Die molekulêre biologie is die wetenskap waarin verskillende lewensprosesse op 'n molekulêre vlak bestudeer word. Dit is veral op die gebied van erflikheid waar molekulêre bioloë die belangrikste deurbrake gemaak het. Die molekulêre beginsels van erflikheid was nog altyd een van die lewe se groot geheime, totdat dit duidelik geword het dat daar in alle selle sekere groepe molekules voorkom wat as die draers van erflike inligting beskou kan word.
Tot hierdie sogenaamde informasiemolekules behoort die proteïene en nukleïensure. Proteïene is by byna alle belangrike lewensprosesse in die selle van organismes betrokke en vervul 'n baie wye reeks regulatoriese en strukturele funksies. Proteïene kan dus beskou word as die molekules wat die erflike eienskappe van 'n sel of 'n organisme bepaal. Die verskil tussen 'n blom en 'n padda word dus bepaal deur die verskille in die proteïene wat deur paddaselle en die proteïene wat deur die selle van 'n blom gesintetiseer kan word.
Die genetiese inligting wat selle nodig het om die proteïene te maak, word in deoksiribonukleïensuur (DNS, ook DNA) geberg. Die DNS in 'n sel is saamgestel uit kleiner molekules, die nukleotiede. Hierdie nukleotiede bevat elkeen een van vier verskillende stikstofbevattende basisse. Die volgorde waarin die basisse in die DNS-ketting voorkom, bepaal die volgorde waarin die verskillende aminosure tydens proteïensintese in 'n proteïen ingebou word.
Die aminosuurvolgorde bepaal op sy beurt die struktuur en die belangrikste fisiologiese kenmerke van proteïene. Die struktuur van DNS het nie alleen van die belangrikste fundamentele beginsels van proteïensintese opgeklaar nie, maar ook 'n verduideliking gebied van hoe erflike inligting deur die duplikasie van DNS volledig en noukeurig na dogterselle oorgedra kan word tydens seldeling of voortplanting. Die DNS-struktuur bied ook 'n verklaring van hoe veranderinge in erflike materiaal deur middel van mutasies kan plaasvind.
By proteïensintese in die sel is daar bene wens die DNS ook in ander groep nukleïensure betrokke, naamlik die ribonukleïensure (RNS, ook RNA). Boodskapper-RNS dien as tussenganger tussen DNS en die sellulêre apparaat of ribosome, met behulp waarvan proteïensintese plaasvind.
'n Ander groep RNS-molekules, die draers-RNS, speel 'n onontbeerlike rol in die aaneenskakeling van die aminosure in die proteïenketting. Dit is vandag tegnies moontlik om die basisvolgorde van nukleïensure te bepaal en om sekere nukleïensure (self volledige gene) kunsmatig in die laboratorium te vervaardig. Dit is vandag ook moontlik om sekere proteïene kunsmatig uit aminosure saam te stel. Die groot ontwikkelinge wat vandag op die gebied van genetiese manipulasie plaasvind, spruit regstreeks uit kennis wat op die vakgebied van die molekulêre biologie opgedoen is.
Inleiding Die belangrikste aspek waarmee die molekulêre biologie hom besig hou, kan saamgevat word in die vraag: "Wat is lewe?" Hoewel hierdie vraag al deur baie eeue heen gevra is, het die molekulêre biologie as 'n wetenskap eers werklik sy beslag gekry toe wetenskaplikes in die vyftigerjare vir die eerste keer 'n begrip ontwikkel het van die molekulêre grondslag van erflikheid. In die verlede het wetenskaplikes meermale die faktore probeer identifiseer wat lewende materiaal van dooie materiaal onderskei.
Eienskappe soos groei en die vermoë om voort te beweeg, het nie in alle gevalle die juiste onderskeid gemaak nie. Die een fundamentele kenmerk wat alle bekende lewende organismes wel gemeen het is dat almal uit selle opgebou is. Die eenvoudigste lewende organisme, 'n bakterie, bestaan uit 'n enkele sel, terwyl hoër organismes uit 'n bykans ontelbare menigte selle bestaan. Die belangrikste kenmerk van 'n sel is sy vermoë om te groei en te verdeel.
Dit is hierdie vermoë wat die fundamentele karakter van lewe bepaal. In die natuur kan 2 tipes selle onderskei word, naamlik die wat sonder 'n kern is, soos die bakterieë en blougroen alge (prokariotiese selle), en die wat wei kerne besit (eukariotiese selle) . Alle selle bestaan uit 'n selmembraan wat as omhulsel dien vir 'n waterige oplossing, wat die selsap of sitoplasma genoem word. In die sitoplasma van sekere selle kom daar liggaampies of organelle voor wat deur 'n membraan omring word. In diereselle is daar mitochondrieë wat 'n rol speel in sellulêre respirasie, terwyl daar in plantselle chloroplaste voorkom wat betrokke is by die gebruik van sonlig as 'n bron van energie.
Verder blyk dit dat alle selle saamgestel is uit hoofsaaklik 4 verskillende soorte makromolekules, naamlik suikers (koolhidrate), vette (lipiede), proteïene en nukleïensure. Die suikers en vette dien hoofsaaklik as bron van energie, terwyl die proteïene en nukleïensure as inligtingsmolekules beskou word. Proteïene is betrokke by feitlik elke aspek van sellulêre fisiologie. Hulle is noodsaaklik vir groei, instandhouding en alle ensiemgekataliseerde reaksies in die sel.
Een van die kenmerke van die lewe van 'n sel is sy vermoë om voortdurend die fisiologies benodigde hoeveelhede van spesifieke proteïene te kan sintetiseer. Proteïene kan nie soos klein metaboliese boustowwe van buite af toegevoeg word nie en die sel moet dus in sy eie behoefte kan voorsien. Ook moet die sel oor die vermoë beskik om die inligting wat hy vir die sintese van proteïene nodig het, na die volgende geslag oor te dra. Hierdie informasie-oordrag op molekulêre vlak is een van die belangrikste aspekte wat deur navorsers in die molekulêre biologie opgeklaar is.
Erflikheid Oor die beginsels van erflikheid is eers in die afgelope 100 jaar groter duidelikheid verkry. Voorheen was dit onmoontlik om te verklaar hoe genetiese inligting deur voortplanting oorgedra word. Hoe is dit moontlik dat daar uit koekoekeiers wat deur 'n ander voël uitgebroei word, tog jong koekoeke te voorskyn kom? Net so kom daar uit die eiers van skilpaaie net ander skilpaaie te voorskyn en nie kuikentjies of koekoeke nie.
Die genetiese inligting wat skilpaaie van koekoeke onderskei, moet dus volledig in die eier vasgelê wees. Van die belangrikste erflikheidsbeginsels is reeds deur Gregor Mendel (1822- 1884), die vader van die klassieke genetika, ontdek. Daar is veronderstel dat genetiese eienskappe soos haarkleur, wat van geslag tot geslag oorgedra kan word, vasgelê is in spesifieke selstrukture, wat later gene genoem is na aanleiding van die ou benaming van Hugo de Vries (1848- 1935) naamlik pangene.
Wanneer 'n eensellige organisme met behulp van 'n ligmikroskoop bestudeer word, kan gesien word dat selle vermenigvuldig deur 'n proses van seldeling, waartydens 2 dogterselle gevorm word. Walther Flemming (1843- 1905) het in 1879 waargeneem dat seldeling voorafgegaan word deur die verdubbeling van sekere selstrukture, wat met behulp van kleurstowwe gekleur kan word. Hierdie strukture is chromosome (Grieks vir "gekleurde liggaam") genoem.
Die verdubbeling van 'n chromosoom verseker dat wanneer die sel in 2 verdeel, elke dogtersel een van die 2 chromosome bekom. Toe die werk van Mendel aan die begin van hierdie eeu herontdek is, is beset dat die gene op die chromosome gelokaliseer moet wees. In 1928 is eksperimenteel bevestig dat chromosome die draers van erflike eienskappe is. Die aantal chromosome in 'n sel hang van die soort sel af. Bakterieë besit slegs 'n enkele chromosoom (haploïed).
By hoër organismes kom die chromosome in pare voor (diploïed). Die mens besit normaalweg 46 chromosome, terwyl 'n hoender 78 besit. Die diploïede karakter van chromosome kan dien as 'n beveiligingsmeganisme omdat die ander chromosoom in die geval van 'n defek in een van die 2 chromosome steeds oor die regte genetiese inligting beskik. Reeds voor 1928 het Friedrich Miescher ontdek dat chromosome uit proteïene en 'n suur bestaan.
Omdat die suur in die kern van die sel voorkom, word dit kernsuur of nukleïensuur genoem. In 1944 het Oswald Avery (1877-1955) aangetoon dat nukleïensuur die erflike inligting bevat en nie die proteïene nie, soos tot in daardie stadium vermoed is. In 1953 het James D. Watson en F. Crick die ruimtelike struktuur van nukleïensuur opgeklaar. Hierdie ontdekking het meer as elke ander faktor daartoe bygedra dat navorsing in die molekulêre biologie gestimuleer is en 'n tydperk van byna ongekende ontwikkeling op die gebied is ingelui. Die vordering wat sodoende gemaak is, het vir die eerste keer beplande genetiese manipulasie op molekulêre vlak moontlik gemaak.
Hierdie genetiese tegnieke, wat ook as genetiese boukunde (Engels: genetic engineering) bekend staan, het belangrike praktiese toepassings op verskillende terreine, soos byvoorbeeld in die landbou en die farmakologie. Vandag word baie van die tegnieke in die molekulêre biologie ook gebruik om aspekte van evolusionêre ontwikkeling en immunologie te bestudeer.
DNS Omstreeks 1870 het Friedrich Miescher ontdek dat daar in die kern van 'n sel 'n fosforbevattende suur voorkom. Hierdie kernsuur of nukleïensuur bevat al die genetiese inligting wat deur die sel benodig word. Die gene van 'n sel is dus niks anders as stukke nukleïensuur nie.
In 1944 het Oswald Avery eksperimenteel bewys dat nukleïensuur in die afwesigheid van enige proteïen genetiese inligting kan oordra. Hy het uit 'n bakteriële stam 'n verbinding geïsoleer waarmee hy die erflike eienskappe van 'n ander stam kon verander. Avery het verskeie toetse gedoen en tot die gevolgtrekking gekom dat hierdie geïsoleerde verbinding slegs uit nukleïensuur bestaan het. 'n Ander klassieke eksperiment is in 1952 deur Hersey en Chase uitgevoer.
Hulle het 'n studie gemaak van virusinfeksie. 'n Virus bestaan uit 'n nukleïensuur wat deur. 'n beskermende proteïendop omring word. Hulle het vasgestel dat tydens die infeksie van 'n bakterie met 'n bakteriële virus (bakteriolaag), slegs die nukleïensuurgedeelte van die virus die gasheersel binnedring, terwyl die proteïendeel van die virus buite bly. Na 'n tyd bars die gasheersel oop en honderde nuwe viruspartikels, wat almal presies identies is aan die oorspronklike virus, word vrygelaat. Die genetiese inligting met behulp waarvan die proteïendop van die virus vervaardig word en die virus homself kan dupliseer, moet dus in die nukleïensuur van die virus geleë wees. Hierdie ontdekking het in 1969 aan Hersley die Nobelprys besorg.
Samestelling Nukleïensure is saamgestel uit 'n groot aantal klein molekules, – die nukleotiede. 'n Enkelnukleotied word 'n mononukleotied genoem, gekoppelde enkelnukleotiede vorm ‘n oligonukleotied, terwyl 'n lang ketting van nukleotiede as 'n polinukleotied bekend staan. 'n Mononukleotied is uit 3 groepe verbindings saamgestel, naamlik 'n stikstofbevattende basis, 'n suiker en 'n fosfaatgroep. Wanneer die fosfaatgroep afwesig is, word die verbinding 'n nukleosied genoem.
Daar kom 2 tipes stikstofbasisse in nukleotiede voor, naamlik die puriene en die pirimidiene: Die purienbasisse in nukleïensure is hoofsaaklik adenien (A) en guanien (G), terwyl die pirimidienbasisse hoofsaaklik voorkom as urasiel (U), timien (T) en sitosien (C). Die eienskappe van die verskillende basisse toon baie ooreen- komste. Almal absorbeer ultraviolet lig by 'n golflengte van 260 tot 280 nm (1 nm = 10-9 m). Hierdie eienskap word gebruik by die kwantitatiewe analise van vry basisse, nukleosiede en nukleïensure.
Die nukleïensure waarin die genetiese inligting van alle selle opgesluit lê, staan bekend as deoksiribonukleïensuur (DNS, ook bekend as DNA). Dit is saamgestel uit deoksiribonukleotiede, wat 2'-deoksiribose as suiker bevat. Die suiker kan aan sowel sy 3'- as 5'- posisie aan fosfaat gekoppel wees. Die aksente dui daarop dat die nommers op die koolstofatome van die suikermolekules betrekking het. Nommers sonder aksente het betrekking op die atome van die basisse.