Молекулярная биология

Молекулярная биология – Molecular biology

Молекулярная биология / м ə ˈ л ɛ k j ʊ л ər / это филиал биология что касается молекулярный базис биологическая активность в и между клетки, включая молекулярный синтез, модификация, механизмы и взаимодействия. [1] [2] В центральная догма молекулярной биологии описывает процесс, в котором ДНК транскрибируется в РНК, а затем транслируется в белок. [2] [3]

Уильям Эстбери описал молекулярную биологию в 1961 г. Природа, в качестве:

. не столько техника, сколько подход, подход с точки зрения так называемых фундаментальных наук с ведущей идеей поиска под крупномасштабными проявлениями классической биологии соответствующего молекулярного плана. Это особенно касается формы биологических молекул и [. ] является преимущественно трехмерным и структурным, что, однако, не означает, что это просто уточнение морфологии. Он должен одновременно исследовать происхождение и функцию. [4]

Некоторые клинические исследования и медицинские методы лечения, основанные на молекулярной биологии, подпадают под генная терапия тогда как использование молекулярной биологии или молекулярная клеточная биология в медицине теперь называется молекулярная медицина. Молекулярная биология также играет важную роль в понимании образований, действий и регуляций различных частей организма. клетки которые можно использовать для эффективного нацеливания новых наркотики, диагностировать болезнь и понимать физиологию клетки. [5]

Содержание

История

Хотя молекулярная биология стала официальной отраслью науки в 1930-х годах, этот термин появился только в 1938 году. Уоррен Уивер. В то время Уивер был директором естественных наук в Фонд Рокфеллера и считал, что биология вот-вот претерпит значительные изменения из-за последних достижений в области технологий, таких как Рентгеновская кристаллография. [6] [7]

Молекулярная биология возникла как попытка ответить на вопросы о механизмах генетическая наследственность и структура ген. В 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовал двойную спиральную структуру ДНК любезно Рентгеновская кристаллография работа сделана Розалинд Франклин и Морис Уилкинс. Уотсон и Крик описали структуру ДНК и взаимодействия внутри молекулы. Эта публикация дала толчок исследованиям в области молекулярной биологии и повысила интерес к этой теме. [8]

Связь с другими биологическими науками

В следующем списке представлена ​​точка зрения на междисциплинарные отношения между молекулярной биологией и другими смежными областями. [9]

  • Молекулярная биология это изучение молекулярных основ процессов репликация, транскрипция, перевод, и функции клеток. [1]
  • Биохимия изучение химических веществ и жизненно важных процессов, происходящих в живых организмы. Биохимики сосредоточить внимание на роли, функциях и структуре биомолекулы Такие как белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты. [10]
  • Генетика это исследование того, как генетические различия влияют на организмы. Генетика пытается предсказать, как мутации, индивидуальный гены и генетические взаимодействия может повлиять на выражение фенотип[11]

Хотя исследователи практикуют методы, характерные для молекулярной биологии, их обычно комбинируют с методами из генетика и биохимия. Большая часть молекулярной биологии носит количественный характер, и в последнее время значительный объем работы был выполнен с использованием таких методов информатики, как биоинформатика и вычислительная биология. Молекулярная генетика, изучение структуры и функции генов, с начала 2000-х годов входит в число наиболее важных разделов молекулярной биологии. Другие отрасли биологии основаны на молекулярной биологии либо путем непосредственного изучения взаимодействий самих молекул, например, клеточная биология и биология развития, или косвенно, когда молекулярные методы используются для вывода исторических атрибутов население или же разновидность, как в полях в эволюционная биология Такие как популяционная генетика и филогенетика. Также существует давняя традиция обучения биомолекулы “с нуля” или молекулярно в биофизика. [12]

Методы молекулярной биологии

Более подробный список белковых методов см. белковые методы. Более подробный список методов нуклеиновых кислот см. методы нуклеиновой кислоты.

Молекулярное клонирование

Одним из основных методов молекулярной биологии для изучения функции белков является молекулярное клонирование. В этом методе ДНК, кодирующая интересующий белок, клонированный с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) и / или рестрикционные ферменты в плазмида (вектор выражения). Вектор имеет 3 отличительных признака: ориджин репликации, сайт множественного клонирования (MCS) и селективный маркер обычно устойчивость к антибиотикам. Перед сайтом множественного клонирования расположены промоутерские регионы и транскрипция стартовый сайт, который регулирует экспрессию клонированного гена. Эта плазмида может быть вставлена ​​как в бактериальные, так и в животные клетки. Введение ДНК в бактериальные клетки можно осуществить с помощью трансформация за счет поглощения голой ДНК, спряжение через межклеточный контакт или трансдукция через вирусный вектор. Введение ДНК в эукариотический клетки, такие как клетки животных, физическими или химическими способами называются трансфекция. Доступно несколько различных методов трансфекции, таких как трансфекция фосфатом кальция, электропорация, микроинъекция и трансфекция липосом. Плазмида может быть интегрирована в геном, что приводит к стабильной трансфекции или может оставаться независимым от генома, что называется временной трансфекцией. [13] [14]

ДНК, кодирующая интересующий белок, теперь находится внутри клетки, и белок теперь можно выразить. Доступны различные системы, такие как индуцибельные промоторы и специфические клеточные сигнальные факторы, которые помогают экспрессировать представляющий интерес белок на высоких уровнях. Затем из бактериальной или эукариотической клетки можно экстрагировать большие количества белка. Белок может быть протестирован на ферментативную активность в различных ситуациях, белок может быть кристаллизован, поэтому его третичная структура можно изучать, или, в фармацевтической промышленности, можно изучать активность новых лекарств против белка. [15]

Полимеразной цепной реакции

Полимеразной цепной реакции (ПЦР) – чрезвычайно универсальный метод копирования ДНК. Короче говоря, ПЦР позволяет Последовательность ДНК быть скопированным или измененным заранее определенным образом. Реакция чрезвычайно мощная и в идеальных условиях может усилить одну молекулу ДНК до 1,07 миллиарда молекул менее чем за два часа. Метод ПЦР может быть использован для введения сайты рестрикционных ферментов к концам молекул ДНК или для мутации определенных оснований ДНК, последний метод, называемый сайт-направленный мутагенез. ПЦР также можно использовать для определения того, обнаружен ли конкретный фрагмент ДНК в библиотека кДНК. ПЦР имеет множество разновидностей, например ПЦР с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР) для амплификации РНК, а в последнее время количественная ПЦР которые позволяют количественно измерять молекулы ДНК или РНК. [16] [17]

Читайте также:
Мышечная слабость как отдельное заболевание и как симптом

Гель-электрофорез

Гель-электрофорез является одним из основных инструментов молекулярной биологии. Основной принцип состоит в том, что ДНК, РНК и белки можно разделить с помощью электрического поля и размера. В электрофорез в агарозном гелеДНК и РНК можно разделить по размеру, пропустив ДНК через электрически заряженный агарозный гель. Белки можно разделить по размеру с помощью SDS-СТРАНИЦА гель, или в зависимости от размера и их электрический заряд используя то, что известно как 2D гель-электрофорез. [18]

Блоттинг и зондирование макромолекул

Условия северный, западный и восточный блоттинг произошел от того, что изначально было шуткой молекулярной биологии, которая сыграла с этим термином Саузерн-блоттинг, после техники, описанной Эдвин Саузерн для гибридизации блотированной ДНК. Патрисия Томас, разработчик блота РНК, который затем стал известен как северное пятно, на самом деле не использовал этот термин. [19]

Саузерн-блоттинг

Назван в честь изобретателя, биолога. Эдвин Саузерн, то Саузерн-блот представляет собой метод проверки наличия определенной последовательности ДНК в образце ДНК. Образцы ДНК до или после рестрикционный фермент (рестрикционной эндонуклеазой) расщепление разделяют с помощью гель-электрофореза и затем переносят на мембрану путем блоттинга через капиллярное действие. Затем на мембрану воздействуют меченым ДНК-зондом, который имеет последовательность оснований комплемента к последовательности на интересующей ДНК. [20] Саузерн-блоттинг реже используется в лабораторных исследованиях из-за возможностей других методов, таких как ПЦР, чтобы обнаружить конкретные последовательности ДНК из образцов ДНК. Эти кляксы все еще используются для некоторых приложений, например, для измерения трансген копировать номер в трансгенные мыши или в разработке нокаут гена линии эмбриональных стволовых клеток. [21]

Нозерн-блоттинг

В северное пятно используется для изучения паттернов экспрессии конкретного типа молекулы РНК в качестве относительного сравнения между набором различных образцов РНК. По сути, это комбинация денатурирующий гель-электрофорез РНК, а пятно. В этом процессе РНК разделяется по размеру и затем переносится на мембрану, которую затем исследуют меченым дополнять интересующей последовательности. Результаты могут быть визуализированы различными способами в зависимости от используемой метки; однако в большинстве случаев обнаруживаются полосы, представляющие размеры РНК, обнаруженной в образце. Интенсивность этих полос связана с количеством целевой РНК в анализируемых образцах. Эта процедура обычно используется для изучения того, когда и в какой степени происходит экспрессия гена, путем измерения того, сколько этой РНК присутствует в разных образцах. Это один из основных инструментов для определения того, в какое время и при каких условиях определенные гены экспрессируются в живых тканях. [22] [23]

Вестерн-блоттинг

В вестерн-блоттинг, белки сначала разделяются по размеру в тонком геле, зажатом между двумя стеклянными пластинами с помощью метода, известного как SDS-СТРАНИЦА. Затем белки в геле переносятся в поливинилиденфторид (ПВДФ), нитроцеллюлоза, нейлон или другая поддерживающая мембрана. Затем эту мембрану можно исследовать растворами антитела. Антитела, которые специфически связываются с интересующим белком, затем можно визуализировать с помощью различных методов, включая окрашенные продукты, хемилюминесценция, или же авторадиография. Часто антитела помечают ферментами. Когда хемилюминесцентный субстрат подвергается воздействию фермент это позволяет обнаруживать. Использование методов вестерн-блоттинга позволяет не только обнаруживать, но и проводить количественный анализ. Методы, аналогичные вестерн-блоттингу, можно использовать для прямого окрашивания конкретных белков в живых организмах. клетки или же ткань разделы. [24] [25]

Восточный блоттинг

В восточный блоттинг техника используется для обнаружения посттрансляционная модификация белков. Белки, нанесенные на PVDF или нитроцеллюлозную мембрану, исследуются на предмет модификаций с использованием определенных субстратов. [26]

Микрочипы

File:Microarray printing.ogv

Воспроизвести медиа

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ

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

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

Читайте также:
Симптоматика глазных заболеваний и болей в глазах - ТОП 19 самых распространенных болезней и их симптомов, с вариантами лечения

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

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

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

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

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

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

Читайте также:
Преждевременный разрыв оболочек

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

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

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

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ

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

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

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

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

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

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

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

Читайте также:
Синдром Барттера: симптомы, диагноз, прогноз и лечение синдрома Барттера

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

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

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

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

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

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

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

Страница «МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

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

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

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

Читайте также:
Травма спинного мозга у новорожденных

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

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

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

Читайте также:
Повышенные эозинофилы у ребенка - причины, патологии и лечение

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

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

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

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

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

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

Читайте также:
Рак яичников у женщин - симптомы, лечение, прогноз

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

Раздел 1.МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ И ГЕНЕТИКА

Единый государственный экзамен по биологии проводится в целях определения уровня биологической подготовки выпускников и их отбора для поступления в образовательные учреждения среднего профессионального и высшего профессионального образования. Экзамен по биологии относится к числу экзаменов по выбору и ориентирован как на профильный, так и на базовый уровень Федерального компонента государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования 2004 г.

Биологическое образование как важный компонент системы общего образования вносит вклад в формирование научного мировоззрения, гигиенических норм и правил здорового образа жизни, экологической грамотности школьников, их общекультурную подготовку. Эти важные проблемы находят отражение в экзаменационной работе ЕГЭ, включающей задания стандартизированной формы – контрольные измерительные материалы (КИМ). Задания экзаменационной работы содержат сведения о достижениях биологической науки на современном этапе: молекулярной биологии, генной и клеточной инженерии, а также вопросы сохранения биоразнообразия как основы устойчивого развития биосферы, экологических закономерностях и глобальных изменениях на планете и др. Это свидетельствует о достаточно высоком уровне требований к биологической подготовке выпускников, что особенно важно в условиях конкуренции на рынке образовательных услуг. Анализ результатов ЕГЭ по биологии за последние 9 лет позволяет сделать определенные выводы.

• Не все участники экзамена умеют четко формулировать свои мысли и обосновывать выводы.

• Много затруднений возникает у учащихся при работе с рисунками, схемами и текстом.

• У учащихся имеются затруднения при выполнении заданий из области цитологии, молекулярной биологии и генетики, что связано с недостаточным пониманием структуры и принципов реализации наследственной информации.

Выявленные недостатки подготовки выпускников оказались следствием недостаточного знания фактов, слабых навыков анализа, обобщения и синтеза информации.

В школьном курсе общей биологии разделы «Молекулярная биология» и «Генетика» являются наиболее сложными для понимания. Облегчению усвоения этих разделов может способствовать решение задач по молекулярной биологии и генетике разных уровней сложности.

Использование таких задач развивает у обучающихся логическое мышление, позволяет им глубже понять учебный материал по этой теме, дает возможность преподавателям осуществлять эффективный контроль уровня усвоенных знаний.

В сборник включены как типовые задачи по молекулярной биологии, так и задачи повышенного уровня сложности.

В предлагаемом пособии рассматриваются общие принципы решения и оформления задач по молекулярной биологии, предлагаются методические приемы, облегчающие решение.

Значительную часть настоящего сборника занимают задачи, которые чаще всего встречаются в тестах ЕГЭ, что поможет обучающимся разобраться с наиболее сложными заданиями и узнать объективный уровень своих знаний.

Для обучающихся, работающих самостоятельно по данному пособию включен теоретический материал по разделу «Молекулярная биология».

Методическое пособие может быть использовано обучающимися и преподавателями общеобразовательных школ, учебных заведений системы СПО при подготовке к ЕГЭ по биологии, в качестве учебного пособия при проведении спецкурсов, факультативов, а также для самоподготовки и самоконтроля учащихся 11 классов.

Раздел 1.МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ И ГЕНЕТИКА

В 1869 г. швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер впервые обнаружил, выделил из ядер клеток и описал ДНК. Но только в 1944 г. О. Эйвери, С. Маклеодом и М. Макарти была доказана генетическая роль ДНК, т. е. было достоверно установлено, что передача наследственной информации связана с дезоксирибонуклеиновой кислотой. Это открытие явилось мощным фактором, стимулирующим изучение наследственности на молекулярном уровне. С тех пор началось бурное развитие молекулярной биологии и генетики.

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – это природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. В их состав входят: углерод (С), водород (Н), кислород (О), фосфор (Р). Нуклеиновые кислоты представляют собой нерегулярные биополимеры, состоящие из мономеров – нуклеотидов. В состав каждого нуклеотида входят:

· простой углерод – 5-углеродный сахар пентоза (рибоза или дезоксирибоза),

· остаток фосфорной кислоты.

Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК, содержащая дезоксирибозу, и рибонуклеиновая кислота – РНК, содержащая рибозу.

Рассмотрим каждый тип нуклеиновых кислот.

ДНК содержится почти исключительно в ядре клетки, иногда в органоидах: митохондриях, пластидах. ДНК – это полимерное соединение с постоянным (стабильным) содержанием в клетке.

Строение ДНК. По своей структуре молекула ДНК представляет собой две полимерные цепи, соединенные между собой и закрученные в форме двойной спирали (рис. 1).

Создана модель структуры ДНК в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком, за что оба были удостоены Нобелевской премии. Ширина двойной спирали всего около 0,002 мкм (20 ангстрем), зато длина ее исключительно велика – до нескольких десятков и даже сотен микрометров (для сравнения: дли­на самой крупной белковой молекулы в развернутом виде не превышает 0,1 мкм).

Нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии – 0,34 нм, а на один виток спирали приходится 10 нуклеотидов. Молекулярная масса ДНК велика: она составляет десятки, и даже сотни миллионов. Например, молекулярная масса r) самой крупной хромосомы дрозофилы равна 7,9 • 10 10 .

Основной структурной единицей одной цепи является нуклеотид, состоящий из азотистого основания, дезоксирибозы и фосфатной группы. ДНК содержит 4 вида азотистых оснований:

· пуриновые – аденин (А) и гуанин (Г),

· пиримидиновые – цитозин (Ц) и тимин (Т).

Читайте также:
Глисты у взрослых - симптомы и лечение причин лучшими препаратами, профилактика

Суммарное количество пуриновых оснований равно сумме пиримидиновых.

Нуклеотиды ДНК тоже будут 4 видов соответственно: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц) и тимидиловый (Т), Все нуклеотиды ДНК соединены в полинуклеотидную цепь за счет остатков фосфорных кислот, расположенных между дезоксирибозами. В полинуклеотидной цепи может быть до 300 000 и более нуклеотидов.

Таким образом, каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, в котором в строго определенном порядке расположены нуклеотиды. Азотистые основания подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные связи. Четко проявляется в их расположении важная закономерность: аденин (А) одной цепи связан с тимином (Т) другой цепи двумя водородными связями, а гуанин (Г) одной цепи связан тремя водородными связями с цитозином (Ц) другой цепи, в результате чего формируются пары А-Т и Г-Ц. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, т. е. пространственное и химическое соответствие между парами нуклеотидов (см. рис. 2).

Последовательность соединения нуклеотидов одной цепи противоположна (комплементарна) таковой в другой, т. е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправлены, или антипараллельны. Цепи закручиваются вокруг друг друга и образуют двойную спираль. Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК и придает молекуле устойчивость, сохраняя в то же время ее подвижность – под влиянием ферментов она легко раскручивается (деспирализуется).

Репликация ДНК (редупликация ДНК) – процесс самовоспроизведения (самоудвоения) макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению.

Репликация ДНК происходит в период интерфазы перед клеточным делением. Материнская молекула ДНК (количество цепей ДНК в клетке равно 2n) под действием ферментов раскручивается с одного конца, а затем из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности на обеих цепях достраиваются дочерние полинуклеотидные цепи. В результате матричных реакций возникают две одинаковые по нуклеотидному составу дочерние молекулы ДНК, в которых одна из цепей старая материнская, а другая – новая, вновь синтезированная (количество ДНК в клетке становится равным 4n = 2 X 2n).

Функции ДНК.

1. Хранение наследственной информации о структуре белков или отдельных ее органоидов. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида – триплет. Последовательность триплетов в полинуклеотидной цепи определяет последовательность расположения аминокислот одной белковой молекулы (первичную структуру белка) и представляет собой ген. Вместе с белками ДНК входят в состав хроматина, вещества, из которого состоят хромосомы ядра клетки.

2. Передача наследственной информации в результате репликаций при клеточном делении от материнской клетки – дочерним.

3. Реализация наследственной информации (хранящейся в виде генов) в результате матричных реакций биосинтеза через выработку специфических для клетки и организма белков. При этом на одной из ее цепей по принципу комплементарности из нуклеотидов окружающей молекулу среды синтезируются молекулы информационной РНК.

РНК – соединение с колеблющимся (лабильным) содержанием в клетке.

Строение РНК. По своей структуре молекулы РНК менее крупные, чем молекулы ДНК с молекулярной массой от 20-30 тыс. (тРНК) до 1 млн (рРНК), РНК – одноцепочечная молекула, построенная так же, как и одна из цепей ДНК. Мономеры РНК – нуклеотиды состоят из азотистого основания, рибозы (пентозы) и фосфатной группы. РНК содержит 4 азотистых основания:

· пуриновые – аденин (А);

· пиримидиновые – гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У).

В РНК тимин заменен на близкий к нему по строению урацил (нуклеотид – уридиловый. Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь так же, как и в ДНК, за счет остатков фосфорных кислот, расположенных между рибозами.

По месту нахождения в клетке среди РНК выделяют: ядерные, цитоплазматические, митохондриальные, пластидные.

По выполняемым функциям среди РНК выделяют: транспортные, информационные и рибосомные.

Транспортные РНК (тРНК) – одноцепочечные, но имеющие трехмерную структуру «клеверный лист», созданную внутримолекулярными водородными связями (рис. 3). Молекулы тРНК – самые короткие. Состоят из 80-100 нуклеотидов. На их долю приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Они переносят активированные аминокислоты (каждая тРНК свою аминокислоту, всего известно 61 тРНК) к рибосомам при биосинтезе белка в клетке».

Информационная (матричная) РНК (иРНК, мРНК) – одноцепочечная молекула, которая образуется в результате транскрипции на молекуле ДНК (копирует гены) в ядре и несет информацию о первичной структуре одной белковой молекулы к месту синтеза белка в рибосомах. Молекула иРНК может состоять из 300-3000 нуклеотидов. На долю иРНК приходится 0,5-1% от общего содержания РНК в клетке.

Рибосомные РНК (рРНК) – самые крупные одноцепочечные молекулы, образующие вместе с белками сложные комплексы, поддерживающие структуру рибосом, на которых идет синтез белка.

На долю рРНК приходится около 90% от общего содержания РНК в клетке.

Вся генетическая информация организма (структура его белков), заключена в его ДНК, состоящей из нуклеотидов, объединенных в гены. Напомним, что ген – единица наследственной информации (участок молекулы ДНК), содержащая информацию о структуре одного белка – фермента. Гены, обусловливающие свойства организмов, называют структурными. А гены, которые регулируют проявление структурных генов, называют регуляторными. Проявление (экспрессия) гена (реализация наследственной информации) происходит следующим образом:

Для осуществления экспрессии гена существует генетический код – строго упорядоченная зависимость между основаниями нуклеотидов и аминокислотами (табл. 12).

Молекулярная биология

(ен) Геометрия ДНК двойной спирали B , показывающий незначительные и основную канавку, а также детали двух типов пар оснований : тимин – аденина в верхней и цитозина – гуанин в нижней части.

Молекулярной биологии (иногда сокращенно био. Mol.) Является ли научная дисциплина на стыке генетики , в биохимии и физики , целью которой является понимание действующих механизмов клетки на молекулярном уровне. Термин «молекулярная биология», впервые использованный в 1938 году Уорреном Уивером , также обозначает все методы манипулирования нуклеиновыми кислотами ( ДНК , РНК ), также называемые методами генной инженерии .

Молекулярная биология появилась в XX – го века , после разработки законов генетики, открытия хромосом и идентификации ДНК в качестве химического носителя генетической информации .

Читайте также:
Зуд десен у взрослых и детей - причины и лечение

Молекулярная микробиология развивается во второй половине XX – го века и следует микробиологии Пастера с помощью обычных инструментов ( выделение и рост на культуральной среде , микроскопических наблюдений и т.д.). Он использует « омические » подходы ( геномика , транскриптомика , протеомика , метаболомика ) молекулярной биологии для более детального изучения клеток микроорганизмов .

Резюме

История

Молекулярная биология появилась в 1930-х годах , однако этот термин не был введен до 1938 года Уорреном Уивером . Уоррен Уивер в то время был директором отдела естественных наук Фонда Рокфеллера и считал, что биология вот-вот должна претерпеть период значительных изменений, учитывая недавние достижения в таких областях, как рентгеновская дифрактометрия . Поэтому он инвестировал большие суммы из Института Рокфеллера в биологические области. После открытия двойной спиральной структуры ДНК в 1953 году Джеймсом Уотсоном ( 1928 -), Фрэнсисом Криком ( 1916 – 2004 ), Морисом Уилкинсом ( 1916 – 2004 ) и Розалиндой. Франклина ( 1920 – 1958 ), молекулярная биология претерпела важные изменения, чтобы стать важным инструментом современной биологии с 1970-х годов [ref. необходимо] .

Отношения с другими биологическими науками «на молекулярном уровне»

Схематическая взаимосвязь между биохимией ( биохимией ), генетикой ( генетикой ) и молекулярной биологией ( молекулярной биологией )

Исследователи молекулярной биологии используют определенные методы молекулярной биологии (см. « Методы молекулярной биологии» ниже ), но все чаще сочетают их с методами и идеями из генетики и биохимии . Между этими дисциплинами нет четкой границы, хотя когда-то она была. На рисунке напротив показан возможный вид взаимосвязи между доменами [исх. необходимо] :

  • Биохимия является изучение химических веществ и жизненно важных процессов , происходящих в живых организмах .
  • В генетике является изучение влияния генетических различий между организмами. Часто это может быть связано с отсутствием нормального компонента (например, гена ). Изучение « мутантов » – организмов, лишенных одного или нескольких функциональных компонентов по сравнению с так называемым « естественным типом » или нормальным фенотипом . Генетические взаимодействия, такие как эпистазии, часто противоречат простой интерпретации этих исследований «исключения».
  • Молекулярная биология является изучение процесса репликации, транскрипции и трансляции генетического материала . Центральная догма молекулярной биологии , где генетический материал транскрибируются в РНК , а затем переведена в белки, хотя это очень упрощенно и необоснованная картина молекулярной биологии, все еще обеспечивает хорошую отправную точку для понимания этого поля. Эта картина, однако, нуждается в пересмотре в свете новых ролей, обнаруживаемых в РНК .

Большая часть работы в молекулярной биологии носит количественный характер, и в последнее время много работы было выполнено на стыке молекулярной биологии и информатики, в биоинформатике и вычислительной биологии . С 2000-х годов изучение структуры и функций генов, молекулярная генетика , было одним из самых важных разделов молекулярной биологии. Все больше и больше других областей биологии сосредотачиваются на молекулах либо напрямую, путем изучения их собственных взаимодействий, как в клеточной биологии и биологии развития , либо косвенно, когда методы молекулярной биологии используются для вывода исторических атрибутов популяций или видов , как в таких областях эволюционной биологии , как популяционная генетика и филогения . Также существует давняя традиция изучения биомолекул «снизу вверх» в биофизике [см. необходимо] .

Методы молекулярной биологии

С конца 1950 – х и начала 1960- х годов молекулярные биологи научились характеризовать, выделять и манипулировать молекулярными компонентами клеток и организмов. Эти компоненты включают ДНК , носитель генетической информации, близкую к ДНК РНК , функции которой варьируются от предварительной копии ДНК до реальных структурных и ферментативных функций и которая является функциональной и структурной частью, трансляционной системой и наиболее важными белками , структурные и ферментативные молекулы в клетках . [исх. нужно]

Клонирование выражений

Одним из основных методов молекулярной биологии для изучения роли белков является клонирование выражений. В этом методе ДНК, кодирующая интересующий белок, клонируется с использованием полимеразной цепной реакции (ПЦР для полимеразной цепной реакции ) и / или рестрикционных ферментов в плазмиде (называемой вектором экспрессии). Эта плазмида может иметь специальные элементы промоторной последовательности для управления продуцированием рассматриваемого белка, а также может иметь маркеры устойчивости к антибиотикам, помогающие отслеживать плазмиду. Эта плазмида может быть вставлена ​​в клетки, будь то бактерии или клетки животного. Введение ДНК в бактериальные клетки называется трансформацией, и ее можно осуществить несколькими способами: электропорацией , микроинъекцией , пассивным потреблением и конъюгацией . Введение ДНК в эукариотические клетки , такие как клетки животных, называется трансфекцией . Доступно несколько различных методов трансфекции: трансфекция фосфатом кальция, трансфекция липосом или липофекция, электропорация или даже патентованные реагенты для трансфекции, такие как Fugene или Genecellin. Затем ДНК может быть введена в клетки с использованием патогенных вирусов или бактерий в качестве носителей. В таких случаях метод называется вирусной / бактериальной трансдукцией, и говорят, что клетки трансдуцируются [см. необходимо] .

В любом случае ДНК, кодирующая интересующий белок, теперь находится внутри клетки, и теперь белок может быть экспрессирован. Доступны различные системы, такие как индуцибельные промоторы и специфические клеточные сигнальные факторы, которые помогают интересующему белку экспрессироваться на высоких уровнях. Затем из бактериальной или эукариотической клетки можно экстрагировать большое количество белка. Белок может быть проверен на его ферментативную активность в различных ситуациях, то можно кристаллизовать , так что его третичная структура может быть изучена, или, в фармацевтической промышленности, активность новых препаратов на белках может быть изучена. В вопросе [ исх. необходимо] .

Полимеразной цепной реакции

Реакция полимеразная цепная реакция (ПЦР на английском языке для полимеразной цепной реакции ) является очень гибкой копией метод ДНК. По сути, ПЦР позволяет скопировать одну последовательность ДНК миллионы раз или изменить заранее определенными способами. Например, ПЦР можно использовать для введения сайтов рестрикционных ферментов или для мутации (изменения) определенных оснований в ДНК. ПЦР также может использоваться для определения того, обнаружен ли конкретный фрагмент ДНК в комплементарной библиотеке ДНК . ПЦР имеет множество вариаций, таких как полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР ) для амплификации РНК, а в последнее время ПЦР в реальном времени ( qPCR ), которая позволяет количественно измерять молекулы ДНК и РНК [см. необходимо] .

Читайте также:
Коклюш у взрослых - симптомы и лечение заболевания

Электрофорез

Электрофорез – один из основных инструментов молекулярной биологии. Основной принцип заключается в том, что ДНК, РНК и белки можно разделить электрическими полями. При электрофорезе в агарозном геле ДНК и РНК можно разделить по размеру путем циркуляции ДНК через агарозный гель. Белки можно разделить по весу с помощью геля SDS-PAGE . Белки также можно разделить по их электрическому заряду , используя так называемый изоэлектрический гель [ref. необходимо] .

Саузерн-блот

Названный в честь своего изобретателя, биолога Эдвина Саузерна , Саузерн-блоттинг представляет собой метод исследования наличия определенной последовательности ДНК в образце ДНК. Образцы ДНК до или после расщепления рестрикционным ферментом разделяются электрофорезом и переносятся на мембрану путем мечения посредством капиллярного действия. Затем мембрану можно протестировать с помощью ДНК-зонда, меченного дополнением рассматриваемой последовательности. Первоначально в большинстве протоколов использовались радиоактивные маркеры; однако теперь есть возможности для нерадиоактивной маркировки. Саузерн-блоттинг реже используется в лабораториях, поскольку ПЦР уже может определять конкретные последовательности ДНК из образцов ДНК. Однако эти маркировки все еще используются для определенных приложений, таких как измерение количества трансгенных копий у трансгенных мышей или при конструировании линий эмбриональных стволовых клеток с недействительными генами [ref. необходимо] .

Нозерн-блот

Нозерн – блот используется для изучения паттерны экспрессии определенного типа молекулы РНК в относительном сравнении с набором различных образцов РНК. По сути, это комбинация денатурации электрофореза РНК и блоттинга . В этом процессе РНК разделяется по размеру и затем переносится на мембрану, которую затем исследуют комплементом, меченным на предмет интересующей последовательности. Результаты можно просмотреть по-разному, в зависимости от используемого окрашивания; однако большинство из них приводит к выявлению полос, представляющих размер РНК, обнаруженной в образце. Интенсивность этих полос зависит от количества целевой РНК в анализируемых образцах. Этот метод обычно используется для изучения того, когда и сколько экспрессий генов происходит, путем измерения количества этой РНК, присутствующей в разных образцах. Это один из самых фундаментальных инструментов для определения того, когда определенные гены экспрессируются в живой ткани [исх. необходимо] .

Вестерн-блоттинг

Разделение белков с помощью электрофореза в SDS-PAGE только в соответствии с их массой (SDS или додецилсульфат натрия денатурирует третичные и четвертичные структуры белков и заряжает их все отрицательно), затем перенос разделенных белков на мембрану, чтобы сделать их доступными для различных иммунологических или другие маркировки. Антитела к большинству белков могут быть созданы путем инъекции небольших количеств целевого белка животным, таким как мыши, кролики, овцы или ослы ( поликлональные антитела ), или продуцированы в культуре клеток ( моноклональные антитела ). Эти антитела можно использовать в различных аналитических и препаративных методах [см. необходимо] .

При вестерн-блоттинге (иммуноблоттинг) белки сначала разделяют в соответствии с их массой в тонком геле, помещенном между двумя стеклянными пластинами, с помощью метода, называемого SDS-PAGE (для электрофореза в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия ). Затем белки в геле переносятся на PVDF , нитроцеллюлозу, нейлон или другую поддерживающую мембрану. Затем эту мембрану можно исследовать с помощью растворов антител. Антитела, которые специфически связываются с рассматриваемым белком, затем можно визуализировать с помощью различных методов, включая колориметрию, хемилюминесценцию или авторадиографию . Аналогичные методы вестерн-блоттинга также можно использовать для непосредственной маркировки определенных белков в клетках и срезах тканей . Однако эти методы иммунологической маркировки больше связаны с клеточной биологией, чем с молекулярной биологией [ref. необходимо] .

Термины западный и северный – это игра слов: первые кляксы были на ДНК, и, поскольку они были сделаны Эдвином Саузерном, они взяли название Южный ( южный означает «юг» на английском языке; в то время как западный означает «с запада» и северный означает «с севера»). Маловероятно, что Патриция Томас, изобретательница РНК- блоттинга , ставшего северным блотом , действительно использовала бы этот термин. Чтобы продолжить шутку, в литературе [1] можно найти ссылки на юго- западные («с юго-запада») (взаимодействия белок-ДНК) и дальние западные (с «дальнего-запада») »( Белок-белковые взаимодействия) [см. необходимо] .

ДНК-чип

ДНК- чип , также называемый микрочипом, представляет собой набор из тысяч микроскопических лунок на твердой подложке, такой как предметное стекло микроскопа ; каждая лунка содержит большое количество идентичных фрагментов ДНК, что позволяет измерить экспрессию конкретного гена по комплементарности последовательности с соответствующей РНК . Таким образом, чипы позволяют узнать транскриптом , то есть набор генов, транскрибируемых в данный момент в группе данных клеток [см. необходимо] . Существует несколько различных способов создания микрочипов; наиболее распространенными являются кремниевые чипы, предметные стекла с пятнами диаметром 100 микрон, чипы, которые можно адаптировать к индивидуальным потребностям, и чипы с более крупными пятнами на пористых мембранах (макропарки). Чипы также могут быть сделаны для молекул, отличных от ДНК. Например, чип с антителами может использоваться для определения того, какой белок или бактерии присутствует в образце крови, а затем чипы ДНК считываются с помощью сканера с микрочипами, который позволяет определять уровень флуоресценции каждого пятна, присутствующего на слайде. для анализа данных [исх. необходимо] .

Снятые с производства технологии

По мере появления новых процедур и технологий от старых быстро отказываются. Типичными примерами являются методы определения размера молекул ДНК. Перед электрофорезом с агарозой и полиакриламидом размер ДНК рассчитывали путем седиментации в сладких градиентах, медленная и трудоемкая технология, требующая дорогостоящих инструментов; а перед сладкими градиентами мы использовали вискозиметрию [исх. необходимо] .

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: