1. Понятие «молекулярная биология». 2. Предмет, задачи и методы МБ. 3. Масштабы объектов МБ. 4. Успехи и перспективы развития МБ.
1. Понятие «молекулярная биология».
МБ возникла во второй половине 20 века. Впервые термин «молекулярная биология» употребил Уоррен Уивер – знаменитый руководитель отдела естественных наук Рокфеллеровского фонда, оказавший поддержку многим из числа исследователей, работавших в этой области.
Определяющее значение для рождения МБ имела разработка тонких физических и химических методов анализа структуры и функций молекул, свойственных всем живым системам и прежде всего клетке как элементарной и универсальной составляющей всех организмов. Стимулом для развития МБ стали успехи, а главное – нерешенные проблемы биохимии, цитологии и генетики. Эти науки создали почву для МБ.
Молекулярная биология – это наука, занимающаяся изучением жизни на атомно-молекулярном уровне. Молекулярная биология – это раздел науки, изучающий функционирование живых организмов сквозь призму химической структуры входящих в их состав молекул и атомов.
Молекулярная биология – это наука об особенностях строения и свойств молекул, которые обеспечивают существование биологической формы движения материи. Молекулярная биология – наука, изучающая форму, агрегацию и пространственное расположение молекул и внутримолекулярных групп тех основных компонентов, которые образуют клеточную систему как единое целое.
Отличительной чертой МБ является исследование структуры макромолекул и ее связи с функцией.
2. Предмет, задачи и методы МБ.
Предметом м/б является изучение важнейших высокомолекулярных веществ живой природы – белков и нуклеиновых кислот, их структуры и функций, а также их синтеза в клетке.
М/б занимается изучением различных форм важнейших биологических макромолекул и эволюции этих форм. Она изучает главным образом структуру нуклеиновых кислот, белков, других макромолекул, а также структуру важнейших клеточных компонентов – хромосом, рибосом, мембран, мышечных волокон – на атомно-молекулярном уровне с целью выяснения механизма их функционирования.
выяснение структуры макромолекул; выяснение влияния структуры биологической макромолекулы на ее функции; изучение основных принципов и механизмов клеточной саморегуляции; расшифровка структуры геномов;
создание банков генов; изучение молекулярных основ эволюции, дифференцировки, биоразнообразия, развития и старения, канцерогенеза, иммунитета и др.; создание методов диагностики и лечения генетических болезней, вирусных заболеваний;
создание новых биотехнологий производства пищевых продуктов и разнообразных биологически активных соединений (гормонов, антигормонов, релизинг-факторов, энергоносителей и др.) и т.д.
метод меченых атомов; ультрацентрифугирование; электрофорез; различные разновидности хроматографических методов исследования;
разнообразные оптические методы; рентгеноструктурный анализ; микроскопия и др.
Эти методы позволили проникнуть в самые глубокие недра клетки и открыть новые факты при изучении таких основных жизненных явлений, как размножение, рост, развитие, наследственность и изменчивость.
3. Масштабы объектов МБ.
Отношение размеров живых организмов к размерам атомов может быть порядка 1011. Самый крупный живой организм (например, дерево) достигает 30 м в своем наибольшем измерении, в то время как диаметр атома углерода составляет примерно 0,3 нм (т.е. 0,3·10-9 м). Чтобы перекрыть весь этот диапазон, потребовались различные уровни организации: организм в целом, ткани, отдельные клетки, внутриклеточные (субклеточные) органеллы, макромолекулы и, наконец, составляющие их атомы.
Живые организмы по типу составляющих их клеток можно разделить на эукариот и прокариот. У эукариот ДНК генома окружена ядерной оболочкой, т.е. эукариотические клетки имеют ядро, в то время как у прокариот отчетливо выраженное ядро отсутствует.
Многоклеточные организмы представляют собой организованную совокупность клеток. Основные группы таких организмов – это растения, животные, грибы и некоторые колониальные виды бактерий и сине-зеленых водорослей. В многоклеточных колониях прокариот все клетки одинаковы, тогда как в эукариотических организмах клетки различаются по форме и функциям, т.е. дифференцированы. Размеры самого организма могут варьировать (от 50 мкм до 30 и более метров), однако размеры составляющих их клеток близки друг к другу: их средний диаметр заключен в пределах от 10 до 50 мкм.
Одноклеточные организмы могут быть как эукариотами, так и прокариотами. Принадлежащая к эукариотам одноклеточная амеба (диаметр 100 мкм) в несколько раз крупнее большинства эукариотических клеток (10-50 мкм) многоклеточных растений и животных. Среди прокариот известны как чрезвычайно большие, так и очень маленькие клетки.
Клетка может быть определена как минимальная единица жизни, способная к самовоспроизведению. Все клетки содержат множество структурных единиц меньшего размера, называемых органеллами, которые выполняют специфические функции. Эти органеллы окружены со всех сторон жидкой цитоплазмой, а сама клетка отграничена от окружающей среды липидно-белковой оболочкой, которая называется клеточной мембраной.
Органеллы – это находящиеся в клетке структуры, которые выполняют те или иные специфические функции. Они содержат разные наборы биологических молекул и служат для разделения клетки на области. Размеры органелл варьируют от 20 нм до 10 мкм. Наиболее крупные органеллы, такие, как ядра, митохондрии и хлоропласты, обнаружены пока только в клетках эукариот (их диаметр 1-10 мкм). Более мелкие органеллы, такие, как рибосомы обнаружены в клетках как эукариот, так и прокариот ( d ≈20 нм).
Гены заключают в себе информацию, определяющую структуру и функцию клетки. Все гены состоят из ДНК, и каждая клетка может содержать многие тысячи генов. Последние присутствуют там не в виде отдельных фрагментов молекулы ДНК, а входят в состав более крупных структурных единиц, называемых хромосомами. Эти хромосомы копируются (реплицируются) в процессе деления клетки, и новые, дочерние, клетки получают точную копию набора родительских генов. Таким способом все особенности клетки передаются, или наследуются, из поколения к поколению.
Вирусы можно считать просто некой совокупностью макромолекул. Диаметр вирусной частицы составляет от 20 до 300 нм. Таким образом, вирусы значительно меньше самых мелких клеток и не способны к самовоспроизведению без содействия синтезирующего аппарата клетки-хозяина. Вирусы можно также условно отнести к одному из двух типов на основе принадлежности клетки-хозяина к прокариотам или эукариотам.
Макромолекулы – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды – представляют собой гигантские молекулы, размеры которых варьируют от 3 до 300 нм. Малые молекулы, как правило, имеют диаметр от 0,5 до 1 нм. Особенно важную роль в биологии играют три класса малых молекул – аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды. Они служат «кирпичиками», из которых строятся полимерные биологические макромолекулы.
Атомы углерода, кислорода, азота и водорода, из которых в основном и состоят биологические молекулы, имеют диаметр менее 0,4 нм. В каждом атоме есть ядро, состоящее из протонов (искл. – водород) и нейтронов; вокруг ядра, на разных расстояниях от него, вращаются электроны, причем расстояние до ядра однозначно задается энергией электрона. Поведение малых молекул определяется свойствами тех атомов, из которых они состоят.
4. Успехи и перспективы развития МБ.
В области м/б достигнуты большие успехи и открылись грандиозные перспективы, т.к. все функциональные и физико-химические процессы практически разыгрываются в молекулярных структурах клетки и на молекулярном уровне.
установление строгого соответствия между последовательностью аминокислот в полипептидной цепи и конформацией белковой молекулы, с одной стороны, и определенными биологическими свойствами – с другой; выявление активных групп различных ферментов; создание в 1953 г. молекулярной модели ДНК (Уотсон и Крик); формирование современных представлений о стереохимии макромолекул;
вскрыта химическая природа многих вирусов и механизмов вирусной инфекции; расшифрованы основные этапы биосинтеза белка; раскрыта сущность генетического кода, основанного на молекулярной структуре ДНК; тем самым химически и физически конкретизирована природа мутаций – основы эволюции и изменчивости живого мира и др.
Успехи м/б способствуют выяснению проблем генетики (через молекулярную генетику), биохимии и патологии (обнаружение болезней, обусловленных молекулярными нарушениями). Экспериментальные данные по м/б и их интерпретация в смысле понимания различных биологических явлений имеют большое философское значение. Именно на основании исследований на молекулярном уровне материализовались наши представления о таких жизненных явлениях как наследственность и изменчивость, а также о специфических синтезах важнейших биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.
