Molekulárna biológia študuje živé organizmy a samotné bunky na molekulárnej úrovni. Počiatky tejto vednej disciplíny siahajú do 30. rokov 20. storočia.
Hoci už v roku 1944 prvé experimenty naznačovali, že nositeľom genetickej informácie je deoxyribonukleová kyselina – DNA, definitívny dôkaz priniesli až pokusy s bakteriofágmi v roku 1952 (ALFRED HERSHEY a MARTHA CHASEOVÁ). Za absolútne prevratný sa však považuje rok 1953, kedy bola odhalená sekundárna 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 častou prácou s röntgenovým žiarením, pričom práve jej röntgenogram, známy ako „snímka 51“, bol kľúčovým podkladom pre tento objav.
Predmetom štúdia molekulárnej biológie sú biologické makromolekuly – hlavne DNA, RNA a bielkoviny. Pozornosť sa venuje pochopeniu vzťahov medzi nimi a ich funkcií v rôznych bunkových systémoch, čo F. Crick v roku 1958 zadefinoval ako tzv. centrálnu dogmu molekulárnej biológie. To zahŕňa predovšetkým:
- replikáciu genetického materiálu (zdvojenie DNA),
- transkripciu (prepis informácie z DNA do RNA) a následnú transláciu (samotnú syntézu bielkovín),
- 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 link
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 (doplnkovosť) 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). Spojenie medzi adenínom a tymínom je zabezpečené dvomi vodíkovými väzbami, zatiaľ čo cytozín s guanínom sú spojené až tromi vodíkovými väzbami (tento pár je tak štruktúrne pevnejší a úseky bohaté na C a G sa ťažšie denaturujú). 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 zmenou pH), po obnove pôvodných podmienok si každý reťazec presne nájde svoj proťajšok. Tieto procesy označujeme ako 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 helikáza rozpletie dvojzávitnicu a enzým DNA-polymeráza ku každému obnaženému jednovláknovému reťazcu dosyntetizuje protiľahlé vlákno z voľných nukleotidov. Výsledkom sú dve molekuly dvojreťazcovej DNA. Tento dej sa označuje ako replikácia DNA a má tzv. semikonzervatívny charakter – každá z novovzniknutých molekúl (dcérskych dvojzávitníc) si zachováva jedno pôvodné (materské) vlákno a jedno má úplne nové. 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 aj na 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“, ktorým je mediátorová (informačná) ribonukleová kyselina – mRNA. 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 prebieha tak, že z časti sekvencie DNA, ktorá sa nazýva gén, vytvorí enzým RNA-polymeráza krátke komplementárne vlákno mRNA (dej označovaný ako transkripcia), a až podľa neho sa syntetizuje na ribozóme proteín (dej označovaný ako translácia).
Centrálna dogma molekulárnej biológie link
Cesta realizácie genetickej informácie, ktorá nikdy nesmeruje od proteínu k DNA, sa označuje ako centrálna dogma molekulárnej biológie. Pôvodný smer tohto prenosu formuloval Francis Crick v roku 1958.
V súlade s centrálnou dogmou sú v bunkách štandardné procesy prenosu informácií, a to replikácia DNA, transkripcia a translácia. Neskôr k nim pribudli aj špeciálne procesy, ktoré poznáme hlavne zo sveta vírusov. Ide napríklad o schopnosť RNA vírusov replikovať svoju RNA, alebo o proces reverznej transkripcie u retrovírusov (ktorý dokázali HOWARD TEMIN a DAVID BALTIMORE v roku 1970), pri ktorej z RNA vzniká molekula DNA. Týmto objavom bola pôvodná dogma čiastočne modifikovaná.
Najnovšie bola popísaná schopnosť niektorých infekčných proteínov (priónov – nespôsobujú ochorenia prítomnosťou vírusov, ale sú výlučne proteínovej povahy a vyvolávajú neurodegeneratívne ochorenia ľudí a zvierat, napr. „choroba šialených kráv“ čiže BSE) meniť príbuzné formy proteínov na vlastné. Dokážu sa teda „replikovať“ bez akejkoľvek interakcie s nukleovými kyselinami. Podstatou tejto patogenézy je však len konformačná zmena terciárnej štruktúry, kedy patologický prión donúti normálny proteín zmeniť svoj priestorový tvar na patologický.
