Молекулярная биология

Молекулярная биология, наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности путём 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 белков, 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 высокомолекулярныхбиополимеров — белков и нуклеиновых кислот. Отличительная черта М. б. — 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, хромосомы, 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. б. — новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися направлениями исследований, которые охватываются биохимией, биофизикой и биоорганической химией. Разграничение здесь возможно лишь на основе учёта применяемых методов и по принципиальному характеру используемых подходов.

Фундамент, на котором развивалась М. б., закладывался такими науками, как генетика, биохимия, физиология элементарных процессов и т. д. По истокам своего развития М. б. неразрывно связана смолекулярной генетикой, которая продолжает составлять важную часть М. б., хотя и сформировалась уже в значительной мере в самостоятельную дисциплину. Вычленение М. б. из биохимии продиктовано следующими соображениями. Задачи биохимии в основном ограничиваются констатацией участия тех или иных химических веществ при определённых биологических функциях и процессах и выяснением характера их превращений; ведущее значение принадлежит сведениям о реакционной способности и об основных чертах химического строения, выражаемого обычной химической формулой. Т. о., по существу, внимание сосредоточено на превращениях, затрагивающих главновалентные химические связи. Между тем, как было подчёркнуто 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, водородным связям и др.).

Конечный результат биохимического исследования может быть представлен в виде той или иной системы химических уравнений, обычно полностью исчерпываемой их изображением на плоскости, т. е. в двух измерениях. Отличительной чертой М. б. является её трехмерность. Сущность М. б. 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. б. 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 белков 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 атомов 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 объёмной 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. б.

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. б." был впервые употреблен англ. учёным У. Астбери в приложении к исследованиям, касавшимся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибриллярных (волокнистых) белков, таких, как коллаген, фибрин крови или сократительные белки мышц. Широко применять термин "М. б." стали с начала 50-х гг. 20 в.

Возникновение М. б. как сформировавшейся науки принято относить к 1953, когда Дж. Уотсоном и Ф.Криком в Кембридже (Великобритания) была раскрыта трёхмерная 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 белков и нуклеиновых кислот.

Уровни молекулярной организации. В 1957 Дж. Кендрю установил трёхмерную 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 белков мономерами являются аминокислоты, для нуклеиновых кислот — нуклеотиды. Линейная, нитевидная молекула биополимера в результате возникновения водородных связей обладает способностью определённым образом укладываться в пространстве, например в случае белков, 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 трёхмерное пространство. Наконец, молекулы, обладающие трёхмерной структурой, могут вступать во взаимодействие, закономерно располагаясь в пространстве относительно друг друга и образуя то, что обозначается как четвертичная структура; её отдельные компоненты обычно называемые субъединицами.

Наиболее наглядным примером того, как молекулярная трёхмерная 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 определённого основания одной цепи всегда в другой цепи стоит такое основание, которое наилучшим образом обеспечивает образование водородных связей: адепин (А) образует пару с тимином (Т), гуанин (Г) — с цитозином (Ц). Такая структура создаёт 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 кислород в лёгких и затем отдавать его тканям — теснейшим образом связана с особенностями трёхмерной структуры гемоглобина и её изменениями в процессе осуществления свойственной ему физиологической роли. При связывании и диссоциации O2 происходят пространственные изменения конформации молекулы гемоглобина, ведущие к изменению сродства содержащихся в нём атомов железа к кислороду. Изменения размеров молекулы гемоглобина, напоминающие изменения объёма грудной клетки при дыхании, позволили назвать гемоглобин "молекулярными лёгкими".

Одна из важнейших черт живых объектов — их способность тонко регулировать все проявления жизнедеятельности. Крупным вкладом М. б. 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 белков — ферментов, гемоглобина, рецепторных белков, участвующих в построении биологических мембран, в синаптической передаче (см. Синапсы) и т. д.

Три биотических потока. В свете представлений М. б. совокупность явлений жизни можно рассматривать как результат сочетания трёх потоков: потока материи, находящего своё 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 всё многообразие процессов развития и существования каждого организма, но и непрерывную череду сменяющих друг друга поколений. Именно представление о потоке информации, внесённое в учение о живом мире развитием М. б., накладывает на неё свой специфический, уникальный отпечаток.

Важнейшие достижения молекулярной биологии. Стремительность, размах и глубину влияния М. б. на успехи в познании коренных проблем изучения живой природы справедливо сравнивают, например, с влиянием квантовой теории на развитие атомной 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 химических и физических экспериментов. С другой стороны, как следствие указанного обстоятельства, имело место быстрое включение значительного числа представителей точных наук — физиков, химиков, кристаллографов, а затем и математиков — в разработку биологических проблем. В своей совокупности эти обстоятельства и обусловили необычайно быстрый темп развития М. б., число и значимость её успехов, достигнутых всего за два десятилетия. Вот далеко не полный перечень этих достижений: раскрытие структуры и механизма биологической функции ДНК, всех типов РНК ирибосом, раскрытие генетического кода; открытие обратной транскрипции, т. е. синтеза ДНК на матрице РНК; изучение механизмов функционирования дыхательных пигментов; открытие трёхмерной структуры и её функциональной роли в действии ферментов, принципа матричного синтеза и механизмов биосинтеза белков; раскрытие структуры вирусов и механизмов их репликации, первичной и, частично, пространственной структуры антител; изолирование индивидуальных генов, химический, 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 химической структуры возрастающего числа индивидуальных белков, главным образом ферментов, а также нуклеиновых кислот; обнаружение явлений "самосборки" некоторых биологических объектов всё 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. б. 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. б. 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 усложнённости. Такие системы образуются из компонентов более низкого уровня путём 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. б. встают задачи познания механизмов интеграции как линии дальнейшего развития в изучении явлений жизни. Отправной точкой здесь служит исследование сил межмолекулярных взаимодействий — водородных связей, ван-дер-ваальсовых, электростатических сил и т. д. Своей совокупностью и пространственным расположением они образуют то, что может быть обозначено как "интегративная информация". Её следует рассматривать как одну из главных частей уже упоминавшегося потока информации. В области М. б. примерами интеграции могут служить явления самосборки сложных образований из смеси их составных частей. Сюда относятся, например, образование многокомпонентных белков из их субъединиц, образование вирусов из их составных частей — белков и нуклеиновой кислоты, восстановление исходной структуры рибосом после разделения их белковых и нуклеиновых компонентов и т. д. Изучение этих явлений непосредственно связано с познанием основных феноменов "узнавания" молекул биополимеров. Речь идёт о том, чтобы выяснить, какие сочетания аминокислот — в молекулах белков или нуклеотидов — в нуклеиновых кислотах взаимодействуют между собой при процессах ассоциации индивидуальных молекул с образованием комплексов строго специфичного, наперёд заданного состава и строения. Сюда относятся процессы образования сложных белков 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, хромосом), в которых участвуют и белки, и нуклеиновые кислоты. Раскрытие соответствующих закономерностей, познание "языка", лежащего в основе указанных взаимодействий, составляет одну из важнейших областей М. б., ещё ожидающую своей разработки. Эту область рассматривают как принадлежащую к числу фундаментальных проблем для всей биосферы.