თანმიმდევრობის შედეგების გასაანალიზებლად, რეალურად შეიქმნა ახალი მეცნიერება - ბიოინფორმატიკა. თანმიმდევრობას ახლა იყენებენ მოლეკულური ბიოლოგები, გენეტიკოსები, ბიოქიმიკოსები, მიკრობიოლოგები, ბოტანიკოსები და ზოოლოგები და, რა თქმა უნდა, ევოლუციონისტები: თითქმის მთელი თანამედროვე ტაქსონომია ეფუძნება მის შედეგებს. თანმიმდევრობა ფართოდ გამოიყენება მედიცინაში, როგორც მემკვიდრეობითი დაავადებების საძიებლად და ინფექციების შესწავლის მეთოდი. (იხილეთ, მაგალითად, " ფეხსახსრიანთა „წარმოშობის“ გარკვევა"და" ნამდვილი ხუმრობა: შავკანიანი, ჩინელი და კრეიგ ვენტერი... ». - რედ.)

სინამდვილეში, ქრონოლოგიურად, მეთოდები სრულიად განსხვავებული თანმიმდევრობით გამოიგონეს. მაგალითად, Sanger sequencing შეიქმნა 1977 წელს, ხოლო PCR, როგორც ზემოთ აღინიშნა, მხოლოდ 1983 წელს.

არსებობს მრავალი განსხვავებული თანმიმდევრობის ტექნიკა, მაგრამ ყველა მეთოდი შეიძლება დაიყოს ორ კატეგორიად: "კლასიკური" და ახალი თაობა. დღესდღეობით, ფაქტობრივად, გამოიყენება მხოლოდ ერთი "კლასიკური" მეთოდი - Sanger sequencing, ან ტერმინატორის მეთოდი. ახალ მეთოდებთან შედარებით მას მნიშვნელოვანი უპირატესობა აქვს: წაკითხვის სიგრძე, ანუ ნუკლეოტიდების რაოდენობა იმ თანმიმდევრობაში, რომლის მიღებაც შესაძლებელია ერთდროულად, მეტია - 1000 ნუკლეოტიდამდე. ამავდროულად, ამ კუთხით "კარგ" "ახალ" თანმიმდევრობის მეთოდს - 454-, ან პიროსეკვენირებას - აქვს ეს პარამეტრი არაუმეტეს 500 ნუკლეოტიდის. ეს არის წაკითხვის სიგრძე, რომელიც ზღუდავს ახალი მეთოდების შესაძლებლობებს: გამოდის, რომ უკიდურესად რთულია მთელი გენომის „აწყობა“ რამდენიმე ათეული ზომის ნუკლეოტიდის ფრაგმენტებისგან. ამას მინიმუმ სუპერკომპიუტერები სჭირდება და გენომში ზოგიერთი ადგილის ამოხსნა უბრალოდ შეუძლებელია, თუ ისინი შეიცავს უაღრესად განმეორებად თანმიმდევრობებს. ამ შემთხვევაში, მიღებული ფრაგმენტების შედარება უკვე არსებულ მთლიან გენომთან შეიძლება დაგვეხმაროს, მაგრამ ამ გზით ორგანიზმის გენომის პირველად წაკითხვა შეუძლებელია ( დე ნოვო). (Იხილეთ ასევე: " ცხოვრების კოდექსი: კითხვა არ ნიშნავს გაგებას ». - რედ.)

ინგლისელი ბიოქიმიკოსი და მოლეკულური ბიოლოგიის მნათობი, ორჯერ ნობელის პრემიის ლაურეატი ქიმიაში: ინსულინის ამინომჟავების თანმიმდევრობის განსაზღვრისთვის (1955) და დნმ-ის თანმიმდევრობის მეთოდის შემუშავებისთვის (1980). - რედ.

არსებობს ახალი თაობის მეთოდი, რომელიც საშუალებას გაძლევთ წაიკითხოთ რამდენიმე ათასი bp, მაგრამ დიდი შეცდომებით (Pacific Biosciences). 454/Roche დღეს შეუძლია წაიკითხოს 500 თვეზე მეტი; ახალგაზრდა "ნახევარგამტარული თანმიმდევრობა" უკვე შეუძლია იგივე გააკეთოს. - რედ.

ზემოთ ნახსენები თანმიმდევრობის ორივე მეთოდი უკვე საკმარისად დეტალურად არის აღწერილი „ბიომოლეკულაზე“: გირჩევთ წაიკითხოთ იგი. მაგალითად, მე გეტყვით კიდევ ერთი გავრცელებული სწრაფი და იაფი მეთოდის შესახებ (თითო ნუკლეოტიდის წაკითხვაზე) - მეთოდი, რომელიც განხორციელდა Illumina-ს სეკვენსერებში (ვიდეო 2). მისი მთავარი მინუსი არის ძალიან მოკლე სიგრძის ფრაგმენტების წაკითხვა, არაუმეტეს 100 ნუკლეოტიდისა და გენომის "ნულიდან" წაკითხვის სირთულე.

ეს მეთოდი შეიძლება დაიყოს სამ ეტაპად: ფრაგმენტების ბიბლიოთეკის მომზადება (1), კლასტერების შექმნა (2) და თავად თანმიმდევრობა (3).

ვიდეო 2. ინტერნეტში არის რამდენიმე კარგი ვიდეო, რომელიც აღწერს Illumina-ს თანმიმდევრობის პროცესსმაგალითად, კომპანიის ოფიციალურ ვებსაიტზე (ტექნიკის ჩანართი). მართალია, ისინი ყველა ინგლისურ ენაზეა.

უკვე საკმაოდ ბევრი ითქვა ნუკლეინის მჟავებთან მუშაობისა და მათი შესწავლის მეთოდებზე. დროა გავარკვიოთ, როგორ გავარკვიოთ, როგორ მუშაობს უჯრედი – კერძოდ, შევეცადოთ განვსაზღვროთ გენის ფუნქცია და მასში კოდირებული ცილა.

ინ ვიტრო-მუტაგენეზი

ცილის ფუნქციის შესასწავლად ძალიან მნიშვნელოვანია ვისწავლოთ როგორ დანერგოთ მუტაციები. მაგალითად, თუ თქვენ გაქვთ ორგანიზმი დისფუნქციური ფერმენტით, შეგიძლიათ გამოიყენოთ ბიოქიმიური განსხვავებები იმის გასაგებად, თუ რას აკეთებს ნორმალური ცილა. არსებობს სრულიად არაფუნქციური გენის შექმნის სხვადასხვა გზა (ან თვითნებური მთელი გენომის ან სრულიად სპეციფიკური - მაშინ ამას ე.წ. ნოკაუტიეს გენი). ერთ-ერთი ასეთი მეთოდია გენომში დნმ-ის ზოგიერთი ფრაგმენტის ჩასმა: თუ ეს ჩასმა მოხდება გენზე, მაშინ ის (უფრო ზუსტად, სავარაუდოდ, ცილა, რომელსაც ის კოდირებს) შეწყვეტს ნორმალურ ფუნქციონირებას.

თუმცა, არსებობს გზები ძალიან ზუსტად შეცვალოს გენის და, შესაბამისად, ცილის თანმიმდევრობა. ერთ-ერთი ამ მეთოდის შესახებ - ადგილზე მიმართული მუტაგენეზი- Გეტყვი. მისი არსი მდგომარეობს თანმიმდევრობაში კონკრეტული (ჩვეულებრივ ერთი) ნუკლეოტიდის შეცვლაში. მის გამოსაყენებლად, ჯერ გენის კლონირება გჭირდებათ პლაზმიდად. ამის შემდეგ, თქვენ უნდა განახორციელოთ ერთგვარი PCR ერთი პრაიმერით. უფრო მეტიც, ეს პრაიმერი ზუსტად უნდა შეიცავდეს თანმიმდევრობას, რომლის შეცვლაც გვინდა - უკვე იმ ფორმით, რომელიც გვჭირდება. მაგალითად, ნახ. 14 ასო A-ს ნაცვლად, რომელიც უნდა იყოს T-ს საპირისპირო მშობელთა ჯაჭვში, პრაიმერი შეიცავს C. პრაიმერის შემცველი პლაზმიდის დნმ-ის მეორე ჯაჭვის სინთეზის შემდეგ მასში შეიტანება მუტაცია - შეიცვლება A. მიერ C. ასეთი პლაზმიდები შეყვანილია უჯრედებში, რომლებშიც გაყოფის შემდეგ ორი ჯაჭვი აღმოჩნდება სხვადასხვა ქალიშვილ უჯრედებში. ამრიგად, შთამომავალი უჯრედების ნახევარს ექნება პლაზმიდის ორიგინალური ვერსია, ნახევარს კი მუტანტის ვერსია. შემდეგ, შესაბამისად, უჯრედების ნახევარი გამოიმუშავებს ამ გენის მიერ დაშიფრულ ნორმალურ პროტეინს, ნახევარი კი მუტანტს. ნახ. 14, ერთი ამინომჟავის (ასპარაგინის) ნაცვლად იქნება მეორე (ალანინი). ანალოგიით, თქვენ შეგიძლიათ შემოიტანოთ შემთხვევითი მუტაციები სპეციალური დნმ პოლიმერაზას გამოყენებით, რაც იწვევს შეცდომების გაზრდილ რაოდენობას.

სურათი 14. უბნის სპეციფიკური მუტაგენეზის სქემა.C. ელეგანსი, - ანუ ამ ჭიის ყველა (თითქმის) უჯრედში გენის გამორთვის შესახებ.

ეს საოცარი ეფექტი მიიღწევა უჯრედში ორჯაჭვიანი რნმ-ის მოლეკულების (dsRNA) შეყვანით, რომელთაგან ერთ-ერთი ჯაჭვი ავსებს „გამორთული“ გენის mRNA განყოფილებას. ეს ხსნის საინტერესო შესაძლებლობებს გენის ფუნქციის შესასწავლად. მანამდე, გენების გამორთვისთვის საჭირო იყო "ნოკაუტ" ცხოველების შექმნა (რაც მეცნიერები ჯერ კიდევ იძულებულნი არიან გააკეთონ, მაგალითად, თაგვებთან - იხ. " ნობელის პრემია ფიზიოლოგიასა და მედიცინაში მიენიჭა თაგვის ნოკაუტის ტექნოლოგიას ». - რედ.), რომელშიც შესწავლილი გენი ძირითადადარ არსებობს გენომში. თუმცა, ნოკაუტების შექმნა საკმაოდ რთულია და ასეთ ორგანიზმებში გენის უკან ჩართვა უკვე შეუძლებელია. რნმ-ის ინტერფერენციის გამოყენებით, ძალიან ადვილია გენის გამორთვა, ისევე როგორც მისი ჩართვა სხეულში შესაბამისი dsRNA შეყვანის შეწყვეტით.

ორგანიზმში dsRNA შეყვანის სამი ძირითადი გზა არსებობს. ყველაზე აშკარაა მათი ხსნარის შეყვანა ცხოველში. ისინი ასევე იყენებენ "გაჟღენთილ" ნემატოდებს რნმ ხსნარში. თუმცა, აღმოჩნდა, რომ თქვენ შეგიძლიათ გააკეთოთ ყველაფერი ბევრად უფრო მარტივი: ამ მოლეკულების მიწოდება ნემატოდებს! განსაკუთრებით მოსახერხებელია ის, რომ ეს კარგად მუშაობს, თუ ნემატოდები იკვებება ბაქტერიებით ( E. coli), ამ dsRNA-ების სინთეზირება (ნახ. 15).

სურათი 15. სისტემური რნმ ჩარევა.ჭია C. ელეგანსიგამოხატავს მწვანე ფლუორესცენტულ (მბზინავ) პროტეინს ფარინქსის (ph) და სხეულის კედლის კუნთებში (bm). მარცხენა- ორიგინალური გარეგნობა. Მარჯვნივ- რნმ-ის ინტერფერენციის დროს გენი ინაქტივირებულია „კვებით“ ბაქტერიებით.

პრინციპში, საკმაოდ გასაკვირია ის ფაქტი, რომ ნაწლავებიდან რნმ-ის მოლეკულები ვრცელდება თითქმის ყველა ქსოვილზე. ცნობილია, რომ ცილის არხი პასუხისმგებელია რნმ-ის მოლეკულების ნაწლავის უჯრედებში შესვლაზე. sid-1, . თუმცა, საიმედოდ არ არის ცნობილი, როგორ ვრცელდება რნმ ჭიის სხეულში; სავარაუდოდ, ცილის მონაწილეობით. rsd-8საინტერესოა, რომ ყველა ცნობილი ცილა, რომელიც მონაწილეობს რნმ-ის სისტემურ ჩარევაში C. ელეგანსი, გვხვდება ადამიანებშიც, მაგრამ სისტემურ დონეზე გენის აქტივობის ხელოვნურად ჩახშობის ასეთი ეფექტური სისტემა ადამიანებში ვერ შეინიშნება. თუ შესაძლებელი იქნებოდა ადამიანებში რნმ-ის სისტემური ჩარევის გამოყენება, ეს შეიძლება იყოს მრავალი დაავადების წინააღმდეგ ბრძოლის მეთოდი, ჩვეულებრივი გაციებიდან კიბოს ჩათვლით.

სხვათა შორის, რნმ-ის ჩარევის გამოყენებამ კონკრეტულად ადამიანის უჯრედების კულტურაში შესაძლებელი გახადა გამოეჩინა, რომ მრავალი ადამიანის გენი წვლილი შეიტანოსგრიპის ვირუსის განვითარება: " მოლეკულური ორმაგი მოქმედება: ადამიანის გენები მუშაობს გრიპის ვირუსზე ». - რედ.

გენის ექსპრესიის კვლევები: დნმ მიკრომასივები

გენის ფუნქციის შესწავლისას ძალიან მნიშვნელოვანია იმის გარკვევა, თუ როდის და სხეულის რომელ ქსოვილებში მუშაობს (გამოიხატება), ასევე სხვა რომელ გენებთან ერთად. თუ თქვენ გჭირდებათ მცირე რაოდენობის გენებისა და ქსოვილების გარკვევა, მაშინ ამის გაკეთება შეგიძლიათ ძალიან მარტივად: გამოყავით რნმ ქსოვილიდან, შეასრულეთ საპირისპირო ტრანსკრიფცია (ანუ cDNA სინთეზი - დამატებითი დნმ) და შემდეგ ჩაატარეთ რაოდენობრივი PCR. იმის მიხედვით, ჩატარდა თუ არა PCR, ჩვენ გავარკვევთ, არის თუ არა ქსოვილში შესასწავლი გენის mRNA.

თუმცა, თუ იგივეა საჭირო ბევრი ქსოვილისა და მრავალი გენისთვის, მაშინ ეს ტექნიკა ძალიან გრძელი და ძვირი ხდება. ამ შემთხვევაში გამოიყენეთ დნმ მიკრომასივები. ეს არის პატარა ფირფიტები, რომლებზეც გამოიყენება და მიმაგრებულია დნმ-ის მოლეკულები, შესწავლილი გენების რნმ-ის შემავსებელი, და წინასწარ არის ცნობილი, სად არის მათზე (ფირფიტებზე) რომელი მოლეკულა მდებარეობს. ჩიპის შექმნის ერთ-ერთი გზა არის დნმ-ის მოლეკულების სინთეზირება პირდაპირ მასზე რობოტის გამოყენებით.

ჩიპების გამოყენებით გენის ექსპრესიის შესასწავლად, ასევე აუცილებელია მათი cDNA-ს სინთეზირება და ფლუორესცენტური საღებავით მარკირება (სხვადასხვა გენის cDNA-ების გამოყოფის გარეშე). ეს ნარევი გამოიყენება მიკროჩიპზე, რაც უზრუნველყოფს cDNA ჰიბრიდიზაციას ჩიპზე არსებულ დნმ-ის მოლეკულებთან. ამის შემდეგ, ისინი უყურებენ სად შეიმჩნევა ფლუორესცენცია და ადარებენ ამას ჩიპზე დნმ-ის მოლეკულების მდებარეობას. თუ ფლუორესცენციის მდებარეობა ემთხვევა დნმ-ის მოლეკულის პოზიციას, მაშინ ეს გენი გამოხატულია ამ ქსოვილში. გარდა ამისა, cDNA-ს სხვადასხვა ქსოვილის სხვადასხვა საღებავით მარკირებით, შეგიძლიათ შეისწავლოთ რამდენიმე (ჩვეულებრივ, არაუმეტეს 2) ქსოვილის გამოხატულება ერთ ჩიპზე: ფლუორესცენციის ფერის მიხედვით შეგიძლიათ განსაზღვროთ რომელ ქსოვილშია იგი გამოხატული (თუ რამდენიმე ერთბაშად მიიღებთ შერეულ ფერს) (სურ. 16).

თუმცა, ბოლო დროს, ჩიპების ნაცვლად, სულ უფრო ხშირად გამოიყენება ქსოვილიდან მთლიანი cDNA-ს მასობრივი თანმიმდევრობა (ე.წ. ტრანსკრიპტომები), რომელიც მნიშვნელოვნად გამარტივდა თანმიმდევრობის მეთოდების შემუშავების გამო. ეს უფრო იაფი და ეფექტური აღმოჩნდება, რადგან ყველა mRNA-ის სრული თანმიმდევრობის ცოდნა უფრო მეტ ინფორმაციას გვაწვდის, ვიდრე უბრალოდ მათი ყოფნის ან არარსებობის ფაქტი.

ჩვენ განვიხილეთ მოლეკულური ბიოლოგიის ძირითადი მეთოდები. ვიმედოვნებ, რომ თქვენთვის ცოტა უფრო ნათელი გახდა, როგორ ტარდება მოლეკულური ბიოლოგიური კვლევა, რისთვის ენიჭებათ ნობელის პრემიები და როგორ შეუძლია მას დაეხმაროს ზოგიერთ პრაქტიკულ პრობლემაში. მაგრამ ყველაზე მეტად, ვიმედოვნებ, რომ თქვენც დაინახეთ მათ მიღმა არსებული იდეების სილამაზე და, შესაძლოა, გინდოდათ მეტი გაიგოთ ზოგიერთი ამ ტექნიკის შესახებ.

ლიტერატურა

1. ნობელის პრემიის ლაურეატები: J. Watson, F. Crick, M. Wilkins; ვიკიპედია: 454-sequencing (მაღალი გამტარუნარიანობის დნმ-ის პიროსეკვენირება). ქოლდ სპრინგ ჰარბორის სიმპოზიუმი რაოდენობრივი ბიოლოგიის შესახებ. 71 , 95-100.

1 კითხვა. მოლეკულური ბიოლოგიის მიზანი, ამოცანები და მეთოდები. თავად ტერმინი "მოლეკულური ბიოლოგია" პირველად გამოიყენეს ინგლისურად. მეცნიერმა W. Astbury-მა ჩაატარა კვლევა, რომელიც დაკავშირებულია მოლეკულურ სტრუქტურასა და ფიბრილარული (ბოჭკოვანი) ცილების ფიზიკურ და ბიოლოგიურ თვისებებთან, როგორიცაა კოლაგენი, სისხლის ფიბრინი ან კუნთების შეკუმშვადი პროტეინები შორის ურთიერთობების გარკვევა. ტერმინი "მოლეკულური ბიოლოგია" ფართოდ გამოიყენება 50-იანი წლების დასაწყისიდან. მე -20 საუკუნე მოლეკულური ბიოლოგია არის ბიოლოგიური მეცნიერებების კომპლექსი, რომელიც შეისწავლის გენეტიკური ინფორმაციის შენახვის, გადაცემის და განხორციელების მექანიზმებს, არარეგულარული ბიოპოლიმერების (ცილები და ნუკლეინის მჟავები) სტრუქტურასა და ფუნქციებს. უილიამ თომას ასტბერი () ბრიტანელი ფიზიკოსი, მოლეკულური ბიოლოგი

მოლეკულური ბიოლოგია სწავლობს სიცოცხლის ძირითად თვისებებსა და გამოვლინებებს მოლეკულურ დონეზე. აღმოაჩენს, თუ როგორ და რამდენად განსაზღვრავს ორგანიზმების ზრდა-განვითარება, მემკვიდრეობითი ინფორმაციის შენახვა და გადაცემა, ცოცხალ უჯრედებში ენერგიის ტრანსფორმაცია და სხვა ფენომენები ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი მაკრომოლეკულების (ძირითადად ცილების და ნუკლეინის მჟავების) აგებულებითა და თვისებებით. . მოლეკულური ბიოლოგიის გამორჩეული თვისებაა სიცოცხლის ფენომენების შესწავლა უსულო საგნებზე ან ისეთ ობიექტებზე, რომლებიც ხასიათდება სიცოცხლის ყველაზე პრიმიტიული გამოვლინებით. ეს არის ბიოლოგიური წარმონაქმნები უჯრედული დონიდან და ქვემოთ: უჯრედქვეშა ორგანელები, როგორიცაა იზოლირებული უჯრედის ბირთვები, მიტოქონდრია, რიბოსომები, ქრომოსომა, უჯრედის მემბრანები; შემდეგ სისტემები, რომლებიც დგანან ცოცხალი და არაცოცხალი ბუნების საზღვარზე, ვირუსები, მათ შორის ბაქტერიოფაგები და დამთავრებული ცოცხალი ნივთიერების ყველაზე მნიშვნელოვანი კომპონენტების, ნუკლეინის მჟავების მოლეკულებით.

მბ კვლევის საგანია გენეტიკური ინფორმაციის შენახვის, გადაცემის და დანერგვის მექანიზმები, არარეგულარული ბიოპოლიმერების აგებულება და ფუნქციები.მბ კვლევის ობიექტს წარმოადგენს სუბუჯრედული ორგანელების ვირუსები (ბაქტერიოფაგები). ბირთვის მიტოქონდრიის რიბოზომები ქრომოსომების სისტემები, რომლებიც დგანან ცოცხალ და არაცოცხალ ბუნებას შორის საზღვარზე

მოლეკულური ბიოლოგიის ამოცანები ავთვისებიანი ზრდის მოლეკულური საფუძვლის პრობლემის გადაჭრის გზები მემკვიდრეობითი დაავადებების პრევენციისა და დაძლევის გზები ბიოლოგიური კატალიზის მოლეკულური საფუძვლის გარკვევა, ანუ ფერმენტების მოქმედების გაშიფვრა ჰორმონების, ტოქსიკური და მოქმედების მოლეკულური მექანიზმების შესახებ. სამკურნალო ნივთიერებები ბიოლოგიური მემბრანების მოლეკულური სტრუქტურისა და ფუნქციონირების დეტალების გარკვევა, რომლებიც მონაწილეობენ ნივთიერებების შეღწევისა და ტრანსპორტირების პროცესებში უფრო შორეული ამოცანები - ნერვული პროცესების ბუნების ცოდნა, მეხსიერების მექანიზმები.

მოლეკულური ბიოლოგიის ცნებების ფონზე სიცოცხლე შეიძლება მივიჩნიოთ სამი დინების შერწყმის შედეგად: მატერიის დინება, რომელიც გამოხატულებას პოულობს მეტაბოლიზმის ფენომენებში, ანუ ასიმილაციასა და დისიმილაციაში; ენერგიის ნაკადი, რომელიც არის მამოძრავებელი ძალა ცხოვრების ყველა გამოვლინებისთვის; ინფორმაციის ნაკადი, რომელიც მოიცავს არა მხოლოდ თითოეული ორგანიზმის განვითარებისა და არსებობის პროცესების მთელ მრავალფეროვნებას, არამედ თანმიმდევრული თაობების უწყვეტ სერიას. მოლეკულური ბიოლოგიის განვითარებით ცოცხალი სამყაროს დოქტრინაში შემოტანილი ინფორმაციის ნაკადის იდეაა, რომელიც მასზე თავის სპეციფიკურ, უნიკალურ კვალს ტოვებს.

მოლეკულური ბიოლოგია არის ამ მიმართულების ბოლო ეტაპი ცოცხალი ობიექტების შესწავლაში, რომელსაც ეწოდება "რედუქციონიზმი", ანუ რთული ცხოვრებისეული ფუნქციების შემცირების სურვილი მოლეკულურ დონეზე წარმოქმნილ მოვლენებამდე და, შესაბამისად, ხელმისაწვდომია შესწავლა მეთოდების გამოყენებით. ფიზიკა და ქიმია. მოლეკულურ ბიოლოგიაში მიღწეული მიღწევები მიუთითებს ამ მიდგომის ეფექტურობაზე. ამავდროულად, გასათვალისწინებელია, რომ ბუნებრივ პირობებში უჯრედი, ქსოვილი, ორგანო და მთელი ორგანიზმი მზარდი სირთულის სისტემებია. ეს სისტემები ჩამოყალიბებულია ქვედა დონის კომპონენტებისგან მათი ინტეგრირებით მთლიანობაში, რომელიც იძენს ახალ თვისებებს.

მოლეკულური ბიოლოგიის მეთოდები. ვინაიდან მოლეკულური ბიოლოგია არის ბიოლოგიური მეცნიერებების კომპლექსი, იგი იყენებს ამ მეცნიერებების მეთოდებს: ულტრაცენტრფუგაცია, რენტგენის დიფრაქციული ანალიზი, ელექტრონული მიკროსკოპია, ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი, პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქცია. გარდა ამისა, მოლეკულური ბიოლოგია იყენებს სხვა მეცნიერებების მეთოდებს - მაგალითად, ფიზიკას: კომპიუტერების, სინქროტრონის, ან ბრემსტრაჰლუნგის, რადიაციის, ლაზერული ტექნოლოგიების გამოყენებას.

ელექტრონული მიკროსკოპი ელექტრონული მიკროსკოპი არის მოწყობილობა, რომელიც საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ ობიექტების გამოსახულებები მილიონჯერ მაქსიმალური გადიდებით, სინათლის ნაკადის ნაცვლად, ოპტიკური მიკროსკოპისგან განსხვავებით, ელექტრონული სხივის გამოყენების წყალობით. ელექტრონულ მიკროსკოპში გამოსახულების მისაღებად გამოიყენება სპეციალური მაგნიტური ლინზები, რომლებიც აკონტროლებენ ელექტრონების მოძრაობას ინსტრუმენტის სვეტში მაგნიტური ველის გამოყენებით.

ფლუორესცენტური (ლუმინესცენტური) მიკროსკოპია ეფუძნება ზოგიერთი ნივთიერების ლუმინესცენციის უნარს, ანუ ანათებს უხილავი ულტრაიისფერი ან ლურჯი შუქით განათებისას. როდესაც ლუმინესცენცია აღფრთოვანებულია ლურჯი შუქით, მისი ფერი შეიძლება მერყეობდეს მწვანედან წითამდე; თუ ლუმინესცენცია აღფრთოვანებულია ულტრაიისფერი გამოსხივებით, მაშინ ლუმინესცენცია შეიძლება იყოს ხილული სპექტრის ნებისმიერ ნაწილში. ფლუორესცენტური მიკროსკოპის სტრუქტურა და მასთან მუშაობის წესები განსხვავდება გადაცემული სინათლის მიკროსკოპისგან შემდეგში: მძლავრი სინათლის წყაროს არსებობა ილუმინატორში, რომელიც ასხივებს უპირატესად სპექტრის მოკლე ტალღის (ულტრაიისფერი, ლურჯი) ნაწილში. (ულტრა მაღალი წნევის ვერცხლისწყალ-კვარცის ნათურა ან ჰალოგენური კვარცის ნათურა). სინათლის ფილტრების სისტემის ხელმისაწვდომობა: 1. ამაღელვებელი სინათლის ფილტრები გადასცემს სპექტრის მხოლოდ იმ ნაწილს, რომელიც აღაგზნებს ლუმინესცენციას; 2. სითბოსგან დამცავი სინათლის ფილტრი იცავს სინათლის სხვა ფილტრებს, ნიმუშს და ფლუორესცენტური მიკროსკოპის ოპტიკას გადახურებისგან. 3. „ჩამკეტი“ ფილტრები განლაგებულია ოკულარებს შორის. ეს ფილტრები შთანთქავს ამაღელვებელ გამოსხივებას და გადასცემს წამლისგან მანათობელ შუქს დამკვირვებლის თვალამდე.

ცენტრიფუგაცია ცენტრიფუგაცია არის ჰეტეროგენული სისტემების (მაგ., თხევად-მყარი ნაწილაკების) დაყოფა სიმკვრივის ფრაქციებად ცენტრიდანული ძალების გამოყენებით. ცენტრიფუგაცია ხორციელდება მანქანებში, რომლებსაც ცენტრიფუგები ეწოდება. ცენტრიფუგა არის მოწყობილობა, რომელიც ქმნის მაღალ ცენტრიდანულ ძალებს როტორის ბრუნვით 200 rpm-დან rpm-მდე. ბიოლოგიაში ცენტრიფუგაცია გამოიყენება უჯრედული სტრუქტურების ნალექის გამოსაყოფად. მაღალმოლეკულური ნივთიერებების (ცილები, ნუკლეინის მჟავები და ა.შ.) და ბიოლოგიური სისტემების შესასწავლად გამოიყენება ულტრაცენტრიფუგები როტორის სიჩქარით 2000 rpm-დან rpm-მდე (2500 rpm-მდე).

ელექტროფორეზი ელექტროფორეზი არის კოლოიდური ან ცილოვანი ხსნარების დისპერსიული ფაზის ნაწილაკების მოძრაობა თხევად ან აირისებრ გარემოში გარე ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ. ის პირველად აღმოაჩინეს მოსკოვის უნივერსიტეტის პროფესორებმა P.I.Strakhov-მა და F.F.Reiss-მა 1809 წელს.ბიოლოგიაში ელექტროფორეზი გამოიყენება მაკრომოლეკულების გამოყოფისთვის.

პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქცია (PCR) გამოიგონა 1983 წელს ამერიკელმა მეცნიერმა კარი მალისმა. მოგვიანებით მან მიიღო ნობელის პრემია ამ გამოგონებისთვის. PCR მეთოდი ეფუძნება დნმ-ის კონკრეტული მონაკვეთის განმეორებით გაორმაგებას. შედეგად, წარმოიქმნება ვიზუალური გამოვლენისთვის საკმარისი დნმ-ის რაოდენობა. მოლეკულური კლონირება (მოლეკულური კლონირება, გენის კლონირება) არის დიდი რაოდენობით იდენტური დნმ-ის მოლეკულების წარმოება ცოცხალი ორგანიზმების (ბაქტერიების ან ვირუსების) გამოყენებით. იმუნოციტოქიმიური მეთოდები იძლევა უჯრედული და ქსოვილოვანი კომპონენტების (ანტიგენების) ლოკალიზაციას და იდენტიფიკაციას ანტისხეულებთან მათი შეკავშირების საფუძველზე. შებოჭვის ადგილი განისაზღვრება ეტიკეტირებული ანტისხეულების ან მეორადი მარკირების გამოყენებით. PCR მეთოდი შესაძლებელს ხდის დაავადების პათოგენის არსებობის დადგენას, მაშინაც კი, თუ პათოგენის მხოლოდ რამდენიმე დნმ-ის მოლეკულა იმყოფება ნიმუშში.

მოლეკულური ბიოლოგია ისტორიულად გამოჩნდა, როგორც ბიოქიმიის ფილიალი. მოლეკულური ბიოლოგიის დაბადების თარიღად ითვლება 1953 წლის აპრილი, როდესაც ჯეიმს უოტსონისა და ფრენსის კრიკის სტატია გამოჩნდა ინგლისურ ჟურნალში Nature-ში, სადაც დნმ-ის მოლეკულის სივრცითი მოდელი იყო შემოთავაზებული. კითხვა 2. მოლეკულური ბიოლოგიის განვითარების ისტორია. ეს ფუნდამენტური აღმოჩენა მომზადდა ვირუსებისა და ბაქტერიების გენეტიკისა და ბიოქიმიის ხანგრძლივი კვლევის შედეგად. 1928 წელს ფრედერიკ გრიფიტმა პირველად აჩვენა, რომ სითბოს შედეგად მოკლული პათოგენური ბაქტერიების ექსტრაქტს შეუძლია პათოგენურობის გადაცემა არასაშიში ბაქტერიებზე.

მეთოდოლოგიისთვის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი აღმოჩენა იყო მე-20 საუკუნის დასაწყისში ბაქტერიოფაგების ვირუსების აღმოჩენა. მე-20 საუკუნის 50-იან წლებში აჩვენეს, რომ ბაქტერიებს აქვთ პრიმიტიული სექსუალური პროცესი, მათ შეუძლიათ გაცვალონ ექსტრაქრომოსომული დნმ - პლაზმიდი. ბაქტერიოფაგის სტრუქტურა ბაქტერიოფაგები ბაქტერიული უჯრედის ზედაპირზე

მოლეკულური ბიოლოგიის შემდგომ განვითარებას თან ახლდა როგორც მისი მეთოდოლოგიის განვითარება, კერძოდ, დნმ-ის ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის განსაზღვრის მეთოდის გამოგონება (W. Gilbert and F. Sanger, 1980 - ნობელის პრემია ქიმიაში), ასევე ახალი. აღმოჩენები გენების სტრუქტურისა და ფუნქციონირების კვლევის სფეროში. 21-ე საუკუნის დასაწყისისთვის მიღებული იყო მონაცემები ადამიანებში და სხვა უამრავ ორგანიზმში დნმ-ის პირველადი სტრუქტურის შესახებ, რაც ყველაზე მნიშვნელოვანია მედიცინის, სოფლის მეურნეობისა და სამეცნიერო კვლევებისთვის, რამაც გამოიწვია ბიოლოგიის რამდენიმე ახალი მიმართულების გაჩენა. : გენომიკა, ბიოინფორმატიკა და ა.შ.).

დნმ-ის, ყველა ტიპის რნმ-ის და რიბოსომის ბიოლოგიური ფუნქციის სტრუქტურისა და მექანიზმის გამჟღავნება, გენეტიკური კოდის გამჟღავნება; საპირისპირო ტრანსკრიფციის, ანუ დნმ-ის სინთეზის აღმოჩენა რნმ-ის შაბლონზე; რესპირატორული პიგმენტების ფუნქციონირების მექანიზმების შესწავლა; სამგანზომილებიანი სტრუქტურისა და მისი ფუნქციური როლის აღმოჩენა ფერმენტების მოქმედებაში, მატრიცის სინთეზის პრინციპისა და ცილების ბიოსინთეზის მექანიზმების აღმოჩენა; ვირუსების სტრუქტურისა და მათი რეპლიკაციის მექანიზმების, ანტისხეულების პირველადი და ნაწილობრივ სივრცითი სტრუქტურის გამჟღავნება; ცალკეული გენების იზოლაცია, გენის, მათ შორის ადამიანის, ქიმიური და შემდეგ ბიოლოგიური (ფერმენტული) სინთეზი უჯრედის გარეთ (ინ ვიტრო); გენების გადატანა ერთი ორგანიზმიდან მეორეზე, მათ შორის ადამიანის უჯრედებში; მზარდი სირთულის ზოგიერთი ბიოლოგიური ობიექტის „თვითშეკრების“ ფენომენის გამოვლენა, ნუკლეინის მჟავის მოლეკულებიდან დაწყებული და მრავალკომპონენტიან ფერმენტებზე, ვირუსებზე, რიბოზომებზე და ა.შ. ბიოლოგიური ფუნქციებისა და პროცესების რეგულირების ალოსტერული და სხვა ძირითადი პრინციპების გარკვევა. კითხვა 3. მოლეკულური ბიოლოგიის უმნიშვნელოვანესი მიღწევები და მისი კავშირი სხვა მეცნიერებებთან. მოლეკულური ბიოლოგიის ყველაზე მნიშვნელოვანი მიღწევები:

დღეს მოლეკულური ბიოლოგების ინტერესები ფუნდამენტური სამეცნიერო საკითხების ფართო სპექტრს მოიცავს. წამყვან როლს დღემდე იკავებს ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურისა და ცილების ბიოსინთეზის შესწავლა, სხვადასხვა უჯრედშიდა სტრუქტურისა და უჯრედის ზედაპირის სტრუქტურისა და ფუნქციების შესწავლა.

ᲛᲝᲚᲔᲙᲣᲚᲣᲠᲘ ᲑᲘᲝᲚᲝᲒᲘᲐგვიან ლათ. მოლეკულა, ლათ. moles მასა; ბიოლოგია) არის სამედიცინო და ბიოლოგიური მეცნიერება, რომელიც სწავლობს ცხოვრების ფენომენებს ბიოლოგიური მაკრომოლეკულების - ცილების და ნუკლეინის მჟავების დონეზე, ისეთ მარტივ სისტემებს, როგორიცაა უჯრედებისგან თავისუფალი სტრუქტურები, ვირუსები და, როგორც ლიმიტი, უჯრედულ დონეზე. ამ ობიექტების უმეტესობა უსულოა ან სიცოცხლის ელემენტარული გამოვლინებებით არის დაჯილდოებული. მ-ის თანამდებობა ბ. ბიოლის სისტემაში მეცნიერებები განისაზღვრება ცოცხალი მატერიის სტრუქტურული დონის შესახებ იდეებით, ე.ი. სიცოცხლის ევოლუციურად განვითარებული ფორმებით, დაწყებული პრებიოტიკური საფეხურებით და დამთავრებული რთული სისტემებით: მცირე ორგანული მოლეკულები - მაკრომოლეკულები - უჯრედი და უჯრედქვეშა სტრუქტურები - ორგანიზმი. და ა.შ., შესაბამისად ცოდნის დონეები შენდება ყირიმშიც. ისტორიულად მ.ბ. ჩამოყალიბდა ბიოლოგიური მაკრომოლეკულების შესწავლის შედეგად, რის გამოც მ.ბ. ითვლება ბიოქიმიის დარგად (იხ.). მ.ბ. არის, ამავე დროს, სასაზღვრო მეცნიერება, რომელიც წარმოიშვა ბიოქიმიის, ბიოფიზიკის (იხ.), ორგანული ქიმიის (იხ.), ციტოლოგიის (იხ.) და გენეტიკის (იხ.) კვეთაზე. იდეა M.b. შედგება ბიოლის, მაკრომოლეკულების შესწავლის გზით ცხოვრების ძირითადი პროცესების ელემენტარული მექანიზმების გამოვლენაში - მემკვიდრეობა (იხ.), ცვალებადობა (იხ.), მოძრაობა და ა.შ. მოლეკულური ბიოლ. იდეებმა ნაყოფიერი ნიადაგი ჰპოვა განსაკუთრებით გენეტიკაში - წარმოიშვა მოლეკულური გენეტიკა (იხ.) და სწორედ აქ იქნა მიღწეული შედეგები, რამაც ხელი შეუწყო M. b. და მისი პრინციპების აღიარება. წარმომადგენლობები მ.ბ. აქვთ ევრისტიკული (შემეცნებითი) მნიშვნელობა, რადგან ცოცხალი მატერიის განვითარების ყველა დონეზე არსებობს და მოქმედებს ბიოლი, მაკრომოლეკულები - ცილები (იხ.) და ნუკლეინის მჟავები (იხ.). ამ მიზეზით საზღვრები მ.ბ. ძნელი დასადგენია: ის ყოვლისმომცველი მეცნიერება გამოდის.

თავად სახელი "მოლეკულური ბიოლოგია" ეკუთვნის ინგლისურს. კრისტალოგრაფი W.T. Astbury. მ.ბ.-ის გაჩენის ოფიციალური თარიღი. ისინი განიხილავენ 1953 წელს, როდესაც ჯ. უოტსონმა და ფ. კრიკმა დაადგინეს დნმ-ის სტრუქტურა და გააკეთეს ვარაუდი, რომელიც მოგვიანებით დადასტურდა, მისი რეპლიკაციის მექანიზმის შესახებ, რომელიც საფუძვლად უდევს მემკვიდრეობას. მაგრამ ყოველ შემთხვევაში 1944 წლიდან, ო. თ. ევერის შრომით დაწყებული, დაგროვდა მტკიცებულება, რომელიც მიუთითებს დნმ-ის გენეტიკურ როლზე; კოლცოვმა გამოხატა მატრიცის სინთეზის იდეა ძალიან მკაფიო ფორმით ჯერ კიდევ 1928 წელს; კუნთების შეკუმშვის მოლეკულური საფუძვლის შესწავლა დაიწყო V.A. Engelhardt-ისა და M.N. Lyubimova-ს ნაშრომებით, რომლებიც გამოქვეყნდა 1939-1942 წლებში. მ.ბ. ასევე განვითარდა ევოლუციური კვლევებისა და სისტემატიკის სფეროში. სსრკ-ში ნუკლეინის მჟავების შესწავლისა და ევოლუციის მოლეკულური საფუძვლების კვლევის ინიციატორი იყო A.N. Belozersky.

გამორჩეული თვისება M. b. მოიცავს დაკვირვების ხასიათს, მის მეთოდოლოგიურ ტექნიკას და ექსპერიმენტის დიზაინს. მ.ბ. აიძულა ბიოლოგები ახლებურად შეეხედათ ცხოვრების მატერიალურ საფუძველს. მოლეკულური ბიოლისთვის. კვლევას ახასიათებს ბიოლის, ფუნქციების შედარება ქიმიასთან. და ფიზიკური ბიოპოლიმერების მახასიათებლები (თვისებები) და განსაკუთრებით მათი სივრცითი აგებულება.

ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურისა და უჯრედში მათი ქცევის კანონების გასაგებად, 1953 წელს ჯ. უოტსონისა და ფ. კრიკის მიერ დადგენილი ნუკლეინის მჟავების ორჯაჭვიან სტრუქტურებში ბაზის კომპლემენტარობის პრინციპს უდიდესი მნიშვნელობა აქვს. სივრცითი ურთიერთობების მნიშვნელობა გამოიხატება მაკრომოლეკულების და მოლეკულური კომპლექსების ზედაპირების კომპლემენტარობის იდეაში, რაც აუცილებელ პირობას წარმოადგენს სუსტი ძალების გამოვლენისთვის, რომლებიც მოქმედებენ მხოლოდ მცირე მანძილზე და ხელს უწყობენ მორფოლის შექმნას, ბიოლის მრავალფეროვნებას. . სტრუქტურები, მათი ფუნქციური მობილურობა. ეს სუსტი ძალები მონაწილეობენ ისეთი კომპლექსების ფორმირებაში, როგორიცაა ფერმენტი - სუბსტრატი, ანტიგენი - ანტისხეული, ჰორმონი - რეცეპტორი და ა.შ. ბაზები ნუკლეინის მჟავების მოლეკულებში და სხვა მსგავსი პროცესები.

მ.ბ. ბიოლოგების ყურადღება გაამახვილა სიცოცხლის საზღვრებზე მდგარი მარტივი ობიექტებისკენ, ბიოლოგიური კვლევის არსენალში შეიტანა ქიმიისა და ფიზიკის იდეები და ზუსტი მეთოდები. მუტაციის პროცესი განიმარტება მოლეკულურ დონეზე, როგორც დნმ-ის სეგმენტების დაკარგვა, ჩასმა და მოძრაობა, აზოტოვანი წყვილის ჩანაცვლება გენომის ფუნქციურად მნიშვნელოვან სეგმენტებში (იხ. მუტაცია). ამიტომ მუტაგენეზის ფენომენები (იხ.) გადაითარგმნა ქიმიაში. ენა. მ-ის მეთოდების წყალობით. გამოვლინდა პროკარიოტებში ისეთი გენეტიკური პროცესების მოლეკულური საფუძველი, როგორიცაა რეკომბინაცია (q.v.), ტრანსდუქცია (q.v.), ტრანსფორმაცია (q.v.), ტრანსფექცია, სექსდუქცია. მნიშვნელოვანი პროგრესი იქნა მიღწეული ქრომატინის სტრუქტურისა და ევკარიოტების ქრომოსომების შესწავლაში; ცხოველური უჯრედების კულტივირებისა და ჰიბრიდიზაციის მეთოდების გაუმჯობესებამ შექმნა სომატური უჯრედების გენეტიკის განვითარების შესაძლებლობა (იხ.). დნმ-ის რეპლიკაციის რეგულირება გამოიხატა რეპლიკონის კონცეფციაში F. Jacob-ისა და S. Brenner-ის მიერ.

ცილების ბიოსინთეზის სფეროში ე.წ ცენტრალური პოსტულატი, რომელიც ახასიათებს გენეტიკური ინფორმაციის შემდეგ მოძრაობას: დნმ -> მესინჯერი რნმ -> ცილა. ამ პოსტულატის მიხედვით, ცილა არის ერთგვარი საინფორმაციო სარქველი, რომელიც ხელს უშლის ინფორმაციის დაბრუნებას რნმ-ისა და დნმ-ის დონეზე. განვითარების პროცესში მ.ბ. 1970 წელს ჰ.ტემინმა და დ.ბალტიმორმა აღმოაჩინეს საპირისპირო ტრანსკრიპციის ფენომენი (ბუნებაში დნმ-ის სინთეზი ხდება ონკოგენურ რნმ-ის შემცველ ვირუსებში სპეციალური ფერმენტის - უკუ ტრანსკრიპტაზას გამოყენებით). ცილების და ნუკლეინის მჟავების სინთეზები ხდება მატრიცის სინთეზის ტიპის მიხედვით; მათი წარმოქმნისთვის საჭიროა მატრიცა (თარგი) - ორიგინალური პოლიმერული მოლეკულა, რომელიც წინასწარ განსაზღვრავს ნუკლეოტიდების (ამინომჟავების) თანმიმდევრობას სინთეზირებულ ასლში. რეპლიკაციისა და ტრანსკრიფციის ასეთი შაბლონებია დნმ და ტრანსლაციისთვის - მესენჯერი რნმ. გენეტიკური კოდი (იხ.) აყალიბებს მესენჯერ რნმ-ში მემკვიდრეობითი ინფორმაციის „ჩაწერის“ გზას; სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ის კოორდინაციას უწევს ნუკლეოტიდების თანმიმდევრობას ნუკლეინის მჟავებში და ამინომჟავების ცილებში. ტრანსკრიფცია დაკავშირებულია ცილების ბიოსინთეზთან - დნმ-ის მატრიცაზე მესენჯერი რნმ-ების სინთეზი, რომელიც კატალიზირებულია რნმ პოლიმერაზებით; ტრანსლაცია არის ცილის სინთეზი მესენჯერ რნმ-ზე, რომელიც დაკავშირებულია რიბოსომასთან, რაც ხდება ძალიან რთული მექანიზმის მიხედვით, რომელშიც მონაწილეობს ათობით დამხმარე ცილა და გადამტანი რნმ (იხ. რიბოსომები). ცილის სინთეზის რეგულირება ყველაზე მეტად არის შესწავლილი ტრანსკრიფციის დონეზე და ჩამოყალიბებულია ფ. იაკობისა და ჯ. მონოდის იდეებში ოპერონის, რეპრესორული ცილების, ალოსტერული ეფექტის, დადებითი და უარყოფითი რეგულაციის შესახებ. თავისი შინაარსით ჰეტეროგენული და წინამორბედებთან შედარებით ნაკლებად სრული მონაკვეთი M.b. არის ფუნდამენტური და გამოყენებითი ხასიათის მთელი რიგი პრობლემები. ეს მოიცავს გენომის დაზიანების აღდგენას, რომელიც გამოწვეულია მოკლე ტალღის გამოსხივებით, მუტაგენებით (იხ.) და სხვა გავლენით. დიდი დამოუკიდებელი ტერიტორია მოიცავს ფერმენტების მოქმედების მექანიზმის შესწავლას, რომელიც ეფუძნება იდეებს ცილების სამგანზომილებიანი სტრუქტურისა და სუსტი ქიმიკატების როლის შესახებ. ურთიერთქმედებები. მ.ბ. განმარტა ვირუსების, განსაკუთრებით ბაქტერიოფაგების სტრუქტურისა და განვითარების მრავალი დეტალი. ნამგლისებრუჯრედოვანი ანემიით (იხ.) და სხვა ჰემოგლობინოპათიებით (იხ.) დაავადებულ ადამიანებში ჰემოგლობინის შესწავლამ დაიწყო "მოლეკულური დაავადებების" სტრუქტურული საფუძვლის შესწავლა, მეტაბოლიზმის თანდაყოლილი "შეცდომები" (იხ. მემკვიდრეობითი დაავადებები). M.b-ის უახლესი ფილიალი არის გენეტიკური ინჟინერია (იხ. ) - შეიმუშავებს რეკომბინანტული დნმ-ის მოლეკულების სახით მემკვიდრეობითი სტრუქტურების აგების მეთოდებს.

მოლეკულურ ბიოლში. ექსპერიმენტებში გამოიყენება ქრომატოგრაფიის (იხ.) და ულტრაცენტრფუგაციის (იხ.), რენტგენის დიფრაქციული ანალიზი (იხ.), ელექტრონული მიკროსკოპია (იხ.), მოლეკულური სპექტროსკოპია (ელექტრონის პარამაგნიტური და ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი) სხვადასხვა მეთოდი. დაიწყო სინქროტრონის (მაგნიტური bremsstrahlung) გამოსხივების, ნეიტრონის დიფრაქციის, Mössbauer სპექტროსკოპიისა და ლაზერული ტექნოლოგიის გამოყენება. მოდელის სისტემები და მუტაციების მიღება ფართოდ გამოიყენება ექსპერიმენტებში. რადიოაქტიური და (მცირე ზომით) მძიმე იზოტოპების გამოყენება არის M. b. ჩვეულებრივი ანალიტიკური მეთოდი, ასევე მათემატიკური მეთოდებისა და კომპიუტერების გამოყენება. თუ ადრე მოლეკულური ბიოლოგები ხელმძღვანელობდნენ ქ. arr. ფიზიკურზე არაბიოლური პოლიმერების შესასწავლად შექმნილი მეთოდები. წარმოშობის, ახლა არის მზარდი ტენდენცია ქიმიკატების გამოყენების მიმართ. მეთოდები.

განვითარებისათვის M. b. სსრკ-ში, CPSU ცენტრალური კომიტეტისა და სსრკ მინისტრთა საბჭოს დადგენილება "მოლეკულური ბიოლოგიის და მოლეკულური გენეტიკის განვითარების დაჩქარების ღონისძიებების შესახებ და მათი მიღწევების გამოყენება ეროვნულ ეკონომიკაში", გამოქვეყნდა 20 მაისს. დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა 1974 წელს. კვლევას კოორდინაციას უწევს სსრკ მინისტრთა საბჭოსა და სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების სახელმწიფო კომიტეტის მოლეკულური ბიოლოგიისა და მოლეკულური გენეტიკის პრობლემების უწყებათაშორისი სამეცნიერო და ტექნიკური საბჭო. სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის მოლეკულური ბიოლოგიის პრობლემების სამეცნიერო საბჭო, საკავშირო რესპუბლიკების მეცნიერებათა აკადემიის მსგავსი საბჭოები და ფილიალების აკადემიები. გამოდის ჟურნალი „მოლეკულური ბიოლოგია“ (1967 წლიდან) და ამავე სახელწოდების აბსტრაქტული ჟურნალი. კვლევა მ.ბ. ტარდება სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის ინსტიტუტებში, სსრკ სამედიცინო მეცნიერებათა აკადემიაში, რესპუბლიკურ მეცნიერებათა აკადემიებში, მთავარ მიკრობიოლოგიურ მრეწველობაში და ქვეყნის უმაღლეს საგანმანათლებლო დაწესებულებებში. ამ პროფილის მრავალი ლაბორატორია მუშაობს სოციალისტურ ქვეყნებში. ევროპაში არის ევროპის მოლეკულური ბიოლოგიის ორგანიზაცია (EMBO), ევროპის მოლეკულური ბიოლოგიის ლაბორატორია (EMBL) ჰაიდელბერგში და ევროპის მოლეკულური ბიოლოგიის კონფერენცია (EMBC). არის დიდი სპეციალიზებული ლაბორატორიები აშშ-ში, საფრანგეთში, დიდ ბრიტანეთში, გერმანიასა და სხვა ქვეყნებში.

სპეციალური პერიოდული გამოცემები, რომლებიც ეძღვნება M. b.-ს საზღვარგარეთ არსებულ პრობლემებს: "Journal of Molecular Biology", "Nucleic Acids Research", "Molecular Biology Reports", "Gene".

მიმოხილვები M. b. გამოქვეყნებულია VINITI-ს სერიებში "მოლეკულური ბიოლოგია", "პროგრესი ნუკლეინის მჟავების კვლევასა და მოლეკულურ ბიოლოგიაში", "პროგრესი ბიოფიზიკასა და მოლეკულურ ბიოლოგიაში", "ბიოქიმიის ყოველწლიური მიმოხილვა", პუბლიკაციები "Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology". “.

ბიბლიოგრაფია: Ashmarin I.P. მოლეკულური ბიოლოგია, ლენინგრადი, 1977; Belozersky A. N. მოლეკულური ბიოლოგია - ბუნების ცოდნის ახალი ეტაპი, M., 1970; Bresler S. E. მოლეკულური ბიოლოგია, L., 1973; კოლცოვი N.K. მემკვიდრეობითი მოლეკულები, ბულ. მოსკოვი შესახებ-ვა ტესტი. ბუნება, განყოფილება. ბიოლ., ტ.70, ვ. 4, გვ. 75, 1965; ოქტომბერი და მეცნიერება, რედ. ა.პ. ალექსანდროვა და სხვ., გვ. 393, 417, M., 1977; Severin S. E. ფიზიკური და ქიმიური ბიოლოგიის თანამედროვე პრობლემები, წიგნში: სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის 250 წელი, გვ. 332, მ., 1977; Watson J. მოლეკულური ბიოლოგია: გენი, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1978; ენგელჰარდტ ვ.ა. მოლეკულური ბიოლოგია, წიგნში: ბიოლის განვითარება, სსრკ-ში, რედ. B. E. Bykhovsky, გვ. 598, მ., 1967 წ.

ბიოქიმიის, ბიოფიზიკის, გენეტიკის, ციტოქიმიის, მიკრობიოლოგიის და ვირუსოლოგიის მრავალი დარგის განვითარება XX საუკუნის 40-იანი წლების დასაწყისში. მჭიდროდ იწვევდა მოლეკულურ დონეზე ცხოვრებისეული ფენომენების შესწავლას. ამ მეცნიერებების მიერ ერთდროულად და სხვადასხვა მხრიდან მიღწეულმა წარმატებებმა განაპირობა ის ფაქტი, რომ მოლეკულურ დონეზე ფუნქციონირებს სხეულის ძირითადი საკონტროლო სისტემები და რომ ამ მეცნიერებების შემდგომი პროგრესი დამოკიდებული იქნება გამჟღავნებაზე. მოლეკულების ბიოლოგიური ფუნქციები, რომლებიც ქმნიან ორგანიზმების სხეულებს, მათ მონაწილეობას სინთეზსა და დაშლაში, უჯრედში ნაერთების ურთიერთ გარდაქმნასა და რეპროდუქციაში, აგრეთვე ენერგიისა და ინფორმაციის გაცვლა. ამრიგად, ამ ბიოლოგიური დისციპლინების ქიმიასთან და ფიზიკასთან გადაკვეთისას წარმოიშვა სრულიად ახალი ფილიალი - მოლეკულური ბიოლოგია.

ბიოქიმიისგან განსხვავებით, თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგიის ყურადღება ძირითადად ორიენტირებულია ბიოპოლიმერების ყველაზე მნიშვნელოვანი კლასების სტრუქტურისა და ფუნქციის შესწავლაზე - ცილები და ნუკლეინის მჟავები, რომელთაგან პირველი განსაზღვრავს მეტაბოლური რეაქციების შესაძლებლობას, ხოლო მეორე. - სპეციფიკური ცილების ბიოსინთეზი. ამიტომ ცხადია, რომ შეუძლებელია მკაფიო განსხვავება მოლეკულურ ბიოლოგიასა და ბიოქიმიას, გენეტიკის, მიკრობიოლოგიისა და ვირუსოლოგიის შესაბამის განყოფილებებს შორის.

მოლეკულური ბიოლოგიის გაჩენა მჭიდროდ იყო დაკავშირებული კვლევის ახალი მეთოდების შემუშავებასთან, რომლებიც უკვე განხილულია შესაბამის თავებში. ელექტრონული მიკროსკოპისა და მიკროსკოპული ტექნოლოგიის სხვა მეთოდების განვითარებასთან ერთად, 50-იან წლებში შემუშავებულმა უჯრედული ელემენტების ფრაქციების მეთოდებმა დიდი როლი ითამაშა. ისინი ეფუძნებოდა დიფერენციალური ცენტრიფუგაციის გაუმჯობესებულ მეთოდებს (A. Claude, 1954). ამ დროისთვის უკვე არსებობდა საკმაოდ საიმედო მეთოდები ბიოპოლიმერების იზოლაციისა და ფრაქციაციისთვის. ეს მოიცავს, კერძოდ, ა. ტისელიუსის (1937; ნობელის პრემია, 1948) მიერ შემოთავაზებული ცილების დანაწილების მეთოდს ელექტროფორეზის გამოყენებით, ნუკლეინის მჟავების იზოლაციისა და გაწმენდის მეთოდებს (E. Kay, A. Downs, M. Sevag, A. მირსკი და ა.შ.). ამავდროულად, მსოფლიოს მრავალ ლაბორატორიაში შემუშავდა ქრომატოგრაფიული ანალიზის სხვადასხვა მეთოდი (A. Martin and R. Singh, 1941; ნობელის პრემია, 1952), შემდგომში მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა.

რენტგენის დიფრაქციულმა ანალიზმა ფასდაუდებელი სამსახური ითამაშა ბიოპოლიმერების სტრუქტურის გაშიფვრაში. რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის ძირითადი პრინციპები შემუშავდა ლონდონის უნივერსიტეტის კინგს კოლეჯში, ვ. ბრაგის ხელმძღვანელობით, მკვლევართა ჯგუფის მიერ, რომელშიც შედიოდნენ ჯ.ბერნალი, ა. ლონსდეილი, ვ. ასთბერი, ჯ. რობერტსონი და სხვები.

განსაკუთრებით აღსანიშნავია მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის პროფესორის A.R. Kizel-ის კვლევა პროტოპლაზმის ბიოქიმიის შესახებ (1925 - 1929 წწ.), რომელსაც უდიდესი მნიშვნელობა ჰქონდა მოლეკულური ბიოლოგიის შემდგომი განვითარებისათვის. კისელმა დარტყმა მიაყენა მყარად ფესვგადგმულ იდეას, რომ ნებისმიერი პროტოპლაზმის საფუძველში დევს სპეციალური ცილის სხეული - ფირფიტები, რომლებიც, სავარაუდოდ, განსაზღვრავენ მის ყველა უმნიშვნელოვანეს სტრუქტურულ და ფუნქციურ მახასიათებელს. მან აჩვენა, რომ პლასტინი არის ცილა, რომელიც გვხვდება მხოლოდ მიქსომიცეტებში, შემდეგ კი განვითარების გარკვეულ ეტაპზე და რომ პროტოპლაზმაში არ არსებობს მუდმივი კომპონენტი - ერთი ჩონჩხის ცილა. ამრიგად, პროტოპლაზმის სტრუქტურისა და ცილების ფუნქციური როლის პრობლემის შესწავლამ სწორი გზა აიღო და მისი განვითარების სფერო მოიპოვა. კიზელის კვლევამ მსოფლიო აღიარება მოიპოვა, რამაც ხელი შეუწყო უჯრედის შემადგენელი ნაწილების ქიმიის შესწავლას.

ტერმინი "მოლეკულური ბიოლოგია", რომელიც პირველად გამოიყენა ლიდსის უნივერსიტეტის ინგლისელმა კრისტალოგრაფმა, პროფესორმა ვ. ასტბერიმ, სავარაუდოდ გაჩნდა 40-იანი წლების დასაწყისში (1945 წლამდე). 1930-იან წლებში ასტბერის ცილებისა და დნმ-ის სათესლე რენტგენის დიფრაქციის კვლევებმა საფუძველი მისცა ამ ბიოპოლიმერების მეორადი სტრუქტურის შემდგომ წარმატებულ გაშიფვრას. 1963 წელს ჯ. ბერნალი წერდა: „მონუმენტს დაუდგენს მას მთელი მოლეკულური ბიოლოგია - მეცნიერება, რომელიც მან დაასახელა და რეალურად დააარსა“ * ლიტერატურაში ეს ტერმინი პირველად, შესაძლოა, 1946 წელს გაჩნდა. W. Astbury-ის სტატია „ორგანული და ფიბრილარული ნაერთების რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის პროგრესი“, გამოქვეყნებული ინგლისურ ჟურნალში Nature **. ჰარვის ლექციაში ასტბერიმ (1950) აღნიშნა: „მოხარული ვარ, რომ ტერმინი მოლეკულური ბიოლოგია ახლა საკმაოდ ფართოდ გამოიყენება, თუმცა ნაკლებად სავარაუდოა, რომ მე ვიყავი პირველი, ვინც შემომთავაზა იგი. მომეწონა და დიდი ხანია ვცდილობდი მის გავრცელებას. ”***. უკვე 1950 წელს ასტბერიმ ცხადყო, რომ მოლეკულური ბიოლოგია ძირითადად ეხება მაკრომოლეკულების სტრუქტურასა და კონფორმაციას, რომელთა შესწავლა გადამწყვეტია ცოცხალი ორგანიზმების ფუნქციონირების გასაგებად.

* (ბიოგრ. მემ. თანამემამულე როი. სოც, 1963 წ. 9, 29.)

** (W. T. Astbury. ორგანული და ბოჭკოვანი სტრუქტურების რენტგენოლოგიური ანალიზის მიმდინარეობა.- ბუნება,. 1946 წ., ვ. 157, 121.)

*** (W. T. Astbury. თავგადასავლები მოლეკულურ ბიოლოგიაში. თომას სპრინგფილდი, 1952, გვ. 3.)

მოლეკულურ ბიოლოგიას აწყდება და აწყდება, ფაქტობრივად, იგივე ამოცანები, როგორც მთელი ბიოლოგია - ცხოვრების არსის ცოდნა და მისი ძირითადი ფენომენები, კერძოდ, როგორიცაა მემკვიდრეობა და ცვალებადობა. თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგია, უპირველეს ყოვლისა, შექმნილია გენების სტრუქტურისა და ფუნქციის, ონტოგენეზის სხვადასხვა ეტაპზე და მისი წაკითხვის სხვადასხვა ეტაპზე ორგანიზმების გენეტიკური ინფორმაციის განხორციელების გზებისა და მექანიზმების გასაშიფრად. იგი შექმნილია გენის აქტივობისა და უჯრედების დიფერენციაციის რეგულირების დახვეწილი მექანიზმების გამოსავლენად, მუტაგენეზის ბუნებისა და ევოლუციური პროცესის მოლეკულური საფუძვლის გასარკვევად.

ნუკლეინის მჟავების გენეტიკური როლის დადგენა

შემდეგ აღმოჩენებს უდიდესი მნიშვნელობა ჰქონდა მოლეკულური ბიოლოგიის განვითარებისთვის. 1944 წელს ამერიკელმა მკვლევარებმა O. Avery, K. McLeod (ნობელის პრემია, 1923) და M. McCarthy აჩვენეს, რომ პნევმოკოკებისგან იზოლირებულ დნმ-ის მოლეკულებს აქვთ ტრანსფორმირებადი აქტივობა. ამ დნმ-ების დეზოქსირიბონუკლეაზათ ჰიდროლიზის შემდეგ, მათი ტრანსფორმაციული აქტივობა მთლიანად გაქრა. ამრიგად, პირველად, დამაჯერებლად დადასტურდა, რომ უჯრედში გენეტიკური ფუნქციებით დაჯილდოვებულია დნმ და არა ცილა.

სამართლიანობისთვის, უნდა აღინიშნოს, რომ ბაქტერიული ტრანსფორმაციის ფენომენი აღმოაჩინეს ბევრად უფრო ადრე, ვიდრე ევერის, მაკლეოდისა და მაკარტის აღმოჩენა. 1928 წელს ფ. გრიფიტმა გამოაქვეყნა სტატია, რომელშიც მან იტყობინება, რომ კაფსულირებული ვირულენტური შტამის მოკლული უჯრედების დამატების შემდეგ არავირუსულ (არაინკაფსულირებულ) პნევმოკოკებს, შედეგად მიღებული უჯრედების ნარევი დესტრუქციული ხდება თაგვებისთვის. უფრო მეტიც, ამ ნარევით ინფიცირებული ცხოველებისგან იზოლირებული ცოცხალი პნევმოკოკური უჯრედები უკვე ვირუსული იყო და ჰქონდათ პოლისაქარიდის კაფსულა. ამრიგად, ამ ექსპერიმენტში აჩვენეს, რომ მოკლული პნევმოკოკური უჯრედების ზოგიერთი კომპონენტის გავლენით, ბაქტერიების არაკაფსულირებული ფორმა გადაიქცევა კაფსულის წარმომქმნელ ვირულენტულ ფორმაში. 16 წლის შემდეგ, ევერიმ, მაკლეოდმა და მაკკარტიმ შეცვალეს მოკლული პნევმოკოკური უჯრედები თავიანთი დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავით ამ ექსპერიმენტში და აჩვენეს, რომ სწორედ დნმ-ს ჰქონდა ტრანსფორმირებადი აქტივობა (იხილეთ აგრეთვე თავები 7 და 25). ამ აღმოჩენის მნიშვნელობის გადაჭარბება რთულია. მან ხელი შეუწყო ნუკლეინის მჟავების შესწავლას მსოფლიოს მრავალ ლაბორატორიაში და აიძულა მეცნიერები, ყურადღება დნმ-ზე მოექციათ.

ევერის, მაკლეოდისა და მაკარტის აღმოჩენასთან ერთად, 50-იანი წლების დასაწყისისთვის, უკვე დაგროვდა საკმაოდ დიდი რაოდენობით პირდაპირი და არაპირდაპირი მტკიცებულება, რომ ნუკლეინის მჟავები განსაკუთრებულ როლს თამაშობენ ცხოვრებაში და აქვთ გენეტიკური ფუნქცია. ეს, კერძოდ, მიუთითებდა უჯრედში დნმ-ის ლოკალიზაციის ბუნებით და რ. ვენდრილის (1948) მონაცემებით, რომ დნმ-ის შემცველობა უჯრედზე მკაცრად მუდმივია და კორელაციაშია პლოიდის ხარისხთან: ჰაპლოიდურ ჩანასახოვან უჯრედებში არსებობს. არის დიპლოიდური სომატური უჯრედების დნმ-ის ნახევარი. დნმ-ის გენეტიკურ როლს ასევე მხარს უჭერდა მისი გამოხატული მეტაბოლური სტაბილურობა. 50-იანი წლების დასაწყისისთვის დაგროვდა მრავალი განსხვავებული ფაქტი, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ცნობილი მუტაგენური ფაქტორების უმეტესობა მოქმედებს უპირატესად ნუკლეინის მჟავებზე და, კერძოდ, დნმ-ზე (R. Hotchkiss, 1949; G. Ephrussi-Taylor, 1951; E. Freese, 1957 და ა.შ.).

ნუკლეინის მჟავების გენეტიკური როლის დადგენისას განსაკუთრებული მნიშვნელობა ჰქონდა სხვადასხვა ფაგებისა და ვირუსების შესწავლას. 1933 წელს დ.შლეზინგერმა აღმოაჩინა დნმ ბაქტერიოფაგ Escherichia coli-ში. W. Stanley-ის მიერ თამბაქოს მოზაიკის ვირუსის (TMV) კრისტალურ მდგომარეობაში იზოლაციის შემდეგ (1935, ნობელის პრემია, 1946), დაიწყო მცენარეთა ვირუსების შესწავლის ახალი ეტაპი. 1937 - 1938 წლებში F. Bowden და N. Pirie, Rothamsted Agricultural Station (ინგლისი) თანამშრომლებმა აჩვენეს, რომ მათ მიერ გამოყოფილი მცენარეთა მრავალი ვირუსი არ არის გლობულინები, მაგრამ არის რიბონუკლეოპროტეინები და შეიცავს ნუკლეინის მჟავას, როგორც სავალდებულო კომპონენტს. 40-იანი წლების დასაწყისში გამოქვეყნდა G. Schramm (1940), P. A. Agatov (1941), G. Miller და W. Stanley (1941), რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ცილის კომპონენტის შესამჩნევი ქიმიური მოდიფიკაცია არ იწვევს. TMV ინფექციურობის დაკარგვა. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ ცილოვანი კომპონენტი არ შეიძლება იყოს ვირუსის მემკვიდრეობითი თვისებების მატარებელი, როგორც ამას მრავალი მიკრობიოლოგი აგრძელებდა. მცენარეთა ვირუსებში ნუკლეინის მჟავას (რნმ) გენეტიკური როლის სასარგებლოდ დამაჯერებელი მტკიცებულება მოიპოვა 1956 წელს გ.შრამმა ტუბინგენში (გერმანია) და ჰ. ფრენკელ-კონრათმა კალიფორნიაში (აშშ). ამ მკვლევარებმა, თითქმის ერთდროულად და ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, გამოყოფეს რნმ TMV-დან და აჩვენეს, რომ ეს არის ინფექციური და არა ცილა: თამბაქოს მცენარეების ამ რნმ-ით ინფექციის შედეგად წარმოიქმნება და მრავლდება ნორმალური ვირუსული ნაწილაკები. მათ. ეს ნიშნავს, რომ რნმ შეიცავს ინფორმაციას ყველა ვირუსული კომპონენტის, მათ შორის ვირუსული ცილის სინთეზისა და შეკრების შესახებ. 1968 წელს I.G. ატაბეკოვმა დაადგინა, რომ ცილა მნიშვნელოვან როლს ასრულებს თავად მცენარის ინფექციაში - ცილის ბუნება განსაზღვრავს მასპინძელი მცენარეების დიაპაზონს.

1957 წელს Frenkel-Konrath იყო პირველი, ვინც აღადგინა TMV მისი შემადგენელი კომპონენტებისგან - რნმ და ცილა. ნორმალურ ნაწილაკებთან ერთად მან მიიღო შერეული „ჰიბრიდები“, რომლებშიც რნმ იყო ერთი შტამიდან, ხოლო ცილა მეორისგან. ასეთი ჰიბრიდების მემკვიდრეობა მთლიანად განისაზღვრა რნმ-ით და ვირუსების შთამომავლობა მიეკუთვნებოდა იმ შტამს, რომლის რნმ გამოიყენებოდა ორიგინალური შერეული ნაწილაკების მისაღებად. A. Gierer, G. Schuster და G. Schramm (1958) და G. Vitman (1960 - 1966) მოგვიანებით ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ TMV-ის ბირთვული კომპონენტის ქიმიური მოდიფიკაცია იწვევს ამ ვირუსის სხვადასხვა მუტანტების გამოჩენას.

1970 წელს დ.ბალტიმორმა და გ.ტემინმა დაადგინეს, რომ გენეტიკური ინფორმაციის გადაცემა შეიძლება მოხდეს არა მხოლოდ დნმ-დან რნმ-ზე, არამედ პირიქით. მათ ზოგიერთ ონკოგენურ რნმ ვირუსში (ონკორნავირუსებში) აღმოაჩინეს სპეციალური ფერმენტი, ეგრეთ წოდებული საპირისპირო ტრანსკრიპტაზა, რომელსაც შეუძლია რნმ-ის ჯაჭვებზე დნმ-ის დამატებითი სინთეზირება. ამ მთავარმა აღმოჩენამ შესაძლებელი გახადა გაეგო მასპინძლის გენომში რნმ-ის შემცველი ვირუსების გენეტიკური ინფორმაციის ჩასმის მექანიზმი და ახლებურად შეგვეხედა მათი ონკოგენური მოქმედების ბუნებაზე.

ნუკლეინის მჟავების აღმოჩენა და მათი თვისებების შესწავლა

ტერმინი ნუკლეინის მჟავები შემოიღო გერმანელმა ბიოქიმიკოსმა რ. ალტმანმა 1889 წელს, მას შემდეგ რაც ეს ნაერთები 1869 წელს აღმოაჩინა შვეიცარიელმა ექიმმა ფ. მიშერმა. მიშერმა რამდენიმე კვირის განმავლობაში ამოიღო ჩირქოვანი უჯრედები განზავებული მარილმჟავით და დატოვა თითქმის სუფთა ბირთვული მასალა. მან ეს მასალა მიიჩნია უჯრედის ბირთვების დამახასიათებელ ნივთიერებად და უწოდა ნუკლეინი. თავისი თვისებებით ნუკლეინი მკვეთრად განსხვავდებოდა ცილებისგან: უფრო მჟავე იყო, არ შეიცავდა გოგირდს, მაგრამ ჰქონდა ბევრი ფოსფორი, კარგად იხსნება ტუტეებში. მაგრამ არ იხსნება განზავებულ მჟავებში.

მიშერმა ნუკლეინზე დაკვირვების შედეგები გაუგზავნა ფ. ჰოპ-სეილერს ჟურნალში გამოსაქვეყნებლად. მის მიერ აღწერილი ნივთიერება იმდენად უჩვეულო იყო (იმ დროს ყველა ბიოლოგიურ ფოსფორის შემცველ ნაერთებს შორის მხოლოდ ლეციტინი იყო ცნობილი), რომ ჰოპ-სეილერმა არ დაუჯერა მიშერის ექსპერიმენტებს, დაუბრუნა ხელნაწერი და დაავალა თავის თანამშრომლებს ნ. პლოში და ნ. ლიუბავინი. გადაამოწმოს თავისი დასკვნები სხვა მასალაზე. მიშერის ნაშრომი "ჩირქოვანი უჯრედების ქიმიური შემადგენლობის შესახებ" გამოიცა ორი წლის შემდეგ (1871). პარალელურად გამოიცა ჰოპ-სეილერისა და მისი კოლეგების ნაშრომები ჩირქოვანი უჯრედების, ფრინველების, გველების და სხვა უჯრედების ერითროციტების შემადგენლობის შესახებ. მომდევნო სამი წლის განმავლობაში ნუკლეინი იზოლირებული იყო ცხოველური უჯრედებისა და საფუარისგან.

თავის ნაშრომში მიშერმა აღნიშნა, რომ სხვადასხვა ნუკლეინის დეტალურმა შესწავლამ შეიძლება გამოიწვიოს მათ შორის განსხვავებების დადგენა, რითაც განჭვრიტა ნუკლეინის მჟავას სპეციფიკის იდეა. ორაგულის რძის შესწავლით, მიშერმა აღმოაჩინა, რომ ნუკლეინი მასში მარილის სახითაა და დაკავშირებულია მთავარ ცილასთან, რომელსაც მან პროტამინი უწოდა.

1879 წელს ა. კოსელმა დაიწყო ნუკლეინის შესწავლა ჰოპ-სეილერის ლაბორატორიაში. 1881 წელს მან გამოყო ჰიპოქსანტინი ნუკლეინისგან, მაგრამ იმ დროს მას ჯერ კიდევ ეჭვი ეპარებოდა ამ ბაზის წარმოშობაში და თვლიდა, რომ ჰიპოქსანტინი შეიძლება იყოს ცილის დეგრადაციის პროდუქტი. 1891 წელს ნუკლეინის ჰიდროლიზის პროდუქტებს შორის კოსელმა აღმოაჩინა ადენინი, გუანინი, ფოსფორის მჟავა და სხვა ნივთიერება შაქრის თვისებებით. ნუკლეინის მჟავების ქიმიის კვლევისთვის კოსელს 1910 წელს მიენიჭა ნობელის პრემია.

ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურის გაშიფვრის შემდგომი მიღწევები დაკავშირებულია პ.ლევინისა და მისი თანამშრომლების კვლევასთან (1911 - 1934 წწ.). 1911 წელს პ. ლევინმა და ვ. ჯეიკობსმა დაადგინეს ადენოზინისა და გუანოზინის ნახშირწყლების კომპონენტი; მათ აღმოაჩინეს, რომ ეს ნუკლეოზიდები შეიცავს D-რიბოზას. 1930 წელს ლევინმა აჩვენა, რომ დეზოქსირიბონუკლეოზიდების ნახშირწყლების კომპონენტია 2-დეოქსი-D-რიბოზა. მისი ნაშრომიდან ცნობილი გახდა, რომ ნუკლეინის მჟავები აგებულია ნუკლეოტიდებისგან, ანუ ფოსფორილირებული ნუკლეოზიდებისგან. ლევინს სჯეროდა, რომ ნუკლეინის მჟავებში (რნმ) ბმის ძირითადი ტიპი არის 2", 5" ფოსფოდიესტერის ბმა. ეს აზრი მცდარი აღმოჩნდა. ინგლისელი ქიმიკოსის ა. ტოდის (ნობელის პრემია, 1957) და მისი კოლეგების, ასევე ინგლისელი ბიოქიმიკოსების რ. მარკჰემისა და ჯ. სმიტის ნაშრომების წყალობით, 50-იანი წლების დასაწყისში ცნობილი გახდა, რომ რნმ-ში ბმის ძირითადი ტიპი. არის 3", 5" - ფოსფოდიესტერული ბმა.

ლევინმა აჩვენა, რომ სხვადასხვა ნუკლეინის მჟავები შეიძლება განსხვავდებოდეს ნახშირწყლების კომპონენტის ბუნებით: ზოგიერთი მათგანი შეიცავს შაქარ დეოქსირიბოზას, ზოგი კი შეიცავს რიბოზას. გარდა ამისა, ნუკლეინის მჟავების ეს ორი ტიპი განსხვავდებოდა ერთ-ერთი ფუძის ბუნებით: პენტოზის ტიპის ნუკლეინის მჟავები შეიცავდა ურაცილს, ხოლო დეოქსიპენტოზის ტიპის ნუკლეინის მჟავები შეიცავდა თიმინს. დეოქსიპენტოზის ნუკლეინის მჟავა (თანამედროვე ტერმინოლოგიით, დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავა - დნმ) ჩვეულებრივ ადვილად იზოლირებული იყო დიდი რაოდენობით ხბოების თიმუსის ჯირკვლიდან. ამიტომ მან მიიღო სახელი თიმონუკლეინის მჟავა. პენტოზის ნუკლეინის მჟავის (რნმ) წყარო ძირითადად იყო საფუარი და ხორბლის ჩანასახები. ამ ტიპს ხშირად უწოდებდნენ საფუარის ნუკლეინის მჟავას.

1930-იანი წლების დასაწყისში, საკმაოდ მტკიცედ იყო ფესვგადგმული იდეა, რომ მცენარეთა უჯრედებს ახასიათებთ საფუარის ტიპის ნუკლეინის მჟავა, ხოლო თიმონუკლეინის მჟავა დამახასიათებელია მხოლოდ ცხოველური უჯრედების ბირთვებისთვის. ნუკლეინის მჟავების ორ ტიპს - რნმ და დნმ - იმ დროს ეწოდა მცენარეული და ცხოველური ნუკლეინის მჟავები. თუმცა, როგორც ა.ნ. ბელოზერსკის ადრეულმა კვლევებმა აჩვენა, ნუკლეინის მჟავების ასეთი დაყოფა გაუმართლებელია. 1934 წელს ბელოზერსკიმ პირველად აღმოაჩინა თიმონუკლეინის მჟავა მცენარის უჯრედებში: ბარდის ნერგებიდან მან გამოყო და ამოიცნო დნმ-ისთვის დამახასიათებელი თიმინ-პირიმიდინის ბაზა. შემდეგ მან აღმოაჩინა თიმინი სხვა მცენარეებში (სოიოს თესლი, ლობიო). 1936 წელს ა.ნ. ბელოზერსკიმ და ი.ი. დუბროვსკაიამ ცხენის წაბლის ნერგებიდან გამოყოფენ მოსამზადებელი დნმ. გარდა ამისა, 40-იან წლებში ინგლისში დ.დევიდსონის და მისი კოლეგების მიერ ჩატარებულმა სამუშაოების სერიამ დამაჯერებლად აჩვენა, რომ მცენარეთა ნუკლეინის მჟავა (რნმ) შეიცავს ბევრ ცხოველურ უჯრედს.

რ. ფელგენისა და გ. როზენბეკის (1924) მიერ შემუშავებული დნმ-ისთვის ციტოქიმიური რეაქციის ფართო გამოყენებამ და რნმ-სთვის ჯ. ბრაშეტის (1944) რეაქციამ შესაძლებელი გახადა საკმაოდ სწრაფად და ცალსახად გადაეჭრა ამ პრეფერენციული ლოკალიზაციის საკითხი. ნუკლეინის მჟავები უჯრედში. აღმოჩნდა, რომ დნმ კონცენტრირებულია ბირთვში, ხოლო რნმ უპირატესად ციტოპლაზმაში. მოგვიანებით გაირკვა, რომ რნმ შეიცავს როგორც ციტოპლაზმაში, ასევე ბირთვში და გარდა ამისა, გამოვლინდა ციტოპლაზმური დნმ.

ნუკლეინის მჟავების პირველადი სტრუქტურის საკითხთან დაკავშირებით, 40-იანი წლების შუა ხანებისთვის მეცნიერებაში მტკიცედ დამკვიდრდა პ.ლევინის იდეა, რომლის მიხედვითაც ყველა ნუკლეინის მჟავა აგებულია ერთი ტიპის მიხედვით და შედგება ე.წ. ტეტრანუკლეოტიდური ბლოკებისგან. თითოეული ეს ბლოკი, ლევინის მიხედვით, შეიცავს ოთხ განსხვავებულ ნუკლეოტიდს. ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურის ტეტრანუკლეოტიდურმა თეორიამ დიდწილად ჩამოართვა ამ ბიოპოლიმერებს სპეციფიკა. აქედან გამომდინარე, გასაკვირი არ არის, რომ იმ დროს ცოცხალი არსების მთელი სპეციფიკა მხოლოდ ცილებთან იყო დაკავშირებული, რომელთა მონომერების ბუნება ბევრად უფრო მრავალფეროვანია (20 ამინომჟავა).

ნუკლეინის მჟავების ტეტრანუკლეოტიდური სტრუქტურის თეორიაში პირველი ხვრელი გაკეთდა ინგლისელი ქიმიკოსის ჯ.გულენდის (1945 - 1947) ანალიტიკური მონაცემებით. ფუძეების აზოტზე დაფუძნებული ნუკლეინის მჟავების შემადგენლობის განსაზღვრისას მას არ მიუღია ფუძეების ეკვმოლური თანაფარდობა, როგორც ეს უნდა მომხდარიყო ლევინის თეორიის მიხედვით. ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურის ტეტრანუკლეოტიდური თეორია საბოლოოდ დაინგრა ე.ჩარგაფის და მისი კოლეგების (1949 - 1951 წწ.) კვლევის შედეგად. დნმ-დან მისი მჟავა ჰიდროლიზის შედეგად გამოთავისუფლებული ფუძეების გამოსაყოფად ჩარგაფმა გამოიყენა ქაღალდის ქრომატოგრაფია. თითოეული ეს ბაზა ზუსტად იყო განსაზღვრული სპექტროფოტომეტრიულად. ჩარგაფმა შენიშნა მნიშვნელოვანი გადახრები სხვადასხვა წარმოშობის დნმ-ში ფუძეების ეკვმოლარული თანაფარდობიდან და პირველად დაადასტურა, რომ დნმ-ს აქვს გამოხატული სახეობრივი სპეციფიკა. ამან ბოლო მოუღო ცოცხალ უჯრედში ცილის სპეციფიკის კონცეფციის ჰეგემონიას. სხვადასხვა წარმოშობის დნმ-ის ანალიზით ჩარგაფმა აღმოაჩინა და ჩამოაყალიბა დნმ-ის შემადგენლობის უნიკალური ნიმუშები, რომლებიც მეცნიერებაში შევიდა ჩარგაფის წესების სახელით. ამ წესების მიხედვით, ყველა დნმ-ში, მიუხედავად წარმოშობისა, ადენინის რაოდენობა ტოლია თიმინის რაოდენობას (A = T), გუანინის რაოდენობა უდრის ციტოზინის რაოდენობას (G = C), რაოდენობა პურინები უდრის პირიმიდინების რაოდენობას (G + A = C + T), 6-ამინო ჯგუფის მქონე ბაზების რაოდენობა უდრის 6-კეტო ჯგუფის მქონე ფუძეების რაოდენობას (A+C=G+T). ამავდროულად, ასეთი მკაცრი რაოდენობრივი შესაბამისობის მიუხედავად, სხვადასხვა სახეობის დნმ განსხვავდება A+T:G+C თანაფარდობის მნიშვნელობით. ზოგიერთ დნმ-ში გუანინისა და ციტოზინის რაოდენობა ჭარბობს ადენინისა და თიმინის რაოდენობას (ჩარგაფმა ამ დნმ-ებს GC-ის ტიპის დნმ უწოდა); სხვა დნმ-ები შეიცავდა უფრო მეტ ადენინს და თიმინს, ვიდრე გუანინი და ციტოზინი (ამ დნმ-ებს ეწოდა AT-ტიპის დნმ). ჩარგაფის მიერ მიღებულმა მონაცემებმა დნმ-ის შემადგენლობის შესახებ განსაკუთრებული როლი ითამაშა მოლეკულურ ბიოლოგიაში. მათ საფუძველი ჩაუყარეს დნმ-ის სტრუქტურის აღმოჩენას, რომელიც 1953 წელს ჯ. უოტსონმა და ფ. კრიკმა გააკეთეს.

1938 წელს W. Astbury-მ და F. Bell-მა რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის გამოყენებით აჩვენეს, რომ დნმ-ში ფუძეების სიბრტყეები უნდა იყოს პერპენდიკულარული მოლეკულის გრძელ ღერძზე და ჰგავდეს ერთმანეთზე დაყრილ ფირფიტების დასტას. . რენტგენის სტრუქტურული ანალიზის ტექნოლოგია გაუმჯობესდა, 1952 - 1953 წლებში. დაგროვდა ინფორმაცია, რომელიც შესაძლებელს ხდის ცალკეული ბმების სიგრძისა და დახრილობის კუთხეების მსჯელობას. ამან შესაძლებელი გახადა დიდი ალბათობით წარმოედგინა დნმ-ის მოლეკულის შაქარ-ფოსფატის ხერხემალში პენტოზის ნარჩენების რგოლების ორიენტაციის ბუნება. 1952 წელს ს. ფარბერგმა შემოგვთავაზა დნმ-ის ორი სპეკულაციური მოდელი, რომლებიც წარმოადგენდნენ ერთჯაჭვიან მოლეკულას დაკეცილს ან დაგრეხილს საკუთარ თავზე. დნმ-ის სტრუქტურის თანაბრად სპეკულაციური მოდელი შემოგვთავაზეს 1953 წელს ლ. პაულინგმა (ნობელის პრემიის ლაურეატი, 1954) და რ. კორიმ. ამ მოდელში დნმ-ის სამი გრეხილი ჯაჭვი წარმოქმნიდა გრძელ სპირალს, რომლის ბირთვი წარმოდგენილი იყო ფოსფატური ჯგუფებით, ხოლო ფუძეები მდებარეობდა მის გარეთ. 1953 წლისთვის მ. უილკინსმა და რ. ფრანკლინმა მიიღეს დნმ-ის უფრო მკაფიო რენტგენის ნიმუშები. მათმა ანალიზმა აჩვენა ფარბერგის, პაულინგისა და კორის მოდელების სრული წარუმატებლობა. ჩარგაფის მონაცემების გამოყენებით, ცალკეული მონომერების მოლეკულური მოდელების სხვადასხვა კომბინაციებისა და რენტგენის დიფრაქციის მონაცემების შედარებისას, ჯ. უოტსონმა და ფ. კრიკმა 1953 წელს მივიდნენ დასკვნამდე, რომ დნმ-ის მოლეკულა უნდა იყოს ორჯაჭვიანი სპირალი. ჩარგაფის წესები მკვეთრად ზღუდავდა დნმ-ის შემოთავაზებულ მოდელში ბაზების შესაძლო მოწესრიგებული კომბინაციების რაოდენობას; მათ უოტსონსა და კრიკს შესთავაზეს, რომ დნმ-ის მოლეკულას უნდა ჰქონდეს სპეციფიკური ბაზის წყვილი - ადენინი თიმინთან და გუანინი ციტოზინთან. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ადენინი დნმ-ის ერთ ჯაჭვში ყოველთვის მკაცრად შეესაბამება თიმინს მეორე ჯაჭვში, ხოლო გუანინი ერთ ჯაჭვში აუცილებლად შეესაბამება ციტოზინს მეორეში. ამრიგად, უოტსონმა და კრიკმა პირველებმა ჩამოაყალიბეს დნმ-ის დამატებითი სტრუქტურის უაღრესად მნიშვნელოვანი პრინციპი, რომლის მიხედვითაც დნმ-ის ერთი ჯაჭვი ავსებს მეორეს, ანუ ერთი ჯაჭვის ფუძეების თანმიმდევრობა ცალსახად განსაზღვრავს მეორეში ფუძეების თანმიმდევრობას. დამატებითი) ჯაჭვი. აშკარა გახდა, რომ დნმ-ის სტრუქტურა უკვე შეიცავს მისი ზუსტი რეპროდუქციის პოტენციალს. დნმ-ის სტრუქტურის ეს მოდელი ახლა საყოველთაოდ არის მიღებული. დნმ-ის სტრუქტურის გაშიფვრისთვის კრიკს, უოტსონს და უილკინსს 1962 წელს ნობელის პრემია მიენიჭათ.

უნდა აღინიშნოს, რომ მაკრომოლეკულების ზუსტი რეპროდუქციისა და მემკვიდრეობითი ინფორმაციის გადაცემის მექანიზმის იდეა წარმოიშვა ჩვენს ქვეყანაში. 1927 წელს ნ.კ. კოლცოვმა გამოთქვა ვარაუდი, რომ უჯრედების რეპროდუქციის დროს მოლეკულების რეპროდუქცია ხდება არსებული დედამოლეკულების ზუსტი ავტოკატალიტიკური რეპროდუქციის გზით. მართალია, იმ დროს კოლცოვმა ეს თვისება დააჯილდოვა არა დნმ-ის მოლეკულებით, არამედ ცილოვანი ბუნების მოლეკულებით, რომელთა ფუნქციური მნიშვნელობა მაშინ უცნობი იყო. მიუხედავად ამისა, მაკრომოლეკულების ავტოკატალიზური რეპროდუქციის იდეა და მემკვიდრეობითი თვისებების გადაცემის მექანიზმი წინასწარმეტყველური აღმოჩნდა: იგი გახდა თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგიის სახელმძღვანელო იდეა.

გრძელვადიანი კვლევები (1957-1974) სხვადასხვა ორგანიზმების უმეტესობის დნმ-ის შემადგენლობის შესახებ სრულად დაადასტურა ჩარგაფის მიერ აღმოჩენილი შაბლონები და სრული შესაბამისობა დნმ-ის სტრუქტურის მოლეკულურ მოდელთან, რომელსაც შემოთავაზებული უოტსონი და კრიკი. ამ კვლევებმა აჩვენა, რომ სხვადასხვა ბაქტერიების, სოკოების, წყალმცენარეების, აქტინომიცეტების, უმაღლესი მცენარეების, უხერხემლოების და ხერხემლიანების დნმ-ს აქვს სპეციფიკური შემადგენლობა. შემადგენლობის (AT ბაზის წყვილების შემცველობა) განსხვავებები განსაკუთრებით გამოხატულია მიკროორგანიზმებში, რაც მნიშვნელოვანი ტაქსონომიური მახასიათებელია. მაღალ მცენარეებსა და ცხოველებში დნმ-ის შემადგენლობის სახეობის სპეციფიკური ვარიაციები გაცილებით ნაკლებად გამოხატულია. მაგრამ ეს არ ნიშნავს იმას, რომ მათი დნმ ნაკლებად სპეციფიკურია. ბაზების შემადგენლობის გარდა, სპეციფიკა დიდწილად განისაზღვრება მათი თანმიმდევრობით დნმ-ის ჯაჭვებში.

ჩვეულებრივ ფუძეებთან ერთად დნმ-სა და რნმ-ში აღმოაჩინეს დამატებითი აზოტოვანი ფუძეები. ამრიგად, G. White-მა (1950) აღმოაჩინა 5-მეთილციტოზინი მცენარეებისა და ცხოველების დნმ-ში, ხოლო D. Dunn და J. Smith (1958) აღმოაჩინეს მეთილირებული ადენინი ზოგიერთ დნმ-ში. მეთილციტოზინი დიდი ხანია განიხილება უმაღლესი ორგანიზმების გენეტიკური მასალის დამახასიათებელ ნიშნად. 1968 წელს ა.ნ.ბელოზერსკიმ, ბ.ფ.ვანიუშინმა და ნ.ა.კოკურინამ დაადგინეს, რომ ის ასევე შეიძლება მოიძებნოს ბაქტერიების დნმ-ში.

1964 წელს მ. გოლდმა და ჯ. ჰურვიცმა აღმოაჩინეს ფერმენტების ახალი კლასი, რომლებიც ახორციელებენ დნმ-ის ბუნებრივ მოდიფიკაციას - მის მეთილაციას. ამ აღმოჩენის შემდეგ გაირკვა, რომ დნმ-ის მზა პოლინუკლეოტიდურ ჯაჭვზე მცირე (მცირე რაოდენობით შეიცავს) ფუძეები ჩნდება ციტოზინისა და ადენინის ნარჩენების სპეციფიური მეთილაციის შედეგად სპეციალურ თანმიმდევრობებში. კერძოდ, B.F. Vanyushin, Ya.I. Buryanov და A.N. Belozersky (1969) მიხედვით, Escherichia coli დნმ-ში ადენინის მეთილაცია შეიძლება მოხდეს გაჩერების კოდონებში. ბელოზერსკის და თანამშრომლების (1968 - 1970 წწ.), ისევე როგორც მ. მესელსონის (აშშ) და ვ. არბერის (შვეიცარია) (1965 - 1969) მიხედვით, მეთილაცია დნმ-ის მოლეკულებს აძლევს უნიკალურ ინდივიდუალურ მახასიათებლებს და მოქმედებასთან ერთად. სპეციფიკური ნუკლეაზების ნაწილია კომპლექსური მექანიზმის ნაწილი, რომელიც აკონტროლებს დნმ-ის სინთეზს უჯრედში. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კონკრეტული დნმ-ის მეთილაციის ბუნება განსაზღვრავს, შეუძლია თუ არა მას მოცემულ უჯრედში გამრავლება.

თითქმის პარალელურად დაიწყო დნმ მეთილაზებისა და რესტრიქციული ენდონუკლეაზების იზოლაცია და ინტენსიური შესწავლა; 1969 - 1975 წლებში დადგენილია დნმ-ში ზოგიერთი ამ ფერმენტის მიერ აღიარებული ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობები (X. Boyer, X. Smith, S. Lynn, K. Murray). როდესაც სხვადასხვა დნმ ჰიდროლიზდება შემაკავებელი ფერმენტის მიერ, საკმაოდ დიდი ფრაგმენტები იდენტური "წებოვანი" ბოლოებით გამოიყოფა. ეს შესაძლებელს ხდის არა მხოლოდ გენების სტრუქტურის გაანალიზებას, როგორც ეს კეთდებოდა მცირე ვირუსებში (D. Nathans, S. Adler, 1973 - 1975), არამედ სხვადასხვა გენომის აგებაც. ამ სპეციფიკური შეზღუდვის ფერმენტების აღმოჩენით გენეტიკური ინჟინერია ხელშესახებ რეალობად იქცა. მცირე პლაზმიდური დნმ-ში ჩასმული სხვადასხვა წარმოშობის გენები უკვე ადვილად შეჰყავთ სხვადასხვა უჯრედებში. ამრიგად, მიღებული იქნა ბიოლოგიურად აქტიური პლაზმიდების ახალი ტიპი, რომელიც აძლევდა რეზისტენტობას გარკვეულ ანტიბიოტიკების მიმართ (S. Cohen, 1973), ბაყაყისა და დროზოფილას რიბოსომული გენები შეიყვანეს Escherichia coli-ს პლაზმიდებში (J. Morrow, 1974; H. Boyer, D. ჰოგნესი, რ. დევისი, 1974 - 1975). ამრიგად, გაიხსნა რეალური გზები ფუნდამენტურად ახალი ორგანიზმების მოსაპოვებლად მათ გენოფონდში სხვადასხვა გენების შეყვანით და ინტეგრირებით. ეს აღმოჩენა შეიძლება გამოყენებულ იქნას მთელი კაცობრიობის საკეთილდღეოდ.

1952 წელს ჯი უაიტმა და ს. კოენმა აღმოაჩინეს, რომ T-ლუწი ფაგების დნმ შეიცავს უჩვეულო ბაზას - 5-ჰიდროქსიმეთილციტოზინს. მოგვიანებით, ე.ვოლკინისა და რ. სინშაიმერის (1954) და კოენის (1956) ნაშრომებიდან ცნობილი გახდა, რომ ჰიდროქსიმეთილციტოზინის ნარჩენები შეიძლება მთლიანად ან ნაწილობრივ გლუკოზირებული იყოს, რის შედეგადაც ფაგის დნმ-ის მოლეკულა დაცულია ჰიდროლიზური მოქმედებისგან. ნუკლეაზების.

50-იანი წლების დასაწყისში, დ.დანისა და ჯ. სმიტის (ინგლისი), ს. ზამენჰოფის (აშშ) და ა. ვაკერის (გერმანია) ნაშრომებიდან ცნობილი გახდა, რომ დნმ-ში შეიძლება შევიდეს ფუძეების მრავალი ხელოვნური ანალოგი, ზოგჯერ. ტიმინას 50%-მდე ჩანაცვლება. როგორც წესი, ეს ჩანაცვლებები იწვევს შეცდომებს რეპლიკაციაში, დნმ-ის ტრანსკრიფციასა და ტრანსლაციაში და მუტანტების გამოჩენაში. ამრიგად, J. Marmur (1962) აღმოაჩინა, რომ ზოგიერთი ფაგის დნმ შეიცავს ჰიდროქსიმეთილურაცილს თიმინის ნაცვლად. 1963 წელს ი.ტაკაჰაშიმ და ჯ.მარმურმა აღმოაჩინეს, რომ ერთ-ერთი ფაგის დნმ თიმინის ნაცვლად ურაცილს შეიცავდა. ამრიგად, სხვა პრინციპი, რომლითაც მანამდე ნუკლეინის მჟავები იყოფა, დაიშალა. პ.ლევინის მუშაობის შემდეგ ითვლებოდა, რომ დნმ-ის გამორჩეული თვისებაა თიმინი, ხოლო რნმ არის ურაცილი. გაირკვა, რომ ეს ნიშანი ყოველთვის არ არის სანდო და ორი ტიპის ნუკლეინის მჟავების ქიმიურ ბუნებაში ფუნდამენტური განსხვავება, როგორც დღეს ჩანს, მხოლოდ ნახშირწყლების კომპონენტის ბუნებაა.

ფაგების შესწავლისას გამოვლინდა ნუკლეინის მჟავების ორგანიზაციის მრავალი უჩვეულო თვისება. 1953 წლიდან ითვლებოდა, რომ ყველა დნმ არის ორჯაჭვიანი წრფივი მოლეკულები, ხოლო რნმ მხოლოდ ერთჯაჭვიანია. ეს პოზიცია მნიშვნელოვნად შეირყა 1961 წელს, როდესაც რ. სინშაიმერმა აღმოაჩინა, რომ φ X 174 ფაგის დნმ წარმოდგენილია ერთჯაჭვიანი წრიული მოლეკულით. მართალია, მოგვიანებით გაირკვა, რომ ამ ფორმით ეს დნმ მხოლოდ ფაგის ვეგეტატიურ ნაწილაკში არსებობს და ამ ფაგის დნმ-ის რეპლიკაციური ფორმაც ორჯაჭვიანია. გარდა ამისა, საკმაოდ მოულოდნელი აღმოჩნდა, რომ ზოგიერთი ვირუსის რნმ შეიძლება ორჯაჭვიანი იყოს. რნმ-ის მაკრომოლეკულური ორგანიზაციის ეს ახალი ტიპი აღმოაჩინეს 1962 წელს პ. გომატოსმა, ი. ტამმა და სხვა მკვლევარებმა ზოგიერთ ცხოველურ ვირუსში და მცენარეთა ჭრილობის სიმსივნურ ვირუსში. ცოტა ხნის წინ, V.I. Agol და A.A. Bogdanov (1970) დაადგინეს, რომ ხაზოვანი რნმ-ის მოლეკულების გარდა, არსებობს ასევე დახურული ან ციკლური მოლეკულები. მათ გამოავლინეს ციკლური ორჯაჭვიანი რნმ, კერძოდ, ენცეფალომიელოკარდიტის ვირუსში. X. Deveau, L. Tinoko, T. I. Tikhonenko, E. I. Budovsky და სხვების (1960 - 1974) ნაშრომების წყალობით ცნობილი გახდა ბაქტერიოფაგებში გენეტიკური მასალის ორგანიზაციის (დაყრის) ძირითადი მახასიათებლები.

50-იანი წლების ბოლოს ამერიკელმა მეცნიერმა პ.დოტიმ დაადგინა, რომ გაცხელებისას ხდება დნმ-ის დენატურაცია, რასაც თან ახლავს წყალბადის ბმების გაწყვეტა ბაზის წყვილებს შორის და დამატებითი ჯაჭვების განსხვავება. ეს პროცესი ხასიათდება "სპირალურ-სპირალ-სპირალ-კოჭის" ფაზის გადასვლის ხასიათში და წააგავს კრისტალების დნობას. ამიტომ დოტიმ დნმ-ის დნმ-ის თერმული დენატურაციის პროცესს დნობა უწოდა. ნელი გაგრილებით, ხდება მოლეკულების რენატურაცია, ანუ დამატებითი ნახევრების გაერთიანება.

რენატურაციის პრინციპი გამოიყენეს 1960 წელს J. Marmur-მა და K. Schildkraut-მა სხვადასხვა მიკროორგანიზმების დნმ-ის „ჰიბრიდიზაციის“ ხარისხის დასადგენად. შემდგომში ე. ბოლტონმა და ბ. მაკართიმ გააუმჯობესეს ეს ტექნიკა ეგრეთ წოდებული დნმ აგარის სვეტების მეთოდის შეთავაზებით. ეს მეთოდი შეუცვლელი აღმოჩნდა სხვადასხვა დნმ-ის ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის ჰომოლოგიის ხარისხის შესასწავლად და სხვადასხვა ორგანიზმების გენეტიკური ურთიერთობის დადგენისას. დოტის მიერ აღმოჩენილი დნმ-ის დენატურაცია მეთილირებულ ალბუმინზე ქრომატოგრაფიასთან ერთად და სიმკვრივის გრადიენტური ცენტრიფუგა, აღწერილია J. Mandel and A. Hershey * (1960) (მეთოდი შემუშავებულია 1957 წელს M. Meselson, F. Stahl და D. Winograd) არის ფართოდ გამოიყენება ცალკეული დამატებითი დნმ-ის ჯაჭვების გამოყოფისთვის, იზოლაციისთვის და ანალიზისთვის. მაგალითად, W. Szybalski (აშშ), ამ ტექნიკის გამოყენებით ლამბდა ფაგის დნმ-ის გამოყოფისთვის, აჩვენა 1967 - 1969 წლებში, რომ ორივე ფაგის ჯაჭვი გენეტიკურად აქტიურია და არა მხოლოდ ერთი. , როგორც ეს იყო ზოგადად მიღებული (S. Spigelman, 1961). უნდა აღინიშნოს, რომ პირველად ლამბდა ფაგის დნმ-ის ორივე ჯაჭვის გენეტიკური მნიშვნელობის იდეა გამოთქვა სსრკ-ში S.E. Bresler-მა (1961).

* (ბაქტერიებისა და ვირუსების გენეტიკაზე მუშაობისთვის ა.ჰერშიმ მ.დელბრიუკთან და ს.ლურიასთან ერთად 1969 წელს მიენიჭა ნობელის პრემია.)

გენომის ორგანიზაციისა და ფუნქციური აქტივობის გასაგებად, დნმ-ის ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის განსაზღვრას უდიდესი მნიშვნელობა აქვს. ასეთი განსაზღვრის მეთოდების ძიება მიმდინარეობს მსოფლიოს მრავალ ლაბორატორიაში. აშშ-ში M. Beer და მისი კოლეგები ცდილობდნენ დნმ-ის თანმიმდევრობის დადგენას ელექტრონული მიკროსკოპის გამოყენებით 50-იანი წლების ბოლოდან, მაგრამ ჯერჯერობით უშედეგოდ. 50-იანი წლების დასაწყისში, სინშაიმერის, ჩარგაფის და სხვა მკვლევარების პირველი ნაშრომებიდან დნმ-ის ფერმენტული დეგრადაციის შესახებ, ცნობილი გახდა, რომ დნმ-ის მოლეკულაში სხვადასხვა ნუკლეოტიდები ნაწილდება, თუმცა არა ქაოტურად, მაგრამ არათანაბრად. ინგლისელი ქიმიკოსის კ.ბარტონის (1961) აზრით, პირიმიდინები (70%-ზე მეტი) კონცენტრირებულია ძირითადად შესაბამისი ბლოკების სახით. A.L. Mazin და B.F. Vanyushin (1968 - 1969) დაადგინეს, რომ სხვადასხვა დნმ-ს აქვს პირიმიდინის ბლოკირების სხვადასხვა ხარისხი და რომ ცხოველური ორგანიზმების დნმ-ში ის შესამჩნევად იზრდება, როდესაც ისინი ქვედადან მაღლა მოძრაობენ. ამრიგად, ორგანიზმების ევოლუცია აისახება მათი გენომის სტრუქტურაში. სწორედ ამიტომ, ევოლუციური პროცესის მთლიანობაში გასაგებად, განსაკუთრებული მნიშვნელობა აქვს ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურის შედარებით შესწავლას. ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი პოლიმერების და, პირველ რიგში, დნმ-ის სტრუქტურის ანალიზი ძალზე მნიშვნელოვანია ფილოგენეტიკისა და ტაქსონომიის მრავალი კონკრეტული პრობლემის გადასაჭრელად.

საინტერესოა აღინიშნოს, რომ ინგლისელი ფიზიოლოგი ე. ლანკესტერი, რომელიც სწავლობდა მოლუსკების ჰემოგლობინს და ელოდა მოლეკულური ბიოლოგიის იდეებს ზუსტად 100 წლის წინ, წერდა: „ქიმიური განსხვავებები ცხოველთა და მცენარეთა სხვადასხვა სახეობასა და გვარს შორის ისეთივე მნიშვნელოვანია გასარკვევად. მათი წარმოშობის ისტორია, როგორც მათი ფორმების განსხვავებები. თუ ჩვენ შეგვიძლია მკაფიოდ დავადგინოთ განსხვავებები ორგანიზმების მოლეკულურ ორგანიზაციასა და ფუნქციონირებაში, ჩვენ შევძლებთ გავიგოთ სხვადასხვა ორგანიზმების წარმოშობა და ევოლუცია ბევრად უკეთ, ვიდრე მორფოლოგიური დაკვირვების საფუძველზე. ბიოქიმიური კვლევის მნიშვნელობა ტაქსონომიისთვის ასევე ხაზგასმით აღნიშნა ვ.

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

** (V. L. კომაროვი. რჩეული თხზულებანი, ტ.1. მ.-ლ., სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის გამომცემლობა, 1945 წ., გვ.331.)

ჯერ კიდევ 1920-იან წლებში ა.ვ. ბლაგოვეშჩენსკიმ და ს. ცილების და ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურის შედარებითი ანალიზი ამჟამად სულ უფრო ხელშესახები დახმარება ხდება ტაქსონომისტებისთვის (იხ. თავი 21). მოლეკულური ბიოლოგიის ეს მეთოდი საშუალებას გვაძლევს არა მხოლოდ გავარკვიოთ ცალკეული სახეობების პოზიციები სისტემაში, არამედ გვაიძულებს ახალი თვალი გადავხედოთ ორგანიზმების კლასიფიკაციის პრინციპებს და ზოგჯერ გადახედოთ მთლიან სისტემას, როგორც ეს მოხდა. მაგალითად, მიკროორგანიზმების ტაქსონომიით. უდავოა, რომ მომავალში გენომის სტრუქტურის ანალიზი ცენტრალურ ადგილს დაიკავებს ორგანიზმების ქიმიოსისტემატიკაში.

დნმ-ის რეპლიკაციისა და ტრანსკრიფციის მექანიზმების გაშიფვრას დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა მოლეკულური ბიოლოგიის განვითარებისთვის (იხ. თავი 24).

ცილის ბიოსინთეზი

ცილების ბიოსინთეზის პრობლემის გადაჭრის მნიშვნელოვანი ცვლილება დაკავშირებულია ნუკლეინის მჟავების შესწავლის მიღწევებთან. 1941 წელს ტ.კასპერსონმა (შვედეთი) და 1942 წელს ჯ. ბრაშეტმა (ბელგია) გაამახვილეს ყურადღება იმ ფაქტზე, რომ აქტიური ცილის სინთეზის მქონე ქსოვილები შეიცავს რნმ-ს გაზრდილ რაოდენობას. მათ დაასკვნეს, რომ რიბონუკლეინის მჟავები გადამწყვეტ როლს თამაშობენ ცილების სინთეზში. 1953 წელს ე.გაილმა და დ.ფოქსმა, როგორც ჩანს, მიიღეს პირდაპირი მტკიცებულება რნმ-ის უშუალო მონაწილეობის შესახებ ცილების ბიოსინთეზში: მათი მონაცემებით, რიბონუკლეაზა მნიშვნელოვნად თრგუნავს ამინომჟავების შეერთებას ბაქტერიული უჯრედების ლიზატებში. მსგავსი მონაცემები მიიღეს V. Allfrey, M. Deli და A. Mirsky (1953) ღვიძლის ჰომოგენატებზე. მოგვიანებით, ე. გეილმა მიატოვა სწორი აზრი, რომელიც მან გამოთქვა რნმ-ის წამყვანი როლის შესახებ ცილების სინთეზში, შეცდომით მიიჩნია, რომ ცილის სინთეზის გააქტიურება უჯრედულ სისტემაში მოხდა სხვა უცნობი ბუნების ნივთიერების გავლენის ქვეშ. 1954 წელს P. Zamecnik-მა, D. Littlefield-მა, R.B. Hesin-Lurie-მ და სხვებმა აღმოაჩინეს, რომ ამინომჟავების ყველაზე აქტიური ინკორპორაცია ხდება უჯრედული ნაწილაკების რნმ-ით მდიდარ ფრაქციებში - მიკროზომებში. P. Zamecnik და E. Keller (1953 - 1954) აღმოაჩინეს, რომ ამინომჟავების ინკორპორაცია შესამჩნევად გაძლიერდა სუპერნატანტის თანდასწრებით ATP რეგენერაციის პირობებში. P. Siekewitz (1952) და M. Hogland (1956) იზოლირებულია ცილოვანი ფრაქცია (pH 5 ფრაქცია) სუპერნატანტიდან, რომელიც პასუხისმგებელია მიკროსომებში ამინომჟავების ინკორპორაციის მკვეთრად სტიმულირებაზე. ცილებთან ერთად, ზენატანში აღმოჩნდა დაბალმოლეკულური წონის რნმ-ების სპეციალური კლასი, რომელსაც ახლა გადაცემის რნმ (tRNAs) უწოდებენ. 1958 წელს ჰოგლანდმა და ზამეჩნიკმა, ისევე როგორც პ.ბერგმა, რ. სვიტმა და ფ. ალენმა და ბევრმა სხვა მკვლევარმა აღმოაჩინეს, რომ თითოეული ამინომჟავა საჭიროებს თავის სპეციალურ ფერმენტს, ATP-ს და სპეციფიკურ tRNA-ს გასააქტიურებლად. გაირკვა, რომ tRNA-ები ასრულებენ ექსკლუზიურად ადაპტერების ფუნქციას, ანუ მოწყობილობების, რომლებიც პოულობენ შესაბამისი ამინომჟავის ადგილს ნუკლეინის მატრიცაზე (mRNA) წარმომქმნელ ცილის მოლეკულაში. ამ კვლევებმა სრულად დაადასტურა F. Crick-ის (1957) ადაპტერის ჰიპოთეზა, რომელიც ითვალისწინებდა უჯრედში პოლინუკლეოტიდური ადაპტერების არსებობას, რომლებიც აუცილებელია სინთეზირებული ცილის ამინომჟავების ნარჩენების სწორი მოწყობისთვის ნუკლეინის მატრიცაზე. მოგვიანებით, ფრანგმა მეცნიერმა ფ. ჩაპვილმა (1962) აშშ-ში ფ. ლიპმანის (ნობელის პრემია, 1953) ლაბორატორიაში ძალიან ეშმაკურად და ცალსახად აჩვენა, რომ ამინომჟავის მდებარეობა სინთეზირებულ ცილის მოლეკულაში მთლიანად განისაზღვრება სპეციფიკური tRNA, რომელსაც იგი ერთვის. კრიკის ადაპტერის ჰიპოთეზა შეიქმნა ჰოგლანდისა და ზამეჩნიკის ნაშრომებში.

1958 წლისთვის ცნობილი გახდა ცილის სინთეზის შემდეგი ძირითადი ეტაპები: 1) ამინომჟავის გააქტიურება სპეციფიური ფერმენტის მიერ „pH 5 ფრაქციიდან“ ATP-ის თანდასწრებით ამინოაცილ ადენილატის წარმოქმნით; 2) გააქტიურებული ამინომჟავის მიმაგრება სპეციფიკურ tRNA-ზე ადენოზინმონოფოსფატის (AMP) გამოყოფით; 3) ამინოაცილ-ტრნმ-ის (ამინომჟავით დატვირთული რნმ) მიკროზომებთან შეკავშირება და ამინომჟავების ცილაში შეყვანა tRNA-ს გამოყოფით. ჰოგლანდმა (1958) აღნიშნა, რომ ცილების სინთეზის საბოლოო ეტაპი მოითხოვს გუანოზინტრიფოსფატს (GTP).

გადაცემის რნმ და გენის სინთეზი

tRNA-ების აღმოჩენის შემდეგ დაიწყო აქტიური ძიება მათი დანაწილებისა და ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის განსაზღვრისთვის. უდიდეს წარმატებას ამერიკელმა ბიოქიმიკოსმა რ.ჰოლიმ მიაღწია. 1965 წელს მან დაადგინა ალანინის tRNA სტრუქტურა საფუარისგან. რიბონუკლეაზების (გუანილ RNase და პანკრეასის RNase) გამოყენებით, ჰოლიმ დაყო ნუკლეინის მჟავის მოლეკულა რამდენიმე ფრაგმენტად, დაადგინა ნუკლეოტიდის თანმიმდევრობა თითოეულ მათგანში ცალკე და შემდეგ აღადგინა მთელი ალანინის tRNA მოლეკულის თანმიმდევრობა. ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის ანალიზის ამ ხერხს ბლოკის მეთოდს უწოდებენ. ჰოლის დამსახურება ძირითადად იმაში მდგომარეობდა, რომ მან ისწავლა რნმ-ის მოლეკულის დაყოფა არა მხოლოდ წვრილად, როგორც ბევრმა გააკეთა მანამდე, არამედ დიდ ფრაგმენტებად (კვარტლებად და ნახევრად). ამან მას საშუალება მისცა, სწორად შეეკრიბა ცალკეული პატარა ნაწილები და ამით აღედგინა მთელი tRNA მოლეკულის სრული ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობა (ნობელის პრემია, 1968 წ.).

ეს ტექნიკა მაშინვე იქნა მიღებული მსოფლიოს მრავალმა ლაბორატორიამ. მომდევნო ორი წლის განმავლობაში, რამდენიმე tRNA-ის პირველადი სტრუქტურა გაშიფრული იქნა სსრკ-ში და მის ფარგლებს გარეთ. A.A. Baev (1967) და თანამშრომლებმა პირველად დაადგინეს ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობა საფუარის ვალინის tRNA-ში. დღეისათვის შესწავლილია ათზე მეტი განსხვავებული ინდივიდუალური tRNA. ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის განსაზღვრაში უნიკალური რეკორდი დაამყარეს კემბრიჯში ფ.სანჯერმა და გ.ბრაუნლიმ. ამ მკვლევარებმა შეიმუშავეს საოცრად ელეგანტური მეთოდი ოლიგონუკლეოტიდების გამოყოფისთვის და დაადგინეს ეგრეთ წოდებული 5 S (რიბოსომური) რნმ-ის თანმიმდევრობა Escherichia coli უჯრედებიდან (1968). ეს რნმ შედგება 120 ნუკლეოტიდის ნარჩენებისგან და, tRNA-სგან განსხვავებით, არ შეიცავს დამატებით მცირე ფუძეებს, რაც მნიშვნელოვნად უწყობს ხელს ნუკლეოტიდის თანმიმდევრობის ანალიზს, ემსახურება როგორც უნიკალურ ღირშესანიშნაობებს მოლეკულის ცალკეული ფრაგმენტებისთვის. ამჟამად, სანჯერისა და ბრაუნლის მეთოდის გამოყენების წყალობით, წარმატებით მიმდინარეობს მუშაობა ჯ. ებელის (საფრანგეთი) და სხვა მკვლევარების ლაბორატორიაში გრძელი რიბოსომური რნმ-ების და ზოგიერთი ვირუსული რნმ-ის თანმიმდევრობის შესწავლაზე.

A. A. Baev და თანამშრომლებმა (1967) აღმოაჩინეს, რომ ვალინი tRNA, გაჭრილი შუაზე, აღადგენს მის მაკრომოლეკულურ სტრუქტურას ხსნარში და, მიუხედავად პირველადი სტრუქტურის დეფექტისა, აქვს ორიგინალური (მშობლიური) მოლეკულის ფუნქციური აქტივობა. ეს მიდგომა - მოჭრილი მაკრომოლეკულის რეკონსტრუქცია გარკვეული ფრაგმენტების ამოღების შემდეგ - ძალიან პერსპექტიული აღმოჩნდა. ის ახლა ფართოდ გამოიყენება გარკვეული tRNA-ების ცალკეული მონაკვეთების ფუნქციური როლის გასარკვევად.

ბოლო წლებში დიდი წარმატება იქნა მიღწეული ცალკეული tRNA-ების კრისტალური პრეპარატების მიღებაში. ახლა აშშ-სა და ინგლისის რამდენიმე ლაბორატორიამ უკვე მოახერხა მრავალი tRNA-ის კრისტალიზაცია. ამან შესაძლებელი გახადა რნმ-ის სტრუქტურის შესწავლა რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის გამოყენებით. 1970 წელს რ. ბოკმა წარმოადგინა პირველი რენტგენის დიფრაქციის შაბლონები და რამდენიმე tRNA-ის სამგანზომილებიანი მოდელები, რომლებიც მან შექმნა ვისკონსინის უნივერსიტეტში. ეს მოდელები გვეხმარება tRNA-ში ცალკეული ფუნქციურად აქტიური ადგილების ლოკალიზაციის დადგენაში და ამ მოლეკულების ფუნქციონირების ძირითადი პრინციპების გაგებაში.

ცილის სინთეზის მექანიზმის გამოსავლენად და ამ პროცესის სპეციფიკის პრობლემის გადასაჭრელად უაღრესად მნიშვნელოვანი იყო გენეტიკური კოდის ბუნების გაშიფვრა (იხ. თავი 24), რომელიც, გადაჭარბების გარეშე, შეიძლება ჩაითვალოს ბუნებისმეტყველების წამყვან მიღწევად. მე-20 საუკუნეში.

რ. ჰოლის აღმოჩენამ თრნმ-ის პირველადი სტრუქტურის შესახებ ბიძგი მისცა გ.კორანას * (აშშ) მუშაობას ოლიგონუკლეოტიდების სინთეზზე და მიმართა მათ კონკრეტული ბიოლოგიური სტრუქტურის სინთეზისკენ - დნმ-ის მოლეკულის, რომელიც აკოდირებს ალანინის tRNA. კორანას მიერ თითქმის 15 წლის წინ გადადგმული პირველი ნაბიჯები მოკლე ოლიგონუკლეოტიდების ქიმიურ სინთეზში 1970 წელს დასრულდა პირველი გენის სინთეზით. კორანამ და მისმა თანამშრომლებმა პირველად ქიმიურად მოახდინეს ცალკეული ნუკლეოტიდებიდან 8-12 ნუკლეოტიდის ნარჩენების მოკლე ფრაგმენტების სინთეზირება. ეს ფრაგმენტები მოცემული ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობით სპონტანურად წარმოქმნიან ორჯაჭვიან დამატებით ნაწილებს 4-5 ნუკლეოტიდის გადახურვით. ეს მზა ნაჭრები შემდეგ შეუერთდა ბოლომდე სწორი თანმიმდევრობით ფერმენტ დნმ ლიგაზას გამოყენებით. ამრიგად, დნმ-ის მოლეკულების რეპლიკაციისგან განსხვავებით, ა. კორნბერგის ** (იხ. თავი 24) მიხედვით, კორანამ შეძლო ხელახლა შეექმნა ბუნებრივი ორჯაჭვიანი დნმ-ის მოლეკულა წინასწარ განსაზღვრული პროგრამის მიხედვით tRNA თანმიმდევრობის შესაბამისად, რომელიც აღწერილია ჰოლი. ანალოგიურად, ახლა მიმდინარეობს მუშაობა სხვა გენების სინთეზზე (M. N. Kolosov, Z. A. Shabarova, D. G. Knorre, 1970 - 1975).

* (გენეტიკური კოდის კვლევისთვის გ.კორანას და მ.ნირენბერგს მიენიჭათ ნობელის პრემია 1968 წელს.)

** (პოლიმერაზასა და დნმ-ის სინთეზის აღმოჩენისთვის ა.კორნბერგი და რნმ-ის სინთეზისთვის ს.ოჩოა 1959 წელს მიენიჭა ნობელის პრემია.)

მიკროზომები, რიბოსომები, თარგმანი

50-იანი წლების შუა ხანებში ითვლებოდა, რომ მიკროზომები უჯრედში ცილის სინთეზის ცენტრი იყო. ტერმინი მიკროზომები პირველად შემოიღო 1949 წელს ა. კლოდის მიერ მცირე გრანულების ფრაქციის აღსანიშნავად. მოგვიანებით გაირკვა, რომ ცილის სინთეზზე პასუხისმგებელია არა მიკროზომების მთელი ფრაქცია, რომელიც შედგება გარსებისა და გრანულებისგან, არამედ მხოლოდ მცირე რიბონუკლეოპროტეინის ნაწილაკები. ამ ნაწილაკებს 1958 წელს რ.რობერტსმა რიბოსომები უწოდა.

ბაქტერიული რიბოზომების კლასიკური კვლევები ჩატარდა A.Tissier-ის და J. Watson-ის მიერ 1958 - 1959 წლებში. ბაქტერიული რიბოსომები უფრო მცირე ზომის აღმოჩნდა ვიდრე მცენარეები და ცხოველები. J. Littleton (1960), M. Clark (1964) და E. N. Svetailo (1966) აჩვენეს, რომ უმაღლესი მცენარეების და მიტოქონდრიების ქლოროპლასტების რიბოსომები მიეკუთვნება ბაქტერიულ ტიპს. A. Tissier-მა და სხვებმა (1958) აღმოაჩინეს, რომ რიბოსომები იშლება ორ არათანაბარ ქვედანაყოფად, რომლებიც შეიცავს თითო რნმ-ის მოლეკულას. 50-იანი წლების ბოლოს ითვლებოდა, რომ თითოეული რიბოსომური რნმ-ის მოლეკულა შედგება რამდენიმე მოკლე ფრაგმენტისგან. თუმცა, A.S. Spirin იყო პირველი, ვინც აჩვენა 1960 წელს, რომ რნმ ქვენაწილაკებში წარმოდგენილია უწყვეტი მოლეკულით. დ. უოლერმა (1960), რომელმაც გამოყო რიბოსომული ცილები სახამებლის გელის ელექტროფორეზის გამოყენებით, აღმოაჩინა, რომ ისინი ძალიან ჰეტეროგენულია. თავდაპირველად, ბევრს ეჭვი ეპარებოდა უოლერის მონაცემებში, რადგან ჩანდა, რომ რიბოსომული ცილა მკაცრად ერთგვაროვანი უნდა ყოფილიყო, მაგალითად, TMV ცილა. ამჟამად, დ.უოლერის, რ. ტრაუტის, პ.ტრაუბის და სხვა ბიოქიმიკოსების კვლევის შედეგად, ცნობილი გახდა, რომ თავად რიბოსომური ნაწილაკების შემადგენლობაში შედის 50-ზე მეტი ცილა, რომლებიც სტრუქტურით სრულიად განსხვავდებიან. 1963 წელს A.S. Spirin-მა პირველმა გაშალა რიბოსომური ქვენაწილაკები და აჩვენა, რომ რიბოსომები არის კომპაქტურად დაგრეხილი რიბონუკლეოპროტეინის ჯაჭვი, რომელიც შეიძლება განვითარდეს გარკვეულ პირობებში. 1967 - 1968 წლებში M. Nomura-მ მთლიანად აღადგინა ბიოლოგიურად აქტიური ქვენაწილაკი რიბოსომური რნმ-დან და ცილისგან და მიიღო რიბოსომებიც, რომლებშიც ცილა და რნმ სხვადასხვა მიკროორგანიზმებს მიეკუთვნებოდა.

დღემდე, რიბოსომური რნმ-ის როლი გაურკვეველია. ვარაუდობენ, რომ ეს არის უნიკალური სპეციფიკური მატრიცა, რომელზედაც რიბოსომური ნაწილაკის ფორმირებისას ყოველი მრავალრიცხოვანი რიბოსომური ცილა პოულობს მკაცრად განსაზღვრულ ადგილს (A. S. Spirin, 1968).

ა. რიჩმა (1962) აღმოაჩინა რამდენიმე რიბოზომის აგრეგატები, რომლებიც დაკავშირებულია ერთმანეთთან mRNA ჯაჭვით. ამ კომპლექსებს ეწოდა პოლისომები. პოლისომების აღმოჩენამ რიჩს და უოტსონს (1963) მისცა ვარაუდი, რომ პოლიპეპტიდური ჯაჭვის სინთეზი ხდება რიბოსომაზე, რომელიც, როგორც ჩანს, მოძრაობს mRNA ჯაჭვის გასწვრივ. როდესაც რიბოსომა ნაწილაკში mRNA ჯაჭვის გასწვრივ მოძრაობს, ინფორმაცია იკითხება და წარმოიქმნება ცილის პოლიპეპტიდური ჯაჭვი და ახალი რიბოსომები მონაცვლეობით ემაგრება mRNA-ის გამოთავისუფლებულ წაკითხულ ბოლოს. რიჩისა და უოტსონის მონაცემებიდან მოჰყვა, რომ პოლისომების მნიშვნელობა უჯრედში მდგომარეობს ცილის მასიურ წარმოებაში მატრიქსის თანმიმდევრული წაკითხვით ერთდროულად რამდენიმე რიბოსომის მიერ.

მ.ნირენბერგის, ს.ოჩოას, ფ.ლიპმანის, გ.კორანას და სხვათა კვლევის შედეგად 1963 - 1970 წწ. ცნობილი გახდა, რომ mRNA-სთან, რიბოზომებთან, ATP-თან და ამინოაცილ-tRNA-სთან ერთად, დიდი რაოდენობით სხვადასხვა ფაქტორი მონაწილეობს თარგმნის პროცესში და თავად თარგმანის პროცესი პირობითად შეიძლება დაიყოს სამ ეტაპად - დაწყება, თავად ტრანსლაცია და შეწყვეტა.

ტრანსლაციის დაწყება ნიშნავს პირველი პეპტიდური ბმის სინთეზს რიბოსომაში - შაბლონური პოლინუკლეოტიდი - ამინოაცილ-tRNA კომპლექსი. არა ყველა ამინოაცილ-ტრნმ-ს, არამედ ფორმილმეთიონილ-თრნმ-ს აქვს ასეთი ინიციატორი აქტივობა. ეს ნივთიერება პირველად იზოლირებული იქნა 1964 წელს F. Sanger-ის და K. Marker-ის მიერ. S. Bretcher და K. Marker (1966) აჩვენეს, რომ ფორმილმეთიონილ-tRNA-ს ინიციატორი ფუნქცია განპირობებულია მისი გაზრდილი აფინურობით რიბოსომის პეპტიდილის ცენტრის მიმართ. თარგმანის დასაწყებად ასევე უაღრესად მნიშვნელოვანია ცილის ინიცირების ზოგიერთი ფაქტორი, რომლებიც იზოლირებული იყო S. Ochoa, F. Gro და სხვა კვლევითი ცენტრების ლაბორატორიებში. რიბოსომაში პირველი პეპტიდური ბმის წარმოქმნის შემდეგ იწყება სწორი ტრანსლაცია, ანუ ამინოაცილის ნარჩენის თანმიმდევრული დამატება პოლიპეპტიდის C-ბოლოში. თარგმანის პროცესის მრავალი დეტალი შეისწავლეს კ. მონრომ და ჯ. ბიშოპმა (ინგლისი), ი. რიხლიკმა და ფ. შორმმა (ჩეხოსლოვაკია), ფ. ლიპმანმა, მ. ბრეტჩერმა, ვ. გილბერტმა (აშშ) და სხვა მკვლევარებმა. 1968 წელს A.S. Spirin-მა შემოგვთავაზა ორიგინალური ჰიპოთეზა რიბოსომის მექანიზმის ასახსნელად. მამოძრავებელი მექანიზმი, რომელიც უზრუნველყოფს tRNA და mRNA-ს ყველა სივრცით მოძრაობას ტრანსლაციის დროს, არის რიბოსომული ქვენაწილაკების პერიოდული გახსნა და დახურვა. თარგმანის დასასრული დაშიფრულია თავად წაკითხვის მატრიცაში, რომელიც შეიცავს გაჩერების კოდონებს. როგორც ს. ბრენერმა (1965 - 1967) აჩვენა, ასეთი კოდონებია სამეული UAA, UAG და UGA. M. Capecchi (1967) ასევე გამოავლინა სპეციალური ცილის შეწყვეტის ფაქტორები. A.S. Spirin-მა და L.P. Gavrilova-მ აღწერეს ეგრეთ წოდებული "არაფერმენტული" ცილის სინთეზი რიბოსომებში (1972 - 1975) ცილოვანი ფაქტორების მონაწილეობის გარეშე. ეს აღმოჩენა მნიშვნელოვანია ცილების ბიოსინთეზის წარმოშობისა და ევოლუციის გასაგებად.

გენის და ცილის აქტივობის რეგულირება

ცილის სინთეზის სპეციფიკის პრობლემის შემდეგ, მოლეკულურ ბიოლოგიაში პირველი მოვიდა ცილის სინთეზის რეგულირების, ანუ, იგივე, გენის აქტივობის რეგულირების პრობლემა.

უჯრედების ფუნქციური უთანასწორობა და გენების ასოცირებული რეპრესია და აქტივაცია დიდი ხანია მიიპყრო გენეტიკოსების ყურადღებას, მაგრამ ბოლო დრომდე უცნობი რჩებოდა გენის აქტივობის კონტროლის რეალური მექანიზმი.

გენების მარეგულირებელი აქტივობის ახსნის პირველი მცდელობები დაკავშირებული იყო ჰისტონური ცილების შესწავლასთან. ასევე სტედმენის მეუღლეები * XX საუკუნის 40-იანი წლების დასაწყისში. გამოთქვა მოსაზრება, რომ სწორედ ჰისტონებს შეუძლიათ ამ ფენომენში მთავარი როლის შესრულება. შემდგომში მათ მიიღეს პირველი მკაფიო მონაცემები ჰისტონის ცილების ქიმიურ ბუნებაში განსხვავებების შესახებ. ამჟამად, ამ ჰიპოთეზის მხარდამჭერი ფაქტების რაოდენობა ყოველწლიურად იზრდება.

* (ე.სტედმანი, ე.სტედმანი. უჯრედის ბირთვების ძირითადი ცილები.- ფილოსოფ. ტრანს. როი. სოც. ლონდონი, 1951 წ. 235 565 - 595 წწ.)

ამავდროულად, მზარდი რაოდენობის მონაცემები გროვდება, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ გენის აქტივობის რეგულირება ბევრად უფრო რთული პროცესია, ვიდრე გენის რეგიონების მარტივი ურთიერთქმედება ჰისტონის ცილის მოლეკულებთან. 1960 - 1962 წლებში R.B. ხესინ-ლურიის ლაბორატორიაში დადგინდა, რომ ფაგების გენები იწყებენ არაერთდროულად კითხვას: ფაგის T2 გენები შეიძლება დაიყოს ადრეულ გენებად, რომელთა ფუნქციონირება მოხდა ინფექციის პირველ წუთებში. ბაქტერიული უჯრედი და გვიანი გენები, რომლებმაც დაიწყეს mRNA-ს სინთეზი ადრეული გენების მუშაობის დასრულების შემდეგ.

1961 წელს ფრანგმა ბიოქიმიკოსებმა F. Jacob-მა და J. Monod-მა შემოგვთავაზეს გენის აქტივობის რეგულირების სქემა, რომელმაც განსაკუთრებული როლი ითამაშა ზოგადად უჯრედების მარეგულირებელი მექანიზმების გაგებაში. იაკობისა და მონოდის სქემის მიხედვით, დნმ-ში სტრუქტურული (ინფორმაციული) გენების გარდა არის მარეგულირებელი გენები და ოპერატორის გენები. რეგულატორი გენი კოდირებს კონკრეტული ნივთიერების - რეპრესორის სინთეზს, რომელიც შეიძლება დაერთოს როგორც ინდუქტორს, ასევე ოპერატორ გენს. ოპერატორი გენი დაკავშირებულია სტრუქტურულ გენებთან და მარეგულირებელი გენი მდებარეობს მათგან გარკვეულ მანძილზე. თუ გარემოში არ არის ინდუქტორი, მაგალითად, ლაქტოზა, მაშინ რეგულატორის გენის მიერ სინთეზირებული რეპრესორი უკავშირდება ოპერატორის გენს და ბლოკავს მას, თიშავს მთელი ოპერონის მუშაობას (სტრუქტურული გენების ბლოკი ოპერატორთან ერთად. რომელიც აკონტროლებს მათ). ამ პირობებში ფერმენტების ფორმირება არ ხდება. თუ ინდუქტორი (ლაქტოზა) ჩნდება გარემოში, მაშინ მარეგულირებელი გენის პროდუქტი - რეპრესორი - უკავშირდება ლაქტოზას და შლის ბლოკს ოპერატორის გენიდან. ამ შემთხვევაში შესაძლებელი ხდება ფერმენტის სინთეზის მაკოდირებელი სტრუქტურული გენის მუშაობა და ფერმენტი (ლაქტოზა) ჩნდება გარემოში.

იაკობისა და მონოდის მიხედვით, ეს რეგულირების სქემა ვრცელდება ყველა ადაპტაციურ ფერმენტზე და შეიძლება მოხდეს როგორც რეპრესიის დროს, როდესაც ფერმენტის წარმოქმნა თრგუნავს რეაქციის პროდუქტის სიჭარბით, ასევე ინდუქციის დროს, როდესაც სუბსტრატის შეყვანა იწვევს სინთეზს. ფერმენტის. 1965 წელს ჯეიკობს და მონოდს მიენიჭათ ნობელის პრემია გენის აქტივობის რეგულირებისთვის მათი კვლევისთვის.

თავდაპირველად, ეს სქემა ძალიან შორს იყო. თუმცა, მოგვიანებით გაირკვა, რომ გენის რეგულაცია ამ პრინციპის მიხედვით ხდება არა მხოლოდ ბაქტერიებში, არამედ სხვა ორგანიზმებშიც.

1960 წლიდან ევკარიოტულ ორგანიზმებში გენომის ორგანიზაციისა და ქრომატინის სტრუქტურის კვლევებმა გამორჩეული ადგილი დაიკავა მოლეკულურ ბიოლოგიაში (J. Bonner, R. Britten, W. Allfrey, P. Walker, Yu. S. Chentsov, I.B. Zbarsky და სხვ.). ) და ტრანსკრიფციის რეგულირების შესახებ (ა. მირსკი, გ. პ. გეორგიევი, მ. ბერნსტიელი, დ. გოლი, რ. ცანევი, რ. ი. სალგანიკი). რეპრესორის ბუნება დიდი ხნის განმავლობაში უცნობი და საკამათო რჩებოდა. 1968 წელს მ.პტაშნემ (აშშ) აჩვენა, რომ რეპრესორი არის ცილა. მან გამოყო იგი ჯ. უოტსონის ლაბორატორიაში და აღმოაჩინა, რომ რეპრესორს, მართლაც, აქვს მიდრეკილება ინდუქტორთან (ლაქტოზასთან) და ამავდროულად „ამოიცნობს“ ლაკ ოპერონის ოპერატორ გენს და კონკრეტულად უკავშირდება მას.

ბოლო 5-7 წლის განმავლობაში მიღებული იქნა მონაცემები გენის აქტივობის კიდევ ერთი საკონტროლო უჯრედის - პრომოტორის არსებობის შესახებ. აღმოჩნდა, რომ ოპერატორის უბნის სიახლოვეს, რომელსაც გენრეგულატორზე სინთეზირებული პროდუქტი - რეპრესორის ცილოვანი ნივთიერება - ერთვის, არის სხვა ადგილი, რომელიც ასევე უნდა იყოს კლასიფიცირებული, როგორც მარეგულირებელი სისტემის წევრი. გენის აქტივობა. ფერმენტ RNA პოლიმერაზას ცილის მოლეკულა მიმაგრებულია ამ ადგილზე. პრომოტორულ რეგიონში უნდა მოხდეს დნმ-ში უნიკალური ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის ურთიერთგაცნობა და რნმ პოლიმერაზას ცილის სპეციფიკური კონფიგურაცია. გენეტიკური ინფორმაციის წაკითხვის პროცესი პრომოტორთან მიმდებარე ოპერონის მოცემული გენის თანმიმდევრობით იქნება დამოკიდებული ამოცნობის ეფექტურობაზე.

იაკობისა და მონოდის მიერ აღწერილი სქემის გარდა, უჯრედში არსებობს გენის რეგულირების სხვა მექანიზმები. ფ. ჯეიკობმა და ს. ბრენერმა (1963) დაადგინეს, რომ ბაქტერიული დნმ-ის რეპლიკაციის რეგულირება გარკვეულწილად კონტროლდება უჯრედის მემბრანის მიერ. იაკობის (1954) ექსპერიმენტებმა სხვადასხვა პროფაგების ინდუქციაზე დამაჯერებლად აჩვენა, რომ ლიზოგენური ბაქტერიების უჯრედში სხვადასხვა მუტაგენური ფაქტორების გავლენის ქვეშ იწყება პროფაგის გენის შერჩევითი რეპლიკაცია და იბლოკება მასპინძლის გენომის რეპლიკაცია. 1970 წელს ფ.ბელმა განაცხადა, რომ დნმ-ის მცირე მოლეკულებს შეუძლიათ ბირთვიდან ციტოპლაზმაში შევიდნენ და იქ გადაიწერონ.

ამრიგად, გენის აქტივობის რეგულირება შეიძლება განხორციელდეს რეპლიკაციის, ტრანსკრიფციის და ტრანსლაციის დონეზე.

მნიშვნელოვანი პროგრესი იქნა მიღწეული ფერმენტების არა მხოლოდ სინთეზის, არამედ მათი აქტივობის რეგულირების შესწავლაში. უჯრედებში ფერმენტული აქტივობის რეგულირების ფენომენები აღნიშნეს ჯერ კიდევ 50-იან წლებში A. Novik-მა და L. Szilard-მა. G. Umbarger (1956) დაადგინა, რომ უჯრედში არსებობს ფერმენტის აქტივობის დათრგუნვის ძალიან რაციონალური გზა რეაქციების უკუკავშირის ჯაჭვის საბოლოო პროდუქტით. როგორც ჯ. მონოდმა, ჯ. ჩენჯერმა, ფ. ჯეიკობმა, ა. პარდემ და სხვა მკვლევარებმა დაადგინეს (1956 - 1960 წწ.), ფერმენტის აქტივობის რეგულირება შეიძლება განხორციელდეს ალოსტერული პრინციპის მიხედვით. ფერმენტს ან მის ერთ-ერთ ქვედანაყოფს, გარდა სუბსტრატისადმი აფინურობისა, აქვს აფინურობა რეაქციის ჯაჭვის ერთ-ერთ პროდუქტთან. ასეთი სასიგნალო პროდუქტის გავლენით ფერმენტი იმდენად ცვლის თავის კონფორმაციას, რომ კარგავს აქტივობას. შედეგად, ფერმენტული რეაქციების მთელი ჯაჭვი თავიდანვე გამორთულია. ცილის კონფორმაციული ცვლილებების მნიშვნელოვანი როლი ფერმენტულ რეაქციებში და გარკვეული გაგებით, ალოსტერული ეფექტის არსებობაზე მიუთითეს დ. უიმანმა და რ. ვუდვორდმა (1952; ნობელის პრემიის ლაურეატი, 1965 წ.).

ცილების სტრუქტურა და ფუნქცია

თ.ოსბორნის, გ.ჰოფმაისტერის, ა.გურბერის, ფ.შულცის და მრავალი სხვას მოღვაწეობის შედეგად XIX საუკუნის ბოლოს. მრავალი ცხოველური და მცენარეული ცილა მიიღეს კრისტალური სახით. დაახლოებით ამავე დროს, გარკვეული ცილების მოლეკულური წონა განისაზღვრა სხვადასხვა ფიზიკური მეთოდების გამოყენებით. ამრიგად, 1891 წელს ა. საბანეევმა და ნ. ალექსანდროვმა განაცხადეს, რომ ოვალურბუმინის მოლეკულური წონა არის 14000; 1905 წელს ე. რეიდმა დაადგინა, რომ ჰემოგლობინის მოლეკულური წონაა 48000. ცილების პოლიმერული სტრუქტურა აღმოაჩინეს 1871 წელს გ.გლასივეცმა და დ.ჰაბერმანმა. პროტეინებში ცალკეული ამინომჟავების ნარჩენების პეპტიდური ბმების იდეა გამოთქვა ტ. კურციუსმა (1883). მუშაობა ამინომჟავების ქიმიურ კონდენსაციაზე (E. Schaal, 1871; G. Schiff, 1897; L. Balbiano and D. Traschiatti, 1900) და ჰეტეროპოლიპეპტიდების სინთეზზე (E. Fischer, 1902 - 1907, ნობელის პრემია). განაპირობა ცილების ქიმიური სტრუქტურის ძირითადი პრინციპების შემუშავება.

პირველი კრისტალური ფერმენტი (ურეაზა) 1926 წელს მიიღო ჯ.სამნერმა (ნობელის პრემია, 1946), ხოლო 1930 წელს ჯ. ნორტროპმა (ნობელის პრემია, 1946) მიიღო კრისტალური პეპსინი. ამ სამუშაოს შემდეგ გაირკვა, რომ ფერმენტები ბუნებით ცილოვანია. 1940 წელს M. Kunitz-მა გამოყო კრისტალური RNase. 1958 წლისთვის უკვე ცნობილი იყო 100-ზე მეტი კრისტალური ფერმენტი და 500-ზე მეტი ფერმენტი იზოლირებული არაკრისტალური ფორმით. ცალკეული ცილების მაღალგანწმენდილი პრეპარატების წარმოებამ ხელი შეუწყო მათი პირველადი სტრუქტურისა და მაკრომოლეკულური ორგანიზაციის გაშიფვრას.

ზოგადად მოლეკულური ბიოლოგიის და კონკრეტულად ადამიანის გენეტიკის განვითარებისთვის დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა L. Pauling-ის (1940) აღმოჩენას პათოლოგიური ჰემოგლობინის S-ის, მძიმე მემკვიდრეობითი დაავადების - ნამგლისებრუჯრედოვანი ანემიის მქონე ადამიანების ერითროციტებისგან იზოლირებული. 1955 - 1957 წლებში ვ. ინგრამმა გამოიყენა F. Sanger-ის მიერ შემუშავებული „თითის ანაბეჭდის“ მეთოდი (ქაღალდზე ქრომატოგრაფიის დროს ცალკეული პეპტიდების მიერ წარმოქმნილი ლაქები) ჰემოგლობინის S ჰიდროლიზის პროდუქტების ანალიზისთვის ტუტეთა და ტრიპსინთან. 1961 წელს ინგრამმა განაცხადა, რომ ჰემოგლობინი S განსხვავდება ნორმალური ჰემოგლობინისგან მხოლოდ ერთი ამინომჟავის ნარჩენის ბუნებით: ნორმალურ ჰემოგლობინში არის გლუტამინის მჟავის ნარჩენი ჯაჭვის მეშვიდე პოზიციაზე, ხოლო ჰემოგლობინ S-ში არის ვალინის ნარჩენი. ამრიგად, პაულინგის ვარაუდი (1949), რომ ნამგლისებრუჯრედოვანი ანემია მოლეკულური ხასიათის დაავადებაა, სრულად დადასტურდა. ჰემოგლობინის მაკრომოლეკულის თითოეულ ნახევარში მხოლოდ ერთი ამინომჟავის ნარჩენების მემკვიდრეობითი ცვლილება იწვევს იმ ფაქტს, რომ ჰემოგლობინი კარგავს თავის უნარს ადვილად დაითხოვოს ჟანგბადის დაბალი კონცენტრაციით და იწყებს კრისტალიზაციას, რაც იწვევს უჯრედის სტრუქტურის დარღვევას. ამ კვლევებმა ნათლად აჩვენა, რომ ცილის სტრუქტურა არის მკაცრად განსაზღვრული ამინომჟავების თანმიმდევრობა, რომელიც კოდირებულია გენომში. ცილის პირველადი სტრუქტურის განსაკუთრებული მნიშვნელობა მაკრომოლეკულის უნიკალური ბიოლოგიურად აქტიური კონფორმაციის ფორმირებაში მოწმობს კ. ანფინსენის (1951) ნაშრომში. ანფინსენმა აჩვენა, რომ შემცირების შედეგად დაკარგული პანკრეასის რიბონუკლეაზას ბიოლოგიურად აქტიური მაკროსტრუქტურა წინასწარ არის განსაზღვრული ამინომჟავების თანმიმდევრობით და შეიძლება სპონტანურად გამოჩნდეს ცისტეინის ნარჩენების SH ჯგუფების დაჟანგვის დროს დისულფიდური ჯვარედინი კავშირების წარმოქმნით მკაცრად. განსაზღვრული ადგილები ფერმენტის პეპტიდურ ჯაჭვში.

დღეისათვის დიდი რაოდენობით ფერმენტების მოქმედების მექანიზმი დეტალურად არის შესწავლილი და მრავალი ცილის აგებულებაა განსაზღვრული.

1953 წელს ფ.სანგერმა დაადგინა ინსულინის ამინომჟავების თანმიმდევრობა. :ეს ცილა შედგება ორი პოლიპეპტიდური ჯაჭვისგან, რომლებიც დაკავშირებულია ორი დისულფიდური ჯვარედინი ბმულით. ერთი ჯაჭვი შეიცავს მხოლოდ 21 ამინომჟავის ნარჩენს, ხოლო მეორე - 30 ნარჩენს. სენგერმა დაახლოებით 10 წელი დახარჯა ამ შედარებით მარტივი ცილის სტრუქტურის გაშიფვრაში. 1958 წელს მას მიენიჭა ნობელის პრემია ამ გამორჩეული კვლევისთვის. W. Stein-ისა და S. Moore-ის (1957) მიერ ავტომატური ამინომჟავების ანალიზატორის შექმნის შემდეგ, ნაწილობრივი ცილის ჰიდროლიზის პროდუქტების იდენტიფიკაცია მნიშვნელოვნად დაჩქარდა. სტეინმა და მურმა ეს უკვე 1960 წელს განაცხადეს. რომ მათ შეძლეს რიბონუკლეაზას თანმიმდევრობის დადგენა, რომლის პეპტიდური ჯაჭვი წარმოდგენილია 124 ამინომჟავის ნარჩენებით. იმავე წელს ტუბინგენში (გერმანია) გ.შრამის ლაბორატორიაში ფ.ანდერერმა და სხვებმა დაადგინეს ამინომჟავების თანმიმდევრობა TMV ცილაში. შემდეგ განისაზღვრა ამინომჟავების თანმიმდევრობა მიოგლობინში (A. Edmunson) და ადამიანის ჰემოგლობინის α- და β-ჯაჭვებში (G. Braunitzer, E. Schroeder და სხვ.), ლიზოზიმში ქათმის კვერცხის ცილიდან (J. Jollet, D. კეიფილდი). 1963 წელს ფ. შორმმა და ბ. კეილმა (ჩეხოსლოვაკია) დაადგინეს ამინომჟავების თანმიმდევრობა ქიმოტრიფსინოგენის მოლეკულაში. იმავე წელს განისაზღვრა ტრიფსინოგენის ამინომჟავების თანმიმდევრობა (F. Schorm, D. Walsh). 1965 წელს კ.ტაკაჰაშიმ ჩამოაყალიბა T1 რიბონუკლეაზას პირველადი სტრუქტურა. შემდეგ ამინომჟავების თანმიმდევრობა განისაზღვრა კიდევ რამდენიმე ცილისთვის.

როგორც ცნობილია, კონკრეტული სტრუქტურის განმარტების სისწორის საბოლოო დასტური მისი სინთეზია. 1969 წელს R. Merifield (აშშ) იყო პირველი, ვინც განახორციელა პანკრეასის რიბონუკლეაზას ქიმიური სინთეზი. მის მიერ შემუშავებული მყარი ფაზის სინთეზის მეთოდის გამოყენებით, მერიფილდმა ამინომჟავა ერთი მეორის მიყოლებით დაამატა ჯაჭვს იმ თანმიმდევრობის შესაბამისად, რომელიც აღწერილი იყო სტეინისა და მურის მიერ. შედეგად მან მიიღო ცილა, რომლის თვისებებიც იდენტური იყო პანკრეასის რიბონუკლეაზას A. რიბონუკლეაზას სტრუქტურის აღმოჩენისთვის ვ.შტეინს, ს.მურს და კ.ანფინსენს მიენიჭათ ნობელის პრემია 1972 წელს. ბუნებრივი ცილის ეს სინთეზი ხსნის დიდ პერსპექტივებს, რაც მიუთითებს ნებისმიერი ცილის შექმნის შესაძლებლობაზე წინასწარ დაგეგმილი თანმიმდევრობის მიხედვით.

W. Astbury-ის (1933) რენტგენის დიფრაქციული კვლევებიდან მოჰყვა, რომ ცილის მოლეკულების პეპტიდური ჯაჭვები გრეხილი ან დაწყობილია გარკვეული მკაცრად განსაზღვრული გზით. იმ დროიდან მოყოლებული, ბევრმა ავტორმა გამოთქვა სხვადასხვა ჰიპოთეზა ცილის ჯაჭვების დასაკეცი მეთოდების შესახებ, მაგრამ 1951 წლამდე ყველა მოდელი დარჩა სპეკულაციური კონსტრუქციები, რომლებიც არ შეესაბამებოდა ექსპერიმენტულ მონაცემებს. 1951 წელს ლ.პაულინგმა და რ.კორიმ გამოაქვეყნეს ბრწყინვალე ნაშრომების სერია, რომელშიც საბოლოოდ ჩამოყალიბდა ცილების მეორადი სტრუქტურის თეორია - α-სპირალის თეორია. ამასთან, ცნობილი გახდა, რომ ცილებს ასევე აქვთ მესამეული სტრუქტურა: პეპტიდური ჯაჭვის α-სპირალი შეიძლება დაკეცოს გარკვეული გზით, რაც საკმაოდ კომპაქტურ სტრუქტურას ქმნის.

1957 წელს ჯ. კენდრიუმ და მისმა კოლეგებმა პირველად შემოგვთავაზეს მიოგლობინის სტრუქტურის სამგანზომილებიანი მოდელი. შემდეგ ეს მოდელი დაიხვეწა რამდენიმე წლის განმავლობაში, სანამ 1961 წელს არ გამოჩნდა ამ ცილის სივრცითი სტრუქტურის დამახასიათებელი საბოლოო სამუშაო. 1959 წელს მ.პერუცმა და თანამშრომლებმა დაადგინეს ჰემოგლობინის სამგანზომილებიანი სტრუქტურა. მკვლევარებმა ამ სამუშაოზე 20 წელზე მეტი დახარჯეს (ჰემოგლობინის პირველი რენტგენის სურათები მიიღო პერუცმა 1937 წელს). მას შემდეგ, რაც ჰემოგლობინის მოლეკულა შედგება ოთხი ქვედანაყოფისგან, მისი ორგანიზაციის გაშიფვრის შემდეგ, პერუცი იყო პირველი, ვინც აღწერა ცილის მეოთხეული სტრუქტურა. ცილების სამგანზომილებიანი სტრუქტურის განსაზღვრაზე მუშაობისთვის კენდრიუს და პერუცს მიენიჭათ ნობელის პრემია 1962 წელს.

პერუცის მიერ ჰემოგლობინის სტრუქტურის სივრცითი მოდელის შექმნა ნებადართულია. ამ ცილის ფუნქციონირების მექანიზმის გაგებასთან მიახლოება, რომელიც ცნობილია ცხოველთა უჯრედებში ჟანგბადის გადასატანად. ჯერ კიდევ 1937 წელს ფ.გაუროვიცი მივიდა დასკვნამდე, რომ ჰემოგლობინის ურთიერთქმედება ჟანგბადთან და ჰაერთან უნდა ახლდეს ცილის სტრუქტურის ცვლილებას. 60-იან წლებში პერუცმა და მისმა კოლეგებმა აღმოაჩინეს ჰემოგლობინის ჯაჭვების შესამჩნევი გადაადგილება მისი დაჟანგვის შემდეგ, რაც გამოწვეული იყო რკინის ატომების გადანაცვლებით ჟანგბადთან შეკავშირების შედეგად. ამის საფუძველზე ჩამოყალიბდა იდეები ცილის მაკრომოლეკულების „სუნთქვის“ შესახებ.

1960 წელს დ. ფილიპსმა და მისმა თანამშრომლებმა დაიწყეს ლიზოზიმის მოლეკულის რენტგენის დიფრაქციული კვლევები. 1967 წლისთვის მათ მეტ-ნაკლებად ზუსტად დაადგინეს ამ ცილის ორგანიზაციის და მის მოლეკულაში ცალკეული ატომების ლოკალიზაციის დეტალები. გარდა ამისა, ფილიპსმა გაარკვია სუბსტრატში ლიზოზიმის დამატების ბუნება (ტრიაცეტილგლუკოზამინი). ამან შესაძლებელი გახადა ამ ფერმენტის მოქმედების მექანიზმის ხელახლა შექმნა. ამრიგად, პირველადი სტრუქტურისა და მაკრომოლეკულური ორგანიზაციის ცოდნამ შესაძლებელი გახადა არა მხოლოდ მრავალი ფერმენტის აქტიური ცენტრების ბუნების დადგენა, არამედ ამ მაკრომოლეკულების ფუნქციონირების მექანიზმის სრულად გამოვლენა.

ელექტრონული მიკროსკოპის მეთოდების გამოყენებამ ხელი შეუწყო ისეთი რთული ცილოვანი წარმონაქმნების მაკრომოლეკულური ორგანიზაციის პრინციპების გამოვლენას, როგორიცაა კოლაგენის ძაფები, ფიბრინოგენი, შეკუმშვადი კუნთების ფიბრილები და ა.შ. V. A. Engelhardt და M. N. Lyubimova (1939) მიერ მიოზინის ATPase აქტივობის აღმოჩენას განსაკუთრებული მნიშვნელობა ჰქონდა კუნთების შეკუმშვის მექანიზმის გასაგებად. ეს ნიშნავს, რომ კუნთების შეკუმშვის აქტის საფუძველი იყო კონტრაქტული ცილის ფიზიკურ-ქიმიური თვისებებისა და მაკრომოლეკულური ორგანიზაციის ცვლილება ადენოზინტრიფოსფორის მჟავის გავლენის ქვეშ (იხ. აგრეთვე თავი 11).

ბიოლოგიური სტრუქტურების შეკრების პრინციპების გასაგებად, ვირუსოლოგიური კვლევები აუცილებელი იყო (იხ. თავი 25).

გადაუჭრელი პრობლემები

ძირითადი მიღწევები თანამედროვე მოლეკულურ ბიოლოგიაში მიღწეულია ძირითადად ნუკლეინის მჟავების შესწავლის შედეგად. თუმცა, ამ სფეროშიც კი, ყველა პრობლემა ჯერ არ არის მოგვარებული. კერძოდ, გენომის მთელი ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის გაშიფვრა დიდ ძალისხმევას მოითხოვს. ეს პრობლემა, თავის მხრივ, განუყოფლად არის დაკავშირებული დნმ-ის ჰეტეროგენურობის პრობლემასთან და მოითხოვს ახალი მოწინავე მეთოდების შემუშავებას ცალკეული მოლეკულების ფრაქციებისა და უჯრედის მთლიანი გენეტიკური მასალისგან იზოლაციისთვის.

აქამდე ძალისხმევა ძირითადად ორიენტირებული იყო ცილების და ნუკლეინის მჟავების ცალკეულ შესწავლაზე. უჯრედში ეს ბიოპოლიმერები განუყოფლად არის დაკავშირებული ერთმანეთთან და ფუნქციონირებს ძირითადად ნუკლეოპროტეინების სახით. ამიტომ, ახლა განსაკუთრებით მწვავე გახდა ცილებისა და ნუკლეინის მჟავების ურთიერთქმედების შესწავლის აუცილებლობა. წინა პლანზე დგება ნუკლეინის მჟავების გარკვეული მონაკვეთების ცილების მიერ ამოცნობის პრობლემა. უკვე გადაიდგა ნაბიჯები ამ ბიოპოლიმერების ამ ურთიერთქმედების შესასწავლად, რომლის გარეშეც წარმოუდგენელია ქრომოსომების, რიბოზომების და სხვა სტრუქტურების სტრუქტურისა და ფუნქციების სრული გაგება. ამის გარეშე ასევე შეუძლებელია გენის აქტივობის რეგულირების გაგება და საბოლოოდ ცილის სინთეზირების მექანიზმების მოქმედების პრინციპების გაშიფვრა. იაკობისა და მონოდის მუშაობის შემდეგ გამოჩნდა ახალი მონაცემები მემბრანების მარეგულირებელი მნიშვნელობის შესახებ ბირთვული მასალის სინთეზში. ეს დნმ-ის რეპლიკაციის რეგულირებაში მემბრანების როლის უფრო ღრმა შესწავლის ამოცანას აყენებს. ზოგადად, გენის აქტივობის და ზოგადად უჯრედული აქტივობის რეგულირების პრობლემა თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგიის ერთ-ერთ უმნიშვნელოვანეს პრობლემად იქცა.

ბიოფიზიკის ამჟამინდელი მდგომარეობა

ბიოფიზიკა განვითარდა მოლეკულური ბიოლოგიის პრობლემებთან მჭიდრო კავშირში. ბიოლოგიის ამ სფეროსადმი ინტერესი გააქტიურდა, ერთის მხრივ, სხეულზე სხვადასხვა სახის გამოსხივების ზემოქმედების ყოვლისმომცველი შესწავლის აუცილებლობით და, მეორე მხრივ, ფიზიკური და ფიზიკურ-ქიმიური შესწავლის აუცილებლობით. მოლეკულურ დონეზე წარმოქმნილი ცხოვრებისეული ფენომენების საფუძვლები.

მოლეკულური სტრუქტურებისა და მათში მიმდინარე პროცესების შესახებ ზუსტი ინფორმაციის მოპოვება შესაძლებელი გახდა ახალი დახვეწილი ფიზიკოქიმიური მეთოდების გამოყენების შედეგად. ელექტროქიმიის მიღწევებზე დაყრდნობით შესაძლებელი გახდა ბიოელექტრული პოტენციალების გაზომვის მეთოდის დახვეწა იონშერჩევითი ელექტროდების გამოყენებით (გ. ეიზენმანი, ბ.პ. ნიკოლსკი, ხური, 50-60-იანი წწ.). ინფრაწითელი სპექტროსკოპია (ლაზერული მოწყობილობების გამოყენებით) სულ უფრო და უფრო შემოდის პრაქტიკაში, რაც შესაძლებელს ხდის ცილების კონფორმაციული ცვლილებების შესწავლას (I. Plotnikov, 1940). ღირებულ ინფორმაციას გვაწვდის აგრეთვე ელექტრონის პარამაგნიტური რეზონანსის მეთოდი (E.K. Zavoisky, 1944) და ბიოქიმიოლუმინესცენტური მეთოდი (B.N. Tarusov et al., 1960), რაც საშუალებას იძლევა, კერძოდ, ვიმსჯელოთ ელექტრონების ტრანსპორტირებაზე ჟანგვითი პროცესების დროს.

50-იანი წლებისთვის ბიოფიზიკა უკვე ძლიერ პოზიციას იკავებდა. საჭიროა კვალიფიციური სპეციალისტების მომზადება. თუ 1911 წელს ევროპაში მხოლოდ პეცის უნივერსიტეტში, უნგრეთში, იყო ბიოფიზიკის განყოფილება, მაშინ 1973 წლისთვის ასეთი განყოფილებები არსებობს თითქმის ყველა დიდ უნივერსიტეტში.

1960 წელს მოეწყო ბიოფიზიკის საერთაშორისო საზოგადოება. 1961 წლის აგვისტოში სტოკჰოლმში გაიმართა პირველი საერთაშორისო ბიოფიზიკური კონგრესი. მეორე კონგრესი ჩატარდა 1965 წელს პარიზში, მესამე 1969 წელს ბოსტონში, მეოთხე 1972 წელს მოსკოვში.

ბიოფიზიკაში მკაფიო განსხვავებაა შენარჩუნებული სხვადასხვა შინაარსის ორ სფეროს შორის - მოლეკულური ბიოფიზიკა და უჯრედული ბიოფიზიკა. ეს განსხვავება ასევე იღებს ორგანიზაციულ გამოხატულებას: იქმნება ბიოფიზიკის ამ ორი სფეროს ცალკეული განყოფილებები. მოსკოვის უნივერსიტეტში ბიოფიზიკის პირველი განყოფილება შეიქმნა 1953 წელს ბიოლოგიისა და ნიადაგების ფაკულტეტზე, ცოტა მოგვიანებით კი ფიზიკის ფაკულტეტზე წარმოიშვა ბიოფიზიკის განყოფილება. იგივე პრინციპით ორგანიზებული იყო განყოფილებები ბევრ სხვა უნივერსიტეტში.

მოლეკულური ბიოფიზიკა

ბოლო წლების განმავლობაში, კავშირი მოლეკულურ ბიოფიზიკასა და მოლეკულურ ბიოლოგიას შორის სულ უფრო ძლიერდება და ახლა ზოგჯერ რთულია იმის დადგენა, თუ სად არის მათ შორის საზღვარი. მემკვიდრეობითი ინფორმაციის პრობლემაზე ზოგადი შეტევისას, ასეთი თანამშრომლობა ბიოფიზიკასა და მოლეკულურ ბიოლოგიას შორის გარდაუვალია.

კვლევითი სამუშაოების ძირითადი მიმართულებაა ნუკლეინის მჟავების - დნმ და რნმ-ის ფიზიკის შესწავლა. ზემოაღნიშნული მეთოდების გამოყენებამ და, უპირველეს ყოვლისა, რენტგენის დიფრაქციულმა ანალიზმა ხელი შეუწყო ნუკლეინის მჟავების მოლეკულური სტრუქტურის გაშიფვრას. ამჟამად მიმდინარეობს ინტენსიური კვლევა ხსნარებში ამ მჟავების ქცევის შესასწავლად. განსაკუთრებული ყურადღება ეთმობა სპირალ-კოჭის კონფორმაციულ გადასვლებს, რომლებიც შესწავლილია სიბლანტის, ოპტიკური და ელექტრული პარამეტრების ცვლილებებით. მუტაგენეზის მექანიზმების შესწავლასთან დაკავშირებით მუშავდება კვლევა მაიონებელი გამოსხივების გავლენის შესასწავლად ხსნარებში ნუკლეინის მჟავების ქცევაზე, აგრეთვე რადიაციის გავლენის შესახებ ვირუსების და ფაგების ნუკლეინის მჟავებზე. ულტრაიისფერი გამოსხივების გავლენა, რომლის ზოგიერთი სპექტრული რეგიონი, როგორც ცნობილია, კარგად შეიწოვება ნუკლეინის მჟავებით, დაექვემდებარა ყოვლისმომცველ ანალიზს. ამ ტიპის კვლევაში დიდი წილი აქვს ნუკლეინის მჟავებისა და ცილების აქტიური რადიკალების გამოვლენას ელექტრონული პარამაგნიტური რეზონანსით. ამ მეთოდის გამოყენება დაკავშირებულია მთელი დამოუკიდებელი მიმართულების გაჩენასთან.

დნმ-ისა და რნმ-ის ინფორმაციის კოდირების და ცილების სინთეზის დროს მისი გადაცემის პრობლემა დიდი ხანია აინტერესებს მოლეკულურ ბიოფიზიკას და ფიზიკოსებს არაერთხელ გამოუთქვამთ გარკვეული მოსაზრებები ამ საკითხთან დაკავშირებით (E. Schrödinger, G. Gamow). გენეტიკური კოდის გაშიფვრამ საფუძველი ჩაუყარა მრავალრიცხოვან თეორიულ და ექსპერიმენტულ კვლევას დნმ-ის სპირალის სტრუქტურაზე, მისი ძაფების სრიალისა და გადახვევის მექანიზმზე და ამ პროცესებში მონაწილე ფიზიკური ძალების შესწავლაზე.

მოლეკულური ბიოფიზიკა მნიშვნელოვან დახმარებას უწევს მოლეკულურ ბიოლოგიას ცილის მოლეკულების სტრუქტურის შესწავლაში რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის გამოყენებით, რომელიც პირველად გამოიყენა 1930 წელს ჯ.ბერნალმა. ბიოქიმიურ (ფერმენტულ მეთოდებთან) კომბინაციაში ფიზიკური მეთოდების გამოყენების შედეგად გამოვლინდა რიგ ცილებში ამინომჟავების მოლეკულური კონფორმაცია და თანმიმდევრობა.

თანამედროვე ელექტრონული მიკროსკოპის კვლევებმა, რომლებმაც გამოავლინეს უჯრედებში და მის ორგანელებში რთული მემბრანული სისტემების არსებობა, აღძრა მათი მოლეკულური სტრუქტურის გაგების მცდელობები (იხ. თავები 10 და 11). შესწავლილია მემბრანების ინტრავიტალური ქიმიური შემადგენლობა და, კერძოდ, მათი ლიპიდების თვისებები. აღმოჩნდა, რომ ამ უკანასკნელებს შეუძლიათ პეროქსიდაციის და არაფერმენტული ჯაჭვის ჟანგვის რეაქციები (Yu. A. Vladimirov and F. F. Litvin, 1959; B. N. Tarusov et al., 1960; I. I. Ivanov, 1967), რაც იწვევს მემბრანის ფუნქციების დარღვევას. მემბრანების შემადგენლობის შესასწავლად გამოყენებული იქნა მათემატიკური მოდელირების მეთოდებიც (ვ. ც. პრესმანი, 1964 - 1968; მ. მ. შემიაკინი, 1967; იუ. ა. ოვჩინნიკოვი, 1972).

უჯრედული ბიოფიზიკა

ბიოფიზიკის ისტორიაში მნიშვნელოვანი მოვლენა იყო 50-იან წლებში ბიოლოგიური პროცესების თერმოდინამიკის შესახებ ნათელი იდეების ჩამოყალიბება, რის შედეგადაც ცოცხალ უჯრედებში დამოუკიდებელი ენერგიის წარმოქმნის შესაძლებლობის შესახებ ვარაუდები, თერმოდინამიკის მეორე კანონის საწინააღმდეგოდ, საბოლოოდ აღმოიფხვრა. ბიოლოგიურ სისტემებში ამ კანონის მოქმედების გაგება დაკავშირებულია ბელგიელი მეცნიერის I. Prigogine (1945) * ბიოლოგიურ თერმოდინამიკაში ღია სისტემების ცნების შემოღებასთან, რომლებიც ცვლის ენერგიას და მატერიას გარე გარემოსთან. პრიგოჟინმა აჩვენა, რომ სამუშაო პროცესების დროს ცოცხალ უჯრედებში ყალიბდება დადებითი ენტროპია თერმოდინამიკის მეორე კანონის შესაბამისად. მის მიერ შემოღებულმა განტოლებებმა განსაზღვრა პირობები, რომლებშიც წარმოიქმნება ეგრეთ წოდებული სტაციონარული მდგომარეობა (ადრე მას ასევე ეძახდნენ დინამიურ წონასწორობას), რომელშიც უჯრედებში საკვებით შემავალი თავისუფალი ენერგიის რაოდენობა (ნეგენტროპია) ანაზღაურებს მის მოხმარებას, ხოლო დადებითი ენტროპია არის ამოღებულია. ამ აღმოჩენამ გააძლიერა ზოგადი ბიოლოგიური იდეა უჯრედების გარე და შიდა გარემოს შორის განუყოფელი კავშირის შესახებ. მან საფუძველი ჩაუყარა ცოცხალი სისტემების თერმოდინამიკის რეალურ შესწავლას, მოდელირების მეთოდის ჩათვლით (A. Burton, 1939; A. G. Pasynsky, 1967).

* (ღია სისტემების ზოგადი თეორია პირველად წამოაყენა ლ.ბერტალანფიმ 1932 წელს.)

ბიოთერმოდინამიკის ძირითადი პრინციპის თანახმად, სიცოცხლის არსებობის აუცილებელი პირობაა სტაციონალურობა მისი ბიოქიმიური პროცესების განვითარებაში, რომლის განხორციელება მოითხოვს მრავალი მეტაბოლური რეაქციის სიჩქარის კოორდინაციას. ახალი ბიოფიზიკური თერმოდინამიკის საფუძველზე, გაჩნდა მიმართულება, რომელიც განსაზღვრავს გარე და შიდა ფაქტორებს, რომლებიც უზრუნველყოფენ რეაქციების ამ კოორდინაციას და ხდის მას სტაბილურს. ბოლო ორი ათწლეულის განმავლობაში გამოვლინდა მთავარი როლი ინჰიბიტორების და განსაკუთრებით ანტიოქსიდანტების სისტემის სტაციონარული მდგომარეობის შენარჩუნებაში (B.N. Tarusov and A.I. Zhuravlev, 1954, 1958). დადგენილია, რომ სტაციონარული განვითარების საიმედოობა დაკავშირებულია გარემო ფაქტორებთან (ტემპერატურა) და უჯრედული გარემოს ფიზიკოქიმიურ თვისებებთან.

ბიოთერმოდინამიკის თანამედროვე პრინციპებმა შესაძლებელი გახადა ადაპტაციის მექანიზმის ფიზიკური და ქიმიური ინტერპრეტაცია. ჩვენი მონაცემებით, გარემო პირობებთან ადაპტაცია შეიძლება მოხდეს მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მათი ცვლილებისას ორგანიზმს შეუძლია დაამყაროს სტაციონარული ბიოქიმიური რეაქციების განვითარებაში (B. N. Tarusov, 1974). გაჩნდა კითხვა ახალი მეთოდების შემუშავების შესახებ, რომელიც საშუალებას მისცემს სტაციონარული მდგომარეობის ინტრავიტალურად შეფასებას და მისი შესაძლო დარღვევების პროგნოზირებას. ბიოთერმოდინამიკაში თვითრეგულირებადი სისტემების კიბერნეტიკური პრინციპების დანერგვა და ბიოლოგიური ადაპტაციის პროცესების კვლევა დიდ სარგებელს გვპირდება. გაირკვა, რომ სტაბილური მდგომარეობის სტაბილურობის საკითხის გადასაჭრელად, მნიშვნელოვანია გავითვალისწინოთ ეგრეთ წოდებული შემაშფოთებელი ფაქტორები, რომლებიც მოიცავს, კერძოდ, ლიპიდების დაჟანგვის არაფერმენტულ რეაქციებს. ბოლო დროს სულ უფრო ფართოვდება კვლევა ცოცხალი უჯრედების ლიპიდურ ფაზებში პეროქსიდაციის პროცესების და აქტიური რადიკალების პროდუქტების ზრდის შესახებ, რომლებიც არღვევენ მემბრანების მარეგულირებელ ფუნქციებს. ამ პროცესების შესახებ ინფორმაციის წყაროა აქტიური პეროქსიდური რადიკალების და ბიოლიპიდების პეროქსიდური ნაერთების აღმოჩენა (A. Tappel, 1965; I. I. Ivanov, 1965; E. B. Burlakova, 1967 და სხვ.). რადიკალების გამოსავლენად გამოიყენება ბიოქიმილუმინესცენცია, რომელიც წარმოიქმნება ცოცხალი უჯრედების ლიპიდებში მათი რეკომბინაციის დროს.

სტაციონარული მდგომარეობის სტაბილურობის შესახებ ფიზიკურ-ქიმიურ იდეებზე დაყრდნობით, წარმოიშვა ბიოფიზიკური იდეები მცენარეების ადაპტაციის შესახებ გარემო პირობების ცვლილებებთან, როგორც ინჰიბიტორული ანტიოქსიდანტური სისტემების დარღვევა (B. N. Tarusov, Ya. E. Doskoch, B. M. Kitlaev, A. M. Agaverdiev, 1968 - 1972). ამან გახსნა ისეთი თვისებების შეფასების შესაძლებლობა, როგორიცაა ყინვაგამძლეობა და მარილის ტოლერანტობა, ასევე შესაბამისი პროგნოზების გაკეთება სასოფლო-სამეურნეო მცენარეების მოშენებისას.

50-იან წლებში აღმოაჩინეს ულტრა სუსტი ბზინვარება - რიგი ბიოლოგიური ობიექტების ბიოქიმიოლუმინესცენცია სპექტრის ხილულ და ინფრაწითელ ნაწილებში (ბ. ნ. ტარუსოვი, ა. ი. ჟურავლევი, ა. ი. პოლივოდა). ეს შესაძლებელი გახდა ულტრა სუსტი სინათლის ნაკადების ჩაწერის მეთოდების შემუშავების შედეგად ფოტომულტიპლიკატორების გამოყენებით (L. A. Kubetsky, 1934). როგორც ცოცხალ უჯრედში წარმოქმნილი ბიოქიმიური რეაქციების შედეგი, ბიოქიმილუმინესცენცია შესაძლებელს ხდის ვიმსჯელოთ ფერმენტებს შორის ელექტრონების გადაცემის ჯაჭვებში მნიშვნელოვანი ჟანგვითი პროცესების შესახებ. ბიოქიმიოლუმინესცენციის აღმოჩენასა და შესწავლას დიდი თეორიული და პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს. ამრიგად, B.N. Tarusov და Yu.B. Kudryashov აღნიშნავენ უჯერი ცხიმოვანი მჟავების ჟანგვის პროდუქტების დიდ როლს მაიონებელი გამოსხივების გავლენის ქვეშ განვითარებული პათოლოგიური პირობების წარმოქმნის მექანიზმში, კანცეროგენეზის დროს და უჯრედების ნორმალური ფუნქციების სხვა დარღვევების დროს.

50-იან წლებში, ბირთვული ფიზიკის სწრაფ განვითარებასთან დაკავშირებით, ბიოფიზიკიდან წარმოიშვა რადიობიოლოგია, რომელიც სწავლობს მაიონებელი გამოსხივების ბიოლოგიურ ეფექტებს. ხელოვნური რადიოაქტიური იზოტოპების წარმოებამ, თერმობირთვული იარაღის, ბირთვული რეაქტორების შექმნამ და ატომური ენერგიის პრაქტიკული გამოყენების სხვა ფორმების შემუშავებამ წარმოშვა ორგანიზმების მაიონებელი გამოსხივების მავნე ზემოქმედებისგან დაცვის მწვავე პრობლემა, პრევენციის თეორიული საფუძვლების შემუშავება. რადიაციული დაავადების მკურნალობა. ამისათვის, პირველ რიგში, საჭირო იყო გაერკვია, რომელი უჯრედის კომპონენტები და მეტაბოლური რგოლებია ყველაზე დაუცველი.

ბიოფიზიკისა და რადიობიოლოგიის შესწავლის ობიექტი იყო პირველადი ქიმიური რეაქციების ბუნების გარკვევა, რომლებიც წარმოიქმნება ცოცხალ სუბსტრატებში რადიაციული ენერგიის გავლენის ქვეშ. აქ მნიშვნელოვანი იყო არა მხოლოდ ამ ფენომენის მექანიზმების გაგება, არამედ იმის შესაძლებლობა, რომ გავლენა მოახდინოს ფიზიკური ენერგიის გაცვლის პროცესზე ქიმიურ ენერგიაზე და შეამციროს მისი "სასარგებლო" მოქმედების კოეფიციენტი. ამ მიმართულებით მუშაობა დაიწყო ნ.ნ.სემენოვის (1933) სკოლის კვლევით სსრკ-ში და დ.ჰინშელვუდის (1935 წ.) ინგლისში.

რადიობიოლოგიურ კვლევაში დიდი ადგილი დაიკავა სხვადასხვა ორგანიზმის რადიაციული წინააღმდეგობის ხარისხის შესწავლამ. აღმოჩნდა, რომ გაზრდილი რადიორეზისტენტობა (მაგალითად, უდაბნოს მღრღნელები) განპირობებულია უჯრედის მემბრანის ლიპიდების მაღალი ანტიოქსიდანტური აქტივობით (M. Chang et al., 1964; N.K. Ogryzov et al., 1969). აღმოჩნდა, რომ ტოკოფეროლები, ვიტამინი K და თიო ნაერთები მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ ამ სისტემების ანტიოქსიდანტური თვისებების ფორმირებაში (I. I. Ivanov et al., 1972). ბოლო წლებში დიდი ყურადღება მიიპყრო მუტაგენეზის მექანიზმების კვლევამ. ამ მიზნით შესწავლილია მაიონებელი გამოსხივების გავლენა ნუკლეინის მჟავების და ცილების ქცევაზე in vitro, ასევე ვირუსებსა და ფაგებში (A. Gustafson, 1945 - 1950).

ამ მიმართულებით ბიოფიზიკის მთავარ ამოცანად რჩება ბრძოლა ქიმიური დაცვის ეფექტურობის შემდგომი გაზრდისთვის, უფრო ეფექტური ინჰიბიტორების ძიება და ინჰიბირების პრინციპები.

წინ წავიდა ბიოპოლიმერების აღგზნებული მდგომარეობის შესწავლა, რომელიც განსაზღვრავს მათ მაღალ ქიმიურ აქტივობას. ყველაზე წარმატებული კვლევები ჩატარდა აღგზნებულ მდგომარეობებზე, რომლებიც წარმოიქმნება ფოტობიოლოგიური პროცესების პირველად ეტაპზე - ფოტოსინთეზი და მხედველობა.

ამრიგად, სოლიდური წვლილი შეიტანა მცენარეთა პიგმენტური სისტემების მოლეკულების პირველადი გააქტიურების გაგებაში. დადგენილია აღგზნებული მდგომარეობების ენერგიის გადაცემის (მიგრაციის) დიდი მნიშვნელობა გააქტიურებული პიგმენტებიდან სხვა სუბსტრატებზე დანაკარგის გარეშე. ამ იდეების განვითარებაში დიდი როლი ითამაშა A.N.Terenin-ის (1947 და შემდეგ) თეორიულმა ნაშრომებმა. A.A. Krasnovsky (1949) აღმოაჩინა და შეისწავლა ქლოროფილის და მისი ანალოგების შექცევადი ფოტოქიმიური შემცირების რეაქცია. ახლა არსებობს ზოგადი რწმენა, რომ უახლოეს მომავალში შესაძლებელი იქნება ფოტოსინთეზის რეპროდუცირება ხელოვნურ პირობებში (იხ. აგრეთვე თავი 5).

ბიოფიზიკოსები აგრძელებენ მუშაობას კუნთების შეკუმშვის ბუნებისა და ნერვული აგზნებისა და გამტარობის მექანიზმების გამოსავლენად (იხ. თავი 11). აქტუალური მნიშვნელობა შეიძინა ასევე აღგზნებული მდგომარეობიდან ნორმალურ მდგომარეობაში გადასვლის მექანიზმების კვლევამ. აღგზნებული მდგომარეობა ახლა განიხილება როგორც ავტოკატალიტიკური რეაქციის შედეგად, ხოლო ინჰიბირება, როგორც ინჰიბიტორული ანტიოქსიდანტური აქტივობის მკვეთრი მობილიზაციის შედეგად, მოლეკულური გადაწყობის შედეგად ისეთ ნაერთებში, როგორიცაა ტოკოფეროლი (I. I. Ivanov, O. R. Kols, 1966; O. R. Kols, 1970).

ბიოფიზიკის ყველაზე მნიშვნელოვან ზოგად პრობლემად რჩება ცოცხალი ნივთიერების თვისებრივი ფიზიკური და ქიმიური მახასიათებლების ცოდნა. ისეთი თვისებები, როგორიცაა ცოცხალი ბიოპოლიმერების უნარი, შერჩევით შეაერთონ კალიუმი ან ელექტრული დენის პოლარიზაცია, არ შეიძლება შენარჩუნდეს ორგანიზმიდან ყველაზე ფრთხილად მოცილების შემთხვევაშიც კი. ამრიგად, უჯრედული ბიოფიზიკა აგრძელებს ცოცხალი მატერიის ინტრავიტალური კვლევის კრიტერიუმებისა და მეთოდების ინტენსიურად შემუშავებას.

მოლეკულური ბიოლოგიის ახალგაზრდობის მიუხედავად, ამ სფეროში მიღწეული წარმატებები ნამდვილად განსაცვიფრებელია. შედარებით მოკლე დროში დადგინდა გენის ბუნება და მისი ორგანიზების, რეპროდუქციისა და ფუნქციონირების ძირითადი პრინციპები. მეტიც, განხორციელდა არა მხოლოდ გენების გამრავლება in vitro, არამედ პირველად დასრულდა თავად გენის სრული სინთეზიც. გენეტიკური კოდი მთლიანად გაშიფრულია და მოგვარებულია ცილების ბიოსინთეზის სპეციფიკის ყველაზე მნიშვნელოვანი ბიოლოგიური პრობლემა. გამოვლენილი და შესწავლილია უჯრედში ცილის წარმოქმნის ძირითადი გზები და მექანიზმები. მრავალი სატრანსპორტო რნმ-ის პირველადი სტრუქტურა - სპეციფიური ადაპტერის მოლეკულები, რომლებიც თარგმნიან ნუკლეინის მატრიცების ენას სინთეზირებული ცილის ამინომჟავების თანმიმდევრობის ენაზე - სრულად არის განსაზღვრული. ბევრი ცილის ამინომჟავების თანმიმდევრობა მთლიანად გაშიფრულია და ზოგიერთი მათგანის სივრცითი სტრუქტურა დადგენილია. ამან შესაძლებელი გახადა ფერმენტის მოლეკულების ფუნქციონირების პრინციპისა და დეტალების გარკვევა. განხორციელდა ერთ-ერთი ფერმენტის, რიბონუკლეაზის ქიმიური სინთეზი. დადგენილია სხვადასხვა სუბუჯრედული ნაწილაკების, მრავალი ვირუსისა და ფაგის ორგანიზების ძირითადი პრინციპები და უჯრედში მათი ბიოგენეზის ძირითადი გზები. გამოვლინდა მიდგომები გენის აქტივობის რეგულირების გზებისა და სიცოცხლის მარეგულირებელი მექანიზმების გარკვევის შესახებ. ამ აღმოჩენების უკვე მარტივი ჩამონათვალი მიუთითებს, რომ მე-20 საუკუნის მეორე ნახევარი. აღინიშნა ბიოლოგიაში უზარმაზარი პროგრესი, რაც, პირველ რიგში, განპირობებულია ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი მაკრომოლეკულების - ნუკლეინის მჟავების და ცილების სტრუქტურისა და ფუნქციების სიღრმისეული შესწავლით.

მოლეკულური ბიოლოგიის მიღწევები უკვე გამოიყენება პრაქტიკაში და მოაქვს ხელშესახები შედეგები მედიცინაში, სოფლის მეურნეობაში და ზოგიერთ ინდუსტრიაში. ეჭვგარეშეა, რომ ამ მეცნიერების გავლენა ყოველდღიურად გაიზრდება. თუმცა, მთავარი შედეგი მაინც უნდა ჩაითვალოს, რომ მოლეკულური ბიოლოგიის წარმატებების გავლენით გაძლიერდა ნდობა სიცოცხლის ყველაზე ინტიმური საიდუმლოებების გამოვლენის გზაზე შეუზღუდავი შესაძლებლობების არსებობისადმი.

მომავალში, როგორც ჩანს, გაიხსნება ახალი გზები მატერიის მოძრაობის ბიოლოგიური ფორმის შესასწავლად - მოლეკულური დონიდან ბიოლოგია გადავა ატომურ დონეზე. თუმცა, ახლა არ არის, ალბათ, არც ერთი მკვლევარი, რომელსაც შეეძლო მოლეკულური ბიოლოგიის განვითარების რეალური პროგნოზირება მომდევნო 20 წლის განმავლობაშიც კი.

now.nsexy.ru/-ზე დაუვიწყარი დრო გაატარებთ.