Bioznanosti
• Interdisciplinaren pristop
• Biokemija
• Mikrobiologija
• Molekularna biologija
• Genetika
• Toksikologija
• Biofizika
• Fiziologija
• Bioznanosti proučujejo
• Kemično sestavo spojin, ki gradijo živa bitja in način
povezovanje teh spojin v supramulekulske strukture,
celice, tkiva in organizme
• Kako geni in proteini in ostale biološke molekule
uravnavajo življenje in delovanje celice, celicni cikel
(rast, razmnoževanje, programirana smrt-apoptoza)
• prenosu genske informacije in dedovanje
• aplikacije genske tehnologije v biotehnologiji in medicini
Molekule v celici
• Male molekule (monomeri):
• Nukleotidi
• Aminokisline
• Sladkorji
• Mašcobne kisline
• Voda
• ATP: univerzalna valuta
Kemijske energije
• Makromolekule (polimeri)
• Nukleinske kisline (DNA, RNA)
• Proteini
• Ogljikovi hidrati-polisaharidi
• Lipidi
Makromolekule polimeri !
Prokariontska celica :
Prokarionti so skupina enoceličnih organizmov s karakteristično celično zgradbo, ki je preprostejša od evkariontske celice. Filogenetsko se prokarionti delijo na dve veliki skupini: bakterije (Bacteria) in arheje (Archaea), slednja skupina je bila prepoznana šele v 1980-tih letih.
Genetski material (DNK) prokariontskih celic lebdi prosto v citoplazmi celic. Ni jedrne membrane, ki je ena glavnih značilnosti evkariontskih celic kot so živalske in rastlinske celice. Do nedavnega so bile bakterije edini znani tip prokariontskih celic, v 1980-tih pa je uporaba novih molekularnih tehnik v filogenetiki odkrila novo skupino prokariontov, ki je bila sprva poimenovana arhebakterije (Archaebacteria).
To skupino prokariontov so pozneje preimenovali v arheje. Bakaterije in arheje imajo isto prokariontsko celično zgradbo, vendar drugače med seboj niso nič kaj bolj sorodne, kot so evkariontom.
Večina prokariontskih celic je zelo majhna v primerjavi z evkariontskimi celicami. Tipična bakterijska celica je velika približno 1 μm, medtem ko so evkariontske celice velike od 10 do 100 μm. Tipična prokariontska celica je tako nekako velikosti evkariontskega mitohondrija.
Mnogi se ne zavedajo, da so prokarionti najbolj številčna oblika življenja na zemlji, tako v smislu biomase kot v številu vrst. Naprimer, prokarionti v morju predstavljajo 90% skupne teže vseh organizmov, v enem samem gramu plodne zemlje pa je lahko več kot 10 milijard bakterijskih celic. Poznano je približno 3000 različnih vrst bakterij in arhej, vendar ta številka verjetno predstavlja manj kot 1% vseh obstoječih vrst v naravi.
Evkariontska celica :
Evkarionti (znanstveno ime Eukaryota) so organizmi, ki jih gradijo evkariontske (evkariotske) celice oziroma evcite.
Na Zemlji obstajata dve veliki skupini organizmov: prokarionti in evkarionti. Razlika med tema dvema vrstama življenja je zelo velika, čeprav oboji temeljijo na istih molekularno bioloških osnovah, natančneje: v obeh primerih je osnovna enota življenja celica, ki jo sestavlja ista skupina organskih makromolekul (proteini, sladkorji, lipidi in nukleinske kisline), ki je udeležena v istih osnovnih biokemičnih procesih.
Najbolj očitna razlika med prokarionti in evkarionti je na nivoju celične organizacije in strukture, evkariontska celica je tako precej večja in bolj kompleksna od prokariontske. Poleg tega so lahko evkariontski organizmi večcelični, medtem ko so prokarionti samo v enocelični obliki. Evkarionti so praktično vse rastline in živali, medtem ko so prokarionti bakterije in arheje.
Obstajata dve vrsti evkariontske celice, živalska in rastlinska, ki se nekoliko razlikujeta v celični zgradbi. Tipična evkariontska celica je ovalne oblike in velika 100 μm.
Osnovna struktura, ki določa njeno velikost in obliko ter jo ločuje od okolice je celična membrana. Rastlinska celica ima okrog membrane dodaten zaščitni sloj, t.i. celično steno iz celuloze. V notranjosti celice ali citosolu se nahajajo številni celični organeli.
To so specializirane strukture obdane z lastno membrano, ki opravljajo pomembne celične funkcije. Večina organelov je skupna tako rastlinski, kot živalski celici, rastlinske celice pa imajo dva dodatna organela, ki jih živalske nimajo, namreč kloroplaste in vakuole.
Poleg organelov se v citoplazmi prosto nahajajo številni encimi in proteini, ki so udeleženi v celične procese, kot je sinteza in razgradnja proteinov.
Kaj se dogaja znotraj naših celic :
[youtube]http://www.youtube.com/watch?v=kxSLw1LMvgk[/youtube]
Zgradba celice :
Celična membrana obdaja celico, skoznjo prehajajo snovi v celico in iz nje. Zgrajena je iz dvojne plasti fosfolipidov (maščobe) in različnih beljakovinskih molekul. Njeno zgradbo prikazujemo z modelom tekočega mozaika. Mozaik zato, ker so beljakovinske molekule vstavljene v plast fosfolipidov kot mozaik, tekoči pa zato, ker beljakovinske molekule plavajo, se premikajo po plasti.
Endoplazemski retikulum je splet prostorov, imenovanih cisterne. Na zrnatem endoplazemskem retikulumu se pojavljajo tudi ribosomi, v katerih poteka sinteza beljakovin. Te beljakovine nato po cisternah potujejo po celici. Poznamo zrnati ER (z ribosomi) in gladki ER (brez ribosomov).
Golgijev aparat je zgrajen iz cistern, od katerih se odcepljajo mehurčki, ki potujejo do celične membrane, se tam odprejo in vsebino izpraznijo navzven. V mehurčkih se nahajajo beljakovine, povezane z ogljikovimi hidrati.
Lizosomi so mehurčki, ki vsebujejo prebavne encime. Nastajajo tako, da se ločijo od Golgijevega aparata. Sodelujejo pri celični prebavi.
Mitohondrij naj bi bili po endosimbiontski hipotezi včasih samostojni organizmi, ki pa so se vrinili v celico in z njo živijo v sožitju. Dokaz za to naj bi bil lasten DNK, na podoben način pa naj bi se razvili tudi plastidi. Imajo dve membrani; zunanja je gladka, notranja pa nagubana. Naloga mitohondrijev je celično dihanje – proces, pri katerem se iz hrane sprošča energija v obliki molekul ATP. Ker imajo mitohondriji lasten DNK in ribosome, lahko v njih poteka tudi sinteza beljakovin.
Kloroplasti so skupina plastidov, ki je značilna za rastlinske celice, opravljajo fotosintezo. So okrogle, lečaste strukture in imajo gladko zunanjo ter nagubano notranjo membrano. Gube notranje membrane so tilakoide. Kloroplasti imajo lasten DNK in ribosome, po endosimbiontski hipotezi so nastali iz modrozelenih cepljivk.
Vakuola je značilna za rastlinsko celico. Je večji prostor, obdan z membrano – tonoplast. Znotraj se nahaja celični sok. Ker rastline nimajo izločal, vse odpadne produkte kopičijo v vakuoli. S starostjo celice narašča tudi velikost vakuole. Snovi odvrže preko korenin ali smole.
Jedro je obdano z dvema membranama – notranjo in zunanjo, ki ima ribosome in se veže na endoplazemski retikulum. V jedru se nahaja večina dednega zapisa celice. Dedni zapis je v obliki tankih nitk, imenovanih kromatin (pri barvanju se obarvajo). Kromatin je sestavljen iz molekul deoksiribonukleinske kisline in beljakovin ter je videti kot mrežast preplet. Kromosomi se oblikujejo iz spiraliziranega kromatina. V celici jih vidimo samo med celično delitvijo. Število kromosomov v človeški celici je 46. Telesne celice imajo 23 parov, en par od tega sta spolna kromosoma (xx oz. xy), so diploidne (2n). Človeške spolne celice imajo 23 kromosomov, so haploidne (1n).
Jedrce je temnejši del jedra, v katerem nastajajo ribosomi.
Nitaste citoplazmatske strukture so
* mikrotubuli: votle cevke, zgrajene iz beljakovine tubulin. Njihova naloga je transport snovi znotraj celice in sodelovanje pri celični delitvi (tvorijo delitveno vreteno). So gradbeni deli bičkov in migetalk.
* mikrofilamenti: tanjše nitke, ki niso votle. Zgrajene so iz beljakovine aktin, pomembne pa pri krčenju mišic.
Celični cikel :
Apoptoza :
Apoptoza je proces, ki poteka v celici, ko ta odmre na nadzorovan način.
Poznamo dva procesa nadzorovane celične smrti: programirano celično smrt in citoplazemsko celično smrt z avtofagocitozo. Za normalno delovanje organizma je apoptoza nujno potrebna, saj se s tem odstranjujejo celice, ki so okužene ali imajo poškodovano DNA, so odvečne (npr. pri razvoju organov pri zarodku) ali rakasto spremenjene. Ker gre za uravnavan proces, govorimo o celičnem samomoru.
Pri apoptozi poteče kaskada biokemijskih reakcij, ki privedejo do morfoloških sprememb, vidnih tudi pod mikroskopom. Celica se skrči, na površini se pojavijo mehurčkasti izrastki, jedro in mitohondriji se razgradijo, DNA pa se razreže na krajše fragmente.
Proces apoptoze lahko sprožijo zunanji dejavniki (aktivatorji), ki se vežejo na membranske receptorje, ali pa znotrajcelični signali, ki delujejo na mitohondrije. Za večino celičnih učinkov je ključno delovanje proteinaz kaspaz. V končni stopnji celotne apoptozne celice ali mehurčke, ki nastanejo iz njih, požrejo imunske celice v procesu fagocitoze.
Komunikacija med celicami-neposredni stik :
• Adhezijske molekule
• Ekstracelularni
matriks-izlocki celic
• Kolagen: najbolj
razširjen protein
• Oblika celicecitoskeleton
DNK (DNA) :
Kompletna informacija za izgradnjo in delovanje
celice, tkiv in organizma.
Deoksiribonukleinska kislina (DNK oziroma DNA) je dolga molekula, ki je nosilka genetske informacije v vseh živih organizmih (z izjemo nekaterih virusov, ki imajo genetsko informacijo shranjeno v obliki molekule RNK). DNK skupaj z RNK spada med nukleinske (jedrne) kisline.
DNK je nerazvejan polimer, katerega osnovna enota je nukleotid. Nukleotid v DNK je sestavljen iz sladkorja (deoksiriboza), dušikove baze (adenin, citozin, gvanin in timin) in fosfatne skupine. Štirje različni nukleotidi (glede na dušikovo bazo, ki je prisotna) tvorijo genetično abecedo življenja na zemlji.
Zaporedje nukleotidov pa, podobno kot zaporedje črk v besedi, določa pomen genetične informacije. V vseh živih organizmih (z izjemo nekaterih virusov) se DNA nahaja v obliki dvojne vijačnice, pri čemer se dve molekuli DNK ovijeta druga okrog druge. Pri tem se dušikove baze nahajajo znotraj vijačnice in se medsebojno parijo. Adenin se vedno pari s timinom in citozin vedno z gvaninom (Watson-Crickovo pravilo baznih parov).
DNK se pri evkariontih nahaja v celičnem jedru, ki je posebna struktura znotraj celice, obdana z lastno membrano. Znotraj jedra je DNK v obliki kromatina, ki tekom celične delitve postane viden kot kromosomi. Nasprotno se pri prokariontih DNK nahaja prosto v citoplazmi, v regiji, ki se imenuje nukleoid in je večinoma krožna molekula (nima prostih koncev).
DNK lahko lahko ob pomoči drugih sestavnih delov celice, ob dotoku hranilnih snovi ter energije v obliki molekul ATP sintetizirajo različne beljakovine v različnih zaporedjih. V DNK se nahajajo vsi kontrolni mehanizmi, ki jih sicer poznamo iz računalniških programskih jezikov, ki omogočajo, da DNK nadzoruje procese v celici in njenem okolju. Če rečemo, da so računalniški programi zapisani v obliki dvojiških zaporedij in da je osnovna enota pri le-teh bajt (8 bitov), bi lahko rekli, da so genetski zapisi zapisani v obliki štiriških zaporedij in da je osnovna enota pri le-teh kodon (trije pari karakterističnih molekul).
Nukleinske kisline je prvič izoliral Friedrich Miescher leta 1869 in jih tako poimenoval zaradi tega, ker jih je našel v jedru levkocitov. Prisotnost nukleinskih kislin v ostalih celicah je bilo dokazano v naslednjih nekaj letih, vendar je minilo okrog 75 let, preden je bila odkrita njihova biološka funkcija.
Dejansko je tekom 1930. in 1940. vladalo trdno prepričanje, da so nosilci genetske informacije proteini, za katere so menili, da so edine dovolj zapletene biološke molekule, ki so sposobne opravljati to funkcijo. Nasprotno je DNK v tistem času veljala za precej dolgočasno in nepomembno molekulo, ki jo sestavlja monotono zaporedje štirih različnih nukleotidov, zaradi česar si ni bilo mogoče predstavljati, da bi lahko bila nosilka genetske informacije. Vendar se je v naslednjih desetletjih na veliko presenečenje večine izkazalo, da je resnica ravno obratna.
RNK
Ribonukleinska kislina (RNK oziroma RNA) je, tako kot DNK, dolga molekula, ki opravlja vrsto ključnih funkcij v živih organizmih. Čeprav je kemično zelo podobna DNK, ima precej drugačne lastnosti, kar se odraža v njeni biokemiji. Je precej manj stabilna kot DNK, zaradi česar tekom evolucije verjetno ni postala nosilka genetske informacije, čeprav nekateri sumijo, da se je pojavila pred DNK in je bila celo njen predhodnik (t.i. hipoteza RNK sveta). Na drugi strani pa je RNK nosilec genetske informacije pri nekaterih vrstah virusov. RNK skupaj z DNK spada med nukleinske (jedrne) kisline, ki skupaj s proteini, sladkorji in lipidi predstavljajo glavno skupino bioloških molekul.
RNK je nerazvejan polimer štirih različnih nukleotidov: adenina, uracila, gvanina in citozina. Nukleotid v RNK je sestavljen iz sladkorja (riboze), dušikove baze in fosfatne skupine. Čeprav je RNK v celicah večinoma prisotna v enoverižni obliki, lahko tvori podobno dvojno vijačno obliko kot DNK, ki pa je manj stabilna od njene sorodnice.
Ena njenih najpomembnejših vlog RNK je posredovanje genetične informacije med DNK in proteini. Pri tem je v veljavi osrednja dogma molekularne biologije, po kateri informacija vedno teče v smeri:
DNK => RNK => PROTEIN
Specifičen del DNK se v procesu transkripcije (prepisovanja) prepiše v informacijsko RNK oziroma mRNK (angl. messenger RNA), na podlagi katere v procesu translacije (prevajanja) s pomočjo ribosomov nastane določen protein. mRNA je je linearna enoverižna molekula, ki je komplementarna delu DNK, s katerega se prepiše.
tRNK oziroma prenašalna RNK (angl. transfer RNA) sodeluje z ribosomi in mRNA pri nastanku proteinov (translacija). Na en konec molekule se veže specifična aminokislina, drug konec tRNK (antikodon) pa prepozna ustrezen kodon na mRNK. tRNK ima za razliko od mRNA prostorsko strukturo (v vseh treh dimenzijah) in nekatere neobičajne nukleotide.
rRNK oziroma ribosomska RNK (angl. ribosomal RNA), ki ima zapleteno strukturo, se povezuje z ribosomalnimi proteini v ribonukleoproteinski kompleks imenovan ribosom. RNK v tem kompleksu služi kot ogrodje tega celičnega stroja, obenem pa opravlja tudi nekatere katalitske funkcije.
Poleg omenjenih glavnih zvrsti RNK molekul v celicah, obstajajo še druge, bolj eksotične oblike: sRNK (angl. small RNA) soRNK (angl. small nucleolar RNA) siRNK (angl. small interfering RNA)
DNA
[youtube]http://www.youtube.com/watch?v=0CMIgZQakHY[/youtube]
Nekaj pojmov :
centimorgan (centimorgan; Centimorgan), okrajšava cM, je enota za meritev hipotetične razdalje med lokusi na kromosomu. 1 cM ustreza 1% verjetnosti, da bo med lokusoma prišlo do rekombinacije. Pri evkariontih pomeni 1 cM v povprečju 106 baznih parov.
centralna biološka dogma (central dogma; zentrales Dogma der Molekularbiologie) je zapis funkcionalnih odnosov med DNK, RNK in proteini. DNK je matrica za lastno replikacijo (podvojitev) ter transkripcijo (prepis) v RNK, ki je nato prevedena (translirana) v protein. Tako je na kratko ponazorjen prenos genetskih informacij v obliki: DNK RNK protein.
centrična fuzija (centric fusion; zentrische Fusion) je prelom kratkih krakov na dveh akrocentričnih kromosomih, ki se nato združita (fuzionirata) s preostalima daljšima deloma v nov kromosom. Oba manjša delca se praviloma izgubita. V genetiki je znana taka fuzija pod imenom Robertsonova translokacija (Robertson, 1916) ali fuzija celotnih krakov. Taka združevanja so pogost proces v nastajanju vrst (specijaciji) in vzrok nekaterim dednim napakam, kot je fuzija 1/29 ali Gustafsonova translokacija pri domačem govedu.
centrifugalen (centrifugal; zentrifugal) pomeni “bežeč od sredine”.
centrifugalna ločitev (centrifugation separation; Trenung durch Zentrifugation) je ena od metod ločevanja disperzij s pomočjo centrifugalnega pospeška. V primeru ravnotežnega centrifugiranja z merilcem gostote (density gradient equilibrium centrifugation; Dichtegradienten-Gleichgewichtzentrifugation) se ugotavlja gostota na način, da dodajo v epruveto za centrifugiranje sol, kot je na primer cezijev klorid. Mešanica molekul, ki jih raziskujemo, se nalije preko gradienta in nato centrifugira, dokler vsaka molekula ne doseže sloja v gradientu, ki ima enako gostoto, kot jo ima sama. V primeru conskega centrifugiranja (zonal centrifugation; Zonenzentrifugation) z gradientom gostote ugotavljamo hitrost sedimentacije makromolekul s pomočjo saharoznega gradienta. V tem primeru je hitrost sedimentacije odvisna od velikosti in oblike molekul.
centrifugalno polje (centrifugal field; Feld der Zentrifugalkraft), glej sedimentacijska konstanta.
centriola (centriole; Centriol) je celična organela, ki se reproducira sama, ima obliko kratkih valjčkov, ki jih sestavlja devet skupin perifernih *mikrotubulov, razporejenih okrog centralne votline. Centriole se lahko gibljejo in se vselej pojavijo na obeh polih delitvenega vretena v celicah živali, ko se delijo. Organela, ki je ultrastrukturno identična s centriolo, je *bazalno telesce pri migetalkah. V celicah višjih rastlin jih ni. Glej mitoza, mitotični aparat.
centripetalen (centripetal; zentripetal) pomeni “težeč proti središču”.
centri za nastanek mikrotubulov (microtubule organizing centers; Mikrotubuli-organisierende Zentren), okrajšava Mcs, so strukture ali mesta, ki omogočajo nastajanje *mikrotubulov. V nekaterih organizmih so to *centriole in *kinetosomi, v drugih pa depoji amorfnega zrnato-vlaknastega materiala. V teh centrih je prisotna RNK, njihovo razmnoževanje pa spremlja tudi podvajanje DNK.
centromera (centromere; Centromer) je mesto na kromosomu, na katerega se vežejo niti *delitvenega vretena v času *mitoze. Od položaja centromere na kromosomu sta odvisna oblika in poimenovanje kromosomov v času njihove migracije proti poloma v anafazi. Samo pri redkih vrstah se niti delitvenega vretena pripenjajo vzdolž kromosomov; takim kromosomom pravimo *policentrični ali kromosomi z difuznimi centromerami. Podvojeni (replicirani) kromosom sestoji iz dveh *kromatid, ki sta spojeni v centromeri. V pozni profazi mitoze se na obeh straneh centromer pojavijo delitvene tvorbe ali *kinetohore, obrnjene v smeri polov delitvenega vretena. *Mikrotubuli delitvenega vretena se pripnejo na kinetohore (v starejši literaturi še ne ločijo centromer in kinetohor). Centromere metafaznih kromosomov so v zoženem delu kromosoma, zato temu delu pravijo primarna kromosomska zožitev. Centromero navadno loči od ostalega kromosoma *heterokromatin, ki ima *repetitivno DNK in ki se zelo pozno replicira. (Schrader, 1936).
centromerični indeks (centromeric index; Centromerindex) je procentualna dolžina kromosoma glede na krajši krak. V humanih *somatskih celicah na primer ima v času metafaze kromosom številka 1 centromerični indeks 48, kar pomeni, da je kromosom *metacentričen, s krajšim krakom, ki predstavlja 48% celotne dolžine. Kromosom številka 13 ima indeks 17 in je torej akrocentričen s krajšim krakom, ki predstavlja 17% njegove dolžine.
centromerna interferenca (centromere interference; Centromer-Interferenz) se imeuje inhibitorni vpliv centromere na *crossing over v sosednji kromosomski regiji.
centrosom (centrosome; Centrosom) je del diferencirane *citoplazme, ki vsebuje par *centriol. (Van Beneden 1883; Boveri 1888).
Cephalosporium je rod nepopolnih gliv. C.acremonium uporabljajo v farmacevtski industriji za pridobivanje beta-laktamskega antibiotika *cefalosporina.
Cepea je rod suhozemnih polžev, ki spadajo v družino Helicidae. C.hortensis in C.nemoralis imata na polžji hišici različne barvne in ornamentalne vzdolžne proge, ki so jih natančno raziskovali populacijski genetiki.
cepič (scion; Pfropfreis) je del poganjka ali očesce, ki ga precepimo na drugo rastlino z namenom razmnoževanja.
cepitev (binary fission; Zweiteilung) je amitotična, neseksualna delitev, pri kateri se starševska *prokariontska celica razdeli v dve celici hčeri, ki sta približno enake velikosti.
cepitev jedra (nuclear fission; Kernspaltung) je cepitev atomskega jedra na najmanj dve drugi jedri s sprostitvijo veliko energije.
cerebrozid (cerebroside; Cerebrosid) je molekula, sestavljena iz *sfingozina, maščobne kisline ter sladkorja; veliko ga je v mielinskih tulcih živčnih celic.
ceruloplazmin (ceruloplasmin; Ceruloplasmin) je protein, ki vsebuje baker, je modre barve, prisoten je v a2 globulinih v plazmi. Blizu 95% bakra, ki cirkulira v človeku, je vezanega na ceruloplazmin. Ima osem podenot, vsaka ima molekularno maso 18000.