Úvod do molekulárnej biológie

Molekulárna biológia študuje živé organizmy a samotné bunky na molekulárnej úrovni. Počiatky tejto vednej disciplíny siahajú do 30. rokov 20. storočia. Niekedy v roku 1944 bolo dokázané, že nositeľom genetickej informácie je deoxyribonukleová kyselina - DNA. Za prevratný sa považuje rok 1953, kedy bola odhalená štruktúra dvojzávitnice DNA. Zaslúžili sa o to JAMES WATSON (nar. 1928), FRANCIS CRICK (1916-2004), MAURICE WILKINS (1916-2004) a ROSALIND FRANKLINOVÁ (1920-1958). Prví traja menovaní dostali v roku 1962 za tento objav Nobelovu cenu za fyziológiu a medicínu (Franklinová pred udelením ceny predčasne zomrela na rakovinu spôsobenú častými RTG analýzami, kedy sa nevedelo o ich mutagénnom účinku).

Predmetom štúdia molekulárnej biológie sú biologické makromolekuly - hlavne DNA, RNA a bielkoviny, pričom pozornosť sa venuje pochopeniu vzťahov medzi nimi a ich funkcií v rôznych bunkových systémoch. To zahŕňa predovšetkým:

  • replikáciu genetického materiálu,
  • syntézu bielkovín (proteosyntézu) a
  • štúdium regulačných mechanizmov, ktoré tieto procesy ovplyvňujú.

Na rozriešenie mnohých úloh musí molekulárna biológia často nutne zájsť do chémie, takže spolu s biochémiou, ktorá sa zaoberá štúdiom chemických molekúl a procesov v živých sústavách, tvorí akýsi mostík medzi biológiou a chémiou. Genetika je ďalšia vedná disciplína, ktorá s molekulárnou biológiou úzko súvisí. Študuje genetickú informáciu organizmov trochu "povrchnejšie", a to sledovaním variability (premenlivosti) ich viditeľných a/alebo merateľných znakov (napr. farba očí, telesná výška), tzn. odlišností fenotypu, ktoré sú zapríčinené rozdielmi na úrovni sekvencie DNA.

Štruktúra a vlastnosti DNA

DNA je po chemickej stránke polynukleotid, pričom genetická informácia, ktorá je v nej zapísaná, je určená poradím jej základných stavebných jednotiek - nukleotidov. Tie sú tvorené deoxyribózou, na ktorej je naviazaná dusíkatá báza (adenín A, tymín T, cytozín C alebo guanín G), a zvyškom kyseliny trihydrogenfosforečnej, ktorá jednotlivé nukleotidy spája do súvislého nevetveného polynukleotidového reťazca. Tento reťazec je na jednom konci zakončený fosfátovým zvyškom, ktorý je naviazaný na 5. uhlík deoxyribózy, a preto sa označuje ako 5'-koniec (čítaj 'päť s čiarou koniec'). Opačný koniec tvorí OH skupina na 3. uhlíku deoxyribózy a označuje sa preto 3'-koniec (čítaj 'tri s čiarou koniec'). Väzba, ktorou sú spojené dva po sebe nasledujúce nukleotidy, sa označuje ako 3',5'-fosfodiesterová väzba (čítaj 'tri s čiarou päť s čiarou fosfodiesterová väzba'). Táto polarita má veľký význam pre väčšinu procesov súvisiacich s metabolizmom DNA.

Molekula DNA sa skladá z dvoch navzájom zvinutých polynukleotidových reťazcov, čím vytvára pravotočivú dvojzávitnicu (angl. double-helix). Táto štruktúra je držaná pokope vďaka vodíkovým mostíkom medzi bázovými pármi protiľahlých nukleotidov, pričom oproti A je vždy T a oproti C je vždy G. Toto typické párovanie sa označuje pojmom komplementarita báz. Vyplýva z nej, že pomer A:T = 1:1 a taktiež G:C = 1:1, a teda vo všeobecnosti počet purínov (A+G) je rovný počtu pyrimidínov (T+C) (Chargaffovo pravidlo). Protiľahlé reťazce DNA sú navzájom antiparalelné, tzn. že jeden je orientovaný v smere 5'-3' a druhý 3'-5'.

Komplementárna povaha DNA umožňuje, že kedykoľvek dôjde k oddeleniu oboch vláken (teplom alebo pH), po obnove pôvodných podmienok si každý reťazec presne nájde svoj proťajšok. Tieto procesy označujeme denaturácia (oddelenie) a renaturácia DNA (znovuspojenie). K oddeleniu vláken však v bunke dochádza aj za normálnych podmienok, a to vtedy, keď sa má bunka deliť. Vtedy enzým DNA-polymeráza ku každému jednovláknovému reťazcu dosyntetizuje protiľahlé vlákno z voľných nukleotidov a výsledkom sú dve molekuly dvojreťazcovej DNA. Tento dej sa označuje ako replikácia DNA. Po rozdelení bunky dostane každá dcérska bunka po jednej kópii DNA. Schopnosť robiť vlastné kópie je absolútne nevyhnutná pre molekuly vo funkcii nositeľa genetickej informácie, pretože zabezpečuje kontinuitu života.

Už vieme, ako je genetická informácia predávaná z generácie na generáciu. Ale ako je možné, že reťazec pomerne jednoduchej chemickej zlúčeniny čo do primárnej štruktúry (proteíny sú oveľa zložitejšie ako na sekvenciu tak tvar) dokáže vybudovať celý mnohobunkový organizmus a určovať jeho vlastnosti?

DNA totiž predstavuje predlohu, podľa ktorej sú syntetizované všetky bielkoviny bunky, vrátane enzýmov. DNA tak priamo či nepriamo určuje celé chemické zloženie buniek. Na to, aby nedošlo k poškodeniu genetickej informácie jej prílišným "používaním", na ceste k hotovému proteínu využíva bunka "sprostredkovateľa", ktorou je ribonukleová kyselina - RNA. Tá má podobné vlastnosti ako DNA až na to, že je jednovláknová, namiesto deoxyribózy má ribózu a namiesto tymínu má uracil U, ktorý sa taktiež páruje s adenínom A. Celá syntéza proteínu - proteosyntéza, prebieha tak, že z časti sekvencie DNA, ktorá sa nazýva gén, vytvorí enzým RNA-polymeráza krátke komplementárne vlákno RNA (dej označovaný ako transkripcia), a až podľa neho sa syntetizuje na ribozóme proteín (dej označovaný ako translácia).

Centrálna dogma molekulárnej biológie

Cesta realizácie genetickej informácie, ktorá nikdy nesmeruje od proteínu k DNA, sa označuje ako centrálna dogma molekulárnej biológie. Formuloval ju Francis Crick v roku 1958. V súlade s centrálnou dogmou sú štandardné procesy ako replikácia DNA a proteosyntéza, ale aj špeciálne procesy, ktoré poznáme hlavne zo sveta vírusov, ako je replikácia RNA a reverzná transkripcia, pri ktorej z RNA vzniká molekula DNA. Najnovšie bola popísaná schopnosť niektorých proteínov (priónov - spôsobujú neurodegeneratívne ochorenia ľudí a zvierat, napr. "choroba šialených kráv") meniť príbuzné formy proteínov na vlastné, a teda sa "replikovať" bez interakcie s nukleovými kyselinami. V žiadnom prípade však nebola popísaná cesta, kedy z predlohy proteínu vznikla RNA alebo DNA.