МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
Наиболее наглядным примером того,
как молекулярная трёхмерная структура определяет биологич. функции молекулы,
служит ДНК. Она обладает строением двойной спирали: две нити, идущие во
взаимно противоположном направлении (антипараллелъно), 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, к-рое наилучшим образом обеспечивает
образование водородных связей: аденин (А) образует пару с тимином (Т),
гуанин (Г) - с цитозином (Ц). Такая структура создаёт оптимальные условия
для важнейших биологич. функций ДНК: количественного умножения наследственной
информации в процессе клеточного деления при сохранении качественной неизменности
этого потока генетич. 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,
Одна из важнейших черт живых объектов -
Организация исследований по молекулярной
Наряду с отд. н.-и. центрами возникли организации
За сравнительно короткий срок в СССР вырос
Лит.: Вагнер Р., Митчелл Г., Генетика
что его биологич. 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 физио-логич. роли. При связывании и диссоциации О
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".
их способность тонко регулировать все проявления жизнедеятельности. Крупным
вкладом М. б. в науч. открытия следует считать раскрытие нового, ранее
неизвестного регуляторного механизма, обозначаемого как аллостериче-ский
эффект. Он заключается в способности веществ низкой мол. массы-т. н. лигандов
-видоизменять специфич. биологич. функции макромолекул, в первую очередь
каталитически действующих белков - ферментов, гемоглобина, рецепторных
белков, участвующих в построении биологических мембран, в синаптич.
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, напр., 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 химич. и физич. экспериментов.
С другой стороны, как следствие указанного обстоятельства, имело место
быстрое включение значит, числа представителей точных наук - физиков, химиков,
кристаллографов, а затем и математиков -в разработку биологич. 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 биологич. функции ДНК, всех типов РНК и рибосом,
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;
химич., а затем биологич. (ферментативный) синтез гена, в т. ч. человеческого,
вне клетки (in vitro); перенос генов из одного организма в другой, в т.
ч. в клетки человека; стремительно идущая расшифровка химич. структуры
возрастающего числа индивидуальных белков, гл. обр. ферментов, а также
нуклеиновых к-т; обнаружение явлений "самосборки" нек-рых биологич. объектов
всё возрастающей сложности, начиная от молекул нуклеиновых кислот и переходя
к многокомпонентным ферментам, вирусам, рибосомам и т. д.; выяснение ал-лостерических
и др. осн. принципов регулирования биол. функций и процессов.
Редукцяонизм и интеграция. М. б.
является завершающим этапом того направления в изучении живых объектов,
к-рое 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 естеств. 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,
электростатич. сил и т. д. Своей совокупностью и пространственным расположением
они образуют то, что может быть обозначено как "интегратив-ная информация".
Её следует рассматривать как одну из гл. частей уже упоминавшегося потока
информации. В области М. б. примерами интеграции могут служить явления
самосборки сложных образований из смеси их составных частей. Сюда относятся,
напр., образование многокомпонентных белков из их субъединиц, образование
вирусов из их составных частей - белков и нуклеиновой к-ты, восстановление
исходной структуры рибосом после разделения их белковых и нуклеиновых компонентов
и т. д. Изучение этих явлений непосредственно связано с познанием осн.
феноменов "узнавания" молекул биополимеров. Речь идёт о том, чтобы выяснить,
какие сочетания аминокислот - в молекулах белков или нуклеотидов - в нуклеиновых
к-тах 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, напр, транспортными и матричными (в этом случае существенно
расширило наши сведения раскрытие генетич. кода); наконец, это образование
мн. типов структур (напр., рибосом, вирусов, хромосом), в к-рых участвуют
и белки, и нуклеиновые к-ты. 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.
Задачи молекулярной биологии. Наряду
с указанными важными задачами М. б. (познанием закономерностей "узнавания",
самосборки и интеграции) актуальным направлением науч. поиска ближайшего
будущего является разработка методов, позволяющих расшифровывать структуру,
а затем и трёхмерную, пространственную организацию высокомолекулярных нуклеиновых
к-т. В данное время это достигнуто в отношении общего плана трёхмерной
структуры ДНК (двойной спирали), но без точного знания её первичной структуры.
Быстрые успехи в разработке аналитич. методов позволяют с уверенностью
ждать достижения указанных целей на протяжении ближайших лет. Здесь, разумеется,
гл. вклады идут от представителей смежных наук, в первую очередь физики
и химии. Все важнейшие методы, использование к-рых обеспечило возникновение
и успехи М. б., были предложены и разработаны физиками (ультрацентрифугирование,
рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, ядерный магнитный
резонанс и др.). Почти все новые физич. экспериментальные подходы (напр.,
использование ЭВМ, синхро-тронного, или тормозного, излучения, лазерной
техники и др.) открывают новые возможности для углублённого изучения проблем
М. б. В числе важнейших задач практич. характера, ответ на к-рые ожидается
от М. о., на первом месте стоит проблема молекулярных основ злокачеств,
роста, далее - пути предупреждения, а быть может, и преодоления наследств,
заболеваний - "молекулярных болезней". Большое значение будет иметь
выяснение молекулярных основ биологич. катализа, т. е. действия ферментов.
К числу важнейших совр. направлений М. б. следует отнести стремление расшифровать
молекулярные механизмы действия гормонов, токсич. и лекарств, веществ,
а также выяснить детали молекулярного строения и функционирования таких
клеточных структур, как биологические мембраны, участвующие в регуляции
процессов проникновения и транспорта веществ. Более отдалённые цели М.
б.-познание природы нервных процессов, механизмов памяти и т. д.
Один из важных формирующихся разделов М. б.-т. н. генная инженерия, ставящая
своей задачей целенаправленное оперирование генетич. аппаратом (гено-мом)
живых
организмов, начиная с микробов и низших (одноклеточных) и кончая человеком
(в последнем случае прежде всего в целях радикального лечения
наследственных
заболеваний и исправления генетич. дефектов). О более обширных вмешательствах
в генетич. основу человека речь может идти лишь в более или менее отдалённом
будущем, т. к. при этом возникают серьёзные препятствия как технического,
так и принципиального характера. В отношении микробов, растений, а возможно,
и с.-х. животных такие перспективы весьма обнадёживаю-щи (напр., получение
сортов культурных растений, обладающих аппаратом фиксации азота из воздуха
и не нуждающихся в удобрениях). Они основаны на уже достигнутых успехах:
изолирование и синтез генов, перенос генов из одного организма в другой,
применение массовых культур клеток в качестве продуцентов хоз. или мед.
важных веществ.
биологии. Быстрое развитие М. б. повлекло за собой возникновение большого
числа специализированных н.-и. центров. Количество их быстро возрастает.
Наиболее крупные: в Великобритании -Лаборатория молекулярной биологии в
Кембридже, Королевский ин-т в Лондоне; во Франции - ин-ты молекулярной
биологии в Париже, Марселе, Страсбург, Пастеровский ин-т; в США - отделы
М. б. в ун-тах и ин-тах в Бостоне (Гарвардский ун-т, Массачусетсский тех-нологич.
ин-т), Сан-Франциско (Беркли), Лос-Анджелесе (Калифорнийский тех-нологич.
ин-т), Нью-Йорке (Рокфеллеровский ун-т), ин-ты здравоохранения в Бетесде
и др.; в ФРГ - ин-ты Макса Планка, ун-ты в Гёттингене и Мюнхене; в Швеции
- Каролинский ин-т в Стокгольме; в ГДР - Центр, ин-т молекулярной биологии
в Берлине, ин-ты в Йене и Галле; в Венгрии - Биол. центр в Сегеде. В СССР
первый специализированный ин-т М. б. был создан в Москве в 1957 в системе
АН СССР (см.. Молекулярной биологии институт); затем были образованы:
Ин-т биоорганической химии АН СССР в Москве, Ин-т белка в Пущино, Биол.
отдел в Ин-те атомной энергии (Москва), отделы М.б.в ин-тах Сио. отделения
АН в Новосибирске, Межфакультетская лаборатория биоор-ганич. химии МГУ,
сектор (затем ин-т) молекулярной биологии и генетики АН УССР в Киеве; значит,
работа по М.б. ведётся в Ин-те высокомолекулярных соединений в Ленинграде,
в ряде отделов и лабораторий АН СССР и др. ведомств.
более широкого масштаба. В Зап. Европе возникла Европ. организация по М.
б. (ЕМБО), в к-рой участвует св. 10 стран. В СССР при Ин-те молекулярной
биологии в 1966 создан науч. совет по М. б., являющийся координирующим
и организующим центром в этой области знаний. Им выпущена обширная серия
монографий по важнейшим разделам М. б., регулярно организуются -"зимние
школы" по М. б., проводятся конференции и симпозиумы по актуальным проблемам
М. б. В дальнейшем науч. советы по М. 6. были созданы при АМН СССР и мн.
респ. Академиях наук. С 1966 выходит журнал "Молекулярная биология" (6
выпусков в год).
значит, отряд исследователей в области М. б.; это учёные старшего поколения,
частично переключившие свои интересы из др. областей; в главной же своей
массе это многочисл. молодые исследователи. Из числа ведущих учёных, принявших
деятельное участие в становлении и развитии М. б. в СССР, можно назвать
таких, как А. А. Баев, А. Н. Белозерский, А. Е. Браунштейн, Ю. А. Овчинников,
А. С. Спирин, М. М. Шемякин, В. А. Эн-гельгардт. Новым достижениям М. б.
и молекулярной генетики будет способствовать постановление ЦК КПСС и Сов.
Мин. СССР (май 1974) "О мерах по ускорению развития молекулярной биологии
и молекулярной генетики и использованию их достижений в народном хозяйстве".
и обмен веществ, пер. с англ., М., 1958; Сент-Дьердьи А., Биоэнергетика,
пер. с англ., М., 1960; А н ф и н-с е н К., Молекулярные основы эволюции,
пер. с англ., М., 1962; Стэнли У., В э-л е н с Э., Вирусы и природа жизни,
пер. с англ., М., 1963; Молекулярная генетика, пер. с англ., ч. 1, М.,
1964; В о л ь к е н-ш т е и н М. В., Молекулы н жизнь. Введение в молекулярную
биофизику, М., 1965; Гауровиц Ф., Химия н функции белков, пер. с англ.,
М., 1965; Б р е с л е р С. Е., Введение в молекулярную биологию, 3 изд.,
М. - Л., 1973; Ингрэм В., Биосинтез макромолекул, пер. с англ., М., 1966;
Э н г е л ь г а р д т В. А., Молекулярная биология, в кн.: Развитие биологии
в СССР, М., 1967; Введение в молекулярную биологию, пер. с англ., М., 1967;
У о т-с о н Д ж., Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967; Ф
н н е а н Д ж., Биологические ультраструктуры, пер. с англ., М., 1970;
БендоллД ж., Мышцы, молекулы и движение, пер. с англ., М., 1970; И ч а
с М., Биологический код, пер. с англ., М., 1971; Молекулярная биология
вирусов, М., 1971; Молекулярные основы биосинтеза белков, М., 1971; Бернхард
С., Структура и функция ферментов, пер. с англ., М., 1971; С п и р н н
А. С., Гавр и лова Л. П., Рибосома, 2 изд., М., 1971; Ф р е н-кель-Конрат
X., Химия и биология вирусов, пер. с англ., М., 1972; Смит К., Хэнеуолт
Ф., Молекулярная фотобиология. Процессы инактивации и восстановления, пер.
с англ., М., 1972; X а р р и с Г., Основы биохимической генетики человека)
пер. с англ., М., 1973.
В. А. Энгельгардт.
А Б В Г Д Е Ё 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