Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
24.04.2019 21:25 дата обновления страницы
Наука о жизни
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
24.04.2019 21:25
icq:
613603564
Молекулярная биология
Эта новая отрасль биологии изучает структуру и
функции (поведение) сложных высокомолекулярных соединений, составляющих
клетку,- так называемые биологические полимеры. Их роль в
жизнедеятельности клетки и всего организма огромна, особенно роль белков
и нуклеиновых кислот, потому что именно они составляют материальную
основу всего живого. В состав клетки входят и другие сложные
биополимеры, например комплексы <белок - нуклеиновая кислота -
жироподобные вещества>. Об этих соединениях мы пока еще знаем мало, но в
дальнейшем, несомненно, и они станут предметом исследования ученых.
Молекулярная биология, в отличие от биохимии и других смежных наук,
изучает поведение полимерных молекул. Это позволяет понять ряд сложных и
тонких моментов в таких жизненных явлениях, как размножение, рост,
развитие, наследственность и изменчивость.
Молекулярная биология зародилась лишь с появлением новых, очень точных
физических и химических методов исследования, таких, как метод меченых
атомов, скоростное центрифугирование, различные типы и виды
хроматографических исследований, разнообразные оптические методы,
рентгено-структурный анализ, электронная микроскопия и др. С их помощью,
опираясь на содружество трех наук - биологии, физики и химии, удалось
проникнуть в самые глубокие недра клетки и сделать новые открытия в
изучении жизненных явлений.
В последнее время ученые расшифровали первичную структуру ряда белков -
изучили последовательность расположения аминокислот в белковой цепи друг
относительно друга.
Наука раскрыла трехмерную пространственную структуру некоторых белковых
молекул, выявила взаимосвязи между химической структурой и биологической
активностью ферментов.
Положено начало искусственным химическим синтезам простейших белков,
причем синтезированные белки обладают той же биологической активностью,
что и природные. Но, пожалуй, самым интересным и особенно важным было
раскрытие механизмов биосинтеза белка.
Кропотливыми исследованиями ученые установили, как создается белок в
живом организме. Теперь известно, что молекулы самых разнообразных
белков состоят примерно из 20 различных аминокислот. Это как бы
<кирпичи>, из которых строятся разные, порой причудливые по своей
архитектуре <здания> - белки, все их многообразие. Ведь белки различны
даже в пределах одного организма: полагают, что отдельная бактериальная
клетка содержит в среднем около 2000 различных белков.
Но если все белки состоят из одних и тех же аминокислот, то чем же
объяснить их такие совсем различные биологические свойства?
Исследования последних лет показали, что биологическая особенность тех
или иных белков зависит в первую очередь от последовательности и
взаиморасположения аминокислот в цепи их молекул. Для биологических
функций белка существенно и так называемое его макромолекулярное
строение, иначе говоря, то, каким образом изгибается и складывается
молекула в пространстве. Это доказано на белках-гормонах. Достаточно
иногда переменить местами только две соседние аминокислоты в цепи
молекулы, чтобы гормон исказил или даже полностью утратил свою
биологическую функцию. Отсюда ясно, что одна из важнейших проблем не
только молекулярной биологии, но и биологии в целом - биосинтез белка.
Необходимо выяснить, каким образом живой организм, живая клетка могут
воспроизводить молекулы белка с необычайно точным распределением
аминокислот вдоль цепи.
Белок лежит в основе явлений жизни. И потому биосинтез белка имеет не
только познавательное, но и колоссальное практическое значение, в
частности для медицины и сельского хозяйства. Ведь ряд болезненных
состояний организма связан как раз с нарушением процессов биосинтеза
белка. И это не только изменение количества белка, но порой и искажение
его молекулярной структуры.
Так, при наследственной болезни - серповидной анемии - синтезируется
ненормальный белок-гемоглобин. Такой гемоглобин отличается от
нормального только тем, что в его молекуле из 300 аминокислот изменена
одна-единственная.
Совсем недавно появился даже термин <молекулярная болезнь>. Многие
ученые считают, что злокачественный рост клеток в живом организме
(например, рак) связан с нарушением биосинтеза белка. Как только наука
полностью познает этот важнейший жизненный процесс и сумеет управлять
им, медицина получит новые способы лечения многих тяжелых болезней.
В науке проблема синтеза белка была впервые поставлена в конце 80-х
годов прошлого столетия русским биохимиком А. Я. Данилевским. Однако
широкое экспериментирование началось только в шестидесятых годах нашего
века. Исследования показали, что в этом синтезе существенную роль играют
нуклеиновые кислоты.
В любой живой клетке имеются нуклеиновые кислоты двух типов:
рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). Они отличаются
друг от друга по составу и химической структуре, а также по положению в
клетке. Главная масса ДНК находится в клеточном ядре. Правда, в самое
последнее время установлено, что в небольших количествах ДНК содержится
и в других клеточных структурах (органоидах), например в пластидах,
митохондриях. Что касается РНК, то она в том или ином виде встречается в
любой части клетки.
В биосинтезе белка участвуют все типы нуклеиновых кислот. В клетке не
одна, а по крайней мере три разновидности РНК, и у каждой в синтезе
белка свои функции. Однако <командует> всем этим процессом ДНК, так как
именно на ней <по образу и подобию> определенных структурных участков ее
молекулы образуется особого типа РНК - так называемая информационная,
или матричная. Эта РНК переходит затем на мельчайшие клеточные частицы -
рибосомы, и здесь в соответствии с ее структурой происходит синтез
белка: аминокислоты в особом порядке распределяются вдоль цепи ее
молекулы. Другими словами, сначала структура ДНК как бы отпечатывается в
структуре информационной РНК, а затем этот отпечаток передается на
структуру синтезируемого белка. В итоге образуется белок, который в
своем строении отражает все особенности строения ДНК. Опыты показали,
что всякие изменения в структуре ДНК сейчас же сказываются на структуре
информационной РНК и, значит, на последовательности расположения
аминокислот в белковой цепи, в итоге - на качестве синтезируемого белка.
С изменением качества белка возникают новые типы процессов обмена
веществ и, следовательно, появляются новые свойства клетки - в
результате изменяются свойства всего организма.
Отсюда закономерен вывод: наследственность выявляется в процессе
биосинтеза белка.
Особый порядок аминокислот в белках, как говорят, <закодирован>
химической структурой ДНК, последовательностью расположения ее составных
частей - нуклеоти-дов. Если аминокислоты - <кирпичи>, из которых
строятся белки, то нуклеотиды - это <кирпичики> для постройки молекул
нуклеиновых кислот. <Кирпичиков> этих четыре сорта (ученые обозначают их
буквами А, Т, Г, Ц). В молекуле ДНК несколько десятков, а может быть
даже сотен, тысяч нуклео-тидов. Та или иная перестановка их вдоль цепи
молекулы изменяет ее биологические свойства. ДНК у разнообразных видов
организмов как раз и различается расстановкой нуклеотидов друг
относительно друга. В разного типа РНК насчитывается от 60 до 6 тыс.
нуклеотидов.
Имеются все основания считать, что аминокислотная последовательность
кодируется в белках с помощью трех каких-то соседних нуклеотидов,
содержащихся в цепи ДНК. Или, как говорят ученые, код, определяющий
природу каждой аминокислоты в молекуле белка,- триплетный. Сейчас уже
определен состав кодирующих триплетов - кодонов - для всех двадцати
аминокислот. Таким образом, в зависимости от расположения кодирующих
триплетов вдоль цепи молекулы ДНК на ней синтезируется молекула
информационной, или матричной, РНК. Ее структура - точный отпечаток
структуры ДНК. По этой канве (информационной РНК) располагаются
аминокислоты в синтезирующейся молекуле белка.
Схема биосинтеза белка.
Информационная РНК (иРНК) образуется непосредственно на молекуле ДНК и
является как бы ее отпечатком. Образование иРНК происходит по той же
схеме, что и ДНК (см. след. рисунок), с той только разницей, что к одной
цепи ДНК присоединяются <кирпичики>, из которых строится РНК. Синтез
белка начинается только тогда, когда иРНК присоединится к рибосоме.
Транспортная РНК (тРНК) переносит аминокислоты и соединяет их в белковую
цепь, которая формируется на молекуле иРНК.
Расшифровка основных этапов синтеза белка - большое
достижение молекулярной биологии: теперь уже ясна генетическая роль
нуклеиновых кислот, сущность генетического кода, основанного на
молекулярной структуре ДНК, а значит, и природа наследственных изменений
(мутаций) - основаэволюции и изменчивости живого мира. Ведь мутации
организма как раз и связаны с изменением молекулярной структуры ДНК,
происходящим под воздействием разнообразных факторов, например
различного рода излучений, под влиянием химических веществ и др. (см.
ст. <Генетика - наука о наследственности>).
В 1953 г. Уотсон и Крик (США) установили макромолекулярную структуру
ДНК. Это исключительное достижение способствовало не только разрешению
ряда принципиальных вопросов, связанных с синтезом белка, но и пониманию
явления удвоения (репликации) ДНК. Предложенная ими структурная модель
ДНК наглядно объяснила, каким образом при делении клетки из одной
материнской молекулы (ДНК) происходит образование двух совершенно
тождественных дочерних молекул. Это все больше и больше подтверждается
экспериментальными данными.
Открытие ученых выявило материальные основы генетической преемственности
поколений. Более того, исходя из теоретических представлений удалось в
пробирке, вне организма, произвести синтез ДНК. Теперь уже можно
получить ДНК любого сорта, любой специфичности, в зависимости от того,
какого сорта <затравку> ДНК дать в смесь для опыта.
Ведущая роль ДНК в передаче наследственных свойств вытекает из самых
разнообразных экспериментов. Показательны в этом отношении так
называемые бактериальные трансформации, когда под влиянием ДНК,
выделенной из одной разновидности бактерий (штамма), у другого штамма
бактерий появляются новые признаки, передающиеся по наследству в
последующих поколениях. Наследственные свойства организма, связанные с
молекулярной структурой ДНК, реализуются, конечно, только на основе
жизнедеятельности клетки в целом. Все это проливает свет на природу
явлений, происходящих в хромосомах при делении клеточного ядра.
Схема удвоения молекулы ДНК
Спираль из двух цепей ДНК раскручивается (1) и
цепи разъединяются (2); две дополняющие одна другую цепи ДНК (2)
начинают присоединять к себе свободные нуклео-тиды (3). После соединения
между собой соответствующих частей образуются две новые цепи-спирали
(4). При удвоении молекулы ДНК всегда <кирпичик> А соединяется с
<кирпичиком> Т, а Г - с Ц. Это свойство способствует точному
воспроизведению молекул. (Буквы означают различные составные части ДНК.)
Молекулярная биология, которая теперь стремительно и
плодотворно развивается, пока еще мало дает для практики. На основании
ее данных можно объяснить лишь некоторые факты бактериальных и вирусных
мутаций, понять сущность отдельных вирусных инфекций, а также ряд
наследственных заболеваний человека. Во всех странах мира, в том числе и
в Советском Союзе, молекулярной биологии уделяется исключительно большое
внимание. Размах исследований в этой области растет с каждым днем. И это
понятно. Ведь как раз здесь открываются большие перспективы не только к
познанию, но и к управлению важнейшими биологическими явлениями.
Несомненно, что именно молекулярная биология разработает в будущем новые
эффективные методы переделки природы организмов, а это приведет к
созданию новых и высокопродуктивных форм животных, растений и микробов.
На этой основе становятся реальными мечты человека о направленном
изменении форм организмов, когда для получения новых сортов или пород
потребуется не целая жизнь или десятилетия, а лишь несколько лет.
Человек сможет управлять развитием растений и животных, что, конечно,
будет способствовать развитию растениеводства, животноводства и тех
отраслей народного хозяйства, которые используют микроорганизмы для
производства пищевых и лекарственных продуктов.
О значении молекулярной биологии для медицины уже упоминалось ранее.
Многие ученые считают, что достижения в этой области будут весьма
существенны и для техники. Так, например, познание тонких механизмов
мышечного сокращения и применение этого принципа в технике резко повысит
коэффициент полезного действия многих машин. Использование структурной
основы ферментов реорганизует всю химическую промышленность, так как они
обладают более мощным каталитическим действием, чем неорганические
катализаторы, и, что особенно важно, их действие специфично. Вскрытие
молекулярных механизмов человеческой памяти, а также принципов
биологического кодирования должно произвести переворот в автоматике.
Молекулярная биология скажет свое решающее слово в разрешении таких
важных проблем, как фотосинтез и биологическая фиксация атмосферного
азота.
Наконец, нельзя не сказать, что молекулярная биология вторглась,
казалось бы, в совсем отдаленную от нее область - в систематику
организмов. Данные молекулярной биологии в настоящее время как бы
взорвали существующую систематику микробов, и, вероятно, в ближайшие
годы будет создана новая систематика на основе действительно
генетического принципа. Молекулярная биология наверняка впоследствии
поможет решить ряд спорных вопросов по систематике и высших форм.
Все это вселяет надежду, что не за горами то время, когда, наконец,
биологи подойдут к познанию путей и механизмов эволюционного процесса.
Таков краткий перечень вероятных перспектив, связанных с достижениями
молекулярной биологии. Несомненно, что все усилия ученых окупятся
сторицей.
Но не только молекулярная биология помогает нам глубоко изучать живой
мир. В равной мере важны исследования и на уровне клетки, и на уровне
организма, и на уровне биологического вида. Однако совершенно очевидно,
что без молекулярной биологии не могут быть поняты такие основные
жизненные явления, как размножение, развитие, рост, наследственность и
изменчивость..
А.Н. Белозерский
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
