Život
Nukleové kyseliny sú nositeľmi dedičnej informácie štruktúry bielkovín organizmu. Skladajú sa z nukleotidov tvorených z molekuly dusíkatej bázy (adenín, guanín, cytozín, tymín/uracyl) viazanej na deoxyribózu (DNA) alebo ribózu (RNA) a fosfátu. Dve spojené vlákna DNA tvoria špirálovitú dvojzávitnicu (α-helix), RNA je jednovláknové.
Proteíny sú z aminokyselín, v prírode ich je 20 (resp. 21, v selenocysteíne alternuje so sírou selén). Proteíny majú špecifickú druhotnú štruktúru, často prispôsobenú funkcii v bunke. Pôsobia ako hormóny, toxíny, protilátky, tvoria enzýmy a membránové komplexy.
Lipidy sú estery mastných kyselín. Najvýznamnejšou lipidovou štruktúrou bunky je polopriepustná biologická membrána. Jej základom je fosfolipidová dvojvrstva, kde hydrofilná fosfátová časť smeruje von, hydrofóbne lipidové reťazce sú obrátené k sebe.
Sacharidy vznikajú pri fotosyntéze ako jednoduché cukry, ktoré sa menia ďalej na iné metabolity.
Polysacharidy škrob, glykogén a niektoré tuky sa hromadia ako zásoby energie.
Celulóza, chitín, peptidoglykán tvoria bunkové steny. Pentózy deoxyribóza a ribóza sú „stavcami“ nukleových kyselín.
Všetky živé organizmy na Zemi existujú na báze chémie uhlíka a týchto makromolekúl.
DNA je zakódovaná genetická informácia, má schopnosť zdvojenia - replikácie. Tvoria ju nukleotidy štyroch druhov dusíkatých báz. Genetickým kódom sú trojice za sebou radených báz. Dve komplementárne vlákna dvojitej špirály DNA sa navzájom doplňujú. Párujú sa bázy adenín s tymínom a guanín s cytozínom. Pred každým delením bunky sa rozvinú a k obidvom vláknam sa doplní chýbajúce. Kompletná genetická informácia sa tak dostane do dcérskych buniek.
RNA vzniká prepisom – transkripciou – poradia báz z vlákna DNA. Komplementárne vlákno RNA má miesto tymínu uracyl.
Transkripcia prebieha v prokaryotickej bunke priamo v cytoplazme, v eukaryotickej v jadre, odkiaľ sa RNA presunie von cez póry jadrovej membrány na miesto proteosyntézy.
Transláciu - preklad kódu do poradia aminokyselín proteínov - zaisťujú tri druhy RNA. Matricou pre syntézu bielkovín je mRNA.
Väzbové miesto sa vytvorí na jej vlákne spojením veľkej a malej podjednotky ribozómu, ktoré vznikli v jadre ako rRNA-proteínový komplex.
Aminokyselinu presúva k väzbovému miestu tRNA, ktorá má jej antikodón a zapojí ju do peptidového keď je príslušný kodón v poradí.
Finalizácia bielkovín je ich organizácia do komplexných štruktúr, vznikajú enzýmy a ďalšie funkčné biomolekuly.
Tok genetickej informácie je základom procesov v bunke.
Primárnym zdrojom energie na Zemi je Slnko. Vyžaruje teplo a svetlo, ktoré vytvára vhodné podmienky pre život na našej planéte. Zdrojom energie na Zemi je aj žeravé zemské jadro a rádioaktívne prvky v zemskej kôre, pre fotosyntézu v prírode je však podstatné slnečné svetlo.
Chemické väzby medzi atómami uhlíka vznikajú procese fotosyntézy, sú zdrojom energie a organických látok pre heterotrofné organizmy.
Energia svetla viazaná do molekúl glukózy je základom pre biosyntézu zložitejších molekúl a udržanie metabolizmu buniek.
Organické molekuly v menšej miere vytvárajú aj chemoautotrofné mikroorganizmy.
Aktívny pohyb je podstatnou vlastnosťou živých systémov. Vyžaduje neustály prísun energie.
Pohyb organel a molekúl v bunke aj pohyb organizmov v priestore je premenou chemickej energie na kinetickú.
Životné procesy vyžadujú vhodnú teplotu. Tá nie je vždy optimálna. Niektoré mnohobunkové organizmy produkujú teplo a sú schopné udržiavať stabilnú teplotu svojho tela aj pri kolísaní vonkajšej teploty.
Teplo vyžarované telami organizmov je zvyšok nespotrebovanej energie.
Na Zemi je slnečné svetlo zachytávané pri fotosyntéze rozhodujúcim zdrojom energie pre všetky organizmy.
Primárnym zdrojom organických látok sú autotrofné organizmy, ktoré majú schopnosť viazať energiu do väzieb medzi uhlíkovými atómami. Významnými producentmi sú rastliny. Fotosyntézou tvoria jednoduché cukry, základ pre ďalšiu biosyntézu. Ako potrava primárnych konzumentov na začiatku potravných reťazcov sú prvotným zdrojom živín pre heterotrofné organizmy - konzumentov prvého a druhého rádu. Mŕtve telá organizmov rozkladajú reducenti.
Živiny prijíma bunka v podobe anorganických látok, ak je autotrofná alebo v podobe sacharidov, bielkovín, tukov a iných menších molekúl, ak je heterotrofná. Rozkladom získa energiu a látky pre biosyntézu podľa vlastných potrieb.
Prestavba látok sa uskutočňuje v cytoplazme alebo na membránach organel za účasti enzýmov. Miestom intenzívnej syntézy a prestavby látok je Golgiho aparát.
Vylúčenie nepotrebných vedľajších produktov metabolizmu je prirodzenou vlastnosťou buniek. Zbavujú sa ich exkréciou. Rastlinné bunky ukladajú látky aj do vakuol ako zásoby alebo toxíny ktoré by spúšťali v bunke nežiadúce procesy.
Organizmy sa zapájajú do obehu látok v prírode ako súčasť potravných reťazcov spotrebou živín a produkciou vlastných, často aj jedinečných metabolitov.
Baktérie sú prokaryotické bunky bez vnútorných membrán. V strede bunky je dlhá kruhová DNA a v cytoplazme krátke kruhy DNA, plazmidy. Šíria sa z bunky do bunky pri konjugácii. Patogénne baktérie spôsobujú podobné ochorenia ako vírusy.
Archeóny sú stará prokaryotická evolučná vetva. Ich bunky sa podobajú bakteriálnym, no procesy a enzýmy replikácie a translácie sú rovnaké ako v eukaryotických bunkách. Jedinečná stavba fosfolipidov bunkovej membrány im umožňuje žiť aj v extrémnych podmienkach. Sú nepatogénne.
Eukaryotickú bunku funkčne členia vnútorné membrány. Obklopujú aj jadro s DNA. Jednobunkovce majú autonómnu bunku, plní všetky životné funkcie. Mnohobunkové organizmy majú diferencované bunky, spojené do tkanív, pletív a orgánov.
Nebunkový život sa viaže na živú bunku. Vírus je aktívny len v hostiteľskej bunke. Napojí sa na jej genetický aparát a metabolizmus, rozmnoží sa a bunku opustí. Často sa to prejaví ako infekčné ochorenie. Jednoduchšie viroidy vnikajú do buniek rastlín a baktérií.
Život sa podľa najnovších poznatkov o štruktúre buniek dá rozdeliť do troch domén: Bacteria, Archaea a Eukaryota.
Medzibunková komunikácia funguje pri priamom kontakte buniek cez membránové kanály. Bez priameho kontaktu sa uskutočňuje pomocou signálnych molekúl, ktoré môžu prekonať medzibunkový priestor i väčšiu vzdialenosť medzi
bunkami. Bola dokázaná aj v prípade kvasiniek a baktérií až na vzdialenosť 1,5 cm. Vysielacia bunka vylúči signálnu molekulu, ktorá sa nazýva prvý posol alebo ligand.
Receptor na povrchu cieľovej bunky zachytí signálnu molekulu (ligand). Tvary molekúl receptor a ligand sú geneticky dané a vzájomne do seba zapadajú. Tým je zabezpečené, že receptor zachytí iba jemu určený signál.
Signálnu dráhu spustí komplex receptor-ligand. Je to kaskáda enzymatických reakcií, na konci ktorej vznikne vnútrobunková signálna molekula, tzv. druhý posol. Býva ním aj katión vápnika.
Zvýšená koncentrácia druhého posla spustí v bunke odozvu tým, že aktivuje alebo deaktivuje enzým pre určitý proces. Ak signál neprichádza, molekula druhého posla sa degraduje, spustený proces sa skončí, obnoví sa pôvodný stav.
Bunky medzi sebou komunikujú pomocou molekúl alebo iónov.
Bunka, rast a vývin sú prejavom života jedinca. Podľa bunkovej teórie najmenšou jednotkou života je bunka a nová bunka vzniká len z existujúcej, jej delením. Delením buniek jedinec zväčšuje svoju hmotnosť a rastie. Špecializáciou a diferenciáciou buniek dospieva a odovzdáva svoju genetickú informáciu ďalej potomkom, čím sa zachováva druh.
Reprodukcia a dedičnosť sú založené na zdvojení (replikácii) genetickej informácie zakódovanej v DNA. Zabezpečuje sa tak zachovanie druhu v čase, pretože umožňuje delenie buniek, rozmnožovanie, rast a opakovanie zdedenej štruktúry.
Aktívny pohyb a dráždivosť je schopnosť organizmu reagovať na vnemy z okolia alebo vnútorný podnet v záujme prežitia. Príkladom je zmena polohy (otáčanie listov k svetlu) alebo miesta (únik pred predátorom). Obranné reakcie
chránia jedinca za nepriaznivých podmienok. Migráciou v smere optima sa šíri druh v priestore.
Metabolizmus a homeostáza sú predpokladom celistvosti (integrity) a prežitia jedinca. Zahŕňajú výmenu energie a látok s prostredím, vnútorné procesy ich premeny a stabilitu vlastností vnútorného prostredia (napr. pH) aj pri kolísaní vonkajších podmienok.
Vlastnosti organizmov zabezpečujú ich prežívanie a šírenie.
Variabilita je prvým predpokladom biodiverzity. Prejavuje unikátnosťou každého jedinca ako výsledku kombinácie, výmeny a mutácií zdedených génov (genetická variabilita) a pôsobenia faktorov prostredia.
Adaptácia na prostredie je druhým predpokladom biodiverzity. Populácie organizmov, ktoré obsadia v ekosystéme uvoľnenú niku, reagujú na nové prostredie v ďalších generáciách zvýšením frekvencie znakov rozhodujúcich pre prežitie v tomto prostredí.
Evolúcia je dlhodobý proces hromadenia adaptačných genetických zmien, ktoré vedú k premene pôvodnej na novú, s genetickými predkami nekompatibilnú životnú formu.
Diverzita je prirodzeným prejavom atribútov života. Premena životných foriem ich vývoj a diferenciácia je nevyhnutným výsledkom interakcie a previazanosti organizmov so svojím
živým a neživým prostredím a genetických mechanizmov reprodukcie.
Biodiverzita je zákonitým prejavom atribútov života.
Generačná kontinuita života vyplýva zo smrteľnosti jedinca. Nositeľmi života sú stále nové generácie. Pokračovanie života istí početná a variabilná populácia, ktorá reprodukuje a šíri svoje gény v čase prostredníctvom množstva potomkov.
Otvorenosť spočíva v aktívnej výmene energie, látok a informácií s okolitým.
Živé systémy vnímajú stav prostredia a na zmenu reagujú. V priaznivých podmienkach sa adaptujú a šíria v priestore.
Previazanosť (koherencia) znamená, že zmena stavu určitého prvku systému sa okamžite prejaví inde.
Živé organizmy sa vyvíjajú v prepojení s okolím. Príkladom ich vonkajšej previazanosti je zladenie biorytmov. Podľa nových zistení vnímanie vôní či orientácia vtákov sa zakladajú na kvantovej koherencii. Vnútorná biologická previazanosť je podstatou regulačných mechanizmov a homeostázy.
Seba-organizácia je autonómne formovanie živých štruktúr a procesov. Aj spoločenstvá sa rozvíjajú podľa zdedeného vzorca kódovaného v DNA. Zmena v dostupnosti zdrojov potrebných na reprodukciu genetickej informácie vedie postupne ku genetickej diferenciácii a biodiverzite.
Atribúty života sú najvšeobecnejšie vlastnosti, ktoré ho charakterizujú, aj keby sa líšil od života na Zemi.
Voda v kvapalnom skupenstve ako polárne rozpúšťadlo je prostredím osmotických a elektrochemických procesov nevyhnutných pre premenu látok a foriem energie v bunkách. Tvorí 70 až 90 % objemu tela organizmov.
Magnetosféra udržuje nad povrchom Zeme atmosféru, ktorá chráni živé organizmy pred deštruktívnymi účinkami kozmického žiarenia. Bez atmosféry by sa vyparila a unikla aj kvapalná voda a život by zanikol.
Slnko je hlavným zdrojom energie pre živé systémy na Zemi. Rastliny zachytávajú a viažu energiu slnečného svetla do chemických väzieb organických molekúl, ktoré sú zdrojom živín a energie pre heterotrofné organizmy.
Biogénne prvky sú stavebnými jednotkami molekúl, ktoré tvoria štruktúru vírusov a všetkých živých buniek.
Organizmy sa udržujú v dynamicky rovnovážnom a organizovanom stave za stáleho prísunu energie a látok z biogénnych prvkov.
Existujú aj ďalšie podporné a ochranné faktory života napríklad priaznivá vzájomná poloha planét Slnečnej sústavy.
Štruktúrne makroelementy tvoria základ živých organizmov. Uhlík, vodík a kyslík tvoria kostru organických látok. Dusík a síra sú zložkou aminokyselín, fosfor je dôležitým prvkom nukleotidov a biologických membrán.
Ióny vápnika, draslíka, sodíka, horčíka tvoria ľahko katióny a prenášajú signály prostredníctvom zmeny elektrického gradientu na membránových rozhraniach. Sú dôležité pre
nervovo-svalovú činnosť a mnohé iné fyziologické procesy. Vápnik je nevyhnutným komponentom štruktúry kostí.
Mikroelementy sú súčasťou vitamínov, farbív, enzýmov, hormónov a iných bioaktívnych látok. Ich kvantitatívne zastúpenie závisí od danej skupiny organizmov. Z Halových prvkov Cl ako anión s fosfátovými a sulfátovými aniónmi udržiava osmotickú a acidobázickú rovnováhu.
Stopové prvky sa vyskytujú v mimoriadne malých množstvách, najčastejšie kovové prvky sú kofaktormi enzýmov. Okrem 27 prvkov života uvedených na obrázku karty sa v živých organizmoch našlo ďalších 7 s doteraz neznámou funkciou.
Život na Zemi existuje na báze chémie uhlíka.
Atómy uhlíka sa navzájom spájajú, tvoria tak základ bio-makromolekúl.
Aminokyseliny bielkovín majú na tom istom uhlíku na jednej strane aminoskupinu a na protiľahlej karboxylovú skupinu, sú t tzv. α-aminokyseliny. Za účasti enzýmu sa ľahko medzi sebou viažu. Vytvorená väzba medzi dusíkom a uhlíkom s vylúčením molekuly vody sa označuje ako peptidická väzba, pretože reťazením aminokyselín takto vznikajú v bunke peptidy.
V prírode je 20 aminokyselín, ktoré tvoria v bunke proteíny. Niektoré z nich sú esenciálne, organizmy ich získavajú len z potravy, iné sú v potrave nahraditeľné, pretože si ich organizmus dokáže tvoriť. Aminokyselina cysteín obsahuje síru. V selenocysteíne ju nahradil selén. Novšie sa priraďuje aj pyrolyzín PYL, obe sa vyskytujú zriedkavo.
Vlastnosti aminokyselín závisia od typu postranného reťazca. Môžu byť hydrofilné a hydrofóbne, kyslé alebo zásadité, polárne a nepolárne. Od iných proteinogénnych aminokyselín sa líši prolín – aminoskupina tvorí s postranným reťazcom kruh.
Konfigurácia aminokyselín je chirálna, ich molekula nie je totožná so svojím zrkadlovým obrazom ale môže byť pravá alebo ľavá. Všetky aminokyseliny bielkovín majú L-konfiguráciu, teda aminoskupina je na chirálnom uhlíku vľavo.
Bielkoviny vznikajú spájaním aminokyselín podľa genetického kódu, poradia tripletov dusíkatých báz, ktoré ich v NK kódujú.
DNA – deoxyribonukleová kyselina je stabilná dvojvláknová špirálovitá makromolekula (α-helix). Tvoria ju nukleotidy zložené z dusíkatej bázy (adenín, guanín, cytozín alebo tymín), deoxyribózy a fosfátu. Vlákna vzájomne spájajú vodíkové mostíky komplementárnych báz C-G (G-C) a A-T (T-A).
RNA – ribonukleová kyselina je jednovláknová, jej nukleotidy namiesto deoxyribózy však obsahujú ribózu a štvrtou bázou nie je tymín, ale uracil. V bunke je niekoľko druhov RNA s rôznou funkciou a typickou druhotnou štruktúrou. Najznámejšie sú mesendžerová mRNA, ribozómová rRNA a transferová tRNA.
ATP – adenozíntrifosfát je univerzálnym nosičom energie. Tvorí sa hlavne v mitochondriách dýchaním a v chloroplastoch fotosyntézou. Ribózové nukleotidy adenínu spoľahlivo uložia disponibilnú energiu do vysokoenergetickej (makroergickej) väzby fosfátových skupín za vzniku ATP. Analogické ale metabolizme zriedkavejšie sú GTP, UTP a CTP.
ATP odovzdáva energiu tak, že sa zmení postupne na adenozín difosfát (ADP) a na východiskový adenozín monofosfát (AMP). Z makroergických väzieb uvoľní a spotrebuje energia pre metabolické procesy bunky.
Nukleotidy sú jednotkami jazyka genetickej informácie a ako prenášače energie sú zapojené do premeny látok v bunkách.