تاريخ البيولوجيا الجزيئية

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

يبدأ تاريخ البيولوجيا الجزيئية في ثلاثينيات القرن العشرين مع التقاء تخصصات بيولوجية وفيزيائية مختلفة كانت منفصلة سابقًا: الكيمياء الحيوية ، وعلم الوراثة ، وعلم الأحياء الدقيقة ، وعلم الفيروسات ، والفيزياء . وانطلاقًا من الأمل في فهم الحياة على مستوى جوهرها، أبدى العديد من الفيزيائيين والكيميائيين اهتمامًا بما سيصبح لاحقًا البيولوجيا الجزيئية .

يسعى علم الأحياء الجزيئي، بمفهومه الحديث، إلى تفسير ظواهر الحياة انطلاقًا من خصائص الجزيئات الكبيرة التي تُنتجها. ويركز علماء الأحياء الجزيئية بشكل خاص على فئتين من الجزيئات الكبيرة: 1) الأحماض النووية ، وأشهرها الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA)، وهو المكون الأساسي للجينات ، و2) البروتينات ، وهي العناصر الفعالة في الكائنات الحية. ولذلك، يُعرَّف نطاق علم الأحياء الجزيئي بأنه تحديد بنية ووظيفة وعلاقات هذين النوعين من الجزيئات الكبيرة. ويُتيح هذا التعريف المحدود نسبيًا تقدير تاريخ ما يُسمى بـ"الثورة الجزيئية"، أو على الأقل وضع تسلسل زمني لأهم تطوراتها.

نظرة عامة

في بداياتها، كانت البيولوجيا الجزيئية - وهو الاسم الذي صاغه وارن ويفر من مؤسسة روكفلر عام 1938 [ 1 ] - مجرد فكرة عن تفسيرات فيزيائية وكيميائية للحياة، وليست تخصصًا متماسكًا. بعد ظهور نظرية مندل للكروموسومات في الوراثة في العقد الثاني من القرن العشرين، ونضوج النظرية الذرية وميكانيكا الكم في العقد الثالث، بدت هذه التفسيرات في متناول اليد. شجع ويفر وآخرون (ومولوا) الأبحاث التي تجمع بين البيولوجيا والكيمياء والفيزياء، بينما وجه فيزيائيون بارزون مثل نيلز بور وإرفين شرودنغر اهتمامهم إلى التكهنات البيولوجية. وقد ألهم كتاب شرودنغر " ما هي الحياة؟" الصادر عام 1944 الكثيرين لدخول هذا المجال الناشئ، بما في ذلك توجيه جيمس واتسون نحو أبحاث الحمض النووي. [ 2 ] : 29 ومع ذلك، في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين، لم يكن من الواضح بأي حال من الأحوال أي من الأبحاث متعددة التخصصات ستؤتي ثمارها - إن وجدت - ؛ فقد بدت الأعمال في كيمياء الغرويات ، والفيزياء الحيوية ، وعلم الأحياء الإشعاعي ، وعلم البلورات ، وغيرها من المجالات الناشئة واعدة.

In 1940, George Beadle and Edward Tatum demonstrated the existence of a precise relationship between genes and proteins.[3] In the course of their experiments connecting genetics with biochemistry, they switched from the genetics mainstay Drosophila to a more appropriate model organism, the fungus Neurospora; the construction and exploitation of new model organisms would become a recurring theme in the development of molecular biology. In 1944, Oswald Avery, working at the Rockefeller Institute of New York, demonstrated that genes are made up of DNA[4] (see Avery–MacLeod–McCarty experiment). In 1952, Alfred Hershey and Martha Chase confirmed that the genetic material of the bacteriophage, the virus which infects bacteria, is made up of DNA[5] (see Hershey–Chase experiment). In 1953, James Watson and Francis Crick published a paper about the discovery of the double helical structure of the DNA molecule based on the discoveries made by Rosalind Franklin.[6] In 1961, François Jacob and Jacques Monod demonstrated that the products of certain genes regulated the expression of other genes by acting upon specific sites at the edge of those genes. They also hypothesized the existence of an intermediary between DNA and its protein products, which they called messenger RNA.[7] Between 1961 and 1965, the relationship between the information contained in DNA and the structure of proteins was determined: there is a code, the genetic code, which creates a correspondence between the succession of nucleotides in the DNA sequence and a series of amino acids in proteins.

In April 2023, scientists, based on new evidence, concluded that Rosalind Franklin was a contributor and "equal player" in the discovery process of DNA, rather than otherwise, as may have been presented subsequently after the time of the discovery.[8][9][10]

حدثت الاكتشافات الرئيسية في علم الأحياء الجزيئي خلال فترة لا تتجاوز خمسة وعشرين عامًا. واستغرق الأمر خمسة عشر عامًا أخرى قبل أن تسمح التقنيات الجديدة والأكثر تطورًا، والتي تُعرف اليوم باسم الهندسة الوراثية ، بعزل الجينات وتوصيفها، ولا سيما جينات الكائنات الحية شديدة التعقيد.

استكشاف المجال الجزيئي

إذا ما قيّمنا الثورة الجزيئية في سياق التاريخ البيولوجي، فمن السهل ملاحظة أنها تتويج لعملية طويلة بدأت مع أولى الملاحظات المجهرية. كان هدف هؤلاء الباحثين الأوائل فهم وظائف الكائنات الحية من خلال وصف تنظيمها على المستوى المجهري. منذ أواخر القرن الثامن عشر، حظي توصيف الجزيئات الكيميائية التي تُكوّن الكائنات الحية باهتمام متزايد، بالتزامن مع ظهور الكيمياء الفيزيولوجية في القرن التاسع عشر، التي طورها الكيميائي الألماني جوستوس فون ليبيغ ، وتلتها الكيمياء الحيوية في مطلع القرن العشرين، بفضل الكيميائي الألماني إدوارد بوخنر . بين الجزيئات التي درسها الكيميائيون والبنى الدقيقة المرئية تحت المجهر الضوئي ، مثل نواة الخلية أو الكروموسومات، كانت هناك منطقة غامضة، أطلق عليها الفيزيائي الكيميائي فولفغانغ أوستوالد اسم "عالم الأبعاد المهملة" . هذا العالم مليء بالغرويات ، وهي مركبات كيميائية لم يتم تحديد بنيتها وخصائصها بشكل جيد.

إن نجاحات البيولوجيا الجزيئية نابعة من استكشاف ذلك العالم المجهول باستخدام التقنيات الجديدة التي طورها الكيميائيون والفيزيائيون: حيود الأشعة السينية ، والمجهر الإلكتروني ، والطرد المركزي الفائق ، والرحلان الكهربائي . وقد كشفت هذه الدراسات عن بنية ووظيفة الجزيئات الكبيرة.

كان العمل الذي قام به لينوس باولينج في عام 1949 بمثابة علامة فارقة في تلك العملية، حيث ربط لأول مرة الطفرة الجينية المحددة لدى مرضى فقر الدم المنجلي بتغير مثبت في بروتين فردي، وهو الهيموجلوبين في كريات الدم الحمراء للأفراد غير المتماثلين أو المتماثلين .

التقاء الكيمياء الحيوية وعلم الوراثة

يمثل تطور البيولوجيا الجزيئية أيضًا نقطة التقاء بين تخصصين حققا تقدمًا ملحوظًا خلال العقود الثلاثة الأولى من القرن العشرين: الكيمياء الحيوية وعلم الوراثة. يدرس الأول بنية ووظيفة الجزيئات التي تُكوّن الكائنات الحية. بين عامي 1900 و1940، وُصفت العمليات الأساسية لعملية الأيض : عملية الهضم وامتصاص العناصر الغذائية المُستمدة من الغذاء، مثل السكريات. تُحفز كل عملية من هذه العمليات بواسطة إنزيم مُحدد . الإنزيمات هي بروتينات، مثل الأجسام المضادة الموجودة في الدم أو البروتينات المسؤولة عن انقباض العضلات. ونتيجة لذلك، أصبحت دراسة البروتينات، وبنيتها وتخليقها، أحد الأهداف الرئيسية لعلماء الكيمياء الحيوية.

يُعدّ علم الوراثة ثاني فروع علم الأحياء التي تطورت في مطلع القرن العشرين. فبعد إعادة اكتشاف قوانين مندل من خلال دراسات هوغو دي فريس ، وكارل كورينز ، وإريك فون تشيرماك عام 1900، بدأ هذا العلم يتبلور بفضل اعتماد توماس هانت مورغان ، عام 1910، ذبابة الفاكهة الشهيرة ( دروسوفيلا ميلانوغاستر ) ككائن نموذجي للدراسات الوراثية . وبعد فترة وجيزة، أثبت مورغان أن الجينات تقع على الكروموسومات. وعقب هذا الاكتشاف، واصل العمل على الدروسوفيلا ، وأكد، بالتعاون مع العديد من المجموعات البحثية الأخرى، أهمية الجين في حياة الكائنات الحية ونموها. ومع ذلك، ظلت الطبيعة الكيميائية للجينات وآليات عملها لغزًا محيرًا. ولذا، كرّس علماء الأحياء الجزيئية جهودهم لتحديد بنية الجينات والبروتينات، ووصف العلاقات المعقدة بينها.

لم يكن تطور البيولوجيا الجزيئية مجرد ثمرة لضرورة متأصلة في تاريخ الأفكار، بل كان ظاهرة تاريخية بامتياز، بكل ما فيها من غموض وتقلبات وظروف طارئة: فقد أبرزت التطورات الملحوظة في الفيزياء في مطلع القرن العشرين التأخر النسبي في تطور البيولوجيا، التي أصبحت "الحدود الجديدة" في البحث عن المعرفة حول العالم التجريبي. علاوة على ذلك، فإن تطورات نظرية المعلومات وعلم التحكم الآلي في أربعينيات القرن العشرين، استجابةً لمتطلبات عسكرية، قد أثرت البيولوجيا الجديدة بأفكار ثرية، ولا سيما استعارات مبتكرة.

كان اختيار البكتيريا وفيروسها، العاثية، كنموذجين لدراسة الآليات الأساسية للحياة أمرًا طبيعيًا تقريبًا - فهما أصغر الكائنات الحية المعروفة - وفي الوقت نفسه كان ثمرة خيارات فردية. ويعود نجاح هذا النموذج، قبل كل شيء، إلى شهرة وحس التنظيم لدى ماكس ديلبروك ، الفيزيائي الألماني، الذي استطاع إنشاء مجموعة بحثية ديناميكية، مقرها الولايات المتحدة، انصبّ تركيزها حصريًا على دراسة العاثية: مجموعة العاثيات . [ 11 ]

كانت مجموعة العاثيات شبكة غير رسمية من علماء الأحياء الذين أجروا أبحاثًا أساسية، لا سيما على العاثية T4، وقدموا إسهامات رائدة في علم الوراثة الميكروبية ونشأة البيولوجيا الجزيئية في منتصف القرن العشرين. في عام 1961، تعاون سيدني برينر ، أحد الأعضاء الأوائل في مجموعة العاثيات، مع فرانسيس كريك ، وليزلي بارنيت ، وريتشارد واتس-توبين في مختبر كافنديش في كامبريدج لإجراء تجارب وراثية أثبتت الطبيعة الأساسية للشفرة الوراثية للبروتينات . [ 12 ] أظهرت هذه التجارب، التي أُجريت على طفرات جين rIIB للعاثية T4، أنه بالنسبة لجين يُشفّر بروتينًا، فإن ثلاث قواعد متسلسلة من الحمض النووي للجين تُحدد كل حمض أميني متتالٍ في البروتين. وبالتالي، فإن الشفرة الوراثية هي شفرة ثلاثية، حيث تُحدد كل ثلاثية (تُسمى كودونًا) حمضًا أمينيًا معينًا. كما وجدوا أن الكودونات لا تتداخل مع بعضها في تسلسل الحمض النووي الذي يشفر البروتين، وأن هذا التسلسل يُقرأ من نقطة بداية ثابتة. خلال الفترة 1962-1964، أتاح باحثو العاثية T4 فرصة لدراسة وظيفة جميع الجينات الضرورية لنمو العاثية تقريبًا في ظروف المختبر. [ 13 ] [ 14 ] وقد سُهِّلت هذه الدراسات باكتشاف فئتين من الطفرات المميتة المشروطة . تُعرف إحدى هاتين الفئتين بطفرات العنبر . [ 15 ] أما الفئة الأخرى فتُعرف بالطفرات الحساسة للحرارة . [ 16 ] وقد أدت دراسات هاتين الفئتين من الطفرات إلى فهم أعمق للعديد من المشكلات البيولوجية الأساسية. وهكذا ، تم التوصل إلى فهم أفضل لوظائف وتفاعلات البروتينات المستخدمة في آليات تضاعف الحمض النووي وإصلاحه وإعادة تركيبه . علاوة على ذلك، تم التوصل إلى فهم أعمق للعمليات التي يتم من خلالها تجميع الفيروسات من مكونات البروتين والحمض النووي ( التكوين الجزيئي ). كما تم توضيح دور كودونات إنهاء السلسلة . وقد استخدمت إحدى الدراسات الجديرة بالذكر طفرات العنبر المعيبة في الجين الذي يشفر البروتين الرئيسي لرأس العاثية T4. [ 17 ]قدمت هذه التجربة دليلاً قوياً على "فرضية التسلسل" الشائعة، والتي كانت لا تزال غير مثبتة قبل عام 1964، والتي تنص على أن تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين يُحدد بواسطة تسلسل النيوكليوتيدات للجين المسؤول عن هذا البروتين. وبذلك، أثبتت هذه الدراسة التوافق الخطي بين الجين والبروتين الذي يُشفّره.

كان المشهد الجغرافي لتطورات علم الأحياء الجديد مشروطًا بالدرجة الأولى بالأعمال السابقة. فقد كانت الولايات المتحدة، حيث شهد علم الوراثة أسرع تطور، والمملكة المتحدة، حيث تعايشت أبحاث علم الوراثة والكيمياء الحيوية على مستويات متقدمة للغاية، في طليعة هذا المجال. وكان من المفترض أن تلعب ألمانيا، مهد ثورات الفيزياء، بما تملكه من أفضل العقول وأكثر مختبرات علم الوراثة تقدمًا في العالم، دورًا رئيسيًا في تطوير علم الأحياء الجزيئي. لكن التاريخ شاء غير ذلك: فقد تسبب وصول النازيين عام 1933، وإلى حد أقل، تشديد الإجراءات الشمولية في إيطاليا الفاشية ، في هجرة عدد كبير من العلماء اليهود وغير اليهود. لجأ معظمهم إلى الولايات المتحدة أو المملكة المتحدة، مما أعطى دفعة إضافية للحيوية العلمية في هاتين الدولتين. هذه التحركات جعلت من علم الأحياء الجزيئي علمًا دوليًا بحق منذ بداياته.

تاريخ الكيمياء الحيوية للحمض النووي

تُعد دراسة الحمض النووي جزءًا أساسيًا من علم الأحياء الجزيئي.

أول عملية عزل للحمض النووي

في القرن التاسع عشر، قام علماء الكيمياء الحيوية بعزل الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبي RNA (مختلطين معًا) من نوى الخلايا. وسرعان ما أدركوا الطبيعة البوليمرية لعزلات "الأحماض النووية" التي حصلوا عليها، لكنهم لم يدركوا إلا لاحقًا أن النيوكليوتيدات نوعان: أحدهما يحتوي على الريبوز والآخر على الديوكسي ريبوز . وكان هذا الاكتشاف اللاحق هو الذي أدى إلى تحديد وتسمية الحمض النووي DNA كمادة متميزة عن الحمض النووي الريبي RNA.

اكتشف فريدريك ميشر (1844-1895) مادة أطلق عليها اسم "النوكلين" عام 1869. وبعد ذلك بقليل، عزل عينة نقية من المادة المعروفة الآن باسم الحمض النووي (DNA) من حيوانات منوية سمك السلمون، وفي عام 1889 أطلق عليها تلميذه، ريتشارد ألتمان ، اسم "الحمض النووي". وقد وُجد أن هذه المادة موجودة فقط في الكروموسومات.

في عام ١٩١٩، حدد فيبوس ليفين، في معهد روكفلر، مكونات الحمض النووي (القواعد الأربع، والسكر، وسلسلة الفوسفات)، وأظهر أن هذه المكونات مرتبطة ببعضها البعض بترتيب فوسفات-سكر-قاعدة. أطلق على كل وحدة من هذه الوحدات اسم نيوكليوتيد، واقترح أن جزيء الحمض النووي يتكون من سلسلة من وحدات النيوكليوتيدات المرتبطة معًا عبر مجموعات الفوسفات، التي تُشكل "العمود الفقري" للجزيء. مع ذلك، اعتقد ليفين أن السلسلة قصيرة وأن القواعد تتكرر بنفس الترتيب الثابت. أثبت توربيورن كاسبرسون وإينار هامرستين أن الحمض النووي بوليمر.

الكروموسومات والصفات الموروثة

في عام 1927، اقترح نيكولاي كولتسوف أن الصفات الوراثية تُورَث عبر "جزيء وراثي عملاق" يتكون من "سلسلتين متطابقتين تتضاعفان بطريقة شبه محافظة باستخدام كل سلسلة كقالب". [ 18 ] وفي عام 1935، نشر ماكس ديلبروك ، ونيكولاي تيموفييف-ريسوفسكي ، وكارل جي. زيمر نتائج تشير إلى أن الكروموسومات جزيئات ضخمة جدًا يمكن تغيير بنيتها بمعالجتها بالأشعة السينية ، وأنه بتغيير بنيتها بهذه الطريقة، يمكن تغيير الخصائص الوراثية التي تتحكم بها هذه الكروموسومات. وفي عام 1937، أنتج ويليام أستبري أول أنماط حيود الأشعة السينية من الحمض النووي. لم يتمكن من اقتراح البنية الصحيحة، لكن الأنماط أظهرت أن الحمض النووي له بنية منتظمة، وبالتالي قد يكون من الممكن استنتاج ماهية هذه البنية.

في عام 1943، اكتشف أوزوالد ثيودور أفيري وفريق من العلماء أن سمات الشكل "الأملس" لبكتيريا المكورات الرئوية يمكن نقلها إلى الشكل "الخشن" من نفس البكتيريا بمجرد إتاحة الشكل "الأملس" (S) الميت للشكل "الخشن" (R) الحي. وبشكل غير متوقع، تحولت بكتيريا المكورات الرئوية R الحية إلى سلالة جديدة من الشكل S، واتضح أن خصائص S المنقولة قابلة للتوريث. أطلق أفيري على وسيلة نقل السمات اسم " مبدأ التحويل " ، وحدد الحمض النووي (DNA) كمبدأ التحويل، وليس البروتين كما كان يُعتقد سابقًا. وقد أعاد أفيري تجربة فريدريك غريفيث بشكل أساسي. في عام 1953، أجرى ألفريد هيرشي ومارثا تشيس تجربة ( تجربة هيرشي-تشيس ) أظهرت، في عاثية T2 ، أن الحمض النووي (DNA) هو المادة الوراثية (تقاسم هيرشي جائزة نوبل مع لوريا).

اكتشاف بنية الحمض النووي

في خمسينيات القرن العشرين، سعت ثلاث مجموعات إلى تحديد بنية الحمض النووي (DNA). بدأت المجموعة الأولى في كلية كينجز بلندن بقيادة موريس ويلكنز ، وانضمت إليها لاحقًا روزاليند فرانكلين . أما المجموعة الثانية، التي ضمت فرانسيس كريك وجيمس واتسون، فكانت في كامبريدج . بينما كانت المجموعة الثالثة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) بقيادة لينوس باولينج . قام كريك وواتسون ببناء نماذج مادية باستخدام قضبان وكرات معدنية، حيث دمجوا فيها البنى الكيميائية المعروفة للنيوكليوتيدات، بالإضافة إلى المواقع المعروفة للروابط التي تربط نيوكليوتيدًا بآخر على طول البوليمر. في كلية كينجز، فحص موريس ويلكنز وروزاليند فرانكلين أنماط حيود الأشعة السينية لألياف الحمض النووي. من بين المجموعات الثلاث، كانت مجموعة لندن الوحيدة القادرة على إنتاج أنماط حيود عالية الجودة، وبالتالي توفير بيانات كمية كافية حول البنية.

بنية حلزونية

في عام ١٩٤٨، اكتشف باولينغ أن العديد من البروتينات تتضمن أشكالًا حلزونية (انظر: الحلزون ألفا ). استنتج باولينغ هذا التركيب من أنماط حيود الأشعة السينية ومن محاولات نمذجة هذه التراكيب فيزيائيًا. (اقترح باولينغ لاحقًا تركيبًا غير صحيح للحمض النووي DNA يتكون من ثلاث سلاسل حلزونية، استنادًا إلى بيانات أستبري). حتى في بيانات حيود الأشعة السينية الأولية للحمض النووي DNA التي جمعها موريس ويلكنز، كان من الواضح أن التركيب يتضمن حلزونات. لكن هذه الرؤية لم تكن سوى البداية. بقيت أسئلة حول عدد السلاسل المتجمعة، وما إذا كان هذا العدد ثابتًا في كل حلزون، وما إذا كانت القواعد تشير نحو محور الحلزون أم بعيدًا عنه، وفي النهاية ما هي الزوايا والإحداثيات الدقيقة لجميع الروابط والذرات. حفزت هذه الأسئلة جهود واتسون وكريك في مجال النمذجة.

النيوكليوتيدات المتكاملة

في نماذجهما، اقتصر واتسون وكريك على ما اعتبراه معقولاً من الناحيتين الكيميائية والبيولوجية. ومع ذلك، كان نطاق الاحتمالات واسعاً للغاية. حدث اختراقٌ في عام 1952، عندما زار إروين تشارغاف كامبريدج وألهم كريك بوصفٍ لتجارب نشرها تشارغاف عام 1947. لاحظ تشارغاف أن نسب النيوكليوتيدات الأربعة تختلف بين عينة حمض نووي وأخرى، ولكن بالنسبة لأزواج معينة من النيوكليوتيدات - الأدينين والثايمين، والجوانين والسيتوزين - يكون النيوكليوتيدان موجودين دائماً بنسب متساوية.

تم إعادة بناء نموذج الحمض النووي لكريك وواتسون الذي تم بناؤه في عام 1953 إلى حد كبير من أجزائه الأصلية في عام 1973 وتم التبرع به إلى المتحف الوطني للعلوم في لندن.

باستخدام حيود الأشعة السينية ، بالإضافة إلى بيانات أخرى من روزاليند فرانكلين ومعلوماتها التي تفيد بأن القواعد كانت مزدوجة، توصل جيمس واتسون وفرانسيس كريك إلى أول نموذج دقيق للبنية الجزيئية للحمض النووي في عام 1953، والذي تم قبوله من خلال فحص روزاليند فرانكلين. استخدموا قواعد إروين تشارجاف التي تنص على أنه في النوع الواحد، تساوي نسبة الأدينين نسبة الثايمين ونسبة الجوانين نسبة السيتوزين . كتبوا: "لم يغب عن بالنا أن الاقتران المحدد الذي افترضناه يشير مباشرة إلى آلية نسخ محتملة للمادة الوراثية." [ 19 ] تم الإعلان عن الاكتشاف في 28 فبراير 1953؛ نُشرت أول ورقة بحثية لواتسون وكريك في مجلة نيتشر بتاريخ 25 أبريل 1953. وفي يوم الخميس الموافق 14 مايو 1953، ألقى السير لورانس براغ ، مدير مختبر كافنديش حيث عمل واتسون وكريك، محاضرة في كلية الطب بمستشفى غاي في لندن، نتج عنها مقال بقلم ريتشي كالدر في صحيفة نيوز كرونيكل اللندنية، يوم الجمعة الموافق 15 مايو 1953، بعنوان "لماذا أنت أنت؟ سر الحياة الأقرب". ووصل الخبر إلى قراء صحيفة نيويورك تايمز في اليوم التالي؛ حيث عثر فيكتور ك. ماكيلهيني ، أثناء بحثه لكتابة سيرته الذاتية "واتسون والحمض النووي: إحداث ثورة علمية"، على قصاصة من مقال من ست فقرات نُشر في صحيفة نيويورك تايمز من لندن بتاريخ 16 مايو 1953، بعنوان "مسح شكل 'وحدة الحياة' في الخلية". نُشر المقال في طبعة مبكرة ثم حُذف لإفساح المجال لأخبار اعتُبرت أكثر أهمية. ( نشرت صحيفة نيويورك تايمز لاحقًا مقالًا أطول في 12 يونيو 1953). كما نشرت صحيفة طلاب جامعة كامبريدج مقالًا قصيرًا خاصًا بها عن الاكتشاف يوم السبت 30 مايو 1953. ولم تُغطِّ الصحافة إعلان براغ الأصلي في مؤتمر سولفاي حول البروتينات في بلجيكا في 8 أبريل 1953. وفي عام 1962، حصل واتسون وكريك وموريس ويلكنز مناصفةً على جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء لاكتشافهم بنية الحمض النووي DNA.

"العقيدة المركزية"

حظي نموذج واتسون وكريك باهتمام كبير فور عرضه. وبعد التوصل إلى استنتاجهما في 21 فبراير 1953، أعلن واتسون وكريك عن نتائجهما لأول مرة في 28 فبراير. وفي عرض تقديمي مؤثر عام 1957، وضع كريك " العقيدة المركزية لعلم الأحياء الجزيئي "، التي تنبأت بالعلاقة بين الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبوزي RNA والبروتينات، ووضّحت "فرضية التسلسل". وجاء تأكيد حاسم لآلية التضاعف التي أشارت إليها بنية الحلزون المزدوج عام 1958 في صورة تجربة ميسلسون-ستال . تم تحديد الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) كوسيط بين تسلسل الحمض النووي (DNA) وتخليق البروتين بواسطة برينر وميسلسون وجاكوب في عام 1961. [ 20 ] ثم أظهرت أعمال كريك وزملائه أن الشفرة الوراثية تعتمد على ثلاثيات غير متداخلة من القواعد، تُسمى الكودونات، وبعد ذلك بوقت قصير (1966)، تمكن هار غوبيند خورانا وآخرون من فك شفرة الحمض النووي . تمثل هذه النتائج ميلاد علم الأحياء الجزيئي .

تاريخ البنية الثلاثية للحمض النووي الريبي

ما قبل التاريخ: البنية الحلزونية للحمض النووي الريبي

تزامنت الأعمال الأولى في علم الأحياء البنيوي للحمض النووي الريبي (RNA)، إلى حد كبير، مع الأعمال التي أُجريت على الحمض النووي (DNA) في أوائل خمسينيات القرن العشرين. في ورقتهم البحثية الرائدة عام 1953، اقترح واتسون وكريك أن ازدحام فان دير فالس الناتج عن مجموعة 2`OH في الريبوز سيمنع الحمض النووي الريبي من اتخاذ بنية حلزونية مزدوجة مطابقة للنموذج الذي اقترحاه - ما نعرفه الآن باسم الحمض النووي من النوع B. [ 21 ] أثار هذا تساؤلات حول البنية ثلاثية الأبعاد للحمض النووي الريبي: هل يمكن لهذا الجزيء أن يشكل نوعًا من البنية الحلزونية، وإذا كان الأمر كذلك، فكيف؟ كما هو الحال مع الحمض النووي، تركزت الأعمال البنيوية المبكرة على الحمض النووي الريبي حول عزل بوليمرات الحمض النووي الريبي الأصلية لتحليل حيود الألياف. وبسبب عدم تجانس العينات المختبرة جزئيًا، كانت أنماط حيود الألياف المبكرة غامضة في الغالب وغير قابلة للتفسير بسهولة. في عام ١٩٥٥، نشرت ماريان غرونبرغ-ماناغو وزملاؤها بحثًا يصف إنزيم فوسفوريلاز عديد النوكليوتيد ، الذي يفصل مجموعة فوسفات من ثنائي فوسفات النوكليوتيد لتحفيز بلمرته. [ ٢٢ ] مكّن هذا الاكتشاف الباحثين من تصنيع بوليمرات نوكليوتيدية متجانسة، قاموا بعد ذلك بدمجها لإنتاج جزيئات مزدوجة السلاسل. وقد أسفرت هذه العينات عن أنماط حيود ألياف هي الأسهل تفسيرًا حتى ذلك الحين، مما يشير إلى بنية حلزونية منتظمة للحمض النووي الريبي المزدوج السلاسل، تختلف عن تلك الملاحظة في الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين. مهدت هذه النتائج الطريق لسلسلة من الدراسات حول الخصائص والميول المختلفة للحمض النووي الريبي. خلال أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات، نُشرت العديد من الأبحاث حول مواضيع مختلفة في بنية الحمض النووي الريبوزي (RNA)، بما في ذلك تهجين الحمض النووي الريبوزي مع الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA)، [ 23 ] والحمض النووي الريبوزي ثلاثي السلاسل، [ 24 ] وحتى علم البلورات على نطاق صغير لثنائيات نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبوزي - GC وAU - في ترتيبات حلزونية بدائية. [ 25 ] للاطلاع على مراجعة أكثر تعمقًا للأعمال المبكرة في علم الأحياء البنيوي للحمض النووي الريبوزي، انظر مقالة " عصر صحوة الحمض النووي الريبوزي: علم الأحياء البنيوي للحمض النووي الريبوزي في السنوات الأولى" بقلم ألكسندر ريتش . [ 26 ]

البداية: التركيب البلوري لـ tRNA PHE

في منتصف ستينيات القرن العشرين، خضع دور الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) في تخليق البروتين لدراسة مكثفة. في ذلك الوقت، كان يُعتقد أن الريبوسومات تلعب دورًا في تخليق البروتين، وأن وجود شريط من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) ضروري لتكوين هذه البنى. في منشور عام 1964، أظهر وارنر وريتش أن الريبوسومات النشطة في تخليق البروتين تحتوي على جزيئات tRNA مرتبطة بالموقعين A وP، وناقشا فكرة أن هذه الجزيئات تُساعد في تفاعل نقل الببتيديل . [ 27 ] مع ذلك، وعلى الرغم من الدراسات البيوكيميائية الواسعة، ظل الأساس البنيوي لوظيفة tRNA غامضًا. في عام 1965، قام هولي وآخرون بتنقية وتسلسل أول جزيء tRNA، مقترحين في البداية أنه يتخذ بنية ورقة البرسيم، استنادًا بشكل كبير إلى قدرة مناطق معينة من الجزيء على تكوين بنى حلقية جذعية. [ 28 ] وقد أثبت عزل tRNA أنه أول إنجاز كبير في علم الأحياء البنيوي للحمض النووي الريبوزي. بعد نشر روبرت دبليو هولي ، بدأ العديد من الباحثين العمل على عزل الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) لدراسته البلورية، مطورين طرقًا محسّنة لعزل الجزيء أثناء عملهم. بحلول عام 1968، أنتجت عدة مجموعات بلورات من الحمض النووي الريبوزي الناقل، لكن تبيّن أن جودتها محدودة ولم تُنتج بيانات بالدقة اللازمة لتحديد البنية. [ 29 ] في عام 1971، حقق كيم وزملاؤه إنجازًا آخر، حيث أنتجوا بلورات من الحمض النووي الريبوزي الناقل للخميرة (tRNA PHE) التي انحرفت بدقة 2-3 أنغستروم باستخدام السبيرمين ، وهو بولي أمين طبيعي ، والذي ارتبط بالحمض النووي الريبوزي الناقل وثبّته. [ 30 ] على الرغم من الحصول على بلورات مناسبة، لم تُحل بنية الحمض النووي الريبوزي الناقل للخميرة (tRNA PHE) على الفور بدقة عالية؛ بل تطلّب الأمر عملًا رائدًا في استخدام مشتقات المعادن الثقيلة ووقتًا أطول بكثير لإنتاج خريطة كثافة عالية الجودة للجزيء بأكمله. في عام 1973، قام كيم وزملاؤه... تم إنتاج خريطة بدقة 4 أنغستروم لجزيء الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، والتي تمكنوا من خلالها من تتبع هيكله بالكامل بشكل لا لبس فيه. [ 31 ] وقد تبع هذا الحل العديد من الحلول الأخرى، حيث عمل باحثون مختلفون على تحسين البنية، وبالتالي توضيح تفاصيل اقتران القواعد وتفاعلات التراص بشكل أكثر شمولاً، والتحقق من صحة البنية المنشورة للجزيء.

يُعدّ تركيب الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA ) PHE ذا أهمية بالغة في مجال بنية الأحماض النووية عمومًا، إذ مثّل أول حلّ لبنية حمض نووي طويل السلسلة من أي نوع - سواءً كان RNA أو DNA - متجاوزًا بذلك حلّ ريتشارد إي. ديكرسون لبنية الدوديكامر من النوع B بما يقارب عقدًا من الزمن. [ 32 ] كما أظهر tRNA PHE العديد من التفاعلات الثلاثية التي لوحظت في بنية RNA والتي لم تُصنّف ولم تُفهم بشكلٍ كامل إلا بعد سنوات، مما وفّر أساسًا لجميع أبحاث بنية RNA المستقبلية.

عصر النهضة: الريبوزيم ذو الرأس المطرقي والإنترون من المجموعة الأولى: P 4-6

لفترة طويلة بعد اكتشاف أولى بنى الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، لم يشهد مجال دراسة بنية الحمض النووي الريبوزي (RNA) تقدماً ملحوظاً. فقد كانت القدرة على دراسة بنية الحمض النووي الريبوزي تعتمد على إمكانية عزل الحمض النووي الريبوزي المستهدف. وقد شكل هذا الأمر عائقاً أمام المجال لسنوات عديدة، ويعود ذلك جزئياً إلى صعوبة عزل وتبلور أهداف أخرى معروفة، مثل الريبوسوم. علاوة على ذلك، ولأن أهدافاً أخرى مثيرة للاهتمام من الحمض النووي الريبوزي لم تكن قد حُددت بعد، أو لم تكن مفهومة بشكل كافٍ لتُعتبر مثيرة للاهتمام، فقد كان هناك نقص في المواد التي يمكن دراستها بنيوياً. ونتيجة لذلك، ولمدة عشرين عاماً تقريباً بعد النشر الأصلي لبنية فينيل ألانين ( PHE) في الحمض النووي الريبوزي الناقل، لم تُحل بنى سوى عدد قليل من أهداف الحمض النووي الريبوزي الأخرى، ومعظمها ينتمي إلى عائلة الحمض النووي الريبوزي الناقل. [ 33 ] وقد تم التغلب على هذا النقص المؤسف في النطاق في نهاية المطاف بفضل تقدمين رئيسيين في أبحاث الأحماض النووية: تحديد الريبوزيمات ، والقدرة على إنتاجها عبر النسخ المختبري .

بعد نشر توم سيش بحثًا يشير إلى أن إنترون المجموعة الأولى من التتراهيمينا يعمل كريبوزيمًا ذاتي التحفيز، [ 34 ] وتقرير سيدني ألتمان عن التحفيز بواسطة ريبونوكلياز P RNA، [ 35 ] تم تحديد العديد من جزيئات RNA المحفزة الأخرى في أواخر ثمانينيات القرن العشرين، [ 36 ] بما في ذلك ريبوزيم رأس المطرقة . في عام 1994، نشر مكاي وآخرون بنية "مركب ريبوزيم رأس المطرقة RNA-DNA- المثبط" بدقة 2.6 أنغستروم، حيث تم تعطيل النشاط التحفيزي الذاتي للريبوزيم عن طريق الارتباط بركيزة DNA. [ 37 ] تبين لاحقًا أن شكل الريبوزيم المنشور في هذه الورقة هو أحد الحالات الممكنة، وعلى الرغم من أن هذه العينة بالذات كانت غير نشطة تحفيزيًا، فقد كشفت البنى اللاحقة عن بنيتها في الحالة النشطة. تبع هذا الهيكل نشر جينيفر دودنا لبنية نطاقات P4-P6 من إنترون المجموعة الأولى في التتراهيمينا ، وهو جزء من الريبوزيم الذي اشتهر به سيش. [ 38 ] ويُبرز الجزء الثاني من عنوان هذا المنشور - مبادئ تعبئة الحمض النووي الريبي - بإيجاز قيمة هذين الهيكلين: فللمرة الأولى، أصبح بالإمكان إجراء مقارنات بين هياكل الحمض النووي الريبي الناقل الموصوفة جيدًا وتلك الخاصة بالحمض النووي الريبي الكروي خارج عائلة النقل. وقد سمح هذا ببناء إطار تصنيفي للبنية الثلاثية للحمض النووي الريبي. وأصبح من الممكن الآن اقتراح الحفاظ على الأنماط والطيات والتفاعلات الموضعية المختلفة المُثبِّتة. للاطلاع على مراجعة مبكرة لهذه الهياكل وآثارها، انظر طيات الحمض النووي الريبي: رؤى من الهياكل البلورية الحديثة ، من تأليف دودنا وفير-داماري. [ 39 ]

بالإضافة إلى التقدم المحرز في تحديد البنية العالمية باستخدام علم البلورات، شهدت أوائل التسعينيات أيضًا تطبيق الرنين المغناطيسي النووي كتقنية فعالة في علم الأحياء البنيوي للحمض النووي الريبي. بالتزامن مع حل هياكل الريبوزيم واسعة النطاق باستخدام علم البلورات، تم حل عدد من هياكل الحمض النووي الريبي الصغير والحمض النووي الريبي المرتبط بالأدوية والببتيدات باستخدام الرنين المغناطيسي النووي. [ 40 ] علاوة على ذلك، استُخدم الرنين المغناطيسي النووي آنذاك لدراسة وتكميل الهياكل البلورية، كما يتضح من تحديد بنية وحدة مستقبلات رباعية الحلقات المعزولة التي نُشرت عام 1997. [ 41 ] وقد مكّنت دراسات كهذه من توصيف أكثر دقة لتفاعلات اقتران القواعد وتراصها التي تُثبّت الطيات العامة لجزيئات الحمض النووي الريبي الكبيرة. لقد وصف ميشيل وكوستا أهمية فهم الأنماط البنيوية الثلاثية للحمض النووي الريبي (RNA) بشكلٍ دقيقٍ في منشورهما الذي حددا فيه نمط الحلقة الرباعية : "...لا ينبغي أن يكون مفاجئًا إذا استخدمت جزيئات الحمض النووي الريبي ذاتية الطي مجموعةً صغيرةً نسبيًا من الأنماط الثلاثية بشكلٍ مكثف. إن تحديد هذه الأنماط من شأنه أن يُساعد بشكلٍ كبيرٍ في عمليات النمذجة، والتي ستظل ضروريةً طالما أن بلورة جزيئات الحمض النووي الريبي الكبيرة تبقى مهمةً صعبة". [ 42 ]

العصر الحديث: عصر البيولوجيا التركيبية للحمض النووي الريبي

أدى انتعاش علم الأحياء البنيوي للحمض النووي الريبوزي (RNA) في منتصف التسعينيات إلى طفرة هائلة في مجال أبحاث بنية الأحماض النووية. فمنذ نشر بنيتي رأس المطرقة وP 4-6 ، قُدّمت إسهاماتٌ بارزةٌ عديدةٌ في هذا المجال. ومن أبرز الأمثلة على ذلك بنية إنترونات المجموعة الأولى والثانية [ 43 ] ، وبنية الريبوسوم التي حلّها نيناد بان وزملاؤه في مختبر توماس ستيتز [ 44 ] . وقد أُنتجت البنى الثلاث الأولى باستخدام النسخ المختبري ، ولعب الرنين المغناطيسي النووي (NMR) دورًا في دراسة المكونات الجزئية للبنى الأربع جميعها، ما يُؤكد أهمية هاتين التقنيتين في أبحاث الحمض النووي الريبوزي. ومؤخرًا، مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2009 لكلٍّ من آدا يونات ، وفينكاترامان راماكريشنان، وتوماس ستيتز، تقديرًا لأبحاثهم البنيوية حول الريبوسوم، ما يُبرز الدور البارز الذي يلعبه علم الأحياء البنيوي للحمض النووي الريبوزي في البيولوجيا الجزيئية الحديثة.

تاريخ الكيمياء الحيوية للبروتين

العزل والتصنيف الأول

في القرن الثامن عشر، تعرّف أنطوان فوركروي وآخرون على البروتينات كفئة متميزة من الجزيئات البيولوجية. وقد عُرفت هذه الفئة (التي تُسمى "الألبومينويدات" أو " Eiweisskörper " أو "matières albuminoides ") بقدرتها على التخثر أو التكتل تحت تأثير معالجات مختلفة كالحرارة أو الأحماض؛ ومن الأمثلة المعروفة في بداية القرن التاسع عشر: الألبومين الموجود في بياض البيض ، وألبومين مصل الدم ، والفيبرين ، وغلوتين القمح . وقد لوحظ التشابه بين طهي بياض البيض وتخثر الحليب حتى في العصور القديمة؛ فعلى سبيل المثال، صاغ بليني الأكبر اسم "ألبومين" لبروتين بياض البيض من الكلمة اللاتينية "albus ovi " (بياض البيض).

بناءً على نصيحة يونس ياكوب بيرزيليوس ، أجرى الكيميائي الهولندي جيرهاردوس يوهانس مولدر تحليلاتٍ عنصريةً للبروتينات الحيوانية والنباتية الشائعة. ولدهشة الجميع، تبيّن أن جميع البروتينات تتشابه تقريبًا في الصيغة التجريبية ، وهي C400H620N100O120، حيث تحتوي كل ذرة على ذرات كبريت وفوسفور منفصلة . نشر مولدر نتائجه في ورقتين بحثيتين (1837، 1838 )، وافترض وجود مادة أساسية واحدة ( Grundstoff ) للبروتينات، وأن النباتات تُصنّعها، بينما تمتصها الحيوانات منها أثناء عملية الهضم. كان بيرزيليوس من أوائل المؤيدين لهذه النظرية، واقترح تسمية هذه المادة بـ"بروتين" في رسالة مؤرخة في 10 يوليو 1838.

الاسم البروتيني الذي اقترحه للأكسيد العضوي للفيبرين والألبومين ، أردت أن أشتقه من [ الكلمة اليونانية ] πρωτειος، لأنه يبدو أنه المادة البدائية أو الرئيسية لتغذية الحيوانات.

وواصل مولدر تحديد نواتج تحلل البروتين مثل الحمض الأميني ، الليوسين ، الذي وجد له وزنًا جزيئيًا (صحيحًا تقريبًا) يبلغ 131 دالتون .

عمليات التنقية وقياس الكتلة

أشارت تحليلات مولدر إلى أن الحد الأدنى للوزن الجزيئي يبلغ حوالي 9 كيلو دالتون ، أي أكبر بمئات المرات من الجزيئات الأخرى قيد الدراسة. ولذلك، ظل التركيب الكيميائي للبروتينات ( بنيتها الأولية ) مجالًا بحثيًا نشطًا حتى عام 1949، عندما قام فريد سانجر بتحديد تسلسل الأنسولين . وقد طُرحت النظرية (الصحيحة) القائلة بأن البروتينات عبارة عن بوليمرات خطية من الأحماض الأمينية المرتبطة بروابط ببتيدية، بشكل مستقل ومتزامن، من قبل فرانز هوفمايستر وإميل فيشر في المؤتمر نفسه عام 1902. ومع ذلك، شكك بعض العلماء في إمكانية استقرار هذه الجزيئات الكبيرة في المحلول. ونتيجة لذلك، طُرحت العديد من النظريات البديلة للبنية الأولية للبروتين ، مثل فرضية الغرويات التي تفترض أن البروتينات عبارة عن تجمعات من جزيئات صغيرة، وفرضية السيكلول لدوروثي ورينش ، وفرضية ثنائي كيتوبيبرازين لإميل عبد الحليم، وفرضية البيرول/البيبيريدين لتروينسجارد (1942). واجهت معظم هذه النظريات صعوبة في تفسير حقيقة أن هضم البروتينات ينتج عنه ببتيدات وأحماض أمينية . وقد أثبت ثيودور سفيدبيرغ، باستخدام الطرد المركزي التحليلي الفائق ، أن البروتينات جزيئات ضخمة ذات تركيب محدد (وليست مخاليط غروانية). وأظهر جيلبرت سميثسون أدير (عن طريق قياس الضغط الأسموزي للهيموجلوبين )، ولاحقًا فريدريك إم. ريتشاردز في دراساته على إنزيم الريبونيوكلياز إس، إمكانية أن تكون بعض البروتينات عبارة عن تجمعات غير تساهمية من هذه الجزيئات الضخمة. لطالما كان مطياف الكتلة للبروتينات تقنية مفيدة لتحديد التعديلات اللاحقة للترجمة ، ومؤخرًا، لدراسة بنية البروتين. 

يصعب تنقية معظم البروتينات بكميات تتجاوز المليغرامات، حتى باستخدام أحدث الطرق. ولذلك، ركزت الدراسات المبكرة على البروتينات التي يمكن تنقيتها بكميات كبيرة، مثل بروتينات الدم وبياض البيض والسموم المختلفة والإنزيمات الهاضمة/الأيضية المستخلصة من المسالخ . وقد طُوّرت العديد من تقنيات تنقية البروتينات خلال الحرب العالمية الثانية في مشروع قاده إدوين جوزيف كوهن لتنقية بروتينات الدم للمساعدة في إنقاذ حياة الجنود. وفي أواخر الخمسينيات، قامت شركة "أرمور هوت دوغ" بتنقية كيلوغرام واحد  (مليون ملليغرام) من إنزيم الريبونيوكلياز  A البنكرياسي البقري النقي ، ووفرته بتكلفة منخفضة للعلماء حول العالم. [ 45 ] وقد جعل هذا العمل السخي إنزيم الريبونيوكلياز  A البروتين الرئيسي للبحوث الأساسية للعقود التالية، مما أسفر عن حصول العديد من العلماء على جوائز نوبل.

طي البروتين والنماذج الهيكلية الأولى

بدأت دراسة طي البروتين عام ١٩١٠ بورقة بحثية شهيرة لهارييت تشيك وسي جيه مارتن ، حيث أظهرا أن تكتل البروتين يتألف من عمليتين متميزتين: ترسيب البروتين من المحلول يسبقه عملية أخرى تُسمى التمسخ ، حيث يصبح البروتين أقل ذوبانًا، ويفقد نشاطه الإنزيمي، ويصبح أكثر تفاعلًا كيميائيًا. في منتصف عشرينيات القرن العشرين، اقترح تيم أنسون وألفريد ميرسكي أن التمسخ عملية قابلة للانعكاس، وهي فرضية صحيحة سخر منها بعض العلماء في البداية ووصفوها بـ"إعادة البيضة المسلوقة إلى حالتها الأصلية". كما أشار أنسون إلى أن التمسخ عملية ثنائية الحالة ("الكل أو لا شيء")، حيث ينتج عن تحول جزيئي أساسي واحد تغييرات جذرية في الذوبان والنشاط الإنزيمي والتفاعل الكيميائي؛ ولاحظ كذلك أن تغيرات الطاقة الحرة عند التمسخ أصغر بكثير من تلك التي تحدث عادةً في التفاعلات الكيميائية. في عام ١٩٢٩، افترض هسين وو أن التمسخ هو عبارة عن فك طي البروتين، وهو تغيير بنيوي بحت يؤدي إلى تعريض السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية للمذيب. ووفقًا لهذه الفرضية (الصحيحة)، فإن تعريض السلاسل الجانبية الأليفاتية والنشطة للمذيب يجعل البروتين أقل ذوبانًا وأكثر نشاطًا، بينما يؤدي فقدان بنية محددة إلى فقدان النشاط الإنزيمي. على الرغم من اعتبار فرضية وو معقولة، إلا أنها لم تُقبل على الفور، نظرًا لقلة المعلومات المتوفرة آنذاك حول بنية البروتين وعلم الإنزيمات، ولأن عوامل أخرى قد تُفسر التغيرات في الذوبان والنشاط الإنزيمي والتفاعل الكيميائي. في أوائل الستينيات، أثبت كريس أنفينسن أن طي إنزيم الريبونيوكلياز A قابل للانعكاس تمامًا دون الحاجة إلى عوامل مساعدة خارجية، مما يؤكد "الفرضية الديناميكية الحرارية" لطي البروتين، والتي تنص على أن الحالة المطوية تمثل الحد الأدنى العالمي للطاقة الحرة للبروتين.

بعد فرضية طي البروتين، أُجريت أبحاثٌ حول التفاعلات الفيزيائية التي تُثبّت بنى البروتينات المطوية. افترضت دوروثي رينش وإيرفينغ لانغمير الدورَ الحاسم للتفاعلات الكارهة للماء ، كآليةٍ قد تُثبّت بنى السيكلول . ورغم تأييد جيه دي بيرنال وآخرين لهذه الفرضية (الصحيحة)، رُفضت مع فرضية السيكلول، التي دُحضت في ثلاثينيات القرن العشرين على يد لينوس باولينغ (وغيره). وبدلاً من ذلك، دافع باولينغ عن فكرة أن بنية البروتين تُثبّت أساسًا بواسطة الروابط الهيدروجينية ، وهي فكرةٌ طرحها ويليام أستبري (1933). والجدير بالذكر أن نظرية باولينغ الخاطئة حول الروابط الهيدروجينية أدت إلى نماذجه الصحيحة لعناصر البنية الثانوية للبروتينات، وهي الحلزون ألفا والصفيحة بيتا . أُعيدَ للتفاعل الكاره للماء مكانته الصحيحة بفضل مقال شهير نُشر عام 1959 بقلم والتر كاوتزمان حول التمسخ، والذي استند جزئيًا إلى عمل كاي ليندرستروم-لانغ . وقد أثبت بييروم وويبر وأرني تيسيليوس الطبيعة الأيونية للبروتينات ، لكن ليندرستروم-لانغ بيّن أن الشحنات كانت متاحة عمومًا للمذيب وليست مرتبطة ببعضها البعض (1949).

تمّ في البداية دراسة البنية الثانوية والثالثية منخفضة الدقة للبروتينات الكروية باستخدام طرق ديناميكية مائية، مثل الطرد المركزي التحليلي وانكسار الضوء في التدفق . وطُوّرت طرق طيفية لاستكشاف بنية البروتين (مثل الاستقطاب الدائري ، والتألق، وامتصاص الأشعة فوق البنفسجية القريبة والأشعة تحت الحمراء) في خمسينيات القرن العشرين. وتمّ حلّ أولى البنى ذات الدقة الذرية للبروتينات باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية في ستينيات القرن العشرين، وباستخدام الرنين المغناطيسي النووي في ثمانينيات القرن العشرين. (حتى عام ٢٠١٩)يحتوي بنك بيانات البروتين على أكثر من 150,000 بنية بروتينية بدقة ذرية. وفي الآونة الأخيرة، حقق المجهر الإلكتروني فائق البرودة للتجمعات الجزيئية الكبيرة دقة ذرية، كما أن التنبؤ الحاسوبي ببنية البروتينات الصغيرة يقترب من الدقة الذرية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ويفر، وارن (6 نوفمبر 1970). "علم الأحياء الجزيئي: أصل المصطلح". مجلة ساينس . 170 (3958): 581-582 . رمز Bibcode : 1970Sci...170R.581W . doi : 10.1126/science.170.3958.581-a . ISSN 0036-8075 . JSTOR 1731491. PMID 4919180 .   
  2. ↑ جودسون، هوراس (1996). اليوم الثامن من الخلق: صناع الثورة في علم الأحياء . ISBN 0879694785.
  3. ↑ بيدل، جي دبليو ؛ تاتوم، إي إل (1941). "التحكم الجيني في التفاعلات الكيميائية الحيوية في نيوروسبورا" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 27 ( 11): 499-506 . رمز Bibcode : 1941PNAS...27..499B . doi : 10.1073/pnas.27.11.499 . PMC 1078370. PMID 16588492 .  
  4. ↑ أفيري، أوزوالد ت .؛ ماكلويد، كولين م .؛ مكارتي، ماسيلين (1944-02-01). "دراسات حول الطبيعة الكيميائية للمادة المحفزة لتحول أنواع المكورات الرئوية: تحفيز التحول بواسطة جزء من الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين المعزول من المكورات الرئوية من النوع الثالث" . مجلة الطب التجريبي . 79 (2): 137-158 . doi : 10.1084/jem.79.2.137 . PMC 2135445. PMID 19871359 .  
  5. ↑ هيرشي، إيه دي وتشيس، إم. (1952) "وظائف مستقلة للبروتين الفيروسي والحمض النووي في نمو العاثية" مجلة علم وظائف الأعضاء العامة.
  6. ↑ واتسون، جيه دي؛ كريك، إف إتش سي (1953). "بنية حمض الديوكسي ريبوز النووي" ( ملف PDF) . مجلة نيتشر . 171 (4356): 737-738 . رمز Bibcode : 1953Natur.171..737W . doi : 10.1038/171737a0 . PMID 13054692. S2CID 4253007. تاريخ الاسترجاع: 13 فبراير 2007 .  
  7. ↑ جاكوب ف، مونود ج (1961). "آليات التنظيم الجيني في تخليق البروتينات". مجلة البيولوجيا الجزيئية . 3 (3): 318-356 . doi : 10.1016/S0022-2836(61)80072-7 . PMID 13718526 . 
  8. ↑ بوراكوف، مادي (25 أبريل 2023). "دور روزاليند فرانكلين في اكتشاف الحمض النووي يأخذ منحىً جديداً" . وكالة أسوشيتد برس . تاريخ الاسترجاع: 25 أبريل 2023 .
  9. ↑ أنثيس، إميلي (25 أبريل 2023). "فك تشابك دور روزاليند فرانكلين في اكتشاف الحمض النووي، بعد 70 عامًا - لطالما ناقش المؤرخون الدور الذي لعبته الدكتورة فرانكلين في تحديد بنية الحمض النووي المزدوجة. وتجادل مقالة رأي جديدة بأنها كانت "مساهمة متساوية".صحيفة نيويورك تايمز . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 أبريل 2023 .{{cite news}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  10. ↑ كوب، ماثيو؛ كومفورت، ناثانيال (25 أبريل 2023). "ما قدمته روزاليند فرانكلين حقًا لاكتشاف بنية الحمض النووي - لم تكن فرانكلين ضحية في كيفية حل بنية الحمض النووي المزدوجة. تكشف رسالة مهملة ومقال إخباري غير منشور، كلاهما كُتب عام 1953، أنها كانت شريكًا أساسيًا" . مجلة نيتشر . 616 (7958): 657-660 . doi : 10.1038/d41586-023-01313-5 . PMID 37100935. تاريخ الاسترجاع: 25 أبريل 2023 . 
  11. ↑ كين، إي سي (2015). " قرن من أبحاث العاثيات: العاثيات البكتيرية وتشكيل علم الأحياء الحديث" . مقالات بيولوجية . 37 (1): 6-9 . doi : 10.1002/bies.201400152 . PMC 4418462. PMID 25521633 .  
  12. ↑ كريك، إف إتش، بارنيت، إل، برينر، إس، واتس-توبين، آر جيه (1961). "الطبيعة العامة للشفرة الوراثية للبروتينات". مجلة نيتشر . 192 (4809): 1227-1232 . Bibcode : 1961Natur.192.1227C . doi : 10.1038/1921227a0 . PMID 13882203 . 
  13. ↑ إدغار آر إس. المميتات المشروطة: في كتاب العاثيات وأصول البيولوجيا الجزيئية (2007)، تحرير جون كيرنز، وجونثر إس. ستنت، وجيمس دي. واتسون، مختبر كولد سبرينغ هاربور للبيولوجيا الكمية، كولد سبرينغ هاربور، لونغ آيلاند، نيويورك . رقم ISBN 978-0-87969-800-3
  14. ↑ إدغار ب (2004). "جينوم العاثية T4: حفر أثري" . علم الوراثة . 168 (2): 575-82 . doi : 10.1093/genetics/168.2.575 . PMC 1448817. PMID 15514035 .  
  15. ↑ إبستين، آر إتش، بول، إيه، شتاينبرغ، سي إم، كيلينبرغر، إي، بوي دي لا تور، إي، شوفالي، آر، إدغار، آر إس، سوسمان، إم، دينهارت، جي إتش، ليلاوسيس، إيه (1963). "دراسات فيزيولوجية للطفرات المميتة المشروطة لبكتيريا العاثية T4D". ندوات كولد سبرينغ هاربور حول البيولوجيا الكمية . 28 : 375-394 . doi : 10.1101/SQB.1963.028.01.053 .
  16. ↑ إدغار آر إس ، ليلاوسيس آي (1964). "طفرات حساسة للحرارة من العاثية T4D: عزلها وتوصيفها" . علم الوراثة . 49 (4): 649-662 . doi : 10.1093/genetics/49.4.649 . PMC 1210603. PMID 14156925 .  
  17. ↑ سارابهاي إيه إس، ستريتون إيه أو، برينر إس، بول إيه (1964). "التوافق الخطي للجين مع سلسلة الببتيد". نيتشر . 201 (4914): 13-17 . Bibcode : 1964Natur.201...13S . doi : 10.1038/201013a0 . PMID 14085558 . 
  18. ↑ سويفر، ف. ن . (سبتمبر 2001). "عواقب الديكتاتورية السياسية على العلوم الروسية". مجلة نات. ريف. جينيت . 2 (9): 723-729 . doi : 10.1038/35088598 . PMID 11533721. S2CID 46277758 .  
  19. ↑ واتسون، جيمس ؛ كريك، فرانسيس (أبريل 1953). "البنية الجزيئية للأحماض النووية: بنية حمض الديوكسي ريبوز النووي" . مجلة نيتشر . 171 (4356): 737-738 . Bibcode : 1953Natur.171..737W . doi : 10.1038/171737a0 . PMID 13054692 . 
  20. ↑ برينر، س.؛ جاكوب، ف.؛ ميسلسون، م. (مايو 1961). "وسيط غير مستقر يحمل معلومات من الجينات إلى الريبوسومات لتخليق البروتين" . مجلة نيتشر . 190 (4776): 576-581 . Bibcode : 1961Natur.190..576B . doi : 10.1038/190576a0 . ISSN 1476-4687 . PMID 20446365 .  
  21. ↑ واتسون، جيه دي، وكريك، إف إتش (أبريل 1953). "البنية الجزيئية للأحماض النووية؛ بنية حمض الديوكسي ريبوز النووي" (ملف PDF) . مجلة نيتشر . 171 (4356): 737-738 . Bibcode : 1953Natur.171..737W . doi : 10.1038/171737a0 . PMID: 13054692. S2CID : 4253007 .  
  22. ↑ غرونبرغ-ماناغو م، أورتيز ب ج، أوتشوا س (نوفمبر 1955). "التخليق الأنزيمي للبولينوكليوتيدات الشبيهة بالأحماض النووية". مجلة ساينس . 122 (3176): 907-10 . Bibcode : 1955Sci...122..907G . doi : 10.1126/science.122.3176.907 . PMID 13274047 . 
  23. ↑ ريتش أ، ديفيز د.ر. (يوليو 1956). "بنية حلزونية جديدة ثنائية السلاسل: حمض البولي أدينيليك وحمض البولي يوريديليليك". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية 78 (14): 3548-3549 . Bibcode : 1956JAChS..78R3548R . doi : 10.1021/ja01595a086 .
  24. ↑ فيلسنفيلد جي، ديفيز دي آر، ريتش إيه (أبريل 1957). "تكوين جزيء عديد النوكليوتيد ثلاثي السلاسل". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية 79 (8): 2023-2024 . Bibcode : 1957JAChS..79.2023F . doi : 10.1021/ja01565a074 .
  25. ↑ سوبل هـ، توميتا ك، ريتش أ (يونيو 1963). "البنية البلورية لمركب بين جزيئي يحتوي على مشتق من الجوانين ومشتق من السيتوزين" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 49 ( 6): 885-92 . Bibcode : 1963PNAS...49..885S . doi : 10.1073/pnas.49.6.885 . PMC 300027. PMID 13989773 .  
  26. ↑ ريتش أ (مايو 2009). " عصر صحوة الحمض النووي الريبي: البيولوجيا التركيبية للحمض النووي الريبي في السنوات الأولى". مجلة المراجعة الفصلية للفيزياء الحيوية . 42 (2): 117-137 . doi : 10.1017/S0033583509004776 . PMID 19638248. S2CID 2285884 .  
  27. ↑ وارنر جيه آر، ريتش إيه (يونيو 1964). "عدد جزيئات الحمض النووي الريبوزي الذائبة على عديدات الريبوسومات في الخلايا الشبكية" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 51 (6): 1134-1141 . Bibcode : 1964PNAS...51.1134W . doi : 10.1073/pnas.51.6.1134 . PMC 300225. PMID 14215634 .  
  28. ↑ هولي، آر دبليو، أبغار، جيه، إيفريت، جي إيه، ماديسون، جيه تي، مارغويس، إم، ميريل، إس إتش، بينويك، جيه آر، زامير (مارس 1965). "بنية الحمض النووي الريبي". مجلة ساينس . 147 (3664): 1462-1465 . رمز Bibcode : 1965Sci...147.1462H . doi : 10.1126/science.147.3664.1462 . PMID 14263761. S2CID 40989800 .  {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  29. ↑ كيم إس إتش، ريتش إيه (ديسمبر 1968). "بلورات مفردة من الحمض النووي الريبوزي الناقل: دراسة حيود الأشعة السينية". مجلة ساينس . 162 (3860): 1381-1384 . Bibcode : 1968Sci...162.1381K . doi : 10.1126/science.162.3860.1381 . PMID 4880852. S2CID 43053527 .  
  30. ↑ كيم إس إتش، كويجلي جي، سوداث إف إل، ريتش إيه (أبريل 1971). "أنماط حيود الأشعة السينية عالية الدقة للحمض النووي الريبوزي الناقل البلوري التي تُظهر مناطق حلزونية" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 68 (4): 841-845 . doi : 10.1073/pnas.68.4.841 . PMC 389056. PMID 5279525 .  
  31. ↑ كيم إس إتش، كويجلي جي جي، سوداث إف إل، ماكفرسون إيه، سنيدن دي، كيم جي جي، واينزيرل جي، ريتش إيه (يناير 1973). "البنية ثلاثية الأبعاد لحمض فينيل ألانين الناقل في الخميرة: طي سلسلة عديد النوكليوتيدات". مجلة ساينس . 179 (4070): 285-288 . Bibcode : 1973Sci...179..285K . doi : 10.1126/science.179.4070.285 . PMID 4566654. S2CID 28916938 .  
  32. ↑ درو إتش آر، وينغ آر إم، تاكانو تي، بروكا سي، تاناكا إس، إيتاكورا كيه، ديكرسون آر إي (أبريل 1981). "بنية جزيء B-DNA ذي الاثني عشر وحدة: التكوين والديناميكية" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 78 (4): 2179-2183 . Bibcode : 1981PNAS...78.2179D . doi : 10.1073 / pnas.78.4.2179 . PMC 319307. PMID 6941276 .  
  33. ↑ شين إل إكس، كاي زد، تينوكو آي (أغسطس 1995). "بنية الحمض النووي الريبي بدقة عالية" . مجلة اتحاد الجمعيات الأمريكية لعلم الأحياء التجريبي . 9 ( 11): 1023-1033 . doi : 10.1096/fasebj.9.11.7544309 . PMID 7544309. S2CID 40621440 .  
  34. ↑ سيش تي آر، زاوغ إيه جيه، غرابوفسكي بي جيه (ديسمبر 1981). "التضفير المختبري لسلف الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي في التتراهيمينا: دور نيوكليوتيد الغوانوزين في استئصال التسلسل الفاصل". الخلية . 27 (3 الجزء 2): 487-96 . Bibcode : 1981Cell...27..487C . doi : 10.1016 / 0092-8674(81)90390-1 . PMID 6101203. S2CID 17674600 .  
  35. ↑ ستارك، بي سي، وكول، آر، وبومان، إي جيه، وألتمان، إس (أغسطس 1978). "ريبونيوكلياز P: إنزيم ذو مكون أساسي من الحمض النووي الريبي" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 75 (8): 3717-21 . Bibcode : 1978PNAS...75.3717S . doi : 10.1073/pnas.75.8.3717 . PMC 392857. PMID 358197 .  
  36. ↑ برودي، جي. أ.، باكوس، جي. تي.، بوزايان، جي. إم.، شنايدر، آي. آر.، برونينغ، جي. (مارس 1986). "المعالجة الذاتية للحمض النووي الريبي الثنائي لفيروسات النبات". مجلة ساينس . 231 (4745): 1577-1580 . رمز Bibcode : 1986Sci ... 231.1577P . doi : 10.1126/science.231.4745.1577 . PMID 17833317. S2CID 21563490 .  
  37. ↑ Pley HW, Flaherty KM, McKay DB (نوفمبر 1994). "البنية ثلاثية الأبعاد لريبوزيم رأس المطرقة". Nature . 372 (6501): 68–74 . Bibcode : 1994Natur.372...68P . doi : 10.1038 / 372068a0 . PMID 7969422. S2CID 4333072 .  
  38. ↑ Cate JH, Gooding AR, Podell E, Zhou K, Golden BL, Kundrot CE, Cech TR, Doudna JA (سبتمبر 1996). "البنية البلورية لنطاق ريبوزيم من المجموعة الأولى: مبادئ تعبئة الحمض النووي الريبي". مجلة ساينس . 273 (5282): 1678-1685 . Bibcode : 1996Sci...273.1678C . doi : 10.1126/science.273.5282.1678 . PMID 8781224. S2CID 38185676 .  
  39. ^ فيري-داماري آر، دودنا جا (1999). “طيات الحمض النووي الريبي: رؤى من الهياكل البلورية الحديثة”. Annu Rev Biophys Biomol Struct . 28 (1): 57-73 . دوى : 10.1146/annurev.biophys.28.1.57 . بميد 10410795 . 
  40. ↑ راموس أ، غوبسر سي سي، فاراني جي (يونيو 1997). "البنى الحديثة لمحاليل الحمض النووي الريبي (RNA) ومركباته مع الأدوية والببتيدات والبروتينات". الرأي الحالي في البيولوجيا البنيوية . 7 (3): 317-23 . doi : 10.1016/S0959-440X(97)80046-2 . PMID 9204272 . 
  41. ^ الجزار SE، Dieckmann T، Feigon J (ديسمبر 1997). "بنية الحل لمستقبلات رباعي الحلقات GAAA RNA" . إمبو جي . 16 (24): 7490– 9. دوى : 10.1093/emboj/16.24.7490 . بمك 1170348 . بميد 9405377 .  
  42. ↑ كوستا م، ميشيل ف (مارس 1995). " الاستخدام المتكرر لنفس النمط الثلاثي بواسطة الحمض النووي الريبي ذاتي الطي" . مجلة EMBO . 14 (6): 1276-1285 . doi : 10.1002/j.1460-2075.1995.tb07111.x . PMC 398207. PMID 7720718 .  
  43. ↑ PDB : 3BWP ؛تور ن، كيتينغ ك س، تايلور س د، بايل أ م (أبريل 2008). "البنية البلورية لإنترون المجموعة الثانية ذاتي الربط" . مجلة ساينس . 320 (5872): 77-82 . Bibcode : 2008Sci...320...77T . doi : 10.1126/science.1153803 . PMC 4406475. PMID 18388288 .  تم عرضه باستخدام PyMOL
  44. ↑ PDB : 1FFK ؛بان ن، نيسن ب، هانسن ج، مور ب ب، ستيتز ت أ (أغسطس 2000). "البنية الذرية الكاملة للوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة بدقة 2.4 أنغستروم". مجلة ساينس . 289 (5481): 905-920 . Bibcode : 2000Sci...289..905B . CiteSeerX 10.1.1.58.2271 . doi : 10.1126/science.289.5481.905 . PMID 10937989 .  تم عرضه باستخدام PyMOL
  45. ↑ ريتشاردز، إف إم (1972). "جائزة نوبل في الكيمياء لعام 1972". مجلة ساينس . 178 (4060): 492-493 . رمز Bibcode : 1972Sci...178..492R . doi : 10.1126/science.178.4060.492 . PMID 17754377 . 
  • فروتون، جوزيف. البروتينات، الجينات، الإنزيمات: التفاعل بين الكيمياء وعلم الأحياء . نيو هيفن: مطبعة جامعة ييل. 1999. ISBN 0-300-07608-8
  • ليلي إي. كاي ، الرؤية الجزيئية للحياة: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، ومؤسسة روكفلر، وظهور علم الأحياء الجديد ، مطبعة جامعة أكسفورد، طبعة معاد طباعتها عام 1996
  • مورانج، ميشيل. تاريخ البيولوجيا الجزيئية . كامبريدج، ماساتشوستس: مطبعة جامعة هارفارد. 1998.
  • فراي، مايكل. تجارب بارزة في البيولوجيا الجزيئية . أمستردام: إلسيفير/أكاديميك برس. 2016. ISBN 978-0-12-802074-6