Лекция 1. Понятия, определения, предмет и задачи молекулярной биологии клетки.

Молекулярная биология – область науки, занимающаяся исследованием биополимеров, их компонентов и комплексов, структуры и функции генов и геномов.

Молекулярная биология возникла на базе классической биохимии во второй половине XX века в связи с переходом биохимических исследований на качественно новый уровень – молекулярный. Этому способствовало в первую очередь применение новых физико-химических методов (рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, газовая, жидкостная хроматография, метод меченых атомов, ИК- и УФ-спекрофотометрия, флюоресцентный, биолюминесцентный анализ, электрофорез, масс-спектрометрия, ультрацентрифугирование и др.).

Выдающиеся достижения этого периода - открытие двухцепочечной спирали ДНК, расшифровка генетического кода, определение трехмерной структуры ряда белков, описание основных путей метаболизма углеводов, липидов и белков, механизма образования АТФ в клетках, разработка методов определения первичной структуры белков и нуклеиновых кислот, синтез гена и др.

Молекулярная биология изучает химические и физико-химические процессы, лежащие в основе развития и функционирования живых систем всех уровней организации.

Иногда происходит объединение биохимии и молекулярной биологии в одном курсе.

Предметы их изучения очень близки, а последние достижения и история развития современной биохимии и молекулярной биологии не позволяют однозначно ответить на вопрос о том, где заканчивается сфера интересов одной и начинается сфера интересов другой науки. С развитием методов генетической и белковой инженерии, биоинформатики биохимия и молекулярная биология идут параллельным курсом, дополняя и обогащая друг друга.

Молекулярная биология и биохимия переживает сегодня этап стремительного развития. Достижения именно этих и некоторых смежных наук позволили человеку вплотную приблизиться к возможности реконструкции геномов, воспроизведению по сути, любых организмов с заданными свойствами

Центральная догма молекулярной биологии.

Центральная догма молекулярной биологии - обобщающее наблюдаемое в природе правило реализации генетической информации: информация передаётся от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. Правило было сформулировано Френсисом Криком в 1958 году и приведено в соответствие с накопившимися, к тому времени данными в 1970 году. Переход генетической информации последовательно от ДНК к РНК и затем от РНК к белку является универсальным для всех без исключения клеточных организмов, лежит в основе биосинтеза макромолекул. Репликации генома соответствует информационный переход ДНК → ДНК. В природе встречаются также переходы РНК → РНК и РНК → ДНК (например, у некоторых вирусов), а также изменение конформации белков, передаваемое от молекулы к молекуле.

По мнению В. А. Энгельгардта, 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 высокомолекулярных биополимеров - белков и нуклеиновых кислот. Отличительная черта молекулярной биологии- 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.

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 молекулярной биологии является её трехмерность. Сущность молекулярной биологии усматривается 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 молекулярная биология 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 и осуществляемыми ею функциями и 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.

Термин молекулярная биология был впервые употреблен английским 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.

Возникновение Молекулярной биологии 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, 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.

Далее 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 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.

Одна из важнейших черт живых объектов - их способность тонко регулировать все проявления жизнедеятельности. Крупным вкладом молекулярной биологии 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.

Три биотических потока. В свете представлений молекулярной биологии 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 молекулярной биологии, накладывает на неё свой специфический, уникальный отпечаток.

Далеко не полный перечень достижений молекулярной биологии: раскрытие структуры и механизма биологической 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, 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. Молекулярная биология 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 Молекулярной биологией 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 Молекулярной биологией 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.

Наряду с указанными важными задачами молекулярной биологии (познанием закономерностей»узнавания", самосборки и интеграции) актуальным направлением научного поиска ближайшего будущего является разработка методов, позволяющих расшифровывать структуру, а затем и функцию ДНК.

Почти все новые физические экспериментальные подходы (например, использование ЭВМ, синхротронного, или тормозного, излучения, лазерной техники и др.) открывают новые возможности для углублённого изучения проблем молекулярной биологии. В числе важнейших задач практического характера стоит проблема молекулярных основ злокачественного роста, далее - пути предупреждения, а быть может, и преодоления наследственных заболеваний -»молекулярных болезней". К числу важнейших современных направлений молекулярной биологии следует отнести стремление расшифровать молекулярные механизмы действия гормонов, токсических и лекарственных 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 молекулярной биологии- познание природы нервных процессов, механизмов памяти и т. д. Один из важных формирующихся разделов молекулярной биологии- т. н. генная инженерия, ставящая своей задачей целенаправленное оперирование генетическим аппаратом (геномом) живых организмов, начиная с микробов и низших (одноклеточных) и кончая человеком (в последнем случае прежде всего в целях радикального лечения наследственных заболеваний и исправления генетических дефектов). О более обширных вмешательствах в генетическую 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 животных такие перспективы весьма обнадёживающи (например, получение сортов культурных растений, обладающих аппаратом фиксации азота из воздуха и не нуждающихся в удобрениях). Они основаны на уже достигнутых успехах биотехнологии: изолирование и синтез генов, перенос генов из одного организма в другой, применение массовых культур клеток в качестве продуцентов хозяйственных или медицинских важных веществ.