Moleküler biyolojinin tarihi - History of molecular biology

Moleküler biyolojinin tarihçesi : Çeşitli, daha önce farklı biyolojik ve fiziksel disiplinlerin yakınsaması ile 1930'larda başlayan biyokimya , genetik , mikrobiyoloji , viroloji ve fiziği . Yaşamı en temel düzeyde anlama umuduyla, çok sayıda fizikçi ve kimyager, moleküler biyolojinin ne olacağıyla da ilgilendi .

Modern anlamda moleküler biyoloji, yaşam fenomenlerini, onları oluşturan makromoleküler özelliklerden başlayarak açıklamaya çalışır . Özellikle iki makromolekül kategorisi moleküler biyoloğun odak noktasıdır: 1) en ünlüsü deoksiribonükleik asit (veya DNA), genlerin bileşeni olan nükleik asitler ve 2) canlı organizmaların aktif ajanları olan proteinler . Bu nedenle moleküler biyolojinin kapsamının bir tanımı, bu iki makromolekül türü arasındaki yapı, işlev ve ilişkileri karakterize etmektir. Bu görece sınırlı tanım, sözde "moleküler devrim" için bir tarih belirlememize ya da en azından en temel gelişmelerinin bir kronolojisini oluşturmamıza yetecektir.

Genel Bakış

Onun ilk tezahürleri olarak, moleküler biyoloji-name tarafından icat edildi Warren Weaver arasında Rockefeller Vakfı yaşamın fiziksel ve kimyasal açıklamaların bir fikir yerine tutarlı bir disiplin 1938-oldu. 1910'larda Mendel kromozomu kalıtım teorisinin ortaya çıkışının ve 1920'lerde atom teorisi ve kuantum mekaniğinin olgunlaşmasının ardından , bu tür açıklamalar ulaşılabilir görünüyordu. Niels Bohr ve Erwin Schrödinger gibi önde gelen fizikçiler dikkatlerini biyolojik spekülasyonlara çevirirken, Weaver ve diğerleri biyoloji, kimya ve fiziğin kesiştiği noktada araştırmaları teşvik etti (ve finanse etti) . Bununla birlikte, 1930'larda ve 1940'larda, eğer varsa, disiplinler arası araştırmaların meyve vereceği hiçbir şekilde net değildi; iş kolloid kimyası , biyofizik ve radyasyon biyolojisi , kristalografisi ve diğer gelişmekte olan alanlara her umut verici görünüyordu.

1940'ta George Beadle ve Edward Tatum , genler ve proteinler arasında kesin bir ilişkinin varlığını gösterdiler. Genetiği biyokimya ile birleştiren deneyleri sırasında, genetiğin dayanak noktası olan Drosophila'dan daha uygun bir model organizma olan Neurospora mantarına geçtiler ; yeni model organizmaların inşası ve kullanılması, moleküler biyolojinin gelişiminde tekrar eden bir tema haline gelecektir. 1944'te New York Rockefeller Enstitüsü'nde çalışan Oswald Avery , genlerin DNA'dan oluştuğunu gösterdi (bkz. Avery–MacLeod–McCarty deneyi ). 1952'de Alfred Hershey ve Martha Chase , bakterileri enfekte eden virüs olan bakteriyofajın genetik materyalinin DNA'dan oluştuğunu doğruladılar (bakınız Hershey-Chase deneyi ). 1953 yılında James Watson ve Francis Crick , Rosalind Franklin tarafından yapılan keşiflere dayanarak DNA molekülünün çift sarmal yapısını keşfettiler . 1961'de François Jacob ve Jacques Monod , belirli genlerin ürünlerinin , bu genlerin kenarındaki belirli bölgelere etki ederek diğer genlerin ekspresyonunu düzenlediğini gösterdi . Ayrıca DNA ile protein ürünleri arasında haberci RNA olarak adlandırdıkları bir aracının varlığını varsaydılar . 1961 ve 1965 yılları arasında DNA'da bulunan bilgiler ile proteinlerin yapısı arasındaki ilişki belirlendi: DNA dizisindeki nükleotidlerin ardışıklığı ile bir dizi amino asit arasında bir yazışma oluşturan bir kod , genetik kod var . proteinler.

Moleküler biyolojinin başlıca keşifleri sadece yaklaşık yirmi beş yıllık bir dönemde gerçekleşti. Bugün genetik mühendisliği adı altında birleştirilen yeni ve daha sofistike teknolojilerin, genlerin, özellikle de oldukça karmaşık organizmalarınkilerin izolasyonuna ve karakterizasyonuna izin vermesi için on beş yıl daha gerekiyordu .

Moleküler egemenliğin keşfi

Moleküler devrimi biyolojik tarih bağlamında değerlendirecek olursak, bunun mikroskopla yapılan ilk gözlemlerle başlayan uzun bir sürecin doruk noktası olduğunu söylemek kolaydır. Bu ilk araştırmacıların amacı, canlı organizmaların işleyişini, organizasyonlarını mikroskobik düzeyde tanımlayarak anlamaktı. 18. yüzyılın sonundan itibaren, canlıları oluşturan kimyasal moleküllerin karakterizasyonu , 19. yüzyılda Alman kimyager Justus von Liebig tarafından geliştirilen ve biyokimyanın doğuşunu takiben fizyolojik kimyanın doğuşuyla birlikte giderek daha fazla ilgi görmeye başladı. 20. yüzyılın başında, başka bir Alman kimyager Eduard Buchner sayesinde . Kimyagerler tarafından incelenen moleküller ile hücre çekirdeği veya kromozomlar gibi optik mikroskop altında görülebilen minik yapılar arasında, kimyasal fizikçi Wolfgang'ın dediği gibi "göz ardı edilen boyutların dünyası" olan belirsiz bir bölge vardı. Ostwald . Bu dünya, yapısı ve özellikleri iyi tanımlanmamış kolloidler , kimyasal bileşikler tarafından doldurulur .

Moleküler biyolojinin başarıları, kimyagerler ve fizikçiler tarafından geliştirilen yeni teknolojiler aracılığıyla bu bilinmeyen dünyanın keşfinden türetilmiştir: X-ışını kırınımı , elektron mikroskobu , ultrasantrifüj ve elektroforez . Bu çalışmalar makromoleküllerin yapısını ve işlevini ortaya çıkardı.

Bu süreçte bir dönüm noktası işi olduğunu Linus Pauling'den ilk kez spesifik genetik bağlı 1949, mutasyon olan hastalarda orak hücre hastalığı bağımsız bir proteinde bir değişiklik gösterdi, hemoglobin olarak eritrositlerin arasında heterozigot veya homozigot bireyler.

Biyokimya ve genetik arasındaki karşılaşma

Moleküler biyolojinin gelişimi aynı zamanda yirminci yüzyılın ilk otuz yılında önemli ilerlemeler kaydeden iki disiplinin karşılaşmasıdır: biyokimya ve genetik. Birincisi, canlıları oluşturan moleküllerin yapısını ve işlevini inceler. 1900 ve 1940 arasında, metabolizmanın merkezi süreçleri tanımlandı: sindirim süreci ve şekerler gibi beslenmeden türetilen besleyici elementlerin emilimi. Bu süreçlerin her biri belirli bir enzim tarafından katalize edilir . Enzimler, kanda bulunan antikorlar veya kas kasılmasından sorumlu proteinler gibi proteinlerdir. Sonuç olarak, proteinlerin, yapılarının ve sentezlerinin incelenmesi biyokimyacıların temel hedeflerinden biri haline geldi.

20. yüzyılın başında gelişen ikinci biyoloji disiplini genetiktir. 1900 yılında Hugo de Vries , Carl Correns ve Erich von Tschermak'ın çalışmalarıyla Mendel yasalarının yeniden keşfinden sonra , bu bilim, Thomas Hunt Morgan tarafından 1910'da genetik çalışmalar için bir model organizmanın benimsenmesi sayesinde şekillenmeye başladı. , ünlü meyve sineği ( Drosophila melanogaster ). Kısa bir süre sonra Morgan, genlerin kromozomlar üzerinde lokalize olduğunu gösterdi. Bu keşfin ardından, Drosophila ile çalışmaya devam etti ve diğer birçok araştırma grubuyla birlikte, genin organizmaların yaşamındaki ve gelişimindeki önemini doğruladı. Bununla birlikte, genlerin kimyasal doğası ve etki mekanizmaları bir sır olarak kaldı. Moleküler biyologlar kendilerini yapının belirlenmesine ve genler ve proteinler arasındaki karmaşık ilişkilerin tanımlanmasına adadılar.

Moleküler biyolojinin gelişimi, fikirler tarihinde yalnızca bir tür içsel "zorunluluğun" meyvesi değildi, aynı zamanda tüm bilinmeyenleri, ölçülemezleri ve olasılıkları ile karakteristik olarak tarihsel bir fenomendi: başlangıcında fizikteki dikkate değer gelişmeler. 20. yüzyıl, ampirik dünya hakkında bilgi arayışında "yeni sınır" haline gelen biyolojideki gelişmedeki göreceli gecikmeyi vurguladı. Ayrıca, 1940'larda askeri zorunluluklara yanıt olarak bilgi ve sibernetik teorisindeki gelişmeler , yeni biyolojiye önemli sayıda verimli fikir ve özellikle metaforlar getirdi.

Yaşamın temel mekanizmalarının incelenmesi için model olarak bakterilerin ve virüsünün, bakteriyofajın seçimi neredeyse doğaldı - bunlar var olduğu bilinen en küçük canlı organizmalardır - ve aynı zamanda bireysel seçimlerin meyvesidir. Bu model başarısını, her şeyden önce, tek kapsamı bakteriyofaj çalışması olan, Amerika Birleşik Devletleri merkezli dinamik bir araştırma grubu oluşturabilen Alman fizikçi Max Delbrück'ün ününe ve örgütlenme anlayışına borçludur. : faj grubu .

Yeni biyolojideki gelişmelerin coğrafi panoraması, her şeyden önce önceki çalışma tarafından şartlandırıldı. Genetiğin en hızlı geliştiği ABD ve hem genetiğin hem de biyokimyasal araştırmaların son derece ileri düzeylerde bir arada bulunduğu İngiltere avangarddaydı. Fizik devrimlerinin beşiği, dünyadaki en iyi beyinlere ve en gelişmiş genetik laboratuvarlarına sahip Almanya, moleküler biyolojinin gelişmesinde birincil role sahip olmalıydı. Ancak tarih farklı karar verdi: 1933'te Nazilerin gelişi - ve daha az aşırı derecede, faşist İtalya'daki totaliter önlemlerin katılaştırılması - çok sayıda Yahudi ve Yahudi olmayan bilim insanının göç etmesine neden oldu. Çoğunluğu ABD veya Birleşik Krallık'a kaçtı ve bu ulusların bilimsel dinamizmine ekstra bir itici güç sağladı. Bu hareketler nihayetinde moleküler biyolojiyi en başından beri gerçekten uluslararası bir bilim haline getirdi.

DNA biyokimyasının tarihi

DNA çalışması moleküler biyolojinin merkezi bir parçasıdır.

DNA'nın ilk izolasyonu

19. yüzyılda çalışan biyokimyacılar, başlangıçta hücre çekirdeğinden DNA ve RNA'yı (birlikte karıştırılmış) izole ettiler. "Nükleik asit" izolatlarının polimerik yapısını anlamakta nispeten hızlıydılar, ancak ancak daha sonra nükleotitlerin iki tip olduğunu fark ettiler - biri riboz ve diğeri deoksiriboz içerir . DNA'nın RNA'dan farklı bir madde olarak tanımlanmasına ve adlandırılmasına yol açan bu sonraki keşifti.

Friedrich Miescher (1844-1895), 1869'da "nüklein" adını verdiği bir madde keşfetti. Bir süre sonra, şimdi DNA olarak bilinen maddenin saf bir örneğini somon sperminden izole etti ve 1889'da öğrencisi Richard Altmann , buna adını verdi. "nükleik asit". Bu maddenin sadece kromozomlarda var olduğu bulundu.

1919 yılında Phoebus Levene de Rockefeller Enstitüsü bileşenleri (dört baz, şeker ve fosfat zinciri) tespit ve o DNA parçaları sırası fosfat şeker baz bağlantılı olduğunu göstermiştir. Bu birimlerin her birine bir nükleotit adını verdi ve DNA molekülünün, molekülün "belkemiği" olan fosfat grupları aracılığıyla birbirine bağlı bir dizi nükleotit biriminden oluştuğunu öne sürdü. Ancak Levene, zincirin kısa olduğunu ve bazların aynı sabit sırada tekrarlandığını düşündü. Torbjörn Caspersson ve Einar Hammersten , DNA'nın bir polimer olduğunu gösterdi.

Kromozomlar ve kalıtsal özellikler

1927'de Nikolai Koltsov , kalıtsal özelliklerin "her bir ipliği bir şablon olarak kullanarak yarı muhafazakar bir şekilde kopyalanacak iki ayna dizisinden" oluşacak "dev bir kalıtsal molekül" aracılığıyla miras alınacağını öne sürdü. En Delbrück , Nikolay Timofeev-Ressovsky ve Karl G. Zimmer kromozom yapısı olan ile muamele ile değiştirilebilir çok büyük moleküller olduğunu düşündürmektedir 1935 sonuçları yayınlanan X-ışınları ve kendi yapısını değiştirerek bu yüzden değişiklik yapmanın mümkün olduğunu bu kromozomlar tarafından yönetilen kalıtsal özellikler. 1937'de William Astbury , DNA'dan ilk X-ışını kırınım modellerini üretti . Doğru yapıyı ortaya koyamadı, ancak desenler DNA'nın düzenli bir yapıya sahip olduğunu gösterdi ve bu nedenle bu yapının ne olduğunu çıkarmak mümkün olabilir.

1943'te Oswald Theodore Avery ve bir grup bilim adamı, Pnömokok'un "pürüzsüz" formuna uygun özelliklerin , yalnızca öldürülen "pürüzsüz" (S) formu kullanılabilir hale getirerek aynı bakterinin "kaba" formuna aktarılabileceğini keşfetti. canlı "kaba" (R) forma. Beklenmedik bir şekilde, yaşayan R Pneumococcus bakterileri, S formunun yeni bir suşuna dönüştürüldü ve aktarılan S özelliklerinin kalıtsal olduğu ortaya çıktı. Avery, özelliklerin aktarım ortamını dönüştürme ilkesi olarak adlandırdı ; DNA'yı dönüştürücü ilke olarak tanımladı ve daha önce düşünüldüğü gibi proteini değil . Esasen Frederick Griffith'in deneyini yeniden düzenledi . 1953'te Alfred Hershey ve Martha Chase , T2 fajında DNA'nın genetik materyal olduğunu gösteren bir deney ( Hershey-Chase deneyi ) yaptılar (Hershey, Nobel ödülünü Luria ile paylaştı).

DNA'nın yapısının keşfi

1950'lerde, üç grup DNA'nın yapısını belirlemeyi hedef edindiler. İlk başlayan grup King's College London'daydı ve Maurice Wilkins tarafından yönetildi ve daha sonra Rosalind Franklin tarafından katıldı . Francis Crick ve James Watson'dan oluşan bir başka grup da Cambridge'deydi . Üçüncü bir grup Caltech'teydi ve Linus Pauling tarafından yönetiliyordu . Crick ve Watson, nükleotitlerin bilinen kimyasal yapılarını ve polimer boyunca bir nükleotidi diğerine bağlayan bağlantıların bilinen konumunu birleştirdikleri metal çubuklar ve toplar kullanarak fiziksel modeller inşa ettiler. King's College'da Maurice Wilkins ve Rosalind Franklin , DNA liflerinin X-ışını kırınım modellerini inceledi . Üç gruptan sadece Londra grubu iyi kalitede kırınım desenleri üretebildi ve böylece yapı hakkında yeterli nicel veri üretebildi.

sarmal yapı

1948'de Pauling, birçok proteinin sarmal (bkz. alfa sarmalı ) şekiller içerdiğini keşfetti . Pauling, bu yapıyı X-ışını modellerinden ve yapıları fiziksel olarak modelleme girişimlerinden çıkarmıştı. (Pauling daha sonra Astbury'nin verilerine dayanan yanlış bir üç zincirli sarmal DNA yapısı önerecekti.) Maurice Wilkins'in DNA'dan aldığı ilk kırınım verilerinde bile, yapının sarmalları içerdiği açıktı. Ancak bu içgörü sadece bir başlangıçtı. Geriye kaç tane ipliğin bir araya geldiği, bu sayının her sarmal için aynı olup olmadığı, bazların sarmal eksene mi yoksa uzağa mı işaret ettiği ve nihayetinde tüm bağların ve atomların açık açıları ve koordinatlarının ne olduğu soruları kaldı. Bu tür sorular Watson ve Crick'in modelleme çabalarını motive etti.

tamamlayıcı nükleotidler

Modellemelerinde Watson ve Crick, kendilerini kimyasal ve biyolojik olarak makul gördükleriyle sınırladılar. Yine de, olasılıkların genişliği çok genişti. 1952'de Erwin Chargaff Cambridge'i ziyaret ettiğinde ve Crick'e Chargaff'ın 1947'de yayınladığı deneylerin bir tarifiyle ilham verdiğinde bir atılım gerçekleşti . Chargaff, dört nükleotidin oranlarının bir DNA örneği ile bir sonraki arasında değiştiğini, ancak belirli DNA çiftleri için olduğunu gözlemlemişti. nükleotidler - adenin ve timin, guanin ve sitozin - iki nükleotid her zaman eşit oranlarda bulunur.

1953'te inşa edilen Crick ve Watson DNA modeli , 1973'te büyük ölçüde orijinal parçalarından yeniden oluşturuldu ve Londra'daki Ulusal Bilim Müzesi'ne bağışlandı .

Kullanarak X-ışını difraksiyonu , hem de diğer veriler , Rosalind Franklin ve bazlar eşleştirilmiş bu onun bilgi, James Watson ve Francis Crick, Rosalind Franklin tarafından muayene yoluyla kabul 1953 DNA'nın moleküler yapının ilk doğru modeli geldi. Keşif 28 Şubat 1953'te duyuruldu; ilk Watson/Crick gazetesi Nature'da 25 Nisan 1953'te yayınlandı. Watson ve Crick'in çalıştığı Cavendish Laboratuvarı'nın yöneticisi Sir Lawrence Bragg , 14 Mayıs 1953 Perşembe günü Londra'daki Guy's Hospital Medical School'da bir konuşma yaptı. tarafından bir makalede sonuçlandı Ritchie Calder içinde Haber Chronicle Cuma, 15 Mayıs 1953 tarihinde Londra, "Sen Are You Neden. Yaşam Nearer Gizli." başlıklı Haber , ertesi gün The New York Times okurlarına ulaştı ; Victor K. McElheny , "Watson and DNA: Making a Scientific Revolution" adlı biyografisini araştırırken, New York Times'ın Londra'dan yazılmış, 16 Mayıs 1953 tarihli ve "Form of 'Life" başlıklı altı paragraflık bir makalenin kupürünü buldu. Hücredeki Birim Taranıyor." Makale erken bir baskıda yayınlandı ve daha sonra daha önemli görülen haberlere yer açmak için çekildi. ( The New York Times daha sonra 12 Haziran 1953'te daha uzun bir makale yayınladı). Cambridge Üniversitesi lisans gazetesi de 30 Mayıs 1953 Cumartesi günü keşifle ilgili kendi kısa makalesini yayınladı. Bragg'in 8 Nisan 1953'te Belçika'daki proteinler üzerine bir Solvay Konferansı'ndaki orijinal duyurusu basına yansımadı . 1962'de Watson, Crick ve Maurice Wilkins , DNA'nın yapısını belirledikleri için ortaklaşa Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü aldılar .

"Merkezi Dogma"

Watson ve Crick'in modeli, sunumunun hemen ardından büyük ilgi gördü. 21 Şubat 1953'te vardıkları sonuca varan Watson ve Crick, 28 Şubat'ta ilk duyurularını yaptılar. 1957'deki etkili bir sunumda Crick , DNA, RNA ve DNA arasındaki ilişkiyi önceden bildiren " moleküler biyolojinin merkezi dogmasını " ortaya koydu. proteinler ve "dizi hipotezi"ni dile getirdi. 1958'de Meselson-Stahl deneyi şeklinde izlenen çift sarmal yapının ima ettiği çoğaltma mekanizmasının kritik bir onayı . Crick ve çalışma arkadaşları tarafından yapılan çalışma, genetik kodun, kodonlar olarak adlandırılan, örtüşmeyen baz üçlülerine dayandığını gösterdi ve Har Gobind Khorana ve diğerleri, çok geçmeden genetik kodu deşifre ettiler (1966). Bu bulgular moleküler biyolojinin doğuşunu temsil ediyor .

RNA üçüncül yapısının tarihi

Tarih öncesi: RNA'nın sarmal yapısı

RNA yapısal biyolojisindeki en eski çalışma, aşağı yukarı 1950'lerin başında DNA üzerinde yapılan çalışmayla çakıştı. Watson ve Crick, 1953'te yayınladıkları ufuk açıcı makalelerinde, 2'OH riboz grubu tarafından toplanan van der Waals'ın , RNA'nın önerdikleri modelle özdeş bir çift sarmal yapı benimsemesini engelleyeceğini öne sürdüler - şimdi B-form DNA olarak bildiğimiz şey. Bu, RNA'nın üç boyutlu yapısı hakkında soruları kışkırttı: Bu molekül bir tür sarmal yapı oluşturabilir mi ve eğer öyleyse, nasıl? DNA'da olduğu gibi, RNA üzerindeki erken yapısal çalışma, fiber kırınım analizi için doğal RNA polimerlerinin izolasyonu etrafında odaklandı. Kısmen test edilen numunelerin heterojenliği nedeniyle, erken lif kırınım modelleri genellikle belirsizdi ve kolayca yorumlanamazdı. 1955'te Marianne Grunberg-Manago ve meslektaşları , polimerizasyonlarını katalize etmek için nükleotid difosfatlardan bir fosfat grubunu ayıran polinükleotid fosforilaz enzimini açıklayan bir makale yayınladılar . Bu keşif, araştırmacıların daha sonra çift sarmallı moleküller üretmek için birleştirdikleri homojen nükleotid polimerlerini sentezlemelerine izin verdi. Bu numuneler, şimdiye kadar elde edilen en kolay yorumlanabilir fiber kırınım modellerini verdi ve DNA'da gözlemlenenden farklı olan aynı kökenli, çift sarmallı RNA için düzenli, sarmal bir yapı önerdi. Bu sonuçlar, RNA'nın çeşitli özellikleri ve eğilimleri hakkında bir dizi araştırmanın yolunu açtı. 1950'lerin sonlarında ve 1960'ların başlarında, RNA-DNA hibridizasyonu, üç iplikli RNA ve hatta RNA di-nükleotitlerinin küçük ölçekli kristalografisi (GC ve AU) dahil olmak üzere RNA yapısındaki çeşitli konularda çok sayıda makale yayınlandı. düzenlemeler gibi. RNA yapısal biyolojisindeki erken çalışmaların daha derinlemesine bir incelemesi için, Alexander Rich tarafından yazılan The Era of RNA Uyanış: RNA'nın ilk yıllarda yapısal biyolojisi makalesine bakın .

Başlangıç: tRNA ^PHE'nin kristal yapısı

1960'ların ortalarında, tRNA'nın protein sentezindeki rolü yoğun bir şekilde araştırılıyordu. Bu noktada protein sentezinde ribozomlar rol oynamış ve bu yapıların oluşumu için bir mRNA zincirinin gerekli olduğu gösterilmişti. 1964 yayınında, Warner ve Rich, protein sentezinde aktif olan ribozomların, A ve P bölgelerine bağlı tRNA molekülleri içerdiğini gösterdiler ve bu moleküllerin peptidil transferaz reaksiyonuna yardımcı olduğu fikrini tartıştılar . Bununla birlikte, önemli biyokimyasal karakterizasyona rağmen, tRNA fonksiyonunun yapısal temeli bir gizem olarak kaldı. 1965 yılında Holley ve ark. ilk tRNA molekülünü saflaştırdı ve sıraladı, başlangıçta büyük ölçüde molekülün belirli bölgelerinin kök ilmek yapıları oluşturma yeteneğine dayanan bir yonca yaprağı yapısını benimsediğini öne sürdü. tRNA'nın izolasyonunun, RNA yapısal biyolojisindeki ilk büyük beklenmedik olay olduğu kanıtlandı. Robert W. Holley'nin yayınını takiben , çok sayıda araştırmacı kristalografik çalışma için izolasyon tRNA'sı üzerinde çalışmaya başladı ve çalıştıkları gibi molekülü izole etmek için gelişmiş yöntemler geliştirdiler. 1968'de birkaç grup tRNA kristalleri üretmişti, ancak bunların sınırlı kalitede olduğu kanıtlandı ve yapıyı belirlemek için gerekli çözünürlüklerde veri vermedi. 1971 yılında Kim ve ark. tRNA'ya bağlanan ve onu stabilize eden doğal olarak oluşan bir poliamin olan spermini kullanarak 2-3 Ångström çözünürlüğüne kırınım yapan maya tRNA ^PHE kristalleri üreterek başka bir atılım gerçekleştirdi . Ancak uygun kristallere sahip olmasına rağmen, tRNA ^PHE'nin yapısı yüksek çözünürlükte hemen çözülmedi; bunun yerine ağır metal türevlerinin kullanımında öncü bir çalışma ve tüm molekülün yüksek kaliteli bir yoğunluk haritasını üretmek için çok daha fazla zaman gerektirdi. 1973 yılında Kim ve ark. tRNA molekülünün tüm omurgasını açık bir şekilde izleyebilecekleri 4 Ångström'lük bir harita ürettiler. Bu çözümü, çeşitli araştırmacılar yapıyı iyileştirmek ve böylece baz eşleştirme ve istifleme etkileşimlerinin ayrıntılarını daha kapsamlı bir şekilde aydınlatmak ve molekülün yayınlanmış mimarisini doğrulamak için çalıştıkça, daha birçokları izleyecektir.

tRNA ^PHE yapısı, genel olarak nükleik asit yapısı alanında dikkate değerdir, çünkü Richard E. Dickerson'ın bir B- çözeltisinden önceki herhangi bir türde uzun zincirli bir nükleik asit yapısının ilk çözümünü (RNA veya DNA) temsil eder. yaklaşık on yıl sonra dodecamer oluşturur. Ayrıca, tRNA ^PHE , RNA mimarisinde gözlemlenen ve kategorize edilmeyecek ve gelecek yıllarda daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmayacak olan birçok üçüncül etkileşimi göstererek, gelecekteki tüm RNA yapısal araştırmaları için bir temel sağladı.

Rönesans: çekiç başlı ribozim ve grup I intron: P _4-6

İlk tRNA yapılarını takip eden önemli bir süre boyunca, RNA yapısı alanı önemli ölçüde ilerlemedi. Bir RNA yapısını inceleme yeteneği, RNA hedefini izole etme potansiyeline bağlıydı. Bunun, kısmen bilinen diğer hedeflerin - yani ribozomun - izole edilmesi ve kristalleştirilmesinin önemli ölçüde daha zor olması nedeniyle, yıllarca alanı sınırladığı kanıtlandı. Ayrıca, diğer ilginç RNA hedefleri basitçe tanımlanmadığından veya ilginç olarak kabul edilmek için yeterince anlaşılmadığından, yapısal olarak incelenecek bir şey yoktu. Bu nedenle, tRNA ^PHE yapısının orijinal yayınını takip eden yaklaşık yirmi yıl boyunca , sadece bir avuç başka RNA hedefinin yapıları çözüldü ve bunların neredeyse tamamı transfer RNA ailesine aitti. Bu talihsiz kapsam eksikliği, nihayetinde, nükleik asit araştırmalarındaki iki büyük ilerleme nedeniyle büyük ölçüde aşılacaktır : ribozimlerin tanımlanması ve bunları in vitro transkripsiyon yoluyla üretme yeteneği .

Müteakip Tom Cech 'karıştığı yayınında Tetrahymena intron grubu I otokatalitik ribozimi olarak ve Sidney Altman ' kataliz raporunda ribonükleaz P RNA, birçok katalitik RNA'lar da dahil olmak üzere, 1980'lerin sonlarında tanımlandı çekiç kafalı ribozim . 1994 yılında McKay ve ark. 2.6 Ångström çözünürlükte bir 'çekiç başlı RNA-DNA ribozim- inhibitör kompleksi' yapısını yayınladı, burada ribozimin otokatalitik aktivitesi bir DNA substratına bağlanma yoluyla bozuldu. Bu yazıda yayınlanan ribozimin konformasyonunun sonunda birkaç olası durumdan biri olduğu gösterildi ve bu özel örneğin katalitik olarak aktif olmamasına rağmen, sonraki yapılar aktif durum mimarisini ortaya çıkardı. Bu yapıyı Jennifer Doudna'nın , orijinal olarak Cech tarafından ünlü yapılan ribozimin bir parçası olan Tetrahymena grup I intron'un P4-P6 alanlarının yapısını yayınlaması izledi . Bu yayının başlığındaki ikinci madde - RNA Paketleme Prensipleri - bu iki yapının değerini kısaca ortaya koymaktadır: ilk kez, iyi tanımlanmış tRNA yapıları ile transfer ailesi dışındaki küresel RNA'larınki arasında karşılaştırmalar yapılabilmiştir. Bu, RNA üçüncül yapısı için kategorizasyon çerçevesinin oluşturulmasına izin verdi. Motiflerin, kıvrımların ve çeşitli yerel dengeleyici etkileşimlerin korunmasını önermek artık mümkündü. Bu yapılara ve bunların etkilerine ilişkin erken bir inceleme için, Doudna ve Ferre-D'Amare tarafından yazılan RNA FOLDS: Insights from son kristal yapılarına bakın.

Kristalografisi yoluyla küresel yapı tayini yapılmaktadır ilerlemelere ek olarak, 1990'ların başında da uygulanmasını gördü NMR RNA yapısal biyolojide güçlü teknik olarak. Büyük ölçekli ribozim yapılarının kristalografik olarak çözülmesiyle aynı zamana denk gelen bir dizi küçük RNA ve RNA yapısı, ilaçlar ve peptitlerle kompleks haline getirildi, NMR kullanılarak çözüldü. Ek olarak, 1997'de yayınlanan izole edilmiş bir tetraloop-reseptör motif yapısının belirlenmesiyle örneklendiği gibi, NMR şimdi kristal yapıları araştırmak ve desteklemek için kullanılıyordu. büyük RNA moleküllerinin küresel kıvrımlarını stabilize etti. RNA üçüncül yapısal motiflerini anlamanın önemi, Michel ve Costa tarafından tetraloop motifini tanımlayan yayınlarında kehanetsel olarak iyi bir şekilde tanımlandı : ".. Bu motiflerin tanımlanması, büyük RNA'ların kristalizasyonu zor bir görev olarak kaldığı sürece önemli olmaya devam edecek olan modelleme işletmelerine büyük ölçüde yardımcı olacaktır".

Modern çağ: RNA yapısal biyolojisi çağı

1990'ların ortalarında RNA yapısal biyolojisinin yeniden canlanması, nükleik asit yapısal araştırmaları alanında gerçek bir patlamaya neden oldu. Çekiç başlı ve P _4-6 yapılarının yayınlanmasından bu yana alana çok sayıda önemli katkılarda bulunulmuştur. En dikkat çekici örneklerden bazıları yapılarını içermektedir Grup I ve Grup II intronları ve ribozom tarafından çözüldü Nenad Ban laboratuarında ve meslektaşları Thomas Steitz . İlk üç yapı, in vitro transkripsiyon kullanılarak üretildi ve NMR, dört yapının tümünün kısmi bileşenlerinin araştırılmasında bir rol oynadı - RNA araştırması için her iki tekniğin de vazgeçilmezliğinin kanıtı. En son, 2009 Nobel Kimya Ödülü verildi Ada E. Yonath , Venkatraman Ramakrishnan ve Thomas Steitz yapısal biyoloji, modern moleküler biyoloji almıştır önemli rol RNA gösteren, ribozoma üzerindeki yapısal çalışmaları için.

Protein biyokimyasının tarihi

İlk izolasyon ve sınıflandırma

Proteinler, on sekizinci yüzyılda Antoine Fourcroy ve diğerleri tarafından ayrı bir biyolojik molekül sınıfı olarak kabul edildi . Bu sınıfın üyeleri (" albüminoidler ", Eiweisskörper veya matières albuminoides olarak adlandırılır ), ısı veya asit gibi çeşitli işlemler altında pıhtılaşma veya topaklanma yetenekleriyle tanınırlardı ; On dokuzuncu yüzyılın başında iyi bilinen örnekler arasında yumurta beyazından elde edilen albümin , kan serumu albümini , fibrin ve buğday glüteni sayılabilir . Yumurta akının pişirilmesi ile sütün kesilmesi arasındaki benzerlik eski zamanlarda bile biliniyordu; örneğin isim albümin yumurta akı proteini için tarafından icat edilmiştir Pliny gelen Latince albus ovi (yumurta beyazı).

Jöns Jakob Berzelius'un tavsiyesi ile Hollandalı kimyager Gerhardus Johannes Mulder , yaygın hayvan ve bitki proteinlerinin elementel analizlerini gerçekleştirdi . Herkesi şaşırtan bir şekilde, tüm proteinler hemen hemen aynı ampirik formüle sahipti , kabaca C ₄₀₀ H ₆₂₀ N ₁₀₀ O ₁₂₀ ve bireysel kükürt ve fosfor atomları. Mulder bulgularını iki makalede (1837,1838) yayınladı ve proteinlerin temel bir maddesinin ( Grundstoff ) olduğunu ve bunun bitkiler tarafından sentezlendiğini ve sindirim sırasında hayvanlar tarafından onlardan emildiğini varsaydı . Berzelius, bu teorinin ilk savunucularından biriydi ve 10 Temmuz 1838 tarihli bir mektupta bu madde için "protein" adını önerdi.

Fibrin ve albüminin organik oksidi için önerdiği protein adını [ Yunanca kelime] πρωτειος'dan türetmek istedim , çünkü hayvan beslenmesinin ilkel veya ana maddesi gibi görünüyor.

Mulder , 131 Da'lık (neredeyse doğru) bir moleküler ağırlık bulduğu amino asit , lösin gibi protein bozunma ürünlerini tanımlamaya devam etti .

Kütlenin saflaştırılması ve ölçümleri

Mulder'ın analizleri tarafından önerilen minimum moleküler ağırlık , incelenen diğer moleküllerden yüzlerce kat daha büyük , kabaca 9 kDa idi . Bu nedenle, proteinlerin kimyasal yapısı ( birincil yapıları ), Fred Sanger'in insülin dizilimi yaptığı 1949 yılına kadar aktif bir araştırma alanıydı . Proteinlerin peptit bağları ile bağlanmış amino asitlerin lineer polimerleri olduğu (doğru) teori, 1902'de aynı konferansta Franz Hofmeister ve Emil Fischer tarafından bağımsız ve eşzamanlı olarak önerildi . Ancak, bazı bilim adamları bu kadar uzun makromoleküllerin çözeltide kararlı olabileceğine şüpheyle yaklaştılar. . Sonuç olarak, protein, çok sayıda alternatif teoriler birincil yapıda önerilmiştir, örneğin, proteinler, küçük moleküller düzenekleri olduğu koloidal hipotez, siklohekzan hipotezi Dorothy Wrinch , diketopiperazin hipotezi Emil Abderhalden ve Troensgard pirol / piperidin hipotezi (1942) . Bu teorilerin çoğu, proteinlerin sindiriminin peptitler ve amino asitler ürettiği gerçeğini açıklamakta güçlük çekiyordu . Proteinlerin nihayet analitik ultrasantrifüjleme kullanılarak Theodor Svedberg tarafından iyi tanımlanmış bileşime sahip makromoleküller (kolloidal karışımlar değil) olduğu gösterildi . Olasılığı bazı proteinler, makromoleküllerin kovalent olmayan bir şekilde görülmüştür ki Gilbert Smithson'un Adair (ölçülmesiyle ozmotik basıncı ve hemoglobin ile, daha sonra, ve benzeri) , Frederic M. Richards ribonükleaz S. yaptığı çalışmalarda kütle spektrometresi proteinlerinin yer alır uzun zamandır translasyon sonrası modifikasyonları tanımlamak ve daha yakın zamanda protein yapısını araştırmak için yararlı bir teknik olmuştur .

Çoğu proteini , en modern yöntemlerle bile, miligramdan fazla miktarlarda saflaştırmak zordur . Bu nedenle, erken çalışmalar, örneğin kan , yumurta akı , çeşitli toksinler ve mezbahalardan elde edilen sindirim/metabolik enzimler gibi büyük miktarlarda saflaştırılabilen proteinlere odaklandı . II . Dünya Savaşı sırasında Edwin Joseph Cohn tarafından askerlerin hayatta kalmasına yardımcı olmak için kan proteinlerini saflaştırmaya yönelik bir projede birçok protein saflaştırma tekniği geliştirildi . 1950'lerin sonlarında, Armor Hot Dog Co., 1 kg (= bir milyon miligram) saf sığır pankreatik ribonükleaz A'yı saflaştırdı ve dünyanın dört bir yanındaki bilim adamlarına düşük maliyetle sundu. Bu cömert davranış, RNase A'yı önümüzdeki birkaç on yıl için temel araştırmalar için ana protein haline getirdi ve birkaç Nobel Ödülü ile sonuçlandı.

Protein katlanması ve ilk yapısal modeller

Protein katlanması çalışması, 1910'da Harriette Chick ve CJ Martin'in bir proteinin topaklaşmasının iki farklı süreçten oluştuğunu gösterdikleri ünlü bir makaleyle başladı : bir proteinin çözeltiden çökeltilmesinden önce denatürasyon adı verilen başka bir süreç geldi . proteinin çok daha az çözünür hale geldiği, enzimatik aktivitesini kaybettiği ve kimyasal olarak daha reaktif hale geldiği. 1920'lerin ortalarında Tim Anson ve Alfred Mirsky , denatürasyonun tersine çevrilebilir bir süreç olduğunu, başlangıçta bazı bilim adamları tarafından "yumurtanın kaynatılması" olarak hicvedilen doğru bir hipotez olduğunu öne sürdüler. Anson ayrıca, denatürasyonun, bir temel moleküler geçişin çözünürlük, enzimatik aktivite ve kimyasal reaktivitede büyük değişikliklerle sonuçlandığı iki durumlu ("ya hep ya hiç") bir süreç olduğunu ileri sürdü; Ayrıca, denatürasyon üzerine serbest enerji değişikliklerinin, kimyasal reaksiyonlarda tipik olarak yer alanlardan çok daha küçük olduğunu kaydetti. 1929'da Hsien Wu , denatürasyonun, amino asit yan zincirlerinin çözücüye maruz kalmasıyla sonuçlanan tamamen konformasyonel bir değişiklik olan proteinin açılması olduğunu varsaydı. Bu (doğru) hipoteze göre, alifatik ve reaktif yan zincirlerin çözücüye maruz kalması proteini daha az çözünür ve daha reaktif hale getirirken, spesifik bir konformasyonun kaybı enzimatik aktivitenin kaybına neden oldu. Makul olarak görülmesine rağmen, Wu'nun hipotezi hemen kabul edilmedi, çünkü protein yapısı ve enzimolojisi hakkında çok az şey biliniyordu ve diğer faktörler çözünürlük, enzimatik aktivite ve kimyasal reaktivitedeki değişiklikleri açıklayabiliyordu. 1960'ların başında Chris Anfinsen , ribonükleaz A'nın katlanmasının hiçbir dış kofaktör gerekmeden tamamen tersine çevrilebilir olduğunu gösterdi ve katlanmış durumun protein için küresel minimum serbest enerjiyi temsil ettiğine dair protein katlanmasının "termodinamik hipotezini" doğruladı .

Protein katlanması hipotezini, katlanmış protein yapılarını stabilize eden fiziksel etkileşimler üzerine araştırmalar izledi. Hidrofobik etkileşimlerin hayati rolü, Dorothy Wrinch ve Irving Langmuir tarafından , siklol yapılarını stabilize edebilecek bir mekanizma olarak varsayıldı . JD Bernal ve diğerleri tarafından desteklenmesine rağmen , bu (doğru) hipotez, 1930'larda Linus Pauling (diğerlerinin yanı sıra) tarafından çürütülen siklol hipotezi ile birlikte reddedildi . Bunun yerine Pauling, protein yapısının esas olarak hidrojen bağları tarafından stabilize edildiği fikrini savundu , bu fikir başlangıçta William Astbury (1933) tarafından geliştirildi. Dikkat çekici bir şekilde, Pauling'in H-bağları hakkındaki yanlış teorisi , proteinlerin ikincil yapı elemanları, alfa sarmalı ve beta yaprağı için doğru modelleriyle sonuçlandı . Hidrofobik etkileşim, 1959'da Walter Kauzmann tarafından denatürasyon üzerine , kısmen Kaj Linderstrøm-Lang'ın çalışmasına dayanan ünlü bir makaleyle doğru önemine kavuşturuldu . Proteinlerin iyonik doğası Bjerrum, Weber ve Arne Tiselius tarafından gösterildi , ancak Linderstrom-Lang, yüklerin genellikle çözücü tarafından erişilebilir olduğunu ve birbirine bağlı olmadığını gösterdi (1949).

İkincil ve düşük çözünürlüklü tersiyer yapı küresel proteinlerin gibi hidrodinamik yöntemler ile ilk araştırılmıştır analitik ultrasantrifüj ve akış çift kırınımın . Protein yapısını ( dairesel dikroizm , floresan, yakın-ultraviyole ve kızılötesi absorbans gibi) araştırmak için spektroskopik yöntemler 1950'lerde geliştirildi. Proteinlerin ilk atomik çözünürlük yapıları , 1960'larda X-ışını kristalografisi ve 1980'lerde NMR ile çözüldü . 2019 itibariyle, Protein Veri Bankası 150.000'den fazla atomik çözünürlüklü protein yapısına sahiptir. Daha yakın zamanlarda, büyük makromoleküler düzeneklerin kriyo-elektron mikroskopisi atomik çözünürlük elde etti ve küçük protein alanlarının hesaplamalı protein yapısı tahmini atomik çözünürlüğe yaklaşıyor.

Ayrıca bakınız

• Biyoloji tarihi
• biyoteknolojinin tarihi
• Genetik tarihi

Referanslar

• Kızart, Michael. Moleküler Biyolojide Dönüm Noktası Deneyleri . Amsterdam: Elsevier/Academic Press. 2016. ISBN: 978-0-802074-6