Молекулярная биология

Молекулярная
биология

 

Молекулярная биология раскрывает
механизмы хранения и передачи наследствен­ной информации, декодирования и
репликации. Эта интегральная дисциплина связывает и лежит в основе таких
фундаментальных разделов биологии, как биология развития, гисто­логия,
иммунология, генетики, биохимия, биофизика, клеточная биология и эволюцион­ные
учения.

Биология  является экспериментальной наукой и по мере
проникновения в понимании устройства уникальных структур и тонких процессов,
лежащих в основе жизнедея­тельности, нуждается в непрерывном оттачивании
методов исследования. В особенности это относится к той группе биологических
наук, которые принято объединять термином "физико-химическая
биология". Задачей этой группы наук является увязывание наблю­даемых
биологических явлений с законами и методами химии и физики. Наиболее слож­ными,
уникально построенными веществами, из которых состоят живые организмы, яв­ляются
белки и нуклеиновые кислоты, особенность которых заключается в том, что каж­дый
элемент их структуры может оказаться крайне важным для живого организма в це­лом.
Например, изменение всего лишь в одной клетке какого-либо органа гена, програм­мирующего
один из белков, существенных для регулирования деления клеток, может дать
начало росту злокачественной опухоли этого органа. Одна частица вируса
иммунодефи­цита человека (ВИЧ-1), попав в подходящую клетку, в принципе имеет
шанс встроиться в клеточную ДНК, а такая ДНК может начать производить новые
вирусные частицы, что приведет к заболеванию СПИДом. Поэтому дня понимания
того, как выполняются опре­деленные биологические функции, надо располагать
данными не только о молекулах бел­ков или нуклеиновых кислот в целом, но и обо
всех составляющих их структурных эле­ментах. При этом важно научиться иметь дело
не только с молекулами белков и нуклеи­новых кислот, но с их структурными
фрагментами, остатками аминокислот или нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты как
один из компонентов живой материи были открыты в 1869 году швейцарским ученым
Иоганом Мишером. Однако бурное развитие химии и биохи­мии нуклеиновых кислот
началось в конце 40-х - начале 50-х годов XX века, когда было установлено,  что  один из двух
главных типов нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
является носителем наследственной информации. На протяжении второй половины  ХХ века, нуклеиновые кислоты были важнейшим
объектом исследований химии и биологии, 
химики создали методы установления детальной химической структуры
нуклеиновых кислот, их искусственного синтеза, изучили их поведение при разных
химических воздействиях. Биохимики направили свои усилия на выяснение мно­гочисленных
аспектов функционирования нуклеиновых кислот в живых организмах или выделенных
из них системах. Поскольку было выяснено, что строение молекул нуклеино­вых кислот
специально приспособлено для выполнения некоторых основополагающих
биологических функций, область биохимии, изучающая поведение нуклеиновых кислот
в живых и модельных системах, обособилась в автономную область знания,
получившую название молекулярная биология.
Многие вопросы биохимии нуклеиновых кислот вошли не только в вузовские, но
и в школьные учебники. Между тем изучение нуклеиновых ки­слот продолжает
оставаться одной из самых горячих точек на переднем крае современной науки.
Продолжается оттачивание инструментов для этих исследований. Значимость мо­лекулы
ДНК заключается в том, что «генетическая информация, закодированная в после­довательности
нуклеотидов, служит двум целям: во-первых, она необходима для синтеза белковых
молекул, во-вторых, обеспечивает передачу самой себя в ряду клеточных поко­лений
и поколений организмов». Обе функции основаны на том, что молекула ДНК слу­жит
в первом случае для транскрипции - перекодирования информации в структуру моле­кул
РНК. которая определяет достаточно жесткий уровень соответствия между данным
геном и белковым продуктом,и во втором случае - для репликации или копирования
информации в дочерних молекулах ДНК, что при формировании молодых клеток
обеспечи­вает наследственную стабильность организма и вида. Тем не менее в
последнее время по­ступает все больше сведений о влиянии генетической
информации на поведение животных. Поведение можно определить как направленное
вовне действие организма в ответ на стимулы, поступающие из окружающей его
среды. Эти действия соответствующим обра­зом изменяют взаимоотношения с
окружающей средой, имеют адаптивное значение и способствуют сохранению как
организма, так и вида. Проведя серию генетических экспериментов с обеими
линиями пчел, У. Ротенбьюллер установил, что в формировании пове­дения,
например, у санитарных пчел участвуют два гена: один отвечает за обнаружение и
вскрывание инфицированных ячеек, другой - за удаление из них инфицированных
личи­нок. Несанитарная линия пчел несет данный ген в рецессивном или
подавленном состоя­нии, вследствие чего не проявляет санитарной активности, что
приводит к распростране­нию инфекции и гибели семейства. Таким образом,
некоторые типы поведения являются наследуемыми признаками, закодированными в
структуре молекул ДНК, как и молекулы белков. В связи с вышесказанным возникает
вопрос, каким образом информация, находя­щаяся в ядре клетки и спрятанная в
структуре молекулы ДНК, формирует поведение жи­вотного, которое определяется
активностью нейронов и носит рефлекторный характер. Почти полвека тому назад, в
1953 г., Д. Уотсон и Ф. Крик открыли принцип структурной (молекулярной)
организации генного вещества - дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Структура
ДНК дана ключ к механизму точного воспроизведения - редупликации - генного
вещества. Так возникла новая наука — молекулярная
биология. Была сформули­рована так называемая центральная догма
молекулярной биологии: ДНК —> РНК —>  белок. Смысл ее состоит в том, что генетическая
информация, записанная в ДНК реализуется в виде белков, но не непосредственно,
а через посредство родственного полимера - рибо­нуклеиновую кислоту (РНК), и
этот путь от нуклеиновых кислот к белкам необратим.

Таким образом, типы матричных
синтезов сводятся к:

1.   ДНК синтезируется на ДНК, обеспечивая
собственную редупликацию, то есть воспроизведение исходного генетического
материала в поколениях;

2.    РНК синтезируется на ДНК. в результате чего
происходит переписывание, или транскрипция, генетической информации в форму
многочисленных копий РНК;

3.     Молекулы РНК служат матрицами для синтеза
белков - генетическая информа­ция транслируется в форму полипептидных цепей;

4.    В специальных случаях РНК может
переписываться в форму ДНК ("обратная транскрипция"), а также
копироваться в виде РНК (репликация), но белок никогда не мо­жет быть матрицей
для нуклеиновых кислот.

Итак, именно ДНК определяет
наследственность организмов, то есть воспроизво­дящийся в поколениях набор белков
и связанных с ними признаков. Биосинтез белка яв­ляется центральным процессом
живой материи, а нуклеиновые кислоты обеспечивают его, с одной стороны,
программой, определяющей весь набор и специфику синтезируемых белков, а с
другой - механизмом точного воспроизведения этой программы в поколениях.
Следовательно, происхождение жизни в ее современной клеточной форме сводится к
воз­никновению механизма наследуемого биосинтеза белков.

 

Подобный синтез и анализ
перечисленных выше доводов на молекулярном уровне позволяет сформировать
целостное восприятие живой материи, вы­явить общие закономерности ее
структурно-функциональной организации и эволюцион­ную динамику. Пособие
предназначено для химиков и биологов.