A molekuláris biológia az élet tanulmányozása az atomok és molekulák szintjén. Tegyük fel például, hogy valaki minél többet szeretne megérteni egy földigilisztáról. Egy szinten le lehet írni a féreg nyilvánvaló jellemzőit, beleértve a méretét, alakját, színét, súlyát, az általa fogyasztott táplálékot és a szaporodásának módját.

Réges-régen azonban a biológusok felfedezték, hogy bármely szervezet alapvetőbb megértését el lehet érni a sejtek tanulmányozásával, amelyekből az adott szervezet áll. Azonosítani tudták, hogy milyen szerkezetekből állnak a sejtek, hogyan változnak a sejtek, milyen anyagokra van szüksége a sejtnek a túléléshez, milyen termékeket állít elő a sejt, és milyen egyéb sejtjellemzőkkel rendelkeznek.

A molekuláris biológia egy lépéssel továbbviszi az életnek ezt az elemzését. Megkísérli tanulmányozni azokat a molekulákat, amelyekből az élő szervezetek felépülnek, nagyjából ugyanúgy, ahogyan a kémikusok bármely másfajta molekulát tanulmányoznak. Például megpróbálják kideríteni ezeknek a molekuláknak a kémiai szerkezetét, és azt, hogy ez a szerkezet hogyan változik a különböző életfolyamatok, például a szaporodás és a növekedés során. Kutatásaik során a molekuláris biológusok számos különböző tudományágból, többek között a kémiából, a biológiából és a fizikából származó ötleteket és eszközöket használnak fel.

A központi dogma

A molekuláris biológiát uraló legfontosabb alapelvet központi dogmaként ismerjük. (A dogma egy bevett hiedelem.) A Központi Dogma két tényen alapul. Az első tény az, hogy minden sejt működésének kulcsszereplői a fehérjék. A fehérjék nagyon nagy, összetett molekulák, amelyek kisebb egységekből, úgynevezett aminosavakból állnak. Egy tipikus fehérje például néhány ezer aminosavmolekulából állhat, amelyek végről végre kapcsolódnak egymáshoz. A fehérjék számos szerepet játszanak a sejtekben. Ők azok az építőkövek, amelyekből a sejtstruktúrák felépülnek; hormonokként (kémiai hírvivők) működnek, amelyek üzeneteket közvetítenek a sejt egyik részéből a másikba vagy egyik sejtből a másikba; és enzimként működnek, olyan vegyületekként, amelyek felgyorsítják a sejtekben lejátszódó kémiai reakciók sebességét.

A második alapvető tény az, hogy a fehérjék a sejtekben a sejtmagokban található dezoxiribonukleinsavnak (DNS) nevezett molekulákban tárolt mestertervek alapján épülnek fel. A DNS-molekulák nagyon hosszú, nukleotidoknak nevezett egységláncokból állnak, amelyek végről végre kapcsolódnak egymáshoz. A nukleotidok sorrendje egyfajta kódként működik, amely megmondja a sejtnek, hogy milyen fehérjéket és hogyan kell előállítania.

Ismertető szavak

Aminosav: Olyan szerves vegyület, amelyből a fehérjék készülnek.

Sejt: Az élő szervezet alapegysége; a sejtek úgy vannak felépítve, hogy magasan specializált funkciókat lássanak el.

Citoplazma: A sejt organellumokat tartalmazó, sejtmembránnal körülvett félfolyékony anyaga.

DNS (dezoxiribonukleinsav): A sejtmagban lévő genetikai anyag, amely a szervezet fejlődésére vonatkozó információkat tartalmazza.

Enzim: Az élő sejtek által termelt és meghatározott biokémiai reakciókat beindító számos összetett fehérje bármelyike.

Hormon: Az élő sejtekben termelt vegyi anyag, amelyet a vér a test távoli részein lévő szervekbe és szövetekbe szállít, ahol szabályozza a sejtek aktivitását.

Nukleotid: Olyan egység, amelyből a DNS-molekulák készülnek.

Fehérje: Összetett kémiai vegyület, amely sok egymáshoz kapcsolódó aminosavból áll, amelyek nélkülözhetetlenek minden élő sejt szerkezetéhez és működéséhez.

Riboszóma: Kicsi struktúrák a sejtekben, ahol fehérjéket állítanak elő.

A Központi Dogma tehát nagyon egyszerű, és a következőképpen fejezhető ki:

DNS → mRNS → fehérjék

Ez az egyenlet szavakkal azt mondja ki, hogy a sejtmagban lévő DNS-molekulákban tárolt kódot először egy másfajta molekulába, az úgynevezett hírvivő ribonukleinsavba (mRNS) írják. Miután megépültek, az mRNS-molekulák elhagyják a sejtmagot, és a sejtmagból a sejt citoplazmájába utaznak. Rákapcsolódnak a riboszómákra, a citoplazmán belüli struktúrákra, ahol a fehérjék előállítása zajlik. A citoplazmában bőségesen meglévő aminosavakat ezután egy másik RNS-fajta, a transzfer RNS (tRNS) juttatja el a riboszómákhoz, ahol azokból új fehérjemolekulák épülnek fel. Ezeknek a molekuláknak a szerkezetét az mRNS-molekulák diktálják, amelyek szerkezetét viszont eredetileg a DNS-molekulák diktálják.

A molekuláris biológia jelentősége

A molekuláris biológia fejlődése az élő szervezetek megértésének új és teljesen más módját biztosította. Ma már tudjuk például, hogy a sejt által végzett funkciók kémiai kifejezésekkel leírhatók. Tegyük fel, hogy tudjuk, hogy egy sejt vörös hajat készít. Megtudtuk, hogy a sejt azért készít vörös hajat, mert a sejtmagban lévő DNS-molekulák kódolt üzenetet hordoznak a vörös haj előállítására. Ez a kódolt üzenet a sejt DNS-éből átkerül a sejt mRNS-ébe. Az mRNS ezután irányítja a vörös hajfehérjék termelését.

Ugyanez elmondható bármely sejtfunkcióról. Talán egy sejt felelős a fertőzés elleni antitestek előállításáért, vagy az inzulin hormon előállításáért, vagy egy nemi hormon összeállításáért. Mindezek a sejtfunkciók kémiai reakciók halmazaként határozhatók meg.

De ha egyszer ezt a tényt felismertük, akkor az embernek izgalmas új módjai vannak az élő szervezetekkel való foglalkozásra. Ha a sejtfunkciók főépítésze egy kémiai molekula (DNS), akkor ez a molekula megváltoztatható, mint bármely más kémiai molekula. Ha és amikor ez megtörténik, akkor a sejt által végzett funkciók is megváltoznak. Ezen okok miatt a molekuláris biológia fejlődését sokan a tudománytörténet egyik legnagyobb forradalmának tartják.