¿Cómo se originó y desarrolló la biología molecular? ¿Cuáles son las etapas importantes? ¿Quiénes son las principales figuras y logros?
[Editar este párrafo] Breve historia del desarrollo
El análisis estructural y la investigación del material genético han realizado importantes contribuciones al desarrollo de la biología molecular. El contenido central del análisis estructural es explicar las funciones fisiológicas de las células dilucidando la estructura tridimensional de las biomoléculas. En 1912, los británicos W.H. Bragg y W.L. Bragg establecieron la cristalografía de rayos X y determinaron con éxito las estructuras de algunas moléculas y proteínas bastante complejas. Posteriormente, los estudiantes de Praga W T Astbury y J D Bernard realizaron análisis estructurales preliminares de proteínas de fibrina como el cabello y los músculos, la pepsina, el virus del mosaico del tabaco, etc. Su trabajo sentó las bases para la formación y el desarrollo de la cristalografía de macromoléculas biológicas. En la década de 1950, la biología molecular surgió como una rama independiente y se desarrolló rápidamente. Primero, en términos de análisis de la estructura de las proteínas, en 1951, L.C Pauline y otros propusieron la estructura helicoidal α, que describía una conformación de la cadena peptídica en la molécula de proteína. Sanger completó la determinación de la secuencia de aminoácidos de la insulina. Luego, J.C. Chendru y M.F. Peroots utilizaron tecnología de sustitución isomorfa de átomos pesados y tecnología informática en análisis de rayos X para dilucidar las estructuras tridimensionales de la mioglobina de los cetáceos y la hemoglobina de los caballos en 1957 y 1959, respectivamente. En 1965, los científicos chinos sintetizaron insulina biológicamente activa, logrando por primera vez la síntesis artificial de proteínas. Por otro lado, el equipo de M. Delbruck seleccionó fagos a partir de 1938 y comenzó a explorar los misterios de los genes. El fago replica cientos de partículas de fago de progenie idénticas dentro de la media hora después de infectar al huésped, lo que lo convierte en un material ideal para la autorreplicación por parte de estudiantes de posgrado. En 1940, G.W. Biddle y E.L. Tatum propusieron la hipótesis de "un gen, una enzima", es decir, la función de un gen es determinar la estructura de una enzima, y un gen sólo determina la estructura de una enzima. Pero en aquel momento, la naturaleza de los genes no estaba clara. En 1944, O.T. Avery estudió el fenómeno de la transformación genética de proteínas en bacterias y demostró que el ADN es material genético. En 1953, J.D. Watson y F.H.C Crick propusieron la estructura de doble hélice del ADN, marcando el comienzo de una nueva era de la biología molecular.
Sobre esta base, se propuso el dogma central, que describe el flujo de información genética desde los genes a las estructuras de las proteínas. El esclarecimiento del código genético reveló cómo se almacena la información genética en los organismos. En 1961, F. Jacob y J. Mono propusieron el concepto de operón para explicar la regulación de la expresión genética en procariotas. A mediados de la década de 1960, se había comprendido en gran medida la naturaleza general de la autorreplicación y la transcripción del ADN en ARN, y el misterio genético empezó a desentrañarse. En apenas unos 30 años, la biología molecular ha pasado de hipótesis científicas audaces a un gran número de estudios experimentales, sentando así las bases teóricas de esta disciplina. En la década de 1970, debido a los avances en la investigación del ADN recombinante, la ingeniería genética floreció en aplicaciones prácticas y la ingeniería de proteínas para transformar las estructuras de las proteínas se convirtió en una realidad.
[Editar este párrafo] Contenido básico
Sistema proteico La unidad estructural de la proteína es el α-aminoácido. Hay 20 aminoácidos comunes. Dispuestos en diferentes órdenes, proporcionan números astronómicos al mundo viviente. La estructura molecular de las proteínas se puede dividir en cuatro niveles principales. La estructura primaria, también llamada estructura química, es el orden en que se organizan los aminoácidos en una molécula. Los aminoácidos conectados de cabeza a cola forman una estructura de cadena llamada cadena peptídica mediante la condensación de grupos amino y carboxilo. La disposición espacial local de los átomos en la cadena principal de la cadena peptídica es la estructura secundaria. La estructura secundaria se enrolla en el espacio formando una estructura terciaria. Algunas moléculas de proteínas se ensamblan a partir de subunidades iguales o diferentes, y la relación entre subunidades se denomina estructura cuaternaria. Las propiedades especiales y funciones fisiológicas de las proteínas están estrechamente relacionadas con las estructuras específicas de sus moléculas, que son la base molecular de las coloridas actividades vitales de diversas proteínas. El estudio de la relación entre la estructura y función de las proteínas es una parte importante de la investigación en biología molecular. Con el desarrollo de la tecnología de análisis estructural, se han dilucidado las estructuras químicas de miles de proteínas y las estructuras tridimensionales de cientos de proteínas. Desde finales de la década de 1970, el método de inferir la estructura química de las proteínas mediante la determinación de secuencias complementarias de ADN no solo ha mejorado la eficiencia del análisis, sino que también ha permitido analizar la estructura química de las proteínas que tienen dificultades para satisfacer las necesidades de aminoácidos. análisis de secuencia. El descubrimiento y la identificación de proteínas con nuevas funciones sigue formando parte de la investigación de proteínas. Por ejemplo, la investigación sobre la regulación genética relacionada con las proteínas y las actividades neuronales de alto nivel ha atraído mucha atención. Sistema proteína-ácido nucleico Las características genéticas de los organismos están determinadas principalmente por los ácidos nucleicos. Los genes de la mayoría de los organismos están hechos de ADN. El genoma de un virus simple como el fago lambda es un ADN bicatenario compuesto por 46.000 nucleótidos en una secuencia determinada (por ser ADN bicatenario, su longitud suele calcularse en pares de bases). El genoma de una bacteria, como E. coli, contiene 4 × 106 pares de bases. El ADN contenido en los cromosomas de las células humanas tiene 3×109 pares de bases. La información genética debe copiarse, transcribirse y traducirse durante las actividades vitales de las generaciones futuras. La replicación es la síntesis de moléculas de ADN descendientes utilizando el ADN parental como plantilla. La transcripción determina la secuencia de nucleótidos de un tipo de molécula de ARN basándose en la secuencia de nucleótidos del ADN; esta última determina además la secuencia de aminoácidos en las moléculas de proteínas, que es la traducción. Debido a que este ARN desempeña un papel en la transmisión de información, se llama ácido ribonucleico mensajero (ARNm). Porque hay cuatro tipos de nucleótidos que forman el ARN, pero hay 20 tipos de aminoácidos en las proteínas. Su correspondencia es que un aminoácido está determinado por tres nucleótidos conectados en un orden determinado en la molécula de ARNm. Este es el triplete genético. código. En el proceso de expresión de sus rasgos, los genes participan en interacciones entre ácidos nucleicos y proteínas. En la replicación del ADN, la hélice de doble hebra se desenrolla mediante la acción de la helicasa y luego la ADN polimerasa copia la hebra de ADN de la descendencia utilizando la hebra de ADN original como plantilla. La transcripción está catalizada por la ARN polimerasa. La ribonucleoproteína del sitio de traducción es un complejo de ácidos nucleicos y proteínas. Según la codificación del ARNm, los aminoácidos se conectan en una cadena peptídica completa mediante catálisis de enzimas. La regulación de la expresión genética también se logra mediante la interacción de macromoléculas biológicas. Por ejemplo, el operador del operón lactosa de Escherichia coli controla el cambio genético interactuando con una proteína represora. Las proteínas no histonas en la cromatina eucariota desempeñan funciones especiales en la regulación transcripcional. En circunstancias normales, sólo se expresan de 2 a 15 genes en las células eucariotas. Esta transcripción y traducción selectiva es la base de la diferenciación celular.
En tercer lugar, sólo así se pueden obtener resultados fiables sobre la evolución de microorganismos con estructuras morfológicas muy simples. La actividad neuronal avanzada de los animales superiores es un fenómeno vital extremadamente complejo. En el pasado, la mayoría de las investigaciones se realizaban a nivel celular o incluso a nivel general. Los resultados de investigaciones en profundidad a nivel molecular en los últimos años han demostrado plenamente que las actividades neuronales avanzadas también se basan en las actividades de las macromoléculas biológicas. Por ejemplo, durante el proceso de aprendizaje y memoria de los animales superiores, la composición del ARN y las proteínas en el cerebro sufrirá cambios significativos. Algunos fármacos que afectan la síntesis de proteínas en el organismo también afectarán significativamente la capacidad de aprendizaje y memoria. Otro ejemplo, el "reloj biológico" es un fenómeno biológico bien conocido. Los experimentos con pollos han demostrado que hay un importante neurotransmisor (5-hidroxitriptamina), una hormona (melatonina) y una enzima que controlan sus cambios, y su contenido en el cerebro del pollo es cíclico durante 24 horas. Es este cambio el que forma la base material del "reloj biológico" del pollo. En términos de aplicación, dilucidar el principio de conversión de energía de las biopelículas ayudará a resolver los problemas energéticos globales. Comprender los principios catalíticos de las enzimas puede hacer que las simulaciones de enzimas artificiales sean más específicas y diseñar nuevos catalizadores que se utilicen ampliamente en la industria química, lo que traerá una revolución a la industria química. La biología molecular de la ingeniería genética también juega un papel muy importante en la tecnología de la bioingeniería. El éxito de la tecnología del ADN recombinante en 1973 allanó el camino para el desarrollo de la ingeniería genética. Desde la década de 1980, la tecnología de ingeniería genética se ha utilizado para introducir algunos genes de animales superiores en organismos unicelulares y fermentarlos para producir interferones, hormonas peptídicas y vacunas. El mayor desarrollo de la ingeniería genética proporcionará soluciones fundamentales para el cultivo específico de variedades superiores de animales, plantas y microorganismos, y el control y tratamiento eficaces de determinadas enfermedades genéticas humanas. Se han logrado muchos avances en el estudio de la carcinogénesis celular desde la perspectiva de la regulación genética. La biología molecular contribuirá de manera importante a la victoria definitiva sobre el cáncer.
[Editar este párrafo] Aplicación de la biología molecular
1. Pruebas de paternidad En los últimos años, la investigación del genoma humano ha avanzado rápidamente y la tecnología de la biología molecular también ha seguido avanzando. A medida que la investigación genómica continúa penetrando en diversas disciplinas, el progreso de estas disciplinas ha alcanzado alturas sin precedentes. En medicina forense, la detección de loci STR y loci SNP es el núcleo de las tecnologías de análisis de ADN de segunda y tercera generación respectivamente, después de los RFLP (polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción) y VNTR (tecnología de detección de polimorfismos de repeticiones en tándem de número variable desarrollada después de investigaciones). sexo). Como la biotecnología más avanzada del sistema de análisis de ADN de megabace, el análisis de ADN proporciona un medio científico, confiable y rápido para el examen de evidencia forense, lo que permite la identificación de evidencia para pasar de la exclusión individual al mismo nivel de identificación. Las pruebas de ADN pueden identificar directamente delitos y proporcionar una base precisa y confiable para resolver casos importantes y difíciles como homicidio, violación y asesinato, desmembramiento y embarazo inducido por violación. Con el desarrollo y la aplicación de la tecnología del ADN, la detección de sistemas de marcadores de ADN se convertirá en un medio importante para resolver delitos. Como prueba de paternidad, este método es muy maduro y está reconocido internacionalmente como el mejor método. 2. Como ciencia integral de la ciencia moderna, la biología molecular tiene más significado que el valor científico puro y, más importante aún, su desarrollo está relacionado con todos los aspectos del ser humano; La biología molecular se puede dividir específicamente en biología macromolecular y biología electrónica. Las aplicaciones mencionadas anteriormente en la investigación criminal, que incluyen, entre otras, la identificación personal y la identificación masculina y femenina de bebés, son generalmente aplicaciones prácticas del contenido de macromoléculas. La biología electrónica, por otro lado, explica los elementos básicos y la composición de la vida desde la perspectiva de pequeñas moléculas y átomos que son más detalladas que las macromoléculas. Hay más misterios sin resolver y una perspectiva científica más amplia. En la actualidad, la tecnología de clonación es básicamente sólo una aplicación en las primeras etapas de esta disciplina. Es posible que con la profundización de la investigación se produzca un mayor desarrollo de la física en el futuro. Los humanos pueden convertirse en los "dioses" que crean otras criaturas.