Áreas de la biología molecular. Biólogo molecular. ¿Te influyeron los Juegos Olímpicos?

1. Introducción.

Asunto, tareas y métodos. Biología Molecular y genética. La importancia de la genética “clásica” y la genética de microorganismos en el desarrollo de la biología molecular y la ingeniería genética. El concepto de gen en genética “clásica” y molecular, su evolución. Contribución de la metodología de la ingeniería genética al desarrollo de la genética molecular. Valor de la aplicación Ingeniería genética para la biotecnología.

2. Bases moleculares de la herencia.

El concepto de célula, su composición macromolecular. La naturaleza del material genético. La historia de la evidencia de la función genética del ADN.

2.1. Varios tipos de ácidos nucleicos. Funciones biológicas de los ácidos nucleicos. Estructura química, estructura espacial y propiedades físicasácidos nucleicos. Características de la estructura del material genético de pro y eucariotas. Pares de bases complementarios de Watson-Crick. Codigo genetico. La historia del desciframiento del código genético. Propiedades básicas del código: triplete, código sin comas, degeneración. Características del diccionario de códigos, familias de codones, codones semánticos y "sin sentido". Moléculas circulares de ADN y el concepto de superenrollamiento del ADN. Topoisómeros del ADN y sus tipos. Mecanismos de acción de las topoisomerasas. ADN girasa bacteriana.

2.2. Transcripción del ADN. ARN polimerasa procariótica, su subunidad y estructuras tridimensionales. Variedad de factores sigma. Promotor del gen procariótico, sus elementos estructurales. Etapas del ciclo de transcripción. Iniciación, formación de un “complejo abierto”, elongación y terminación de la transcripción. Atenuación de la transcripción. Regulación de la expresión del operón triptófano. “Riboswitches”. Mecanismos de terminación de la transcripción. Regulación negativa y positiva de la transcripción. Operón lactosa. Regulación de la transcripción en el desarrollo del fago lambda. Principios de reconocimiento del ADN por proteínas reguladoras (proteína CAP y represor del fago lambda). Características de la transcripción en eucariotas. Procesamiento de ARN en eucariotas. Capeado, empalme y poliadenilación de transcritos. Mecanismos de empalme. El papel de los pequeños ARN nucleares y los factores proteicos. Empalme alternativo, ejemplos.

2.3. Transmisión, sus etapas, función ribosoma. Localización de ribosomas en la célula. Tipos de ribosomas procarióticos y eucariotas; Ribosomas 70S y 80S. Morfología de los ribosomas. División en subpartículas (subunidades). Unión de aminoacil-ARNt dependiente de codones en el ciclo de elongación. Interacción codón-anticodón. Implicación del factor de elongación EF1 (EF-Tu) en la unión del aminoacil-tRNA al ribosoma. Factor de elongación EF1B (EF-Ts), su función, secuencia de reacciones con su participación. Antibióticos que actúan en la etapa de unión dependiente de codones del aminoacil-ARNt al ribosoma. Antibióticos aminoglucósidos (estreptomicina, neomicina, kanamicina, gentamicina, etc.), su mecanismo de acción. Tetraciclinas como inhibidores de la unión del aminoacil-ARNt al ribosoma. Inicio de la emisión. Principales etapas del proceso de iniciación. Iniciación de la traducción en procariotas: factores de iniciación, codones de iniciación, extremo 3¢ de la subunidad ribosómica pequeña del ARN y secuencia de Shine-Dalgarno en el ARNm. Iniciación de la traducción en eucariotas: factores de iniciación, codones de iniciación, región no traducida de 5¢ e iniciación "terminal" dependiente de cap. Iniciación "interna" independiente del límite en eucariotas. Transpeptidación. Inhibidores de la transpeptidación: cloranfenicol, lincomicina, amicetina, estreptograminas, anisomicina. Translocación. Implicación del factor de elongación EF2 (EF-G) y GTP. Inhibidores de la translocación: ácido fusídico, viomicina, sus mecanismos de acción. Terminación de la transmisión. Codones de parada. Factores de terminación de proteínas de procariotas y eucariotas; Dos clases de factores de terminación y sus mecanismos de acción. Regulación de la traducción en procariotas.

2.4. replicación del ADN y su control genético. Polimerasas implicadas en la replicación, características de sus actividades enzimáticas. Precisión de la reproducción del ADN. El papel de las interacciones estéricas entre los pares de bases del ADN durante la replicación. Polimerasas I, II y III de E. coli. Subunidades de la polimerasa III. Horquilla de replicación, hebras “principales” y “retrasadas” durante la replicación. Fragmentos de Okazaki. Un complejo de proteínas en la bifurcación de replicación. Regulación del inicio de la replicación en E. coli. Terminación de la replicación en bacterias. Características de la regulación de la replicación de plásmidos. Replicación de círculos bidireccionales y rodantes.

2.5. Recombinación, sus tipos y modelos. Recombinación general u homóloga. Las roturas de la doble cadena del ADN inician la recombinación. El papel de la recombinación en la reparación post-replicativa de roturas de doble hebra. Estructura de vacaciones en el modelo de recombinación. Enzimología de recombinación general en E. coli. Complejo RecBCD. Proteína RecA. El papel de la recombinación para asegurar la síntesis de ADN durante el daño del ADN que interrumpe la replicación. Recombinación en eucariotas. Enzimas de recombinación en eucariotas. Recombinación específica del sitio. Diferencias en los mecanismos moleculares de recombinación general y específica de sitio. Clasificación de recombinasas. Tipos de reordenamientos cromosómicos realizados durante la recombinación específica de sitio. Papel regulador de la recombinación específica de sitio en bacterias. Construcción de cromosomas de eucariotas multicelulares utilizando un sistema de recombinación específico de sitio de fagos.

2.6. Reparación del ADN. Clasificación de tipos de reparación. Reparación directa de dímeros de timina y guanina metilada. Recortando las bases. Glicosilasas. El mecanismo de reparación de nucleótidos desapareados (reparación de desajustes). Seleccionar la cadena de ADN a reparar. Reparación SOS. Propiedades de las ADN polimerasas implicadas en la reparación de SOS en procariotas y eucariotas. El concepto de "mutaciones adaptativas" en bacterias. Reparación de roturas de doble hebra: recombinación post-replicativa homóloga y unión de extremos no homólogos de la molécula de ADN. La relación entre los procesos de replicación, recombinación y reparación.

3. Proceso de mutación.

El papel de los mutantes bioquímicos en la formación de la teoría de un gen: una enzima. Clasificación de mutaciones. Mutaciones puntuales y reordenamientos cromosómicos, el mecanismo de su formación. Mutagénesis espontánea e inducida. Clasificación de mutágenos. Mecanismo molecular de mutagénesis. La relación entre mutagénesis y reparación. Identificación y selección de mutantes. Supresión: intragénica, intergénica y fenotípica.

4. Elementos genéticos extracromosómicos.

Plásmidos, su estructura y clasificación. Factor sexual F, su estructura y ciclo de vida. El papel del factor F en la movilización de la transferencia cromosómica. Formación de donantes de los tipos Hfr y F." El mecanismo de conjugación. Bacteriófagos, su estructura y ciclo de vida. Bacteriófagos virulentos y templados. Lisogenia y transducción. Transducción general y específica. Elementos genéticos migratorios: transposones y secuencias IS, su papel en intercambio genético.ADN -transposones en los genomas de procariotas y eucariotas. Secuencias IS de bacterias, su estructura. Secuencias IS como componente del factor F de las bacterias, que determina la capacidad de transferencia de material genético durante la conjugación directa. Mecanismos replicativos y replicativos de transposición. Transferencia de transposones y su papel en reordenamientos estructurales (recombinación ectópica) y en la evolución del genoma.

5. Estudio de la estructura y función de los genes.

Elementos del análisis genético. Prueba de complementación cis-trans. Mapeo genético mediante conjugación, transducción y transformación. Construcción de mapas genéticos. Mapeo genético fino. Análisis físico de la estructura genética. Análisis heterodúplex. Análisis de restricciones. Métodos de secuenciación. Reacción en cadena de la polimerasa. Identificación de la función genética.

6. Regulación de la expresión génica. Conceptos de operón y regulón. Control a nivel de iniciación de la transcripción. Proteínas promotoras, operadoras y reguladoras. Control positivo y negativo de la expresión génica. Control a nivel de terminación de la transcripción. Operones controlados por catabolitos: modelos de operones de lactosa, galactosa, arabinosa y maltosa. Operons controlados por atenuador: un modelo del operón triptófano. Regulación multivalente de la expresión génica. Sistemas regulatorios globales. Respuesta regulatoria al estrés. Control postranscripcional. Transducción de señales. Regulación que involucra ARN: ARN pequeños, ARN sensores.

7. Conceptos básicos de la ingeniería genética. Enzimas de restricción y modificación. Aislamiento y clonación de genes. Vectores para clonación molecular. Principios del diseño de ADN recombinante y su introducción en las células receptoras. Aspectos aplicados de la ingeniería genética.

A). Literatura principal:

1. Watson J., Tooze J., ADN recombinante: un curso breve. – M.: Mir, 1986.

2. Genes. – M.: Mir. 1987.

3. Biología molecular: estructura y biosíntesis de ácidos nucleicos. / Ed. . – M. Escuela superior. 1990.

4.- Biotecnología molecular. M. 2002.

5. Ribosomas de espirin y biosíntesis de proteínas. – M.: Escuela Superior, 1986.

b). Literatura adicional:

1. Genoma de hesina. – M.: Ciencia. 1984.

2. Ingeniería genética de Rybchin. – San Petersburgo: Universidad Técnica Estatal de San Petersburgo. 1999.

3. Genes Patrushev. – M.: Nauka, 2000.

4. Microbiología moderna. Procariotas (en 2 vols.). – M.: Mir, 2005.

5. M. Singer, P. Berg. Genes y genomas. – M.: Mir, 1998.

6. Ingeniería Shchelkunov. – Novosibirsk: De Sib. Universidad, 2004.

7. Biología de Stepánov. Estructura y funciones de las proteínas. – M.: V. Sh., 1996.

Biología Molecular / mə yoɛ Ajʊ yoər / Es una rama de la biología que se ocupa de las bases moleculares de la actividad biológica entre biomoléculas en varios sistemas células, incluidas las interacciones entre ADN, ARN, proteínas y su biosíntesis, así como la regulación de estas interacciones. Matricularse en naturaleza En 1961, Astbury describió la biología molecular:

No tanto una técnica como un acercamiento, un acercamiento desde el punto de vista de las llamadas ciencias básicas con la idea principal de buscar debajo de las manifestaciones a gran escala de la biología clásica el plano molecular correspondiente. Le preocupa, en particular, formas moléculas biológicas y [...] predominantemente tridimensionales y estructurales, lo que no significa, sin embargo, que se trate simplemente de un refinamiento de la morfología. Al mismo tiempo debe investigar la génesis y las funciones.

Relación con otras ciencias biológicas

Los investigadores de biología molecular utilizan técnicas específicas de la biología molecular, pero cada vez más las combinan con métodos e ideas de la genética y la bioquímica. No existe una línea clara entre estas disciplinas. Esto se ilustra en el siguiente diagrama, que muestra un posible tipo de relación entre campos:

  • Bioquímica Es el estudio de las sustancias químicas y los procesos vitales que ocurren en los organismos vivos. A los bioquímicos les resulta difícil centrarse en el papel, la función y la estructura de las biomoléculas. El estudio de la química detrás de los procesos biológicos y la síntesis de moléculas biológicamente activas son ejemplos de bioquímica.
  • Genética Es el estudio de la influencia de las diferencias genéticas en los organismos. Esto a menudo puede deducirse de la ausencia de un componente normal (por ejemplo, un gen). El estudio de los "mutantes" son organismos que tienen uno o más componentes funcionales en relación con el llamado "tipo salvaje" o fenotipo normal. Las interacciones genéticas (epistasis) a menudo confunden las interpretaciones simples de tales estudios "knockout".
  • Biología Molecular es el estudio de las bases moleculares de los procesos de replicación, transcripción, traducción y función celular. El dogma central de la biología molecular, según el cual el material genético se transcribe en ARN y luego se traduce en proteínas, aunque demasiado simplificado, sigue siendo un buen punto de partida para comprender este campo. El panorama se ha revisado a la luz de las nuevas funciones emergentes para el ARN.

Métodos de biología molecular

Clonación molecular

Una de las técnicas de biología molecular más básicas para estudiar la función de las proteínas es la clonación molecular. En esta técnica, el ADN que codifica la proteína de interés se clona mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y/o enzimas de restricción en un plásmido (vector de expresión). El vector tiene 3. características distintivas: origen de replicación, un sitio de clonación múltiple (MCS) y un marcador seleccionable, generalmente para la resistencia a los antibióticos. Aguas arriba del sitio de clonación múltiple se encuentran las regiones promotoras y del sitio de inicio de la transcripción que regulan la expresión del gen clonado. Este plásmido se puede insertar en células bacterianas o animales. La introducción de ADN en células bacterianas se puede realizar mediante transformación mediante absorción de ADN desnudo, conjugación mediante contactos célula-célula o mediante transducción con un vector viral. Introducción de ADN en células eucariotas, como células animales, mediante métodos físicos o quimicos, se llama transfección. Se encuentran disponibles varios métodos de transfección diferentes, como la transfección con fosfato cálcico, la electroporación, la microinyección y la transfección liposomal. El plásmido puede integrarse en el genoma, lo que da como resultado una transfección estable, o puede permanecer independiente del genoma, lo que se denomina transfección transitoria.

El ADN que codifica las proteínas de interés ahora se encuentra dentro de la célula y las proteínas ahora pueden expresarse. Una variedad de sistemas, como promotores inducibles y factores de señalización celular específicos que ayudarán a expresar el interés de las proteínas en niveles altos. Luego se pueden extraer grandes cantidades de proteína de la célula bacteriana o eucariota. Se puede probar la actividad enzimática de una proteína en diversas situaciones, se puede cristalizar la proteína para poder estudiar su estructura terciaria o, en la industria farmacéutica, se puede estudiar la actividad de nuevos fármacos contra la proteína.

Reacción en cadena de la polimerasa

Transferencia e investigación de macromoléculas.

Términos del Norte , Oeste Y oriental blotting deriva de lo que originalmente era una broma de biología molecular que jugaba con el término Red del Sur, siguiendo la técnica descrita por Edwin Southern para la hibridación de ADN BLOTTED. Patricia Thomas, desarrolladora de la transferencia de ARN, que luego se conoció como norte - secante, realmente no uses ese término.

transferencia del sur

La transferencia Southern, que lleva el nombre de su inventor, el biólogo Edwin Southern, es un método para probar la presencia de una secuencia de ADN específica en una muestra de ADN. Las muestras de ADN antes o después de las digestiones con enzimas de restricción (enzimas de restricción) se separan mediante electroforesis en gel y luego se transfieren a una membrana mediante transferencia mediante acción capilar. Luego, la membrana se expone a una sonda de ADN marcada, que tiene una secuencia de bases complementaria a la secuencia del ADN de interés. La transferencia Southern se usa menos en el laboratorio científico debido a la capacidad de otros métodos, como la PCR, para detectar secuencias de ADN específicas a partir de muestras de ADN. Sin embargo, estas transferencias todavía se utilizan para algunas aplicaciones, como medir el número de copias de transgenes en ratones transgénicos o en líneas de células madre embrionarias knockout de ingeniería genética.

transferencia Northern

Gráfico de transferencia Northern

mancha oriental

Estudios clínicos y metodos medicos Los tratamientos derivados de la biología molecular están parcialmente cubiertos por la terapia génica. La aplicación de los enfoques de la biología molecular o de la biología celular molecular a la medicina ahora se llama medicina molecular. La biología molecular también juega papel importante en la comprensión de la educación, las acciones y las regulaciones varias partes Células que se pueden utilizar para atacar eficazmente nuevos fármacos, diagnosticar enfermedades y comprender la fisiología celular.

Otras lecturas

  • Cohen, SN, Chang, NKD, Boyer, H. y Heling, R.B. Construcción de plásmidos bacterianos biológicamente funcionales in vitro .

Podemos decir que la biología molecular estudia las manifestaciones de la vida en estructuras o sistemas no vivos con signos elementales de actividad vital (que pueden ser macromoléculas biológicas individuales, sus complejos u orgánulos), estudiando cómo los procesos clave que caracterizan la materia viva se realizan a través de interacciones químicas y transformaciones.

La separación de la biología molecular de la bioquímica en un campo de ciencia independiente viene dictada por el hecho de que su tarea principal es estudiar la estructura y propiedades de las macromoléculas biológicas involucradas en varios procesos, dilucidación de los mecanismos de su interacción. La bioquímica se ocupa del estudio de los procesos reales de la vida, los patrones de su aparición en un organismo vivo y las transformaciones de las moléculas que acompañan a estos procesos. En última instancia, la biología molecular intenta responder a la pregunta de por qué ocurre un proceso particular, mientras que la bioquímica responde a las preguntas de dónde y cómo, desde un punto de vista químico, ocurre el proceso en cuestión.

Historia

La biología molecular como rama separada de la bioquímica comenzó a tomar forma en los años 30 del siglo pasado. Fue entonces cuando, para una comprensión más profunda del fenómeno de la vida, surgió la necesidad de realizar investigaciones específicas a nivel molecular de los procesos de almacenamiento y transmisión de información hereditaria en los organismos vivos. Luego se determinó la tarea de la biología molecular en el estudio de la estructura, propiedades e interacción de los ácidos nucleicos y las proteínas. El término “biología molecular” fue utilizado por primera vez por el científico inglés William Astbury en el contexto de estudios relacionados con dilucidar las relaciones entre la estructura molecular y las propiedades físicas y biológicas de las proteínas fibrilares, como el colágeno, la fibrina sanguínea o las proteínas contráctiles de los músculos.

En los primeros días de la biología molecular, el ARN se consideraba un componente de plantas y hongos, y el ADN se consideraba un componente típico de las células animales. El primer investigador que demostró que el ADN está contenido en las plantas fue Andrei Nikolaevich Belozersky, quien aisló el ADN de los guisantes en 1935. Este descubrimiento estableció el hecho de que el ADN es un ácido nucleico universal presente en células vegetales y animales.

Un logro importante fue el establecimiento por parte de George Beadle y Edward Tatum de una relación directa de causa y efecto entre genes y proteínas. En sus experimentos, expusieron células de Neurospora ( neurosporacrasa) Radiación de rayos X, que provocó mutaciones. Los resultados obtenidos mostraron que esto conducía a cambios en las propiedades de enzimas específicas.

En 1940, Albert Claude aisló del citoplasma de células animales gránulos que contenían ARN citoplasmático, que eran más pequeños que las mitocondrias. Los llamó microsomas. Posteriormente, al estudiar la estructura y propiedades de las partículas aisladas, se estableció su papel fundamental en el proceso de biosíntesis de proteínas. En 1958, en el primer simposio dedicado a estas partículas, se decidió llamarlas ribosomas.

Otro paso importante en el desarrollo de la biología molecular fueron los datos del experimento de Oswald Avery, Colin MacLeod y MacLean McCarthy publicados en 1944, que demostraron que el ADN es la causa de la transformación bacteriana. Esta fue la primera evidencia experimental del papel del ADN en la transmisión de información hereditaria, desacreditando la idea previamente predominante sobre la naturaleza proteica de los genes.

A principios de la década de 1950, Frederick Sanger demostró que una cadena de proteínas es una secuencia única de residuos de aminoácidos. A finales de los años 50, Max Perutz y John Kendrew descifraron la estructura espacial de las primeras proteínas. Ya en el año 2000 se conocían cientos de miles de secuencias de aminoácidos naturales y miles de estructuras espaciales de proteínas.

Casi al mismo tiempo, la investigación de Erwin Chargaff le permitió formular reglas que describen la proporción de bases nitrogenadas en el ADN (las reglas establecen que, independientemente de las diferencias entre especies en el ADN, la cantidad de guanina es igual a la cantidad de citosina y la cantidad de adenina es igual a la cantidad de temina), lo que más tarde ayudó a lograr el mayor avance en la biología molecular y uno de los mayores descubrimientos de la biología en general.

Este hecho ocurrió en 1953, cuando James Watson y Francis Crick, basándose en las obras de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins Análisis estructural de rayos X. El ADN, estableció la estructura bicatenaria de la molécula de ADN. Este descubrimiento permitió responder a la pregunta fundamental sobre la capacidad de un portador de información hereditaria para reproducirse y comprender el mecanismo de transmisión de dicha información. Los mismos científicos formularon el principio de complementariedad de las bases nitrogenadas, que ha valor clave comprender el mecanismo de formación de estructuras supramoleculares. Este principio, que ahora se utiliza para describir todos los complejos moleculares, nos permite describir y predecir las condiciones para la aparición de interacciones intermoleculares débiles (no valentes), que determinan la posibilidad de formación de compuestos secundarios, terciarios, etc. la estructura de las macromoléculas, el curso del autoensamblaje de los sistemas biológicos supramoleculares, que determinan una variedad tan amplia de estructuras moleculares y sus conjuntos funcionales. Luego, en 1953, surgió Revista de ciencia Revista de biología molecular. Estaba encabezado por John Kendrew, cuyo área de intereses científicos era el estudio de la estructura de las proteínas globulares (Premio Nobel en 1962 junto con Max Perutz). En 1966, V. A. Engelhardt fundó en la URSS una revista similar en ruso llamada “Molecular Biology”.

En 1958, Francis Crick formuló el llamado. el dogma central de la biología molecular: la idea de la irreversibilidad del flujo de información genética desde el ADN a través del ARN hasta las proteínas según el esquema ADN → ADN (replicación, creación de una copia de ADN), ADN → ARN ( transcripción, copia de genes), ARN → proteína (traducción, decodificación de información sobre la estructura de las proteínas). Este dogma se corrigió un poco en 1970, teniendo en cuenta el conocimiento acumulado, ya que el fenómeno de la transcripción inversa fue descubierto de forma independiente por Howard Temin y David Baltimore: se descubrió una enzima, la reversa, que es responsable de la transcripción inversa: la formación de dobles. ADN hebrado en una plantilla de ARN monocatenario, que ocurre en los virus oncogénicos. Cabe señalar que la estricta exigencia del flujo de información genética de los ácidos nucleicos a las proteínas sigue siendo la base de la biología molecular.

En 1957, Alexander Sergeevich Spirin, junto con Andrei Nikolaevich Belozersky, demostraron que, a pesar de diferencias significativas en la composición de nucleótidos del ADN de diferentes organismos, la composición del ARN total es similar. Con base en estos datos, llegaron a la sensacional conclusión de que el ARN total de una célula no puede actuar como portador de información genética del ADN a las proteínas, ya que no coincide con su composición. Al mismo tiempo, observaron que existe una pequeña fracción de ARN, que en su composición de nucleótidos corresponde completamente al ADN y que puede ser un verdadero portador de información genética desde el ADN hasta las proteínas. Como resultado, predijeron la existencia de moléculas de ARN relativamente pequeñas, que tienen una estructura análoga a secciones individuales de ADN y actúan como intermediarias en la transferencia de información genética contenida en el ADN al ribosoma, donde se sintetizan moléculas de proteínas utilizando esta información. En 1961 (S. Brenner, F. Jacob, M. Meselson por un lado y F. Gros, Francois Jacob y Jacques Monod fueron los primeros en obtener una confirmación experimental de la existencia de tales moléculas: el ARN de información (mensajero). Al mismo tiempo, desarrollaron el concepto y el modelo de unidad funcional de ADN, el operón, que permitió explicar exactamente cómo se lleva a cabo la regulación de la expresión genética en los procariotas, el estudio de los mecanismos de la biosíntesis de proteínas y los principios de la organización estructural. y el funcionamiento de las máquinas moleculares (los ribosomas) permitieron formular un postulado que describe el movimiento de la información genética, denominado dogma central de la biología molecular: ADN - ARNm es una proteína.

En 1961 y durante los años siguientes, Heinrich Matthai y Marshall Nirenberg, y luego Har Korana y Robert Holley, realizaron varios trabajos para descifrar el código genético, como resultado de los cuales se estableció una relación directa entre la estructura del ADN y la proteínas sintetizadas y la secuencia de nucleótidos que determina el conjunto de aminoácidos en una proteína. También se obtuvieron datos sobre la universalidad del código genético. Los descubrimientos fueron galardonados con el Premio Nobel en 1968.

Para el desarrollo de las ideas modernas sobre las funciones del ARN, fue decisivo el descubrimiento de los ARN no codificantes, basado en los resultados del trabajo de Alexander Sergeevich Spirin junto con Andrei Nikolaevich Belozersky en 1958, Charles Brenner y sus coautores y Saul Spiegelman. en 1961. Este tipo de ARN constituye la mayor parte del ARN celular. Los ARN no codificantes incluyen principalmente ARN ribosómicos.

Los métodos para cultivar e hibridar células animales han recibido un desarrollo significativo. En 1963, Francois Jacob y Sidney Brenner formularon la idea de un replicón, una secuencia de genes que se replican inherentemente y que explica aspectos importantes de la regulación de la replicación genética.

En 1967, en el laboratorio de A. S. Spirin, se demostró por primera vez que la forma del ARN plegado de forma compacta determina la morfología de la partícula ribosómica.

En 1968 se hizo un importante descubrimiento fundamental. Okazaki, después de haber descubierto fragmentos de ADN de la cadena retrasada mientras estudiaba el proceso de replicación, nombró los fragmentos de Okazaki en su honor y aclaró el mecanismo de replicación del ADN.

En 1970, Howard Temin y David Baltimore hicieron de forma independiente un descubrimiento importante: descubrieron la enzima revertasa, que es responsable de la transcripción inversa: la formación de ADN bicatenario en una plantilla de ARN monocatenario, que ocurre en los virus oncogénicos que contienen ARN.

Otro logro importante de la biología molecular fue la explicación del mecanismo de las mutaciones a nivel molecular. Como resultado de una serie de estudios, se establecieron los principales tipos de mutaciones: duplicaciones, inversiones, deleciones, translocaciones y transposiciones. Esto hizo posible considerar los cambios evolutivos desde el punto de vista de los procesos genéticos y permitió desarrollar la teoría de los relojes moleculares, que se utiliza en filogenia.

A principios de los años 70 se formularon los principios básicos del funcionamiento de los ácidos nucleicos y las proteínas en un organismo vivo. Se descubrió que las proteínas y los ácidos nucleicos del cuerpo se sintetizan mediante un mecanismo de matriz; la molécula de la matriz transporta información cifrada sobre la secuencia de aminoácidos (en una proteína) o nucleótidos (en un ácido nucleico). Durante la replicación (duplicación de ADN) o la transcripción (síntesis de ARNm), el ADN actúa como tal matriz; durante la traducción (síntesis de proteínas) o la transcripción inversa, el ARNm actúa como tal matriz.

De este modo se crearon las condiciones teóricas para el desarrollo de áreas aplicadas de la biología molecular, en particular la ingeniería genética. En 1972, Paul Berg, Herbert Boer y Stanley Cohen desarrollaron la tecnología de clonación molecular. Luego fueron los primeros en obtener ADN recombinante in vitro. Estos destacados experimentos sentaron las bases de la ingeniería genética y este año se considera la fecha de nacimiento de este campo científico.

En 1977, Frederick Sanger, e independientemente Allan Maxam y Walter Gilbert desarrollaron varios métodos determinación de la estructura primaria (secuenciación) del ADN. El método Sanger, el llamado método de terminación de cadena, es la base de la secuenciación moderna. El principio de secuenciación se basa en el uso de bases marcadas que actúan como terminadores en una reacción de secuenciación circular. Este método se ha generalizado debido a su capacidad para realizar análisis rápidamente.

1976 - Federico. Sanger descifró la secuencia de nucleótidos del ADN del fago φΧ174, de 5375 pares de nucleótidos de longitud.

1981 – La anemia de células falciformes se convierte en la primera enfermedad genética diagnosticada mediante pruebas de ADN.

1982-1983 el descubrimiento de la función catalítica del ARN en los laboratorios estadounidenses de T. Check y S. Altman cambió la idea existente sobre el papel exclusivo de las proteínas. Por analogía con las proteínas catalíticas, las enzimas, los ARN catalíticos se denominaron ribozimas.

1987 Keri Mullez descubrió la reacción en cadena de la polimerasa, gracias a la cual es posible aumentar artificialmente de manera significativa la cantidad de moléculas de ADN en una solución para seguir trabajando. Hoy en día, este es uno de los métodos más importantes de la biología molecular, utilizado en el estudio de enfermedades hereditarias y enfermedades virales, en el estudio de los genes y en la identificación genética de la personalidad y establecimiento del parentesco, etc.

En 1990, tres grupos de científicos publicaron simultáneamente un método que permitió obtener rápidamente ARN sintético funcionalmente activo (ribozimas artificiales o moléculas que interactúan con varios ligandos, aptámeros) en el laboratorio. Este método se llama "evolución in vitro". Y poco después, en 1991-1993, en el laboratorio de A.B. Quadruple demostró experimentalmente la posibilidad de la existencia, crecimiento y amplificación de moléculas de ARN en forma de colonias en medios sólidos.

En 1998, casi simultáneamente, Craig Mello y Andrew Fire describieron un mecanismo observado previamente durante experimentos genéticos con bacterias y flores. interferencia de ARN, en el que una pequeña molécula de ARN bicatenario conduce a una supresión específica de la expresión genética.

El descubrimiento del mecanismo de interferencia del ARN tiene una importancia práctica muy importante para la biología molecular moderna. Este fenómeno se utiliza ampliamente en experimentos científicos como herramienta para “desconectar”, es decir, suprimir la expresión de genes individuales. De particular interés es el hecho de que este método permite la supresión reversible (temporal) de la actividad de los genes en estudio. Se están realizando investigaciones sobre la posibilidad de utilizar este fenómeno para el tratamiento de enfermedades virales, tumorales, degenerativas y metabólicas. Cabe señalar que en 2002 se descubrieron virus de la polio mutantes que podían evitar la interferencia del ARN, por lo que se requiere un trabajo más minucioso para desarrollar un virus verdaderamente métodos efectivos tratamiento basado en este fenómeno.

En 1999-2001, varios grupos de investigadores determinaron la estructura del ribosoma bacteriano con una resolución de 5,5 a 2,4 angstroms.

Artículo

Los logros de la biología molecular en el conocimiento de la naturaleza viva son difíciles de sobreestimar. Se ha logrado un gran éxito gracias a un exitoso concepto de investigación: los procesos biológicos complejos se consideran desde la perspectiva de sistemas moleculares individuales, lo que permite el uso de métodos de investigación fisicoquímicos precisos. Esto también atrajo a muchas grandes mentes de campos afines a esta área de la ciencia: química, física, citología, virología, lo que también tuvo un efecto beneficioso en la escala y velocidad del desarrollo del conocimiento científico en esta área. Descubrimientos tan importantes como la determinación de la estructura del ADN, el descifrado del código genético y la modificación artificial del genoma han permitido comprender mucho mejor las características específicas de los procesos de desarrollo de los organismos y resolver con éxito numerosos importantes científicos, médicos y aplicados fundamentales y aplicados. Problemas sociales que no hace mucho se consideraban insolubles.

El tema de estudio de la biología molecular son principalmente las proteínas, los ácidos nucleicos y los complejos moleculares (máquinas moleculares) basados ​​en ellos y los procesos en los que participan.

Los ácidos nucleicos son polímeros lineales que constan de unidades de nucleótidos (compuestos de un azúcar de cinco miembros con un grupo fosfato en el quinto átomo del ciclo y una de las cuatro bases nitrogenadas), interconectados por un enlace éster de grupos fosfato. Por tanto, un ácido nucleico es un polímero de pentosa fosfato con bases nitrogenadas como sustituyentes laterales. La composición química de la cadena de ARN se diferencia de la del ADN en que la primera consta de un anillo de cinco miembros del carbohidrato ribosa, mientras que la segunda consta de un derivado deshidroxirribosa de la ribosa. Además, espacialmente, estas moléculas difieren radicalmente, ya que el ARN es una molécula monocatenaria flexible, mientras que el ADN es una molécula bicatenaria.

Las proteínas son polímeros lineales, que son cadenas de alfa aminoácidos conectadas entre sí mediante enlaces peptídicos, de ahí su segundo nombre: polipéptidos. Las proteínas naturales contienen muchas unidades de aminoácidos diferentes (hasta 20 en los humanos), lo que determina una amplia variedad de propiedades funcionales de estas moléculas. Ciertas proteínas participan en casi todos los procesos del cuerpo y realizan muchas tareas: desempeñan el papel de células material de construcción, proporcionar transporte de sustancias e iones, catalizar reacciones químicas, - esta lista es muy larga. Las proteínas forman conformaciones moleculares estables en varios niveles de organización (estructuras secundarias y terciarias) y complejos moleculares, lo que amplía aún más su funcionalidad. Estas moléculas pueden tener una alta especificidad para realizar determinadas tareas debido a la formación de una estructura globular espacial compleja. La gran variedad de proteínas asegura el constante interés de los científicos por este tipo de moléculas.

Las ideas modernas sobre el tema de la biología molecular se basan en una generalización propuesta por primera vez en 1958 por Francis Crick como dogma central de la biología molecular. Su esencia era la afirmación de que la información genética en los organismos vivos pasa por etapas de implementación estrictamente definidas: la copia del ADN al ADN en la entrada de la herencia, del ADN al ARN y luego del ARN a la proteína, y la transición inversa no es posible. Esta afirmación era sólo parcialmente cierta, por lo que posteriormente se corrigió el dogma central teniendo en cuenta los nuevos datos que habían surgido.

Actualmente, se conocen varias formas de implementar material genético, que representan diferentes secuencias de implementación. tres tipos existencia de información genética: ADN, ARN y proteínas. De nueve posibles formas de implementación, se distinguen tres grupos: se trata de tres transformaciones generales (generales), que ocurren normalmente en la mayoría de los organismos vivos; tres transformaciones especiales (especiales), realizadas en algunos virus o en condiciones especiales de laboratorio; tres transformaciones desconocidas (desconocidas), cuya implementación se considera imposible.

Las transformaciones generales incluyen las siguientes formas de implementar el código genético: ADN→ADN (replicación), ADN→ARN (transcripción), ARN→proteína (traducción).

Para llevar a cabo la transferencia de características hereditarias, los padres deben transmitir una molécula de ADN completa a sus descendientes. El proceso mediante el cual se puede sintetizar una copia exacta del ADN original y, por tanto, transferir material genético, se llama replicación. Se lleva a cabo mediante proteínas especiales que desenredan la molécula (enderezan su sección), desenrollan la doble hélice y, utilizando la ADN polimerasa, crean una copia exacta de la molécula de ADN original.

Para garantizar la vida de una célula, ésta debe consultar constantemente el código genético incrustado en la doble hélice del ADN. Sin embargo, esta molécula es demasiado grande y torpe para ser utilizada como fuente directa de material genético para la síntesis continua de proteínas. Por tanto, en el proceso de implementación de la información contenida en el ADN, existe una etapa intermedia: la síntesis de ARNm, que es una pequeña molécula monocatenaria complementaria a un determinado segmento de ADN que codifica una determinada proteína. El proceso de transcripción lo llevan a cabo la ARN polimerasa y factores de transcripción. La molécula resultante puede luego entregarse fácilmente a la parte de la célula responsable de la síntesis de proteínas: el ribosoma.

Después de que el ARN ingresa al ribosoma, comienza la etapa final de implementación de información genética. En este caso, el ribosoma lee el código genético del ARNm en tripletes llamados codones y sintetiza la proteína correspondiente en función de la información recibida.

Durante transformaciones especiales, el código genético se implementa según el esquema ARN→ARN (replicación), ARN→ADN (transcripción inversa), ADN→proteína (traducción directa). La replicación de este tipo ocurre en muchos virus, donde la lleva a cabo la enzima ARN polimerasa dependiente de ARN. Enzimas similares se encuentran en las células eucariotas, donde están asociadas con el proceso de silenciamiento del ARN. La transcripción inversa se encuentra en los retrovirus, donde se lleva a cabo bajo la acción de la enzima transcriptasa inversa y, en algunos casos, también en las células eucariotas, por ejemplo, durante la síntesis telomérica. La transmisión en vivo se realiza únicamente en condiciones artificiales en un sistema aislado fuera de la celda.

Cualquiera de las tres posibles transiciones de información genética de proteína a proteína, ARN o ADN se considera imposible. El caso del efecto de los priones sobre las proteínas, como resultado del cual se forma un prión similar, podría atribuirse condicionalmente al tipo de implementación de la información genética proteína → proteína. Sin embargo, formalmente no lo es, ya que no afecta la secuencia de aminoácidos de la proteína.

La historia del origen del término “dogma central” es interesante. Dado que la palabra dogma generalmente significa una declaración que está fuera de toda duda, y la palabra en sí tiene claras connotaciones religiosas, elegirla como descripción Hecho científico no del todo legal. Según el propio Francis Crick, este fue su error. Quería darle mayor importancia a la teoría propuesta, distinguirla de otras teorías e hipótesis; ¿Por qué decidió utilizar esta majestuosa palabra, en su opinión, sin comprender su verdadero significado? El nombre, sin embargo, se mantuvo.

Biología molecular hoy

El rápido desarrollo de la biología molecular, el interés constante por los logros en esta área por parte de la sociedad y la importancia objetiva de la investigación han propiciado el surgimiento. gran número Los principales centros de investigación de biología molecular de todo el mundo. Entre los más importantes, cabe mencionar los siguientes: el Laboratorio de Biología Molecular de Cambridge, la Royal Institution de Londres, en el Reino Unido; institutos de biología molecular en París, Marsella y Estrasburgo, Instituto Pasteur en Francia; departamentos de biología molecular de la Universidad de Harvard y el Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad de Berkeley, el Instituto Tecnológico de California, la Universidad Rockefeller y el Instituto de Salud Bethesda, en Estados Unidos; Institutos Max Planck, Universidades de Göttingen y Munich, Instituto Central de Biología Molecular de Berlín, Institutos de Jena y Halle - en Alemania; Instituto Karolinska de Estocolmo en Suecia.

En Rusia, los centros líderes en este campo son el Instituto de Biología Molecular que lleva su nombre. V.A. Engelhardt RAS, Instituto de Genética Molecular RAS, Instituto de Biología Genética RAS, Instituto de Biología Física y Química que lleva el nombre. A. N. Belozersky Universidad Estatal de Moscú que lleva el nombre. M.V Lomonosov, Instituto de Bioquímica que lleva el nombre. A.N.Bach RAS y el Instituto de Proteínas RAS en Pushchino.

Hoy en día, los intereses de los biólogos moleculares cubren una amplia gama de cuestiones científicas fundamentales. El papel principal todavía lo ocupa el estudio de la estructura de los ácidos nucleicos y la biosíntesis de proteínas, el estudio de la estructura y funciones de diversas estructuras intracelulares y superficies celulares. También son áreas importantes de investigación el estudio de los mecanismos de recepción y transmisión de señales, los mecanismos moleculares de transporte de compuestos dentro de la célula y también de la célula a ambiente externo y de vuelta. Entre las principales direcciones de la investigación científica en el campo de la biología molecular aplicada, una de las máximas prioridades es el problema de la aparición y desarrollo de tumores. También un área muy importante que estudia la rama de la biología molecular, la genética molecular, es el estudio de las bases moleculares de la aparición de enfermedades hereditarias y virales, por ejemplo, el SIDA, así como el desarrollo de métodos para su prevención y, posiblemente, tratamiento a nivel genético. Los descubrimientos y desarrollos de los biólogos moleculares en medicina forense han encontrado una amplia aplicación. En los años 80, científicos de Rusia, Estados Unidos y Gran Bretaña hicieron una verdadera revolución en el campo de la identificación personal gracias al desarrollo y la implementación en la práctica cotidiana del método de "huellas dactilares genómicas", que identifica a un individuo mediante el ADN. La investigación en esta área continúa hasta el día de hoy. métodos modernos permitir la identificación con una probabilidad de error de una milmillonésima de porcentaje. Ya está en marcha el desarrollo activo de un proyecto de pasaporte genético, que se espera que reduzca considerablemente la tasa de criminalidad.

Metodología

Hoy en día, la biología molecular cuenta con un extenso arsenal de métodos que le permiten resolver los problemas más avanzados y tareas complejas, de pie frente a los científicos.

Uno de los métodos más comunes en biología molecular. es electroforesis en gel, que resuelve el problema de separar una mezcla de macromoléculas por tamaño o carga. Casi siempre, después de la separación de macromoléculas en un gel, se utiliza la transferencia, un método que permite transferir las macromoléculas del gel (sorberlas) a la superficie de la membrana para facilitar el trabajo posterior con ellas, en particular la hibridación. La hibridación (la formación de ADN híbrido a partir de dos cadenas de diferente naturaleza) es un método que desempeña un papel importante en investigación básica. Se utiliza para determinar complementario segmentos en diferentes ADN (ADN diferentes tipos), se utiliza para buscar nuevos genes, con su ayuda se descubrió la interferencia del ARN y su principio formó la base de la huella genómica.

El método de secuenciación desempeña un papel importante en la práctica moderna de la investigación de biología molecular: determinar la secuencia de nucleótidos en ácidos nucleicos y aminoácidos en proteínas.

La biología molecular moderna no se puede imaginar sin el método de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Gracias a este método, se aumenta (amplifica) el número de copias de una determinada secuencia de ADN para obtener de una molécula una cantidad suficiente de una sustancia para seguir trabajando con ella. Un resultado similar se logra mediante la tecnología de clonación molecular, en la que la secuencia de nucleótidos requerida se introduce en el ADN de las bacterias (sistemas vivos), después de lo cual la reproducción de las bacterias conduce al resultado deseado. Este enfoque es técnicamente mucho más complicado, pero permite obtener simultáneamente el resultado de la expresión de la secuencia de nucleótidos en estudio.

Los métodos de ultracentrifugación también se utilizan ampliamente en la investigación de biología molecular (para separar macromoléculas ( grandes cantidades), células, orgánulos), métodos de microscopía electrónica y de fluorescencia, métodos espectrofotométricos, análisis de difracción de rayos X, autorradiografía, etc.

Gracias al progreso tecnológico y a la investigación científica en los campos de la química, la física, la biología y la informática, los equipos modernos permiten aislar, estudiar y modificar genes individuales y los procesos en los que participan.

La biología molecular ha experimentado un período desarrollo rápido propios métodos de investigación, que ahora difieren de la bioquímica. Estos incluyen, en particular, métodos de ingeniería genética, clonación, expresión artificial y eliminación de genes. Dado que el ADN es el portador material de la información genética, la biología molecular se ha acercado significativamente a la genética, y en la unión se formó la genética molecular, que es a la vez una rama de la genética y la biología molecular. Así como la biología molecular utiliza ampliamente los virus como herramienta de investigación, la virología utiliza métodos de biología molecular para resolver sus problemas. Para analizar la información genética utilizamos Ingeniería Informática, en relación con lo cual han surgido nuevas áreas de la genética molecular, que en ocasiones se consideran disciplinas especiales: bioinformática, genómica y proteómica.

Historia del desarrollo

Este descubrimiento fundamental fue fruto de un largo período de investigación sobre la genética y la bioquímica de virus y bacterias.

En 1928, Frederick Griffith demostró por primera vez que un extracto de bacterias patógenas muertas por calor podía transmitir patogenicidad a bacterias no peligrosas. El estudio de la transformación bacteriana condujo posteriormente a la purificación del agente patógeno que, contrariamente a lo esperado, resultó no ser una proteína, sino un ácido nucleico. El ácido nucleico en sí no es peligroso; sólo porta genes que determinan la patogenicidad y otras propiedades del microorganismo.

En los años 50 del siglo XX se demostró que las bacterias tienen un proceso sexual primitivo; son capaces de intercambiar ADN extracromosómico y plásmidos. El descubrimiento de los plásmidos, así como su transformación, formó la base de la tecnología de los plásmidos, muy extendida en la biología molecular. Otro descubrimiento importante para la metodología fue el descubrimiento de virus bacterianos y bacteriófagos a principios del siglo XX. Los fagos también pueden transferir material genético de una célula bacteriana a otra. La infección de bacterias por fagos provoca cambios en la composición del ARN bacteriano. Si sin fagos la composición del ARN es similar a la composición del ADN bacteriano, luego de la infección el ARN se vuelve más similar al ADN de un bacteriófago. Así, se estableció que la estructura del ARN está determinada por la estructura del ADN. A su vez, la tasa de síntesis de proteínas en las células depende de la cantidad de complejos de ARN-proteína. Así fue formulado dogma central de la biología molecular: ADN ↔ ARN → proteína.

El mayor desarrollo de la biología molecular estuvo acompañado tanto por el desarrollo de su metodología, en particular, la invención de un método para determinar la secuencia de nucleótidos del ADN (W. Gilbert y F. Sanger, Premio Nobel de Química 1980), como por nuevos descubrimientos. en el campo de la investigación sobre la estructura y funcionamiento de los genes (ver Historia de la genética). A comienzos del XXI siglo, se obtuvieron datos sobre la estructura primaria de todo el ADN humano y de varios otros organismos que son más importantes para la medicina. Agricultura Y investigación científica, lo que condujo al surgimiento de varias direcciones nuevas en biología: genómica, bioinformática, etc.

ver también

  • Biología molecular (revista)
  • Transcriptómica
  • Paleontología molecular
  • EMBO - Organización Europea de Biólogos Moleculares

Literatura

  • Cantante M., Berg P. Genes y genomas. - Moscú, 1998.
  • Stent G., Kalindar R. Genética molecular. - Moscú, 1981.
  • Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Clonación molecular. - 1989.
  • Patrushev L.I. La expresion genica. - M.: Nauka, 2000. - 000 p., enfermo. ISBN 5-02-001890-2

Enlaces


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  • Distrito de Arzamas de la región de Nizhny Novgorod

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Libros

  • Biología molecular de las células. Colección de problemas, J. Wilson, T. Hunt. El libro de autores estadounidenses es un apéndice de la segunda edición del libro de texto “Biología molecular de la célula” de B. Alberts, D. Bray, J. Lewis y otros. Contiene preguntas y tareas cuyo objetivo es profundizar…

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Referencia

La biología molecular surgió de la bioquímica en abril de 1953. Su aparición está asociada con los nombres de James Watson y Francis Crick, quienes descubrieron la estructura de la molécula de ADN. El descubrimiento fue posible gracias a la investigación sobre genética, bacterias y bioquímica de los virus. La profesión de biólogo molecular no está muy extendida, pero hoy en día su papel en sociedad moderna muy grande. Un gran número de Las enfermedades, incluidas las que se manifiestan a nivel genético, requieren que los científicos encuentren soluciones a este problema.

descripcion de actividad

Los virus y las bacterias mutan constantemente, lo que significa que los medicamentos ya no ayudan a la persona y las enfermedades se vuelven difíciles de curar. La tarea de la biología molecular es adelantarse a este proceso y desarrollar una nueva cura para las enfermedades. Los científicos trabajan según un esquema bien establecido: bloquear la causa de la enfermedad, eliminar los mecanismos hereditarios y así aliviar la condición del paciente. Hay varios centros, clínicas y hospitales en todo el mundo donde los biólogos moleculares están desarrollando nuevos métodos de tratamiento para ayudar a los pacientes.

Responsabilidades laborales

Las responsabilidades de un biólogo molecular incluyen el estudio de los procesos dentro de una célula (por ejemplo, cambios en el ADN durante el desarrollo de tumores). Los expertos también estudian las características del ADN, su efecto en todo el organismo y en cada célula individual. Estos estudios se llevan a cabo, por ejemplo, sobre la base de la PCR (reacción en cadena de la polimerasa), que permite analizar el cuerpo en busca de infecciones, enfermedades hereditarias y determinar el parentesco biológico.

Características del crecimiento profesional.

La profesión de biólogo molecular es bastante prometedora en su campo y ya ocupa el primer lugar en el ranking de las profesiones médicas del futuro. Por cierto, un biólogo molecular no tiene por qué permanecer en este campo todo el tiempo. Si desea cambiar de profesión, puede volver a capacitarse como gerente de ventas de equipos de laboratorio, comenzar a desarrollar instrumentos para diversos estudios o abrir su propio negocio.

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