A molekuláris biológia története az 1930-as években kezdődik a korábban különálló biológiai tudományágak egyesülésével: biokémia , genetika , mikrobiológia és virológia . Emellett abban a reményben, hogy az új tudományág lehetőséget nyit az élet alapvető alapjainak megértésére, sok kémikus és fizikus fordult hozzá.
A modern értelemben vett molekuláris biológia a makromolekulák tulajdonságaiból kiindulva magyarázza az élet jelenségét. Különösen kétféle molekuláris biológus került a figyelem középpontjába: 1) a nukleinsavak , amelyek közül a DNS a leghíresebb , a gének szerkezete rá van kötve , és 2) a fehérjék , amelyek aktivitása biztosítja az életet a molekuláris szint. A molekuláris biológia egyik definíciója szerint ez a tudományág jellemzi e két típusú makromolekula szerkezetét, funkcióit és kapcsolatait.
Az új tudományág nevét Warren Weaver, a Rockefeller Alapítvány Természettudományi Osztályának igazgatója javasolta 1938-ban. Eleinte úgy érezték, hogy az élet fizikai és kémiai alapjait várják tőle. Miután az 1910-es években Mendel törvényeit széles körben elfogadták a tudományos körökben, és az 1920-as években az atomelmélet fejlődése a kvantummechanika alapelveinek kialakulásához vezetett , úgy tűnt, hogy a tudomány közel jár az élet jelenségének molekuláris alapjainak felfedezéséhez. Weaver a Rockefeller Alapítvány nevében támogatta és finanszírozta a biológia, a kémia és a fizika metszéspontjában folyó kutatásokat, és még olyan hírességek is, mint Niels Bohr és Erwin Schrödinger próbáltak elméleti alapot hozni a biológiába, ahogyan az elméleti fizikában tették. Az 1930-as és 1940-es években azonban nem volt világos, hogy milyen kutatások vezetnek a célhoz, ha ez a cél egyáltalán elérhető. Ez magában foglalta a kolloidkémiai , biofizikai , sugárbiológiai és krisztallográfiai kutatásokat is .
1940-ben George Beadle és Edward Tatham kimutatta a gének és a fehérjék közötti kapcsolat létezését [1] , összekapcsolva a genetikát a biokémiával. Azt javasolták, hogy a genetikusok Drosophila helyett a gomba neurospóráját használják modellszervezetként . A modellszervezetek szélesebb körének alkalmazása rendkívül fontos volt egy új tudományág kialakulásához. 1944-ben Oswald Avery , aki a Rockefeller Egyetemen baktériumokkal dolgozott, kimutatta, hogy a gének DNS- ből állnak [2] (lásd Avery, McLeod és McCarthy kísérletét ). 1952-ben Alfred Hershey és Martha Chase megerősítették, hogy a bakteriofág genetikai anyaga is DNS-ből áll [3] (lásd Hershey-Chase kísérlet ). 1953-ban James Watson és Francis Crick javasolta a DNS-molekula kétszálú szerkezetét [4] . Szerkezeti modelljük valóban lehetővé tette számos alapvető biológiai jelenség megmagyarázását, mint például a nagyon nagy biológiai molekulák létezését, a szerkezetükre vonatkozó információk tárolásának és pontos másolásának módszerét, a gének szerkezetének megváltoztatásának lehetőségét az evolúció során stb. melynek eredményeként a molekuláris biológia elnyerte alapelveit.
1961-ben François Jacob és Jacques Monod azt javasolta, hogy kell lennie egy közvetítőnek a DNS és a fehérje között, amelyet hírvivő RNS -nek neveztek . 1961-1965-ben. A genetikai kód megfejtésével világossá vált, hogy a DNS-en tárolt információk hogyan határozzák meg a fehérje szerkezetét, és a DNS szerkezetében található nukleotidkombinációk felelnek meg a fehérje egyes aminosavainak . Az 1960-as évek elején Jacob és Monod azt is megmutatta, hogy a fehérje hogyan képes szabályozni a transzkripciót és a génexpressziót [5] .
Körülbelül negyedszázad alatt jelentős felfedezések születtek a molekuláris biológiában. Aztán újabb tizenöt évnyi kutatásba telt, mire új komplex technológiákat fejlesztettek ki, amelyeket ma összefoglalóan génsebészetnek neveznek . Lehetővé tették az egyes gének izolálását és jellemzését, beleértve a nagyon összetett élő szervezetekből, köztük az emberből származókat is.
A molekuláris forradalom biológiatörténeti kontextusában történő értékelése során könnyen belátható, hogy a molekuláris biológia születése egy hosszú folyamat csúcspontja volt, amely az első mikroszkóp alatti megfigyelésektől kezdődött. A korai kutatók megpróbálták megérteni, hogyan működnek az élő szervezetek mikroszkopikus szinten. A XVIII. század végétől. Egyre nagyobb figyelmet fordítottak az élő szervezetek által termelt kémiai molekulák jellemzőinek leírására. Így olyan neves kémikusok munkáiban, mint Justus Liebig , megszületett a fiziológiai kémia, a modern biokémia előfutára , amely viszont Eduard Buchnernek köszönheti születését . A vegyészek által vizsgált molekulák és a mikroszkóp alatt látható finom struktúrák, például a kromoszómák között azonban az ismeretlen birodalma, a "hiányzó dimenziók világa" feküdt, ahogy a kiváló fizikai kémikus, Wolfgang Oswald nevezte. Ezt a világot kolloidok , kémiai vegyületek lakták , amelyek szerkezete és tulajdonságai tisztázatlanok maradtak.
A molekuláris biológusok sikere ennek az ismeretlen világnak a feltárásában új fizikai és kémiai módszerek megjelenését eredményezte, mint például a röntgendiffrakciós elemzés , elektronmikroszkópia , ultracentrifugálás , elektroforézis .
Ebben a folyamatban a fordulópontot Linus Pauling 1949-es munkája jelentette, amelyben először kapcsoltak össze emberi betegséget, a sarlósejtes vérszegénységet a hemoglobinmolekula mutációjával .
A molekuláris biológia megszületésekor két tudományág találkozott egymással, amelyek a 20. század első felében gyors fejlődési időszakot éltek át: a biokémia és a genetika. Biokémikusok tanulmányozták az élő anyagot alkotó molekulák szerkezetét és funkcióit. 1900 és 1940 között leírták a központi anyagcsere folyamatokat : a tápanyagok, különösen a szénhidrátok emésztését és felszívódását. Az anyagcserét alkotó elemi kémiai folyamatok mindegyikét egy adott enzim katalizálja . Az enzimek fehérjék, akárcsak a vér antitestei és az izomösszehúzódásokért felelős fehérjék. Ezért a fehérjék szerkezetének és működésének vizsgálata a biokémia egyik legfontosabb feladatává vált. A genetikusok a Drosophila gyümölcslégy modellszervezetként való bemutatásának köszönhetően Thomas Morgan által megállapították Mendel törvényeinek érvényességét, és számos új tényt és mintát fedeztek fel a gének közötti kapcsolatokban. Morgan különösen azt mutatta ki, hogy a gének a kromoszómákon lokalizálódnak. A gének kémiai természete és hatásuk molekuláris mechanizmusa azonban továbbra is rejtély maradt.
1869-ben Johann Friedrich Miescher felfedezett egy anyagot, amelyet nukleinnek nevezett. Később megtisztított egy lazacsperma mintát, és tanítványa, Richard Altmann 1889-ben nukleinsavnak nevezte el. 1919-ben a Rockefeller Intézetben elvégezték a nukleinsav kémiai elemzését, melynek során négy nitrogéntartalmú bázist, cukrot és foszfátot azonosítottak, amelyeket kovalens kötések kapcsoltak össze a foszfát-cukor-bázis sorrendben. Ezen egységek mindegyikét nukleotidnak nevezzük . Eleinte azonban azt feltételezték, hogy négy nukleotid kapcsolódik egymáshoz azonos szerkezetű rövid láncokban. Thorbjorn Kaspersson és Einar Hammersten csak 1934-ben mutatta ki, hogy a DNS polimer.
1927-ben N. K. Kolcov azt javasolta, hogy az öröklött tulajdonságokat nemzedékről nemzedékre adják át az óriási molekulákkal együtt, amelyek két, félig konzervatív módon replikált tükörláncból állnak, és a replikáció során mindegyik lánc mátrixként szolgál a molekulák szintéziséhez. egy új [6] . 1935-ben Max Delbrück , N. V. Timofeev-Resovsky és Karl Zimmer azt javasolta, hogy a kromoszómák olyan óriási molekulák, amelyek szerkezete röntgensugárzással megváltoztatható , ami az öröklött tulajdonságok megváltozásához vezet. 1937-ben William Astbury megkapta a DNS röntgendiffrakciós elemzésének első eredményeit , de nem tudott következtetéseket levonni a szerkezetére vonatkozóan. Csak az volt világos, hogy ez a szerkezet szabályos.
1943-ban Oswald Avery és szerzőtársai végeztek kritikai kísérletet, amely bebizonyította, hogy a gének DNS-ből állnak, és folytatták Frederick Griffith munkáját , aki a második világháború elején tragikusan meghalt a pneumococcus törzsekkel. Griffith kísérletei a nem virulens durva típusú baktériumok (R) virulens sima törzsté (S) történő transzformációját foglalták magukban. Aver kiemelte az „átalakító elvet”, és DNS-ként azonosította. Hasonló kísérletet indított 1953-ban Alfred Hershey és Martha Chase, akik a T2 bakteriofággal dolgoztak. Munkájuk során azt is kimutatták, hogy a fág genetikai anyaga a DNS.
Az 1950-es években három tudóscsoport ért el sikereket a biológiai makromolekulák szerkezetének kutatásában. Az első a King's College-ban (London) dolgozott , benne volt Maurice Wilkins és Rosalind Franklin is . A második a cambridge -i Francis Crickből és James Watsonból állt . A harmadik csoport Linus Pauling vezetésével a California Institute of Technology-n (USA) dolgozott . Watson és Crick az egyes nukleotidok szerkezetére és az atomok közötti távolságokra vonatkozó adatok alapján fémrudakkal összekötött golyókból építettek fel szerkezeti modelleket. Franklin és Wilkins a krisztallográfiából és a röntgendiffrakcióból származó adatokat elemezte .
Pauling csoportja 1948-ban ugyanezen kutatás alapján azt találta, hogy sok fehérje térszerkezetében kisebb-nagyobb részek vannak spirál formájában . Hasonló következtetéseket lehetne levonni Franklin és Wilkins DNS-re vonatkozó adataiból. A végső következtetéseket a DNS helikális szerkezetéről, a benne lévő két lánc jelenlétéről, amelyeket az egymással szemben álló egyes nukleotidok között hidrogénkötések kötnek össze, valamint ezek komplementaritásáról Watson és Crick vonta le a végső következtetéseket. Segítségükre volt Erwin Chargaff , aki 1952-ben járt Cambridge-ben, és felidézte 1947-es kísérleteit, amikor megállapította, hogy a nukleotidok aránya a különböző DNS-mintákban eltérő, de az adenin mindig ugyanolyan arányban van jelen, mint a timin, a guanin pedig ugyanúgy, mint a citozin.
Watson és Crick 1953-ban építette meg az első pontos DNS-modellt az addigi Franklin által szerzett adatok alapján [7] . Felfedezésük rendkívüli lelkesedést váltott ki a tudósokban és a nagyközönségben egyaránt. Watson és Crick cikke április 25-én jelent meg a Nature -ben. Tartalmát megismételte a Watson és Crick által dolgozott laboratórium vezetője, William Bragg május 14-i nyilvános jelentése. Már május 15-én megjelent róla cikk a londoni News Chronicle újságban, május 16-án pedig a The New York Timesban . 1962-ben Watson, Crick és Wilkins Nobel-díjat kapott ezért a felfedezésért . Rosalind Franklin ekkor már 1958-ban rákban halt meg.
1957-ben Crick egy olyan formulát javasolt, amely a „ molekuláris biológia központi dogmájaként ” vált ismertté . E képlet szerint a DNS a fehérje szerkezetére vonatkozó információk tárháza. A köztük lévő közvetítő az RNS. A félig konzervatív DNS-replikáció feltételezett mechanizmusát ekkorra megerősítette Meselson és Stahl kísérlete . Crick és szerzőtársai kimutatták, hogy a genetikai kód kodonoknak nevezett nukleotidhármasokból áll, amelyek mindegyike egy fehérje egy aminosavát kódolja. 1966-ra Har Korán és munkatársai megfejtették a genetikai kódot a DNS kodonok és a fehérje aminosavmaradékai közötti kapcsolatok megállapításával.
Az RNS szerkezetével kapcsolatos korai munka szintén az 1950-es évekre nyúlik vissza. Watson és Crick azt javasolta, hogy a 2`OH csoport jelenléte a ribózban megakadályozza a kettős hélix kialakulását, ami csak a DNS-re jellemző [8] . Kétségek merültek fel még azzal kapcsolatban is, hogy ez a makromolekula képes-e bármilyen spirális szerkezetet kialakítani. A tisztított minták nagyfokú heterogenitása megakadályozta, hogy az RNS-en különálló diffrakciós mintázatok jöjjenek létre, és röntgendiffrakciós analízisük megakadályozza. 1955-ben fedezték fel a polinukleotid foszforiláz enzimet [9] , melynek segítségével homogén nukleinsavak mesterséges szintézise vált lehetővé, és jelentősen javultak a röntgendiffrakciós analízis adatai. Kiderült, hogy az RNS nemcsak hélixet képezhet, hanem a DNS-hez hasonlóan kettős hélixet is képes létrehozni, bár szerkezete eltér a DNS kettős hélixétől.
Az 1950-es évek végén és az 1960-as évek elején számos RNS-vizsgálat eredményét publikálták, többek között az RNS és a DNS hibridizációját a kettős hélix kialakításával mindkét makromolekula láncából [10] , sőt az RNS tripla hélixből [11] is. mint a kis RNS fragmentumok és a GC és AU dinukleotidok szerkezete, spirális hullámok formájában kristályosodva [12] . E művek modern áttekintése 2009-ben jelent meg [13]
Az 1960-as évek közepére felfedezték a riboszómákat , amelyek megmutatták a fehérjeszintézisben betöltött szerepüket és a hírvivő RNS szükségességét az összeállításukhoz. A hírvivő RNS és a riboszómák szerkezetének részét képező RNS mellett a transzport RNS -ek is részt vettek a fehérjeszintézisben , aminosavakat szállítva a riboszómába [14] . 1965-ben meghatározták az első transzfer-RNS elsődleges szerkezetét [15] , majd 1968-ra több tudóscsoport kapott egyszerre transzfer RNS-kristályokat, bár nem elég jó minőségűek ahhoz, hogy meg lehessen határozni a térbeli szerkezetüket [16] ] . Ez a cél a PHE tRNS élesztőből történő 1971-es kristályosodásának köszönhetően vált elérhetővé [17] . A tRNS PHE térszerkezetének vizsgálatával kapcsolatos munka 1973-ra fejeződött be [18] Ezt követően ennek az úttörő munkának a módszereit alkalmazták más tRNS-ek kristályosítására és térszerkezetének vizsgálatára [19] [20] . Kiderült, hogy a lineáris vagy spirális alakon kívül legalább az olyan RNS-ek, mint a transzport RNS-ek, valamint a fehérjék kompakt gömbszerkezetűek lehetnek.
Az 1980-as években kimutatták, hogy egyes RNS-ek képesek autokatalitikus hasításra [21] [22] [23] . Azokat az RNS-eket, amelyek az enzimekhez hasonlóan képesek kémiai reakciókat, például autokatalitikus hasítást katalizálni, ribozimeknek nevezik . Az 1990-es években néhány ribozim térszerkezetét tanulmányozták [24] [25] . Ezek voltak az első globuláris RNS-ek a transzportos RNS-ek mellett, amelyekben lehetővé vált a térszerkezet vizsgálata. Ennek alapján további vizsgálatokat végeztek az RNS-struktúra kialakulásának sajátosságairól, a konzervatív szerkezeti motívumok azonosításáról, a nukleotidszekvencia fragmentumai közötti lokális stabilizáló kölcsönhatásokról stb. [26] . Ezeket az előrelépéseket az in vitro transzkripciós módszer megjelenése tette lehetővé. Ezenkívül a mágneses magrezonanciát elkezdték használni az RNS szerkezetének tanulmányozására , amely különösen hasznosnak bizonyult a kis RNS-ek (RNS-ek) tanulmányozásában [27] [28] [29] .
Ezt követően az RNS szerkezetének tanulmányozására szolgáló módszerek kidolgozása lehetővé tette számos ilyen típusú makromolekula, köztük a riboszómális RNS térbeli szerkezetének tanulmányozását [30] [31] . Ada Yonath , Venkatraman Ramakrishnan és Thomas Steitz Nobel-díjat kapott a riboszomális RNS térszerkezetével kapcsolatos munkájukért .
A biológiai molekulák speciális osztályaként a fehérjéket már a 18. században azonosították. Antoine de Fourcroix . Eleinte albuminoknak ( matières albuminoides , albuminoidok vagy Eiweisskörper ) hívták őket, és jellemző tulajdonságuk az volt, hogy hővel vagy savval kezelve koagulálnak vagy koagulálnak . Az ilyen fehérjék széles körben ismert példái a 19. század elejére. ovalbumint , szérumalbumint , fibrint és búzaglutént vettek figyelembe . _ _ A tojásfehérje alvasztás és a tejes alvasztás közötti hasonlóság már ősidők óta ismert. Még magát az albumin szót is Idősebb Plinius javasolta, és a latin albus ovi (tojásfehérje) kifejezésből származik.
Jacob Berzelius és Gerrit Jan Mulder elemi elemzéseket végeztek növényi és állati fehérjékről, és megpróbálták meghatározni azok empirikus képletét . Meglepetésükre az összes fehérje képlete megközelítőleg azonosnak bizonyult: C 400 H 620 N 100 O 120 , csak a viszonylag kis arányban jelen lévő kén- és foszfortartalom különbözött. Mulder azt javasolta, hogy létezik egyetlen bázikus fehérjeanyag ( Grundstoff ), amelyet a növények szintetizálnak és az állatok megemésztenek. Berzelius támogatta ezt az ötletet, és az anyagot fehérjének nevezte.
A fehérje elnevezést a fibrin és albumin szerves oxidjára javasoltam, ezt a szót a görög πρωτειος szóból szeretném származtatni, mert úgy tűnik, hogy ez az állatok emésztésének primitív vagy alapvető anyaga.
Eredeti szöveg (angol)[ showelrejt] A fehérje elnevezést, amelyet a fibrin és albumin szerves oxidjára javaslok, a görög πρωτειος szóból akartam származtatni, mivel úgy tűnik, hogy az állati takarmányozás primitív vagy fő anyaga. Eredeti szöveg (fr.)[ showelrejt] Le nom protéine que je vous propose pour l'oxyde organque de la fibrine et de l'albumine, je voulais le dériver de πρωτειος, parce qu'il paraît être la substance primitive ou Principle de la nutrition animalee. - Berzelius 1838. július 10-én kelt személyes levelezéséből.Mulder fehérjebomlási termékeket is azonosított, különösen a leucin aminosavat , és meghatározta annak molekulatömegét, 131 Da -t .
A fehérje minimális molekulatömege Mulder elemzése szerint körülbelül 9 kDa volt , több százszor nagyobb, mint a legtöbb más molekulé, amellyel találkozott. Ezért a fehérje kémiai szerkezete (pontosabban az elsődleges szerkezete ) ismeretlen maradt egészen 1949-ig, amikor Frederick Sanger meghatározta az első fehérje, az inzulin aminosavszekvenciáját . Elméletileg azonban 1902-ben Franz Hofmeister és Emil Fischer megjósolta, hogy a fehérjék peptidkötésekkel összekapcsolt aminosavak lineáris lánca . Sok tudós kételkedett abban, hogy ilyen hosszú aminosavláncok stabilak maradhatnak oldatban, és léteztek alternatív elméletek is a fehérjék lehetséges szerkezetére vonatkozóan. Például a kolloid hipotézis szerint a fehérjék ciklokból állnak .
Azt a tényt, hogy a fehérjék még mindig meghatározott szerkezetű makromolekulák, nem pedig kolloid keverékek, Theodor Svedberg analitikai ultracentrifugálással kimutatta. Nehéz néhány milligrammnál több fehérjét nyerni a szövetek tisztításával. Ezért korai vizsgálatokat végeztek olyan fehérjéken, amelyek könnyen tisztíthatók tojásfehérjéből, vérből, valamint a vágóhidakon nyert különféle méreganyagokból és emésztőnedvekből . A fehérjetisztítási technikák gyorsan fejlődtek a második világháború alatt, mivel tisztított vérfehérjéket kellett beszerezni a sebesült katonák kezelésére. Az 1950-es évek végén az amerikai Armor and Company cég nagy mennyiségű ribonukleáz A -t tisztított, és ingyenesen biztosította a kutatás számára. Ennek eredményeként az RNáz A több évtizedre számos tudományos csoport alapkutatásának fő tárgyává vált. Különösen több Nobel-díjas alkotás készült rajta.
A fehérje térszerkezetének kutatása az 1910-es években kezdődött, amikor Crick és Martin kimutatta, hogy a koaguláció során a fehérje kicsapódását egy másik folyamat, a denaturáció előzi meg , amelyben a fehérje elveszti oldhatóságát és enzimaktivitását, de további kémiai tulajdonságokra tesz szert. Az 1920-as évek közepén felfigyeltek arra, hogy a denaturáció néha reverzibilis lehet, és a szabadenergia változása ebben a folyamatban lényegesen kisebb, mint a hagyományos kémiai reakciókban, és 1929-re az volt az elképzelés, hogy a denaturáció a szövet konformációjának megváltozása. aminosavlánc, amelyben a korábban a fehérjegömb belsejében található maradékok most az oldószer hatásának vannak kitéve. Ebben az esetben az oldhatóságnak csökkennie kell az alifás és aromás oldalcsoportokat tartalmazó aminosavak viszonylag alacsony oldhatóságának megfelelően. Ennek megfelelően további kémiai tulajdonságok jelennek meg, és az enzimaktivitás elveszik.
Az 1960-as évek elején Christian Anfinsen kimutatta, hogy az RNáz A valóban reverzibilisen denaturálódik, és ennek a fehérjének a természetes konformációja megfelel a globális szabadenergia-minimumnak.
Amikor a fehérje szerkezete még nem volt ismert, Dorothy Rinch és Irving Langmuir a ciklok hipotézisének alátámasztására azt javasolta, hogy ezeket a struktúrákat hidrofób kötések stabilizálják. Bár a hidrofób kölcsönhatások gondolatát maga John Bernal támogatta, az 1930-as években Linus Pauling és más kutatók elutasították a ciklol-hipotézissel együtt . Pauling a hidrogénkötés híve volt, amelynek elméletét William Astbury dolgozta ki . Annak ellenére, hogy a hidrogénkötések szerepe a fehérje szerkezetének stabilizálásában végül jelentéktelennek bizonyult, ez nem akadályozta meg Paulingot abban, hogy helyesen fogalmazza meg elképzeléseit a fehérje alapvető szerkezeti elemeiről, az alfa-hélixekről és a béta-redőkről . A hidrofób kötések jelentősége csak 1959-re vált világossá, amikor bebizonyosodott, hogy egyes aminosavmaradékok Arne Tiselius által bemutatott ionizációja csak a fehérjegömb felszínén játszik szerepet, ahol a polipeptidlánc érintkezésbe kerül a oldószer.
A globuláris fehérjék térszerkezetét kezdetben csak hidrodinamikai módszerekkel és ultracentrifugálással vizsgálták. Az 1950-es években megjelentek a spektrális módszerek, köztük a cirkuláris dikroizmus, a fluoreszcencia, az abszorpciós spektrumok meghatározása az ultraibolya és infravörös tartományban. A hemoglobin térszerkezetének meghatározására szolgáló krisztallográfiát és röntgendiffrakciós elemzést először Perutz és Kendrew alkalmazta az 1960-as években. Ezért a munkájukért Nobel-díjat kaptak. Az 1980-as években a mágneses magrezonanciát is alkalmazni kezdték . A Protein Data Bank 2006-ra 40 000 fehérje térszerkezetéről tartalmazott adatokat. A konzervált domének azonosításának köszönhetően ma már számítógépes programok segítségével rekonstruálható a különböző fehérjék homológ szerkezete, és krioelektronmikroszkóppal vizsgálják a nagy fehérje-fehérje komplexek szerkezetét.