Молекулярна біологія
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Молекулярна біологія

Молекулярна біологія, наука, що ставить своїм завданням пізнання природи явищ життєдіяльності шляхом вивчення біологічних об'єктів і систем на рівні, що наближається до молекулярного, а у ряді випадків і що досягає цієї межі. Кінцевою метою при цьому є з'ясування того, яким чином і якою мірою характерні прояви життя, такі, як спадковість, відтворення собі подібного, біосинтез білків, збудливість, зростання і розвиток, зберігання і передача інформації, перетворення енергії, рухливість і т. д., обумовлені структурою, властивостями і взаємодією молекул біологічно важливих речовин, в першу чергу двох головних класів високомолекулярних біополімерів білків і нуклеїнових кислот. Відмінна риса М. би. — вивчення явищ життю на неживих об'єктах або таких, яким властиві найпримітивніші прояви життя. Такими є біологічні утворення від клітинного рівня і нижче: субклітинні органели, такі, як ізольовані клітинні ядра, мітохондрії, рибосоми, хромосоми, клітинні мембрани; далі — системи, що стоять на кордоні живої і неживої природи, — віруси, у тому числі і бактеріофаги, і кінчаючи молекулами найважливіших компонентів живої матерії — нуклеїнових кислот і білків .

загрузка...

  М. би. — нова область природознавства, тісно пов'язана з напрямами досліджень, які охоплюються біохімією, біофізикою і біоорганічною хімією . Розмежування тут можливо лише на основі обліку вживаних методів і по принциповому характеру використовуваних підходів.

  Фундамент, на якому розвивалася М. би., закладався такими науками, як генетика, біохімія, фізіологія елементарних процесів і так далі По витоках свого розвитку М. би. нерозривно пов'язана з молекулярною генетикою, яка продовжує складати важливу частину М. би., хоча і сформувалася вже значною мірою в самостійну дисципліну. Вичленення М. би. з біохімії продиктовано наступними міркуваннями. Завдання біохімії в основному обмежуються констатацією участі тих або інших хімічних речовин при певних біологічних функціях і процесах і з'ясуванням характеру їх перетворень; провідне значення належить відомостям про реакційну здатність і про основні межі хімічної будови, що виражається звичайною хімічною формулою. Т. о. по суті, увага зосереджена на перетвореннях, главновалентниє, що зачіпають, хімічні зв'язки. Тим часом, як було підкреслено Л. Полінгом, в біологічних системах і проявах життєдіяльності основне значення має бути відведене не главновалентним зв'язкам, що діють в межах однієї молекули, а всіляким типам зв'язків, що обумовлюють міжмолекулярні взаємодії (електростатичним ван-дер-ваальсовим, водневим зв'язкам і ін.).

  Кінцевий результат біохімічного дослідження може бути представлений у вигляді тієї або іншої системи хімічних рівнянь, зазвичай повністю вичерпуваною їх зображенням на плоскості, тобто в двох вимірах. Відмінною рисою М. би. є її тривимірність. Суть М. би. убачається М. Перуцем в тому, щоб тлумачити біологічні функції в поняттях молекулярної структури. Можна сказати, що якщо раніше при вивченні біологічних об'єктів необхідно було відповісти на питання «що», тобто які речовини присутні, і на питання «де» — в яких тканинах і органах, то М. би. ставить своїм завданням отримати відповіді на питання «як», пізнавши суть ролі і участі всієї структури молекули, і на питання «чому» і «навіщо», з'ясувавши, з одного боку, зв'язки між властивостями молекули (знову-таки в першу черга білків і нуклеїнових кислот) і здійснюваними нею функціями і, з іншого боку, роль таких окремих функцій в загальному комплексі проявів життєдіяльності.

  Вирішальної ролі набувають взаємне розташування атомів і їх угрупувань в загальній структурі макромолекули, їх просторові взаємини. Це торкається як окремих, індивідуальних, компонентів, так і загальній конфігурації молекули в цілому. Саме в результаті виникнення строго детермінованої об'ємної структури молекули біополімерів набувають тих властивостей, через які вони виявляються здатними служити матеріальною основою біологічних функцій. Такий принцип підходу до вивчення живого складає найбільш характерну, типову межу М. би.

  Історична довідка. Величезне значення досліджень біологічних проблем на молекулярному рівні передбачав І. П. Павлов, що говорив про останній рівень в науці про життя — фізіологію живої молекули. Самий термін «М-коду. б.» був вперше спожитий англ.(англійський) ученим У. Астбері в додатку до досліджень, що стосувалися з'ясування залежностей між молекулярною структурою і фізичними і біологічними властивостями фіблярних (волокнистих) білків, таких, як колаген, фібрин крові або скоротливі білки м'язів. Широко застосовувати термін «М-коду. б.» стали з початку 50-х рр. 20 ст

  Виникнення М. би. як науки, що сформувалася, прийнято відносити до 1953, коли Дж. Уотсоном і Ф. Криком в Кембріджі (Великобританія) була розкрита тривимірна структура дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Це дозволило говорити про те, яким чином деталі даної структури визначають біологічні функції ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) як матеріальний носій спадкової інформації. В принципі, про цю роль ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) стало відомо декілька раніше (1944) в результаті робіт американського генетика О. Т. Ейвері із співробітниками (див. Молекулярна генетика ), але не було відомо, якою мірою дана функція залежить від молекулярної будови ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). Це стало можливим лише після того, як в лабораторіях В. Л. Брега, Дж. Бернала і ін. були розроблені нові принципи рентгеноструктурного аналізу що забезпечили вживання цього методу для детального пізнання просторової будови макромолекул білків і нуклеїнових кислот.

  Рівні молекулярної організації. В 1957 Дж. Кендрю встановив тривимірну структуру міоглобіну, а в подальші роки це було зроблено М. Перуцем в відношенні гемоглобіну . Були сформульовані уявлення про різні рівні просторової організації макромолекул. Первинна структура — це послідовність окремих ланок (мономерів) в ланцюзі молекули полімеру, що утворюється. Для білків мономерами є амінокислоти, для нуклеїнових кислот — нуклеотиди . Лінійна, ниткоподібна молекула біополімера в результаті виникнення водневих зв'язків володіє здатністю певним чином укладатися в просторі, наприклад в разі білків, як показав Л. Полінг, набувати форми спіралі. Це позначається як вторинна структура. Про третинну структуру говорять, коли молекула, що володіє вторинною структурою, складається далі тим або іншим чином, заповнюючи тривимірний простір. Нарешті молекули, що володіють тривимірною структурою, можуть вступати у взаємодію, закономірно розташовуючись в просторі відносно один одного і утворюючи те, що позначається як четвертинна структура; її окремі компоненти зазвичай звані субодиницями.

  Найбільш наочним прикладом того, як молекулярна тривимірна структура визначає біологічні функції молекули, служить ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). Вона володіє будовою подвійній спіралі: дві нитки, що йдуть у взаємно протилежному напрямі (антіпараллельно), закручено одна довкола іншої, утворюючи подвійну спіраль з розташуванням взаємно комплементу підстав, тобто так, що проти певної підстави одного ланцюга завжди в іншому ланцюзі коштує така підстава, яка щонайкраще забезпечує утворення водневих зв'язків: адепін (А) утворює пару з тиміном (Т), гуанін (Г) — з цитозіном (Ц). Така структура створює оптимальні умови для найважливіших біологічних функцій ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота): кількісного множення спадкової інформації в процесі клітинного ділення при збереженні якісної незмінності цього потоку генетичної інформації. При діленні клітки нитки подвійної спіралі ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), службовці як матриця, або шаблон, розплітаються і на кожній з них під дією ферментів синтезується нова нитка комплементу. В результаті цього з однієї материнської молекули ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) виходить дві абсолютно тотожні їй дочірні молекули (див. Клітка, Мітоз ) .

  Так само і в разі гемоглобіну виявилось, що його біологічна функція — здатність оборотно приєднувати кисень в легенях і потім віддавати його тканинам — щонайтіснішим образом пов'язана з особливостями тривимірної структури гемоглобіну і її змінами в процесі здійснення властивою йому фізіологічній ролі. При скріпленні і дисоціації O 2 відбуваються просторові зміни конформації молекули гемоглобіну, спорідненість атомів заліза, що містяться в нім, що веде до зміни, до кисню. Зміни розмірів молекули гемоглобіну, що нагадують зміни об'єму грудної клітки при диханні, дозволили назвати гемоглобін «молекулярними легенями».

  Одна з найважливіших меж живих об'єктів — їх здатність тонко регулювати всі прояви життєдіяльності. Крупним вкладом М. би. у наукові відкриття слід рахувати розкриття нового, раніше невідомого регуляторного механізму, що позначається як аллостерічеський ефект. Він полягає в здатності речовин низької молекулярної маси — т.з. лігандов — видозмінювати специфічні біологічні функції макромолекул, в першу чергу білків, що каталітично діють, — ферментів, гемоглобіну, рецепторних білків, що беруть участь в побудові біологічних мембран, в синаптічеськой передачі (див. Синапси ) і так далі

  Три біотічеських потоки. В світлі представлень М. би. сукупність явищ життю можна розглядати як результат поєднання трьох потоків: потоку матерії, що знаходить своє вираження в явищах обміну речовин, тобто асиміляція і дисиміляція; потоку енергії, рушійною силою, що є, для всіх проявів життєдіяльності; і потоку інформації, пронизливого собою не лише все різноманіття процесів розвитку і існування кожного організму, але і безперервну чергу поколінь, що змінюють один одного. Саме уявлення про потік інформації, внесене до учення про живому світі розвитком М. би., накладає на неї свій специфічний, унікальний відбиток.

  Найважливіші досягнення молекулярної біології. Нестримність, розмах і глибину впливу М. би. на успіхи в пізнанні корінних проблем вивчення живої природи справедливо порівнюють, наприклад, з впливом квантової теорії на розвиток атомної фізики. Два внутрішньо зв'язаних умови визначили те, що це революціонізувало дія. З одного боку, вирішальну роль зіграло виявлення можливості вивчення найважливіших проявів життєдіяльності в простих умовах, що наближаються до типа хімічних і фізичних експериментів. З іншого боку, як наслідок вказаної обставини, мало місце швидке включення значного числа представників точних наук — фізиків, хіміків, кристалографів, а потім і математиків — в розробку біологічних проблем. У своїй сукупності ці обставини і зумовили незвичайно швидкий темп розвитку М. би., число і значущість її успіхів, досягнутих всього за два десятиліття. Ось далеко не повний перелік цих досягнень: розкриття структури і механізму біологічної функції ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), всіх типів РНК(рибонуклеїнова кислота) і рибосом, розкриття генетичної коди ; відкриття зворотною транскрипції, тобто синтезу ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) на матриці РНК(рибонуклеїнова кислота); вивчення механізмів функціонування дихальних пігментів; відкриття тривимірної структури і її функціональної ролі у дії ферментів, принципу матричного синтезу і механізмів біосинтезу білків; розкриття структури вірусів і механізмів їх реплікації, первинної і, частково, просторової структури антитіл; ізолювання індивідуальних генів, хімічний, а потім біологічний (ферментативний) синтез гена, у тому числі людського, поза кліткою (in vitro); перенесення генів з одного організму в іншій, у тому числі в клітки людини; розшифровка, що нестримно йде хімічної структури зростаючого числа індивідуальних білків, головним чином ферментів, а також нуклеїнових кислот; виявлення явищ «самосборки» деяких біологічних об'єктів все зростаючій складності, починаючи від молекул нуклеїнових кислот і переходячи до багатокомпонентних ферментів, вірусів, рибосом і т. д.; з'ясування аллостерічеських і інших основних принципів регулювання біологічних функцій і процесів.

  Редукционізм і інтеграція. М. би. є завершуючим етапом того напряму у вивченні живих об'єктів, яке позначається як «редукционізм», тобто прагнення звести складні життєві функції до явищ, що протікають на рівні молекул і тому доступним вивченню методами фізики і хімії. Досягнуті М. би. успіхи свідчать про ефективність такого підходу. В той же час необхідно враховувати, що в природних умовах в клітці, тканині органі і цілому організмі ми маємо справу з системами зростаючої міри ускладненості. Такі системи утворюються з компонентів нижчого рівня шляхом їх закономірної інтеграції в цілісності, що набувають структурної і функціональної організації і що володіють новими властивостями. Тому у міру деталізації пізнань про закономірності, доступні розкриттю на молекулярному і примикаючих рівнях, перед М. би. встають завдання пізнання механізмів інтеграції як лінії подальшого розвитку у вивченні явищ життя. Відправною крапкою тут служить дослідження сил міжмолекулярних взаємодій — водневих зв'язків, ван-дер-ваальсових, електростатичних сил і так далі Своєю сукупністю і просторовим розташуванням вони утворюють те, що може бути позначене як «інтеграційна інформація». Її слід розглядати як одну з головних частин вже згадуваного потоку інформації. В області М. би. прикладами інтеграції можуть служити явища самосборки складних утворень з суміші їх складових частин. Сюди відносяться, наприклад, утворення багатокомпонентних білків з їх субодиниць, утворення вірусів з їх складових частин — білків і нуклеїнової кислоти, відновлення вихідної структури рибосом після розділення їх білкових і нуклеїнових компонентів і так далі Вивчення цих явищ безпосередньо пов'язане з пізнанням основних феноменів «пізнавання» молекул біополімерів. Йдеться про тому, щоб з'ясувати, які поєднання амінокислот — в молекулах білків або нуклеотидів — в нуклеїнових кислотах взаємодіють між собою при процесах асоціації індивідуальних молекул з утворенням комплексів строго специфічного, наперед заданого складу і будови. Сюди відносяться процеси утворення складних білків з їх субодиниць; далі, виборче взаїмовоздействіє між молекулами нуклеїнових кислот, наприклад транспортними і матричними (в цьому випадку істотно розширило наші відомості розкриття генетичної коди); нарешті, це утворення багатьох типів структур (наприклад, рибосом, вірусів, хромосом), в яких беруть участь і білки, і нуклеїнові кислоти. Розкриття відповідних закономірностей, пізнання «мови», лежачої в основі вказаних взаємодій, складає одну з найважливіших областей М. би., ще чекаючу своєї розробки. Цю область розглядають як що належить до фундаментальних проблем для всієї біосфери.

Завдання молекулярної біології. Поряд з вказаними важливими завданнями М. би. (пізнанням закономірностей «пізнавання», самосборки і інтеграції) актуальним напрямом наукового пошуку найближчого майбутнього є розробка методів, що дозволяють розшифровувати структуру, а потім і тривимірну, просторову організацію високомолекулярних нуклеїнових кислот. Зараз це досягнуто відносно загального плану тривимірної структури ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) (подвійній спіралі), але без точного знання її первинної структури. Швидкі успіхи в розробці аналітичних методів дозволяють з упевненістю чекати досягнення вказаних цілей впродовж найближчих років. Тут, зрозуміло, головні вклади йдуть від представників суміжних наук, в першу чергу фізики і хімії. Всі найважливіші методи, використання яких забезпечило виникнення і успіхи М. би., були запропоновані і розроблені фізиками (ультрацентрофугування, рентгеноструктурний аналіз, електронна мікроскопія, ядерний магнітний резонанс і ін.). Майже все нові фізичні експериментальні підходи (наприклад, використання ЕОМ(електронна обчислювальна машина), синхротронного, або гальмівного, випромінювання, лазерної техніки і ін.) відкривають нові можливості для поглибленого вивчення проблем М. би. У числі найважливіших завдань практичного характеру, відповідь на яких очікується від М. би., на першому місці стоїть проблема молекулярних основ злоякісного зростання, далі — дороги запобігання, а мабуть, і подолання спадкових захворювань — «молекулярних хвороб» . Велике значення матиме з'ясування молекулярних основ біологічного каталізу, тобто дії ферментів. До найважливіших сучасних напрямів М. би. слід віднести прагнення розшифрувати молекулярні механізми дії гормонів, токсичних і лікарських речовин, а також з'ясувати деталі молекулярної будови і функціонування таких клітинних структур, як біологічні мембрани, що беруть участь в регуляції процесів проникнення і транспорту речовин. Віддаленіші цілі М. би. — пізнання природи нервових процесів, механізмів пам'яті і так далі Одін з важливих розділів М., що формуються, би. — т.з. генна інженерія, що ставить своїм завданням цілеспрямована операція генетичним апаратом ( геномом ) живих організмів, починаючи з мікробів і нижчих (одноклітинних) і кінчаючи людиною (у останньому випадку перш за все в цілях радикального лікування спадкових захворювань і виправлення генетичних дефектів). Про обширніших втручаннях в генетичну основу людини мова може йти лише в більш менш віддаленому майбутньому, оскільки при цьому виникають серйозні перешкоди як технічного, так і принципового характеру. Відносно мікробів, рослин, а можливо, і з.-х.(сільськогосподарський) тварин такі перспективи вельми обнадежівающи (наприклад, здобуття сортів культурних рослин, що володіють апаратом фіксації азоту з повітря і що не потребують добрив). Вони засновані на вже досягнутих успіхах: ізолювання і синтез генів, перенесення генів з одного організму в іншій, вживання масових культур кліток як продуценти господарських або медичних важливих речовин.

  Організація досліджень по молекулярній біології. Швидкий розвиток М. би. спричинило виникнення великого числа спеціалізованих науково-дослідних центрів. Кількість їх швидко зростає. Найбільш великі: у Великобританії — Лабораторія молекулярної біології в Кембріджі, Королівський інститут в Лондоні; у Франції — інститути молекулярної біології в Парижі, Марселі, Страсбуре, Пастерівський інститут; у США — відділи М. би. у університетах і інститутах в Бостоні (Гарвардський університет, Массачусетсський технологічний інститут), Сан-Франциско (Берклі), Лос-Анджелесі (Каліфорнійський технологічний інститут), Нью-Йорку (Рокфеллеровський університет), інститути охорона здоров'я в Бетесде і др.; у ФРН(Федеральна Республіка Німеччини) — інститути Макса Планка, університети в Геттінгене і Мюнхені; у Швеції — Каролінський інститут в Стокгольмі; у ГДР(Німецька Демократична Республіка) — Центральний інститут молекулярної біології в Берліні, інститути в Йене і Галле; у Угорщині — Біологічний центр в Сегеде. У СРСР перший спеціалізований інститут М. би. був створений в Москві в 1957 в системі АН(Академія наук) СРСР (см. Молекулярній біології інститут ) ; потім були утворені: інститут біоорганічної хімії АН(Академія наук) СРСР в Москві, інститут білка в Пущине, Біологічний відділ в інституті атомної енергії (Москва), відділи М. би. у інститутах Сибірського відділення АН(Академія наук) в Новосибірську, Міжфакультетська лабораторія біоорганічної хімії МГУ(Московський державний університет імені М. Ст Ломоносова), сектор (потім інститут) молекулярної біології і генетики АН(Академія наук) УРСР в Києві; значна робота по М. би. ведеться в інституті високомолекулярних з'єднань в Ленінграді, у ряді відділів і лабораторій АН(Академія наук) СРСР і інших відомств.

  Поряд з окремими науково-дослідними центрами виникли організації ширшого масштабу. У Західній Європі виникла Європейська організація по М. би. (ЕМБО), у якою бере участь понад 10 країн. У СРСР при інституті молекулярної біології в 1966 створений науковий радий з М. би., що є координуючим і організуючим центром в цій галузі знань. Їм випущена обширна серія монографій по найважливіших розділах М. би., регулярно організовуються «зимові школи» по М. би., проводяться конференції і симпозіуми з актуальних проблем М. би. Надалі наукові раді з М. би. були створені при АМН СССР(Академія медичних наук СРСР) і багато республіканських Академіях наук. З 1966 виходить журнал «Молекулярна біологія» (6 випусків в рік).

  За порівняно короткий термін в СРСР виріс значний загін дослідників в області М. б.; це учені старшого покоління, що частково перемкнули свої інтереси з ін. областей; у головній же своїй масі це багаточисельні молоді дослідники. З числа ведучих учених, що взяли діяльну участь в становленні і розвитку М. би. у СРСР, можна назвати таких, як А. А. Баїв, А. Н. Белозерський, А. Е. Браунштейн, Ю. А. Овчинників, А. С. Спірін, М. М. Шемякин, Ст А. Енгельгардт. Новим досягненням М. би. і молекулярної генетики сприятиме постанова ЦК КПРС і Ради Міністрів СРСР (травень 1974) «Про заходи по прискоренню розвитку молекулярної біології і молекулярної генетики і використанню їх досягнень в народному господарстві».

 

  Літ.: Вагнер Р., Мітчелл Р., Генетика і обмін речовин, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1958; Сент-Дьердь і А., Біоенергетика, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1960; Анфінсен До., Молекулярні основи еволюції, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1962; Стенлі В., Веленс Е., Віруси і природа життя, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1963; Молекулярна генетика, пер.(переведення) с. англ.(англійський), ч. 1, М., 1964; Волькенштейн М. Ст, Молекули і життя. Введення у молекулярну біофізику, М., 1965; Гауровіц Ф., Хімія і функції білків, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1965; Бреслер С. Е., Введення в молекулярну біологію, 3 видавництва, М. — Л., 1973; Інгрем Ст, Біосинтез макромолекул, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Енгельгардт Ст А., Молекулярна біологія, в кн.: Розвиток біології в СРСР, М., 1967; Введення в молекулярну біологію, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1967; Уотсон Дж., Молекулярна біологія гена пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1967; Фінеан Дж., Біологічні ультраструктури, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1970; Бендолл Дж., М'язи, молекули і рух, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1970; Ічас М., Біологічний код, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1971; Молекулярна біологія вірусів, М., 1971; Молекулярні основи біосинтезу білків, М., 1971; Бернхард С., Структура і функція ферментів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1971; Спірін А. С., Гаврілова Л. П., Рибосома, 2 видавництва, М., 1971; Френкель-Конрат Х., Хімія і біологія вірусів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972; Сміт До., Хенеуолт Ф., Молекулярна фотобіологія. Процеси інактівациі і відновлення, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972; Харріс Р., Основи біохімічної генетики людини, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1973.

  Ст А. Енгельгардт.