19.1 Молекулярлық биологияның дамуы
Молекулярлық биология – өмірдің пайда болуын жасуша деңгейінде (ақуыз және нуклеин қышқылдарына) жасушасы жоқ құрылымдарды да (рибосомалар және т.б), вирустарда және жасушаларды да зерттейді. Молекулярлық биологияның мақсаты – молекулалардың құрылымы мен қасиеттері бойынша білімге сүйене отыра олардың функцияналдау механизмін анықтау. Негізінде молекулярлық биология, биополимерлерді зерттейтін биохимияның бағытының дамуына байланысты. Бұл уақытта биохимия зат алмасу мен биоэнергетикамен айналысқан уақытта, молекулярлық биология тұқымқуалаушылықты зерттеуге, оның берілу механизмін зерттеуге көңіл бөледі. Молекулярлық биология – биохимия, биоорганикалық химия, биофизика, органикалық химия, цитология мен генетика шегінде пайда болды. Молекулярлық биологияның формальді пайда болу уақытын 1953 ж. Дж. Уотсон мен Ф. Крик пен ДНК ның құрылымын анықтап оның репликациясы бойынша (еселену) сөздерінен тұқым қуалаушылықтың негізінде жатады деп есептеген. Солайша осы биополимердің функциясы анықталып (1944 жылы О. Эйвери ДНК тұқым қуалаушылық факторы екендігін анықтады). Молекулярлық биологияның ғылым ретінде қалыптасуына әсер екен сіңірдің тартылудың молекулярлық негіздері жұмыстары болған. Пайда болуына қарай молекулярлық биология молекулярлық генетикамен тығыз байланысты (жасушалардың генетикалық аппарат құрылымын зерттейтін ғылым және тұқымқуалаушылық) ол қазіргі уақытта да молекулярлы биологияның негізін құрайды, алайда ол жеке ғылым ретінде қалыптасып та қалған. Нуклеин қышқылдары мен олардың жасушадағы қызметтерінің заңдылықтарын зерттеуде 1953 ж. Уотсон мен Крикпен табылған комплементарлық принципі қажет. Молекулярлық биологияның ең маңызды жетістіктерінің бірі ол – мутация механизімін молекулалық деңгейде зерттелуі. Бұнда маңызды ролі ДНК-ның таяқшаларының орын ауыстырылып орнатылуы роль атқарады, геномның негізгі функционалды маңызды нуклеотидтерді ауыстыру. Организмдердің дамуындағы мутацияның орны анықталды. Жасушалық ядроны зерттеу саласында, хромосомаларды зерттеуде көптеген жетістіктер бар. Жануарларды өсіру және гибридизация әдістерінің дамуы дене жасушаларының соматикасын дамытты. Репликон туралы идея дамыды (элементарлы генетикалық құрылым, репликацияға біртұтас қабілетті), репликацияның реттелуінің негізгі аспектілерін түсіндіру (Ф. Жакоб және С. Бреннер, 1963 ж.), яғни 1968 ж. Х. Коранмен молекулярлық биологияда ең алғашқы негізгі химиялық синтезін сәтті жасаған. Гендердің химиялық табиғаты бойынша берілген және жұқа құрылысы олардың біртұтас бөлініп шығу әдістері құрастырылды (Дж. Беквит, 1969 ж.). Денеде нуклеиндер мен ақуыздардың пайда болуы матрицалық синтез принципі бойынша жүреді, осыған матрица қажет немесе «шаблон» басты полимерлік молекула, нуклеотидтердің реттілігін синтездік копияда алдын ала анықтайды. Осыдан, матрицалар репликация мен транскрипция кезіндегі ДНК болады. (ДНК матрицасындағы м-РНК синтезі), трансляция кезіндегі м-РНк (м-РНК матрицасындағы ақуыздың синтезі). Генетикалық кодтың ашылуы (оның концепциясы А. Даунс пен Г. Гамовпен 1952–54 ж.ж. қалыптасқан, ал 1961–65 ж.ж. М. Ниренберг, Х. Матте, С. Оча және Коран ұғындырды). Ақуыздағы аминқышқылдарының бірізділігі нуклеидтік қышқылдардың нуклеотидтерде бірізділігін өзара қатынасын ақуызда құрауға жағдай жасалды. Ақуыз синтезінің регуляциясы транскрипция деңгейінде басым зерттелген. Регуляция концепциясын түсіндіруде оперон концепциясы маңызды 1959 ж. Жакоб пен Ж. Моно мен ойлап тапқан, ақуыз-репрессерлердің ашылуы (транскрипция генін басады), аллостериялық реттелу және қайта байланыстың реттелуі принціпін ашты. ХХ ғ. 60 ж. ортасына қарай ДНК-ның универсалды негізгі сипаттамалары қабылданды, нәтижесінде транскрипция мен келесі трансляция уақытында полипептидтік сатының бастапқы құрылымын анықтайды. Молекулярлық биология фундаменталды және қолданбалы сипаттағы сұрақтарды қарастырады. Бұл зерттеуде үлкен қызығушылықты репарацияны, қысқа толқынды радиациямен келтірілген геномның қирауы туғызады. Серповидті (орақты) – жасушалық анемиямен ауыратын адамдардың зерттелуі «молекулярлы аурулардың» құрылымдарын зерттеуге бастау болған – метаболизмнің бастапқы қателіктері. Молекулярлық биологияның негізгі бағыты – рекомбинантты ДНК түрінде тұқымқуалаушылықты қалыптастыратын генетикалық инженерия. Генетикалық инженерия әдістерін қолдануы қысқа уақытта көптеген гендерді анықтап олардағы нуклеидтердің ретін анықтауға мүмкіндік берген. Солайша орын ауыстыратын генетикалық элементтер табылды (Б. Мак-Клинтокпен 20 ғ. 40 ж.). Генетикалық инженерия базасында пептидтер мен ақуыздарды дайындаудағы биотехнология дами бастады, бұған адамның өсу гормондар, инсулиндер, интерферондар және т.б. Геннің құрылымын әдейі өзгертуіне, және бұндай гендерді бактериалды, жануар мен өсімдік жасушаларына енгізуіне байланысты трансгенді организмдерді шығаруға мүмкіндік берді, жаңа ақуыздарды алу мүмкіндігі (ақуыздық инженерия), және оларға жаңа қасеит қосу. Молекулярлық биологияда зерттеулер жүргізу үшін кеңінен физика-химиялық әдістер және биологиялық тәжірибиелер қолданылады. Көптеген хроматографиялар, рентгенді-құрылыс анализ, электронды микроскопия – ЭПР және изотопты индикаторлар – ЯМР қолданылады. Тәжірибе кезінде көбінесе модельдік жүйеде «in vitro» және мутагендер кең қолданылады. Молекулярлық биологияның негізгі тәжиребелік мәні ауыл шаруашылықтың, микробиологиялық өнеркәсіпте, медицина бөлімдерінің әртүрлі теориялық негіздерінде де дамуы бар. Молекулярлық биологияның өзекті мәселелері бірі – жасушалардың қатерлі өсуі молекулярлық механизмдерін зерттеу, тұқымқуалаушылық ауруларды алдын алу, ес сақтау механизмін тану, ферменттердің, гормондардың, дәрілік және токсикалық заттар әсер ету механизмдерін әрі қарай зерттеу.
19.2 Биохимияның даму тарихы
Биохимия (биологиялық немесе физиологиялық химия) – тірі жасушалар мен организмдердің химиялық құрамы мен химиялық процесстері. «Биохимия термині» 19 ғасырдың ортасында қолданылған, ал классикалық мағынада ол 1903 ж. неміс ғалымымен Карл Нойбергпен енгізілді. Биохимия біріншіден бірнеше ғылымның қосылысы – биология мен химия. Химия бойынша ғылым ретінде 19 ғасырда пайда болып, биохимия органикалық химиядан айырмашылығы, ол тек тірі организмдерде жүретін заттармен химиялық реакцияларды зерттейді. Бұл анықтамаға сәйкес биохимия өзіне жасушалық және молекулярлық биологияны қосады. Молекулярлық биология нуклеин қышқылдарын зерттейді, олардың құрылымдары мен функцияларын зерттесе, бұл уақытта биохимия ақуыздарды зерттейді әсіресе биохимиялық реакцияны тездететін ферменттерге аса көп көңіл бөлінеді. Биохимия жеке ғылым ретінде 100 жыл бұрын қалыптасып қалған, алайда адамдар бұны ертеден бері қолданып келеді. Баяғы ерте заманда адамдарға биохимия өндірістік орындарда белгілі болған: нан дайындау, ірімшік пісіру, тері өңдеу және т.б. аурумен күресу жағдайына байланысты дәрілік өсімдіктерінің организмге әсерін зерттеуге әкелді. Х ғ. араб ғалымы Авиценна «Канон врачебной науки» кітабында дәрілік өсімдіктерді толықтау зерттеп сипаттап берді. Италияндық ғалым суретші Леанардо да Винчи өзінің тәжірибиелік білімі бойынша былай деген тірі ағза тек от жанатын ортада ғана өмір сүре алады деген.