Biologia molekularna jest badanie życia na poziomie atomów i cząsteczek. Załóżmy na przykład, że ktoś chce zrozumieć jak najwięcej o dżdżownicy. Na jednym poziomie można opisać oczywiste cechy dżdżownicy, w tym jej wielkość, kształt, kolor, wagę, pokarmy, które spożywa, i sposób rozmnażania.

Dawno temu biolodzy odkryli jednak, że bardziej podstawowe zrozumienie każdego organizmu można uzyskać poprzez badanie komórek, z których ten organizm jest zbudowany. Mogli oni zidentyfikować struktury, z których zbudowane są komórki, sposób, w jaki komórki się zmieniają, substancje potrzebne komórce do przetrwania, produkty wytwarzane przez komórkę i inne cechy komórek.

Biologia molekularna posuwa tę analizę życia o krok dalej. Próbuje ona badać cząsteczki, z których zbudowane są żywe organizmy, w taki sam sposób, w jaki chemicy badają każdy inny rodzaj cząsteczek. Na przykład, próbują oni poznać strukturę chemiczną tych cząsteczek i sposób, w jaki ta struktura zmienia się podczas różnych procesów życiowych, takich jak reprodukcja i wzrost. W swoich badaniach biolodzy molekularni wykorzystują pomysły i narzędzia z wielu różnych nauk, w tym chemii, biologii i fizyki.

Centralny dogmat

Kluczowa zasada, która dominuje w biologii molekularnej jest znana jako Centralny dogmat. (Dogmat to ustalone przekonanie.) Dogmat Centralny opiera się na dwóch faktach. Pierwszy fakt jest taki, że kluczowymi graczami w sposobie działania każdej komórki są białka. Białka są bardzo dużymi, złożonymi cząsteczkami zbudowanymi z mniejszych jednostek zwanych aminokwasami. Typowe białko może składać się, na przykład, z kilku tysięcy cząsteczek aminokwasów połączonych ze sobą koniec do końca. Białka pełnią w komórkach wiele funkcji. Są one budulcem, z którego struktury komórkowe są wykonane; działają jako hormony (posłańcy chemiczni), które dostarczają wiadomości z jednej części komórki do innej lub z jednej komórki do innej komórki; i działają jako enzymy, związki, które przyspieszają tempo, w jakim reakcje chemiczne zachodzą w komórkach.

Drugim podstawowym faktem jest to, że białka są konstruowane w komórkach w oparciu o plany główne przechowywane w cząsteczkach znanych jako kwasy dezoksyrybonukleinowe (DNA) obecne w jądrach komórek. Cząsteczki DNA składają się z bardzo długich łańcuchów jednostek zwanych nukleotydami, połączonych ze sobą koniec do końca. Sekwencja, w jakiej nukleotydy są ułożone, działa jak rodzaj kodu, który mówi komórce, jakie białka ma tworzyć i jak je tworzyć.

Słowa, które warto znać

Aminokwas: Związek organiczny, z którego zbudowane są białka.

Komórka: podstawowa jednostka żywego organizmu; komórki są zbudowane w sposób umożliwiający im wykonywanie wysoce wyspecjalizowanych funkcji.

Cytoplazma: półpłynna substancja komórki zawierająca organelle i zamknięta przez błonę komórkową.

DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy): Materiał genetyczny w jądrze komórek, który zawiera informacje dla rozwoju organizmu.

Enzym: Każde z licznych białek złożonych, które są produkowane przez żywe komórki i wywołują określone reakcje biochemiczne.

Hormon: Substancja chemiczna wytwarzana w żywych komórkach, która jest przenoszona przez krew do narządów i tkanek w odległych częściach ciała, gdzie reguluje aktywność komórkową.

Nukleotyd: Jednostka, z której zbudowane są cząsteczki DNA.

Białko: Złożony związek chemiczny, który składa się z wielu aminokwasów połączonych ze sobą, które są niezbędne do struktury i funkcjonowania wszystkich żywych komórek.

Rybosom: Małe struktury w komórkach, w których produkowane są białka.

Centralny Dogmat, a następnie, jest bardzo prosta i może być wyrażona w następujący sposób:

DNA → mRNA → białka

To, co to równanie mówi słowami, to fakt, że kod przechowywany w cząsteczkach DNA w jądrze komórki jest najpierw zapisany w innego rodzaju cząsteczce znanej jako kwas rybonukleinowy posłańca (mRNA). Po skonstruowaniu cząsteczki mRNA opuszczają jądro i wędrują z niego do cytoplazmy komórki. Przyczepiają się do rybosomów, struktur wewnątrz cytoplazmy, gdzie odbywa się produkcja białek. Aminokwasy, których w cytoplazmie jest pod dostatkiem, są następnie dostarczane do rybosomów przez inny rodzaj RNA, transferowy RNA (tRNA), gdzie są wykorzystywane do budowy nowych cząsteczek białek. Cząsteczki te mają swoją strukturę podyktowaną przez cząsteczki mRNA, które z kolei mają strukturę podyktowaną pierwotnie przez cząsteczki DNA.

Znaczenie biologii molekularnej

Rozwój biologii molekularnej zapewnił nowy i zupełnie inny sposób rozumienia organizmów żywych. Wiemy teraz, na przykład, że funkcje, które wykonuje komórka, można opisać w kategoriach chemicznych. Załóżmy, że wiemy, iż komórka wytwarza czerwone włosy. Dowiedzieliśmy się, że powodem, dla którego komórka wytwarza rude włosy, jest to, że cząsteczki DNA w jej jądrze niosą zakodowaną wiadomość dotyczącą wytwarzania rudych włosów. Ta zakodowana wiadomość przechodzi z DNA komórki do jej mRNA. MRNA następnie kieruje produkcją białek czerwonych włosów.

To samo można powiedzieć o każdej funkcji komórki. Być może komórka jest odpowiedzialna za produkcję przeciwciał przeciwko infekcji, lub za wytwarzanie hormonu insuliny, lub składanie hormonu płciowego. Wszystkie te funkcje komórki mogą być określone jako zestaw reakcji chemicznych.

Ale kiedy ten fakt zostanie uświadomiony, wtedy ludzie mają nowe, ekscytujące sposoby radzenia sobie z żywymi organizmami. Jeśli głównym architektem funkcji komórki jest cząsteczka chemiczna (DNA), to cząsteczka ta może być zmieniana, jak każda inna cząsteczka chemiczna. Jeśli i kiedy to nastąpi, zmienią się również funkcje pełnione przez komórkę. Z tych powodów, rozwój biologii molekularnej jest uważany przez wielu ludzi za jedną z największych rewolucji w całej historii nauki.