Orvosi Hetilap, 1966. június (107. évfolyam, 23-26. szám)
1966-06-05 / 23. szám - Székács István: Bevezetés a molekuláris biológiába
ORVOSI HETILAP volt a következő kérdés, amely ma a biológia alapproblémájának tekinthető, melyek azok a sajátosságok, megkülönböztető jegyek, amelyek alapján az életjelenségek bármely más természeti jelenségtől megkülönböztethetőek. Ennek a kérdésnek a kémiai megfogalmazása a biokémia, illetve a molekuláris biológia legfőbb problémája és tudásunk mai állapotának megfelelően a következőképpen hangzik: milyen módon idézi elő a természet azt a jelenséget, hogy az élő szervezetet felépítő, szigorúan fajlagos, bonyolult összetételű, labilis makromolekulák (fehérjék, nukleinsavak stb.) a generációcsere, valamint az egyedi metabolizmus folyamán, fajlagosságukat és összetételüket vagy pontosan megőrzik és szintézisük során teljesen azonos, identikus összetételben reprodukálódnak, vagy ettől határozott szabályoknak megfelelően eltérnek. A fajlagos makromolekulák identikus reprodukciója, ill. változékonysága az élő szervezet létezésének két mozzanatában döntő fontosságú. Először a generációcsere folyamán biztosítja a teljes kémiai azonosságot, ill. szabályozott eltérést a parentálgeneráció és a filiálgeneráció makromolekulái között; ezzel kapcsolatban a molekuláris biológia az átöröklés biokémiáját és az abban résztvevő nukleinsavak szerepét kívánja tisztázni. A kutatás kémiai jellegét kidomborítja még az a körülmény is, hogy a genetikai vizsgálatok alanyául egyre kiterjedtebben felhasznált mikroorganizmusok igen sok fenotipikus tulajdonsága éppen kémiai sajátosság; ezek az okok magyarázzák a biokémiai módszerek gyors térhódítását a genetikai kutatásban. Ezzel kapcsolatban meg kell emlékeznünk arról, hogy négy évtizeddel ezelőtt Hári Pál, a budapesti egyetemen az élet- és kórvegytan professzora volt az első, aki genetikai okokra vezetett vissza bizonyos kémiai sajátosságokat, amelyeket haemoglobinpreparátumok analízise folyamán talált és amelyek alapján feltételezte, hogy egy bizonyos egyedben egyidejűleg többféle haemoglobin létezik. Abban az időben ez a feltevés közvetlenül nem volt bizonyítható, ma korszerű diagnosztikai laboratóriumban rutinszerűen különíthetők el ugyanabban a vérmintában található, különböző vándorlási sebességű haemoglobinok. A másik mozzanat, amellyel kapcsolatban az identikus reprodukció alapvető fontosságú, a makromolekulák, elsősorban a fehérjék és a nukleinsavak szintézise az élő szervezet egyéni fejlődése során. A fajlagos összetételű és életfontosságú makromolekulák az egyéni élet folyamán állandóan bomlanak és reszintetizálódnak, azaz valamely kémiai mechanizmust kell feltételezni, amelynek eredményeként a makromolekulák kémiai szerkezetének azonossága az egyedi élet folyamán is fennmarad. A molekuláris biológia tárgya, fő érdeklődési területe tehát jelenleg a nukleinsavak és fehérjék identikus reprodukcióját létrehozó kémiai mechanizmusok kutatása egyrészt az átöröklés, másrészt az egyedi élet folyamán. II. A molekuláris biológiában alkalmazott legfontosabb módszerek A molekuláris biológiában klasszikus kémiai módszereket, valamint a makromolekulák szerkezetébe mély betekintést nyújtó fizikai és fizikaikémiai módszereket alkalmaznak. Ha azokat a régebbi biokémiai ismereteket, amelyek csupán a sejtben található anyagok minőségére és mennyiségére vonatkoznak, a kémiában használatos tapasztalati képlethez hasonlítjuk, akkor a molekuláris biológiában alkalmazott módszerek segítségével kialakuló kép az előbbihez úgy viszonyult, mint a szerkezeti képlet a tapasztalati képlethez. A molekuláris biológia szemléletmódjának kiterjedése tehát csökkenteni, illetve áthidalni hivatott azt a szakadékot, amely a sejtre vonatkozó morfológiai és kémiai ismeretek között fennáll és valószínűleg valamilyen kémiai topográfiát fog eredményezni, amelynek alapján a sejt funkciói egységesen értelmezhetőkké válnak. A molekuláris biológiát szolgáló legfontosabb módszerek a következők: 1. Elektronoptikai módszerek. A korszerű elektronmikroszkópok feloldó képessége elérte az 5—6 A-öt, tehát már a molekuláris méretek nagyságrendjében van (pl. a dohánymozaik-vírusmolekula vastagsága 20 A). Ezzel párhuzamosan az elektronoptikai preparálási és feldolgozási módszerek fejlődése révén (pl. a negatív festési eljárással) az elektronoptikai kép részletgazdagsága egyre nő és megközelíti a fénymikroszkópos képek részletgazdagságát. 2. A frakcionált centrifugálás módszere lehetővé teszi, hogy a sejtet alkotó organellumokat fajsúlyuk különbözősége alapján, a viszonylag legkíméletesebb behatások által válasszuk el egymástól, így lehetőség nyílik arra, hogy az egyes sejtorganellumokat és működésüket külön-külön vegyük szemügyre, amivel sok esetben kiegészíthetjük az elektronoptikai vizsgálatok eredményeit. 3. A radioaktív izotópok módszere hasonlóképpen a kémiai topográfiához szolgáltat adatokat; segítségével egy-egy metabolit vagy precursor útját és sorsát követhetjük a sejtben. 4. A röntgendiffrakció a fehérjék és nukleinsavak finomabb struktúrájának felderítésében nagy jelentőségű és a molekuláris biológiában kiterjedten alkalmazott módszer. Amikor ion-, atom-, vagy molekulanagyságrendű részecskéket röntgensugár ér, az elektronok együttrezgés következtében másodlagos röntgensugarakat bocsátanak ki, amelyek minden irányban szóródnak. Ha a szóbanforgó részecskék a térben szabályosan elrendezettek, azaz optikai rácsot képeznek, akkor bizonyos szórt sugarak között fáziskülönbség lép fel, ami interferenciát hoz létre. A kilépő, illetve szórt röntgensugarak egy része tehát fényérzékeny rétegen kioltási foltokat idéz elő. E foltok helyzete jellemző a vizsgált részecskék egymás közötti távolságára, valamint egymáshoz viszonyított térbeli elhelyezkedésére. Ezeket az adatokat ily módon nagy pontossággal meg lehet határozni. Matematikai analízis segítségével az elektronok sűrűsége az atommagok körüli térben meghatározható, azaz egy-egy geometriailag definiált helyre eső negatív töltés nagysága is kiszámítható. Ha az azonos töltésű helyeket egymással összekötjük, akkor diagrammot kapunk, amelyből a molekula struktúrájának finomabb részleteire következtethetünk, mint pl. a vegyérték irányára, a szomszédos atomok egymás elektronburkára gyakorolt deformáló hatására stb. A módszert a biológiailag fontos makromolekulák szerkezetének kutatására először Bernal és Fannkuchen alkalmazták, akik ezzel az eljárással vizsgálták a kristályos dohánymozaik-vírust.