Молекулярная биология

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, изучает явления жизни на уровне макромолекул в бесклеточных структурах (рибосомы и др.), в вирусах, а также в клетках. Цель молекулярной биологии - установление роли и механизма функционирования этих макромолекул на основе знания их структуры.

Исторически молекулярная биология сформировалась в ходе развития направлений биохимии, изучающих биополимеры. В то время как биохимия исследует глобальным образом обмен веществ и биоэнергетику, молекулярная биология уделяет главное внимание изучению способа хранения наследственной информации, механизма ее передачи дочерним клеткам и реализации этой информации. Молекулярная биология - пограничная наука, возникшая на границе биохимии, биоорганической химии, биофизики, орг. химии, цитологии и генетики. Формальной датой возникновения молекулярной биологии считают 1953, когда Д. Уотсон и Ф. Крик установили структуру ДНК и высказали подтвердившееся позже предположение о механизме ее репликации (удвоении), лежащем в основе наследственности. Таким образом, были увязаны функции этого биополимера (тот факт, что ДНК-фактор наследственности, установлен в 1944 О. Эйвери) с его химической структурой и свойствами. Важное значение для становления молекулярной биологии как науки имели также работы по изучению молекулярных основ мышечного сокращения (В. А. Энгельгардт и М. И. Любимова, с 1939).

По истокам своего развития молекулярная биология неразрывно связана с молекулярной генетикой (наука, изучающая структурно функциональную организацию генетического аппарата клеток и механизма реализации наследственной информации), которая продолжает составлять важную часть молекулярной биологии, хотя и сформировалась уже в значительной мере в самостоятельную дисциплину. Именно в этой области были достигнуты результаты, которые способствовали развитию молекулярной биологии и восприятию ее принципов.

Для понимания закономерностей строения нуклеиновых кислот и их поведения в клетке важнейшее значение имеет принцип комплементарности пуриновых и пиримидиновых оснований, установленный в 1953 Уотсоном и Криком. Признание значения пространственных отношений нашло свое выражение также в представлении о комплементарности поверхностей макромолекул и молекулярных комплексов, что является необходимым условием проявления слабых сил - не валентных взаимодействий (водородные связи и др.), действующих лишь на коротких расстояниях и создающих морфологическое разнообразие биологических структур, их функциональную подвижность. Не валентные взаимодействия обусловливают образование фермент-субстратных комплексов, самосборку биологических структур, рибосом, и др.

Важное достижение молекулярной биологии - раскрытие на молекулярном уровне механизма мутаций. Главную роль в нем играют выпадения, вставки и перемещения отрезков ДНК, замены пары нуклеотидов в функционально значимых отрезках генома. Определена важная роль мутаций в эволюции организмов (в СССР инициатором исследований молекулярных основ эволюции был А. Н. Белозерский). Раскрыты молекулярные основы таких генетических процессов у прокариот (бактерии и сине-зеленые водоросли) и эукариот (все организмы, за исключением прокариот), как рекомбинация генетическая - обмен участками хромосом, приводящий к появлению бактерий (вирусов) с новым сочетанием генов. Достигнуты значительные успехи в изучении строения клеточного ядра, в т.ч. хромосом эукариот. Была развита идея о репликоне (элементарная генетическая структура, способная к репликации как единое целое), объясняющая важные аспекты регуляции репликации (Ф. Жакоб и С. Бреннер, 1963). Значительный успех молекулярной биологии - первый химический синтез гена, который осуществил в 1968 X. Корана. Данные о химической природе и тонком строении генов способствовали разработке методов их выделения (впервые осуществлено в 1969 Дж. Беквитом).

Исследование механизма биосинтеза белка позволило установить так называемый центральный постулат, характеризующий движение генетической информации: ДНК-- матричная рибонуклеиновая кислота (м РНК) -- белок (существование м РНК впервые предсказано Белозерским и А. С. Спириным в 1957). Согласно этому постулату, белок представляет собой своего рода информационный клапан, препятствующий возвращению информации на уровень РНК и ДНК.

Образование в организме белков и нуклеиновых кислот осуществляется по типу матричного синтеза, для которого необходима матрица, или "шаблон",- исходная полимерная молекула, которая предопределяет последовательность нуклеотидов (аминокислот) в синтезируемой копии (гипотеза о таком механизме синтеза биополимеров сформулирована в 1928 Н. К. Кольцовым). Такими матрицами являются ДНК при репликации и транскрипции (синтез м РНК на матрице ДНК), а также м РНК при трансляции (синтезе белка на матрице м РНК). Важное значение имело открытие обратной транскрипции, т.е. синтеза ДНК на матрице РНК, которое происходит у онкогенных РНК-содержащих вирусов с помощью специального фермента - обратной транскриптазы (X.Темин и Д.Балтимор, 1970). Открытие генетического кода (его концепция сформулирована А. Даунсом и Г. Гамовым в 1952 - 1954, а расшифровка осуществлена М. Ниренбергом,

X. Маттеи, С. Очоа и Кораной в 1961-65) позволило установить соотношение последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах с последовательностью аминокислот в белках. Регуляция синтеза белка наиболее изучена на уровне транскрипции. Для объяснения механизма регуляции важное значение имеет концепция оперона (совокупность связанных между собой генов и прилегающих к ним регуляторных участков), разработанная Жакобом и Ж. Моно в 1959, открытие белков-репрессоров (подавляют транскрипцию гена; см. Регуляторные белки), регуляции по принципу обратной связи (см. также Регуляторы ферментов). К сер. 60-х гг. 20 в. утвердилось представление об универсальности осн. черт строения и ф-ции гена как сложной линейной структуры ДНК, который в результате транскрипции и послед. трансляции определяет первичную структуру полипептидной цепи.

Молекулярная биология рассматривает также ряд других вопросов фундаментального и прикладного характера. Большой интерес и значение имеют исследования репараций (исправлений) повреждений генома, причиненных коротковолновой радиацией, мутагенами и др. Большую самостоятельную область составляют исследования механизма действия ферментов, основанные на представлениях о трехмерной структуре белков и роли слабых взаимодействий. Выяснены многие детали строения и развития вирусов, в особенности бактериофагов (вирусов бактерий). Изучение гемоглобинов у лиц, страдающих серповидно-клеточной анемией и другими гемоглобинопатиями, положило начало изучению структурной основы "молекулярных болезней" - врожденных ошибок метаболизма.

Важная область молекулярной биологии - генетическая инженерия, разрабатывающая методы конструирования наследственных структур в виде молекул рекомбинантных ДНК. Применение методов генетической инженерии позволило в короткие сроки выделить многочисленные гены и установить в них последовательность нуклеотидов. Таким образом, были обнаружены мигрирующие генетические элементы (впервые предсказаны Б. Мак-Клинток в конце 40-х гг. 20 в.), установлена молекулярная природа вариабельности молекул антител, открыта прерывистость в структуре эукариотических генов и установлены новые принципы регуляции их активности. На базе генетической инженерии стала активно развиваться биотехнология, связанная с производством пептидов и белков, таких, как человеческие гормон роста, инсулин, интерфероны и др. Целенаправленное изменение структуры генов и их регуляторных областей и введение таких генов в бактериальные, животные и растительные клетки позволило создавать трансгенные организмы, способные вырабатывать новые белки (белковая инженерия) и придавать новые свойства этим организмам.

Для проведения исследований в молекулярной биологии широко используют физико-химические методы и биологические эксперименты. Применяют различные виды хроматографии, ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, ЭПР, ЯМР и изотопные индикаторы, используют также синхротронное (магнитно-тормозное) излучение, дифракцию нейтронов и лазерную технику. В экспериментах широко применяют модельные системы "ин витро" и мутагены.

Важное практическое значение молекулярная биология играет в развитии сельского хозяйства (направленное и контролируемое изменение наследств аппарата животных и растений для получения высокопродуктивных пород и сортов), микробиологические примеси (см., напр., Микробиологический синтез), в развитии теоретических основ различных разделов медицины. Актуальные проблемы молекулярной биологии - исследование молекулярных механизмов злокачественного роста клеток, поиск способов предупреждения наследств. заболеваний, познание механизмов памяти, дальнейшее изучение механизмов действия ферментов, гормонов.