Biologija celice

1. Lastnosti (znaki) ivega

Najmanja enota ivega je celica.

Lastnosti ivega pa so: metabolizem (razgradnja, izgradnja), homeostaza, jemanje energije od zunaj in njena transformacija, rast in razvoj, razmnoevanje, odgovarjanje na draljaje, adaptacija na okolje.

2. Nastanek ivljenja

Za nastanek ivljenja je potreben nastanek makromolekul (te lahko spontano polimerizirajo v primernih okoliinah) ter samoreplikacija (samopodvajanje - RNA molekula je makromolekula, ki je zmona samopodvajanja in daje zapis za nastanek proteinov).

Prva celica je bila RNA molekula, obdana z lipidnim ovojem. Hrano in energijo je dobivala iz morja z organskimi molekulami, za nadalnji razvoj pa je bil pomemben razvoj sistemov za tvorbo in uporabo metabolne energije: glikoliza, fotosinteza, oksidativna fosforilacija.

3. Celica

Celica je osnovna enota ivljenja. Med celicami so velike razlike v obliki in funkciji, makromolekule v razlinih celicah pa so enake in sodelujejo pri istih tipih kemijskih reakcij - te so v celicah enake, ne glede na vrsto oz. funkcijo celic.

Gradniki celic so biogeni elementi (25 naravnih elementov), tirje od teh (H, O, C, N) tvorijo 97% mase veine organizmov. Veina elementov je povezanih v spojine. Te so organske (veina molekul z ogljikom, skoraj vse vsebujejo e vodik in veina tudi kisik) in anorganske (ogljikove spojine brez vodika in tiste, kjer ogljik ni glavni element).

Biogeni elementi: H, C, O, N, Ca, Mg, Na, K, P, in drugi

Anorganske spojine: voda

Organske spojine: sladkorji, maobne kisline, aminokisline in nukleotidi - to so razmeroma majhne molekule.

4. Organske snovi

Organske snovi sestavljajo 80-90% suhe tee celice.

Poznamo tiri skupine molekul:

- ogljikovi hidrati (monomeri in polimeri sladkorjev)

- lipidi

- proteini

- nukleinske kisline

Ogljikovi hidrati, proteini in nukleinske kisline so polimeri - makromolekule.

Polimeri nastanejo z reakcijo kondenzacije (iz molekule izstopa voda). Nasprotje je hidroliza (voda vstopa v reakcijo - pridobivanje energije).

4.1 Ogljikovi hidrati

Ogljikovi hidrati so enostavni sladkorji in makromolekule, ki so iz njih sestavljene. Splona formula OH je (CH2O)n. Monosaharidi - osnovna enota OH - so sestavljeni iz ene molekule enostavnega sladkorja, di-, tri-, ..., polisaharidi - iz veliko molekul enostavnih sladkorjev. Ogljikove hidrate razdelimo glede na vlogo v organizmih na zalone, strukturne in transportne.

- zaloni (sluijo kot energijska zaloga): krob (rastline), glikogen (ivali)

- strukturni: celuloza (rastline), hitin (ivali)

- transportni: saharoza (disaharid -vanj sta povezani glukoza in fruktoza)

4.1.1 Glikozidna vez

Glikozidna vez je vez med dvema monosaharidoma. Nastane z reakcijo kondenzacije med dvema monosaharidoma.

4.2 Lipidi

Glavni skupini lipidov sta maobe in fosfolipidi. Glavne funkcije lipidov so shramba energije, sestavni deli membran, medcelina komunikacija.

Maoba je kombinacija molekule glicerola in treh maobnih kislin. Maobe (trigliceridi) so netopne v vodi, zato v citoplazmi agregirajo kot kapljice. Predstavljajo glavni depo energije v organizmu. Maobe vsebujejo nasiene ali nenasiene maobne kisline.

Fosfolipidi so sestavljeni lipidi, v katerih je ena od treh ma. kislin zamenjana s fosfatno skupino. So sestavni del biolokih membran. Fosfatna skupina tvori polarno glavo, ki je topna v vodi, maobnokislinska (nepolarna) repa pa ne (amfipatska molekula).

Glikolipidi so ravno tako polarne molekule, katere tvori na glicerol vezan sladkor. So sestavni del membran.

Membrane sestavljo e steroli, v ivalskih celicah je to najbolj pogosto holesterol. Ta daje membrani trdnost. Je polarna molekula, ki je sestavljena iz tirih obroev ogljikovodikov (rigidnost) in ravne verige ogljikovodikov.

Med sterole sodijo tudi spolni hormoni.

4.3 Beljakovine

Beljakovine imajo tevilne bioloke vloge v celici:

- encimi

- hormoni

- transportni proteini

- zaloni proteini

- gibalni proteini

- strukturni proteini

- obrambni proteini

- proteini s posebnimi nalogami

- signalni proteini

Beljakovine so sestavljene iz manjih organskih molekul - aminokislin. Te so med seboj povezane s peptidno vezjo. V lovekem organizmu je znanih 20 aminokislin, od teh je 9 esencialnih (organizem jih ne more sintetizirati sam, potrebno jih je zauiti s hrano). Aminokisline razdelimo glede na stranske verige na:

- kisle

- bazine

- nenabite polarne

- nepolarne

Peptidna vez je posledica reakcije kondenzacije (odcepi se voda), tvori se med amino in karboksilno skupino dveh aminokislin. Tako nastanejo peptidi.

4.3.1 Struktura polipeptidov

Vsi proteini imajo trodimenzionalno konformacijsko strukturo, ki je oblika z najmanjo energijo.

Zaporedje aminokislin v polipeptidni verigi imenujemo tudi primarna zgradba proteina. Od primarnega zaporedja je tudi odvisno, kako se bo veriga zvijala ali zlagala v prostoru - sekundarna struktura proteina (-heliks ali -trak). Vodikove, ionske, pa tudi kovalentne vezi pa poplipeptidno verigo dodatno zvijejo v trodimenzionalno prostorsko zgradbo - terciarna zgradba proteina. Nekatere beljakovine pa imajo e kvartarno zgradbo - ve med seboj povezanih (terciarnih) podenot (npr. hemoglobin).

Denaturacija, renaturacija: e na protein delujejo topila ali visoka temperatura, se vezi, ki vzdrujejo sekundarno in terciarno strukturo proteina razklenejo. Protein se razvije ali denaturira. Denaturacija je lahko reverzibilna ali ireverzibilna. Pri renaturaciji se protein, ko odstranimo topilo, povrne v svojo prvotno konformacijo.

4.4 Nukleinske kisline

Nukleinske kisline so polimeri nukleotidov. Nastanejo s kondenzacijsko reakcijo med sladkorjem enega nukleotida in fosfatno skupino drugega nukleotida (fosfodiesterska vez). Nukleotid je sestavljen iz fosfatne skupine, enostavnega pentoznega sladkorja in duikove baze.

Nukleotidi niso le gradniki nukleinskih kislin, delujejo tudi kot energetsko bogate snovi (ATP) ali kot sestavni del koencimov (NAD+).

5. Celice

Celice delimo na:

- protobionte ali pracelice (makromolekule, obdane z lipidnim ovojem, ki so se sposobne podvajati)

- prokarionte (bakterijske celice)

- evkarionte (celice praivali, gliv, rastlin in ivali)

Prokarionti so 'enostavneji' od evkariontov, saj nimajo jedra (DNA je prosto v citoplazmi v obliki kronega kromosoma), celina stena je iz peptidoglikanov, citoplazma je zrnata, brez organelov, ni citoskeleta. Razmnoujejo se z cepitvijo, veinoma so anaerobne (ne potrebujejo O2).

Evkarionti imajo jasno diferencirano celino snov (ali protoplazmo) - dedni material se nahaja v jedru z ovojem (DNA je organizirana v linearne kromosome), citoplazma se deli na citoskelet, citosol ter celine organele. Evkariontske celice so veinoma aerobne (potrebujejo O2). ivlaske celice so obdane s plazmalemo (membrano), rastlinske celice pa imajo poleg plazmaleme e (celulozno) celino steno.

Virusi so na meji med ivim in neivim, saj se sami ne morejo razmnoevati, za to potrebujejo gostitelja.

6. Celini metabolizem

Celini metabolizem (reakcije, pri katerih prihaja do energetskih pretvorb) je sestavljen iz katabolizma in anabolizma. Pod katabolizem (razgradnja) spadajo vsi procesi, v katerih se molekule v kemijskih reakcijah razgradijo na enostavneje produkte, pri tem pa se energija sproa (npr. celino dihanje in fotosinteza - svetlobna faza). Pod anabolizem (izgradnja) pa spadajo procesi, pri katerih iz enostavnih molekul nastajajo bolj zapletene (pa tudi termogeneza, aktivni transport, krenje miic, fotosinteza - temotna faza), pri tem pa je potreben vnos energije (ATP, NADH, NADPH). Energija, shranjena v kemijskih vezeh molekul hrane, se veinoma porazgubi kot toplota. Celice so odprti sistem, ki energijo sprejema in pretvarja, ne more pa je ustvariti. ivljenje je odvisno od energetskih pretvorb. Celice energijo sproajo regulirano (za razliko od npr. gorenja, ki je burna reakcija in ni nadzorovana).

6.1 Oksidacija in redukcija

Pri veini energijskih pretvorb v organizmih prihaja do reakcij oksidacije in redukcije. Oksidacija je izguba elektronov iz molekule (katabolizem), pri tem pa se sproa energija. Redukcija pa je dovajanje elektronov molekuli, pri kateri se spremenijo kemijske lastnosti. Ta proces velikokrat vodi do sinteze bolj zapletenih molekul (anabolizem), te reakcije pa zahtevajo vnos energije. Reakciji oksidacije in redukcije v celici vedno potekata istoasno.

6.2 Fotosinteza

Fotosinteza je proces, v katerem se energija sonne svetlobe pretvori v kemijske vezi v celici. Fotosinteza ima dve stopnji:

- svetlobna faza (nastanek ATP in NADPH, stranski produkt je O2)

- temotna faza (nastanek sladkorjev).

6.3 Encimi

Encimi so vrsta proteinov, ki pospeijo kemijske reakcije, in sicer tako, da zniajo ptrebno aktivacijsko energijo (energijo, ki je potrebna za nastanek kemijske reakcije). Povezujejo energetsko neugodne z energetsko ugodnimi reakcijami. Pri teh reakcijah sodelujejo predvsem ATP, NADH, NADPH. Encim sodeluje kot katalizator - pri reakciji se ne porabi ali spremeni, samo pospei reakcijo. Na aktivno mesto encima se vee substrat, aktivno mesto tudi doloa specifinost encima. Regulacija delovanja encimov je alosterina (na alosterino mesto encima se vee alosterini modulator, ki zvia ali znia aktivnost encima) in fosforilacija (na encim se vee fosfat in ga aktivira).

6.4 ATP, NADH in NADPH

ATP je energijska valuta celice, v molekuli ATP je vezana energija, ki se sprosti (s hidrolizo) iz kemijske vezi ob odcepu konne fosfatne skupine. ATP sodeluje pri energijsko neugodnih reakcijah. Nastaja z energijsko neugodno reakcijo fosforilacije.

NADH in HADPH sta koencima, derivata niacina, v celicah pa tvorita zalogo elektronov. Sodelujeta pri reakcijah redukcije in oksidacije.

6.5 Celino dihanje

Fizioloko dihanje je proces, pri katerem se v pljuih izmenjujeta O2 in CO2, celino dihanje pa poteka v celicah in je metabolni proces, pri katerem se energija, shranjena v organskih molekulah, vee v ATP. Ta se naprej uporabi za delo v celici (rast in razvoj). Celino dihanje delimo na aerobno in anaerobno dihanje. Pri aerobnem dihanju se porablja O2 in nastaja veliko ATP. Anaerobno dihanje ne potrebuje O2, pri tem pa nastane veliko manj ATP.

Celino dihanje obsega ve medsebojno povezanih presnovnih reakcij. Prva stopnja, ki ne zahteva kisika (anaerobni del celinega dihanja), je glikoliza. Poteka v citosolu, pri kateri se molekula glukoze razgradi in pretvori v piruvat, ATP in NADH. V prisotnosti kisika piruvat vstopi v mitohondrij, kjer se pretvori v Acetil-CoA (oksidativna dekarboksilacija). V odsotnosti kisika potee proces fermentacije.

Acetil-CoA vstopa v drugo stopnjo - citratni ciklel (CTKK), ki poteka v mitohondriju. Gre za niz reakcij, pri katerem nastane malo ATP, veliko reduciranih koencimov (NADH, FADH2 in GTP) in CO2 (kot odpadni produkt).

Elektroni iz redukcijskih ekvivalentov (NADH in FADH2) 'poganjajo' tretjo stopnjo dihanja - elektronsko prenaalno verigo. To je osnovni mehanizem, ki omogoa nastanek ATP-ja. Poteka na notranji membrani mitohondrijev. Elektroni, ki se prenaajo po elektronski dihalni verigi, omogoajo vzpostavitev protonskega gradienta. V drugi fazi vodikovi protoni steejo nazaj vzdol svojega koncentracijskega gradienta skozi encim ATP-sintazo. Konni prejemnik elektronov je O2, ki se reducira v H2O, pri tem sproena energija pa se v procesu oksidativne fosforilacije uporabi za sintezo ATP (kemiozmotska sklopitev - povezava elektronskega transporta, protonskega rpanja in sinteze ATP; gre za kljuni proces pri celinem dihanju). V tej stopnji nastane dale najve ATP.

Ciklus trikarbonskih kislin je tudi izhodie za sintezo mnogih spojin (aminokisline, maobne kisline in steroli, glukoza, hem, ...).

7. Membrane in membranski transport

V celici poznamo veliko membran: plazmalema, jedrni ovoj, endoplazmatski retikulum, Golgijev aparat, mitohondrij, lizosomi, peroksisomi, vezikli.

Struktura membran - membrana je sestavljena iz lipidnega dvosloja. Membranski lipidi so amfipatini - polarne (hidrofilne) glave in nepolarni (hidrofobni) repi. Membrane sestavljajo fosfolipidi, steroli in glikolipidi. Plazmalema (celina membrana) je ojaana s korteksom. Povrine celic pa so pokrite z glikokaliksom. V membrani so prisotni tudi proteini, ki so lahko transmembranski, vezani na membrano, vezani na lipide ali vezani na proteine. Imajo funkcijo prenaalcev (ionske rpalke), encimov, receptorjev, proteinov za identifikacijo, povezovalnih proteinov in integrinov (povezujejo intracelularni aktin z ekstracelularnimi proteini).

Membrane so selektivno prepustne, zato poteka membranski transport v razlinih oblikah. Skozi membranske lipide lahko prosto (difuzija) prehajajo molekule, ki so topne v lipidih ali so dovolj majhne (molekule vode, O2, CO2), je pa lipidni dvosloj neprepusten za ione in veje nenabite polarne molekule (aminokisline, glukoza, nukleotidi, ...). Za transport teh snovi skozi membrano so potrebni razlini mehanizmi. Poznamo pasivni in aktivni transport. Za to skrbijo prenaalci in kanalki v membrani (proteini). Transport preko kanalkov je vedno pasiven (ne potrebuje energije, odvisen je od koncentracijskega gradienta in membranskega potenciala). Skoznje se veinoma prenaajo anorganski ioni. Kanalki so navadno selektivni (vsak kanalek prepua le po eno vrsto anorganskega iona v eni smeri). Kanalki imajo prednost pred prenaalci v hitrosti prenosa (do 1000X hitreje).

Transport s prenaalci je lahko pasiven ali aktiven (aktivni transport potrebuje energijo, poteka pa v nasprotni smeri koncentracijskega gradienta). Prenaalec vee topljenec (molekulo, ki se prenaa) na eni strani, ob tej vezavi se struktura prenaalca spremeni in tako omogoi sprostitev topljenca na drugi strani. Prenealci, ki delujejo z aktivnim transportom, imenujemo rpalke.

Membranski transport pa lahko poteka tudi s procesi endocitoze (celica ujame neko snov v membranski mehurek, ki se odcepi od membrane v notranjost celice) in eksocitoze (snovi, ki jih celica izloi, so v membranskem mehurku; ko se ta zlije s celino membrano, se snov izloi iz celice).

8. Znotrajcelini kompartmenti (razdelki), organeli in transport

Jedro - je obiajno najbolj jasno viden organel v evkariontski celici. V jedru je shranjen dedni material v obliki melekul DNA. Jedro obdaja jedrna ovojnica, ki je sestavljena iz dveh membran. Zunanja membrana se neposredno nadaljuje v endoplazmatski retikel. V jedrni ovojnici so jedrne pore. Jedrna ovojnica je popolnoma neprepustna, zato je potrebna za transport preko por energija - aktivni transport. Jedrna ovojnica je po sestavi lipidni dvosloj. V notranjosti jedra se nahaja jedrna plazma (zrnata tekoina), kromatin, jedrca.

Endoplazmatski retikel - je najobseneji membranski sistem v celici. Na ER loimo dva predela/obmoji: zrnati in gladki ER (cisterne in cevi). Zrnat videz ER dajejo ribosomi, ki so pripeti na membrane ER in so mesto sinteze beljakovin v celici. Na gladkem ER nastajajo membranski fosfolipidi. Oba dela ER oblikujeta membranske mehurke (vezikle), ki se odcepljajo od ER in se zlivajo z drugimi membranami (transport snovi - poteka v obe smeri). Proteini vstopajo v ER med sintezo iz ribosomov, ki so nanj vezani. V lumnu ER nastajajo posttranslacijske spremembe proteinov (glikolizacija, zvijanje).

Golgijev aparat - je skladovnica sploenih mehurjev (cisterne). Cis- je vstopno mesto, trans- izstopno mesto. Transport med ER in Golgijem poteka v obliki veziklov (v obe smeri). Golgijev aparat sprejema in procesira proteine in lipide, v njem se sintetizirajo lipidi (glikolipidi) in polisaharidi. V veziklih nato potujejo snovi iz Golgija na plazmalemo, lizosome ali se izloijo iz celice.

Ribosomi - poleg ribosomov, ki se nahajajo na povrini ER, so nekateri tudi prosto v citosolu. Na njih nastajajo citosolni proteini.

Transport proteinov - proteini, ki nastajajo na ribosomih, ki so prosto v citoplazmi, se lahko transportirajo v jedro (preko por), mitohondrije ali peroksisome (preko membrane). Proteini, ki pa nastanejo na ribosomih, vezanih na membrane (ER), pa potujejo z vezikularnim transportom do lizosomov, na plazmalemo ali pa se izloijo izven celice.

Vezikularni transport - poteka v obe smeri, iz celice in v celico - stalno kroi (biosintetine - sekretorne poti, endocitozne poti).

Lizosomi - so mesto celine prebave v ivalskih celicah. Napolnjeni so s tevilnimi prebavnimi encimi (encimi kisle hidrolaze - pH 5), ki razgrajujejo proteine, nukleinske kisline, oligosaharide in fosfolipide. Zunajcelini partikli, ki vstopajo v celico z endocitozo, konajo v lizosomih.

Endosomi - so vezikli, ki so udeleeni pri endocitozi - vnosu makromolekul v celico. Endocitoza se deli na pinocitozo (vnos tekoin v celico) in fagocitozo (vnos vejih delcev, tudi celic).

Peroksisomi - so organeli, napolnjeni s peroksidom, ki oksidirajo maobne kisline do Acetil CoA, ki nato vstopa v mitohondrij (-oksidacija)

Mitohondriji - so kljuni organeli celinega dihanja. Mitohondrij sestavlja gladka zunanja membrana in notranja membrana, zgubana v kriste. Znotraj se nahaja matriks. V mitohondriju nastaja ATP; ima svojo lastno DNA, se deli proizvaja lastne proteine. V matriksu poteka citratni cikel, na prenaalcih, ki so vsajeni na notranjo membrano, pa poteka prenos elektronov in protonov in sinteza ATP-ja ob pomoi ATP-sintaze (oksidativna fosforilacija).

Plazmalema - loi celico od zunanjega okolja. Kot selektivna bariera doloa vsebino citoplazme ter omogoa interakcijo celice z okoljem. Plazmalemo opisuje model tekoega mozaika. Lipidi, ki se nahajajo v plazmalemi, so razlini na zunanji in notranji strani. Glikolipidi se nahajajo samo na zunanji strani plazmaleme. Na zunanji strani se nahaja tudi glikokaliks - predstavlja mehansko in kemino zaito celice. Ker sladkorji absorbirajo vodo, je povrina celice sluzasta. Ima tudi funkcijo pri prepoznavanju celic med seboj, pri pritrjevanju celic in pri celini signalizaciji. Na notranji strani plazmaleme se nahaja korteks.

9. Citoskelet

Citoskelet je mrea proteinskih filamentov znotraj celice , ki sestavlja ogrodje celice. Sestavljen je iz mree treh tipov proteinskih filamentov: intermediatnih, mikrotubulov in aktinskih filamentov. Vsak filament sestavljajo druge proteinske podenote. V vseh primerih se tisoe podenot povezuje v nerazvejan niz proteina, ki se lahko razprostira prek cele celice. Celici dajejo mehansko oporo, nadzorujejo njeno obliko in omogoajo in usmerjajo gibanja znotraj celice.

Ve vlaknatih proteinov sestavlja intermediatne filamente (imajo obliko snopov), ki celici nudijo oporo pri mehanskem stresu (zagotavljajo mehansko trdnost). Desmosomi in hemidesmosomi so keratinski intermediarni filamenti v epitelnih celicah - desmosomi povezujejo celice med seboj, hemidesmosomi pa celice na bazalno membrano. Jedrni laminini so prisotni okoli jedrne ovojnice in tvorijo jedrno lamino.

Tubulin je podenota mikrotubulov, ki imajo obliko dolgih, votlih cilindrov; obiajno je en konec pritrjen na centrosom (organizacijski center mikrotubulov). So veji od intermediarnih filamentov, najveji in najbolj togi citoskeletni elementi. Mikrotubuli so dinamino nestabilni (stalno prisotna polimerizacija in depolimerizacija tubulinov), polarni, vzdol njih poteka doloen transport proteinov v celici (vezikli). Tvorijo bike in migetalke, imajo vlogo pri celini delitvi (delitveno vreteno).

Aktin (globularni protein) je podenota aktinskih filamentov (mikrofilamenti) - spiralno oblikovani polimeri aktina. So najmanjii citoskeletni elementi, povezujejo se v svenje, mree ali tridimenzionalne gele.

Aktinski filamenti so povezani z razlinimi proteini - razline funkcije v celici (celini korteks, mikrovili, celina brazda). Nastopajo pri odgovoru celice ne nek draljaj/stres. e posebno veliko jih je v miinih celicah, kjer sestavljajo sistem, ki omogoa krenje miic.

10. Celina komunikacija

Osnova celine komunikacije je celino signaliziranje. To poteka tako, da signalna celica proizvede signalno molekulo, ki jo prepozna tarna celica. Ta ima receptorske proteine, ki prepoznajo in specifino odgovorijo na signal (molekulo). Celice uporabljajo tevilne razline molekule za poiljanje signalov, obstaja pa le nekaj nainov (vrst) medcelinega signaliziranja.

Kontaktno - celici (signalna in tarna) morata biti v tesnem stiku, da se signal lahko prenese. Celici se neposredno poveeta prek signalnih molekul v plazemski membrani. Sporoilo se prenese z vezavo signalne molekule v membrani signalne celice na receptorsko molekulo v plazemski membrani tarne celice.

Parakrino - signalna celica sproa signalne molekule, ki difundirajo v njeno okolico in delujejo lokalno. Take molekule delujejo kot lokalni mediatorji.

Sinaptino - nevroni specifino oivujejo tarne celice (preko sinapse - sproajo se nevrotransmiterji). Tu se sporoila prenaajo lahko na zelo dolge razdalje, zelo hitro.

Endokrino - signalne celice sproajo signalne molekule (hormone) v krvni obtok. Je nain prenosa signala po celotnem telesu (velike razdalje, za razliko od parakrinega).

Avtokrino - signalna celica je hkrati tudi tarna celica.

Signalne molekule so hormoni (adrenalin, kortizol, insulin, testosteron, ...), lokalni mediatorji (rastni faktorji, ...), nevrotransmiterji (acetilholin, noradrenalin), pri kontaktni signalizaciji pa delta (v moganih).

Sprejem signala se zane, kjer signalna molekula pride v stik z receptorjem na celici. Receptorji so navadno proteini na celini membrani (za steroidne hormone znotraj celice). En tip signalne molekule obiajno aktivira en receptorski protein. Sprejem signala je le prvi dogodek v signalni verigi (prenos signala - kaskada), v naslednjih stopnjah se signal prenaa preko intracelularnih signalnih molekul od celine membrane do jedra. Signalna veriga ima ve nalog - sprejme signal, ga preoblikuje (transdukcija), prenese, pogosto tudi ojaa (pomnoevanje) in prerazporedi (distribucija) tako, da uinkuje vzporedno na ve procesov v celici.

Receptorji na celini membrani:

- receptorji, povezani z G proteinom (na notranji strani membrane)

- receptorji, povezani z ionskimi kanalki

- receptorji, povezani z encimi

11. Celini cikel

Nova celica lahko nastane le iz predhodne celice (dogma v biologiji celice!), zato se morajo celice razmnoevati. Za to je potrebno podvojevanje celine vsebine (rast celice) in delitev celice. Cikel, v katerem se celica raste in se deli, imenujemo celini cikel. Gre za ponavljajo se proces. Razdeljen je v 4 stopnje: G1, S, G2 in M. Glavni stopnji cikla sta interfaza (sestavljajo jo G1, S in G2, v kateri celica raste, v njej se tudi podvoji DNA) in celina delitev, ki ima dve stopnji - mitozo in citokinezo (M faza). Mitoza je delitev jedra, citokineza pa delitev citoplazme.

Celice uravnavajo in koordinirajo korake razmnoevanja preko kontrolnega sistema celinega cikla (regulatorni proteini), kateri ureja vse glavne dogodke v celinem ciklu (podvojevanje DNA, segregacija kromosomov, celina delitev). Kontrolni sistem ima kontrolne toke (G1 kontrolna toka, G2 kontrolna toka, metafazna kontrolna toka). Proteini kontrolnega sistema so ciklini, ki so razlini, za delovanje pa potrebujejo aktivacijo - ciklinske kinaze fosforilirajo cikline (veejo 'P').

12. Celina smrt

Vsaka celica ima omejen as ivljenja. Poznamo dva naina umiranja celic: celica umre zaradi pokodbe in sproen 'samomor' (ko zmanjka telomer na kromosomih). Smrt zaradi pokodbe - pokodba je lahko mehanina ali kemina. Celica odgovori na pokodbo z adaptacijo, e je pokodba reverzibilna, se lahko celica 'opomore', kadar pa gre za ireverzibilno pokodbo (toka brez vrnitve - tudi e se odstrani dejavnik, ki kodi), nastopi nekroza ali apoptoza.

Nekroza je oblika celine smrti, ki nastane zaradi hude mehannine ali kemine pokodbe. Zajame veje tevilo (skupino) celic; celina membrana razpade, vsebina celice se 'zlije' v okolico in povzroi vnetni odgovor (razpadejo lizosomi, ki vsebujejo prebavne encime), organeli se razkrojijo, kromatin propade. Nekroza je energetsko neodvisna (ne potrebuje ATP).

Apoptoza je oblika programirane celine smrti, ki nastopi kot odgovor na doloene signale ali stimuluse. Pojavlja se v embrionalnem razvoju, pri tkivni homeostazi, pri razlinih boleznih, kot odgovor na citotoksine dejavnike. Za razliko od nekroze se vsebina celice ne 'razlije' v okolico, ampak se tvorijo apoptotska telesca (manji vezikli z vsebino celice), kromatin se fragmentira, organeli pa ostanejo nepokodovani. Te dele razgradijo sosednje celice. Apoptoza lahko prizadane tudi posamezne (izolirane) celice v tkivu, je pa energetsko odvisna (potrebuje ATP).

Napake v ekspresiji ali funkciji proteinov, ki sodelujejo pri apoptozi, imajo pomembno vlogo v patogenezi ali napredovanju doloenih bolezni: pri boleznih, ker celice pospeeno umirajo (nepravila izguba celic - Alzheimerjeva in Parkinsonova bolezen), pri boleznih, kjer je poveana akumulacija celic (rak), pri boleznih, kjer se pokodovane celice ne odstranjujejo (avtoimunske bolezni, npr. revmatizem).

Sploni zunanji vzroki (signali) za apoptozo so: ishemija (hipoksija), ekscitotoksinost, trofini faktorji, stimulusi (TNF-a, kortikosteroidi), razni toksini...

Sploni notranji (znotrajcelini) signali/vzroki so: pokodbe DNA, toksine substance (prosti radikali), stranski produkti celinega metabolizma.

Da apoptoza potee, so odgovorne kaspaze (specifine proteaze). Tipi kaspaz so iniciatorske (zaetne), efektorske (izvrilne) in kaspaze, ki procesirajo citokine. Kaspaze se morajo aktivirati, kar vodi v kaspazno kaskado. Konni rezultat je cepljenje jedrne ovojnice, citoskeleta, DNA in drugih celinih proteinov.

Protein p53 (transkripcijski faktor, tudi induktor apoptoze) - vpleten je v tevilne celine procese. Pri ve kot 50% raka je ta gen mutiran. Imenujemo ga tudi tumor supresorski gen.

13. DNA

Nukleinske kisline so najbolj zapleten bioloki polimer, njihova zgradba vsebuje tiri razline monomere - nukleotide. Nukleotid je sestavljen iz fosfatne skupine, enostavnega pentoznega sladkorja in duikove baze. Sladkorja sta v molekulah RNA riboza in v DNA deoksiriboza. Duikove baze so iz dveh razredov: pirimidini in purini. Pirimidina v DNA sta citozin (C) in timin (T), purina pa gvanin (G) in adenin (A). V RNA timin nadomea uracil (U). Nukleotidi so med seboj povezani in tvorijo verige. Molekule RNA so enoverine. Molekulo DNA sestavljata dve komplementarni verigi, zaviti v obliko dvojne vijanice. Verigi sta antiparalelni (usmerjeni v nasprotni smeri). Ta struktura DNA omogoa semikonzervativno (samoohranitveno) podvajanje - dvojna veriga se razpre, vsaka posamezna veriga pa deluje kot matrica za nastanek nove verige ob stari. Pri prokariontih imajo celice eno veliko dvoverino molekulo DNA, ki je sklenjena v krog. Nanjo vezani proteini ji omogoajo, da se e bolj zvije in skri - nstane nekaken kromosom, ki je v citoplazmi - prokariontske celice nimajo jedra in organelov. Pri evkariontih se molekule DNA nahajajo v celinem jedru. Povezane so s posebnimi beljakovinami - histoni. DNA se okoli histonskih molekul tesno zvija v kroglaste strukture - nukleosomi. Niz nukleosomov se zvija v obliko DNA, ki ji pravimo kromatin. Ko se celica deli, se kromatinske molekule zvijajo, postajajo kraje in debeleje in se zbijajo v strukture, ki jim pravimo kromosomi.

Kromosomi so najbolj kondenzirana oblika DNA. Interfazni kromosomi imajo kondenzirane (heterokromatin - transkripcijsko neaktiven - ne more priti do prepisovanja) in nekondenzirane dele (eukromatin - dostopen za RNA-polimerazo - lahko se prepisuje). Centromere so specializirana regija na kromosomu, nanje se veejo mikrotubuli med mitozo. Telomere so specializirane sekvence (konci kromosomov), ki predstavljajo bioloko uro celice - pri vsaki delitvi je ena manj, ko jih zmanjka, je to signal za celico, da odmre. Kariotip je set kromosomov ene celice, urejen po velikosti (1-22). Kariotip loveka vsebuje 46 kromosomov: 22 parov + spolna kromosoma (X in Y). Na kromosomih leijo geni. Ti so sestavljeni iz intronov (nekodirajoe sekvence) in eksonov (kodirajoe sekvence). Nekateri geni so vekrat ponovljeni in tvorijo druine genov.

(Te so nastale s pomnoitvijo in mutacijo osnovnega gena. Samo 1,5% genoma nosi zapis za proteine, rRNA in tRNA??)14. Gen, transkripcija in translacija

Odseki na posamezni verigi DNA vsebujejo informacije za nastanek (sintezo) posameznih beljakovin. To zaporedje nukleotidov, ki kodira posamezno beljakovino, imenujemo gen (funkcionalna enota DNA). Geni doloajo zgradbo in vse, kar se v organizmu dogaja. Celoten zapis genov v DNA imenujemo genom (celotna dedna informacija organizma). En gen kodira en protein - osrednja dogma molekularne biologije!!

Sporoilo za nastanek beljakovine, ki je zapisano v genu, se prevede v 2 stopnjah: transkripcija (sporoilo se prepie na obveevalno - mRNA) in translacija (sporoilo se iz mRNA prevede v protein na ribosomih). Pri prokariontih poteka transkripcija in translacija v citoplazmi, pri evkariontih pa transkripcija v jedru, translacija pa v citoplazmi. Pri evkariontih se pred prenosom iz jedra v citoplazmo mRNA procesira. Capping (zaita zaetne sekvence) in poliadenilacija (na koncu mRNA se doda 'rep') poveujeta stabilnost mRNA molekule, RNA splicing (izrezovanje intronov) pa slui 'izrezovanju' nekodirajoih zaporedij nukleotidov v genu (introni).

14.1 Transkripcija

Informacija za poloaj posamezne aminokisline v beljakovini, je na DNA zapisana v obliki zaporedja treh nukleotidov - kodon. Zbirko kodonov imenujemo genski kod. Ta je univerzalen v vseh organizmih (uporabno v biotehnologiji - bakterije sintetizirajo humani insulin).

V procesu sinteze beljakovin sodeluje veliko razlinih encimov. Prva stopnja sinteze beljakovin je transkripcija (prepis). Med transkripcijo odsek molekule DNA slui kot matrica za izdelavo molekule mRNA. Ta se od gena (zaporedja nukleotidov na DNA) razlikuje, saj je njegov komplement in ne dvojnik. Sinteza RNA poteka 20x hitreje od sinteze DNA. Pri sintezi mRNA se mora na mestu gena, ki se prepisuje, molekula DNA odviti in razpreti. Pri tem sodeluje RNA-polimeraza (encim), ki se vee na promotor (zaporedje na DNA, ki kodira zaetek prepisovanja RNA). Ob nukleotidih kodogene enojne verige DNA se dodajajo nukleotidi v zaporedju, ki je komplementarno. S tem nastaja nova veriga RNA. Veriga se podaljuje, dokler RNA-polimeraza ne pride do terminatorja (zaporedje na DNA, ki oznauje konec prepisa). Prepis je konan, nastala RNA se loi od kodogene verige DNA. Vse molekule RNA v celici nastajajo na enak nain, s transkripcijo.

14.2 Translacija

mRNA je 'nart' (matrica) za novo beljakovino, prenaalne RNA (tRNA) pa na osnovi tega v citoplazmi veejo ustrezne proste aminokisline in zagotovijo njihovo vezavo v nastajajoi beljakovini v pravilnem zaporedju. Ribosomske RNA (rRNA) skupaj s strukturnimi ribosomskimi proteini tvorijo ribosome, na katerih poteka sinteza beljakovin (na ribosomu prideta v stik mRNA in tRNA). Ribosom je (v aktivni obliki) sestavljen iz dveh delov, ki 'objameta' verigo mRNA tako, da je naenkrat samo po en kodon postavljen na posebno mesto (mesto A - podenota ribosoma) na ribosomu. Vsak kodon prepozna posebna tRNA, ki se s kodonom vee preko komplementarnega zaporedja nukleotidov na delu molekule tRNA, ki mu pravimo antikodon. Vsaka molekula tRNA ima e posebno zaporedje nukleotidov na delu molekule, ki lei nasproti antikodonu - na to mesto se vee ena od 20 aminokislin, ki sestavljajo beljakovine.

Sinteza se zane s povezavo ribosoma in mRNA ter vezavo ustrezne tRNA prek antikodona na zaetni kodon. Sinteza se nadaljuje, tako da se ribosom pomakne za en kodon vzdol mRNA. Na ribosom sta hkrati vedno pripeti dve molekuli tRNA z vezanima aminokislinama, med njima nastane peptidna vez (peptidil-transferaza). Po nastanku peptidne vezi se prva tRNA odcepi, ribosom se premakne za en kodon vzdol mRNA, na kodon se z antikodonom vee nova tRNA, aminokislini se poveeta s peptidno vezjo. Ta proces se ponavlja, do posebnega konnega (stop) kodona na mRNA, ki vee faktor sprostitve in polipeptidna veriga se sprosti, ribosom pa razpade na podenoti.

14.3 Kontrola izraanja genov

Poteka na nivoju transkripcije, RNA procesiranja, transporta RNA iz jedra, na nivoju translacije, na nivoju degradacije mRNA.

Najpomembneja je regulacija na nivoju transkripcije (aktivatorji-inhibitorji): kaskadna, avtoregulatorna, kombinirana aktivacija (za dopolnit??)

15. DNA podvajanje, popravljanje in rekombinacija

Podvajanje DNA (replikacija) se zgodi pred delitvijo celice. Podvajanje DNA je semikonzervativno (v vsaki od dveh novih molekul DNA je ena veriga stara). Zaetno mesto podvajanja na molekuli DNA imenujemo ori (replikacijski zaetki). Na to mesto se vee skupina replikacijskih proteinov, med njimi encim helikaza - ta razklene molekulo DNA v enojni verigi. Mesto, kjer se dvojna veriga razhaja, imenujemo replikacijske vilice.

Encim primaza doda na eno od verig DNA (vodilna veriga) kratko zaporedje RNA, ki slui kot zaetnik za sintezo. Iz zaetnika polimeraza-DNA sledi napredujoim replikacijskim vilicam in dodaja komplementarne nukleotide na osnovi parjenja baz (sinteza DNA se zane z RNA-polimerazo, ki sintetizira kratke verige RNA, ki jih nato zamenja DNA). DNA-polimeraza je zelo natanna, ima samopopravljalne lastnosti.

Replikacijske vilice so asimetrine - ena veriga se podvaja z zaostankom. Sinteza na tej verigi ne poteka tekoe, apak po fragmentih (Okazakijevi fragmenti) - med njimi so RNA zaetniki, ki jih DNA-polimeraza (ne tista, ki dodaja nukleotide) razgradi in nadomesti s koki DNA, fragmente pa skupaj povee encim ligaza DNA.

Telomeraze so encimi, ki dodajajo telomerna zaporedja (konni deli kromosomov) na verigo DNA.

Napake v genomu dolgorono vodijo do raznolikosti organizmov, do adaptacije organizmov na okolje in osvajanja novih habitatov. Kratkorono pa so napake v genomu za posamezni organizem navadno smrtne. e elijo organizmi preiveti in se razmnoevati, morajo biti genetsko stabilni. Stabilnost se zagotavlja ne samo s popravljanjem napak med podvajanjem DNA, ampak tudi naknadno (napake, ki so ostale nepopravljene, in ostale).

Popravljanje DNA - vanj je vpletenih veliko encimov (skupno ime DNA popravljalni mehanizmi). Popravljanje DNA verige je relativno lahko, ker obstaja komplementarna veriga. Napake, ki se pojavijo pri podvajanju DNA na novonastali verigi, popravi mehanizem mis-match repair (post-replikacijsko popravljanje). Napake lahko nastanejo tudi zaradi drugih vzrokov. Proteini, ki prepoznajo napake na DNA, so tevilni, osnovni princip pa je povsod isti: izrezovanje pokodovanega dela DNA, DNA-polimeraza naredi novo verigo, DNA-ligaza zlepi konce.

Prerazporejanje genov omogoa genetsko raznolikost, kar omogoa populaciji organizmov razvoj in preivetje glede na spreminjajoe se okolje. To prerazporejanje genov omogoajo procesi rekombinacije (DNA rekombinacija - poteka med mejozo).

Homologna rekombinacija je proces, pri katerem se dve molekuli DNA s podobnim zaporedjem najprej postavita druga ob drugi, in se nato v nekem zapletenem procesu prekriata, razcepita in ponovno poveeta z drugo molekulo DNA - tako nastaneta molekuli DNA z novim zaporedjem. Mesto zamenjave je lahko kjerkoli na DNA, kjer so zaporedja dovolj podobna. NA tem mestu zamenjave ne pride do spremembe v zaporedju nukleotidov.

Nehomologna rekombinacija je specifina rekombinacija, ki omogoa premeanje specifinih delov molekule DNA - mobilnih genetskih elementov (transpozoni). Omogoajo jo rekombinacijski encimi. Transpozoni so kratka zaporedja DNA, ki se lahko premikajo iz enega konca genoma na drugi, s tem zagotavljajo variabilnost.

e ostanejo pokodbe na molekuli DNA nepopravljene, pride do mutacij. Loimo DNA mutacije in kromosomske mutacije.

DNA mutacije so tokaste mutacije, ki spremenijo samo enega ali nekaj nukleotidov. DNA mutacije:

- nesmiselne mutacije (nastanek novega kodona povzroi predasno konanje prepisovanja)

- brezsmiselne mutacije (nastanek novega kodona povzroi vkljuitev nepravilne aminokisline v protein; uinek je lahko razlien)

- frameshift mutacije (izguba ali pridobitev enega ali dveh nukleotidov spremeni bralni okvir, kar pomeni, da so vsi sledei kodoni napani)

Kromosomske mutacije vkljuujejo spremembe na vejem delu molekule DNA, obiajno na nivoju kromosomov. Kromosomske mutacije:

- translokacije (lomljenje kromosomov in tvorba novih)

- pomnoevanje genov (nastanek 'double minute' kromosomov)

- inverzije (del kromosoma se odlepi in prilepi v obratni smeri)

- podvojitve in delecije (med replikacijo se doloeni geni podvojijo vekrat ali pa se izgubijo)

- aneuplodija (med delitvijo celice pride do napane porazdelitve kromosomov med herinski celici)

PAGE 8