Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние)

Академик А.А.Богданов

Кафедра химии природных соединений (кафедра ХПС) - одна из сравнительно молодых кафедр химического факультета МГУ: она была организована в конце 1965 г. выдающимся ученым, членом-корр. РАН, профессором Михаилом Алексеевичем Прокофьевым.

Несмотря на то, что природные соединения включают в себя огромное количество различных классов органических и неорганических веществ, задачи кафедры ХПС с момента ее создания были ограничены изучением и развитием химии белков, нуклеиновых кислот и их комплексов (нуклеопротеидов), а также подготовкой специалистов в этих областях биоорганической химии. Такая, на первый взгляд, узкая специализация кафедры ХПС была обусловлена двумя причинами.

Во-первых, кафедра ХПС была создана на основе лаборатории химии белка кафедры органической химии, и эта лаборатория тради-ционно занималась исследованием белков, нуклеиновых кислот и их компонентов.

Во-вторых, и это главное, начало и середина 1960-х годов в нашей стране были временем становления и бурного развития новой науки - молекулярной биологии, изучающей важнейшие биологические явления на молекулярном уровне с помощью физических и химических методов. Главные же объекты молекулярной биологии - белки, нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды.

В последующие годы молекулярная биология добилась порази-тельных успехов в изучении химических и физических основ наследственности, клеточного роста (в т.ч. злокачественного), вирусных инфекций, передачи нервных импульсов и многих других биологических процессов. На ее базе возникли генетическая инженерия и биотехнология, которые несомненно окажут решающее влияние на развитие нашей цивилизации в грядущем веке.

Все это подтверждает правильность пути, выбранного для кафедры ХПС М.А. Прокофьевым в 1965 г. Белки, нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды остаются в центре научных исследований кафедры и в настоящее время. Однако, сначала - немного истории.

Московский университет гордится тем, что в его стенах было выполнено первое в России (и одно из первых в мире) фундаментальное исследование по химии белка. В 1862 г. заведующий кафедрой химии Московского университета Николай Эрастович Лясковский (1818-1871) опубликовал в университетской типографии книгу "Формулы протеини-дов" ("протеинидами" в первой половине ХIХ века называли белки), в которой он суммировал свои работы по анализу химического состава белков, опровергавшие господствующую в то время теорию строения белков голландца Г.Я. Мульдера. Еще раньше, в 1846 г., Лясковский, работая в лаборатории основателя крупнейшей школы немецких химиков Юстуса Либиха, открыл в составе белков серу. Работы Лясковского были широко известны и признаны в Европе.

Следующий важный этап в изучении химии белка на химическом факультете МГУ связан с именем крупнейшего российского химика-органика Николая Дмитриевича Зелинского (1861-1953). В начале 1920-х годов Зелинский и его сотрудники поставили перед собой, по сути дела, ту же задачу, что и Лясковский - определить химическое строение белковых молекул. Однако, к этому времени уже были идентифицированы практи-чески все аминокислоты, из которых состоят белки; из гидролизаторов белков были выделены пептиды; был осуществлен синтез коротких пептидов из аминокислот; а главное, великим немецким химиком-органи-ком Эмилем Фишером была сформулирована пептидная теория строения белка. Согласно этой теории, остатки -аминокислот связаны в белках в длинные линейные полипептидные цепи. Н.Д. Зелинский придерживался альтернативной, т.н. дикетопиперазиновой (или циклической) теории строения белка, согласно которой главным элементом структуры белка считался дикетопиперазиновый цикл - продукт конденсации двух амино-кислотных остатков. Циклической теории строения белка придерживался и ученик Зелинского - Н.И. Гаврилов, который много лет заведовал созданной Зелинским лабораторией химии белка.

Споры между приверженцами полипептидной и циклической теориями строения белков продолжались несколько десятилетий до тех пор, пока один из величайших химиков нашего времени, дважды лауреат Нобелевской премии Фредерик Сэнгер не установил в 1954 г. структуру белка-гормона инсулина и не доказал правомерность теории Фишера. В химии белка начался новый, современный этап развития.

Нужно отметить, что многие сотрудники лаборатории химии белка и идейно, и методически были к этому готовы. В лаборатории были налажены методы синтеза пептидов и незадолго до этого появившиеся хроматографические методы анализа аминокислот и пептидов. Заслуга в этом принадлежит прежде всего М.М. Ботвинник, замечательному педагогу, ученому с энциклопедическими знаниями, создателю первого у нас курса химии белка. Она внесла также большой вклад в химию оксиаминокислот.

В 1947 г. М.А. Прокофьев, ученик М.М. Ботвинник, начал работы в казалось бы далекой от химии белка области. Вместе с З.А. Шабаровой он предпринял первые исследования в области синтетической химии компонентов нуклеиновых кислот. О генетической роли ДНК в это время было известно лишь немногим, и очень мало кому научная интуиция подсказывала, что нуклеиновые кислоты выполняют важнейшую роль в синтезе белков в клетке.

Так, параллельно с первой российской научной школой химии белка на химическом факультете МГУ возникла первая в нашей стране школа химии нуклеиновых кислот. Эти школы взаимно обогащали друг друга. Кроме того, Прокофьев и Шабарова инициировали исследования на стыке химии белка и химии нуклеиновых кислот. В 1950-60-х годах сотрудниками лаборатории были синтезированы, а также выделены из природных источников многочисленные ковалентные соединения амино-кислот и пептидов с нуклеотидами (компонентами нуклеиновых кислот). Соединения этого класса принимают участие в биосинтезе белка и некоторых вирусных нуклеиновых кислот (например, вируса полио-миелита).

Реорганизация лаборатории химии белка в кафедру химии природных соединений (1965 г.) совпала с переездом ее во вновь отстроенный лабораторный корпус "А" МГУ и с созданием в этом корпусе межфакультетской лаборатории биоорганической химии МГУ. С этой лабораторией, преобразованной впоследствии в Научно-исследова-тельский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ, кафедра ХПС связана самым тесным образом: сотрудники кафедры и трех химических отделов Института образовали единый научно-педагогический коллектив.

В настоящее время на кафедре ХПС работает около 45 сотрудников (11 докторов и 18 кандидатов наук) и около 20 аспирантов. Ежегодно на кафедре выполняют дипломные работы 20-25 студентов. С 1985 г. кафедрой заведует академик РАН, профессор Алексей Алексеевич Богданов.

На кафедре читаются спецкурсы по химии углеводов, химии белка, химии нуклеиновых кислот, молекулярной биологии, генетической инженерии, физико-химическим методам анализа белков и нуклеиновых кислот. Работают спецсеминары для студентов. Кроме того, вместе с кафедрой химической энзимологии кафедра ХПС ведет общефакуль-тетский курс "Химические основы биологических процессов". По большинству читаемых на кафедре спецкурсов сотрудниками кафедры написаны и изданы учебники и учебные пособия.

На кафедре работает постоянно обновляемый спецпрактикум по химии белка и нуклеиновых кислот. Часть студентов кафедры ХПС проходит спецпрактикумы в Институте биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН и в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, с которыми кафедра имеет много-летние тесные контакты. В 1997 г. в Институте молекулярной биологии открыт филиал кафедры ХПС, на базе которого будет организован Учебно-научный центр по подготовке специалистов в области физико-химической биологии.

Кафедра ХПС состоит из трех лабораторий - лаборатории химии белка (зав. проф. С.М. Аваева), лаборатории химии нуклеиновых кислот (зав. проф. З.А. Шабарова) и лаборатории химии нуклеопротеидов (зав. проф. А.А. Богданов).

Основное направление работ лаборатории химии белка - изучение структуры ферментов и их активных центров. Среди множества важнейших биологических катализаторов сотрудники лаборатории выбрали два класса ферментов - неорганические пирофосфатазы и протеазы. Эти ферменты занимают ключевые позиции в фосфорном и белковом обменах живой клетки, соответственно. Они представляют исключительный интерес для медицины и биотехнологии. Сотрудниками лаборатории разработаны эффективные методы получения ферментов этих классов в индивидуальном состоянии, разработаны методы синтеза субстратов для различных протеаз, осуществлен рентгеноструктурный анализ неорганических пирофосфатаз и изучена их пространственная структура с высоким разрешением. Новое направление работ лаборатории - белковая инженерия, когда с помощью рекомбинатных ДНК по заранее разработанному плану создаются новые формы белков с новыми ферментативными свойствами.

В лаборатории химии нуклеиновых кислот осуществляется синтез и анализ структуры олигонуклеотидов, без которых невозможно ни одно серьезное исследование в области молекулярной биологии. С помощью олигонуклеотидов можно управлять сложнейшими биологиче-скими процессами, в т.ч. подавлять вирусные инфекции. При этом сотрудники лаборатории методами тонкого органического синтеза создают такие олигонуклеотидные "конструкции", которые, с одной стороны, обладают в клетке высокой устойчивостью, а с другой стороны, способны находить в клетке (и вне клетки) определенные "белки-мишени" и ковалентно связываться с ними. С помощью синтетических олигонуклеотидов в лаборатории изучается также механизм нуклеиново-белковых взаимодействий, с помощью которых в клетке передается генетическая информация.

Лаборатория химии нуклеопротеидов занята изучением строе-ния и механизма функционирования рибосом - "молекулярных машин", осуществляющих в клетке синтез белков. С помощью химических подходов, основанных на направленном введении в эти сложнейшие нуклеиново-белковые комплексы реакционноспособных реагентов, изучается тонкая структура активных центров рибосомы. На основе этих данных проводится компьютерное моделирование структуры рибосомы. Недавно в лаборатории начато изучение необычного фермента - теломеразы, содержащего, кроме белковых компонентов, рибонуклеиновую кислоту. К этому ферменту проявляют повышенный интерес медики, поскольку он особенно активен в раковых клетках.

Научная работа кафедры ХПС поддерживается десятками международных и отечественных грантов. Кафедра сотрудничает с несколькими крупными лабораториями в США, Германии, Франции и Финляндии.

Кафедру ожидает интересное будущее. В МГУ завершается строительство лабораторного корпуса "Б", в котором решено разместить Учебно-научный центр молекулярной медицины Московского универси-тета. Этот центр будет представлять собой содружество ученых МГУ, работающих над изучением молекулярных основ заболеваний человека. Целый ряд научных групп кафедры ХПС, традиционно ориентированных на медицинские исследования, войдет в состав этого центра.

[ Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние) ]