Молекулярная биология

Молекулярная биология (далее М) наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности путем изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образом и в какой мере характерные проявления жизни, такие, как наследственность, воспроизведение себе подобного, биосинтез возбудимость, рост и развитие, хранение и передача информации, превращения энергии, подвижность и т. д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь двух главных классов высокомолекулярных биополимеров — и нуклеиновых кислот. Отличительная черта М — изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, которым присущи самые примитивные проявления жизни. Таковыми являются биологические образования от клеточного уровня и ниже: субклеточные органеллы, такие, как изолированные клеточные ядра, митохондрии, рибосомы, клеточные мембраны; далее — системы, стоящие на границе живой и неживой природы, — вирусы, в том числе и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой материи — нуклеиновых кислот и белков.

М — новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися направлениями исследований, которые охватываются биохимией, биофизикой и биоорганической химией. Разграничение здесь возможно лишь на основе учета применяемых методов и по принципиальному характеру используемых подходов.

Фундамент, на котором развивалась М, закладывался такими науками, как генетика, биохимия, физиология элементарных процессов и т. д. По истокам своего развития М неразрывно связана с молекулярной генетикой, которая продолжает составлять важную часть М, хотя и сформировалась уже в значительной мере в самостоятельную дисциплину. Вычленение М из биохимии продиктовано следующими соображениями. Задачи биохимии в основном ограничиваются констатацией участия тех или иных веществ при определенных биологических функциях и процессах и выяснением характера их превращений; ведущее значение принадлежит сведениям о реакционной способности и об основных чертах строения, выражаемого обычной формулой. Т. о., по существу, внимание сосредоточено на превращениях, затрагивающих главновалентные связи. Между тем, как было подчеркнуто Л. Полингом, в биологических системах и проявлениях жизнедеятельности основное значение должно быть отведено не главновалентным связям, действующим в пределах одной молекулы, а разнообразным типам связей, обусловливающих межмолекулярные взаимодействия (электростатическим, ван-дер-ваальсовым, связям и др.).

Конечный результат биохимического исследования может быть представлен в виде той или иной системы уравнений, обычно полностью исчерпываемой их изображением на плоскости, т. е. в двух измерениях. Отличительной чертой М является ее трехмерность. Сущность М усматривается М. Перуцем в том, чтобы истолковать биологические функции в понятиях молекулярной структуры. Можно сказать, что если прежде при изучении биологических объектов необходимо было ответить на вопрос "что", т. е. какие вещества присутствуют, и на вопрос "где" — в каких тканях и органах, то М ставит своей задачей получить ответы на вопрос "как", познав сущность роли и участия всей структуры молекулы, и на вопросы "почему" и "зачем", выяснив, с одной стороны, связи между свойствами молекулы (опять-таки в первую очередь и нуклеиновых кислот) и осуществляемыми ею функциями и, с другой стороны, роль таких отдельных функций в общем комплексе проявлений жизнедеятельности.

Решающую роль приобретают взаимное расположение и их группировок в общей структуре макромолекулы, их пространственные взаимоотношения. Это касается как отдельных, индивидуальных, компонентов, так и общей конфигурации молекулы в целом. Именно в результате возникновения строго детерминированной объемной структуры молекулы биополимеров приобретают те свойства, в силу которых они оказываются способными служить материальной основой биологических функций. Такой принцип подхода к изучению живого составляет наиболее характерную, типическую черту М

Историческая справка. Огромное значение исследований биологических проблем на молекулярном уровне предвидел И. П. Павлов, говоривший о последней ступени в науке о жизни — физиологии живой молекулы. Самый термин "М" был впервые употреблен англ. ученым У. Астбери в приложении к исследованиям, касавшимся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибриллярных (волокнистых) таких, как коллаген, фибрин крови или сократительные мышц. Широко применять термин "М" стали с начала 50-х гг. 20 в.

Возникновение М как сформировавшейся науки принято относить к 1953, когда Дж. Уотсоном и Ф. Криком в Кембридже (Великобритания) была раскрыта трехмерная структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это позволило говорить о том, каким образом детали данной структуры определяют биологические функции ДНК в качестве материального носителя наследственной информации. В принципе, об этой роли ДНК стало известно несколько раньше (1944) в результате работ американского генетика О. Т. Эйвери с сотрудниками (см. Молекулярная генетика), но не было известно, в какой мере данная функция зависит от молекулярного строения ДНК. Это стало возможным лишь после того, как в лабораториях У. Л. Брэгга, Дж. Бернала и др. были разработаны новые принципы рентгеноструктурного анализа, обеспечившие применение этого метода для детального познания пространственного строения макромолекул и нуклеиновых кислот.

Уровни молекулярной организации. В 1957 Дж. Кендрю установил трехмерную структуру миоглобина, а в последующие годы это было сделано М. Перуцем в отношении гемоглобина. Были сформулированы представления о различных уровнях пространственной организации макромолекул. Первичная структура — это последовательность отдельных звеньев (мономеров) в цепи образующейся молекулы полимера. Для мономерами являются аминокислоты, для нуклеиновых кислот — нуклеотиды. Линейная, нитевидная молекула биополимера в результате возникновения связей обладает способностью определенным образом укладываться в пространстве, например в случае как показал Л. Полинг, приобретать форму спирали. Это обозначается как вторичная структура. О третичной структуре говорят, когда молекула, обладающая вторичной структурой, складывается далее тем или иным образом, заполняя трехмерное пространство. Наконец, молекулы, обладающие трехмерной структурой, могут вступать во взаимодействие, закономерно располагаясь в пространстве относительно друг друга и образуя то, что обозначается как четвертичная структура; ее отдельные компоненты обычно называемые субъединицами.

Наиболее наглядным примером того, как молекулярная трехмерная структура определяет биологические функции молекулы, служит ДНК. Она обладает строением двойной спирали: две нити, идущие во взаимно противоположном направлении (антипараллельно), закручены одна вокруг другой, образуя двойную спираль со взаимно комплементарным расположением оснований, т. е. так, что против определенного основания одной цепи всегда в другой цепи стоит такое основание, которое наилучшим образом обеспечивает образование связей: адепин (А) образует пару с тимином (Т), гуанин (Г) — с цитозином (Ц). Такая структура создает оптимальные условия для важнейших биологических функций ДНК: количественного умножения наследственной информации в процессе клеточного деления при сохранении качественной неизменности этого потока генетической информации. При делении клетки нити двойной спирали ДНК, служащей в качестве матрицы, или шаблона, расплетаются и на каждой из них под действием ферментов синтезируется комплементарная новая нить. В результате этого из одной материнской молекулы ДНК получаются две совершенно тождественные ей дочерние молекулы (см. Клетка, Митоз).

Так же и в случае гемоглобина оказалось, что его биологическая функция — способность обратимо присоединять в легких и затем отдавать его тканям — теснейшим образом связана с особенностями трехмерной структуры гемоглобина и ее изменениями в процессе осуществления свойственной ему физиологической роли. При связывании и диссоциации ₂ происходят пространственные изменения конформации молекулы гемоглобина, ведущие к изменению сродства содержащихся в нем к Изменения размеров молекулы гемоглобина, напоминающие изменения объема грудной клетки при дыхании, позволили назвать гемоглобин "молекулярными легкими".

Одна из важнейших черт живых объектов — их способность тонко регулировать все проявления жизнедеятельности. Крупным вкладом М в научные открытия следует считать раскрытие нового, ранее неизвестного регуляторного механизма, обозначаемого как аллостерический эффект. Он заключается в способности веществ низкой молекулярной массы — т. н. лигандов — видоизменять специфические биологические функции макромолекул, в первую очередь каталитически действующих — ферментов, гемоглобина, рецепторных участвующих в построении биологических мембран, в синаптической передаче (см. Синапсы) и т. д.

Три биотических потока. В свете представлений М совокупность явлений жизни можно рассматривать как результат сочетания трех потоков: потока материи, находящего свое выражение в явлениях обмена веществ, т. е. ассимиляции и диссимиляции; потока энергии, являющейся движущей силой для всех проявлений жизнедеятельности; и потока информации, пронизывающего собой не только все многообразие процессов развития и существования каждого организма, но и непрерывную череду сменяющих друг друга поколений. Именно представление о потоке информации, внесенное в учение о живом мире развитием М, накладывает на нее свой специфический, уникальный отпечаток.

Важнейшие достижения молекулярной биологии. Стремительность, размах и глубину влияния М на успехи в познании коренных проблем изучения живой природы справедливо сравнивают, например, с влиянием квантовой теории на развитие физики. Два внутренне связанных условия определили это революционизирующее воздействие. С одной стороны, решающую роль сыграло обнаружение возможности изучения важнейших проявлений жизнедеятельности в простейших условиях, приближающихся к типу и физических экспериментов. С другой стороны, как следствие указанного обстоятельства, имело место быстрое включение значительного числа представителей точных наук — физиков, химиков, а затем и математиков — в разработку биологических проблем. В своей совокупности эти обстоятельства и обусловили необычайно быстрый темп развития М, число и значимость ее успехов, достигнутых всего за два десятилетия. Вот далеко не полный перечень этих достижений: раскрытие структуры и механизма биологической функции ДНК, всех типов РНК и рибосом, раскрытие генетического кода; открытие обратной транскрипции, т. е. синтеза ДНК на матрице РНК; изучение механизмов функционирования дыхательных пигментов; открытие трехмерной структуры и ее функциональной роли в действии ферментов, принципа матричного синтеза и механизмов биосинтеза раскрытие структуры вирусов и механизмов их репликации, первичной и, частично, пространственной структуры антител; изолирование индивидуальных генов, а затем биологический (ферментативный) синтез гена, в том числе человеческого, вне клетки (in vitro); перенос генов из одного организма в другой, в том числе в клетки человека; стремительно идущая расшифровка структуры возрастающего числа индивидуальных главным образом ферментов, а также нуклеиновых кислот; обнаружение явлений "самосборки" некоторых биологических объектов все возрастающей сложности, начиная от молекул нуклеиновых кислот и переходя к многокомпонентным ферментам, вирусам, рибосомам и т. д.; выяснение аллостерических и других основных принципов регулирования биологических функций и процессов.

Редукционизм и интеграция. М является завершающим этапом того направления в изучении живых объектов, которое обозначается как "редукционизм", т. е. стремление свести сложные жизненные функции к явлениям, протекающим на уровне молекул и потому доступным изучению методами физики и химии. Достигнутые М успехи свидетельствуют об эффективности такого подхода. Вместе с тем необходимо учитывать, что в естественных условиях в клетке, ткани, органе и целом организме мы имеем дело с системами возрастающей степени усложненности. Такие системы образуются из компонентов более низкого уровня путем их закономерной интеграции в целостности, приобретающие структурную и функциональную организацию и обладающие новыми свойствами. Поэтому по мере детализации познаний о закономерностях, доступных раскрытию на молекулярном и примыкающих уровнях, перед М встают задачи познания механизмов интеграции как линии дальнейшего развития в изучении явлений жизни. Отправной точкой здесь служит исследование сил межмолекулярных взаимодействий — связей, ван-дер-ваальсовых, электростатических сил и т. д. Своей совокупностью и пространственным расположением они образуют то, что может быть обозначено как "интегративная информация". Ее следует рассматривать как одну из главных частей уже упоминавшегося потока информации. В области М примерами интеграции могут служить явления самосборки сложных образований из смеси их составных частей. Сюда относятся, например, образование многокомпонентных из их субъединиц, образование вирусов из их составных частей — и нуклеиновой кислоты, восстановление исходной структуры рибосом после разделения их и нуклеиновых компонентов и т. д. Изучение этих явлений непосредственно связано с познанием основных феноменов "узнавания" молекул биополимеров. Речь идет о том, чтобы выяснить, какие сочетания аминокислот — в молекулах или нуклеотидов — в нуклеиновых кислотах взаимодействуют между собой при процессах ассоциации индивидуальных молекул с образованием комплексов строго специфичного, наперед заданного состава и строения. Сюда относятся процессы образования сложных из их субъединиц; далее, избирательное взаимовоздействие между молекулами нуклеиновых кислот, например транспортными и матричными (в этом случае существенно расширило наши сведения раскрытие генетического кода); наконец, это образование многих типов структур (например, рибосом, вирусов, в которых участвуют и и нуклеиновые кислоты. Раскрытие соответствующих закономерностей, познание "языка", лежащего в основе указанных взаимодействий, составляет одну из важнейших областей М, еще ожидающую своей разработки. Эту область рассматривают как принадлежащую к числу фундаментальных проблем для всей биосферы.

Задачи молекулярной биологии. Наряду с указанными важными задачами М (познанием закономерностей "узнавания", самосборки и интеграции) актуальным направлением научного поиска ближайшего будущего является разработка методов, позволяющих расшифровывать структуру, а затем и трехмерную, пространственную организацию высокомолекулярных нуклеиновых кислот. В данное время это достигнуто в отношении общего плана трехмерной структуры ДНК (двойной спирали), но без точного знания ее первичной структуры. Быстрые успехи в разработке аналитических методов позволяют с уверенностью ждать достижения указанных целей на протяжении ближайших лет. Здесь, разумеется, главные вклады идут от представителей смежных наук, в первую очередь физики и химии. Все важнейшие методы, использование которых обеспечило возникновение и успехи М, были предложены и разработаны физиками (ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, ядерный резонанс и др.). Почти все новые физические экспериментальные подходы (например, использование ЭВМ, синхротронного, или тормозного, излучения, лазерной техники и др.) открывают новые возможности для углубленного изучения проблем М В числе важнейших задач практического характера, ответ на которые ожидается от М, на первом месте стоит проблема молекулярных основ злокачественного роста, далее — пути предупреждения, а быть может, и преодоления наследственных заболеваний — "молекулярных болезней". Большое значение будет иметь выяснение молекулярных основ биологического катализа, т. е. действия ферментов. К числу важнейших современных направлений М следует отнести стремление расшифровать молекулярные механизмы действия гормонов, токсических и лекарственных веществ, а также выяснить детали молекулярного строения и функционирования таких клеточных структур, как биологические мембраны, участвующие в регуляции процессов проникновения и транспорта веществ. Более отдаленные цели М — познание природы нервных процессов, механизмов памяти и т. д. Один из важных формирующихся разделов М — т. н. генная инженерия, ставящая своей задачей целенаправленное оперирование генетическим аппаратом (геномом) живых организмов, начиная с микробов и низших (одноклеточных) и кончая человеком (в последнем случае прежде всего в целях радикального лечения наследственных заболеваний и исправления генетических дефектов). О более обширных вмешательствах в генетическую основу человека речь может идти лишь в более или менее отдаленном будущем, т. к. при этом возникают серьезные препятствия как технического, так и принципиального характера. В отношении микробов, растений, а возможно, и с.-х. животных такие перспективы весьма обнадеживающи (например, получение сортов культурных растений, обладающих аппаратом фиксации из воздуха и не нуждающихся в удобрениях). Они основаны на уже достигнутых успехах: изолирование и синтез генов, перенос генов из одного организма в другой, применение массовых культур клеток в качестве продуцентов хозяйственных или медицинских важных веществ.

Организация исследований по молекулярной биологии. Быстрое развитие М повлекло за собой возникновение большого числа специализированных научно-исследовательских центров. Количество их быстро возрастает. Наиболее крупные: в Великобритании — Лаборатория молекулярной биологии в Кембридже, Королевский институт в Лондоне; во — институты молекулярной биологии в Париже, Марселе, Страсбуре, Пастеровский институт; в США — отделы М в университетах и институтах в Бостоне (Гарвардский университет, Массачусетсский технологический институт), Сан- ( Лос-Анджелесе ( технологический институт), Нью-Йорке (Рокфеллеровский университет), институты здравоохранения в Бетесде и др.; в ФРГ — институты Макса Планка, университеты в Геттингене и Мюнхене; в Швеции — Каролинский институт в Стокгольме; в ГДР — Центральный институт молекулярной биологии в Берлине, институты в Йене и Галле; в Венгрии — Биологический центр в Сегеде. В СССР первый специализированный институт М был создан в Москве в 1957 в системе АН СССР (см. Молекулярной биологии институт); затем были образованы: институт биоорганической химии АН СССР в Москве, институт в Пущине, Биологический отдел в институте энергии (Москва), отделы М в институтах Сибирского отделения АН в Новосибирске, Межфакультетская лаборатория биоорганической химии МГУ, сектор (затем институт) молекулярной биологии и генетики АН УССР в Киеве; значительная работа по М ведется в институте высокомолекулярных соединений в Ленинграде, в ряде отделов и лабораторий АН СССР и других ведомств.

Наряду с отдельными научно-исследовательскими центрами возникли организации более широкого масштаба. В Западной Европе возникла Европейская организация по М (ЕМБО), в которой участвует свыше 10 стран. В СССР при институте молекулярной биологии в 1966 создан научный совет по М, являющийся координирующим и организующим центром в этой области знаний. Им выпущена обширная серия монографий по важнейшим разделам М, регулярно организуются "зимние школы" по М, проводятся конференции и симпозиумы по актуальным проблемам М В дальнейшем научные советы по М были созданы при АМН СССР и многих республиканских Академиях наук. С 1966 выходит журнал "М" (6 выпусков в год).

За сравнительно короткий срок в СССР вырос значительный отряд исследователей в области М; это ученые старшего поколения, частично переключившие свои интересы из др. областей; в главной же своей массе это многочисленные молодые исследователи. Из числа ведущих ученых, принявших деятельное участие в становлении и развитии М в СССР, можно назвать таких, как А. А. Баев, А. Н. Белозерский, А. Е. Браунштейн, Ю. А. Овчинников, А. С. Спирин, М. М. Шемякин, В. А. Энгельгардт. Новым достижениям М и молекулярной генетики будет способствовать постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР (май 1974) "О мерах по ускорению развития молекулярной биологии и молекулярной генетики и использованию их достижений в народном хозяйстве".

Лит.: Вагнер Р., Митчелл Г., Генетика и обмен веществ, пер. с англ., М., 1958; Сент-Дьердь и А., Биоэнергетика, пер. с англ., М., 1960; Анфинсен К., Молекулярные основы эволюции, пер. с англ., М., 1962; Стэнли У., Вэленс Э., Вирусы и природа жизни, пер. с англ., М., 1963; Молекулярная генетика, пер. с. англ., ч. 1, М., 1964; Волькенштейн М. В., Молекулы и жизнь. Введение в молекулярную биофизику, М., 1965; Гауровиц Ф., и функции пер. с англ., М., 1965; Бреслер С. Е., Введение в молекулярную биологию, 3 изд., М. — Л., 1973; Ингрэм В., Биосинтез макромолекул, пер. с англ., М., 1966; Энгельгардт В. А., М, в кн.: Развитие биологии в СССР, М., 1967; Введение в молекулярную биологию, пер. с англ., М., 1967; Уотсон Дж., М гена, пер. с англ., М., 1967; Финеан Дж., Биологические ультраструктуры, пер. с англ., М., 1970; Бендолл Дж., Мышцы, молекулы и движение, пер. с англ., М., 1970; Ичас М., Биологический код, пер. с англ., М., 1971; М вирусов, М., 1971; Молекулярные основы биосинтеза М., 1971; Бернхард С., Структура и функция ферментов, пер. с англ., М., 1971; Спирин А. С., Гаврилова Л. П., Рибосома, 2 изд., М., 1971; Френкель-Конрат Х., и биология вирусов, пер. с англ., М., 1972; Смит К., Хэнеуолт Ф., Молекулярная фотобиология. Процессы инактивации и восстановления, пер. с англ., М., 1972; Харрис Г., Основы биохимической генетики человека, пер. с англ., М., 1973.

В. А. Энгельгардт.

		Новости 22.12.2024 10:11:17

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.