Молекулярная биология

МОЛЕКУЛЯРНАЯ 

БИОЛОГИЯ

Москва 
РИОР

ИНФРА-М

УЧЕБНИК

Второе издание

В.В. ИВАНИЩЕВ

УДК 577.2(075.8)
ББК 28.070я73
 
И19

Иванищев В.В.

Молекулярная биология : учебник / В.В. Иванищев. — 2-изд. — 

Москва : РИОР : ИНФРА-М, 2020. — (Высшее образование). — 233 с. — 
DOI: https://doi.org/10.29039/01857-6

ISBN 978-5-369-01857-6 (РИОР)
ISBN 978-5-16-016309-3 (ИНФРА-М, print)

В учебнике представлен основной круг вопросов молекулярной биоло
гии — наиболее бурно развивающегося направления биологической науки. 
Логика изложения материала включает последовательное освещение структурной организации и функций ДНК, РНК, белков. Важное внимание уделено механизмам передачи сигналов в живых системах, проблемам создания 
и использования генно-инженерных организмов. Каждая глава завершается 
контрольными вопросами и заданиями для самостоятельной работы. В учебник включен набор лабораторно-практических работ, не требующих специализированного оборудования и материалов. В новое издание внесены дополнения и уточнения, отражающие современное состояние науки.

Содержание учебника соответствует ряду компетенций, освоение которых 

предусмотрено ФГОС ВО при подготовке бакалавров по направлениям «Педагогическое образование» (профили «Биология» и «Химия»), «Биология». 
Отдельные темы могут быть использованы при подготовке магистров по направлениям «Биология», «Химия», «Естественнонаучное образование».

Книга предназначена студентам, обучающимся по естественнонаучным 

специальностям, а также будет полезна для учителей биологии и химии средней школы.

УДК 577.2 (075.8)

ББК 28.070я73

И19

ISBN 978-5-369-01857-6 (РИОР)
ISBN 978-5-16-016309-3 (ИНФРА-М, print)

А в т о р :
Иванищев В.В. — д-р биол. наук, старший научный сотрудник, профессор, 

заведующий кафедрой биологии и технологий живых систем, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого (Тула). Автор более 
235 печатных работ, в том числе четырех монографий, учебников по генетике, 
молекулярной биологии и двадцати учебных пособий по генетике, молекулярной 
биологии, биохимии, физиологии растений и др.

Р е ц е н з е н т ы :
Веселов А.П. — д-р биол. наук, профессор, и.о. зав. кафедрой биохимии и физио
логии Института биологии и биомедицины ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Понаморева О.Н. — д-р хим. наук, доцент, зав. кафедрой биотехнологии, Туль
ский государственный университет (Тула)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

© Иванищев В.В.

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее исчерпывающее определение биологической формы 

существования материи предлагает кибернетика. Оно гласит, что 
жизнь — это процесс поддержания неравновесного состояния органической системы по отношению к окружающей среде путем обмена с ней веществом и энергией. Все проявления жизни обеспечиваются функционированием таких макромолекул как ДНК, РНК и 
белки. В основе работы этих органических веществ лежат изменения 
их пространственной структуры во времени, что определяет взаимосвязь между конформацией и функцией каждого из них. Наряду 
с этим, взаимодействие между отдельными макромолекулами обусловливает разнообразие биохимических и физиологических реакций и процессов, необходимых для обеспечения жизненных явлений. Поскольку именно такие связи отражают суть молекулярной 
биологии, постольку она охватывает всю область знаний, касающихся не только нуклеиновых кислот, но и белков в описанном аспекте. 
Две другие основные группы органических соединений живой природы (липиды и углеводы) выполняют, главным образом, энергетические функции. При этом липиды также являются важнейшими 
структурно-функциональными компонентами некоторых надмолекулярных комплексов (мембранных структур), в то время как для 
полисахаридов проявление иных возможных значимых функций 
(кроме энергетических) в рассматриваемом аспекте до сих пор не 
обнаружено, кроме как торможения фотосинтетической ассимиляции СО2 в хлоропластах при накоплении там крахмала на свету 
(правда, по другому механизму).

Проявления жизни обеспечиваются двумя основными свой
ствами: хранением наследственной информации и ее реализацией. 
В ходе эволюции хранение информации стало, в основном, функцией ДНК (иногда — РНК), в то время как реализация генетической 
программы стала обеспечиваться, главным образом, белками (а также малыми ядерными РНК). Развитие теоретических представлений 
на основе огромного пласта экспериментальных данных позволило 
сформулировать теорию РНК-мира, согласно которой первые живые 
системы были, по-видимому, РНК-системами, которые могли воспроизводить себя сами (что показано в специальных экспериментах). 
Такой взгляд на зарождение и эволюцию живых систем сложился 
после открытия рибозимов — РНК, обладающих ферментативными 
свойствами, а также синтеза самовоспроизводящихся в определенных условиях эксперимента малых РНК.

Молекулярная биология оформилась как новое научное направ
ление в 70-х годах прошлого века, когда были в достаточной мере 

разработаны многие экспериментальные подходы и ряд «тонких» 
методов для манипуляций с генетическим материалом, которые удалось автоматизировать. Другими компонентами, обеспечившими 
бурное развитие направления, явились подготовка достаточного числа высококвалифицированных кадров, расширение доступности 
необходимого оборудования и реагентов, а также развитие компьютерной техники и ее программного обеспечения.

Исторически многие годы предметом изучения молекулярных 

биологов были нуклеиновые кислоты. Поэтому до сих пор учебники 
и учебные пособия по этой дисциплине часто концентрируют внимание в основном на этих объектах. Исследования биохимиками 
молекул белков в аспекте взаимосвязей между их пространственными конформациями и функциями позволило обнаружить, что 
белки также могут рассматриваться в качестве объектов изучения 
молекулярных биологов. Значительное количество накопленных 
фактов в данной области существенно расширило круг вопросов, 
которыми в той или иной степени занимаются молекулярные биологи. Особую роль в этом сыграло использование метода электронной криомикроскопии, позволившего создавать трехмерные модели 
белковых молекул в разных условиях эксперимента. Потому в настоящем учебнике обеим группам указанных макромолекул уделено 
примерно равное внимание.

Количество экспериментальных данных в рассматриваемой об
ласти науки растет как снежный ком. При этом чрезвычайная специфичность уникальных знаний часто оказывается мало доступной 
для очень многих специалистов, даже профессионально в той или 
иной степени связанных с биологией, а также преподавателей биологических дисциплин и студентов, обучающихся по биологическим 
направлениям. С другой стороны, многие результаты исследований, 
предполагающие возможность коммерциализации, находятся в закрытом для широких, в т.ч. научных, кругов состоянии. Поэтому 
данные, опубликованные в открытой печати, могут не полностью 
соответствовать истинному уровню развития молекулярной биологии в данный момент времени. Тем не менее, необходимо периодически пересматривать и дополнять круг вопросов, которые могут 
составлять основу учебников и учебных пособий, но должны отражать современное состояние научного знания в стремительно развивающихся областях и направлениях науки.

ТЕМА 1

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ И ЕЕ МЕТОДЫ

Молекулярная биология как научное направление начала форми
роваться во второй половине ХХ века. Ее название связывают с именем Уильяма Эстбюри, назвавшим себя «молекулярным биологом» 
и одним из первых заложивших основы нового раздела науки, получив первую рентгенограмму ДНК (рис. 1).

Рис. 1. Рентгенограмма кристалла ДНК [12]

Фактически молекулярная биология возникла на стыке химии, 

физики и биологии. При этом разработка и использование тонких 
физических и химически методов анализа структуры и функций молекул живых клеток явились фундаментом в формировании нового 
научного направления.

Успехи генетики и биохимии и, особенно, все возрастающее ко
личество проблем в представлениях учёных этих областей, которые 
было невозможно разрешить с помощью традиционных подходов, 
явились мощным стимулом для изучения жизни на молекулярном 
уровне. В центре молекулярно-биологических исследований оказались материальные основы наследственности (с которыми студенты 
высшей школы знакомятся, в основном, в курсе «Генетика» и, частично, — в курсе «Биохимия»), а также исследование природы генов 

и механизмов передачи наследственных признаков из поколения в 
поколение.

Бурное развитие генетики в 20–30-х гг. ХХ века в аспектах изуче
ния наследственности и изменчивости организмов, а также существенное расширение возможностей экспериментатора в связи с 
переходом к изучению генетики и биохимии микроорганизмов и 
бактериофагов стали основополагающими факторами в формировании молекулярной биологии.

К середине ХХ века биохимиками были получены фундаменталь
ные данные о структуре белков и нуклеиновых кислот. Особенно 
важную роль сыграли здесь исследования Эрвина Чаргаффа, позволившие выявить количественные закономерности в структуре ДНК. 
Создание Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком представления 
о двойной спирали ДНК явилось важнейшим событием современной 
биологии, определившим дальнейшие направления развития всех 
отраслей биологической науки.

Краткая история молекулярной биологии может быть схематиче
ски представлена в виде следующих этапов:

1869 г. — Ф. Мишер выделил ДНК из животных организмов.
1935 г. — А. Белозерский выделил ДНК из растений.
1939 г. — В. Энгельгардт открыл АТФ-азную активность белка 

миозина.

40-е гг. — получены первые рентгенограммы ДНК (У. Эстбюри) и 

доказательства того, что ДНК, а не белок является носителем генетический информации (О. Эвери)

50-е гг. — Л. Полинг и Р. Кори обосновали существование альфа- 

и бета-структур белков.

1953 г. — Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель двойной спи
рали ДНК. Ф. Сэнгер расшифровал первичную структуру белка инсулина быка.

1956 г. — А. Корнберг открыл фермент ДНК-полимеразу.
1957 г. — А. Белозерский и А. Спирин предсказали существование 

иРНК.

1960 г. — Описаны трехмерные структуры белков миоглобина и 

гемоглобина. Открыт фермент РНК-полимераза.

1961 г. — Ф. Жакоб и Дж. Моно разработали модель оперона.
К 1970 г. — Установлена первичная структура ряда тРНК и рас
шифрован генетический код. Открыты ферменты — обратная транскриптаза и ДНК-лигаза.

1972 г. — разработана технология клонирования ДНК и заложены 

основы генетической инженерии. Осуществлен химический синтез 
гена тРНК (Г. Хорана).

1975–77 гг. — Разработан метод определения первичной структу
ры ДНК. Расшифрована нуклеотидная последовательность ДНК 

фага (Ф. Сэнгер). Открыто сложное строение генов эукариот. Определена третичная структура тРНК.

Таким образом, был сформулирован и всесторонне доказан глав
ный постулат молекулярной биологии и генетики, определяющий 
путь реализации генетической информации в клетке: ДНК → РНК → 
→ белок.

Далее были изучены биохимические аспекты взаимосвязи эле
ментов этой цепи: репликация ДНК, транскрипция, трансляция. 
Параллельно изучали локализацию протекания этих процессов в 
клетке, что привело к формулировке определения молекулярной биологии как науки, изучающей связь структуры биологических макромолекул и основных клеточных компонентов с их функциями. Далее 
к этому определению добавили исследования принципов и механизмов саморегулирования клеток, обеспечивающих согласованность и 
единство всех протекающих в клетке процессов, что составляет сущность явления жизни.

К середине 80-х гг. ХХ века выяснены механизмы сплайсинга, 

открыты рибозимы (РНК с ферментативными свойствами), автосплайсинг (самопроизвольные изменения структуры РНК при изменении условий среды). Изучены механизмы генетической рекомбинации и подвижные элементы генома, механизмы действия ферментов и функционирования мембран. Начинается расшифровка 
геномов высших организмов, создаются основы генно-инженерных 
биотехнологий, обнаруживаются и синтезируются каталитически 
активные антитела (абзимы), возникает белковая инженерия.

Всё выше описанное привело к формулированию понятия физи
ко-химической биологии, объединившего биофизику, биохимию, 
биоорганическую химию, молекулярную генетику. Связующим звеном этих направлений биологической науки явилась молекулярная 
биология:

БИОФИЗИКА                                  БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ

БИОХИМИЯ                                    МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА

В 80-х гг. ХХ века возникло научное направление биоинформатика 

(вычислительная генетика, компьютерная генетика) на стыке молекулярной биологии и информатики, что было обусловлено значительным накоплением информации в области исследований отдельных генов, целых геномов организмов и созданием специальных 
банков нуклеотидных последовательностей — генных банков в США 
и Европе. В результате основная цель исследований сфокусировалась 
на выявлении закономерностей между структурой и функцией генов. 
Накопление информации предоставило базу развитию представлений о молекулярной эволюции генов и разработки новых критериев 
систематики живых организмов.

В настоящее время предмет биоинформатики существенно расши
рился и включает данные не только о структуре нуклеиновых кислот, 
отдельных генов, но и аминокислотной последовательности белков, 
особенностях формирования их пространственных структур и т.п.

Исследование молчащих участков Y-хромосомы человека приве
ло к появлению и развитию принципиально нового научного направления – ДНК-генеалогии [43], которое занимается анализом нуклеотидных последовательностей неактивной части генома. Оказалось, 
что такие последовательности характеризуются наличием определенных закономерностей, анализируя которые авторы (А.А. Клесов 
и др.) приходят к неординарным выводам об эволюции человека, 
появления его как вида, расселении по поверхности нашей планеты, 
а также формируют строгий естественнонаучный фундамент для таких наук, как археология, история, лингвистика. Принципиально 
новым здесь является подход к молекуле ДНК, в первую очередь, как 
к химическому веществу, что оказалось весьма продуктивным в развитии этого нового направления биологической науки. При этом 
такая информация пока не является сколько-нибудь необходимой 
для объяснений жизненных явлений с позиций генетики, биохимии, 
молекулярной биологии.

Научное направление геномика сконцентрировалось на изучении 

генов, работающих на разных стадиях онтогенеза для обеспечения 
функционирования организма как единого целого. Предметом изучения протеомики стали полные наборы белков, обеспечивающих 
метаболизм клетки на различных этапах развития того или иного 
организма. Белковая инженерия занялась изучением возможности 
синтеза белков с определенной последовательностью аминокислот, 
выявлением взаимосвязи между первичной и иными структурами 
белков и их физиологическими функциями. Возрастающий объем 
экспериментальных данных позволил перейти к моделированию 
ожидаемой пространственной структуры белков в зависимости от их 
первичных последовательностей, сформулировать представления 
о молекулярной эволюции белков и предложить новые критерии 
систематики живых организмов.

При этом важную роль в развитии данного направления науки 

займут исследования, с использованием  метода электронной криомикроскопии, которые дадут новую информацию для понимания 
формирования отдельных уровней структурной организации и активной конформации белка в целом.

К концу ХХ века были расшифрованы геномы ряда бактерий, 

дрожжей, нематоды, дрозофилы, растения арабидопсиса и (в начале 
ХХI века) почти полностью — геном человека.

В целом накоплен и продолжает быстро увеличиваться огромный 

банк экспериментальных фактов, еще недавно поражавших воображение человека. С другой стороны, в ходе стремительного развития 
молекулярная биология поднимает новые проблемы, рождает новые 
идеи. Это привело к тому, что ряд ученых занялся теоретическим 
осмыслением уже накопленных знаний и попытками выявления некоторых закономерностей функционирования живых систем.

Молекулярная биология — это, во многом, практическая наука, 

разнообразные аспекты которой вызывают широчайший общественный резонанс. В первую очередь, это проблемы онкогенеза, возможности преодоления и лечения ряда генетических болезней человека, 
долголетия, клонирования. Они все чаще оказываются в центре внимания всего просвещенного человечества. Кроме того, молекулярная 
биология, как практическая наука, касается и таких общих проблем, 
как создание новых биотехнологий в различных сферах промышленности и сельского хозяйства, а также создание новых форм организмов (сортов, пород, штаммов, химер), важных для увеличения производства продуктов питания, решения проблем экологии и др.

Поэтому научно-практические задачи молекулярной биологии 

включают:

 
• расшифровку структуры геномов;

 
• создание банков генов;

 
• развитие геномной дактилоскопии;

 
• изучение молекулярных основ эволюции, дифференцировки, 

разнообразия, развития и старения, канцерогенеза, иммунитета 
и пр.;

 
• создание методов диагностики и лечения генетических болез
ней, вирусных заболеваний;

 
• создание новых биотехнологий производства пищевых продук
тов и разнообразных биологически активных соединений (гормонов, энергоносителей и т.п.).
Накопленные знания в области молекулярной биологии весьма 

разнообразны, и для их понимания часто необходима солидная теоретическая подготовленность слушателя. При этом основную опору 
составляют знания курсов генетики, биохимии, органической химии.

Круг вопросов молекулярной биологии включает разработку сле
дующих вопросов научного и общетеоретического характера:

 
• строение аминокислот, пептидов и белков в связи с их функ
циями и участием в регуляции жизненных процессов;

 
• особенности строения и механизмы действия ферментов раз
личных классов;

 
• упаковку и организацию генетического материала в клетках про- 

и эуариот;

 
• особенности синтеза, строения, созревания и распада РНК;

 
• митотический цикл и репликация ДНК в связи со строением 

хромосом;

 
• модификация, генетическая рекомбинация и репарация ДНК;

 
• трансляция, фолдинг и модификация белков;

 
• исследование мембран и межклеточных взаимодействий;

 
• регуляция клеточного митотического цикла;

 
• апоптоз (самоуничтожение) и онкогенез клетки;

 
• генная инженерия и клонирование ДНК.

Таким образом, проблемы молекулярной биологии весьма обшир
ны и часто сложны для восприятия даже без использования химических и математических формул. Поэтому излагаемый материал будет 
представлен далее, где это возможно, в виде схем, облегчающих его 
восприятие и способствующих запоминанию.

МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Определение молекулярной биологии как научного направления, 

позволяющего, в первую очередь, выявлять взаимосвязи между химической структурой и биологическими функциями веществ, предполагает, что ее методы исследования должны быть какими-то особенными. Однако на практике используются многие известные методы биологических и химических исследований.

МИКРОСКОПИЯ – один из наиболее ранних методов биологии – 

оказался важным для молекулярно-биологических исследований 
хромосом в процессах деления клетки. Развитие микроскопии и появление интерференционного, фазово-контрастного и, особенно, 
электронного микроскопа позволили непосредственно перейти к 
прямому наблюдению биологических объектов и даже отдельных 
внутриклеточных частиц и крупных макромолекул. Этот метод позволил изучить не только структуру отдельных вирусов и фагов, внутриклеточных органелл и белково-нуклеиновых комплексов (таких 
как хроматин, рибосомы, информосомы), отдельных ферментов, 
напр., АТФ-синтетазы, Рубиско. Использование сканирующих