Molekulární biologie je studium života na úrovni atomů a molekul. Předpokládejme například, že chceme co nejvíce porozumět žížale. Na jedné úrovni je možné popsat zřejmé vlastnosti žížaly, včetně její velikosti, tvaru, barvy, hmotnosti, potravy, kterou se živí, a způsobu rozmnožování.

Již dávno však biologové zjistili, že základnější poznatky o jakémkoli organismu lze získat studiem buněk, z nichž je tento organismus složen. Mohli určit struktury, z nichž jsou buňky složeny, způsob, jakým se buňky mění, látky, které buňka potřebuje k přežití, produkty, které buňka vytváří, a další buněčné vlastnosti.

Molekulární biologie posouvá tuto analýzu života o krok dále. Pokouší se studovat molekuly, z nichž se živé organismy skládají, podobně jako chemici studují jakýkoli jiný druh molekul. Snaží se například zjistit chemickou strukturu těchto molekul a způsob, jakým se tato struktura mění během různých životních procesů, jako je rozmnožování a růst. Při svém výzkumu využívají molekulární biologové myšlenky a nástroje z mnoha různých věd, včetně chemie, biologie a fyziky.

Centrální dogma

Klíčový princip, který dominuje molekulární biologii, je znám jako centrální dogma. (Dogma je ustálené přesvědčení.) Centrální dogma je založeno na dvou skutečnostech. Prvním faktem je, že klíčovými hráči ve fungování každé buňky jsou bílkoviny. Proteiny jsou velmi velké, složité molekuly složené z menších jednotek známých jako aminokyseliny. Typická bílkovina se může skládat například z několika tisíc molekul aminokyselin spojených na konci k sobě. Bílkoviny hrají v buňkách řadu rolí. Jsou stavebními kameny, z nichž se vytvářejí buněčné struktury; fungují jako hormony (chemičtí poslové), které přenášejí zprávy z jedné části buňky do druhé nebo z jedné buňky do druhé; a fungují jako enzymy, sloučeniny, které urychlují rychlost chemických reakcí probíhajících v buňkách.

Druhým základním faktem je, že bílkoviny jsou v buňkách konstruovány na základě hlavních plánů uložených v molekulách známých jako deoxyribonukleové kyseliny (DNA) přítomných v jádrech buněk. Molekuly DNA se skládají z velmi dlouhých řetězců jednotek známých jako nukleotidy spojených navzájem koncem k sobě. Pořadí, v jakém jsou nukleotidy uspořádány, funguje jako jakýsi kód, který buňce říká, jaké bílkoviny má vytvářet a jak je má vytvářet.

Slova, která je třeba znát

Aminokyselina: Aminokyseliny: organická sloučenina, ze které se tvoří bílkoviny.

Buňka: Základní jednotka živého organismu; buňky jsou uspořádány tak, aby plnily vysoce specializované funkce.

Cytoplazma: Polotekutá látka buňky obsahující organely a uzavřená buněčnou membránou.

DNA (deoxyribonukleová kyselina): Genetický materiál v jádře buňky, který obsahuje informace pro vývoj organismu.

Enzym: Jakýkoli z mnoha složitých proteinů, které jsou produkovány živými buňkami a vyvolávají specifické biochemické reakce.

Hormon: Chemická látka produkovaná v živých buňkách, která je přenášena krví do orgánů a tkání ve vzdálených částech těla, kde reguluje buněčnou aktivitu.

Nukleotid: Nukleotid: Jednotka, z níž se skládají molekuly DNA.

Bílkovina: Protein: Složitá chemická sloučenina, která se skládá z mnoha navzájem spojených aminokyselin, jež jsou nezbytné pro strukturu a fungování všech živých buněk.

Ribozom: Malé struktury v buňkách, kde se vytvářejí bílkoviny.

Ústřední dogma je tedy velmi jednoduché a lze ho vyjádřit následovně:

DNA → mRNA → proteiny

Tato rovnice slovy říká, že kód uložený v molekulách DNA v jádře buňky je nejprve zapsán v jiném druhu molekuly známé jako poselská ribonukleová kyselina (mRNA). Jakmile jsou molekuly mRNA sestaveny, opouštějí jádro a putují z jádra do cytoplazmy buňky. Připojí se k ribozomům, strukturám uvnitř cytoplazmy, kde probíhá výroba bílkovin. Aminokyseliny, které se hojně vyskytují v cytoplazmě, jsou pak jiným druhem RNA, přenosovou RNA (tRNA), přivedeny k ribozomům, kde jsou použity ke konstrukci nových molekul bílkovin. Tyto molekuly mají svou strukturu diktovanou molekulami mRNA, které zase mají strukturu původně diktovanou molekulami DNA.

Význam molekulární biologie

Rozvoj molekulární biologie přinesl nový a zcela odlišný způsob poznání živých organismů. Nyní například víme, že funkce, které buňka vykonává, lze popsat chemickými termíny. Předpokládejme, že víme, že buňka vytváří červené vlasy. Dozvěděli jsme se, že důvodem, proč buňka vytváří červené vlasy, je to, že molekuly DNA v jejím jádře nesou kódovanou zprávu pro tvorbu červených vlasů. Tato kódovaná zpráva přechází z DNA buňky do její mRNA. MRNA pak řídí produkci proteinů červených vlasů.

Totéž lze říci o jakékoli funkci buňky. Možná je buňka zodpovědná za výrobu protilátek proti infekci nebo za tvorbu hormonu inzulínu či sestavování pohlavního hormonu. Všechny tyto buněčné funkce lze specifikovat jako soubor chemických reakcí.

Jakmile si však tuto skutečnost uvědomíme, pak se lidem naskytnou nové vzrušující způsoby, jak zacházet s živými organismy. Pokud je hlavním architektem buněčných funkcí chemická molekula (DNA), pak lze tuto molekulu měnit, stejně jako jakoukoli jinou chemickou molekulu. Pokud a kdy se tak stane, změní se i funkce, které buňka vykonává. Z těchto důvodů je vývoj molekulární biologie mnoha lidmi považován za jednu z největších revolucí v celé historii vědy.