молекулярная биология

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ

изучает явления жизни на уровне макромолекул (гл. обр. белков и нуклеиновых кислот) в бесклеточных структурах (рибосомы и др.), в вирусах, а также в клетках. Цель М. б. — установление роли и механизма функционирования этих макромолекул на основе знания их структуры и свойств.

Исторически М.б. сформировалась в ходе развития направлений биохимии, изучающих биополимеры. В то время как биохимия исследует гл. обр. обмен веществ и биоэнергетику, М.б. уделяет главное внимание изучению способа хранения наследств. информации, механизма ее передачи дочерним клеткам и реализации этой информации. М.6.-пограничная наука, возникшая на границе биохимии, биоорганической химии, биофизики, орг. химии, цитологии и генетики. Формальной датой возникновения М.б. считают 1953, когда Дж. 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 наследственнести, установлен в 1944 О. Эйвери) с его хим. структурой и свойствами. Важное значение для становления М. б. как науки имели также работы по изучению мол. основ мышечного сокращения (В. А. Энгельгардт и М. И. Любимова, с 1939).

По истокам своего развития М. б. неразрывно связана с м о л е к у л я р н о й г е н е т и к о й (наука, изучающая структурно-функцион. организацию генетич. аппарата клеток и механизма реализации наследств. информации), которая продолжает составлять важную часть М. б., хотя и сформировалась уже в значит. мере в самостоят. дисциплину. Именно в этой области были достигнуты результаты, которые способствовали развитию М.б. 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 пространств. отношений нашло свое выражение также в представлении о комплементарности поверхностей макромолекул и мол. комплексов, что является необходимым условием проявления слабых сил — невалентных взаимод. (водородные связи, ван-дер-ваальсовы взаимод. и др.), действующих лишь на коротких расстояниях и создающих морфологич. разнообразие биол. структур, их функцион. подвижность. Невалентные взаимод. обусловливают образование фермент-субстратных комплексов, самосборку биол. структур, напр. рибосом, и др.

Важное достижение М. б. — раскрытие на мол. уровне механизма мутаций. Главную роль в нем играют выпадения, вставки и перемещения отрезков ДНК, замены пары нуклео-тидов в функционально значимых отрезках генома. Определена важная роль мутаций в эволюции организмов (в СССР инициатором исследований мол. основ эволюции был А. Н. Белозерский). Раскрыты мол. основы таких генетич. процессов у прокариот (бактерии и синезеленые водоросли) и эукариот (все организмы, за исключением прокариот), как рекомбинация генетическая — обмен участками хромосом, приводящий к появлению бактерий (вирусов) с новым сочетанием генов. Достигнуты значит. успехи в изучении строения клеточного ядра, в т. ч. хромосом эукариот. Усовершенствование методов культивирования и гибридизации животных клеток способствовало развитию генетики со-матич. клеток (клеток тела). Была развита идея о репликоне (элементарная генетич. структура, способная к репликации как единое целое), объясняющая важные аспекты регуляции репликации (Ф. Жакоб и С. Бреннер, 1963). Значит. успех М. б. — первый хим. синтез гена, который осуществил в 1968 Х. Корана. Данные о хим. природе и тонком строении генов способствовали разработке методов их выделения (впервые осуществлено в 1969 Дж. Беквитом).

Исследование механизма биосинтеза белка позволило установить т. наз. центр. постулат, характеризующий движение генетич. информации: ДНК—> матричная рибонуклеи-новая кислота (мРНК) —> белок (существование мРНК впервые предсказано Белозерским и А. С. Спириным в 1957). Согласно этому постулату, белок представляет собой своего рода информац. 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 нуклеоти-дов (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 мРНК на матрице ДНК), а также мРНК при трансляции (синтезе белка на матрице мРНК). Важное значение имело открытие обратной транскрипции, т. е. синтеза ДНК на матрице РНК, которое происходит у онкогенных РНК-содержащих вирусов с помощью спец. фермента — обратной транскриптазы (Х. Темин и Д. Балтимор, 1970). Открытие генетического кода (его концепция сформулирована А. Даунсом и Г. Гамовым в 1952–54, а расшифровка осуществлена М. Ниренбергом, Х. Маттеи, С. Очоа и Кораной в 1961–65) позволило установить соотношение последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах с последовательностью аминокислот в белках. Регуляция синтеза белка наиб. 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), аллостерич. регуляции (изменение скорости транскрипции в зависимости от активности ферментов, участвующих в этом процессе) и регуляции по принципу обратной связи (см. также регуляторы ферментов).

К сер. 60-х гг. 20 в. утвердилось представление об универсальности осн. черт строения и функции гена как сложной линейной структуры ДНК, который в результате транскрипции и послед. трансляции определяет первичную структуру полипептидной цепи.

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

Важная область М.б.-генетическая инженерия, разрабатывающая методы конструирования наследств. структур в виде молекул рекомбинантных ДНК. Применение методов генетич. инженерии позволило в короткие сроки выделить многочисл. гены и установить в них последовательность нуклеотидов. Таким образом были обнаружены мигрирующие генетические элементы (впервые предсказаны Б. Мак-Клинток в кон. 40-х гг. 20 в.), установлена мол. природа вариабельности молекул антител, открыта прерывистость в структуре эукариотич. генов и установлены новые принципы регуляции их активности. На базе генетич. 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 растит. клетки позволило создавать трансгенные организмы, способные вырабатывать новые белки (белковая инженерия) и придавать новые свойства этим организмам.

Для проведения исследований в М. б. широко используют физ.-хим. методы и биол. эксперименты. Применяют разл. виды хроматографии, ультрацентрифугирование, рентгено-структурный анализ, электронную микроскопию, ЭПР, ЯМР и изотопные индикаторы, используют также син-хротронное (магнитно-тормозное) излучение, дифракцию нейтронов, мёссбауэровскую спектроскопию и лазерную технику. В экспериментах широко применяют модельные системы "ин витро" и мутагены.

Важное практич. значение М. б. играет в развитии сельского хозяйства (направленное и контролируемое изменение наследств. аппарата животных и растений для получения высокопродуктивных пород и сортов), микробиол. промышленности (см., напр., микробиологический синтез), в развитии теоретич. основ разл. разделов медицины. Актуальные проблемы М. б. — исследование мол. механизмов злокачественного роста клеток, поиск способов предупреждения наследств. заболеваний, познание механизмов памяти, дальнейшее изучение механизмов действия ферментов, гормонов, лек. и токсич. веществ.

^{Лит.: Кольцов Н. К., Наследственные молекулы, "Бюллетень Московского общества испытателей природы", отдел биологический, 1965, т. 70, в. 4, с. 75–104; Энгельгардт В. А., Молекулярная биология, в кн.: Развитие биологии в СССР, М., 1967; Белозерский А. Н., Молекулярная биология-новая ступень познания природы, М., 1970; Баев А. А., Химические основы жизни, в кн.: Октябрь и наука, под ред. А. П. Александрова и др., М., 1977, с. 417–36; Уотсон Дж., Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1978; Зенг-буш П., Молекулярная и клеточная биология, пер. с нем., т. 1–3, М., 1982; Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот, под ред. А. С. Спирина, М., 1990.}

_{А. А. Баев, А. Д. Мирзабеков}