Глава 37. Молекулярна біологія

Молекулярна біологія - комплекс біологічних наук, які вивчають механізми зберігання, передачі і реалізації генетичної інформації, будова і функції нерегулярних біополімерів (білків і нуклеїнових кислот).Актуальні проблеми молекулярної біології-дослідження механізмів злоякісного росту клітин, пошук способів попередження спадкових захворювань, пізнання механізмів пам'яті, подальше вивчення механізмів дії ферментів, гормонів, лікарських і токсичних речовин.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, изучает явления жизни на уровне макромолекул (гл. обр. белков и нуклеиновых к-т) в бесклеточных структурах (рибосомы и др.), в вирусах, а также в клетках. Цель молекулярной биологии-установление роли и механизма функционирования этих макромолекул на основе знания их структуры и св-в.

Важнейшие достижения молекулярной биологии

Стремительность, размах и глубину влияния молекулярной биологии на успехи в познании коренных проблем изучения живой природы справедливо сравнивают, например, с влиянием квантовой теории на развитие атомной физики. Два внутренне связанных условия определили это революционизирующее воздействие. С одной стороны, решающую роль сыграло обнаружение возможности изучения важнейших проявлений жизнедеятельности в простейших условиях, приближающихся к типу химических и физических экспериментов. С другой стороны, как следствие указанного обстоятельства, имело место быстрое включение значительного числа представителей точных наук -- физиков, химиков, кристаллографов, а затем и математиков -- в разработку биологических проблем. В своей совокупности эти обстоятельства и обусловили необычайно быстрый темп развития молекулярной биологии, число и значимость её успехов, достигнутых всего за два десятилетия.

Вот далеко не полный перечень этих достижений: раскрытие структуры и механизма биологической функции ДНК, всех типов РНК 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; изолирование индивидуальных генов, химический и биологический синтез гена, в том числе человеческого, вне клетки; перенос генов из одного организма в другой; стремительно идущая расшифровка химической структуры возрастающего числа индивидуальных белков, 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.

Задачи молекулярной биологии

Актуальным направлением научного поиска ближайшего будущего является разработка методов, позволяющих расшифровывать структуру, а затем и трёхмерную, пространственную организацию высокомолекулярных нуклеиновых кислот.

В данное время это достигнуто в отношении общего плана трёхмерной структуры ДНК, но без точного знания её первичной структуры. Быстрые успехи в разработке аналитических методов позволяют с уверенностью ждать достижения указанных целей на протяжении ближайших лет. Здесь, разумеется, главные вклады идут от представителей смежных наук, в первую очередь физики и химии.

Все важнейшие методы, использование которых обеспечило возникновение и успехи молекулярной биологии, были предложены и разработаны физиками (ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, ядерный магнитный резонанс и др.). 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, ответ на которые ожидается от молекулярной биологии, на первом месте стоит проблема молекулярных основ злокачественного роста, далее -- пути предупреждения, а быть может, и преодоления наследственных заболеваний -- "молекулярных болезней".

Большое значение будет иметь выяснение молекулярных основ биологического катализа, т. е. действия ферментов. 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 -- генная инженерия, ставящая своей задачей целенаправленное оперирование генетическим аппаратом (геномом) живых организмов, начиная с микробов и низших (одноклеточных) и заканчивая 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 сельскохозяйственных животных такие перспективы весьма обнадеживающие (например, 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 хозяйственных или медицинских важных веществ.

Молекулярная биология возникла в начале 50х годов, когда Дж.Уотсон и Ф.Крик расшифровали структуру ДНК, что позволило начать изучение путей хранения и реализации наследственной информации. Крупнейшие достижения молекулярной биологии открытие генетического кода, механизма биосинтеза белков в рибосомах, основы функционирования переносчика кислорода гемоглобина.

Следующим шагом на этом пути явилось возникновение молекулярной генетики, которая изучает механизмы работы единиц наследственной информации генов, на молекулярном уровне. Одной из актуальнейших проблем молекулярной генетики является установление путей регуляции экспрессии генов перевод гена из активного состояния в неактивное и обратно; регуляция процессов транскрипции и трансляции. Практическим приложением молекулярной генетики явилась разработка методов генной инженерии и генотерапии, которые позволяют модифицировать наследственную информацию, хранящуюся в живой клетке, таким образом, что необходимые вещества будут синтезироваться внутри самой клетки, что позволяет получать биотехнологическим путем множество ценных соединений, а также нормализовать баланс веществ, нарушившийся во время болезни. Суть генной инженерии рассечение молекулы ДНК на отдельные фрагменты, что достигается с помощью ферментов и химических реагентов, с последующим соединением; эта операция производится с целью вставки в эволюционно отлаженную цепь нуклеотидов нового фрагмента гена, отвечающего за синтез нужного нам вещества, вместе с так называемыми регуляторами участками ДНК, обеспечивающими активность "своего" гена. Уже сейчас с помощью генной инженерии получают многие лекарственные препараты, преимущественно белковой природы : инсулин, интерферон, соматотропин и др.