velikol.ru
1

О ТЕРМИНЕ И ПРЕДМЕТЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Академик
Е. М. КРЕПС


В свете быстро растущего значения биологии не только в семье наук, но и в повседневной жизни человечества представляется важным внести ясность в некоторые понятия. Я заранее предвижу возражения со стороны многих биологов, хотя мысли, которые мне хочется высказать, разделя­ются также немалым числом биологов, и в частности биохимиков. Они раз­делялись и безвременно ушедшим от нас Михаилом Михайловичем Шемя­киным.

Прежде всего о термине «молекулярная биология». Я считаю этот тер­мин неудачным, ибо молекулярная биология неотделима от биохимии. Соз­данная Британским биохимическим обществом специальная Рабочая группа по молекулярной биологии под председательством Дж. Кендрю в своем отчете1 назвала этот термин несчастливым («unfortunate»). Можно говорить о биологии на молекулярном уровне. Но биологией на молеку­лярном уровне занимаются биохимия, цитология, молекулярная генетика, многие разделы физиологии, например физиология почки, физиология зре­ния и, может быть, физиология всех органов чувств. Недалеко время, когда молекулярный подход будет характерен для всех областей биологии. Мы сейчас говорим о биологии на молекулярном уровне, противопоставляя ее биологии на уровне целого организма и биологии на уровне популяций. Но успех биологии на молекулярном уровне позволяет думать о возможном молекулярном подходе к любым биологическим проблемам, даже на орга-низменном и популяционном уровнях. Единственное исключение, которое никоим образом не молекулярное, как образно выразился бывший прези­дент Английского королевского общества С. Хиншелвуд, — это спиритуа­лизм.

Я полностью солидарен с подкомиссией Британского биохимического общества, созданной для оценки отчета группы Дж. Кендрю. Эта подкомис­сия, работавшая под председательством выдающегося биохимика Г. Креб-са, в своем отчете пишет, что «термин „биология на молекулярном уров­не" — неудобно длинный» и что «вместо него следует употреблять просто термин „биохимия", понимая, что это слово выражает собой целую концеп­цию, охватывающую все молекулярные аспекты биологии» 2.

«Молекулярная биология» стала ныне модным термином, чем-то вроде лозунга, часто употребляемого без должного понимания его смысла. По­этому, может быть, уместно уделить несколько строк истории этого термина. Как утверждает отчет подкомиссии Г. Кребса, никто еще не смог устано­вить точно, кем изобретен этот термин. Возможно, он возник в связи с применением физических методов и специально рентгеновской кристал­лографии к биологическим макромолекулам. Может быть, первым приме­нил этот термин В. Эстбюри, который в 1939 г. назвал себя «молекуляр­ным биологом» 3. Подробно он разъяснил свое понимание термина в Гарвеевской лекции, названной им «Приключения в молекулярной биологии» 4

1 «Report of the working group on Molecular Biology („Kendrew Report")».
H. M. Stationary Office. 1968. Cmnd. 3765.

2 «Biochemistry, „Molecular Biology" and Biological Sciences. Report of the Sub­
committee Biochemical Society». 1969.

3 W. T. A s t b u r y. «Ann. Rev. Biochem», 1939, v. 8, p. 113.

4 W. T. A s t b u r y. «Harvey Lecture Series», 1951, v. 46, p. 3.

^ О ТЕРМИНЕ И ПРЕДМЕТЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

85

по аналогии со знаменитыми лекциями А. В. Хилла «Приключения в био­физике».

11 лет спустя В. Эстбюри снова вернулся к этой теме 5. На него, физи­ка, произвело впечатление, что живые организмы имеют определенную форму и, так как он был занят изучением формы молекул (теперь мы сказали бы вторичной, третичной и четвертичной структуры), он нашел сходство между своей областью (изучением строения фибриллярных бел­ков) и биологией.

В 50-х годах термин «молекулярная биология» стал уже более широко употребляться в связи с изучением макромолекул, их химии, синтеза, локализации и биологической функции.

Хотя в принципе ничего нового нет в изучении специального располо­жения атомов внутри молекул (это направление было начато еще основа­телями стереохимии Я. Вант-Гоффом и Ле Белем в 1874 г.), но макромо­лекулы обнаруживают ряд новых качеств. Это пример диалектического пе­рехода количества в качество. Макромолекулы — не просто «крупное издание» мелких молекул, с которыми имеет дело органическая химия. Их огромный размер обуславливает новые химические качества, необы­чайное усиление реактивности, ее сложности и многообразия. Благодаря этим качествам стали возможны и высокая специфичность ферментов и регуляция их каталитической активности, немыслимые в катализе малыми молекулами. Своими замечательными свойствами ферменты обязаны на­личию субъединиц и различных активных центров — каталитических, ан­тикаталитических, регуляторных. Точно так же и в молекуле ДНК одни части ее несут структурную информацию, другие — регуляторную.

Химия малых молекул при всей ее важности если и обнаруживает явления этого рода, то лишь в элементарной форме. Конечно, факт, что реактивность одной группы зависит от соседних групп, установлен давно, но легкость и специфичность, с какой такие влияния осуществляются в биологических макромолекулах, — совсем другого порядка.

«Нельзя забывать, — говорится в отчете подкомиссии Г. Кребса, — что химия высокомолекулярных соединений — еще сравнительно новое достижение. Пионером в этой области надо считать Штаудингера, кото­рый начал работу по макромолекулам в 1920 г. Когда он начинал свою ра­боту, вообще высказывались сомнения, существуют ли макромолекулы. Предполагалось, что крупные частицы, например образующие коллои­ды,— это просто физические агрегаты (мицеллы), а вовсе не настоящие молекулы... Не было уверенности в том, что атомные силы взаимодейст­вия настолько велики, чтобы образовать гигантские молекулы, ибо тогда еще не было достаточной информации о природе и величине этих сил.

Когда в 1920-х годах Штаудингер высказал взгляд, что химические мо­лекулы могут быть любого размера и что гигантские молекулы, возмож­но, имеют большое биологическое значение, он встретил суровую крити­ку, недоверие и даже насмешки. Прошло более 20 лет, пока пионерская работа Штаудингера получила должное признание.

Штаудингер подчеркивал, что „макромолекулы обладают свойствами, которые нельзя предсказать из свойств низкомолекулярных образований". Он уподобил отличия между низко- и высокомолекулярными образования­ми отличиям между кучкой кирпичей и сотнями тысяч кирпичей. Немно­гого можно достичь с несколькими кирпичами, но огромные их количества могут образовать структуры, как дома и другие сооружения, которые пред­ставляют собой нечто большее, чем сумму отдельных крипичей» 6.

5 W. Т. A s t Ь и г у. «Nature», 1961, v. 190, p. 1124.

6 «Biochemistry, „Molecular Biology" and Biological Sciences. Beport of the Sub­committee Biochemical Society», 1969.

86

^ Е. М. КРЕПС

Задачей биохимии всегда было связывать химическое строение и фи­зиологическую функцию, чем биохимия и отличается от химии природных соединений или биоорганической химии. Чем крупнее молекула, тем боль­ше возможностей для такой корреляции и тем она сложнее и многообраз­нее. Убедительным примером является развитие молекулярной генетики. Эта наука ставит перед собой две фундаментальные биологические проб­лемы: выяснение механизма репликации генов, с одной стороны, и их действия, — с другой. В настоящее время на оба этих вопроса в принципе может быть дан ответ на основе химических свойств молекулы нуклеино­вых кислот.

Если все разделы биохимии ставят своей задачей связывать химическое строение (молекулярное и субмолекулярное) с биологической функцией и занимаются именно этим, и притом очень давно, что же является специ­ально характерным для того раздела биохимии, который обозначают тер­мином «молекулярная биология»?

Разные авторы вкладывают разный смысл в эти слова. Если судить по книге
С. Е. Бреслера «Введение в молекулярную биологию» 7, то содержа­ние молекулярной биологии — это химия и биологическая функция нук­леиновых кислот в отношении хранения и передачи генетической инфор­мации п синтеза белков в клетке. Другие авторы ограничивают понятие молекулярной биологии только механизмом синтеза белков, отдавая вопро­сы, связанные с наследственностью, молекулярной генетике. В. А. Энгельгардт, судя по его статье в книге «Глазами ученого» 8, значительно расши­ряет круг вопросов, охватываемых молекулярной биологией, и включает сюда самые различные биологические явления: и роль хлорофилла в фотосинтезе, и роль гемоглобина как химической основы процесса дыха­ния, и химический механизм передачи нервного возбуждения, и молеку­лярные основы деятельности мышцы, и многое другое.

Нам представляется, что о молекулярной биологии можно говорить во всех тех случаях, когда в решении биологических проблем сходятся, «сты­куются» несколько дисциплин, прежде всего биохимия, цитология, физиоло­гия (но возможны и иные сочетания наук, например генетика, физика, биофизика), иными словами в тех случаях, когда речь идет о химической и физико-химической основе какой-нибудь биологической функции, осу­ществляемой, конечно, в определенных клеточных структурах. Примеров этого, разумеется, великое множество, в том числе процесс (функция) син­теза белка из аминокислот, который протекает на рибосомах (цитология) с помощью рибонуклеиновых кислот (биохимия), или также упоминаемый В. А. Энгельгардтом акт рецепций света, протекающий в наружных сегмен­тах рецепторов сетчатки с превращениями зрительного пурпура и вовле­чением неорганических ионов. Если речь идет о генетических механизмах, то возникает союз биохимии нуклеиновых кислот, цитологии клеточного ядра и генетики, т. е. то, что называют молекулярной генетикой.

Основная и неоспоримая заслуга «молекулярной биологии» как раз­дела биохимии заключается з том, что она подчеркивает значение комплексирования биохимии с изучением функции и глубоким использованием знания тонких структур. Но было бы глубокой ошибкой думать, что такое комплексирование есть какая-то монополия молекулярной биологии. Современная биохимия ни в каком своем разделе не может развиваться без такого тесного союза. Это может быть показано на бесчисленных при-

7 С. Е. Б р е с л е р. Введение в молекулярную биологию. M.-JI., изд-во «Наука»,
1966.

8 В. А. Энгельгардт. Молекулярная биология. В сб. «Глазами ученого».
М., Изд-во АН ССОР, 1963, стр. 555.

^ О ТЕРМИНЕ И Г^ЕДМЕТЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

87

мерах. Возьмем в качестве такового неирохимию. Какого нейрохимика могут сейчас серьезно интересовать исследования, в которых анализ хи­мического строения мозга или биохимических процессов синтеза и про­межуточного метаболизма ведется в отрыве от тонких структур (субкле­точных фракций, биологических мембран), от выполняемой ими специ­фической биологической функции? Одной из центральных проблем современной нейрохимии является, в частности, роль ацетилхолина и других медиаторов в механизме передачи нервного возбуждения, проте­кающего в специальных структурах — синапсах нервной системы. Так же современная биохимия гемоглобина и других дыхательных белков не­возможна без глубокого знания их химического состава и конформации, физико-химических закономерностей связывания и отдачи кислорода и роли структуры эритроцитов в этих процессах.

Достаточно просмотреть оглавление любого тома журнала «Молекуляр­ная биология», чтобы увидеть, что в среднем примерно две трети ста­тей посвящено изучению нуклеиновых кислот и не менее трети — разным другим вопросам биохимии, составляющим обычное содержание биохи­мических журналов.

Иными словами, молекулярная биология представляет собой естест­венное современное развитие биохимии. Собственно говоря, нет никаких отличий в целях и задачах «биохимии» и «молекулярной биологии». Отчет подкомиссии Г. Кребса подчеркивает «значение вклада, сделанного физи­ками в формирование современных концепций биохимии». И далее: «Хо­тя остро ощущается необходимость дальнейшего развития и „экспансии" биохимии, не следует создавать нигде самостоятельных отделов „молеку­лярной биологии", кроме как в некоторых специальных особых случаях.

Употребление термина „молекулярная биология" оправдано и разум­но в той же мере, как и выделение в ряде случаев других подразделений биохимии — энзимологии, нейрохимии, иммунохимии, молекулярной гене­тики и др. Но все эти подразделения условны и в значительной мере мо­гут перекрывать друг друга. Действительная задача состоит в ослаблении барьеров между отдельными направлениями биологии и в объединении биологов, работающих в разных областях и разными методами» 9.

Основоположники современной биохимии, установившие важнейшие закономерности жизненных процессов, не знали, что они разрабатывают вовсе не биохимию, а молекулярную биологию. Ситуация несколько напо­минает мольеровского мосье Журдэна, не знавшего, что он всю жизнь го­ворит прозой.

УДК 577.23

9 «Biochemistry, „Molecular Biology" and Biological Sciences. Report of the Subcommittee Biochemical Society». 1969.