Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Введение
Краткий исторический очерк развития биохимии и молекулярной биологии

Как самостоятельная наука биохимия сложилась к середине XIX ст., однако предпосылки для ее развития появились почти на век ранее. К их числу можно отнести открытие Дж. Пристли (1770—1780 гг.) явления поглощения кислорода животными и выделения растениями; выделение из природных источников первых органических молекул — глицерина, яблочной, лимонной, молочной и мочевой кислот (Шееле, Руэль, 1770—1786 гг.); расшифровку состава белков как веществ, содержащих азот (Дальтон, 1803 гг.); выделение первой аминокислоты из сока спаржи (Asparagus) — аспарагина (Воклен, 1806 г.); вывод уравнения спиртового брожения (Гей-Люссак, 1810 г.); выделение при кислотной обработке мыла кристаллического препарата жирной кислоты и открытие холестерина (Шеврёль, 1811, 1812 г.).

Наконец, Ф. Вёлер в 1828 г. синтезировал из неорганических веществ первое органическое соединение — мочевину, нанеся тем самым сокрушительный удар по витализму. Многими это достижение считается основной вехой в становлении биохимии как самостоятельной науки. В 1833 г. Пайен и Персо очистили и изучили свойства первой ферментной молекулы — амилазы пшеницы, постулировав центральную роль ферментов в биологии. В 1854—1864 гг. Пастер доказал, что брожение является функцией живых клеток (дрожжей) и привел решающие аргументы против гипотезы о самозарождении. В это же время, начиная с открытия Ф. Мишером ДНК (1869 г.), зарождается химия нуклеиновых кислот.

К концу XIX ст. между Луи Пастером и Ю. Либихом разгорелся спор относительно природы брожения. Пастер отстаивал взгляд на брожение как на явление, способное осуществиться лишь в клетках микроорганизмов, а Либих придерживался иной точки зрения — касательно химической природы этого процесса, в котором, однако, принимают участие вещества, подобные уже известной в то время амилазе. Спор помогли разрешить братья Бухнеры, которые в 1897 г. показали, что брожение может осуществляться в бесклеточных дрожжевых экстрактах. Таким образом, стало понятно, что брожение — химический процесс, способный происходить как в клетках, так и вне их, но с участием ферментов — продуктов жизнедеятельности организмов. По словам историков: «...появление пузырьков газа в опыте Бухнеров означало рождение современной биохимии и энзимологии».

После этого открытия биохимия получила мощный толчок в развитии: в 1901—1902 гг. Эмиль Фишер показал, что белки представляют собой полипептиды, и установил природу пептидной связи; в 1905 г. Кнооп открыл ß- окисление жирных кислот; в 1911 г. Функ выделил в кристаллическом виде тиамин и предложил термин «витамин»; в 1913 г. Михаэлис и Ментен разработали теоретические основы кинетики ферментативных реакций; в 1926 г. Самнер выделил в кристаллическом виде фермент уреазу и доказал, что он является белком; в 1933 г. Кребс и Гензелейт открыли и изучили химизм цикла мочевины, а Эмбден и Мейергоф выявили наиболее важные особенности процессов гликолиза и брожения. Даже этот небольшой перечень самых важных достижений биохимии первой половины XX ст. показывает, что интерес ученых сместился в область расшифровки процессов, протекающих в живой клетке.

В результате к середине XX ст. оказались изученными основные превращения веществ в клетках. Открыт фотосинтез (К.А. Тимирязев), цикл трикарбоновых кислот (Г. Кребс), процесс окислительного фосфорилирования, закономерности превращения энергии в клетке.

В этот период биохимики все еще не могли ответить на один из главных вопросов, волновавших человека: какое клеточное вещество является носителем наследственной информации. Лучше других макромолекул оказались изученными белки, и было показано их удивительное многообразие. Логично было предположить, что именно белковые молекулы, столь вариабельные в своем составе, должны осуществлять функции вещества, кодирующего столь же вариабельные свойства живых существ. Однако уже в 1928 г. в экспериментах Гриффита были получены первые сведения об участии в данном процессе нуклеиновых кислот. А в 1944 г. американские ученые Эвери, МакЛеод и Мак-Карти доказали, что веществом, ответственным за хранение и передачу наследственной информации у клеточных организмов, является ДНК.

Для исследования структуры нуклеиновых кислот были привлечены самые совершенные методы, имеющиеся в распоряжении исследователей из разных областей науки. В частности, рентгеноструктурный анализ, основы которого были разработаны в 1934 г. Берналом и Крауфутом, позволил приблизиться к изучению трехмерной структуры ДНК. В это время выделяется в самостоятельную науку молекулярная биология. О ее зарождении впервые упомянул Уоррен Уивер — руководитель отдела естественных наук Рокфеллеровского фонда. В своем отчете за 1938 г. он отметил, что «в тех пограничных областях, где физика и химия пересекаются с биологией, постепенно возникает новый раздел науки — молекулярная биология, начинающая приоткрывать завесы над многими тайнами, окутывающими основные элементы живой клетки».

Современная биохимия отличается внедрением в анализ веществ и процессов скоростных автоматизированных методов. В настоящее время автоматическому контролю подвластны аминокислотный анализ белка, количественное определение моно- и дисахаридов в биологических жидкостях, секвенирование нуклеиновых кислот, синтез пептидов и олигонуклеотидов, хроматографическое и гельфильтрационное разделение природных соединений и др.

При завершении обзора достижений биохимической науки можно заключить, что биохимия изучает химический состав и строение живой материи, а также химические процессы, протекающие в живых организмах.

Датой «рождения» молекулярной биологии считается 1953 г., когда физик Фрэнсис Крик и биолог Джеймс Уотсон расшифровали структуру ДНК — двойную спираль. Это замечательное открытие стало основой большинства молекулярно-биологических исследований, а его предпосылками считаются уже упоминавшиеся достижения «фаговой школы» (Эвери и соавт.) и физиков (Бернал, Крауфут). Кроме этого, перемещению интересов биохимиков в область изучения нуклеиновых кислот способствовало постулирование в 1941 г. Дж. Бидлом и Э. Тейтумом принципа «один ген — один фермент», который они сформулировали при изучении биохимических мутаций у хлебной плесени Neurospora crassa.

Особенностью молекулярной биологии является исследование структуры макромолекул и ее связи с функцией. Наиболее наглядно это продемонстрировано на ДНК. Однако молекулярная биология исследует и другие молекулы, в чем можно убедиться, познакомившись с основными достижениями данной науки: расшифрована структура некоторых белков и установлена взаимосвязь ее с функциями этих молекул (М. Перутц, Дж. Кендрью, Ф. Сенгер, К. Анфинсен и др.); определена структура и выявлены механизмы биологических функций нуклеиновых кислот и рибосом (Дж. Уотсон, Ф. Крик, Т. Касперсон, Ж. Браше, С. Вейсс и др.); расшифрован генетический код (М. Ниренберг, Г. Корана, С. Очоа); разработан метод специфического расщепления ДНК с помощью рестрикционных эндонуклеаз — основа современной генетической инженерии (Х. Смит, В. Арбер, Д. Натанс); открыто явление обратной транскрипции (Г. Темин, Д. Балтимор, С.М. Гершензон); открыты механизмы и определены этапы биосинтеза белковых молекул (Ф. Жакоб, Ж. Моно, Ф. Крик) и нуклеиновых кислот (А. Корнберг, С. Очоа); установлена структура вирусов и механизмов их репродукции, разработаны методы генетической инженерии (П. Берг, В. Арбер, Х. Смит); разработаны методы введения чужеродной ДНК в различные клетки с помощью векторов (Г. Бойер, С. Коэн, Д. Хелинский); осуществлен синтез гена (Г. Корана); предложена вирусогенетическая теория возникновения рака (Л.А. Зильбер); установлена последовательность нуклеотидов в тРНК (А.А. Баев); разработан метод секвенирования ДНК (А. Максам, У. Гилберт, Ф. Сенгер).

Таким образом, можно сформулировать определение молекулярной биологии как науки, изучающей функционирование живых организмов сквозь призму химической структуры формирующих их молекул и атомов.