Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам - Энтони Рис, Майкл Стернберг 2002

Предисловие

Нередко суть предмета можно выразить с помощью одного удачно выбранного слова. Так, чаргаффское определение молекулярной биологии как «нелегальной» биохимии указывает сразу и на характер ее взаимоотношений с биохимией, и на ту роль, которую сыграли в ее развитии ученые других специальностей, и на те конфликты (как творческого, так и иного характера), которые возникали, а порой и продолжают возникать. Кажется, само название «молекулярная биология» впервые употребил Уоррен Уивер — знаменитый руководитель отдела естественных наук Рокфеллеровского фонда, оказавший поддержку многим из числа первых исследователей, работавших в этой области. 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 живой клетки».

Этот новый раздел обязан своим развитием в значительной степени физикам и химикам, которые подошли к решению биохимических проблем с двух разных сторон. Одна из школ стремилась применить физические методы, в особенности рентгеноструктурный анализ, для определения трехмерной структуры наиболее важных в биологическом отношении макромолекул. В 1984 г. исполнилось 50 лет со времени открытия Берналом и Крауфутом того факта, что дифракция рентгеновских лучей на монокристаллах белков позволяет проводить исследование их структуры с разрешением, близким к атомному. Это стало одним из первых крупных достижений новой науки. Другая школа сосредоточила свои усилия на выяснении молекулярных механизмов генетических процессов, опираясь в основном на изучение вирусов бактерий. Эта так называемая «фаговая школа» связана с именами Дельбрюка и Луриа. Здесь важнейшим достижением (хотя, строго говоря, и не принадлежащим фаговой школе), сорокалетие которого тоже отмечалось в 1984 г., было установление Эвери, Мак-Леодом и Мак-Карти того факта, что вовсе не белок, а ДНК является носителем генетической информации.

Объединение этих двух различных подходов к решению биологических проблем привело к открытию двойной спирали ДНК, сделанному в 1953 г. Криком и Уотсоном - физиком и биологом. Это замечательное открытие стало основой большинства молекулярно-биологических исследований, результаты которых описаны в данной книге.

Отличительной чертой молекулярной биологии было и остается то, что в ней делается упор на исследование структуры макромолекул и ее связи с функцией. Наиболее наглядно это было продемонстрировано на ДНК. Астбюри, один из пионеров этой науки, писал в 1950 г., накануне важнейших открытий: «...она занимается главным образом формой биологических молекул, а также тем, как эти формы эволюционируют, используются и разветвляются в своем восхождении ко все более высоким уровням организации. Молекулярная биология — в основном наука о трехмерных структурах, но это вовсе не означает, что она является просто разделом морфологии. Она должна, кроме того, выяснить генезис различных структур и их функции».

Эта книга представляет собой сжатое изложение сведений, полученных в результате молекулярно-биологических исследований. В то же время в ней обращается внимание читателя и на многие нерешенные проблемы. Будет ли она использоваться в первую очередь как краткое введение в предмет, или как путеводитель для последующего основательного изучения, или же как некий итог, подлежащий пересмотру и исправлению, — все это покажет будущее. Однако в любом случае в ней несомненно нашли отражение те поразительные успехи в понимании природы биологических явлений, которые были достигнуты за последние примерно 40 лет.

Д. Фыллыпс

Предисловие авторов

Цель этой книги состоит в том, чтобы познакомить студентов — биологов и медиков, учеников старших классов и всех заинтересованных неспециалистов с основами молекулярной и клеточной биологии. Исследования, проведенные в этой области за последние десятилетия, позволили перейти при изучении структуры и функции клеток от описания их на уровне органелл к установлению молекулярных механизмов протекающих в них процессов. Например, любое обсуждение роли ядра в хранении, репликации и экспрессии генетического материала сводится к рассмотрению структуры и свойств ДНК, РНК и соответствующих белков. Поэтому всем, кто приступает к изучению данной области науки, необходимо не только усвоить основные положения клеточной и молекулярной биологии, но и понять их взаимосвязь. В надежде помочь в решении этой задачи и была написана эта книга. Как нам кажется, благодаря выбранной форме изложения и обилию иллюстраций книга будет полезна не только как введение в молекулярную биологию для начинающих, но и как сжатое изложение основных ее принципов для более квалифицированного читателя. В книге рассмотрен широкий круг вопросов — начиная от описания строения клеток и их органелл и кончая структурой биологических макромолекул. Хотя некоторые разделы, строго говоря, не относятся непосредственно к области молекулярной биологии, мы включили их либо потому, что они необходимы для понимания других разделов (структура липидов и углеводов), либо потому, что они представляют общий интерес, хотя и мало связаны между собой (молекулярная эволюция и механизм проводимости нервного импульса). Мы рассмотрели также два таких современных вопроса, как генная инженерия и строение антител, поскольку считаем, что чем раньше начинающие молекулярные биологи познакомятся с этими важными темами, тем лучше.

В подобной книге невозможно отразить с достаточной полнотой все аспекты рассматриваемого предмета. Мы к этому и не стремились. Надеемся, что круг вопросов, на котором мы решили остановится, и те необходимые обобщения, которые нами сделаны, удовлетворят читателей и воодушевят их на более глубокое изучение предмета. Если эта надежда осуществится, пусть даже частично, мы будем полностью удовлетворены.

Энтони Р. Рис Майкл Дж. И.

Стернберг

Благодарности

Мы хотели бы выразить нашу признательность за внимательное прочтение рукописи этой книги и ряд полезных замечаний и предложений м-ру Кирену Чада, д-ру Кейту Дэлзилу, д-ру Питеру Гудфорду, д-ру Луизе Джонсон, д-ру Патрику Махони, д-ру Джону Мак-Лэхлэну, проф. Эндрю Миллеру, проф. сэру Дэвиду Филлипсу, д-ру Брайану Саттону, м-ру Гарвею Шулману и д-ру Майклу Юдкину.

Мы благодарны также жене одного из нас (Э.Р.Р.) за ее выдержку и нашему художнику Дэвиду Гарднеру, неизменно сохранявшему хорошее настроение, несмотря на бесконечные переделки рисунков. И наконец, но отнюдь не в меньшей степени, мы благодарны нашему редактору Бобу Кэмпбеллу, вдохновлявшему нас на этот труд, и Джону Робсону за его долготерпение.

Материалы, заимствованные из других работ

Рисунки

Part of Fig. 4.1 from Branton D., Klug A. (1975). J. Mol. Biol., 92, 559-564, various plates and figures. Part of Fig. 4.1 from Marvin D. et al. (1975), Nature (Lond.), 243, 19-23, fig. 5. Part of Fig. 5.1 from KJug A. (1960). Advances in Virus Research, vol. 7, p. 274.

Part of Fig. 5.1 from Wilson I. et al. (1981). Nature, 289, 336. Fig. 6.1, 8.1 and 11.1 © I. Geis from Dickerson R.E., Geis I.

(1969). The Structure and Action of Proteins, Benjamin/Cummings, Menlo Park, California. Fig. 9.1 © I. Geis from Cantor C.R., Schimmel P.R. (1980) Biophysical Chemistry, Part 1, fig. 2.23a, b, W.H. Freeman, San Francisco. Fig. 10.1 © J.S. Richardson in Anfinsen C.B. et al. (eds.) (1981).

Advances in Protein Chemistry, vol. 34, figs. 73, 74, 77, Academic Press, New York. Fig. 10.2 courtesy A.C.T. North from Imoto T. et al. (1972), fig. 2; in Boyer P.D. (ed.). The Enzymes, vol. 7, 3rd edn.,

Academic

Press, New York.

Fig. 14.2 adapted from Johnson L.N. et al. (1968). Structure Function and Evolution of Proteins. Brookhaven Stymposia in Biology, No. 2, Fig. 2.

Fig. 15.1. after Perutz M.F. (1978). Hemoglobin structure and respiration transport, Scientific American, 239, No. 6, 80; and Baldwin J., Chothia С (1979). J. of Molecular Biology, 129, 175-220, figs. 1.2.

Fig. 18.1 from Metzler D.E. (1977). Biochemistry - the Chemical Reactions of Living Cells, fig. 2.23a, Academic Press, New York.

Fig. 19.1 from Holbrook S.R. et al. (1978). J. of Molecular Biology, 123, 631-660, fig. 4.

Part of Fig. 26.1 from Worcel A., Burgi E. (1972). J. of Molecular Biology, 71, 127-147, fig. 12.

Part of Fig. 26.1 and 26.2 from Kornberg A. (1980). DNA. Replication, figs. 9.5 and 9.11, W.H. Freeman, San Francisco.

Part of Fig. 34. 1 from Henderson R. et al (1975). Nature (Lond.), 257,28-31.

Fig. 37.1 after Stryer L. (1981). Biochemistry, 2nd edn., fig. 34.8, W.H. Freeman, San Francisco; and Cohen С (1975). The protein switch of muscle contraction, Scientific American, 233, No. 5, 39.

Fig. 39.1 part from Taylor D.L. et al. (1982). Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B, 299, 185-197, fig. 4; and part from DePamphilis M.L., Adler J. (1971). J. of Bacteriology, 105, 395, fig. 25.

Fig. 40.1 from Amzel L.M. et al. (1974). Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 71, 14271430, fig. 4.

Part of Fig. 41.1 from Schrader W.T. et al. (1981). In: Grcep Roy (ed.). Recent Progression in Hormone Research, vol. 37, p. 620, fig. 27, Academic Press, New York.

Fig. 43.1 from Quigley G.J. et al. (1980). Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 77, 7204-7208, figs 4, 6.

Другие материалы

Parts of table 44.1 and worked example from Price N.C., Dwek R.A. (1979). Principles and Problems in Physical Biochemistry for Biochemists, 2nd edn., Oxford University Press, Oxford.

Как пользоваться этой книгой

Каждая глава состоит из основного рисунка и объяснительного текста; иногда в тексте приводятся дополнительные рисунки меньшего размера. Вначале следует ознакомиться с основным рисунком, затем прочитать текст, а после этого вернуться к рисунку для более детального его рассмотрения. Коричневой краской выделены заголовки параграфов. Прописной шрифт, отмеченный коричневой краской, используется в тех случаях, когда впервые упоминается какой-

либо важный вопрос, который рассматривается в последующих параграфах. Для того чтобы подчеркнуть ключевые слова, которым иногда посвящены последующие параграфы, используется курсив. Если вам встретится непонятный термин, следует обратиться к предметному указателю. Наконец, для тех, кому захочется более детально ознакомиться с какой-либо темой, в конце книги приведен краткий список литературы.