М > МО Молекулярная биологияМОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯАвторы: А.А. БогдановМОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, изучает молекулярные основы жизнедеятельности организмов. Гл. направления исследований связаны с изучением механизмов хранения, воспроизведения и передачи генетич. информации. Исходя из этого, осн. объектами исследования М. б. являются нуклеиновые кислоты - дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) - и белки, а также их макромолекулярные комплексы - хромосомы, рибосомы, мультиферментные системы, обеспечивающие биосинтез нуклеиновых кислот и белков. М. б. граничит, а по объектам и методам исследования частично совпадает с молекулярной генетикой, вирусологией, систематикой организмов, биохимией, клеточной биологией, биофизикой, биоорганич. химией, кристаллографией, компьютерным моделированием, биоинформатикой и др. М. б. не только зависит от прогресса этих наук, но и оказывает существенное влияние на их развитие, ставя перед ними весьма нетривиальные задачи. Первые этапы развития молекулярной биологииДатой возникновения М. б. принято считать 1953, когда Дж. Уотсон и Ф. Крик правильно интерпретировали рентгеноструктурные данные Р. Франклин и М. Уилкинса и построили модель пространственной структуры ДНК в виде двойной спирали. Исходя из этой модели, они предложили простой матричный механизм её репликации (удвоения), основанный на принципе комплементарности гетероциклических оснований ДНК. Т. о. впервые фундам. биологич. явление (наследственность) удалось описать на молекулярном уровне в простых химич. терминах. Этому открытию, одному из крупнейших в истории естествознания, предшествовал длительный период исследований в области биохимии, цитологии, генетики и химии нуклеиновых кислот, которые привели к установлению генетич. роли ДНК. К сер. 1930-х гг. открытие основоположником М. б. в России А.Н. Белозерским ДНК в растениях (ранее считалось, что ДНК присутствует только в ядрах клеток животных) привело к утверждению того фундам. положения, что ДНК содержатся в каждой живой клетке. К нач. 1940-х гг. была доказана также универсальность распространения в живой природе и РНК. В 1944 амер. микробиолог О.Т. Эйвери с сотрудниками осуществил генетич. трансформацию бактерий с помощью чистой ДНК, тем самым продемонстрировав, что она является носителем наследственности. К началу работы Уотсона и Крика в лаборатории Э. Чаргаффа был исследован нуклеотидный состав ДНК из многих организмов и доказано, что в любой ДНК молярные доли пуриновых и пиримидиновых оснований - аденина и тимина, гуанина и цитозина, равны между собой (A=T, G=C; т. н. правило Чаргаффа). Уотсон и Крик показали, что именно эти основания, будучи расположенными в разных цепях молекулы ДНК друг напротив друга, комплементарны. К 1953 А. Тодд и его школа установили принципы химич. строения нуклеиновых кислот, также использованные при построении модели двойной спирали ДНК.Становление молекулярной биологии как наукиВажным шагом в развитии основ М. б. стало постулирование Ф. Криком (1955) пути передачи генетич. информации от ДНК к белкам через синтезируемую на ДНК с помощью матричного механизма РНК (т. н. центральная догма М. б.: ДНК → РНК → белок). Работы Дж. Уотсона и Ф. Крика породили беспрецедентную по масштабу и продуктивности волну эксперим. работ (сравнима только с ситуацией в атомной физике в 1930-40-х гг.). Уже к кон. 1950-х гг. было доказано, что репликация ДНК идёт с расплетанием двойной спирали и синтезом двух дочерних молекул ДНК на каждой из цепей по матричному принципу (тем самым была экспериментально обоснована выдвинутая в 1927 гипотеза Н.К. Кольцова о матричном механизме репликации хромосом); был описан фермент ДНК-полимераза, способный осуществлять этот процесс; предложен метод молекулярной ДНК-ДНК- и ДНК-РНК- гибридизации, основанный на способности комплементарных полинуклеотидов специфически связываться друг с другом; были обнаружены матричные (информационные) РНК (мРНК), в которых переписана закодированная в ДНК информация о структуре белков, и фермент РНК-полимераза, катализирующий синтез РНК на ДНК (транскрипцию); было доказано, что синтез белка (трансляция) происходит на рибосомах (комплексах некодирующей белки рибосомной РНК со специальными рибосомными белками) также по матричному механизму, были открыты транспортные РНК (тРНК), специфически акцептирующие аминокислоты, с помощью которых этот механизм реализуется. В нач. 1960-х гг. амер. учёными П. Доти и Ж. Фреско, А.С. Спириным и др. были установлены принципы организации макромолекулярной структуры РНК. В 1961 Ф. Жакоб и Ж. Моно опубликовали схему регуляции синтеза белков на уровне транскрипции, которая уже через неск. лет была экспериментально доказана, благодаря открытию белков-репрессоров и белков- активаторов транскрипции; было показано, что РНК-полимераза сама является регулятором генной активности (Р.Б. Хесин-Лурье, 1961). На основании этих работ была сформулирована проблема специфич. нуклеиново-белкового узнавания - физич. явления, с помощью которого реализуются мн. этапы передачи генетич. информации в клетке. В 1-й пол. 1960-х гг. была завершена расшифровка аминокислотного генетического кода (М.У. Ниренберг, С. Очоа, Х.Г. Корана), одного из осн. законов живой природы, управляющего переводом нуклеотидного «языка» нуклеиновых кислот на аминокислотный «язык» белков, а к кон. 1960-х гг. детально описаны все стадии трансляции; осуществлена реконструкция рибосом из РНК и белков вне клетки; раскрыты принципиальные моменты таких процессов превращения ДНК, как репарация повреждений в её молекулах, механизмы рестрикции- модификации и генетич. рекомбинация; описаны нуклеосомы - осн. регуляторные структурные элементы хроматина. К этому же времени были созданы эффективные системы бесклеточного синтеза нуклеиновых кислот и белков, ставшие важным инструментом М. б. В 1970 Х.М. Темин и Д. Балтимор открыли в онкогенных вирусах РНК-зависимую ДНК-полимеразу и тем самым показали, что в принципе поток генетич. информации может быть обращён и от РНК к ДНК. Важной вехой развития М. б. стало создание в нач. 1970-х гг. методологии генетической инженерии. Возможность работать с рекомбинантными ДНК сделала доступными для исследования индивидуальные гены и регуляторные генетич. элементы. Благодаря этому после 1977 было обнаружено мозаичное (экзон- интронное) строение генов, открыто явление сплайсинга РНК и выявлены мн. детали механизмов процессинга РНК. Т. о., уже за 1-ю четверть века существования М. б. превратилась в самостоят. науку со свойственными только ей задачами, методологией и мощным арсеналом специализир. методов. К последним относятся рентгеноструктурный анализ и ЯМР- спектроскопия высокого разрешения крупных макромолекулярных биополимеров и их комплексов, методы быстрого автоматич. секвенирования и химич. синтеза нуклеиновых кислот и белков, методы, позволяющие изучать индивидуальные макромолекулярные комплексы в процессе их функционирования, методы анализа транскриптомы и протеомы (всей совокупности синтезируемых клеткой РНК и белков соответственно) и многие др. По широте и глубине науч. открытий, количеству исследователей, публикаций, Нобелевских премий и обществ. интересу М. б. заняла одно из ведущих мест среди естеств. наук.Современная молекулярная биологияПоследующее развитие М. б. привело к важным открытиям, прежде всего в области исследований РНК. Было показано, что некоторые РНК, названные рибозимами, обладают ферментативной активностью (Т. Чек, С. Олтмен, 1982). Была открыта теломераза - РНК-содержащий фермент, который наращивает теломеры на концах линейных хромосом (1987). Выдающимся достижением М. б. сер. 1990-х гг. стало открытие явления РНК-интерференции и того факта, что около трети генов человека и др. эукариот регулируется при помощи т. н. интерферирующих РНК (Э. Файр, К. Мелло и др.). Характерным для М. б. последних лет стало изучение детальных механизмов открытых ранее этой наукой явлений с помощью атомных структур гл. участников процессов реализации генетич. информации в клетке, напр. изучение механизма функционирования рибосомы на основе её кристаллич. структуры, расшифрованной с атомным разрешением в 2000-01 (Т. Стейц, В. Рамакришнан, Х. Ноллер и др.). Одна из задач, стоящих перед М. б., - функциональный анализ с помощью методов совр. биоинформатики гигантского объёма генетич. информации, накопленного при определении структуры генома человека и мн. др. организмов. К кон. 20 в. из фундаментальной М. б. выделилось направление прикладной М. б., которое стало одной из основ совр. биотехнологии. Оно связано с широким использованием методов генетич. инженерии для пром. получения белков с полезными свойствами, выявлением и изучением структуры потенциальных мишеней для лекарственных препаратов. Интенсивно развиваются ДНК-нанотехнологии, которые позволяют создавать принципиально новые материалы, основываясь на способности молекул ДНК к самосборке. Развитие М. б. повлекло за собой появление большого числа специализированных н.- и. центров в разных странах. В СССР первый специализированный ин-т М. б. в системе АН СССР по инициативе В.А. Энгельгардта был создан в 1957 (см. Молекулярной биологии институт). Затем в системе Академии наук образованы Ин-т химии природных соединений (ныне Биоорганической химии институт), Ин-т белка (Пущино), отдел в Ин-те атомной энергии (ныне Молекулярной генетики институт), Ин-т биоорганич. химии СО АН СССР (ныне Ин-т химич. биологии и фундам. медицины СО РАН), Межфакультетская лаборатория биоорганич. химии МГУ (ныне Физико- химической биологии научно-исследовательский институт МГУ) и ряд других. В 1966 при Ин-те молекулярной биологии создан науч. совет по М. б., являющийся координирующим и организующим центром в этой области знаний.Литература Лит.: Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М., 1978; Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. М., 1982. Т. 1-3; Молекулярная биология клетки. М., 1986-1987. Т. 1-5; Спирин А.С. Молекулярная биология: Структура рибосомы и биосинтез белка. М., 1986; Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот. М., 1990; Рис Э., Стернберг М. Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам. М., 2002; Степанов В.М. Молекулярная биология: Структура и функция белков. 3-е изд. М., 2005. |
 |