История молекулярной биологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доклад на тему:

«История молекулярной биологии»

План

Введение

Ранние исследования

Главные открытия 1940-1965 гг.

Хромосомы и наследуемые признаки

Изучение структуры белка

История развития в достигнутый уровень технологии

Литература

Введение

При рождении молекулярной биологии произошла встреча двух дисциплин, переживавших в первой половине ХХ века период бурного развития: биохимии и генетики. Биохимики изучали структуру и функции молекул, из которых состоит живая материя. Между 1900 и 1940 гг. были описаны центральные процессы метаболизма: пищеварение и усваивание питательных веществ, в частности, углеводов. Каждый из элементарных химических процессов, из которых состоит метаболизм, катализируется особым ферментом. Ферменты - это белки, так же как антитела крови и белки, отвечающие за сокращения мускулатуры. Поэтому изучение структуры и функции белков стало одной из важнейших задач биохимии. Генетики, благодаря введению Томасом Морганом плодовой мушки дрозофилы в качестве модельного организма, установили справедливость законов Менделя и открыли множество новых фактов и закономерностей в отношениях между генами. В частности, Морган показал, что гены локализованы на хромосомах. Тем не менее, химическая природа генов и молекулярные механизмы их действия оставались загадкой.

История молекулярной биологии начинается в 1930х годах с объединения ранее отдельных биологических дисциплин: биохимии, генетики, микробиологии и вирусологии. Кроме того, в надежде, что новая дисциплина откроет возможности понимания фундаментальных основ жизни, в нее пришли многие химики и физики.

Название новой дисциплины было предложено Уорреном Уивером, директором отдела естественных наук Фонда Рокфеллера, в 1938 г. Поначалу подразумевалось, что от нее ожидается объяснение физических и химических основ жизни. После того, как в 1910х годах законы Менделя получили широкое признание в научных кругах, а в 1920х годах развитие атомной теории привело к разработке принципов квантовой механики, казалось, что наука вплотную подошла к открытию молекулярного фундамента феномена жизни. Уивер от имени Фонда Рокфеллера поддерживал и финансировал исследования на стыке биологии, химии и физики, и даже такие знаменитости, как Нильс Бор и Эрвин Шрёдингер, пытались подвести под биологию теоретическую базу так, как они это делали в теоретической физике. Однако в 1930х - 1940х годах не было ясно, какие именно исследования приведут к цели, если эта цель вообще достижима. В том числе проводились исследования в коллоидной химии, биофизике, радиобиологии и кристаллографии.

Ранние исследования

Оценивая молекулярную революция в контексте истории биологии, нетрудно заметить, что рождение молекулярной биологии было кульминацией длительного процесса, который начался с первых наблюдений, сделанных под микроскопом. Ранние исследователи пытались понять, как функционируют живые организмы на микроскопическом уровне. С конца XVIII в. все большее внимание уделялось описанию особенностей химических молекул, производящихся живыми организмами. Так в трудах выдающихся химиков, таких как Юстус Либих, родилась физиологическая химия, предшественница современной биохимии, в свою очередь, обязанной своим рождением Эдуарду Бухнеру. Однако между молекулами, которые изучали химики, и тонкими структурами, заметными под микроскопом, например, хромосомами, лежала область неизвестного, «мир упущенных измерений», как его называл выдающийся физико-химик Вольфганг Освальд. Этот мир населяли коллоиды, химические соединения, структура и свойства которых оставались неясными.

Успех молекулярных биологов в исследовании этого неизвестного мира обеспечило появление новых методов физики и химии, таких как рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, ультрацентрифугирование, электрофорез.

В 1869 г. Иоганн Фридрих Мишер открыл вещество, которое он назвал нуклеином. Позже он очистил образец из спермы лосося, и в 1889 г. его ученик, Рихард Альтман, назвал его нуклеиновой кислотой. В 1919 г. в Рокфеллеровском институте был проведен химический анализ нуклеиновой кислоты, в составе которой были идентифицированы четыре азотистых основания, сахар и фосфат, соединенные между собой ковалентными связями в порядке фосфат-сахар-основание. Каждая из этих единиц получила название нуклеотид. Однако поначалу предполагалось, что четыре нуклеотида соединены между собой в короткие цепи одинаковой структуры. Лишь в 1934 г. Торбьёрн Касперссон и Эйнар Хаммерстен показали, что ДНК - это полимер.

Главные открытия 1940 - 1965 гг.

Главные открытия с молекулярной биологии были сделаны на протяжении примерно четверти века. Затем понадобилось еще пятнадцать лет исследований, прежде чем на их основе были разработаны новые сложные технологии, которые сейчас в совокупности называют генетической инженерией. Они позволили выделять и характеризовать отдельные гены, в том числе из весьма сложно устроенных живых организмов, включая человека.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдуард Тейтем показали факт существования связи между генами и белками, связав генетику с биохимией. Они предложили генетикам вместо дрозофилы использовать в качестве модельного организма грибок нейроспору. Использование более широкого спектра модельных организмов было чрезвычайно важно для появления новой дисциплины. В 1944 г. Освальд Эвери, работавший в Рокфеллеровском университете с бактериями, показал, что гены состоят из ДНК. В 1952 г. Алфред Херши и Марта Чейз подтвердили, что генетический материал бактериофага тоже состоит из ДНК. В 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предложили двухспиральную структуру молекулы ДНК. Их структурная модель действительно позволила объяснить многие фундаментальные биологические феномены, такие как существование очень больших биологических молекул, способ хранения и точного копирования информации о их структуре, возможность изменения структуры генов в эволюции и др., в результате чего молекулярная биология обрела свои основные принципы.

В 1961 г. Франсуа Жакоб и Жак Моно предположили, что между ДНК и белком должен быть посредник, который они назвали информационной РНК. В 1961-1965 гг. с расшифровкой генетического кода стало понятно, как информация, хранящаяся на ДНК, определяет структуру белка, и какие именно сочетания нуклеотидов в структуре ДНК соответствуют определенным аминокислотам белка. В начале 1960х годов Жакоб и Моно показали также, как белок может регулировать транскрипцию и экспрессию генов.

Хромосомы и наследуемые признаки

В 1927 г. Н.К. Кольцов предположил, что наследуемые признаки должны передаваться из поколения в поколение вместе с гигантскими молекулами, которые состоят из двух зеркальных цепей, реплицируемых полуконсервативным способом, и каждая из цепей при репликации служит матрицей для синтеза новой. В 1935 г. Макс Дельбрюк, Н. В. Тимофеев-Ресовский и Карл Циммер предположили, что хромосомы - это гигантские молекулы, структура которых может быть изменена путем облучения рентгеновскими лучами, что приводит к изменению наследуемых признаков. В 1937 г. Уильям Астбери получил первые результаты рентгеноструктурного анализа ДНК, но не сумел сделать выводы о ее структуре. Было только ясно, что эта структура является регулярной.

Критический эксперимент, доказывающий, что гены состоят из ДНК, был поставлен в 1943 г. Освальдом Эвери и его соавторами, которые продолжали работу трагически погибшего в начале Второй мировой войны Фредерика Гриффита со штаммами пневмококков. В экспериментах Гриффита происходила трансформация невирулентных бактерий шероховатого типа (R) в вирулентный гладкий штамм (S). Эвери выделил «трансформирующий принцип» и идентифицировал его как ДНК. Аналогичный эксперимент был поставлен в 1953 г. АлфредомХерши и Мартой Чейз, которые работали с бактериофагом Т2. В своей работе они тоже показали, что генетическим материалом фага является ДНК.

Исследования структуры ДНК

В 1950х годах три группы ученых добились успеха в исследованиях структуры биологических макромолекул. Первая работала в Кингс-колледже (Лондон), в нее входили Морис Уилкинс и Розалинда Франклин. Вторая состояла из Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона из Кембриджа. Третья группа, возглавляемая ЛайнусомПолингом, работала в Калифорнийском технологическом институте (США). Уотсон и Крик конструировали модели структуры из шариков, соединенных металлическими стержнями, исходя из данных о структуре отдельных нуклеотидов и расстояниях между атомами. Франклин и Уилкинс анализировали данные кристаллографии и рентгеноструктурного анализа.

Группа Полинга в 1948 г. на основании таких же исследований обнаружила, что в пространственной структуре многих белков имеются более или менее крупные части в виде спирали. Аналогичные выводы можно было сделать и на основании данных Франклин и Уилкинса на ДНК. Окончательные выводы о спиралевидной структуре ДНК, наличии в ней двух цепей, связанных между собой водородными связями между отдельными нуклеотидами, обращенными друг к другу, и их комплементарности были сделаны Уотсоном и Криком. Им помог Эрвин Чаргафф, посетивший в 1952 г. Кембридж и напомнивший о своих экспериментах 1947 г., когда он обнаружил, что в разных образцах ДНК соотношение нуклеотидов варьирует, но аденин всегда присутствует в той же пропорции, в какой и тимин, а гуанин - в такой же, как и цитозин.

Первую точную модель ДНК Уотсон и Крик построили в 1953 г. на основании данных, полученных к этому моменту Франклин. Их открытие вызвало необыкновенный энтузиазм как у ученых, так и у широкой публики. Статья Уотсона и Крика была опубликована в Nature 25 апреля. Ее содержание было дублировано публичным докладом заведующего лабораторией, в которой работали Уотсон и Крик, Уильяма Брэгга, 14 мая. Уже 15 мая о нем была помещена заметка в лондонской газете NewsChronicle, а 16 мая - в TheNewYorkTimes. В 1962 г. Уотсон, Крик и Уилкинс получили за это открытие Нобелевскую премию.

В 1957 г. Крик предложил формулу, которая получила известность как «центральная догма молекулярной биологии». Согласно этой формуле, ДНК является хранилищем информации о структуре белка. Посредником между ними является РНК. Предполагавшийся механизм полуконсервативной репликации ДНК был к этому времени подтвержден экспериментом Мезельсона и Сталя. Крик и его соавторы показали, что генетический код состоит из нуклеотидных триплетов, названных кодонами, каждый из которых кодирует один аминокислотный остаток белка. К 1966 г. Хар Корана и др. расшифровали генетический код, установив соотношения между кодонами ДНК и аминокислотными остатками белка.

Исследования РНК

Ранние работы по исследованию структуры РНК также относятся к 1950 м годам. Уотсон и Крик предполагали, что наличие у рибозы 2`OH группы препятствует образованию двойной спирали, характерной только для ДНК. Были сомнения даже в способности этой макромолекулы к образованию любой спиральной структуры. Высокая степень гетерогенности очищенных образцов препятствовала получению на РНК отчетливых снимков дифракционной картины и их рентгеноструктурному анализу. В 1955 г. был открыт фермент полинуклеотидфосфорилаза, с помощью которого стал возможен искусственный синтез гомогенных нуклеиновых кислот, и данные рентгеноструктурного анализа значительно улучшились. Оказалось, что РНК не только может образовать спираль, но, как и ДНК, способна к созданию двойной спирали, хотя ее структура и отличалась от двойной спирали ДНК.

К середине 1960х годов были открыты рибосомы, показана их роль в синтезе белка и необходимость информационной РНК для их сборки. Кроме информационной РНК и РНК, входящей в структуру рибосом, в синтезе белка участвовали также транспортные РНК, доставляющие аминокислоты к рибосоме. В 1965 г. была определена первичная структура первой транспортной РНК, а к 1968 г. сразу несколько групп ученых получили кристаллы транспортных РНК, хотя еще недостаточно хорошего качества, чтобы стало возможно определить их пространственную структуру. Эта цель стала достижимой благодаря кристаллизации в 1971 г. тРНКPHE из дрожжей. Работа по исследованию пространственной структуры тРНКРНЕ была закончена к 1973 г. Впоследствии методы этой пионерской работы были применены к кристаллизации и исследованию пространственной структуры и других тРНК. Оказалось, что кроме линейной или спиралевидной формы, по крайней мере, такие РНК, как транспортные, как и белки могут иметь компактную глобулярную структуру.

В 1980х годах было показано, что некоторые РНК способны к аутокаталитическому расщеплению. РНК, способные, как и ферменты, катализировать химические реакции, такие как аутокаталитическое расщепление, назвали рибозимами. В 1990х годах у некоторых из рибозимов была изучена пространственная структура. Это были первые глобулярные РНК кроме транспортных, у которых стало возможно изучать пространственную структуру. На этой основе далее были проведены исследования особенностей формирования структуры РНК, выявление консервативных структурных мотивов, локальных стабилизирующих взаимодействий между фрагментами нуклеотидной последовательности и т. д. Эти достижения стали возможными, благодаря появлению метода транскрипции invitro. Кроме того, для изучения структуры РНК начали применять ядерный магнитный резонанс, который оказался особенно полезен для исследования малых РНК (RNAs).

Впоследствии развитие методов изучения структуры РНК позволило исследовать пространственную структуру еще целого ряда макромолекул этого вида, включая рибосомальную РНК. За работу по исследованию пространственной структуры рибосомальной РНК Ада Йонат, Венкатраман Рамакришнан и Томас Стейц получили Нобелевскую премию.

Исследования структуры белка

Первое выделение и классификация

Как особый класс биологических молекул, белки были определены еще в XVIII в. Антуаном де Фуркруа. Вначале их называли альбуминами (matieresalbuminoides, albuminoids или Eiweisskorper) и их характерными свойствами считали способность к свертыванию или коагуляции при обработке теплом или кислотой. Широко известными примерами таких белков к началу XIX в. считали яичный альбумин, альбумин из сыворотки крови, фибрин и клейковинупшеницы. Сходство между свертыванием яичного белка и створаживанием молока было известно с древнейших времен. Даже само слово альбумин было предложено еще Плинием Старшим и происходит от латинского выражения albusovi (белок яичный).

Якоб Берцелиус и Геррит Ян Мульдер провели элементный анализ растительных и животных белков и пытались определить их эмпирическую формулу. К их удивлению, у всех белков формула оказалась приблизительно одинаковой: C400H620N100O120, различными были лишь содержание серы и фосфора, присутствовавшие в относительно небольших пропорциях. Мульдер предполагал, что существует единая базовая белковая субстанция (Grundstoff), которая синтезируется в растениях и усваивается животными при переваривании. Берцелиус поддержал эту идею, назвав субстанцию протеином.

Я предложил наименование протеин для органического оксида фибрина и альбумина, я хотел бы произвести это слово от греческого рсщфейпт, потому что он представляется примитивной или принципиальной субстанцией пищеварения у животных.

Le nom proteine que je vous propose pour l'oxyde organique de la fibrine et de l'albumine, je voulais le deriver de рсщфейпт, parce qu'il parait etre la substance primitive ou principale de la nutrition animale.

- Из личной переписки Берцелиуса от 10 июля 1838 г.

Мульдер также идентифицировал продукты деградации протеина, в частности, аминокислотулейцин, и определил ее молекулярную массу, 131Da.

Очистка и определение массы

Минимальная молекулярная масса протеина, согласно анализу Мульдера, была примерно 9 kDa, в сотни раз больше, чем у большинства других молекул, с которыми ему доводилось сталкиваться. Поэтому химическая структура протеина (точнее, первичная структура) оставалась неизвестной до 1949 г., когда Фредерик Сенгер определил аминокислотную последовательность первого белка, которым был инсулин. Однако теоретически еще в 1902 г. Франц Хофмайстер и Эмиль Фишер предсказали, что белки представляют собой линейную цепь из аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Многие ученые сомневались, что столь длинные аминокислотные цепи могут оставаться стабильными в растворе, и существовали также альтернативные теории о возможном строении белков. Например, согласно коллоидной гипотезе, белки состоят из циклолов.

То, что белки все-таки являются макромолекулами с определенной структурой, а не коллоидными смесями, показал Теодор Сведберг с помощью аналитическогоультрацентрифугирования. При помощи очистки из ткани трудно получить белок в количестве более, чем несколько миллиграммов. Поэтому ранние исследования проводили на протеинах, легко очищаемых из яичного белка, крови, а также различных токсинов и пищеварительных соков, получаемых со скотобоен. Техника очистки белка быстро развивалась во время Второй мировой войны в связи с необходимостью получать очищенные белки крови для лечения раненых солдат. В конце 1950 г. американская компания ArmourandCompany очищала в больших количествах рибонуклеазу А и бесплатно предоставляла ее для исследований. В результате РНКаза А на несколько десятилетий стала основным объектом фундаментальных исследований для множества научных групп. В частности, на ней было сделано несколько работ, удостоенных Нобелевской премии.

Пространственная структура

Исследования пространственной структуры белка начались в 1910х годах, когда Крик и Мартин показали, что при коагуляции выпадению белка в осадок предшествует другой процесс, денатурация, при которой белок теряет растворимость и ферментативную активность, но приобретает дополнительные химические свойства. В середине 1920х годов было отмечено, что иногда денатурация может быть обратимой и изменение свободной энергии при этом процессе существенно меньше, чем при обычных химических реакциях, а к 1929 г. появились представления о том, что денатурация представляет собой изменение конформации аминокислотной цепи, при которой остатки, ранее находившиеся внутри белковой глобулы, теперь экспонированы в растворитель. В таком случае растворимость должна понижаться в соответствии со сравнительно низкой растворимостью аминокислот с алифатическими и ароматическими боковыми группами. Соответственно появляются дополнительные химические свойства и утрачивается ферментативная активность.

В начале 1960 г. КристианАнфинсен показал, что РНКаза А действительно денатурирует обратимо, и что естественная конформация этого белка соответствует глобальному минимуму свободной энергии.

История развития в достигнутый уровень технологии

молекулярный биология белок хромосома

Во второй половине XX века было сделано несколько важных открытий и изобретений, лежащих в основе генной инженерии. Успешно завершились многолетние попытки «прочитать» ту биологическую информацию, которая «записана» в генах. Эта работа была начата английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом (Нобелевская премия по химии1980 г.). Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза в организме молекул РНК и белков, в том числе ферментов. Чтобы заставить клетку синтезировать новые, необычные для неё вещества, надо чтобы в ней синтезировались соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или целенаправленно изменить находящиеся в ней гены, или ввести в неё новые, ранее отсутствовавшие гены. Изменения генов в живых клетках - это мутации. Они происходят под действием, например, мутагенов - химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контролировать или направлять. Поэтому учёные сосредоточили усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку.

В конце XX в. расширяются и становятся все более целенаправленными в научно-практическом отношении задачи молекулярной биологии, среди которых:

расшифровка структуры геномов;

создание банков генов;

геномная дактилоскопия;

изучение молекулярных основ эволюции, дифференцировки, биоразнообразия, развития и старения, канцерогенеза, иммунитета и др.;

создание методов диагностики и лечения генетических болезней, вирусных заболеваний;

создание новых биотехнологий производства пищевых продуктов и разнообразных биологически активных соединений.

Начало нового тысячелетия ознаменовалось выдающимся событием - расшифровкой нуклеотидной последовательности генома человека, с которой связаны надежды на решение многих проблем человечества (коррекция наследственных заболеваний, продление жизни и т. д.)

Таким образом, по праву считается, что XXI в. должен стать веком молекулярной биологии и новых биотехнологий, призванных освободить человечество от тяжкого груза болезней, пороков и лишений и заложить основы его будущего процветания.

Литература

1. Берг П., Сигнер М. Гены и геномы. - М., 1998.

2. Коничев А.С., Севастьянов Г.А. Молекулярная биология. - М.: Академия, 2003. - с. 4-8.

3. Кэлиндар Р., Стенг Г. Молекулярная генетика. - М., 1981.

4. Материалы по молекулярной биологии от Российской Академии Наук.

Размещено на Allbest.ru