БИОХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМАТИКА: Отечественными биохимиками А.Н. Белозерским, А.С. Спириным, А.С.

Биохимическая систематика

БИОХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМАТИКА: Отечественными биохимиками А.Н. Белозерским, А.С. Спириным, А.С.

Существует несколько биохимических методов, позволяющих количественно измерить изменения, происшедшие в гомологичных макромолекулах близко- или отдаленно родственных видов в процессе их дивергенции.

Объектом таких исследований служат обычно белковые молекулы, молекулы ДНК, но иногда и другие вещества, например вторичные метаболиты растений.

Молекулярные данные проливают свет на филогенетические взаимоотношения.

Непосредственные результаты сравнительно-биохимического изучения макромолекул можно выразить количественно несколькими различными способами:

оценка относительной степени сродства между цепями ДНК из организмов разных видов (при исследованиях методом гибридизации ДНК);

определение числа и доли замещений аминокислот в гомологичных полипептидных цепях (при изучении аминокислотных последовательностей белков);

определение вероятного числа точковых мутаций, участвующих в создании наблюдаемых различий между гомологичными белками (путем экстраполяции данных об аминокислотных последовательностях белков);

определение доли ферментных локусов, различающихся по электрофоретичееким свойствам (при исследовании методом электрофореза).

Немного истории. Отечественными биохимиками Белозерским, Спириным, и Антоновым и их последователями в начале 1970-х гг. XX в. были сформулированы представления об использовании генетических и биохимических показателей в оценке таксономического сходства живых организмов.

Со времен Эрнста Геккеля известна триада сравнительно-филогенетических методов. Комбинация этих методов — весьма мощный инструмент систематика-эволюциониста. Однако для решения проблем систематики низших организмов необходимы принципиально иные методы, которыми и могут быть биохимические.

Для понимания степени филогенетического родства организмов неоднократно использовались данные о составе и свойствах их алкалоидов, жиров, белков, путях синтеза тех или иных метаболитов. Широко известны также попытки применения иммунобиологических и иммунохимических методов, а также анализа элементного состава.

Однако подобные исследования имели весьма ограниченный успех и не получили признания у «классических» систематиков. По мнению Белозерского и его учеников, переворот в биохимической систематике произошел после того, как американский ученый Э. Чаргафф в самом начале 1950-х гг. совершил открытие: нуклеиновые кислоты, так же как и белки, видоспецифичны.

После десятилетий изучения первичной структуры ДНК, был сделан вывод о том, что ДНК всего органического мира едина: во всех исследованных группах животных и растений она слагается из одних и тех же дезоксирибонуклеотидов, включающих два пуриновых основания (аденин и гуанин) и два пиримидиновых (цитозин и тимин). Для всего органического мира (за исключением одноцепочечных ДНК некоторых вирусов) строго соблюдаются закономерности, подмеченные Чаргаффом.

2) Из пятого правила Чаргаффа вытекает второй, не менее важный вывод, сделанный одновременно и независимо Белозерским и Спириным и французскими исследователями Ли, Валь и Барбю: процент пар гуанин-цитозин, изменяющийся в процессе эволюции, видоспецифичен и может иметь таксономическое значение. Впервые это было показано на ДНК бактерий, где мы имеем очень большие вариации нуклеотидного состава. Показатель (Г+Ц)\(А+Т) у бактерий может меняться от 2,57 (сарцина) до 0,45 (возбудитель газовой гангрены). Поэтому выделили эквимолярную ДНК, ДНК ГЦ-типа и АТ-типа.

Впоследствии ДНК была изучена у многих групп водорослей, грибов, вирусов, а также высших растений и животных. Анализируя эти данные, Антонов пришел к выводу о том, что вариабельность соответствует эволюционному возрасту таксона. Древние группы (вирусы, бактерии, грибы, водоросли) очень варьируют по составу ДНК. То же отмечается и у животных.

Не исключена возможность, что значительная вариабельность нуклеотидного состава ДНК микроорганизмов свидетельствует об их полифилии (происхождение таксона от разных предков); в то же время она может быть лишь следствием длительности мутационного процесса.

Любопытно, что ДНК практически всех высших растений и животных АТ-типа, причем нуклеотидный состав довольно стабилен. Специфичность в данном случае реализуется по линии нуклеотидной последовательности. Это обстоятельство ограничивает применение такого показателя, как нуклеотидный состав ДНК, у высших организмов.

Тем не менее, использование данных о составе ДНК позволяет сделать более обоснованный выбор из числа имеющихся альтернативных схем макрофилогенеза.

Антоновым и Медниковым (1972) методами вариационной статистики был проанализирован материал о составе ДНК около 2000 видов различных организмов. Из полученных данных сделан ряд любопытных выводов.

Прежде всего можно заключить, что выделенные ранее формальные категории ДНК ГЦ- и АТ-типа — не субъективны, а отражают реально существующую в природе закономерность: во всех наиболее изученных группах чаще всего встречаются ДНК, содержащие от 35 до 45 или от 50 до 60 % ГЦ-пар нуклеотидов. Иными словами, мы имеем два модальных класса.

Эквимолярный состав ДНК встречается относительно редко, хотя ДНК с равным количеством всех четырех оснований должна обладать максимально возможной информационной емкостью (два бита на нуклеотид, согласно уравнению Шеннона).

Биохимики разработали методы сравнения организмов по набору аминокислот, а также по прямому сопоставлению молекул ДНК. Второй подход сравнения последовательностей в ДНК более перспективен — метод молекулярной гибридизации.

Метод молекулярной гибридизации был разработан в США Хойером, Мак-Карти и Болтоном. Итак, ДНК состоит из двух комплементарных цепей, соединенных водородными связями между аденином и тимином, и гуанином и цитозином. В нормальных условиях эта структура весьма устойчива.

Если же повысить температуру, особенно в условиях низкой ионной силы, водородные связи между комплементарными цепями рвутся: ДНК денатурирует.

При медленном охлаждении начинается процесс ренатурации, воссоединения комплементарных цепей, но ренатурация приближается к 100% только у гомогенных ДНК фагов.

Если денатурированную ДНК иммобилизировать осаждением на целлюлозный фильтр или включением в агаровый либо полиакриламидный гель, ренатурации не произойдет. Работая одним из основных методов, процесс гибридизации проводят в колонке с гелем, в который «вплавлена» денатурированная ДНК.

Затем через колонку пропускают раствор ДНК, также денатурированной и подвергнутой деградации (обычно в качестве деградирующего агента применяют ультразвук). Короткие фрагменты деградированной ДНК легко проходят через поры геля и могут соединяться с иммобилизированной ДНК, образуя реассоциированные двойные цепи.

Низкомолекулярную ДНК обычно метят радиоактивным фосфором, углеродом или тритием. В дальнейшем надо лишь вымыть из колонки неприсоединившуюся меченую ДНК. Весьма полезен прием, заключающийся в обработке препарата специфической ДНК-азой, расщепляющей одноцепочечную ДНК, но не трогающей двухцепочечную.

В результате в геле остаются только гибридные цепи (в тех случаях, когда ДНК иммобилизированная и меченая происходят из разных источников). О проценте гибридизации мы можем судить по активности конечного продукта.

Из плюсов этого метода можно назвать, что, В конечном счете, этот метод — прямое определение близости геномов друг к другу.

По ряду причин методу молекулярной гибридизации «нестрашны» конвергенция и параллельное развитие, т.к.

конвергентное возникновение идентичных аминокислотных последовательностей или даже идентичных участков цепей ДНК крайне маловероятно. Гибридизация — весьма многообещающий метод для выявления полифилетических таксонов.

Однако возникли не только технические, но и методические трудности. Уже первые работы по гибридизации ДНК показали, что у высших организмов геном неоднороден:

фракция уникальных последовательностей и

фракция повторяющихся последовательностей.

Не менее интересны сателлитные фракции ДНК — оказалось, что концентрации их варьируют очень сильно даже у близкородственных видов.

Методика молекулярной гибридизации, хотя и не представляет собой ничего сложного, чрезмерно трудоемка. Но она поддается автоматизации, а в ряде лабораторий США и Западной Европы поставлена «на поток», стала рутинной процедурой, хотя и довольно дорогостоящей.

Имеются и другие трудности. Так, группой А.С. Антонова были проведены опыты по изучению степени гомологичности первичных структур геномов у однодольных растений и разных классов хордовых животных (главным образом птиц, рептилий).

Известно, что все системы построены по иерархическому принципу.

Возникает вопрос: соответствует ли род, например, однодольных растений роду птиц или млекопитающих? Если предположить, что если таксоны равномасштабны, то и степень гомологичности первичных структур ДНК у образующих их видов должна быть одинаковой.

Однако первые опыты по гибридизации ДНК показали другое — разномасштабность таксонов в системах разных групп растительного и животного мира. Так, например, меченая ДНК домашней курицы имеет приблизительно 25-38% гомологичных последовательностей с ДНК птиц других отрядов (исследовались воробьиные, трубконосые, попугаи, голуби и дневные хищники).

Приблизительно такая же межотрядная степень гомологии ДНК установлена Мак-Карти и Болтоном для класса млекопитающих. Степень гомологичности последовательностей в ДНК представителей разных классов позвоночных, естественно, ниже (у ДНК курицы и варана, например, 10,5%).

Эти участки генома, по всей вероятности, кодируют наиболее общие признаки, присущие всем хордовым. Совсем другие цифры получены для однодольных растений. Виды, относимые к разным семействам порядка лилиецветных, имеют лишь до 10% гомологичных структур ДНК.

Иными словами, семейство в группе однодольных растений по рангу должно быть приравнено к классу хордовых животных! Представители разных порядков однодольных обладают еще более гетерологичной ДНК, а между ДНК однодольных и двудольных растений иногда вообще не образуется гибридных молекул.

О субъективности ранга систематических категорий говорилось уже неоднократно, но теперь мы можем количественно оценить, насколько велика эта субъективность – и это еще один плюс метода гибридизации ДНК и биохимической систематики в целом.

Спасибо за внимание!

Источник: https://freedocs.xyz/docx-464673385

Великие Русские Достижения. Выдающийся русский биохимик Александр Сергеевич Спирин

БИОХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМАТИКА: Отечественными биохимиками А.Н. Белозерским, А.С. Спириным, А.С.
Я всю жизнь работал только в России.
А.С. Спирин.

Русский биохимик, академик Александр Сергеевич СПИРИН (род. 04.09.1931, пос. Калинина, г. Королев).

Предсказал существование информационной (или матричной) РНК – мРНК (рибонуклеиновой  кислоты),  отвечающей  за копирование  генетической информации ДНК.

Открытие некодирующих РНК и фракции информационных РНК в бактериях (1957-1958). Первое качественное описание макромолекулярной структуры высокомолекулярной РНК.

Открытие способности РНК к сворачиванию в компактные структуры (1959-1961).

Реконструкция рибосомных частиц вне клетки; открытие самосборки рибосомных белков на каркасе рибосомной РНК (1963-1966).

Открытие информосом – внутриклеточных информационных рибонуклеопротеидных частиц (мРНП) в цитоплазме животных клеток (1964). (Ленинская премия, 1976 г.).

Формулирование модели динамической работы рибосомы в процессе биосинтеза белка (1968). Первое экспериментальное доказательство структурной подвижности рибосомы в ходе этого процесса (1987). (Государственная премия СССР, 1988 г.).

Создание низкоэнергетической системы трансляции (биосинтеза белка) на структурно модифицированных рибосомах вне клетки (бесфакторная, или «неэнзиматическая» трансляция) (1970-1976). Концепция кинетической (каталитической) роли энергии ГТФ в функционировании рибосом (1976-1978).

Изобретение бесклеточной системы биосинтеза белка непрерывного действия (1988).

Разработка способов препаративного синтеза белков вне клетки в различных вариантах такой системы (1989-2004).

Доказательство котрансляционного сворачивания глобулярных белков на рибосомах в процессе их синтеза (1993 – 2000). (Премия им. А.Н. Белозерского РАН, 2000 г.).

Разработка концепции рибосомы как молекулярной наномашины, использующей тепловое (броуновское) движение для направленного перемещения вдоль матричной цепи информационной РНК (1985-2011).

Организовал Институт белка в наукограде Пущино.В 1969 г. Федерацией европейских биохимических обществ (ФЕБО) удостоен медали им. Ханса Кребса.Почетный доктор Гранадского университета. член Германской академии естествоиспытателей «Леопольдина».Лит.: Большая Советская Энциклопедия. – М., 1969–1978.

*

По материалам книги Александра ПецкоВеликие русские достижения”. Тег —ВРД.

***

О Рибосомах ничего не знали

Когда я начинал работать в науке, практически ничего не было известно о явлениях, составляющих основу современной молекулярной биологии, в частности об экспрессии генов и о биосинтезе белка. Многих понятий, с которыми современные школьники знакомятся на уроках, просто не существовало.

Я тогда работал одновременно в Московском университете и в Институте биохимии имени Баха АН СССР, директором которого был Александр Иванович Опарин.

В 1960 году я впервые заговорил с ним о рибосомах, и он мне сказал: «Ну, надо еще доказать, что они существуют».

Только что, в 1958 году, появилось это слово – «рибосомы».

Они были открыты как бы с двух сторон независимо: биохимическими и физико-химическими методами, как главные клеточные рибонуклеопротеиды (то есть частицы, состоящие из РНК и белка), и цитологическими методами, с помощью электронной микроскопии.

Безусловно, я начал свои работы с рибосомами не на пустом месте. Моим учителем был Андрей Николаевич Белозерский, который, собственно, основал российскую научную школу исследователей нуклеиновых кислот.

Надо заметить, что в Советском Союзе идеи молекулярной биологии легли на подготовленную почву и немедленно получили развитие во многом благодаря тому, что уже существовала эта школа. А.Н.

Белозерский исследовал нуклеиновые кислоты на кафедре биохимии растений у выдающегося ученого А.Р.Кизеля еще в 1934 году, задолго до того, как была открыта их ключевая роль в жизни.

Он впервые выделил дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) из растений, а до тех пор она считалась типичной «животной» нуклеиновой кислотой. Это было начало работ, показывающих универсальность распространения ДНК и РНК в живом мире.

Я вошел в эту науку в 1956 году, начав анализ состава нуклеиновых кислот в бактериях. Первая моя работа, выполненная вместе с А.Н.Белозерским, была опубли кована в «Nature» в 1958 году. Тогда она стала сенсацией и привлекла внимание основоположника молекулярной биологии Фрэнсиса Крика, который охарактеризовал ее как начало «новой фазы в исследовании генетического кода».

До этой работы считалось, что, поскольку функция РНК – только перенос информации от ДНК к белкам, РНК должна повторять специфический нуклеотидный состав (соотношение четырех сортов азотистых оснований) ДНК.

Я проанализировал нуклеотидный состав ДНК и РНК у 20 видов бактерий (для этого потребовалось разработать специальные микрометоды) и нашел, что состав ДНК сильно различается у разных видов, тогда как состав РНК сравнительно стабилен.

Последующая обработка данных привела нас к следующим выводам.

Небольшая фракция РНК действительно копирует ДНК (так была предсказана информационная, или матричная, РНК – мРНК). Однако основная масса РНК, скорее всего, не задействована в переносе генетической информации, она похожа у разных организмов и выполняет какую-то иную роль.

Это был первый шаг на пути к рибосомам – универсальным белок-синтезирующим частицам, структурная РНК которых и составляет основную массу тотальной клеточной РНК.

В 1960 году я впервые выделил рибосомы и начал новый цикл работ, уже независимо от моего учителя. Сначала я вплотную занимался физико-химией РНК как биополимера, ее макромолекулярной структурой, и на этом защитил докторскую диссертацию, а потом уже перешел к изучению функций, к биосинтезу белка.

Александр Сергеевич Спирин.

(Отрывок из статьи.)

Источник.

Источник: https://ss69100.livejournal.com/2031733.html

Белозерский Андрей Николаевич — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

БИОХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМАТИКА: Отечественными биохимиками А.Н. Белозерским, А.С. Спириным, А.С.

Белозе́рский Андрей Николаевич (1905-72), российский биохимик, один из основоположников молекулярной биологии в СССР, академик АН СССР (1962), Герой Социалистического Труда (1969).

Фундаментальные труды по распространению и химическому составу нуклеиновых кислот у различных групп организмов. Предсказал (совместно с А. С. Спириным, 1957) существование информационной (матричной) РНК.

Заложил основы эволюционной геносистематики.

Белозерский Андрей Николаевич [16 (29) августа 1905, Ташкент — 31 декабря 1972, Москва], российский биохимик, один из основоположников молекулярной биологии в СССР.

Отец, Николай Андреевич Белозерский, происходивший из семьи первых русских переселенцев в Среднюю Азию, был юристом судебной палаты; мать преподавала в прогимназии. В 1913 Белозерский остался сиротой и после скитаний по родственникам попал в Гатчинский сиротский приют.

Весной 1917 приют закрыли, и мальчик воспитывался в семье сестры матери в г. Верном (ныне Алма-Ата, Казахстан). В 1921, не имея школьного аттестата, Белозерский поступил на физико-математический факультет Среднеазиатского государственного университета (САГУ) в Ташкенте.

Еще будучи студентом, он работает лаборантом, а с 1925 приступает к педагогической деятельности на рабфаке САГУ. В те годы в САГУ работало много известных петроградских и московских биологов. Под руководством одного из них — А. В.

Благовещенского, Белозерским выполнена первая научная работа — о концентрации водородных ионов в водных вытяжках из листьев некоторых горных растений.

В 1927, будучи аспирантом САГУ, Белозерский знакомится с А. Р. Кизелем, с которым его надолго связывает плодотворное научное сотрудничество. В 1930 Кизель приглашает его на работу в Московский государственный университет, где создается кафедра биохимии растений. Там Белозерский начал систематические исследования нуклеиновых кислот.

Необходимо было обладать глубокой интуицией и уверенностью в своих силах, чтобы начать работать в области молекулярной биологии, где нельзя было рассчитывать на быстрый и легкий успех.

Белозерскому пришлось работать в обстановке, когда отечественная биология была почти полностью раздавлена лысенковщиной, наука о наследственности — генетика — стала чуть ли не бранным словом.

В те годы считалось, что белки являются основным компонентом живого, и что ген также имеет белковую природу.

Нуклеиновым кислотам отводилась роль запасных веществ в клетке. Чтобы доказать гипотезу нуклеиновой природы гена, необходимо было показать, что ДНК, как и белки, распространены во всех (а не только в животных) клетках, и обладают такой же специфичностью. Белозерский обнаружил ДНК в горохе, а затем в других растениях и бактериях.

Стало ясно, что ДНК является универсальным компонентом всего живого. Обобщение такого масштаба придало автору мировую известность. Последовали приглашения на престижные симпозиумы в США и Бельгию, куда его, однако, не пустило руководство страны.

Это открытие оказалось не единственным. В 1957 Спирин и Белозерский, по-видимому, первыми высказали предположение, что клетки содержат небольшие количества РНК, состав которой соответствует ДНК. По существу, это утверждение свидетельствует о том, что авторы первыми «увидели» информационную РНК. Окончательное доказательство существования иРНК было вскоре получено за рубежом.

Белозерским и его учениками был выполнен и ряд других важных исследований: показана циклопептидная структура грамицидина (1950-1954); начато изучение роли неорганических полифосфатов в обмене микробной и грибной клетки (1953-1962); открыты новые полисахаридные компоненты у ряда микроорганизмов, водорослей и актиномицетов; выделены и исследованы нуклеопротеидные комплексы.

Эти работы внесли важный вклад в систему доказательств единства принципов организации ядерного аппарата высших растений и животных. Венцом научной деятельности Белозерского было участие в создании геносистематики (ДНК-систематики, ДНК-таксономии) — разработке общих схем эволюции царств живой природы на основе анализа нуклеотидного состава ДНК их представителей.

Белозерский всю жизнь проработал на кафедре биохимии растений МГУ: от ассистента (1930) до профессора (1943) и заведующего кафедрой (1960). В 1938 без защиты диссертации он получил степень кандидата наук, а в 1943 состоялась защита докторской диссертации.

В 1958, еще при жизни Лысенко, Белозерский был избран членом-корреспондентом АН СССР, в 1962 — ее действительным членом, в 1970 — академиком-секретарем Отделения биохимии, биофизики и химии физиологически активных соединений, а в 1971 — вице-президентом. Последнее особенно удивительно, т. к. должность была номенклатурой ЦК КПСС, а Белозерский не был даже членом партии.

Видимо, с отступлением лысенковщины назрела необходимость, чтобы во главе советской биологии встал человек с мировым научным признанием, непричастный к антинаучной идеологии.

Белозерским основана лаборатория антибиотиков (впоследствии лаборатория биохимии микроорганизмов) в Институте биохимии им. А. Н. Баха АН СССР (1946); кафедра вирусологии на биолого-почвенном факультете МГУ (1964). Он же стоял у истоков создания Института белка АН СССР в г. Пущино (1968).

Настоящим памятником ему служит созданная им в 1965 в МГУ проблемная межфакультетская лаборатория биоорганической химии, которая в 1991 стала Институтом физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского.

Там работает множество талантливых учеников Белозерского, в воспитании которых он всегда руководствовался принципом: ученик должен превзойти своего учителя. Работы многих из них получили международное признание.

Как педагога, Белозерского отличали отношения равенства с учениками, демократизм общения, признание первенства ученика, когда оно имело место (и иногда даже, когда его не было).

Он никогда не считал себя великим ученым, просто был искренне предан науке со свойственными ему бескорыстием, огромным духом творчества, строгими этическими нормами, отсутствием честолюбия и склонности к околонаучным интригам.

По темпераменту близкий к холерику, Белозерский был вспыльчивым, но отходчивым, и после бурной реакции всегда быстро и деликатно сглаживал ситуацию. Вклад Белозерского в науку был отмечен многочисленными наградами — званием Героя Социалистического Труда (1969), 3 Орденами Ленина (1961, 1965, 1969), Орденом Трудового Красного Знамени (1951). В Германской Демократической Республике его избрали членом Академии естествоиспытателей «Леопольдина» (1971).

Белозерский был дважды женат и имел троих детей: дочь Наталью от первого брака и двойню — Михаила и Татьяну — от второго. Все дети выбрали своей специальностью близкие области биологии.

В августе 1972 Белозерский прочел блестящую пленарную лекцию в Москве на Четвертом Международном биофизическом конгрессе. Это был триумф. Казалось бы, все складывается успешно. Но тогда же незаметно подкралась беда — рак желудка. Несмотря на все усилия врачей, под Новый год, 31 декабря 1972 Андрей Николаевич скончался. Похоронен он в Москве на Новодевичьем кладбище.

  • Андрей Николаевич Белозерский. Материалы к библиографии ученых СССР: Серия биохимии. Вып. 7. М., 1968.
  • Ичас М. Биологический код. М., 1971. С. 84.
  • Спирин А. С. Необычный человек и ученый // Вестник Академии наук СССР. 1985, № 8. С. 127-132.
  • Спирин А. С., Белозерский А. Н., Шугаева Н. В., Б. Ф. Ванюшин // Биохимия. 1957. Т. 22, № 4. С. 744-754.
  • Биохимия нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов: Избранные труды. М., 1976.

Источник: https://megabook.ru/article/%D0%91%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B7%D0%B5%D1%80%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9%20%D0%90%D0%BD%D0%B4%D1%80%D0%B5%D0%B9%20%D0%9D%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B0%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%87

Scicenter1
Добавить комментарий