Молекулярна біологія — це галузь науки, яка досліджує будову та функції молекул, з яких складаються живі організми. В основному він зосереджений на молекулах ДНК, РНК і білків, розуміючи, як ці молекули взаємодіють, щоб підтримувати процеси життя.
Центральна догма молекулярної біології описує потік генетичної інформації в біологічній системі. Він сформульований як ДНК ➞ РНК ➞ Білок. Цей потік інформації описує, як генетичний код, що міститься в ДНК, транскрибується в інформаційну РНК (мРНК), а потім транслюється в певний білок.
ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота): ДНК — це молекула, яка містить генетичні інструкції для розвитку, функціонування, росту та розмноження всіх відомих живих організмів і багатьох вірусів.
РНК (рибонуклеїнова кислота): РНК є полімерною молекулою, необхідною для виконання різних біологічних функцій, включаючи кодування, декодування, регуляцію та експресію генів.
Білки: білки — це великі біомолекули, які виконують широкий спектр функцій в організмах, включаючи каталізатор метаболічних реакцій, реплікацію ДНК, реакцію на стимули та транспортування молекул з одного місця в інше.
Структура ДНК являє собою подвійну спіраль, утворену парами основ, приєднаними до цукрово-фосфатного остову. У ДНК міститься чотири основи: аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) і тимін (T). Послідовність цих основ кодує генетичну інформацію.
Під час реплікації ДНК молекула ДНК дублюється, щоб передати повний набір генетичної інформації дочірній клітині. Цей процес є критичним для генетичної спадковості під час поділу клітин.
Транскрипція — це процес, за допомогою якого інформація з ланцюга ДНК копіюється в нову молекулу інформаційної РНК (мРНК). Після обробки мРНК вона транспортується з ядра в цитоплазму для трансляції.
Трансляція — це процес, коли рибосоми в цитоплазмі або ендоплазматичному ретикулумі синтезують білки після процесу транскрипції ДНК в РНК у ядрі клітини. МРНК розшифровується для отримання певного амінокислотного ланцюга або поліпептиду, який пізніше згорнеться в активний білок.
Генетичний код — це набір правил, які використовують живі клітини для перетворення інформації, закодованої в генетичному матеріалі (послідовності ДНК або мРНК), у білки. По суті, це мова, яка визначає, як послідовності трьох нуклеотидів, які називаються кодонами, визначають, яка амінокислота буде додана наступною під час синтезу білка. Є 64 кодони, які кодують 20 стандартних амінокислот, тоді як інші сигналізують про початок або зупинку синтезу білка.
Наприклад, послідовність AUG діє як стартовий кодон, а також кодує амінокислоту метіонін. З іншого боку, кодони UAA, UAG і UGA служать стоп-сигналами під час трансляції.
Молекулярна біологія використовує різні методи для розуміння генетичних і білкових функцій.
Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР): ПЛР — це метод ампліфікації певного сегмента ДНК. Ця методика дозволяє створювати мільйони копій сегмента ДНК з невеликого початкового зразка, що допомагає в детальному вивченні та аналізі.
Електрофорез у гелі: техніка поділу фрагментів ДНК або білків на основі їх розміру та заряду. Молекули проштовхуються електричним полем через гель, який містить маленькі пори.
Секвенування: Секвенування ДНК — це процес визначення послідовності нуклеїнової кислоти — порядку нуклеотидів у ДНК. Він включає будь-який метод або технологію, яка використовується для визначення порядку чотирьох основ: аденіну, гуаніну, цитозину та тиміну.
CRISPR-Cas9: CRISPR-Cas9 — це система редагування геному, яка надає дослідникам можливість змінювати послідовності ДНК і модифікувати функції генів. Він має застосування в медицині та сільському господарстві.
Висновки молекулярної біології мають широке застосування в медичній діагностиці, лікуванні, а також у вивченні генетики та біології розвитку.
Медична діагностика та лікування: такі методи, як ПЛР і секвенування, дозволяють ідентифікувати генетичні порушення та наявність інфекційних агентів. Ця інформація може привести до цільової терапії та лікування захворювань.
Генна інженерія: маніпулюючи ДНК, вчені можуть створювати організми зі специфічними якостями, наприклад рослини з підвищеним вмістом поживних речовин або стійкістю до шкідників і хвороб. Генна інженерія також призвела до виробництва терапевтичних білків, вакцин і ферментів.
Дослідження раку: методи молекулярної біології розгадують молекулярні механізми, за допомогою яких ракові клітини неконтрольовано ростуть. Ідентифікація конкретних генів і білків, які беруть участь у прогресуванні раку, дозволяє розробити цільову терапію.
Молекулярна біологія була висвітлена значними експериментами та відкриттями, які просунули наше розуміння життя на молекулярному рівні.
Експеримент Херші-Чейза: цей експеримент надав переконливі докази того, що ДНК є генетичним матеріалом. Позначивши бактеріофаги (віруси, які інфікують бактерії) радіоактивними ізотопами, Херші та Чейз змогли показати, що ДНК, а не білок, відповідає за успадкування генетичної інформації.
Модель ДНК Уотсона-Кріка: Джеймс Уотсон і Френсіс Крік за участю Розалінд Франклін у 1953 році запропонували структуру подвійної спіралі ДНК. Це відкриття мало вирішальне значення для розуміння того, як генетична інформація зберігається, відтворюється та передається в живих організмах.
Відкриття CRISPR-Cas9: Відкриття системи CRISPR-Cas9 зробило революцію в молекулярній біології. CRISPR-Cas9, спочатку досліджуваний як частина бактеріальної імунної системи, зараз широко використовується для редагування геному в різних організмах, що дозволяє точно маніпулювати генетичними послідовностями.
Молекулярна біологія охоплює вивчення молекул, з яких складаються живі організми, зокрема ДНК, РНК і білків. Завдяки розумінню таких процесів, як реплікація ДНК, транскрипція та трансляція, молекулярна біологія проливає світло на складні деталі життя. Такі методи, як ПЛР, гель-електрофорез, секвенування та CRISPR-Cas9, відіграють ключову роль у дослідженнях і застосуваннях, які охоплюють від лікування до покращення сільського господарства. Піонерські експерименти та відкриття продовжують розширювати межі молекулярної біології, пропонуючи нові ідеї та піднімаючи етичні, соціальні та правові питання щодо можливості маніпулювати самою сутністю біологічних істот.
