Прикладне значення молекулярної біології. молекулярний біолог

Молекулярна біологія, наука, що ставить своїм завданням пізнання природи явищ життєдіяльності шляхом вивчення біологічних об'єктів і систем на рівні, що наближається до молекулярному, а в ряді випадків і 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. Відмітна риса М. б. - вивчення явищ життя на неживих об'єктах або таких, яким притаманні найпримітивніші прояви життя. Такими є біологічні освіти від клітинного рівня і нижче: субклітинні органели, такі, як ізольовані клітинні ядра, мітохондрії, рибосоми, хромосоми, клітинні мембрани; далі - системи, які стоять на кордоні живої та неживої природи, - віруси, в тому числі і бактеріофаги, і кінчаючи молекулами найважливіших компонентів живої матерії - нуклеїнових кислот і білків.

відмінною рисою М. б. є її тривимірність. Сутність М. б. вбачається М. Перуцем в тому, щоб витлумачити біологічні функції в поняттях молекулярної структури. М. б. ставить своїм завданням отримати відповіді на питання "як", пізнавши сутність ролі та участі всієї структури молекули, і на питання "чому" і "навіщо", з'ясувавши, з одного боку, зв'язки між властивостями молекули (знову-таки в першу чергу білків і нуклеїнових кислот) і здійснюваними нею функціями і, з іншого боку, роль таких окремих функцій в загальному комплексі проявів життєдіяльності.

найважливіші досягнення молекулярної біології. Ось далеко не повний перелік цих досягнень: розкриття структури і механізму біологічної функції ДНК, всіх типів РНК і рибосом, розкриття генетичного коду; відкриття зворотної транскрипції, т. е. синтезу ДНК на матриці РНК; вивчення механізмів функціонування дихальних пігментів; відкриття тривимірної структури і її функціональної ролі в 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, в тому числі людського, поза кліткою (in vitro); перенесення генів з одного організму в інший, в тому числі в клітини людини; стрімко йде розшифровка хімічної структури зростаючого числа індивідуальних білків, головним чином ферментів, а також нуклеїнових кислот; виявлення явищ "самозборки" деяких біологічних об'єктів все зростаючої складності, починаючи від молекул нуклеїнових кислот і переходячи до багатокомпонентних ферментам, вірусам, рибосом і т. д .; з'ясування аллостеріческіх та інших основних принципів регулювання біологічних функцій і процесів.

Завдання молекулярної біології. Поряд із зазначеними важливими завданнями М. б. (Пізнанням закономірностей "впізнавання", самозборки і інтеграції) актуальним напрямом наукового пошуку найближчого майбутнього є розробка методів, що дозволяють розшифровувати структуру, а потім і тривимірну, просторову організацію високомолекулярних нуклеїнових кислот. Всі найважливіші методи, використання яких забезпечило виникнення і успіхи М. б., Були запропоновані і розроблені фізиками (ультрацентрифугирование, рентгеноструктурний аналіз, електронна мікроскопія, ядерний магнітний резонанс і ін.). Майже всі нові фізичні експериментальні підходи (наприклад, використання ЕОМ, синхротронного, або гальмівного, випромінювання, лазерної техніки та ін.) Відкривають нові можливості для поглибленого вивчення проблем М. б. У числі найважливіших завдань практичного характеру, відповідь на які очікується від М. б., На першому місці стоїть проблема молекулярних основ злоякісного росту, далі - шляхи попередження, а можливо, і подолання спадкових захворювань - "молекулярних хвороб". Велике значення матиме з'ясування молекулярних основ біологічного каталізу, т. Е. Дії ферментів. До числа найважливіших сучасних напрямків М. б. слід віднести прагнення розшифрувати молекулярні механізми действіягормонов, токсичних і лікарських речовин, а також з'ясувати деталі молекулярногобудови і функціонування таких клітинних структур, як біологічні мембрани, що беруть участь в регуляції процесів проникнення і транспорту речовин. Більш віддалені цілі М. б. - пізнання природи нервових процесів, механізмів пам'яті і т. Д. Один з важливих формуються розділів М. б. - т. Зв. генна інженерія, що ставить своїм завданням цілеспрямоване оперування генетичним апаратом (геномом) живих організмів, починаючи з мікробів і нижчих (одноклітинних) і кінчаючи людиною (в останньому випадку перш за все з метою радикального лікування спадкових захворювань та виправлення генетичних дефектів).

Найважливіші напрямки МБ:

- Молекулярна генетика - дослідження структурно-функціональної організації генетичного апарату клітини і механізму реалізації спадкової інформації

- Молекулярна вірусологія - дослідження молекулярних механізмів взаємодії вірусів з клітинами

- Молекулярна імунологія - вивчення закономірностей імунних реакцій організму

- Молекулярна біологія розвитку - дослідження появи різноякісності клітин в ході індивідуального розвитку організмів і спеціалізації клітин

Основні об'єкти дослідження: Віруси (в т.ч. бактеріофаги), Клітини і субклітинні структури, Макромолекули, Багатоклітинні організми.

Можна сказати, що молекулярна біологія досліджує прояви життя на неживих структурах або системах з елементарними ознаками життєдіяльності (якими можуть бути окремі біологічні макромолекули, їх комплекси або органели), вивчаючи, яким чином ключові процеси, що характеризують живу матерію, реалізуються за допомогою хімічних взаємодій і перетворень.

Виділення молекулярної біології з біохімії в самостійну галузь науки продиктовано тим, що її головним завданням є вивчення структури і властивостей біологічних макромолекул, що беруть участь в різних процесах, з'ясування механізмів їх взаємодії. Біохімія же займається вивченням власне процесів життєдіяльності, закономірностей їх протікання в живому організмі і перетворень молекул, які супроводжують ці процеси. В остаточному підсумку, молекулярна біологія намагається відповісти на питання, навіщо відбувається той чи інший процес, тоді як біохімія відповідає на питання де і як з точки зору хімії відбувається даний процес.

Історія

Молекулярна біологія як окремий напрямок біохімії почала формуватися в 30-х роках минулого століття. Саме тоді для поглибленого розуміння феномену життя виникла необхідність в цілеспрямованих дослідженнях на молекулярному рівні процесів зберігання і передачі спадкової інформації в живих організмах. Тоді і визначилася завдання молекулярної біології у вивченні структури, властивостей і взаємодії нуклеїнових кислот і білків. Термін «молекулярна біологія» був вперше використаний англійським ученим Вільямом Астбері в контексті досліджень, які стосувалися з'ясування залежностей між молекулярною структурою і фізичними та біологічними властивостями фібрилярних білків, таких, як колаген, фібрин крові або скоротливі білки м'язів.

На зорі виникнення молекулярної біології РНК вважалася компонентом рослин і грибів, а ДНК розглядалася як типовий компонент тваринних клітин. Першим дослідником, який довів, що ДНК міститься в рослинах, був Андрій Миколайович Білозерський, який виділив в 1935 році ДНК гороху. Це відкриття встановило той факт, що ДНК є універсальниой нуклеїнової кислотою, яка присутня в клітинах рослин і тварин.

Серйозним досягненням стало встановлення Джорджем Бідлом і Едуардом Татумом прямого причинно-наслідкового зв'язку між генами і білками. У своїх експериментах вони піддавали клітини нейроспори ( Neurosporacrassa) Ретгеновскому опроміненню, що викликають мутації. Отримані результати показали, що це призводило до зміни властивостей специфічних ферментів.

У 1940 році Альбер Клод виділив з цитоплазми тваринних клітин цитоплазматические РНК-містять гранули, які були менше мітохондрій. Він назвав їх мікросомами. Згодом при дослідженні структруи і властивостей виділених частинок була встановлена \u200b\u200bїх основна роль в процесі біосинтезу білка. У 1958 році на першому симпозіумі, присвяченому цим частинкам, було прийнято рішення називати ці частинки рибосомами.

Ще одним важливим кроком у розвитку молекулярної біології стали опубліковані в 1944 р дані експерименту Освальда Евері, Коліна Маклауд і Макліна МакКарті, які показали, що причиною трансформації бактерій є ДНК. Це було перше експериментальне підтвердження ролі ДНК у передачі спадкової інформації, розвінчати існувало раніше уявлення про білкової природи генів.

На початку 50-х років Фредерік Сенгер показав, що білкова ланцюг є унікальною послідовністю амінокислотних залишків. В кінці 50-х років Макс Перуц і Джон Кендрю розшифрували просторова будова перших білків. Вже у 2000 році були відомі сотні тисяч природних амінокислотних послідовностей і тисячі просторових структур білків.

Приблизно в той же час дослідження Ервіна Чаргаффа дозволили йому сформулювати правила, що описують співвідношення азотистих основ в ДНК (правила говорять, що незалежно від видових відмінностей в ДНК кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину, а кількість аденіну дорівнює кількості Теміна), що допомогло в подальшому зробити найбільший прорив в молекулярної біології і одне з найбільших відкриттів в біології взагалі.

Ця подія відбулася в 1953 році, коли Джеймс Уотсон і Френсіс Крік, грунтуючись на роботах Розалінди Франклін і Моріса Уїлкинса по рентгено-структурному аналізу ДНК, встановили двухспіральной структуру молекули ДНК. Це відкриття дозволило відповісти на принципове питання про здатність носія спадкової інформації до самовідтворення і зрозуміти механізм передачі такої інформації. Цими ж вченими був сформульований принцип комплементарності азотистих основ, що має ключове значення для розуміння механізму утворення надмолекулярних структур. Це принцип, який застосовується тепер для опису всіх молекулярних комплексів, дозволяє описувати і передбачати умови виникнення слабких (невалентних) міжмолекулярних взаємодій, що обумовлюють можливість формування вторинної, третинної і т.д. структури макромолекул, протікання самозборки надмолекулярних біологічних систем, що визначають таку велику різноманітність молекулярних структур і їх функціональних наборів. Тоді ж, в 1953 році виник науковий журнал Journal of Molecular Biology. Його очолив Джон Кендрю, сферою наукових інтересів якого було дослідження структури глобулярних білків ( Нобелівська премія 1962 року спільно з Максом Перуцем). Аналогічний російськомовний журнал під назвою «Молекулярна біологія» був заснований в СРСР В. А. Енгельгардтом в 1966 році.

У 1958 році Френсіс Крік сформулював т.зв. центральна догму молекулярної біології: уявлення про незворотність потоку генетичної інформації від ДНК через РНК до білків за схемою ДНК → ДНК (реплікація, створення копії ДНК), ДНК → РНК (транскрипція, копіювання генів), РНК → білок (трансляція, декодування інформації про структуру білків). Ця догма в 1970 році була кілька поправлена \u200b\u200bз урахуванням накопичених знань, оскільки було відкрито явище зворотної транскрипції незалежно Ховардом Теміном і Девідом Балтімором: був виявлений фермент - ревертаза, що відповідає за здійснення зворотної транскрипції - освіти двуцепочечной ДНК на матриці одноцепочечной РНК, яке відбувається у онкогенних вірусів. Слід зазначити, що сувора необхідність потоку генетичної інформації від нуклеїнових кислот до білків досі залишається основою молекулярної біології.

У 1957 році Олександр Сергійович Спірін спільно з Андрієм Миколайовичем Білозерським показали, що, при істотних відмінностях в нуклеотидном складі ДНК з різних організмів, склад сумарних РНК подібний. На підставі цих даних вони прийшли до сенсаційного висновку про те, що сумарна РНК клітини не може виступати в якості переносника генетичної інформації від ДНК до білків, оскільки не відповідає їй за своїм складом. Разом з тим вони помітили, що існує мінорна фракція РНК, яка повністю відповідає за своїм нуклеотидному складу ДНК і яка може бути істинним переносником генетичної інфрмації від ДНК до білків. В результаті вони передбачили існування відносно невеликих молекул РНК, які є за будовою аналогами окремих ділянок ДНК і виконують роль посередників при передачі генетичної інформації, що міститься в ДНК, в рибосому, де з використанням цієї інформації здійснюється синтез білкових молекул. У 1961 році (С. Бреннер, Ф. Жакоб, М. Месельсон з одного боку і Ф. Гро, Франсуа Жакоб і Жак Моно першими отримали дослідне підтвердження існування таких молекул - інформаційної (матричної) РНК. Тоді ж вони розробили концепцію і модель функціональної одиниці ДНК - оперона, яка дозволила пояснити, як саме здійснюється регуляція експресії генів у прокаріотів. Дослідження механізмів біосинтезу білка і принципів структурної організації і роботи молекулярних машин - рибосом - дозволило сформулювати постулат, що описує рух генетичної інформації, званий центральної догмою молекулярної біології: ДНК - іРНК - білок.

У 1961 році і протягом наступних кількох років Хайнріхом Матте і Маршаллом Ніренбергом, а потім Харом Кораною і Робертом Холлі були проведені кілька робіт по розшифровці генетичного коду, в результаті яких було встановлено безпосередній взаємозв'язок між структурою ДНК і синтезуються білки і визначено послідовність нуклеотидів, яка визначає набір амінокислот у білку. Також були отримані дані про універсальність генетичного коду. Відкриття були відзначені Нобелівською премією 1968 року.

Для розвитку сучасних уявлень про функції РНК вирішальним було відкриття некодуючих РНК, зроблене за результатами робіт Олександра Сергійовича Спіріна спільно з Андрієм Миколайовичем Білозерським 1958 року народження, Чарльзом Бреннером зі співавторами і Солом Шпігельманом 1961 року. Цей вид РНК складають основну частину клітинних РНК. До Некодуючі в першу чергу відносяться Хвороби.

Серйозне розвиток отримали способи культивування та гібридизації тварин клітин. У 1963 році Франсуа Жакобом і Сіднеема Бреннером були сформульовані уявлення про РЕПЛІКОН - послідовності невід'ємно реплицирующихся генів, що пояснює важливі аспекти регуляції реплікації генів.

У 1967 році в лабораторії А. С. Спіріна було вперше продемонстровано, що форма компактно згорнутої РНК визначає морфологію рибосомной частки.

У 1968 році було зроблено значний фундаментальне відкриття. Окадзакі, виявивши фрагменти ДНК відстає ланцюга при дослідженні процесу реплікації, названі на честь неї фрагментами Окадзакі, уточнила механізм реплікації ДНК.

У 1970 році незалежно Ховардом Теміном і Девідом Балтімором було зроблено значне відкриття: було виявлено фермент - ревертаза, що відповідає за здійснення зворотної транскрипції - освіти двуцепочечной ДНК на матриці одноцепочечной РНК, яке відбувається у онкогенних вірусів, що містять РНК.

Ще одним важливим досягненням молекулярної біології стало пояснення механізму мутацій на молекулярному рівні. В результаті серії досліджень були встановлені основні типи мутацій: дуплікації, інверсії, делеції, транслокації та транспозиції. Це дало можливість розглядати еволюційні зміни з точки зору генних процесів, дозволило розробити теорію молекулярних годин, яка застосовується в філогенії.

До початку 70-х років були сформульовані основні принципи функціонування нуклеїнових кислот і білків в живому організмі. Було встановлено, що білки і нуклеїнові кислоти в організмі синтезуються по матричному механізму, молекула-матриця несе в собі зашифровану інформацію про послідовність амінокислот (в білку) або нуклеотидів (в нуклеїнової кислоти). При реплікації (подвоєння ДНК) або транскрипції (синтез іРНК) такою матрицею служить ДНК, при трансляції (синтезі білка) або зворотної транскрипції - іРНК.

Таким чином, були створені теоретичні передумови для розвитку прикладних напрямків молекулярної біології, зокрема, генетичної інженерії. У 1972 році Пол Берг, Герберт Боєр і Стенлі Коен розробили технологію молекулярного клонування. Тоді ними вперше була отримана в пробірці рекомбінантна ДНК. Ці видатні експерименти заклали основи генетичної інженерії, а цей рік вважається датою народження цього наукового напрямку.

У 1977 році Фредерік Сенгер, і незалежно Аллан Максам і Уолтер Гілберт розробили різні методи визначення первинної структури (секвенування) ДНК. Метод Сенгера, так званий метод обриву ланцюга, є основою сучасного методу секвенування. Принцип секвенування заснований на використанні мічених підстав, які виступають в якості термінаторів в циклічної реакції секвенування. Цей метод набув широкого поширення завдяки можливості швидко проводити аналіз.

1976 г. - Фредерік. Сенгер розшифрував нуклеотидную послідовність ДНК фага φΧ174 довжиною 5375 нуклеотидних пар.

1981 г. - серповидноклітинна анемія стає першою генетичної хворобою, яка діагностується за допомогою аналізу ДНК.

1982-1983 відкриття каталітичної функції РНК в американських лабораторіях Т. Чека і С. Олтмана змінило існувало уявлення про виняткову роль білків. За аналогією з каталітичними білками - ензимами, каталітичні РНК були названі рибозимами.

1987 рік Кері Мюллез відкрив полімеразної ланцюгової реакції, завдяки якій можливо штучно значно збільшити кількість молекул ДНК в розчині для подальшої роботи. На сьогоднішній день це один з найбільш важливих методів молекулярної біології, що застосовується при дослідженні спадкових і вірусних захворювань, при вивченні генів і при генетичному встановленні особи і встановлення спорідненості і т.п.

У 1990 році одночасно трьома групами вчених була опублікована метод, що дозволяв швидко отримувати в лабораторії синтетичні функціонально активні РНК (штучні рибозими або молекули, які взаємодіють з різними лігандами - аптамери). Цей метод отримав назву «еволюція в пробірці». А незабаром після цього, в 1991-1993 роки в лабораторії А.Б. Четверіна була експериментально показана можливість існування, зростання і ампліфікації молекул РНК в формі колоній на твердих середовищах.

У 1998 році практично одночасно Крейг Мелло і Ендрю Фаєр описали спостерігався раніше при генних експериментах з бактеріями і квітами механізм РНК-інтерференції, При якому невелика дволанцюжкова молекула РНК призводить до специфічного придушення експресії гена.

Відкриття механізму РНК-інтерференції має дуже важливе практичне значення для сучасної молекулярної біології. Це явище широко використовується в наукових експериментах в якості інструменту для «виключення», тобто, придушення експресії окремих генів. Особливий інтерес викликаний тим, що цей спосіб дозволяє здійснювати оборотне (тимчасове) придушення активності досліджуваних генів. Ведуться дослідження можливості застосування цього явища для лікування вірусних, пухлинних, дегенеративних і метаболічних захворювань. Слід зазначити, що в 2002 році були відкриті мутанти віруси поліомієліту, здатні уникати РНК-інтерференції, тому потрібно ще копітка робота для розробки дійсно ефективних методів лікування на основі цього явища.

У 1999-2001 роках декількома групами дослідників визначена з дозволом від 5,5 до 2,4 ангстрем структура бактеріальної рибосоми.

предмет

Досягнення молекулярної біології в пізнанні живої природи важко переоцінити. Великих успіхів вдалося досягти завдяки вдалій концепції досліджень: складні біологічні процеси розглядаються з позиції окремих молекулярних систем, що дозволяє застосовувати точні фізико-хімічні методи дослідження. Це також привернуло в цю область науки багато великих умів з суміжних напрямків: хімії, фізики, цитології, вірусології, що також благотворно вплинуло на масштаби і швидкість розвитку наукових знань в цій області. Настільки значущі відкриття, як визначення структури ДНК, розшифровка генетичного коду, штучна спрямована модифікація геному, дозволили значно глибше зрозуміти специфіку процесів розвитку організмів і успішно вирішувати численні найважливіші фундаментальні і прикладні наукові, медичні та соціальні завдання, які ще не так давно вважалися нерозв'язними.

Предметом вивчення молекулярної біології є в основному білки, нуклеїнові кислоти і молекулярні комплекси (молекулярні машини) на їх основі і процеси, в яких вони беруть участь.

Нуклеїнові кислоти являють собою лінійні полімери, що складаються з нуклеотидних ланок (з'єднань пятичленного цукру з фосфатної групою при п'ятому атомі циклу і одного з чотирьох азотистих основ), з'єднаних між собою складноефірного зв'язком фосфатних груп. Таким чином, нуклеїнова кислота - це пентозофосфатний полімер з азотистими підставами як бічних заступників. Хімічний склад ланцюжка РНК відрізняється від ДНК тим, що перша складається з пятичленного циклу вуглеводу рибози, тоді як друга - з дегідрокслілірованного похідного рибози - дезоксирибоза. При цьому просторово ці молекули розрізняються кардинально, оскільки РНК - це гнучка одноцепочечная молекула, тоді як ДНК - це двуцепочечной молекула.

Білки - це лінійні полімери, що представляють собою ланцюжки альфа-амінокислот, з'єднаних між собою пептидного зв'язком, звідки їх друга назва - поліпептиди. До складу природних білків входить безліч різних амінокислотних ланок - у людини до 20 -, що визначає широке розмаїття функціональних властивостей цих молекул. Ті чи інші білки беруть участь майже в кожному процесі в організмі і виконують безліч завдань: грають роль клітинного будівельного матеріалу, забезпечують транспорт речовин і іонів, каталізують хімічні реакції, - список цей дуже довгий. Білки утворюють стійкі молекулярні конформації різного рівня організації (вторинні і третинні структури) і молекулярні комплекси, що ще більше розширює їх функціонал. Ці молекули можуть мати високу специфічність до виконання будь-яких завдань завдяки освіті складної просторової глобулярної структури. Велика розмаїтість білків забезпечує постійний інтерес вчених до цього виду молекул.

Сучасні уявлення про предмет молекулярної біології засновані на узагальненні, висунутому вперше в 1958 році Френсісом Криком як центральна догма молекулярної біології. Суть її полягала в твердженні, що генетична інформація в живих організмах проходить строго певні етапи реалізації: копіювання з ДНК в ДНК вході спадкування, з ДНК в РНК, а потім з РНК в білок, причому зворотний перехід не здійснимо. Це твердження було справедливо лише частково, тому згодом центральна догма була поправлена \u200b\u200bз оглядкою на що відкрилися нові дані.

На даний момент відомо кілька шляхів реалізації генетичного матеріалу, що представляють різні послідовності здійснення трьох видів існування генетичної інформації: ДНК, РНК і білок. У дев'яти можливих шляхах реалізації виділяють три групи: це три загальних перетворення (general), що здійснюються в нормі в більшості живих організмів; три особливих перетворення (special), що здійснюються в деяких віруси або в особливих лабораторних умовах; три невідомих перетворення (unknown), здійснення яких, як вважається, неможливо.

До загальних перетворенням відносяться наступні шляхи реалізації генетичного коду: ДНК → ДНК (реплікація), ДНК → РНК (транскрипція), РНК → білок (трансляція).

Для здійснення передачі спадкових ознак батькам необхідно передати нащадкам повноцінну молекулу ДНК. Процес, завдяки якому на основі вихідної ДНК може бути синтезована її точна копія, а отже, може бути переданий генетичний матеріал, називається реплікацією. Він здійснюється спеціальними білками, які розплутують молекулу (випрямляють її ділянка), розплітає подвійну спіраль і за допомогою ДНК-полімерази створюють точну копію вихідної молекули ДНК.

Для забезпечення життєдіяльності клітини їй необхідно постійно звертатися до генетичним кодом, закладеному в подвійної спіралі ДНК. Однак ця молекула занадто велика і неповоротка для застосування її в якості безпосереднього джерела генетичного матеріалу для безперервного синтезу білка. Тому в ході реалізації інформації, закладеної в ДНК, є посередницька стадія: синтез іРНК, що представляє собою невелику одноцепочечную молекулу, комплементарную певного відрізку ДНК, що кодує певний білок. Процес транскрипції забезпечується РНК-полімерази і факторами транскрипції. Отримана молекула потім може бути легко доставлена \u200b\u200bдо відділу клітини, відповідальний за синтез білка - рибосому.

Після потрапляння і РНК в рибосому настає заключна стадія реалізації генетичної інформації. При цьому рибосома зчитує з іРНК генетичний код триплету, що називаються кодонами і синтезує на основі одержуваної інформації відповідний білок.

В ході особливих перетворень генетичний код реалізується за схемою РНК → РНК (реплікація), РНК → ДНК (зворотна транскрипція), ДНК → білок (пряма трансляція). Реплікація такого виду реалізується в багатьох віруси, де вона здійснюється ферментом РНК-залежною РНК-полімеразою. Аналогічні ферменти знаходяться і в клітинах еукаріот, де вони пов'язані з процесом РНК-глушіння (silencing). Зворотній транскрипція виявлена \u200b\u200bв ретровірусів, де вона здійснюється під впливом ферменту зворотної транскриптази, а також в деяких випадках в клітині, наприклад, при теломерной синтезі. Пряма трансляція здійснюється тільки в штучних умовах в ізольованій системі поза клітиною.

Будь-який з трьох можливих переходів генетичної інформації з білка в білок, РНК або ДНК вважається неможливим. Випадок впливу пріонів на білки, в результаті якого утворюється аналогічний прион, умовно можна було б віднести до виду реалізації генетичної інформації білок → білок. Проте, формально він таким не є, оскільки не зачіпає амінокислотну послідовність в білку.

Цікава історія виникнення терміну «центральна догма». Оскільки слово догма в загальному випадку означає твердження, яке не підлягає сумніву, а саме слово має явний релігійний підтекст, вибір його в якості опису наукового факту не зовсім правомірний. За визнанням самого Френсіса Кріка, це була його помилка. Він хотів надати висунутою теорії більшої значущості, виділити її на тлі інших теорій і гіпотез; для чого вирішив використовувати це величне, за його поданням, слово, не розуміючи його справжнього змісту. Назва ця, однак, прижилося.

Молекулярна біологія сьогодні

Бурхливий розвиток молекулярної біології, постійний інтерес до досягнень в цій області з боку суспільства і об'єктивна важливість досліджень привели до виникнення великої кількості великих науково-дослідних центрів молекулярної біології по всьому світу. Серед найбільших слід згадати наступні: лабораторія молекулярної біології в Кембриджі, Королівський інститут у Лондоні - в Великобританії; інститути молекулярної біології в Парижі, Марселі та Страсбурзі, Пастеровский інститут - у Франції; відділи молекулярної біології в Гарвардському університеті і Массачусетському технологічному інституті, університеті в Берклі, в Каліфорнійському технологічному інституті, в Рокфеллеровском університеті, в інституті охорони здоров'я в Бетесді - в США; інститути Макса Планка, університети в Геттінгені і Мюнхені, Центральний інститут молекулярної біології в Берліні, інститути в Єні і Халле - в Німеччині; Каролінський інститут в Стокгольмі в Швеції.

У Росії провідними центрами в цій області є Інститут молекулярної біології ім. В.А.Енгельгардта РАН, Інститут молекулярної генетики РАН, Інститут біології гена РАН, Інститут фізико-хімічної біології ім. А. Н. Білозерського МГУ ім. М.В.Ломоносова, Інститут біохімії ім. А.Н.Баха РАН та Інститут білка РАН в Пущино.

Сьогодні область інтересів молекулярних біологів охоплює широкий спектр фундаментальних наукових питань. Як і раніше провідну роль займає вивчення структури нуклеїнових кислот і біосинтезу білка, дослідження будови і функцій різних внутрішньоклітинних структур, і клітинних поверхонь. Також важливими напрямки досліджень є вивчення механізмів рецепції і передачі сигналів, молекулярних механізмів транспорту з'єднань всередині клітини а також з клітки в зовнішнє середовище і назад. Серед основних напрямків наукового пошуку в галузі прикладної молекулярної біології однієї з найбільш пріоритетних є проблема виникнення і розвитку пухлин. Також дуже важливим напрямком, вивченням якого займається розділ молекулярної біології - молекулярна генетика, є вивчення молекулярних основ виникнення спадкових захворювань, і вірусних захворювань, наприклад, СНІДу, а також розробка способів їх попередження і, можливо, лікування на генному рівні. Широке застосування знайшли відкриття і розробки молекулярних біологів в судовій медицині. Справжня революція в області ідентифікації особистості була зроблена в 80-х роках вченими з Росії, США і Великобританії завдяки розробці і впровадженню в повсякденну практику методу «геномної дактилоскопії» - встановлення особи по ДНК. Дослідження в цій області не припиняються і до цього дня, сучасні методи дозволяють встановлювати особу з ймовірністю помилки одна мільярдна відсотка. Вже зараз йде активна розробка проекту генетичного паспорта, що, як передбачається, дозволить значно скоротити рівень злочинності.

Методологія

Сьогодні молекулярна біологія має в своєму розпорядженні великий арсенал методів, що дозволяють вирішувати самі передові і найскладніші завдання, що стоять перед вченими.

Одним з найбільш поширених методів в молекулярної біології є гель-електрофорез, Який вирішує завдання поділу суміші макромолекул за розміром або по заряду. У більшості випадків після поділу макромолекул в гелі застосовується блот, метод, що дозволяє переносити макромолекули з гелю (сорбувати) на поверхню мембрани для зручності подальшої роботи з ними, зокрема гібридизації. Гібридизація - формування гібридної ДНК з двох ланцюгів, що мають різну природу, - метод, який грає важливу роль в фундаментальних дослідженнях. Він застосовується для визначення комплементарних відрізків в різних ДНК (ДНК різних видів), з його допомогою відбувається пошук нових генів, з його допомогою було відкрито РНК інтерференція, а його принцип ліг в основу геномної дактилоскопії.

Велику роль в сучасній практиці молекулярно-біологічних досліджень відіграє метод секвенування - визначення послідовності нуклеотидів в нуклеїнових кислотах і амінокислот в білках.

Сучасну молекулярну біологію неможливо уявити без методу полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР). Завдяки цьому методу здійснюється збільшення кількості (ампліфікація) копій деякої послідовності ДНК, щоб дозволяє отримати з однієї молекули достатню кількість речовини для подальшої роботи з ним. Аналогічний результат досягається технологією молекулярного клонування, в якій вимагається нуклеотидних послідовність впроваджується в ДНК бактерії (живих систем), після чого розмноження бактерій призводить до необхідного результату. Цей підхід технічно значно складніше, проте дозволяє одночасно отримувати результат експресії досліджуваної нуклеотидноїпослідовності.

Також в молекулярно-біологічних дослідженнях широко застосовуються методи ультрацентрифугирование (для поділу макромолекул (великих кількостей), клітин, органел), методи електронної та флуоресцентної мікроскопії, спектрофотометричні методи, рентгеноструктурний аналіз, авторадіографія, і т.п.

Завдяки технічному прогресу і наукових пошуків в області хімії, фізики, біології та інформатики сучасне обладнання дозволяє виділяти, вивчати і змінювати окремі гени і процеси, в які вони залучені.

31.2

Для друзів!

Довідка

Молекулярна біологія виросла з біохімії в квітні 1953 року. Її поява пов'язана з іменами Джеймса Уотсона і Френсіса Кріка, які відкрили структуру молекули ДНК. Відкриття стало можливим завдяки дослідженню генетики, бактерій і біохімії вірусів. Професія молекулярний біолог не має широкого поширення, але на сьогоднішній день її роль в сучасному суспільстві дуже велика. Велика кількість захворювань, в тому числі, що проявляються на генетичному рівні, вимагає від вчених пошуку варіантів розв'язання проблеми.

опис діяльності

Віруси і бактерії постійно мутують, а це значить, що людині перестають допомагати ліки і хвороби стають важковиліковні. Завдання молекулярної біології - випередити цей процес і розробити новий засіб від хвороб. Вчені працюють за налагодженою схемою: блокування причини захворювання, усунення механізмів спадковості і полегшення тим самим стану пацієнта. У світі існує ряд центрів, клінік і лікарень, де молекулярні біологи в допомогу пацієнтам розробляють нові способи лікування.

трудові обов'язки

В обов'язки молекулярного біолога входить вивчення процесів всередині клітини (наприклад, зміни в ДНК при розвитку пухлин). Також фахівці вивчають особливості ДНК, їх вплив на весь організм і окрему клітку. Такі дослідження проводяться, наприклад, на підставі ПЛР (полімеразна ланцюгова реакція), Яка дозволяє зробити аналіз організму на інфекції, спадкові захворювання і визначити біологічне споріднення.

Особливості кар'єрного росту

Професія молекулярний біолог досить перспективна у своїй сфері і вже сьогодні претендує на перші місця в рейтингу медичних професій майбутнього. До речі, молекулярному біологу не обов'язково весь час залишатися в цій сфері. Якщо виникне бажання змінити рід занять, він може перекваліфікуватися в менеджери з продажу лабораторного обладнання, почати розробляти прилади для різних досліджень або відкрити свою справу.

Молекулярна біологія пережила період бурхливого розвитку власних методів дослідження, якими тепер відрізняється від біохімії. До них, зокрема, відносяться методи генної інженерії, клонування, штучної експресії і нокауту генів. Оскільки ДНК є матеріальним носієм генетичної інформації, молекулярна біологія значно зблизилася з генетикою, і на стику утворилася молекулярна генетика, яка є одночасно розділом генетики та молекулярної біології. Так само, як молекулярна біологія широко застосовує віруси як інструмент дослідження, в вірусології для вирішення своїх завдань використовують методи молекулярної біології. Для аналізу генетичної інформації залучається обчислювальна техніка, в зв'язку з чим з'явилися нові напрямки молекулярної генетики, які іноді вважають особливими дисциплінами: біоінформатика, геноміка і протеоміка.

Історія розвитку

Це основне відкриття було підготовлено тривалим етапом досліджень генетики і біохімії вірусів і бактерій.

У 1928 році Фредерік Гріффіт вперше показав, що екстракт убитих нагріванням хвороботворних бактерій може передавати ознака патогенності безпечним бактеріям. Дослідження трансформації бактерій в подальшому призвело до очищення хвороботворного агента, яким, всупереч очікуванням, виявився не білок, а нуклеїнова кислота. Сама по собі нуклеїнова кислота не є небезпечною, вона лише переносить гени, що визначають патогенність і інші властивості мікроорганізму.

У 50-х роках XX століття було показано, що у бактерій існує примітивний статевий процес, вони здатні обмінюватися позахромосомних ДНК, плазмідами. Відкриття плазмід, як і трансформації, лягло в основу поширеної в молекулярної біології плазмідної технології. Ще одним важливим для методології відкриттям стало виявлення на початку XX століття вірусів бактерій, бактеріофагів. Фаги теж можуть переносити генетичний матеріал з однієї бактеріальної клітини в іншу. Зараження бактерій фагами призводить до зміни складу бактеріальної РНК. Якщо без фагів складу РНК подібний зі складом ДНК бактерії, то після зараження РНК стає більше схожа на ДНК бактеріофага. Тим самим було встановлено, що структура РНК визначається структурою ДНК. У свою чергу, швидкість синтезу білка в клітинах залежить від кількості РНК-білкових комплексів. Так була сформульована центральна догма молекулярної біології: ДНК ↔ РНК → білок.

Подальший розвиток молекулярної біології супроводжувалося як розвитком її методології, зокрема, винаходом методу визначення нуклеотидної послідовності ДНК (У. Гілберт і Ф. Сенгер, Нобелівська премія з хімії 1980 року), так і новими відкриттями в галузі досліджень будови і функціонування генів (див. Історія генетики). До початку XXI століття були отримані дані про первинну структуру всієї ДНК людини і цілого ряду інших організмів, найбільш важливих для медицини, сільського господарства і наукових досліджень, що призвело до виникнення кількох нових напрямків в біології: геноміки, біоінформатики і ін.

Див. також

Молекулярна біологія (журнал)
Транскріптоміка
молекулярна палеонтологія
EMBO - Європейська організація молекулярних біологів

література

Сінгер М., Берг П. Гени і геноми. - Москва, 1998.
Стент Г., Келіндар Р. Молекулярна генетика. - Москва, 1981.
Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning. - 1989.
Патрушев Л. І. Експресія генів. - М .: Наука, 2000. - 000 с., Іл. ISBN 5-02-001890-2

посилання

Wikimedia Foundation. 2010 року.

Ардатовський район Нижегородської області
Арзамаський район Нижегородської області

Дивитися що таке "Молекулярна біологія" в інших словниках:

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ - вивчає осн. властивості і прояви життя на молекулярному рівні. Найважливішими напрямками в М. б. є дослідження структурно-функціональної організації генетичного апарату клітин і механізму реалізації спадкової інформації ... ... Біологічний енциклопедичний словник

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ - досліджує основні властивості і прояви життя на молекулярному рівні. З'ясовує, яким чином і якою мірою ріст і розвиток організмів, зберігання і передача спадкової інформації, перетворення енергії в живих клітинах і ін. Явища обумовлені ... Великий Енциклопедичний словник

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ сучасна енциклопедія

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ - МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ, біологічне вивчення будови і функціонування молекул, з яких складаються живі організми. До основних сфер вивчення відносяться фізичні і хімічні властивості білків і НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ, таких як ДНК. Див. також… … Науково-технічний енциклопедичний словник

молекулярна біологія - розділ біол., Який досліджує основні властивості і прояви життя на молекулярному рівні. З'ясовує, яким чином і якою мірою ріст і розвиток організмів, зберігання і передача спадкової інформації, перетворення енергії в живих клітинах і ... ... словник мікробіології

молекулярна біологія - - Тематики біотехнології EN molecular biology ... Довідник технічного перекладача

молекулярна біологія - МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ, досліджує основні властивості і прояви життя на молекулярному рівні. З'ясовує, яким чином і якою мірою ріст і розвиток організмів, зберігання і передача спадкової інформації, перетворення енергії в живих клітинах і ... ... Ілюстрований енциклопедичний словник

молекулярна біологія - наука, що ставить своїм завданням пізнання природи явищ життєдіяльності шляхом вивчення біологічних об'єктів і систем на рівні, що наближається до молекулярному, а в ряді випадків і досягає цієї межі. Кінцевою метою при цьому ... ... Велика радянська енциклопедія

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ - вивчає явища життя на рівні макромолекул (гл. Обр. Білків і нуклеїнових до т) в безклітинних структурах (рибосоми та ін.), У вірусах, а також в клітинах. Мета М. б. встановлення ролі та механізму функціонування цих макромолекул на основі ... ... Хімічна енциклопедія

молекулярна біологія - досліджує основні властивості і прояви життя на молекулярному рівні. З'ясовує, яким чином і якою мірою ріст і розвиток організмів, зберігання і передача спадкової інформації, перетворення енергії в живих клітинах і інші явища ... ... енциклопедичний словник

книги

Молекулярна біологія клітини. Збірник завдань, Дж. Вілсон, Т. Хант. Книга американських авторів - додаток до 2 - го видання підручника `Молекулярна біологія клеткі` Б. Албертс, Д. Брея, Дж. Льюїса і ін. Містить питання і завдання, мета яких - поглибити ...

молекулярна біологія

наука, що ставить своїм завданням пізнання природи явищ життєдіяльності шляхом вивчення біологічних об'єктів і систем на рівні, що наближається до молекулярному, а в ряді випадків і 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 (Див. Біополімери) - білків і нуклеїнових кислот. Відмітна риса М. б. - вивчення явищ життя на неживих об'єктах або таких, яким притаманні найпримітивніші прояви життя. Такими є біологічні освіти від клітинного рівня і нижче: субклітинні органели, такі, як ізольовані клітинні ядра, мітохондрії, рибосоми, хромосоми, клітинні мембрани; далі - системи, які стоять на кордоні живої та неживої природи, - віруси, в тому числі і бактеріофаги, і кінчаючи молекулами найважливіших компонентів живої матерії - нуклеїнових кислот (Див. Нуклеїнові кислоти) і білків (Див. Білки).

М. б. - нова область природознавства, тісно пов'язана з давно склалися напрямками досліджень, які охоплюються біохімією (Див. Біохімія), біофізики (Див. Біофізика) і біоорганічної хімією (Див. Біоорганічна хімія). Розмежування тут можливо лише на основі врахування застосовуваних методів і з принципового характеру використовуваних підходів.

Фундамент, на якому розвивалася М. б., Закладався такими науками, як генетика, біохімія, фізіологія елементарних процесів і т. Д. По витоків свого розвитку М. би. нерозривно пов'язана з молекулярною генетикою (Див. Молекулярна генетика) , яка продовжує складати важливу частину М. б., хоча і сформувалася вже в значній мірі в самостійну дисципліну. Вичленення М. б. з біохімії продиктовано наступними міркуваннями. Завдання біохімії в основному обмежуються констатацією участі тих чи інших хімічних речовин при певних біологічних функціях і процесах і з'ясуванням характеру їх перетворень; провідне значення належить відомостями про реакційну здатність і про основні риси хімічної будови, що виражається звичайної хімічною формулою. Т. о., По суті, увага зосереджена на перетвореннях, які зачіпають главновалентние хімічні зв'язки. Тим часом, як було підкреслено Л. Полінг му , в біологічних системах і проявах життєдіяльності основне значення має бути відведено не главновалентним зв'язків, що діють у межах однієї молекули, а різноманітним типам зв'язків, що обумовлюють міжмолекулярні взаємодії (електростатичним, ван дер Ваальсових, водневим зв'язкам і ін.).

Кінцевий результат біохімічного дослідження може бути представлений у вигляді тієї чи іншої системи хімічних рівнянь, зазвичай повністю вичерпується їх зображенням на площині, т. Е. В двох вимірах. Відмінною рисою М. б. є її тривимірність. Сутність М. б. вбачається М. Перуц їм в тому, щоб витлумачити біологічні функції в поняттях молекулярної структури. Можна сказати, що якщо раніше при вивченні біологічних об'єктів необхідно було відповісти на питання «що», т. Е. Які речовини присутні, і на питання «де» - в яких тканинах і органах, то М. б. ставить своїм завданням отримати відповіді на питання «як», пізнавши сутність ролі та участі всієї структури молекули, і на питання «чому» і «навіщо», з'ясувавши, з одного боку, зв'язки між властивостями молекули (знову-таки в першу чергу білків і нуклеїнових кислот) і здійснюваними нею функціями і, з іншого боку, роль таких окремих функцій в загальному комплексі проявів життєдіяльності.

Вирішальну роль набувають взаємне розташування атомів і їх угруповань в загальній структурі макромолекули, їх просторові взаємини. Це стосується як окремих, індивідуальних, компонентів, так і загальної конфігурації молекули в цілому. Саме в результаті виникнення строго детермінованою об'ємної структури молекули біополімерів набувають ті властивості, в силу яких вони виявляються здатними служити матеріальною основою біологічних функцій. Такий принцип підходу до вивчення живого становить найбільш характерну, типову рису М. б.

Історична довідка. Величезне значення досліджень біологічних проблем на молекулярному рівні передбачав І. П. Павлов , котра розмовляла про останньому щаблі в науці про життя - фізіології живої молекули. Самий термін «М. б. » був вперше використаний англ. ученим У. Астбері в додатку до досліджень, які стосуються з'ясування залежностей між молекулярною структурою і фізичними та біологічними властивостями фібрилярних (волокнистих) білків, таких, як колаген, фібрин крові або скоротливі білки м'язів. Широко застосовувати термін «М. б. » стали з початку 50-х рр. 20 в.

Виникнення М. б. як сформувалася науки прийнято відносити до 1953 коли Дж. Уотсон му і Ф. Крик му в Кембриджі (Великобританія) була розкрита тривимірна структура дезоксирибонуклеїнової кислоти (Див. Дезоксирибонуклеиновая кислота) (ДНК). Це дозволило говорити про те, яким чином деталі даної структури визначають біологічні функції ДНК в якості матеріального носія спадкової інформації. В принципі, про цю роль ДНК стало відомо дещо 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. Це стало можливим лише після того, як в лабораторіях У. Л. Брегга (Див. Брегга - Вульфа умова), Дж. Бернал а й ін. Були розроблені нові принципи рентгеноструктурного аналізу, що забезпечили застосування цього методу для детального пізнання просторової будови макромолекул білків і нуклеїнових кислот.

Рівні молекулярної організації. У 1957 Дж. Кендрю встановив тривимірну структуру Миоглобин а , а в наступні роки це було зроблено М. Перуцем щодо Гемоглобін а. Були сформульовані уявлення про різні рівні просторової організації макромолекул. Первинна структура - це послідовність окремих ланок (мономерів) в ланцюзі утворюється молекули полімеру. Для білків мономерами є Амінокислоти , для нуклеїнових кислот - Нуклеотиди. Лінійна, ниткоподібна молекула биополимера в результаті виникнення водневих зв'язків має здатність певним чином укладатися в просторі, наприклад в разі білків, як показав Л. Полінг, набувати форми спіралі. Це позначається як вторинна структура. Про третинної структурі кажуть, коли молекула, що володіє вторинної структурою, Складається далі тим чи іншим чином, заповнюючи тривимірний простір. Нарешті, молекули, що володіють тривимірної структурою, можуть вступати у взаємодію, закономірно розташовуючись в просторі відносно один одного і утворюючи те, що позначається як четвертичная структура; її окремі компоненти зазвичай звані субодиницями.

Найбільш наочним прикладом того, як молекулярна тривимірна структура визначає біологічні функції молекули, служить ДНК. Вона володіє будовою подвійної спіралі: дві нитки, що йдуть у взаємно протилежному напрямку (антипараллельно), закручені одна навколо одної, утворюючи подвійну спіраль зі взаємно комплементарних розташуванням підстав, т. Е. Так, що проти певного підстави одного ланцюга завжди в іншому ланцюзі коштує таке підставу, яке найкращим чином забезпечує утворення водневих зв'язків: адепін (А) утворює пару з тиміном (Т), гуанін (Г) - з цитозином (Ц). Така структура створює оптимальні умови для найважливіших біологічних функцій ДНК: кількісного множення спадкової інформації в процесі клітинного ділення при збереженні якісної незмінності цього потоку генетичної інформації. При розподілі клітини нитки подвійної спіралі ДНК, що служить в якості матриці, або шаблону, розплітаються і на кожній з них під дією ферментів синтезується комплементарна нова нитка. В результаті цього з однієї материнської молекули ДНК виходять дві абсолютно тотожні їй дочірні молекули (див. Клітка, Митоз).

Так само і в разі гемоглобіну виявилося, що його біологічна функція - здатність оборотно приєднувати кисень в легенях і потім віддавати його тканинам - найтіснішим чином пов'язана з особливостями тривимірної структури гемоглобіну і її змінами в процесі здійснення властивої йому фізіологічної ролі. При зв'язуванні і дисоціації O 2 відбуваються просторові зміни конформації молекули гемоглобіну, що ведуть до зміни спорідненості містяться в ньому атомів заліза до кисню. Зміни розмірів молекули гемоглобіну, що нагадують зміни обсягу грудної клітини при диханні, дозволили назвати гемоглобін «молекулярними легенями».

Одна з найважливіших рис живих об'єктів - їх здатність тонко регулювати всі прояви життєдіяльності. Великим внеском М. б. в наукові відкриття слід вважати розкриття нового, раніше невідомого регуляторного механізму, що позначається як аллостерічеський ефект. Він полягає в здатності речовин низької молекулярної маси - т. Зв. лігандів - видозмінювати специфічні біологічні функції макромолекул, в першу чергу каталитически діючих білків - ферментів, гемоглобіну, рецепторних білків, що беруть участь в побудові біологічних мембран (Див. Біологічні мембрани), в синаптичній передачі (див. Синапси) і т. д.

Три біотичних потоку.У світлі уявлень М. б. сукупність явищ життя можна розглядати як результат поєднання трьох потоків: потоку матерії, яке знаходить своє вираження в явищах обміну речовин, т. е. асиміляції і дисиміляції; потоку енергії, що є рушійною силою для всіх проявів життєдіяльності; і потоку інформації, що пронизує собою не тільки все різноманіття процесів розвитку і існування кожного організму, але і безперервну низку змінюють один одного поколінь. Саме уявлення про потік інформації, внесене в вчення про живому світі розвитком М. б., Накладає на неї свій специфічний, унікальний відбиток.

Найважливіші досягнення молекулярної біології. Стрімкість, розмах і глибину впливу М. б. на успіхи в пізнанні корінних проблем вивчення живої природи справедливо порівнюють, наприклад, з впливом квантової теорії на розвиток атомної фізики. Два внутрішньо пов'язаних умови визначили це революционизирующее вплив. З одного боку, вирішальну роль зіграло виявлення можливості вивчення найважливіших проявів життєдіяльності в найпростіших умовах, що наближаються до типу хімічних і фізичних експериментів. З іншого боку, як наслідок зазначеної обставини, мало місце швидке включення значного числа представників точних наук - фізиків, хіміків, кристалографії, а потім і математиків - в розробку біологічних проблем. У своїй сукупності ці обставини і зумовили надзвичайно швидкий темп розвитку М. б., Число і значущість її успіхів, досягнутих за все за два десятиліття. Ось далеко не повний перелік цих досягнень: розкриття структури і механізму біологічної функції ДНК, всіх типів РНК і рибосом (Див. Рибосоми) , розкриття генетичного коду (Див. Код генетичний) ; відкриття зворотної транскрипції (Див. Транскрипція) , т. е. синтезу ДНК на матриці РНК; вивчення механізмів функціонування дихальних пігментів; відкриття тривимірної структури і її функціональної ролі в дії ферментів (Див. Ферменти) , принципу матричного синтезу і механізмів біосинтезу білків; розкриття структури вірусів (Див. Віруси) і механізмів їх реплікації, первинної і, частково, просторової структури антитіл; ізолювання індивідуальних Генов , хімічний, а потім біологічний (ферментативний) синтез гена, в тому числі людського, поза кліткою (in vitro); перенесення генів з одного організму в інший, в тому числі в клітини людини; стрімко йде розшифровка хімічної структури зростаючого числа індивідуальних білків, головним чином ферментів, а також нуклеїнових кислот; виявлення явищ «самозборки» деяких біологічних об'єктів все зростаючої складності, починаючи від молекул нуклеїнових кислот і переходячи до багатокомпонентних ферментам, вірусам, рибосом і т. д .; з'ясування аллостеріческіх та інших основних принципів регулювання біологічних функцій і процесів.

Редукціонізм і інтеграція. М. б. є завершальним етапом того напрямку у вивченні живих об'єктів, яке позначається як «редукціонізм», т. е. прагнення звести складні життєві функції до явищ, що протікають на рівні молекул і тому доступним вивченню методами фізики і хімії. Досягнуті М. б. успіхи свідчать про ефективність такого підходу. Разом з тим необхідно враховувати, що в природних умовах в клітці, тканини, органі і в цілому організмі ми маємо справу з системами зростаючій мірі ускладненості. Такі системи утворюються з компонентів нижчого рівня шляхом їх закономірною інтеграції в цілісності, які отримують структурну і функціональну організацію і володіють новими властивостями. Тому в міру деталізації знань про закономірності, доступних розкриттю на молекулярному і прилеглих рівнях, перед М. б. постають завдання пізнання механізмів інтеграції як лінії подальшого розвитку в вивченні явищ життя. За відправну точку тут служить дослідження сил міжмолекулярних взаємодій - водневих зв'язків, ван дер Ваальсових, електростатичних сил і т. Д. Своєю сукупністю і просторовим розташуванням вони утворюють те, що може бути позначено як «інтеграційна інформація». Її слід розглядати як одну з головних частин вже згадуваного потоку інформації. В області М. б. прикладами інтеграції можуть служити явища самосборки складних утворень з суміші їх складових частин. Сюди відносяться, наприклад, освіту багатокомпонентних білків з їх субодиниць, утворення вірусів з їх складових частин - білків і нуклеїнової кислоти, відновлення вихідної структури рибосом після поділу їх білкових і нуклеїнових компонентів і т. Д. Вивчення цих явищ безпосередньо пов'язано з пізнанням основних феноменів « впізнавання »молекул біополімерів. Мова йде про те, 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 взаімовоздействія між молекулами нуклеїнових кислот, наприклад транспортними і матричними (в цьому випадку істотно розширило наші відомості розкриття генетичного коду); нарешті, це утворення багатьох типів структур (наприклад, рибосом, вірусів, хромосом), в яких беруть участь і білки, і нуклеїнові кислоти. Розкриття відповідних закономірностей, пізнання «мови», що лежить в основі зазначених взаємодій, становить одну з найважливіших областей М. б., Ще очікує своєї розробки. Цю область розглядають як належить до числа фундаментальних проблем для всієї біосфери.

Завдання молекулярної біології. Поряд із зазначеними важливими завданнями М. б. (Пізнанням закономірностей «впізнавання», самозборки і інтеграції) актуальним напрямом наукового пошуку найближчого майбутнього є розробка методів, що дозволяють розшифровувати структуру, а потім і тривимірну, просторову організацію високомолекулярних нуклеїнових кислот. В даний час це досягнуто щодо загального плану тривимірної структури ДНК (подвійної спіралі), але без точного знання її первинної структури. Швидкі успіхи в розробці аналітичних методів дозволяють з упевненістю чекати досягнення зазначених цілей протягом 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. б., Були запропоновані і розроблені фізиками (ультрацентрифугирование, рентгеноструктурний аналіз, електронна мікроскопія, ядерний магнітний резонанс і ін.). Майже всі нові фізичні експериментальні підходи (наприклад, використання ЕОМ, синхротронного, або гальмівного, випромінювання, лазерної техніки та ін.) Відкривають нові можливості для поглибленого вивчення проблем М. б. У числі найважливіших завдань практичного характеру, відповідь на які очікується від М. б., На першому місці стоїть проблема молекулярних основ злоякісного росту, далі - шляхи попередження, а можливо, і подолання спадкових захворювань - «молекулярних хвороб» (Див. Молекулярні хвороби ). Велике значення матиме з'ясування молекулярних основ біологічного каталізу, т. Е. Дії ферментів. До числа найважливіших сучасних напрямків М. б. слід віднести прагнення розшифрувати молекулярні механізми дії гормонів (Див. Гормони) , 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. Більш віддалені цілі М. б. - пізнання природи нервових процесів, механізмів пам'яті (Див. Пам'ять) і т. Д. Один з важливих формуються розділів М. б. - т. Зв. генна інженерія, що ставить своїм завданням цілеспрямоване оперування генетичним апаратом (Геном ом) живих організмів, починаючи з мікробів і нижчих (одноклітинних) і кінчаючи людиною (в останньому випадку перш за все з метою радикального лікування спадкових захворювань (Див. Спадкові захворювання) і виправлення генетичних дефектів ). Про більш великих втручаннях в генетичну основу людини мова може йти лише в більш-менш віддаленому майбутньому, т. К. При цьому виникають серйозні перешкоди як технічного, так і принципового характеру. Відносно мікробів, рослин, а можливо, і с.-г. тварин такі перспективи вельми обнадійливо (наприклад, отримання сортів культурних рослин, що володіють апаратом фіксації азоту з повітря і не потребують добривах). Вони засновані на вже досягнутих успіхах: ізолювання і синтез генів, перенесення генів з одного організму в інший, застосування масових культур клітин в якості продуцентів господарських або медичних важливих речовин.

Організація досліджень з молекулярної біології. Швидкий розвиток М. б. спричинило за собою виникнення великої кількості спеціалізованих науково-дослідних центрів. Кількість їх швидко зростає. Найбільші: в Великобританії - Лабораторія молекулярної біології в Кембриджі, Королівський інститут в Лондоні; у Франції - інститути молекулярної біології в Парижі, Марселі, Страсбурзі, Пастеровский інститут; в США - відділи М. б. в університетах та інститутах в Бостоні (Гарвардський університет, Массачусетський технологічний інститут), Сан-Франциско (Берклі), Лос-Анджелесі (Каліфорнійський технологічний інститут), Нью-Йорку (Рокфеллеровській університет), інститути охорони здоров'я в Бетесді і ін .; в ФРН - інститути Макса Планка, університети в Геттінгені і Мюнхені; в Швеції - Каролінський інститут в Стокгольмі; в НДР - Центральний інститут молекулярної біології в Берліні, інститути в Єні і Галле; в Угорщині - Біологічний центр в Сегеді. В СРСР перший спеціалізований інститут М. б. був створений в Москві в 1957 в системі АН СРСР (див. ); потім були утворені: інститут біоорганічної хімії АН СРСР в Москві, інститут білка в Пущине, Біологічний відділ в інституті атомної енергії (Москва), відділи М. б. в інститутах Сибірського відділення АН в Новосибірську, Міжфакультетська лабораторія біоорганічної хімії МГУ, сектор (потім інститут) молекулярної біології і генетики АН УРСР в Києві; значна робота по М. би. ведеться в інституті високомолекулярних сполук в Ленінграді, в ряді відділів та лабораторій АН СРСР і інших відомств.

Поряд з окремими науково-дослідними центрами виникли організації більш широкого масштабу. У Західній Європі виникла Європейська організація по М. би. (ЕМБО), в якій бере участь понад 10 країн. В СРСР при інституті молекулярної біології в 1966 створено наукову раду по М. б., Що є координуючим і організуючим центром в цій галузі знань. Їм випущена велика серія монографій з найважливіших розділів М. б., Регулярно організовуються «зимові школи» по М. б., Проводяться конференції та симпозіуми з актуальних проблем М. б. Надалі наукові ради по М. би. були створені при АМН СРСР і багатьох республіканських Академіях наук. З 1966 виходить журнал «Молекулярна біологія» (6 випусків на рік).

За порівняно короткий термін в СРСР виріс значний загін дослідників в області М. б .; це вчені старшого покоління, частково переключилися свої інтереси з ін. областей; в головній же своїй масі це численні молоді дослідники. З числа провідних вчених, які взяли активну участь в становленні і розвитку М. би. в СРСР, можна назвати таких, як А. А. Баєв, А. Н. Білозерський, А. Е. Браунштейн, Ю. А. Овчинников, А. С. Спірін, М. М. Шемякін, В. А. Енгельгардт. Новим досягненням М. б. і молекулярної генетики сприятиме постанова ЦК КПРС і Ради Міністрів СРСР (травень 1974) «Про заходи щодо прискорення розвитку молекулярної біології і молекулярної генетики та використання їх досягнень у народному господарстві».

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

В. А. Енгельгардт.

Велика Радянська Енциклопедія. - М .: Радянська енциклопедія. 1969-1978 .