Molekularbiologie ist die Lehre vom Leben auf der Ebene der Atome und Moleküle. Nehmen wir zum Beispiel an, dass man so viel wie möglich über einen Regenwurm verstehen möchte. Auf einer Ebene ist es möglich, die offensichtlichen Merkmale des Wurms zu beschreiben, einschließlich seiner Größe, Form, Farbe, seines Gewichts, seiner Nahrung und seiner Fortpflanzung.

Vor langer Zeit entdeckten die Biologen jedoch, dass ein grundlegenderes Verständnis eines jeden Organismus durch das Studium der Zellen, aus denen er besteht, gewonnen werden kann. Sie konnten die Strukturen identifizieren, aus denen die Zellen bestehen, die Art und Weise, wie sich die Zellen verändern, die Stoffe, die die Zelle zum Überleben braucht, die Produkte, die die Zelle herstellt, und andere zelluläre Merkmale.

Die Molekularbiologie geht bei der Analyse des Lebens noch einen Schritt weiter. Sie versucht, die Moleküle, aus denen lebende Organismen bestehen, auf ähnliche Weise zu untersuchen, wie Chemiker jede andere Art von Molekülen untersuchen. So wird zum Beispiel versucht, die chemische Struktur dieser Moleküle und die Art und Weise, wie sich diese Struktur während verschiedener Lebensprozesse wie Fortpflanzung und Wachstum verändert, herauszufinden. Bei ihrer Forschung nutzen Molekularbiologen Ideen und Werkzeuge aus vielen verschiedenen Wissenschaften, darunter Chemie, Biologie und Physik.

Das zentrale Dogma

Das Schlüsselprinzip, das die Molekularbiologie beherrscht, wird als zentrales Dogma bezeichnet. (Ein Dogma ist eine feste Überzeugung.) Das zentrale Dogma beruht auf zwei Tatsachen. Die erste Tatsache ist, dass die Hauptakteure in der Funktionsweise jeder Zelle Proteine sind. Proteine sind sehr große, komplexe Moleküle, die aus kleineren Einheiten, den Aminosäuren, bestehen. Ein typisches Protein kann beispielsweise aus einigen tausend Aminosäuremolekülen bestehen, die Ende-zu-Ende miteinander verbunden sind. Proteine spielen eine Vielzahl von Rollen in den Zellen. Sie sind die Bausteine, aus denen Zellstrukturen hergestellt werden; sie fungieren als Hormone (chemische Botenstoffe), die Nachrichten von einem Teil einer Zelle zu einem anderen oder von einer Zelle zu einer anderen Zelle übermitteln; und sie fungieren als Enzyme, Verbindungen, die die Geschwindigkeit beschleunigen, mit der chemische Reaktionen in Zellen ablaufen.

Die zweite grundlegende Tatsache ist, dass Proteine in den Zellen auf der Grundlage von Bauplänen konstruiert werden, die in Molekülen gespeichert sind, die als Desoxyribonukleinsäuren (DNA) bezeichnet werden und sich in den Zellkernen befinden. DNA-Moleküle bestehen aus sehr langen Ketten von Einheiten, die als Nukleotide bezeichnet werden und aneinander gereiht sind. Die Reihenfolge, in der die Nukleotide angeordnet sind, stellt eine Art Code dar, der der Zelle sagt, welche Proteine sie herstellen soll und wie sie sie herstellen soll.

Words to Know

Aminosäure: Eine organische Verbindung, aus der Proteine hergestellt werden.

Zelle: Die Grundeinheit eines lebenden Organismus; Zellen sind so aufgebaut, dass sie hochspezialisierte Funktionen erfüllen.

Zytoplasma: Die halbflüssige Substanz einer Zelle, die Organellen enthält und von der Zellmembran umschlossen ist.

DNA (Desoxyribonukleinsäure): Das genetische Material im Zellkern, das Informationen für die Entwicklung eines Organismus enthält.

Enzym: Eines der zahlreichen komplexen Proteine, die von lebenden Zellen produziert werden und spezifische biochemische Reaktionen auslösen.

Hormon: Eine in lebenden Zellen produzierte Chemikalie, die über das Blut zu Organen und Geweben in entfernten Teilen des Körpers transportiert wird, wo sie die Zellaktivität reguliert.

Nukleotid: Eine Einheit, aus der DNA-Moleküle hergestellt werden.

Protein: Eine komplexe chemische Verbindung, die aus vielen miteinander verbundenen Aminosäuren besteht, die für die Struktur und das Funktionieren aller lebenden Zellen wichtig sind.

Ribosom: Kleine Strukturen in Zellen, in denen Proteine produziert werden.

Das zentrale Dogma ist also sehr einfach und kann wie folgt ausgedrückt werden:

DNA → mRNA → Proteine

Diese Gleichung besagt, dass der Code, der in den DNA-Molekülen im Zellkern gespeichert ist, zunächst in eine andere Art von Molekül, die Boten-Ribonukleinsäure (mRNA), geschrieben wird. Sobald sie aufgebaut sind, verlassen die mRNA-Moleküle den Zellkern und wandern aus dem Zellkern in das Zytoplasma der Zelle. Sie binden sich an Ribosomen, Strukturen im Zytoplasma, in denen die Proteinproduktion stattfindet. Aminosäuren, die im Zytoplasma reichlich vorhanden sind, werden dann von einer anderen Art von RNA, der Transfer-RNA (tRNA), zu den Ribosomen gebracht, wo sie zum Aufbau neuer Proteinmoleküle verwendet werden. Die Struktur dieser Moleküle wird von mRNA-Molekülen diktiert, die wiederum Strukturen haben, die ursprünglich von DNA-Molekülen diktiert wurden.

Bedeutung der Molekularbiologie

Die Entwicklung der Molekularbiologie hat eine neue und völlig andere Art des Verständnisses lebender Organismen ermöglicht. Wir wissen jetzt zum Beispiel, dass die Funktionen, die eine Zelle ausführt, mit chemischen Begriffen beschrieben werden können. Nehmen wir an, wir wissen, dass eine Zelle rote Haare herstellt. Wir haben gelernt, dass der Grund dafür, dass die Zelle rote Haare macht, darin liegt, dass die DNA-Moleküle in ihrem Zellkern eine kodierte Botschaft für die Herstellung von roten Haaren enthalten. Diese kodierte Nachricht wird von der DNA der Zelle an die mRNA weitergegeben. Die mRNA steuert dann die Produktion von Rothaarproteinen.

Das Gleiche gilt für jede Zellfunktion. Vielleicht ist eine Zelle für die Produktion von Antikörpern gegen eine Infektion verantwortlich, oder für die Herstellung des Hormons Insulin, oder für den Aufbau eines Sexualhormons. Alle diese Zellfunktionen können als eine Reihe von chemischen Reaktionen beschrieben werden.

Aber wenn diese Tatsache einmal erkannt ist, dann hat der Mensch aufregende neue Möglichkeiten, mit lebenden Organismen umzugehen. Wenn der Hauptarchitekt der Zellfunktionen ein chemisches Molekül (DNA) ist, dann kann dieses Molekül wie jedes andere chemische Molekül verändert werden. Wenn dies geschieht, ändern sich auch die von der Zelle ausgeführten Funktionen. Aus diesen Gründen wird die Entwicklung der Molekularbiologie von vielen Menschen als eine der größten Revolutionen in der Geschichte der Wissenschaft angesehen.