მოლეკულური ბიოლოგია

მოლეკულური ბიოლოგია — მეცნიერება, რომელიც შეისწავლის სიცოცხლის პროცესებს, მასთან დაკავშირებულ ბიოლოგიურ სტრუქტურებს, სისტემებსა და მათ ფუნქციონირებას მოლეკულების დონეზე.
მოლეკულური ბიოლოგიის მიზანია გაარკვიოს ორგანიზმის თვისებების მოლეკულური საფუძვლები და მექანიზმები, გამოავლინოს როგორ და რანაირად განაპირობებს ყოველივე ზემო ჩამოთვლილს ცილები და ნუკლეინის მჟავები, ამ უკანასკნელთა აღნაგობა, თვისებები და ურთიერთმოქმედება. სიცოცხლის მოვლენათა კვლევაში მოლეკულური ბიოლოგია იყენებს არაცოცხალ ობიექტებს ან ისეთებს, რომელთაც ახასიათებს სიცოცხლის უმარტივესი გამივლინებანი. ასეთებია, მაგ., იზოლირებული ბირთვები, მიტოქონდრიები, ქრომოსომები, ლიზოსომები, რიბოსომები, ბიოლოგიური მემბრანები, აგრეთვე ისეთი სისტემები რომლებიც ცოცხლისა და არაცოცხლის მიჯნაზე დგანან — ვირუსები, ბაქტერიოფაგები დაბოლოს, უმნიშვნელოვანესი მაკრომოლეკულები — ცილები და ნუკლეინის მჟავები.

მოლეკულური ბიოლოგია შედარებით ახალი დარგია. იგი აღმოცენდა და ჩამოყალიბდა ბუნებისმეტყველების სხვადასხვა დარგის მიღწევების საფუძველზე, ამ დარგების ერთობლივი კვლევა-ძიებისა და უახლესი მეთოდების გამოყენების შედეგად. მოლეკულური ბიოლოგიის სამგანზომილებიანობა: გადამწყვეტი მნიშვნელობა ენიჭება მაკრომოლეკულების საერთო სტრუქტურაში ატომებისა და მათი დაჯგუფებების ურთიერთგანლაგებას, მათ სივრცობრივ ურთიერთდამოკიდებულებას. ეს შეეხება, როგორც მოლეკულის ცალკეულ კომპონენტს, ისე მის ზოგად კონფიგურაციას. ამრიგად, ბიოპოლიმერთა მოლეკულებს სრულიად გარკვეული მოცულობითი და სივრცობრივი სტრუქტურა აქვთ, რის გამოც ისინი ბიოლოგიური ფუნქციების მატერიალურ საფუძველს წარმოადგენენ. ეს ტერმინი პირველად შემოიღო ინგლისელმა მეცნიერმა უილიამ ეტსბერიმ.

მოლეკულური ორგანიზაციის სხვადასხვა დონე
50-იანი წლების ბოლოს ინგლისელმა მეცნიერმა ჯ. კენდრიუმ და მ. პერუციმ რენტგენოსტრუქტურული ანალიზით დაადგინეს მიოგლობინისა და ჰემოგლობინის სამგანზომილებიანი სტრუქტურა. ჩამოყალიბდა შეხედულება მაკრომოლეკულების სივრცობრივი ორგანიზაციის სხვადასხვა დონის შესახებ. ცილების შემადგენელი მონომერებია ამინომჟავები, ხოლო ნუკლეინის მჟავებისა ნუკლეოტიდები. ამინომჟავები ერთმანეთთან დაკავშირებულია პეპტიდური ბმებით, ხოლო ნუკლეოტიდები ფოსფორ-ეთეროვანი კავშირებით. ბიოპოლიმერის ხაზობრივი ძაფისებრი მოლეკულა სხვადასხვა უბნის მონომერთა შორის წყალბადური ბმების წარმოშობის გამო გარკვეულ სივრცობრივ ფორმას იღებს. ამავე საფუძველზე წარმოქმნილი მსგავსი ტიპის კონფიგურაცია აქვთ ნუკლეინის მჟავებსაც. ეს მოლეკულის ე. წ. მეორეული სტრუქტურაა.

მოლეკულას უჩნდება მესამეული სტრუქტურაც, როცა იგი ამა თუ იმ სახით იკეცება და იკავებს სამგანზომილებიან სივრცეს. ბოლოს, ასეთ მოლეკულებს შეუძლიათ დაამყარონ გარკვეული ურთიერთკავშირი და წარმოქმნან მეოთხეული სტრუქტურა, რომლის შემადგენელ კომპონენტებს სუბერთეულებს უწოდებენ. ყველაზე თვალსაჩინო მაგალითი იმისა, თუ როგორ განაპირობებს მოლეკულის სამგანზომილებიანი სტრუქტურა ბიოლოგიურ ფუნქციას, არის დნმ. მისი მოლეკულა 2 ძაფისაგან შედგება. დადგენილია, რომ მემკვიდრეული ინფორმაცია ჩაწერილია ნუკლეოტიდების თანამიმდევრობაში. უჯრედის დაყოფის წინ ხდება დნმ-ის რედუპლიკაცია. დნმ-ის მოლეკულის ასეთი თვითგაორმაგების უნარის გამო მემკვიდრეული ინფორმაცია თაობიდან თაობას გადაეცემა. მოლეკულის სტრუქტურის თავისებურება განაპირობებს ჰემოგლობინის ფუნქციას — მიიერთოს და მთელ ორგანიზმში მიმოიტანოს ჟანგბადი. ჟანგბადის მიერთება მოცილებისას ჰემოგლობინის სამგანზომილებიანი მოლეკულა სივრცობრივად იცვლება, რაც იწვევს მასში შემავალი რკინის ატომებთან ჟანგბადის მიკავშირების შეცვლას. ცოცხალი ორგანიზმის ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი თავისებურებაა მასში მიმდინარე ყველა პროცესის, ყველა ბიოქიმიური რეაქციის ზუსტი რეგულირება.

აღმოჩენილია მანამდე უცნობი რეგულატორული მექანიზმი — ალოსტერული ეფექტი. ესაა მაკრომოლეკულების, ფერმენტული ცილების, ბიოლოგიურ მემბრანათა რეცეპტორული ცილების, სინაფსურ გადაცემებში მონაწილე და სხვა ცილების ბიოლოგიური ფუნქციის შეცვლა მათი კონფორმაციის შეცვლის გამო, რაც დაბალმოლეკულური ნაერთების, ე. ი. ლიგანდების, ზემოქმედებით ხდება. მოლეკულური ბიოლოგიის თვალთახედვით სიცოცხლის მოვლენა, სასიცოცხლო პროცესები 3 ძირითად წყაროს ეფუძნება: მატერიას, ენერგიასა და ინფორმაციას. სიცოცხლე მათი ერთიანობის შედეგია, ერთ-ერთის გამოკლებით სიცოცხლე შეუძლებელია. ცოცხალ სისტემებში ნივთიერებები განუწყვეტლივ გარდაიქმნება, ხდება ნივთიერებათა ცვლა, რისთვისაც საჭიროა გარკვეული ენერგია. სასიცოცხლო პროცესები, მთელი თავისი მრავალგვარობითა და თანამიმდევრობით წარიმართება გარკვეული ინფორმაციის მიხედვით, რომლის მატარებელი განსაკუთრებული მოლეკულებია.

მოლეკულური ბიოლოგიის უმთავრესი მიღწევები
მოლეკულური ბიოლოგიის უმთავრეს მიღწევათაგან აღსანიშნავია დნმ-ს, აგრეთვე ყველანაირი რნმ-ისა და რიბოსომების სტრუქტურისა და ბიოლოგიური ფუნქციონირების მექანიზმების გარკვევა, გენეტიკური კოდის დადგენა-გაშიფვრა, რნმ-ს მატრიცაზე დნმ-ს სინთეზის აღმოჩენა, სასუნთქი პიგმენტების ფუნქციონირების მექანიზმის აღმოჩენა, ფერმენტის მოქმედებაში სამგანზომილებიანი სტრუქტურისა და მისი ფუნქციური მნიშვნელობის, ცილების მატრიცული სინთეზის, ვირუსების სტრუქტურისა და მათი რედუპლიკაციის, ანტისხეულების პირველადი და სივრცითი სტრუქტურის დადგენა, ცალკეული გენის გამოყოფა, ზოგიერთი გენის ქიმიური და ბიოლოგიური სინთეზი უჯრედის გარეთ, ერთი ორგანიზმის გენის გადატანა მეორის უჯრედში, ცალკეული ცილების, უმთავრესად ფერმენტების, აგრეთვე, ნუკლეინის მჟავების სხვადასხვა დონის სტრუქტურის გაშიფვრა. ზოგიერთ ბიოლოგიურ წარმონაქმნში აღმოჩენილია ე. წ. „თვითაწყობის“ მოვლენა, დადგენილია ბიოლოგიური ფუნქციებისა და პროცესების რეგულირების ალოსტერული და სხვა ძირითადი პრინციპები.

მოლეკულური ბიოლოგია სასიცოცხლო პროცესებს იკვლევს მოლეკულების დონეზე, რაც ხელმისაწვდომია ფიზიკური და ქიმიური მეთოდებისათვის. ეფექტიანი აღმოჩნდა მოდელური ცდები, რითაც შეისწავლიან სიცოცხლისათვის დამახასიათებელ ცალკეულ რეაქციებსა და სტრუქტურებს. ეს ე. წ. „რედუქციონიზმის“ მიმართულებაა, მაგრამ მთლიანი ორგანიზმის, უჯრედის პირობებში შედარებით დაბალი დონის კომპონენტთა კანონზომიერი ინტეგრაციით წარმოიქმნება გაცილებით რთული სისტემები, ჩნდება სრულიად ახალი თვისებების მქონე სტრუქტურულ-ფუნქციური ორგანიზაცია, რადგან ორგანიზმის თვისებები ჭარბობენ მისი შემადგენელი ნაწილების თვისებათა ჯამს. ასეთი ინტეგრაციის მექანიზმების შესწავლა, რომლის ერთ-ერთი გზაა მოლეკულათა შორის ურთიერთობის ძალების გამოვლენა, უაღრესად მნიშვნელოვანი პრობლემაა.

ამოცანები
მოლეკულურ ბიოლოგიაში ყველაზე მნიშვნელოვანი მიღწევები მოპოვებულია ფიზიკოსთა მიერ დამუშავებული მეთოდებით (ულტრაცენტრიფუგირება, რენტგენოსტრუქტურული ანალიზი, რადიოაქტიური იზოტოპები, ელექტრონული მიკროსკოპია, ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი). ახალი შესაძლებლობები გაჩნდა ელექტრონული მანქანების, სინქროტონული ანუ მუხრუჭოვანი გამოსხივების, ლაზერული ტექნოლოგიის გამოყენებით. საკმაოდ მნიშვნელოვანი ცნობები მოგვეპოვება მაღალმოლეკულური ბიოპოლიმერების ბუნების, მ .შ. სამგანზომილებიანი სივრცითი სტრუქტურის შესახებ, მაგრამ საამისო ეფექტიანი მეთოდები ჯერ კიდევ დასამუშავებელია. ცოტაა ცნობები დნმ-ის პირველად სტრუქტურაზე. მოლეკულური ბიოლოგიის პრაქტიკულ ამოცანათაგან აღსანიშნავია, მაგალითად, ავთვისებიანი ზრდის მოლეკულური მექანიზმენის გამოვლენა, მემკვიდრული დაავადების თავიდან აცილება და სხვა. უაღრესად მნიშვნელოვანია ფერმენტების მოქმედების მოლეკულური საფუძვლების, ჰორმონების, ტოქსიკური და სამკურნალო ნივთიერებების მოქმედების მოლეკულური მექანიზმების, ბიოლოგიური მემბრანების მოლეკულური აღნაგობისა და ფუნქციონირების დეტალების ამოხსნა. დიდი ყურადღებას იპყრობს ნერვული პროცესების, მ. შ. მეხსიერების მოლეკულური საფუძვლების კვლევა. მოლეკულური ბიოლოგიის უახლესი მიმართულებაა გენური ინჟინერია, რომლის მიზანია ორგანიზმის გენეტიკური აპარატის ხელოვნური მიზანმიმართული ოპერირება. ამ მხრივ საგულისხმოა პირველი შედეგები, რომელიც მიღებულია ძირითადად მიკროორგანიზმებზე, უჯრედთა და ქსოვილთა კულტურებზე. მიმდინარეობს მუშაობა კულტურულ მცენარეთა ისეთი ჯიშების მიღებაზე, რომელთაც ექნებათ აზოტის ფიქსაციის დამოუკიდებელი აპარატი და არ დასჭირდებათ სასუქები. მომავალში კვლევის ასეთი სფერო შესაძლოა ადამიანსაც შეეხოს, მაგალითად, მემკვიდრული დაავადების რადიკალური მკურნალობისა და მემკვიდრული დეფექტების გამოსწორების თვალსაზრისით.

მოლეკულურ-ბიოლოგიური კვლევის ორგანიზაცია
მოლეკულური ბიოლოგიის დარგში კვლევის სპეციალიზებული სამეცნიერო ცენტრებიდან აღსანიშნავია: ინგლისში მოლეკულური ბიოლოგიის ლაბორატორია (კემბრიჯი), სამეფო ინსტიტუტი (ლონდონი), საფრანგეთში მოლეკულური ბიოლოგიის ინსტიტუტები (პარიზი, მარსელი, სტრასბური), პასტერის ინსტიტუტი; აშშ-ში მოლეკულური ბიოლოგიის განყოფილებებია ბევრ უნივერსიტეტთან და ინსტიტუტთან (ჰარვარდის, როკფელერისა და სხვა. უნივერსიტეტები, მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური, კალიფორნიის ტექნოლოგიური, ბეთეზდის ჯანდაცვისა და სხვა). გერმანიაში (გეტინგენის, მიუნხენის უნივერსიტეტები); შვედეთში (სტოკჰოლმის სამეფო ინსტიტუტი). რუსეთში მოლეკულური ბიოლოგიის პირველი სპეციალიზებული ინსტიტუტი ჩამოყალიბდა 1957 წელს მოსკოვში, შემდეგ იქვე შეიქმნა ბიოორგანული ქიმიის ინსტიტუტი.