J^S? ska

CIP - Kataložni zapis o publikaciji
Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana

576.3(075.8)

ŠTRUS, Jasna

Biologija živalske celice / Jasna Štrus, Rok Kostanjšek. -Ljubljana : Študentska
založba, 2008. - (Knjižna zbirka Scripta / Študentska založba)

ISBN 978-961-242-179-2
1. Kostanjšek, Rok
239637760

Knjižna zbirka

Odgovorni urednik:

Boštjan Resinovič

scripta

Izdajatelj:

Študentska založba .

?£o“, jkštudentska

tel: (01) 2510-332 'v  dZaiOZba

fax: (01)2522-618

http://www.studentskazalozba.si

Za založbo:

Igor Brlek

Ustanovitelj Študentske založbe je
Študentska organizacija Univerze v Ljubljani

V IJUBIJANI

Recenzenti:
doc. dr. Peter Veranič
doc. dr. Marjanca Starčič Erjavec
doc. dr. Peter Stušek

Lektorica:

Milanka Trušnovec

Računalniško oblikovanje:
Jana Kuharič

Naslovnica:

Bojan Senjur

Tisk:

Ulčakar & JK
Ljubljana, 2008

© Študentska založba, 2008. Vse pravice pridržane.

Brez predhodnega pisnega dovoljenja Študentske založbe je prepovedano reproduciranje,
distribuiranje, dajanje v najem, javna priobčitev, predelava ali druga uporaba tega avtorskega
dela ali njegovih delov v kakršnem koli obsegu ali postopku, vključno s fotokopiranjem,
tiskanjem, javnim interaktivnim dostopom ali shranitvijo v elektronski obliki.

Jasna Štrus,

Rok Kostanjšek

BIOLOGIJA
ŽIVALSKE CELICE

s c ript a


"rr

VSEBINA

Zahvala 7

Uvod 9

1. Biologija celice, znanost o življenju celice 11

1.1 Kaj je življenje? 13

1.2 Deset zapovedi za razlikovanje živega od neživega 15

1.3 Kemijska zgradba celic 20

1.4 Prve celice - protobionti 22

1.5 Prokariontska in evkariontska celica 23

1.6 Živalska celica kot enocelični organizem ali gradbena

enota večceličarjev 27

2. Biološka membrana in transport snovi 30

2.1 Zgradba plazmaleme in endomembran 31

2.2 Transport skozi membrano 33

2.3 Diferenciacije celične membrane 36

2.4 Vzdražne lastnosti membran 39

2.5 Membranski receptorji 40

3. Celični organeli in njihove funkcionalne povezave 42

3.1 Notranje celično okolje; kemijska sestava citoplazme 42

3.2 Jedro; informacijski in regulacijski center celice 45

3.3 Mitohondriji; celične elektrarne 47

3.4 Peroksisomi; center celičnih oksidacij in razstrupljanja 49

3.5 Endoplazemski retikulum; proizvodnja proteinov in

lipidov, logistični in transportni center celice 50

3.6 Golgijev aparat; procesiranje in razvrščanje celičnih

produktov 52

3.7 Lizosomi; prebavni centri celice 53

3.8 Endocitoza in eksocitoza; transport snovi z vezikli 55

4. Presnova in energijski procesi v celici 57

4.1 Procesi presnove, delovanje encimov in vitaminov 57

4.2 Presnova ogljikovih hidratov, maščob in beljakovin 59

4.3 Proizvodnja energije v mitohondrijih 63

4.4 Biosintetski procesi v celici 65

5. Celično ogrodje in gibljivost celic 66

5.1 Zgradba in funkcija citoskeleta 66

5.2 Intermediarni filamenti 68

5.3 Mikrotubuli 69

5.4 Mikrofilamenti 72

6. Dednost in pretok genetske informacije 76

6.1 Nukleinske kisline, geni in genom 76

6.2 Izražanje genske informacije (ekspresija genov) 81

6.3 Regulacija sinteze beljakovin 87

6.4 Replikacija, mutacije in popravljanje DNA 89

6.5 Rekombinantna DNA in genski inženiring 92

7. Razmnoževanje celic 94

7.1 Celični cikel 94

7.2 Mitoza 95

7.3 Mejoza 99

7.4 Regulacija celičnega cikla 101

7.5 Celična smrt 102

7.6. Matične celice 103

8. Celično sporočanje; komuniciranje med celicami in

okoljem 105

8.1 Delovanje sporočilnih molekul 105

8.2 Vezava sporočilnih molekul na receptorje 107

8.3 Transdukcija; pretvorba informacij na membrani v

znotrajcelična sporočila 108

8.4 Celični odziv in regulacija celične aktivnosti 111

Literatura 112

ZAHVALA

Kot študentko prvega letnika biologije me je pred tridesetimi
leti v svet živali popeljal prof. Janez Matjašič. Z zanimivimi in
slikovitimi predavanji nas je vodil »iz življenja najmanjših« v svet
velikanov. Po diplomi sem kot asistentka pri vajah iz splošne zoo¬
logije pridobivala znanje ob delu s študenti in pogovorih z men¬
torjem, predavateljem splošne zoologije prof. Pavlom Ličarjem.
Z nazornimi, preglednimi in duhovitimi predavanji je navduševal
številne generacije biologov. Ko sem pred desetimi leti prevzela
predmet Splošna zoologija, sem se zavedla, da je naslediti tako
dobra predavatelja zelo težavna naloga.

Z dobro osnovo, vzornimi zgledi in veliko vzpodbude z vese¬
ljem nadaljujem njuno delo.

Izkušnje pridobivam tudi v stiku s predavatelji v tujini. Prof.
Volker Storch predava zoologijo na Univerzi v Heidelbergu v
Nemčiji. Je avtor številnih priznanih učbenikov s področja splošne
in sistematske zoologije. Z njim sodelujem že vrsto let. Hvaležna
sem mu za številne pogovore in razprave o tem, kako se napiše
učbenik. Večji del učbenika sem napisala med študijskim obiskom
Zoološkega inštituta Univerze v Heidelbergu, s finančno podporo
štipendije programa Socrates-Erasmus.

Z uvedbo triletnega prvostopenjskega programa Biologija na
Biotehniški fakultetei UL smo predmet Splošna zoologija razdelili
v dva semestrska predmeta. Predmet Biologija živalske celice in
histologija obsega področje biologije živalske celice in zgradbe
ter delovanja tkiv živali. Poglavje biologije celice iz učbenika Splo¬
šna zoologija je tako razširjeno in predstavljeno v novem učbeni¬
ku z naslovom BIOLOGIJA ŽIVALSKE CELICE. Dodani sta sodobni
poglavji iz molekulske biologije in razmnoževanja celice, ki jih
je pripravil doc. Rok Kostanjšek. Posodobljena so tudi poglavja
o celičnih organelih, zgradbi in delovanju membran in celičnem
sporočanju. Slikovno gradivo je v pretežni meri ohranjeno iz
predhodnega učbenika, dodane so avtorske mikrografije celične
ultrastrukture in prirejene nekatere sheme iz temeljnih učbenikov
s področja biologije celice.

Jasna Štrus

Avtorja se zahvaljujeva sodelavkama Nadi Žnidaršič in Mag¬
di Tušek - Žnidarič za kakovostne ultrastrukturne posnetke. So¬
delavcema Luki Malenšku z Oddelka za biologijo in Giseli Adam
z Zoološkega inštituta Univerze v Heidelbergu iskrena hvala za
vztrajno in učinkovito podporo pri pripravi slikovnega gradiva.
Hvala recenzentom za pripombe in razprave. Hvala generaci¬
jam študentov, ki naju spremljajo od leta 1977 oziroma 1997 in
usmerjajo najino zanimanje za poučevanje biologije. Hvala tudi
vsem najinim za podporo in razumevanje.

Ljubljana, 2008

Avtorja

7
















































UVOD

Skripta vsebujejo zgoščeno vsebino predavanj iz biologije ži¬
valske celice in so namenjena študentom, ki začenjajo študij na
različnih področjih naravoslovja, predvsem biologom, bodočim
učiteljem biologije in kemije, biotehnologom, živilskim tehnolo¬
gom in biokemikom. Namen skript je kratka predstavitev zgrad¬
be in delovanja živalske celice kot samostojne biološke enote in
povezav celic v njihovem socialnem okolju. Vsebina poglavij je
zgoščena in je izhodišče za poglobljen študij iz dodatnih virov,
predvsem iz učbenikov s področja celične biologije. Slikovno gra¬
divo je omejeno, saj je obsežno gradivo dostopno v navedenih
virih in preko spletnih knjižnic. Vsebina je razdeljena na osem
poglavij:

- v prvem poglavju je na kratko predstavljen razvoj celične
biologije in njen pomen za razumevanje osnovnih življenj¬
skih procesov in nastanka življenja, z vso pestrostjo oblik in
funkcij. Predstavljeni so osnovni tipi celic, njihove podobno¬
sti in razlike;

- v drugem poglavju avtorja obravnavava zgradbo celičnih
membran, izmenjavo snovi med celicami in okoljem ter
osnovne mehanizme celične vzdražnosti;

- tretje poglavje vsebuje osnovna dejstva o zgradbi in delo¬
vanju živalske celice, vlogo jedra in celičnih organelov za
normalno delovanje celice;

- četrto poglavje obravnava celični metabolizem in energijske
procese v celici;

- v petem poglavju je predstavljen citoskelet v povezavi s ce¬
ličnim gibanjem, razporejanjem celičnih organelov in vzdr¬
ževanjem celične oblike;

- v šestem poglavju je predstavljeno ključno biološko vpraša¬
nje o tem, kako celica shranjuje, uporablja in prenaša dedne
informacije;

- v sedmem poglavju obravnavava osnovne procese celičnega
razmnoževanja in regulacijo celičnega ciklusa, celično smrt
in matične celice;

- osmo poglavje zajema komunikacijo in sporočanje med celi¬
cami in okoljem.

Namen skript je predstavitev osnovnih konceptov v celični
biologiji, ki so ključni za razumevanje delovanja organizmov. V
vsakem poglavju je vključen kratek odstavek z naslovom “KAJ JE
NOVEGA BRUCKI". Z vprašanji v odstavku želiva vzbuditi zanima¬
nje za študij in usmeriti študente v iskanje aktualnosti in zanimi¬
vih tem s področja celične biologije v dodatnih študijskih virih.
Študirati pomeni iskati znanje kjerkoli: na predavanjih, v razpra¬
vah s kolegi, v knjižnicah, revijah, v laboratoriju, predvsem pa v
naravi, ki je naše primarno okolje. Ko se porodijo vprašanja, se
študij začne, odprejo se nove razsežnosti misli in idej, ki vodijo
do novih odkrivanj in spoznanj. Motiv in radovednost sta gonilni

9

sili v raziskovanju in spoznavanju. Učitelj in študent sodelujeta
v teh procesih in pomembno je, da se oba zavedata, da je glavni
namen študija kakovostno znanje, ki omogoča ustvarjalnost. Če
bodo skripta kakorkoli prispevala k lažjemu študiju, bo najin na¬
men dosežen. Kjer je volja, je tudi pot!

Avtorja

10

PRVO POGLAVJE

BIOLOGIJA CELICE,
ZNANOST O ŽIVLJENJU
CELICE

Fosilov, ki bi potrdili obstoj prvih celic, ne poznamo. Umetne¬
ga življenja še ne znamo ustvariti v laboratoriju, lahko pa simu¬
liramo nekatere procese, ki vzdržujejo življenje. S pomočjo fosi¬
lov, primerjalne biologije in sodobne paleontologije smo uspeli
rekonstruirati zgodnjo evolucijo živega. Stromatoliti so slojevite
združbe mikroorganizmov, podobni današnjim cianobakterijam,
ki pričajo o prvih prebivalcih planeta. Primerjalne biološke študije
temeljijo predvsem na primerjavi podobnosti zaporedij DNA, bio¬
kemijske in strukturne analize pa jih dopolnjujejo.

Novejši izsledki kažejo, da so prvi organizmi živeli v ekstre¬
mnih okoljih. Poznavanje ekstremofilnih organizmov je velikega
pomena za razumevanje nastanka življenja. S simulacijo razmer
skušajo astrobiologi ugotoviti, v kakšnih razmerah so živela prva
bitja na zemlji in v vesolju in kako se življenje v vesolju ohranja.

Slika 1.1: Portret biokemika Alexandra Ivanoviča Oparina
(1894-1980), očeta teorije o izvoru življenja na zemlji (Hut-
chinson Dictionary of Scientific Biography, Helicon Publicati-
ons, Access Science, Mc Gravv Hill)

11

Slika 1.2: Umetniško delo Lifeorigin2, avtor Douglas Chovvn
1983, Holland (http://www.daviddarling.info/encyclopedia/
L/Iifeorigin.html)

»There is no fundamental difference between a Iiving organi-
sm and lifeless matter. The complex combination of manifesta-
tions and properties so characteristic of life must have arisen in
the process of the evolution of matter.« (Oparin, A. I. The Origin of
Life.  New York: Dover (1952) (prva izdajal938))

»Med živimi bitji in neživo snovjo ni bistvenih razlik. Kom¬
pleksnost pojavov in lastnosti, ki so značilne za živo, izvira iz
evolucije snovi.«

V 21. stoletju je biologija kot znanost o življenju izpostavlje¬
na novim zahtevam.

Pomembna odkritja v genetiki in na področju molekularne bio¬
logije v zadnjih desetletjih, hiter razvoj informacijskih tehnologij
in vedno večji vpliv človeka na okolje postavljajo pred biologe
vedno zahtevnejše naloge. Reševanje zapletov, ki jih povzroča
človek z nepremišljenim in nenadzorovanim delovanjem, zahteva
nova znanja in njihovo smotrno uporabo za ohranjanje ravnotež¬
ja v naravi. Poznavanje in obvladovanje naravnih zakonitosti, ra¬
zumevanje in ohranjanje življenja niso le dolžnosti in privilegiji
biologov, pač pa dolžnost vsakega človeka, ki v tem trenutku biva
na zemlji. Biologija skuša odgovoriti na zelo preprosto vprašanje
»Kako deluje življenje?«. Odgovor še zdaleč ni preprost. Iščejo ga

12

raziskovalci v številnih vedah in panogah, ki z načrtovanimi in po¬
novljivimi poskusi preverjajo svoje predpostavke in z ugotovitva¬
mi prispevajo kamenčke in bisere v kraljestvo znanj o življenju.
Odgovor na vprašanje, kaj je življenje in kako delujejo živa bitja,
lahko poiščemo s pogledom v celico.

»The key to ali ultimate biological problems must, in the last
analysis, be sought in the celi.« (VVilson, E. B. The Celi in Develo-
pment and Heredity. 3rd ed. New York: The Macmillan Company;
1925)

»Ključ do vsakega biološkega vprašanja je na koncu treba is¬
kati v celici.«

POMEMBNA ODKRITJA NA PODROČJU KLASIČNE CITOLOGIJE

Hooke (1665) je prvi uporabil izraz celica, opisal je pluto
(Micrographia).

Purkyne (1837) je definiral protoplazmo (»protoplast je celič¬
no telo«).

Schleiden, Schvvann (1839) sta postavila celično teorijo (»celi¬
ca je temeljna enota organizmov«).

Virchovv (185 5) je potrdil, daje celica osnova življenja (»omnis
cellula e cellula«).

Flemming (1879) je opisal živalske kromosome med mitozo.

Chatton (1937) je razlikoval med prokariontsko in evkariont-
sko celico.

Gey (1951) je vzgojil prve človeške celice v kulturi (celice
HeLa).

Miller - Urey (1953) sta izvedla laboratorijski poskus nastanka
organskih snovi - simulacija kemijske evolucije.

1.1 KAJ JE ŽIVLJENJE?

Pojmovanje življenja se je spreminjalo s časom in prav tako
tudi odnos do biologije. Do začetka 20. stoletja je prevladoval vi¬
talistični pogled na življenje. Vitalizem (animizem) je vse pojave
povezoval z neko nadnaravno »vitalno silo«, ki biva v organizmu
in usmerja njegovo delovanje. Že nekateri grški in tudi drugi fi¬
lozofi (Aristotel, Descartes) so zagovarjali mehanicistični princip
nastanka življenja, ki življenje razlaga s fizikalnimi in kemijskimi
zakoni. Ta pogled je v začetku 20. stoletja razvil in dopolnil nem¬
ški biolog Jacques Loeb, ki je s poskusi na jajčecih morskih ježkov
pokazal, da lahko z ustreznimi kemijskimi snovmi sproži embrio¬
nalni razvoj organizma iz ene same celice. Bil je celo prepričan, da
je življenje možno ustvariti v laboratoriju. S ponovnim odkritjem
Mendlovih zakonov so mehanicisti našli podporo za svoje trditve,
namreč da dednost usmerjajo molekule. Rezultati dela znanstve¬
nikov 19. stoletja, kot so Darvvin, Pasteur, Mendel idr., so osnova
za raziskave v biologiji današnjega časa. Začetek molekularne bi¬
ologije sega v leto 1953, ko sta VVatson in Crick predstavila model

13

dvojne vijačnice DNA in s tem postavila fizikalno osnovo za Men-
dlove gene, temeljne enote, na katere deluje naravna selekcija.
Od tu naprej štejemo obdobje sodobne biologije, ki v raziskave s
področij sistematike, anatomije, fiziologije, ekologije, evolucije in
drugih vključuje novejša dognanja s področja molekularne biolo¬
gije. Odkritju strukture DNA je sledilo obdobje hitrega razvoja na
področju genetike, dešifriranje univerzalnega genskega koda, se-
kveniranje genomov številnih organizmov, poznavanje regulacije
izražanja genov, razumevanje imunskega sistema in manipulacije
genskega materiala. Raziskave na področju molekularne biologi¬
je so omogočile razumevanje kemijske narave raznolikosti, ki je
osnova za naravno selekcijo, poznavanje delovanja fizioloških sis¬
temov in nenazadnje tudi razumevanje zakonitosti v ekologiji ter
reševanje problemov, ki jih povzročajo nenadzorovani posegi v
okolje.

Če torej skušamo odgovoriti na zastavljeno vprašanje, kaj je
življenje, je odgovor lahko zelo preprost ali pa skrajno zapleten.
Racionalist lahko življenje definira kot lastnost, ki loči živo od ne¬
živega. Kreacionist ga definira kot lastnost, ki je božji dar. Idealist
vidi življenje kot idealno priložnost ...

Fizik in kemik življenje definirata, kot rezultat fizikalnih in
kemijskih procesov, ki potekajo v celicah (primera: Zubay, Ori-
gins of Life, 2000: »Živa bitja so visoko organizirani kemijski
sistemi«, Schrodinger 1944: »Živa bitja so sistemi, ki jih vzdr¬
žuje dednost in termodinamski zakoni«).

Molekularni biolog lahko življenje definira kot delovanje kom¬
pleksnih molekularnih strojev, ki jih nadzorujejo geni, v kate¬
rih je zgodovinski zapis vrste (Godvvin, 1995).

Celični biolog življenje definira kot celični organizem s kom¬
pleksno kemijsko zgradbo in z univerzalno informacijo, sku¬
pno vsem živim bitjem, ki so se razvila iz »pracelice«, ki je
živela pred več kot tremi milijardami let (Alberts et al. 2004).

Integrativni biolog primerja živo z neživim in ugotavlja, kate¬
re lastnosti so skupne vsem živim organizmom od bakterije
do človeka in kako na vse to deluje evolucija.

Zelo enostavna definicija življenja, ki vključuje tudi viruse in
druge genetske elemente (npr. plazmide), je nasledstvo z mo¬
difikacijo (descent vvith modification), to je sposobnost živega,
da ustvarja potomstvo, ki je podobno staršem, z možnostjo
priložnostnih variacij.

14

1.2. DESET (ZA)POVEDI ZA
RAZLIKOVANJE ŽIVEGA OD NEŽIVEGA

Živa bitja so kompleksni, visoko organizirani sistemi, zgrajeni
iz celic  (sl. 1.3a, b).

Robert Hooke

Micrographia or Some Physio/ogica/
Descriptions of Minute Bociies  (1665)

Scbc.nv.Xl.

Slika 1.3: Rastlinske in živalske celice, a) Robert Hooke 1665,
faksimile dela Micrographia, s posnetkom celičnih sten celic,
ki tvorijo pluto (reprodukcija Smithsonian Institute, 1995);
b) površina epitelnih celic v prebavilu rakov enakonožcev

Živa bitja
organizmu (sl. 1.4)

tako, da se povečuje količina žive snovi v

15

Slika 1.4: Grafična risba mladiča in odraslega medveda
(Robert Savannah, U.S. Fish and VVildlife Service, http://ima-
ges.fws.gov)

Živa bitja se z razvojem  spreminjajo (sl. 1.5).

Francesco Redi

Esperienze intorno af/agenerazione deglinsetti  (1688)
[Experiments on the generation of insects}

3 %  A.

Slika l.S: Francesco Redi 1688, faksimile dela Esperienze in-
torno alla generazione degFinsetti, s prikazom razvoja žužel¬
ke (reprodukcija Smithsonian Institution, 1995)

Živa bitja presnavljajo , v njih poteka serija kemijskih reakcij
razgradnje (disimilacije) in sinteze (asimilacije) s pretvorbo ener¬
gije (sl. 1.6).

16

Slika 1.6: Omrežje okrog 500 kemijskih reakcij, ki potekajo
med presnovo (povzeto po Alberts et al., Molecular Biology of
the Celi, 2002)

Živa bitja imajo regulacijsko sposobnost ohranjanja stalnosti
notranjega okolja - homeostazo (sl. 1.7).


Slika 1.7: Homeostaza? Leif Saul: Biology Cartoons: Home-
ostasis (1998), http://www.easternct.edu/personal/faculty/
saull/sect9/resous9/cartos9/homeos9.html

17

Živa bitja so gibljiva (sl. 1.8) .

Slika 1.8: Ameba se giblje s psevdopodiji.

(http://www.microscopyu.com/galleries/dxml200/amoeba-

large.html)

Živa bitja se odzivajo na dražljaje, pravimo, da so vzdražna
(sl-91.

Slika 1.9: Mesojeda rastlina z ujeto žuželko, Richard Rauh,

(http://www.science-art.com/image.asp?id=55&pagename=Su

ndew_capturing_insect)

Živa bitja se razmnožujejo (sl. 1.10) .

Slika 1.10: Grafična risba družine oposumov (Robert Savan-
nah, U.S. Fish and VVildlife Service, http://images.fws.gov)

Živa bitja imajo genski program , ki usmerja zgradbo, presno¬
vo in razmnoževanje in se spreminja z evolucijo (sl. 1.11).

■'

Slika 1.11: Vloga teorije v biologiji, Fuller Nicolle Rager,

(http://www.science-art.com/image.asp?id=3383&pagename=

Theorys_Role_in_Biology)

19

Živa bitja evoluirajo,  se spreminjajo v generacijah (sl. 1.12).

Slika 1.12: Prikaz razvoja živih bitij:

Aristotel: the “steps of nature”, or the “hierarchy of nature”

(http://www.tparents.org/Library/Unification/Books/

EvolTheo/EvolTheo-Ol.htm);

drevo življenja (povzeto po Brown T., Genomes 3, 2006)

Vsa živa bitja imajo naštete lastnosti, a jih je težko razvrstiti
po pomembnosti za definicijo življenja. Neživo ima lahko katero
od navedenih lastnosti, vendar ne vseh hkrati.

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Kako bi definirali življenje? Kam bi uvrstili viruse in pri¬
one? Poiščite nekaj virov, ki govorijo v prid življenju na
drugih planetih. Od kod življenje na Zemlji? Ugotovite,
kakšna kemijska spojina je PNA, in jo primerjajte z DNA.
Razloži Oparinovo teorijo o nastanku življenja na zemlji.
Kaj je dokazal Miller s poskusi simulacije kemijske evo¬
lucije?

1.3 KEMIJSKA ZGRADBA CELIC

Vsa živa bitja imajo celično zgradbo. Molekularna biologija
celice proučuje procese v celici predvsem z vidika kemijskih in
fizikalnih reakcij, ki potekajo na subceličnem nivoju. Celice so iz
vode, organskih molekul in anorganskih snovi. Snovi, ki jih tvo-

20

rijo živi organizmi, imenujemo biokemijske substance. Snovi, ki
nastajajo med celično presnovo, so metaboliti.

Enostavne molekule

Osnovni elementi, ki gradijo živo snov, so C, O, N, H, ki se na
različne načine povezujejo v enostavne molekule, gradnike kom¬
pleksnih organskih spojin.

Enostavni ogljikovi hidrati s strukturno formulo C n (H 2 0) n
so osnovna hrana celice, vir energije (glukoza) in gradniki (ribo-
za, deoksiriboza) kompleksnih makromolekul. Vezani na proteine
so lahko signalne molekule in označevalci za razpoznavanje med
molekulami.

Maščobne kisline gradijo lipide, so vir energije, pomembna
sestavina fosfolipidnih membran in sporočilne molekule.

Aminokisline so gradniki beljakovin in pomembne puferske
spojine. Beljakovine gradi 20 osnovnih aminokislin, ki jih lahko
razdelimo v štiri skupine, glede na lastnosti stranskih verig: nepo-
larne (10), polarne (5), bazične (3) in kisle (2) aminokisline. Nukle¬
otidi so gradniki nukleinskih kislin, energijsko bogatih spojin in
koencimov. Nukleotidi so pomembni v procesih bioloških oksida¬
cij kot skladišča energije, ki jo celica potrebuje za delovanje (ATP,
GTP, CTP, TTP, UTP). Pomembni so tudi kot koencimi pri prenaša¬
nju elektronov in protonov v oksi-redoks reakcijah (nikotinamid
dinukleotid NAD, nikotinamid dinukleotid fosfat NADP in flavin
adenin dinukleotid FAD).

Kompleksne molekule

Enostavni ogljikovi hidrati se z O-glikozidno vezjo povezujejo
v di- in polisaharide. Škrob in glikogen sta polimera glukoze in
pomembni rezervni substanci rastlin in živali. Celuloza in hitin
sta osnovna strukturna polisaharida. Sladkorji se lahko povežejo
s proteini in tvorijo glikoproteine, ki pokrivajo zunanje celič¬
ne površine, medtem ko proteoglikani sestavljajo medceličnino
(glikozaminoglikani, npr. heparin) in so pomembne signalne mo¬
lekule v celici. Pomembni celični glikoproteini so lektini, ki prepo¬
znavajo specifične snovi, ki vsebujejo ogljikove hidrate. Pogosti
so v hemolimfi, v izločkih in plazmalemi. Fibronektini so glikopro¬
teini, ki so pogosti v telesnih tekočinah, vezivu in bazalni lamini.
Pomembni so za povezavo celic in izvenceličnega matriksa.

Maščobne kisline in glicerol sestavljajo trigliceride, nevtral¬
ne maščobe, ki so zelo ekonomičen vir energije v celici (dvakrat
več energije na gram kot ogljikovi hidrati). Fosfolipidi, sfingo-
lipidi in holesterol so gradniki celičnih membran. Fosfolipidi so
iz glicerola, dveh maščobnih kislin in aminoalkohola s fosfatno
skupino. Alkohol je lahko holin, etanolamin ali inozitol, nekateri
fosfolipidi pa vsebujejo aminokislino serin. Sfingolipidi, ki so po¬
gosti v membranah živčnih celic (sfingomielin), imajo sfingozin
namesto glicerola. Karotenoidi so pomembni rastlinski pigmenti
in predhodniki vitamina A. Steroidi so signalne molekule, hormo¬
ni in gradniki membran (holesterol).

Aminokisline se s peptidno vezjo povezujejo v polipeptide.
Beljakovine so polipeptidi, ki so na specifičen način zviti v prosto-

21

ru. Primarno zgradbo proteina določa zaporedje aminokislin, ki
ga gradijo. Sekundarna zgradba proteina nastane zaradi vodikovih
vezi med določenimi odseki polipeptidne verige in je lahko v obli¬
ki vijačnice alfa ali beta nagubanega lista. Zaradi interakcij med
stranskimi verigami aminokislin se funkcionalna področja prote¬
ina (domene) z različno sekundarno zgradbo z linearnimi odseki
povezujejo v značilno konformacijo. To je terciarna zgradba pro¬
teina. V celici so prisotni pomožni proteini molekularni šaperoni,
ki omogočajo specifično zvijanje proteinov v celicah. Beljakovi¬
ne s kvartarno zgradbo (npr. hemoglobin) so iz več polipeptidnih
podenot. Beljakovine so osnovni strukturni elementi v celicah,
transportne molekule, encimi, receptorji, hormoni in protitelesa.
Celoten arzenal proteinov, ki nastaja v organizmu, imenujemo
proteom. Dejavnost, ki se ukvarja z raziskavami celičnih ali tkiv¬
nih proteinov, se imenuje proteomika.

Nukleotidi so iz dušikove baze (purini: adenin in gvanin, pi-
rimidini: citozin in timin/uracil), sladkorja (riboza, deoksiriboza)
in fosfatne skupine. Nukleotidi se povezujejo v nukleinske ki¬
sline s 5 '-3' fosfodiestrsko vezjo. Nukleinske kisline so informa¬
cijske molekule, informacija je kodirana v specifičnem zaporedju
nukleotidov. Nukleinske kisline sodelujejo pri sintezi beljakovin
kot nosilke dednih zasnov (DNA), prenašalke informacij (mRNA) in
aminokislin (tRNA) ter sestavine ribosomov (rRNA).

V celici stalno potekajo procesi razgradnje kompleksnih snovi
v osnovne gradnike (katabolizem) in sinteza kompleksnih snovi
iz osnovnih enot (anabolizem). Energija, ki se sprošča pri razgra¬
dnji (oksidaciji), se veže v energijsko bogate spojine v sklopljenih
reakcijah in se porablja pri biosintezi. Snovi se v živih sistemih
stalno spreminjajo, na primer ogljik v procesu dihanja prehaja
iz reducirane oblike (glukoza) v oksidirano (ogljikov dioksid) in
obratno pri fotosintezi.

1.4 PRVE CELICE - PROTOBIONTI

Organske molekule, enostavni sladkorji, aminokisline in nu¬
kleotidi, ki so osnova živega, so nastajale v pramorju pred tre¬
mi milijardami let v atmosferi, ki je verjetno vsebovala metan,
ogljikov dioksid, amoniak in vodno paro (teoriji Oparin, Haldane).
Energijske pretvorbe pod vplivom UV-svetlobe in razelektritev so
omogočile povezave enostavnih molekul v makromolekule, ki so
jih obdale lipidne membrane in jih tako ločile od vodnega okolja.
Manjše molekule (hranila) so prehajale skozi lipidni ovoj in prina¬
šale atome ter energijo. To so bili protobionti (sl. 1.13). Obdržali
so se le tisti, ki so vsebovali informacije za identično replikacijo,
torej nukleinske kisline. Protobiont z osnovnimi značilnostmi ži¬
vljenja je torej skupek molekul, obdanih z lipidno membrano, ki
izmenjuje snovi in energijo z okoljem in se lahko replicira. Prvi bi-
onti so verjetno izkoriščali nukleinske kisline kot encime za pro¬
dukcijo beljakovin. Tako so nastajale kompleksne celične struktu¬
re. Prve celice so verjetno nastale pred dvema milijardama let.

22

MIKROSFERE

MEMBRANSKE

VGREZNUVE

Slika 1.13: Shematski prikaz protobionta (Nasif Nahle, http://
biocab.org/Protobiont.htmI)

1.5 PROKARIONTSKA IN EVKARIONTSKA
CELICA

Živa bitja, od preprostih enoceličarjev do kompleksno zgraje¬
nih večceličarjev, so iz celic, gradbenih in funkcionalnih enot or¬
ganizmov. Morfološka raznolikost večceličarjev je rezultat celične
diferenciacije in povezav celic v tkiva ter organe.

Celice so odprti sistemi, ki izmenjujejo snovi, energijo in in¬
formacije z okoljem, pri tem pa ohranjajo v svoji notranjosti čim¬
bolj stalne razmere, homeostazo. V razvoju sta se pojavila dva
tipa celic, prokariontske in evkariontske. Bakterijska celica je
prokariontska ali protocita (sl. 1.14), celice praživali, gliv, rastlin
in živali so evkariontske celice ali evcite (sl. 1.15). Celična snov
evkariontskih celic je diferencirana v jedro (nucleus) in cito¬
plazmo, ki je iz citosola, citoskeleta in celičnih organelov.
Živalska celica je obdana s plazmalemo, celično membrano, ki je
pogosto pokrita z izločki (kutikulo, sluzjo). Celice gliv in rastlin
imajo hitinsko ali celulozno celično steno, ki vzdržuje trdnost in
obliko celice. Bakterijske celice so obdane s celično steno iz pep-
tiaoglikanov, imajo zrnato citoplazmo, so brez organelov in jedra.
Dedni material je krožna molekula DNA (nukleotid, kromosom).
Bistvene razlike v zgradbi in delovanju celic pro- in evkariontov
so prikazane v preglednici 1. Strukturna kompleksnost evkariont¬
ske celice v primerjavi s prokariontsko omogoča večjo funkcio¬
nalnost, povezano z delitvijo dela, kar je bila verjetno osnova za
razvoj pravih večceličarjev.

23

KAPSULA

STENA

DNK

PLAZMALEMA

ZNOTRAJCELIČNI
VKUUČKI

Slika 1.14: Zgradba prokariontske celice. Osnovne strukture
v bakterijski celici. Na levi strani črtkane linije je s kapsulo
obdana paličasta bakterija, na desni pa bakterija z bički in pili
(Štrus, Splošna zoologija, 1999)

Slika 1.15: Zgradba živalske celice (Štrus, Splošna zoologija,
1999). Prikazana je ultrastruktura celice, kot je vidna s transmi-
sijskim elektronskim mikroskopom: J: jedro, Nu: nukleolus, P:
peroksisom, MT: mikrotubuli, F: filamenti, SG: sekrecijska gra-
nula, Mi: mitohondrij, C: centriola, Go: Golgijev aparat, Mp: mi-
kropinocitotski vezikli, Kv: klatrinski vezikli, AER: agranulirani
endoplazemski retikulum, MuT: multivezikularno telesce, G: gli¬
kogen, L: lizosom, GER: granulirani endoplazemski retikulum
Spodaj: različni celični organeli, vidni s svetlobnim mikrosko¬
pom: a) Granulirani endoplazemski retikulum (Nisslova zrnca)
v živčni celici, J: jedro; b) mitohondriji v epitelni celici tanke¬
ga črevesa; c) lizosomi v epitelni celici tankega črevesa;
d) Golgijev aparat in sekrecijske granule v epitelni celici pan-
kreasa

24

Preglednica 1: Značilnosti evkariontskih in prokariontskih
celic

Bakterije - strukturno preproste in biokemijsko

kompleksne prokariontske celice

Bakterije nas spremljajo v vsakdanjem življenju. Razlikuje¬
mo jih lahko po obliki, še bolje pa glede na presnovo. Podrobna
zgradba bakterij je zelo enostavna (sl. 1.161 . Razen nekaj izjem
so vse bakterije obdane s celično steno, ki jih ščiti in nadzoruje
komunikacijo z okoljem. Celična stena je iz peptidoglikanov, kar
je osnova za ločevanje bakterij s svetlobno mikroskopskimi me¬
todami, na osnovi barvanja po Gramu. S tehniko krioelektronske
mikroskopije lahko dobro razlikujemo steno Gram pozitivnih in
negativnih bakterij. Celična stena Gram pozitivne bakterije je iz
debelega sloja peptidoglikana dokaj enake debeline. Citoplazma
je homogene gostote in jo težko ločimo od DNA plazme. Gram ne¬
gativne bakterije, kot npr. Escherichia coli,  imajo večslojno celično
steno, kjer je tanek sloj peptidoglikana kovalentno vezan z zuna¬
njo membrano, ki vsebuje lipopolisharide, zasidrane v membrano
z lipidi. Bakterije imajo pogosto tudi bičke in različne pritrjeval-
ne strukture, ki omogočajo gibljivost ali interakcijo z gostiteljem.
S transmisijskim elektronskim mikroskopom lahko opazujemo
omenjene strukture, ohranitev struktur pa je odvisna od pripra¬
ve vzorca. Kljub uporabi različnih tehnik priprave je razlikovanje
bakterij zgolj na osnovi ultrastrukture zelo težavno. Z uvajanjem
imunocitokemijskih tehnik in označevanjem specifičnih molekul
s protitelesi so možnosti za biokemijsko razlikovanje bakterij bi¬
stveno večje.

25

Slika 1.16: TEM mikrografija rikecije Rickettsia slovaca,  ki se
deli v celici klopa

Kvasovke - strukturno preproste irLhiokemijsko

kompleksne evkariontske relire

Kvasovke rodu Saccharomyces so eden ključnih organizmov
v celični biologiji, predvsem v raziskavah celičnega ciklusa (sl.
1.17). V živilski industriji so nenadomestljive. Ultrastrukturne raz¬
iskave celic kvasovk z uporabo metode zamrzovanja pod visokim
pritiskom in kriosubstitucije ter vklapljanja v smolo so razkrile
podrobno zgradbo teh biokemijsko kompleksnih evkariontov. Nad
plazmalemo je celična stena iz hitina, fibrilarne strukture na zu¬
nanji površini celične stene so fimbrije iz glikoproteinov. Celično
jedro je veliko in obdano z vakuolami in maščobnimi kapljami.
Navadno je prisoten en sam velik mitohondrij, plazmalema je po¬
gosto nagubana.

Slika 1.17: TEM mikrografija kvasovke Saccharomyces cerevi-
siae

26

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Kdaj so se pojavili prvi evkarionti? Kako so nastale evkari-
ontske celice? V literaturi poišči različne razlage za nasta¬
nek rastlinske, glivne in živalske celice. V čem je prednost
evkariontov pred prokarionti?

1.6. ŽIVALSKA CELICA KOT ENOCELIČNI
ORGANIZEM ALI GRADBENA ENOTA
VEČCELIČARJEV

Praživali - strukturno in biokemijsko

kompleksne evkariontske celice

Svet s prostim očesom nevidnih enoceličarjev oživi v kapljici
vode, telesne tekočine ali koščku tkiva, ki jih opazujemo s sve¬
tlobnim mikroskopom.

Paramecija lahko opazujemo ure in ure, ne da bi se nehali
čuditi pestrosti funkcij ene same celice. Z mikroskopiranjem v
temnem polju lahko sledimo gibanju paramecija in primerjamo
tokovnice in vzorce gibanja posameznih osebkov ali opazujemo
prehranjevanje in sledimo ciklozi prebavnih vakuol. S spreminja¬
njem ozmolarnosti okoljske tekočine lahko opazujemo delovanje
kontraktilnih vakuol. In kakšen je ta svet videti z elektronskim mi¬
kroskopom? Migetalkarji so kompleksni enoceličarji s številnimi
organeli, katerih zgradba in delovanje kažeta na visoko stopnjo
celične diferenciacije (sl. 1.18). Celični korteks je iz pelikule, celič¬
ne membrane, pod katero je sistem sploščenih alveolov, migetalk,
kinetosomov, trihocist in fibrilarnih struktur. Migetalke imajo zna¬
čilno strukturo iz mikrotubulov in koordinirano delujejo v času in
prostoru. Trihociste so specializirane obrambne strukture, celični
izločki, ki nastajajo kot produkt v cisternah Golgijevega aparata.
Še bolj kompleksno je zgrajena kontraktilna vakuola paramecija.
Voda in ioni se zbirajo v centralnem kanalu, v katerega vodijo zbi¬
ralni kanali, obdani s trakovi mikrotubulov. Ob zbiralnih kanalih
je sistem kanalčkov in veziklov, ki ga označujemo kot spongiom
in je del endoplazemskega retikuluma, ki zbira vodo in produkte
presnove. Jedrni dimorfizem je značilnost migetalkarjev in makro-
nukleus ločimo od mikronukleusa že po velikosti. Makronukleus
nadzira presnovo in vzdržuje homeostazo; med konjugacijo raz¬
pade. Vsebuje številna jedrca in drobne skupke heterokromatina.
Mikronukleus je pomemben za gensko raznolikost paramecijev,
ki je rezultat konjugacije. V njem poteka zaprta mitoza, kromatin
kondenzira v zgodnji profazi, v nadaljnjih fazah pa se formira
delitveno vreteno, ki razporedi kromosome na pola znotraj jedra.
Med zaprto mitozo se jedrni ovoj ohrani. Vse te kompleksne, viso¬
ko organizirane strukture omogočajo potek raznolikih funkcij, ki
vzdržujejo homeostazo enoceličnega organizma.

27

Slika 1.18: Risba in TEM mikrografija paramecija z oznako
celičnih organelov. Pe: peristom, Ve: vestibulum, MA: makro-
nukleus, Mi: mikronukleus, Nv: prebavna vakuola, Pv: krčljiva
vakuola (avtor: Volker Storch, Kurzes Lehrbuch der Zoologie,
2005)

Večcelični organizmi, diferenciacija in povezava

celic v  tki va  in ,QEgane

V telesu večceličarjev so celice med seboj povezane na različ¬
ne načine: direktno so povezane z medceličnimi stiki, posredno
pa s proteinskimi molekulami ali z medceličnino. Celice si izme¬
njujejo sporočila in tako ohranjajo organiziranost strukture ter
preprečujejo vdor tujkov. V primeru, daje sporočanje prekinjeno,
se lahko začnejo celice nebrzdano dehti, kar pripelje do deorgani-
zacije in nastanka rakastih tkiv. Zelo nazoren primer sodelovanja
različnih tipov celic v živalskem telesu je telesna stena ožigalkar-
ja hidre (sl. 1.19), kjer so različne celice razporejene v dveh slojih
in delujejo skladno, kljub temu da opravljajo popolnoma različne
funkcije. Zunanja plast (ektoderm) je iz epitelnomišičnih celic, ki
se krčijo in ščitijo organizem, iz ožigalnih celic knidoblastov s
poudarjeno žlezno funkcijo, ki producirajo ožigalke ah knide, iz
receptorskih celic, ki zaznavajo dražljaje, in iz bazalno namešče¬
nih živčnih celic, ki prevajajo impulze. Nediferencirane vmesne
ah intersticielne celice so s citoplazemskimi mostički povezane s
knidoblasti. Notranja plast (endoderm) iz absorpcijskih krčljivih
celic z migetalkami, žleznih celic in nediferenciranih bazalnih ce¬
lic ima ključno vlogo pri presnovi in transportu snovi.

28

Slika 1.19: Shematski prikaz celične zgradbe telesne stene hi¬
dre. Epidermis ustreza integumentu, mezogleja je tanka plast
veziva, gastrodermis ima vlogo prebavila (Štrus, Splošna zoo¬
logija, 1999)

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Kdaj so se pojavili prvi večceličarji? Poišči razlage za nji¬
hov nastanek. V čem je prednost večceličnega organizma
v primerjavi z enoceličarjem? Kateri je najpreprostejši
danes živeči živalski večceličar? Ali obstajajo večcelični
kloni? V čem so prednosti in v čem slabosti takih organiz¬
mov? Poišči in citiraj vir, ki opisuje živalsko vrsto Tyran-
nonasus imperator  na sl. 1.20.

Slika 1.20: Risba živali vrste Tyrannonasus imperator

29

DRUGO POGLAVJE

BIOLOŠKA MEMBRANA IN
TRANSPORT SNOVI

Prvi opisi rastlinskih celic iz 17. stoletja obravnavajo celično
steno kot osnovno pregrado med celico in okoljem. Svvammerdam
in Leeuvvenhoek sta prva opazovala eritrocite s svetlobnim mikro¬
skopom in svoja opažanja objavila leta 1674 v reviji Philosophi-
cal Transactions of the Royal Society of London. Nageli in Cramer
sta 1855 ugotavljala, da so celice ločene od okolja z membrano,
ki ima posebne lastnosti. Na začetku 20. stoletja je mikrobiolog
Overton izvedel nekaj enostavnih poskusov, s katerimi je poka¬
zal lipidno naravo membrane. Šele z uvedbo učinkovite metode
»eritrocitnih duhkov« za pripravo membran so začeli intenzivno
raziskovati membranske proteine. Vse do danes so eritrociti ostali
ključni model za raziskave zgradbe in delovanja celične membra¬
ne (sl. 2.la, b).

Slika 2.1: a.) SEM posnetek sesalčjih eritrocitov in hemolizira-
nih celic (povzeto po Karp, Ceh and Molecular Biology, 2005)

b.) Shema prikazuje različne krvne celice: a) eritrocit; b, c, d)
levkociti; e) zgradba plazmaleme eritrocita (povzeto po Storch
V. in Welsch U., Kurzes Lehrbuch der Zoologie, 2005)

30

POMEMBNA ODKRITJA NA PODROČJU MEMBRAN

Overton, 1890: spoznal je osnovne kemijske lastnosti mem¬
brane.

Gorter in Grendel, 1925: membrana je trden lipidni dvosloj.

Davson in Danielli, 1935: model elementarne troslojne mem¬
brane (»unit membrane«),

Robertson, 1957: dvoslojna struktura membrane z elektron¬
skim mikroskopom.

De Duve, 1963: opisal endocitozo.

Singer in Nicolson, 1972: model tekočega mozaika (»fluid mo-
saic model«).

Sackman in Neher, 1991: Nobelova nagrada za uvedbo tehnike
vpete napetosti na krpici membrane (»patch clamp«).

2.1 ZGRADBA PLAZMALEME IN
ENDOMEMBRAN

Biološka membrana (mrenica, opna) obdaja celico (celična
membrana ali plazmalema) in organele evkariontov (endomem-
brane) ter omogoča prehod snovi med predelki v celici in med ce¬
lico ter okoljem. Pomembna je tudi za celično sporočanje, energij¬
ske procese, rast in gibljivost celice. Kemijska zgradba bioloških
membran je precej enotna. Membrane so od 5 do 10 nm debele
plasti iz fosfolipidov, holesterola, glikolipidov in različnih pro¬
teinov. Razmerje med lipidi in proteini je odvisno od tipa mem¬
brane in je lahko 3:1, 1:1 ali celo 1:3 kot v notranji membrani
mitohondrija. Fosfolipidi so amfipatske molekule, ki so v vodnem
okolju urejene v dvosloj tako, da so polarni (hidrofilni) deli obr¬
njeni navzven, nepolarni (hidrofobni) pa navznoter (sl. 2.2). Pri
zmernih temperaturah je fosfolipidni dvosloj tekoč, pri nižjih pa
je bolj viskozen in je v obliki kristalne rešetke. Viskoznost ali te-
kočnost dvosloja je odvisna od števila nenasičenih maščobnih ki¬
slin, vrste fosfolipidov in količine holesterola. Več nenasičenih,
krajših maščobnih kislin in manj holesterola vzdržuje tekočnost
in zmanjšuje viskoznost. Fosfolipidni dvosloji so prepustni za
manjše in nepolarne molekule (pline, vodo) in za molekule, topne
v lipidih (lipofilne snovi, glicerol). Holesterol povečuje čvrstost
membran in hkrati zmanjšuje njihovo prepustnost. Celice spremi¬
njajo tekočnost membran tako, da spreminjajo lipidne sestavine
membrane. Membrane bakterijske in rastlinske celice ne vsebujejo
holesterola, čvrstost celične površine vzdržujejo peptidoglikani
in celuloza v celični steni. Sestavni del membrane so tudi protei¬
ni, ki so lahko razporejeni v membrani in nekovalentno povezani
z lipidi (integralni, transmembranski proteini) ali pa so s šibkimi
ionskimi vezmi povezani s površino lipidnega dvosloja (periferni
proteini). Vloga proteinov je raznolika, lahko so strukturne mole¬
kule, encimi, receptorji ali pa delujejo kot kanalčki in prenašalci.
Membranski transportni proteini so pomembni za prenos ionov,
polarnih nizkomolekularnih snovi in makromolekul. Transmem¬
branski proteini so lahko enkrat prehajajoči (sl. 2.3) ali večkrat
prehajajoči, iz ene ali več polipeptidnih podenot, ki v pasovih
(navadno v obliki vijačnice alfa) segajo skozi fosfolipidni dvosloj.

31

Tudi proteini lahko difundirajo vzdolž membrane, vendar so veči¬
noma s posebnimi molekulami vezani na specifična mesta v mem¬
brani (domene).

Slika 2.2: Zgradba celične membrane živalske celice (Štrus,
Splošna zoologija, 1999)

Slika 2.3: Zgradba enkrat prehajajočega transmembranskega
glikoproteina. Polipeptidna veriga prečka fosfolipidni sloj kot
desnosučna vijačnica alfa, oligosaharidne verige in disulfidne
vezi so na zunanji strani membrane (Štrus, Splošna zoologija,
1999)

Membrana je dinamična struktura, lipidne in proteinske mo¬
lekule se lahko gibljejo v različnih smereh (vrtenje, upogibanje,
gibanje vzdolž membrane), redkejša pa so gibanja »flip-flop«, kjer
lipidne molekule prehajajo z ene na drugo stran dvosloja. Mem¬
brana je asimetrična (sl. 2.4), saj so molekule v dvosloju različno
razporejene. Molekule fosfatidilholina, sfingomielina in glikolipi-
dov so razporejene na zunanji strani dvosloja, fosfatidilserina in
fosfatidiletanolamina pa na citoplazemski strani membrane (sl.

32

2.5). Asimetrično razporejeni so tudi proteini in ogljikovi hidrati.
Glikozilirani hormonski receptorji, signalni proteini in glikolipidi
so vedno na zunanji strani membrane. Fluidnost membrane je po¬
membna lastnost, ki vpliva na njeno prepustnost.

Slika 2.4: Membrana je asimetrična zaradi različne razpore¬
ditve fosfolipidov in proteinov v obeh slojih. IP: integralni
protein; PP: periferni protein; Glikokaliks je iz razvejanih gli-
koproteinov na zunanji strani membrane (Štrus, Splošna zoo¬
logija, 1999)

©NH3

fosfatidil-serin

0

I

CH2

O

COO0

CH3

CH3-J,^CH3

© f

H2

H2

o

CH2-CH

J l

(=C) l'~

= P-

i

-CH2

O0

O

O

CH2-

--O

O

=!>-
C 1 )

CH—CH2

l

b

O©

=o

fosfatidil-holin

Slika 2.5: Fosfolipidi so različno razporejeni v notranjem in
zunanjem sloju membrane.

Fosfatidilserin je večinoma na citoplazemski strani membra¬
ne, fosfatidilholin pa na zunanji strani (povzeto po Alberts et
al., Molecular Biology of the Celi, 2002)

2.2 TRANSPORT SKOZI MEMBRANO

Biološka membrana je selektivno prepustna in omogoča nad¬
zorovan prehod manjših molekul, tako da vzdržuje kemijsko se¬
stavo citoplazme. Snovi prehajajo skozi membrano na tri načine.
Majhne, nepolarne molekule (0 2 , C0 2 , N 2 ) prehajajo skozi membra¬
no s pasivnim transportom, ki je lahko enostavna difuzija ali

33

pospešena (facilitirana) difuzija. Molekule difundirajo v smeri
koncentracijskega gradienta, skozi prostore v lipidnem dvosloju
(teorija rešetke) ali skozi vodne pore. Večje, polarne molekule,
npr. sladkorji in aminokisline, ter manjši ioni prehajajo hitreje s
pospešeno difuzijo, ki poteka s specifičnimi prenašalnimi proteini
(primer transporta glukoze skozi membrano eritrocita). Ta tran¬
sport je pasiven in poteka v smeri koncentracijskega gradienta do
vzpostavitve ravnotežja. Ioni prehajajo večinoma skozi ionske
kanalčke, transport je pasiven in zelo selektiven (sl. 2.6). Kanalč-
ki so proteini, ki vsebujejo vodne pore, prehod je do 100-krat hi¬
trejši kot s prenašalci. Kanalčki so večinoma zaprti, odpirajo se
lahko zaradi spremembe v električni napetosti membrane (nape¬
tostni kanalčki), zaradi vezave liganda (ligandski kanalčki) ali me¬
hanske spremembe na membrani (mehanski kanalčki). Aktivnost
posameznih ionskih kanalčkov, lahko ugotavljamo z metodo vpe¬
te napetosti na krpici membrane (»patch clamp«).

Slika 2.6: Zgradba in delovanje ionskih kanalčkov v membra¬
ni: a) napetostni ionski kanalčki; b) ligandski ionski kanalčki
(Štrus, Splošna zoologija, 1999)

Za razliko od pasivnega transporta je za aktivni transport
snovi potrebna energija, ki izvira direktno iz metabolizma celi¬
ce (npr. hidroliza ATP). Ioni in molekule prehajajo v smeri, ki je
nasprotna koncentracijskemu gradientu. Z aktivnim transportom
celice vzdržujejo dinamično ionsko ravnotežje in s tem celično
homeostazo. Aktivni transport ionov poteka z ionskimi črpalka¬
mi, ki so prenašalni proteini in za delovanje lahko porabljajo tudi
nad 50 %  dostopne celične energije (delovanje Na + -K +  ATP-aze).
Mehanizmi aktivnega transporta so različni (sl. 2.7). Snovi lahko
prehajajo direktno, v povezavi s hidrolizo ATP (transport Na +  in
K +  ionov) ali z vezavo fosfatne skupine (transport glukoze v bakte¬
rijah) in indirektno kot kotransport. Simport je sočasni transport
obeh molekul v isti smeri, medtem ko je antiport sočasni prenos
ene molekule v smeri koncentracijskega gradienta in druge mole-

34

kule v smeri, ki je nasprotna koncentracijskemu gradientu. Tran¬
sport glukoze v črevesu poteka vzajemno s transportom Na + ionov
(simport), transport Na +  in Ca^ ionov v srčni mišici pa poteka v
nasprotni smeri (antiport).

1 2 3

UNIPORT SIMPORT ANTIPORT

Slika 2.7: Aktivni transport je lahko direkten (uniport) ali in¬
direkten, ki lahko poteka v isti smeri (simport) ali v nasprotni
smeri (antiport) (Štrus, Splošna zoologija, 1999)

Večje hidrofilne molekule (nad 1 nm) ne morejo skozi membra¬
no. Številni hormoni, nevrotransmiterji in protitelesa prehajajo v
celico z endocitozo. Proces se razlikuje od membranskega tran¬
sporta v tem, da poteka v povezavi z membranskimi receptorji, ki
so v glavnem glikoproteini. Ti so povezani z encimi v membranah,
ki sprožijo nadaljnje procese v celici.

Membrana je pomembna tudi pri prenosu informacij med oko¬
ljem in notranjostjo celice. Številne molekule, kot so hormoni,
ne prehajajo skozi membrano, ampak delujejo kot sporočevalci.
S povezavo sporočevalcev, membranskih receptorjev in različnih
proteinov celice komunicirajo med sabo in tako prenašajo infor¬
macije.

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Poišči podatke v literaturi in ugotovi, kateri tipi ionskih
kanalčkov so najbolj raziskani.

Ugotovi, kaj so akvaporini. Katere ionske črpalke so po¬
membne v mišični celici in zakaj?

Ugotovi, kaj je klatrin in kakšno vlogo ima v transportu
veziklov. Opiši, kako poteka transport glukoze skozi čre¬
vesni epitel.

35

2.3 DIFERENCIACIJE CELIČNE
MEMBRANE

Prepoznavanje med celicami omogočajo glikoproteini in gliko-
lipidi, ki na zunanji površini celice tvorijo zunanji plašč iz oglji¬
kovih hidratov, imenovan glikokaliks. Specifične kombinacije
terminalnih delov ogljikovih hidratov glikokaliksa eritrocitov so
osnova za razlikovanje krvnih skupin ABO. Levkociti sodelujejo
pri vnetjih v tkivih tako, da se povezujejo s posebnimi proteini
(selektini) v glikokaliksu endotelnih celic krvnih žil.

Organizacijo celic v tkiva in organe večceličarjev omogočajo
medcelični sliki, specializirani predeli celične membrane. Selek¬
tivne povezave celic omogočajo specifični adhezijski proteini (se¬
lektini, integrini, kadherini). Celice živali se direktno povezujejo
na tri načine (sl. 2.8): z neprehodnimi stiki (lesnimi in septirani-
mi stiki), s sidrnimi stiki (dezmosomi in priležnimi stiki) in s
prehodnimi stiki (presledkovnimi stiki).

Tesni stiki (zonula occludens) so povezave, kjer sta membra¬
ni sosednjih celic povezani z omrežjem razvejanih, transmem-
branskih beljakovin v obliki letev (TEM), ki se na določenih me¬
stih povezujejo in tako približajo membrani sosednjih celic, da
preprečujejo transport snovi skozi medcelični prostor. Taki stiki
so značilni predvsem za epitelne celice vretenčarjev (manj jih je
pri nevretenčarjih), in to v predelih, kjer je transport snovi skozi
medcelični prostor v apikalno bazalni smeri celice omejen (črevo,
ledvice, krvne žile). Dezmosomi (maculae adherens) so točkovne
mehanske povezave med celicama. V tem predelu je medcelični
prostor razširjen in vsebuje transmembranske proteine kadheri-
ne. Na citoplazemski strani sta membrani obeh celic ojačani s pro¬
teini dezmosomskega plaka, kamor se pritrjujejo intermediarni
filamenti (tonofilamenti). Drugi tip sidrnih stikov so priležni stiki,
ki lahko v obliki obroča obdajajo subapikalni del celice (zonula
adherens). Na priležne stike se pripenjajo snopi aktinskih filamen¬
tov. Celice se s podobno obliko sidrnih stikov lahko povezujejo
tudi z izvenceličnim matriksom (na primer s fibronektinom) pre¬
ko beljakovin integrinov. Ti proteini so urejeni v dva tipa stikov:
hemidezmosome (povezane z intermediarnimi filamenti) ali fo-
kalne stike (povezane z aktinskimi filamenti). Posebnega fiziolo¬
škega pomena za živalska tkiva so presledkovni stiki, pri katerih
sta celični membrani zbližani na razdaljo 2-4 nm. V tem predelu
so številni koneksoni (nad 100), v 1,5 nm kanalčke organizirani
transmembranski proteini iz družine koneksinov, skozi katere
prehajajo manjše molekule (molska masa pod 1000 daltonov). Ko¬
neksoni prevajajo tudi električne impulze in so številni v predelih
električnih sinaps. Za nevretenčarje so značilni septirani (pre¬
gradni) stiki (sl. 2.9), ki so zelo različni po zgradbi. Lahko so v
obliki nagubanih letev, ki povezujejo sosednji celici (mehkužci,
členonožci) ali pa v obliki kompleksnega tridimenzionalnega sis¬
tema paličastih struktur (ožigalkarji).

36

a

Slika 2.8: Medcelični stiki: a) tesni stik (zonula occludens);
b) dezmosom (macula adherens); c) presledkovni stik, neksus
(macula communicans); d) pregradni (septirani) stik (Štrus,
Splošna zoologija, 1999)

Slika 2.9: TEM mikrografija pregradnega stika med epitelnima
celicama hepatopankreasa raka enakonožca

Plazmalema je na površinah polariziranih celic različno orga¬
nizirana in vsebuje specifične proteine, odvisno od celične funk¬
cije (sl. 2.10). Na apikalni strani so pogoste strukture, ki pove¬
čujejo površino v zvezi z absorpcijo ali sekrecijo. Prstasti izrastki
plazmaleme na površini črevesnih celic so mikrovili, ki vsebujejo
snope aktinskih filamentov, povezanih z različnimi proteini. Pose¬
ben tip mikrovilov so negibljive stereocilije, ki so pogoste struk¬
ture čutilnih celic (mehanoreceptorjev v ušesu). Bički in mige-
talke (kinocilije) so večji, gibljivi izrastki plazmaleme, ki imajo

37

pri živalih enako osnovno zgradbo. Pod plazmalemo je aksonema
iz devetih dvojčkov mikrotubulov na obrobju in centralnega para
mikrotubulov, ki so med sabo povezani s proteini. Na bazi bička
in migetalke je bazalno telo iz devetih trojčkov mikrotubulov. Gi¬
banje migetalke je posledica drsenja mikrotubulov, energija izvira
iz hidrolize ATP, ki jo omogočajo molekule dineina z ATP-azno
aktivnostjo, ki povezujejo dvojčke mikrotubulov.

lizosom terminalno omrežje

Slika 2.10: Diferenciacije celične površine in ultrastrukturne
značilnosti epitelne celice živali

(povzeto po Storch V. in VVelsch U., Kurzes Lehrbuch der Zoo-
logie, 2005)

Bazalni deli celic so pogosto izoblikovani v bazni labirint v
obliki gostega omrežja kanalov, ki nastanejo z uvihanjem plaz-
maleme v baznem delu celice (sl. 2.11). Značilen je predvsem za
epitelne celice z intenzivnim transportom snovi v baznem delu
(ledvice, Malpighijeve cevke žuželk). Na bazi epitelnih celic je ba¬
zalna lamina iz mreže proteinov med katerimi prevladuje kola¬
gen IV, ki povezuje celice z vezivom.

38

Slika 2.11: Žlezna celica hepatopankreasa raka enakonožca
(ŽC) z gostim baznim labirintom in debelo bazalno lamino
(BL). Ob njej je krvna celica hemocita (HE)

2.4 VZDRAŽNE LASTNOSTI MEMBRAN

Vsi organizmi se odzivajo na zunanje dražljaje, zaznavanje
dražljajev in prevajanje impulzov je lastnost membran vseh celic.
Čutilne celice ali receptorji so specializirane za sprejemanje dra¬
žljajev, živčne celice pa zbirajo informacije in prevajajo impulze.
Pomembno vlogo pri tem ima celična membrana. Zaradi razlike
v koncentracijah in nabojih ionov na obeh straneh plazmaleme
(elektrokemijskega gradienta) nastane na membrani električni po¬
tencial, ki je negativen zaradi prehajanja kalijevih ionov iz celice
v zunanje okolje skozi kanalčke v membrani. Velikostni razred po¬
tenciala različnih celic je med -15 in -100 mV. To stanje pri mišič¬
nih in živčnih celicah imenujemo mirovni membranski poten¬
cial (MPP), ki se po vzdraženju celice lahko bistveno spremeni.
Mirovni membranski potencial na membrani nevrona (od -60 do
-90 mV) je posledica neenakomerne razporeditve ionov na obeh
straneh plazmaleme. K nastanku tega potenciala prispevajo trije
mehanizmi: elektrogena ionska črpalka, Donnanovo ravnotežje in
difuzijski potencial. Najpomembnejši je difuzijski potencial, ki je
posledica visoke koncentracije K +  ionov v celici in visoke koncen¬
tracije Na +  ionov v okolju (sl. 2.12). Koncentracijske razlike ionov
so. posledica privlačnosti negativno nabitih molekul v celici, pre¬
pustnosti membrane za ione in delovanja ionske črpalke. Mem¬
brana je bolj prepustna za K +  ione, ki uhajajo iz celice. Na mem¬
brani se ustvarja napetostni gradient. Zunanjost je v primerjavi z
notranjostjo nabita pozitivno, membrana je polarizirana. Mirovni
membranski potencial v bistvu ustreza ravnotežnemu potencialu
za K + ione. Koncentracijsko razliko ionov vzdržuje Na + - K + črpalka,
ki vrača Na +  ione v okolje, hkrati pa črpa K +  ione nazaj v celico.
Črpalka za delovanje potrebuje ATP in pri nekaterih celicah lah¬
ko porabi tudi do 70 %  ATP, ki nastaja v celici. Če se membranski
potencial zmanjša, govorimo o depolarizaciji, če se poveča, pa

39

o hiperpolarizaciji membrane. V nasprotju z MPP, ki ga celica
stalno vzdržuje, pa trenutna sprememba v napetosti na membrani
sproži živčni impulz ali akcijski potencial, ki potuje po aksonu
in sproži val depolarizacije vzdolž aksona. Prepustnost membra¬
ne za Na +  ione se poveča do 500-krat, celična notranjost posta¬
ne pozitivna. Vrh akcijskega potenciala je dosežen, ko se stopnja
depolarizacije približa vrednosti ravnotežnega potenciala za Na +
ione. Hkrati se spremeni tudi prepustnost za K +  ione, ki vdrejo
iz celice, kar spet povzroči spremembo napetosti (repolarizacija).
Končno stanje, ki usteza MPP, vzpostavi ionska črpalka. Takoj nato
lahko sledi nov akcijski potencial. Akcijski potencial se širi s kon¬
stantno, za določen tip celice značilno hitrostjo.

Večina poskusov, ki so pojasnili mehanizme prevajanja vzbur¬
jenj po aksonih živčnih celic, je bila izvedena na orjaških aksonih
lignjev.

PLAZMALEMA

ZNOTRAJ

ZUNAJ

I

Slika 2.12: Mirovni membranski potencial: pasivni in aktivni
transport kalijevih in natrijevih ionov skozi membrano. Pasiv¬
ni transport skozi ionske kanalčke poteka v smeri koncentra¬
cijskega gradienta. Aktivni transport v smeri, ki je nasprotna
koncentracijskemu gradientu omogoča ionska črpalka (Štrus,
Splošna zoologija, 1999)

2.5 MEMBRANSKI RECEPTORJI

Vse celice sprejemajo signale iz okolja in se nanje odzivajo,
čutilne celice pa zaznavajo specifične dražljaje s posebnimi mem¬
branskimi strukturami, ki sprejemajo dražljaje različnih modali-
tet in jih pretvorijo (transducirajo) v električne signale.

40

Številni transmembranski proteini delujejo kot receptorji in
dražljaje iz celičnega okolja ali notranjosti telesa spreminjajo v
informacije, ki se prenašajo preko različnih sporočevalcev. Mem¬
branski receptorji so receptorji za rastne faktorje, peptidne hor¬
mone, nevrotransmiterje, interleukine in interferone. Delimo jih
v več skupin, glede na strukturne in funkcionalne lastnosti. Re¬
ceptorji, povezani z ionskimi kanalčki, so najpreprostejši in
so prisotni predvsem v membranah živčnih in mišičnih celic. Ke¬
mijski signal, ki prihaja do receptorja v obliki nevrotransmiterja
(acetilholina, adrenalina), se pretvori v električni signal, tako da
se spremeni napetost na membrani tarčne celice, kar sproži nasta¬
nek akcijskega potenciala. Z vezavo nevrotransmiterja pride do
spremembe v strukturi receptorja in to vpliva na odpiranje ali za¬
piranje ionskega kanalčka. Primer takega receptorja je nikotinski
receptor za acetilholin v membrani skeletne mišične celice. Z ve¬
zavo acetilholina se odpre ionski kanalček, natrijevi ioni vdrejo v
celico in depolarizirajo membrano, tako nastane akcijski potenci¬
al, ki vpliva na odpiranje kalcijevih kanalčkov, zaradi vdora kalcija
v celico pride do krčenja mišičnega vlakna. Receptorji, vezani s
proteinom G, se odzivajo na peptidne hormone, nevrotransmi¬
terje ter na snovi, ki jih okušamo in vohamo. Podobno delujejo
tudi receptorji za vid. Številni membranski receptorji, vezani s
proteinom G, imajo zelo podobno zgradbo. Večinoma so sestavlje¬
ni iz odsekov vijačnic alfa, ki sedemkrat predrejo plazmalemo.
Nekateri membranski receptorji so direktno povezani z enci¬
mi v celici. To so transmembranski proteini, ki se odzivajo na ra¬
stne faktorje in snovi, ki regulirajo rast, diferenciacijo in migracije
celic v živalskih tkivih. Napake v delovanju teh receptorskih poti
so pogosto povezane z nastankom rakastih obolenj. Najbolj raz¬
iskana skupina takih receptorjev so receptorski proteini-tiro-
zin kinaze, ki fosforilirajo tarčne celične proteine na tirozinskih
stranskih verigah. Nekateri receptorji (npr. za citokine/interfero-
ne) se povezujejo s citoplazemskimi proteini-tirozin kinazami ali
pa z drugimi encimi v celici, kot so gvanil ciklaze, protein-tirozin
fosfataze, ki se aktivirajo z vezavo liganda.

Membranski receptorski proteini so razporejeni v membranah
čutilnih celic in se odzivajo na specifične dražljaje ali ligande (ago-
niste), npr. membranski proteini (rodopsini) v paličicah in čepkih
se odzivajo na svetlobo, proteini v ciliarnih celicah notranjega
ušesa se odzivajo na mehanske spremembe, receptorji v okušal-
nih brbončicah jezika zaznavajo kemijsko sestavo snovi.

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Ugotovite, kako je zgrajen in kako deluje inzulinski re¬
ceptor. V čem se razlikujeta receptorja za acetilholin v
membranah skeletne in srčne mišice? Kakšne so povezave
adrenalina z receptorji v membranah maščobnih in mišič¬
nih celic?

41

TRETJE POGLAVJE

CELIČNI ORGANELI IN
NJIHOVE FUNKCIONALNE
POVEZAVE

Celice, ki gradijo tkiva in organe živali vsebujejo številne ce¬
lične strukture (organele ali predelke), obdane z eno ali dvema
membranama, ki ločujeta njihovo notranjost od citosola. Z nasta¬
janjem celičnih organelov je prišlo v celici do ločevanja področij
s specifičnimi biokemijskimi lastnostmi in s tem do specializacije
celičnih funkcij.

POMEMBNA ODKRITJA CELIČNIH ORGANELOV

Camillo Golgi, 1898, je opisal Golgijev aparat.

Keith R. Porter, 1945, je opisal endoplazemski retikulum.

Christian de Duve, 1950, je opisal lizosome.

Palade, 1960, je razložil vlogo ER v procesiranju in sortiranju
proteinov.

Gurdon, 1966, je ugotovil, da je v jedru shranjen ves genom
organizma.

Sabatini in Blobel, 1971, sta postavila signalno hipotezo v sin¬
tezi proteinov.

Claude, de Duve, Palade, 1974, Nobelova nagrada za raziskave
strukturne in funkcionalne organizacije celice.

Brovvn in Goldstein, 1974, Nobelova nagrada (1986) za razlago
molekulskih mehanizmov receptorsko posredovane endo-
citoze.

Smith, 1984, mapiranje jedrnega lokalizacijskega signala za
transport proteina skozi jedrne pore.

3.1 NOTRANJE CELIČNO OKOLJE;
KEMIJSKA SESTAVA CITOPLAZME

Citoplazma živalskih celic je iz citosola, celičnih organelov in
dinamičnega omrežja proteinov, ki jih imenujemo celično ogrodje
ali citoskelet (sl. 3.1). Celični organeli so biokemijski, strukturni
in funkcionalni predelki evkariontske celice, ki so z membrano loče¬
ni od citosola (sl. 3.2). V celici je mnogo z membrano obdanih tran¬
sportnih veziklov, ki prenašajo snovi iz enega predelka v drugega.

Citosol ali osnovna plazma je tekoči del citoplazme, ki lahko
zavzema do 55 %  celične prostornine. V citosolu so prisotne raz¬
lične organske spojine (30 %  celične mase) in anorganske snovi (70
%  celične mase).

Voda je najpomembnejša anorganska snov v celici. V vodnem
okolju potekajo biokemijske reakcije, voda je pomemben vir pro¬
tonov. Fizikalne lastnosti vode, kot so površinska napetost, kapi-
larnost, gostota, toplotna kapaciteta, vplivajo na procese v celici
(termoregulacija, pretok telesnih tekočin).

42

Anorganski ioni, predvsem natrijevi, kalijevi, magnezijevi,
kalcijevi, kloridni, fosfatni in hidrogenkarbonatni ioni so ključni
za vzdrževanje ionskega ravnovesja v celicah, regulirajo pH, vzdr¬
žujejo osmotski pritisk, omogočajo aktiven transport, dihanje, pre¬
vodnost, krčljivost ipd. Trdne mineralne snovi se koncentrirajo v
celičnem matriksu in tvorijo trdna ogrodja nekaterih organizmov,
ki so predvsem iz kalcijevega karbonata in silicijevega dioksida.
Med ioni ima pomembno biološko vlogo predvsem kalcij. Kalcij je
sekundarni sporočevalec v celici, zato je njegova koncentracija v
celici nizka in ustrezno regulirana s hormoni (parthormon, kalci-
tonin, vitamin D). V citoplazmi so številni proteini, ki vežejo kalcij
(troponin C, kalmodulin) in regulirajo aktivnost številnih encimov.
Kalcij je pomemben regulator v številnih fizioloških procesih, kot
so krčljivost mišic, prenos vzburjenj, eksocitoza in oploditev.

Organske spojine v celici so ogljikovi hidrati, maščobe, ste¬
roidi, maščobne kisline, nukleotidi, nukleinske kisline, aminoki¬
sline, večina je beljakovin, ki so pomembne predvsem kot encimi
v celičnem metabolizmu.

Beljakovine so velike molekule (molska masa med 5000 in
milijon daltonov), ki v citoplazmi delujejo kot strukturne in tran¬
sportne molekule, hormoni, encimi in protitelesa. Razlikujejo se v
zgradbi, delimo jih v globularne proteine in skleroproteine. Visko¬
znost citosola je odvisna od stopnje hidratacije globularnih pro¬
teinov. Skleroproteini so netopni strukturni proteini, kot so kola¬
gen, keratin, miozin. Ti proteini imajo nitasto zgradbo, večinoma
v obliki vijačnice. Globularni proteini (npr. histoni, albumini) so
topni, s številnimi hidrofilnimi stranskimi verigami na površini.
Proteini so lahko povezani z različnimi prostetičnimi skupinami.
Lipoproteini so povezani z lipidi, glikoproteini z ogljikovimi hidra¬
ti, metaloproteini vežejo ione kovin, nukleoproteini so povezani
z nukleinskimi kislinami. Ribonukleinske kisline so iz ribonu-
kleotidov. V celici imajo različne vloge. Informacijska RNA (mRNA)
je prepisan del DNA in nosi informacijo za sintezo določenega
proteina. Prenašalna RNA (tRNA) je ključna za prenos aminokislin
pri sintezi beljakovin. Ribosomska RNA (rRNA) se s proteini pove¬
zuje v ribosome, ribonukleoproteinske makromolekule, v kate¬
rih poteka sinteza beljakovin. Ribosomske RNA in nekatere krajše
RNA delujejo tudi kot encimi (ribocimi). Lipidi v citoplazmi so
predvsem signalne molekule, rezervne snovi in vir energije. Tri¬
gliceridi so nepolarne molekule iz glicerola in maščobnih kislin,
ki so večinoma iz dolgih verig in so lahko nasičene (palmitinska in
stearinska m.k.) ali nenasičene (oleinska m.k.). Transport maščob¬
nih kislin poteka s prenašalnimi proteini, proste maščobne kisline
so večinoma vezane z albumini. Trigliceridi, estri holesterola in
karotenoidi so v celici v notranjosti lipoproteinskih kapljic, ve¬
činoma obdani s fosfolipidi in proteini. Amfipatski lipidi, kot so
fosfolipidi, sfingolipidi, holesterol in proste maščobne kisline,
v citoplazmi tvorijo micele ali lamelarne mielinske figure.

Ogljikovi hidrati so vir energije v celici (glukoza in gliko¬
gen) in strukturni elementi v celici ter na njeni površini (hitin in
proteoglikani). Med monosaharidi sta za organizme najpomemb¬
nejši pentozi riboza in deoksiriboza, ki gradita nukleotide, med
heksozami pa glukoza, fruktoza in galaktoza, ki so vir energije.
Oligosaharidi so iz dveh do šestih molekul monosaharidov, biolo¬
ško najpomembnejši so disaharidi maltoza, laktoza in saharoza.

43

Polisaharidi so predvsem rezervne snovi v celici, glikogen je na¬
vadno v obliki zrnc razporejen v citoplazmi.

Slika 3.1: Ultrastruktura epitelne celice živali (Štrus, Splošna
zoologija, 1999)

Slika 3.2: Zgradba celične membrane in nekaterih celičnih or-
ganelov v živalski celici: a) celična membrana; b) zrnati endo-
plazemski retikulum; c) centriol; d) Golgijev aparat; e) mito¬
hondrij (povzeto po Storch V. in VVelsch U., Kurzes Lehrbuch
der Zoologie, 2005)

44

3.2 JEDRO; INFORMACIJSKI IN
REGULACIJSKI CENTER CELICE

Delovno ali interfazno jedro je ključni organel v celicah evka-
riontov (sl. 3.3). V jedru je shranjena glavnina celične DNA. Jedro
je obdano z jedrnim ovojem iz dveh membran, med katerima je
perinuklearni prostor, ki je povezan z zrnatim endoplazemskim
retikulumom. Jedrni ovoj vsebuje komplekse por (premera do
120 nm), skozi katere prehajajo večje molekule iz jedra v cito¬
plazmo (ribosomske podenote in RNA) in v obratni smeri (različni
proteini). Transport skozi pore je nadzorovan in je pomemben za
regulacijo izražanja genov. Pore so sestavljene iz 50 do 100 belja¬
kovinskih molekul (sl. 3.4a,b), ki spreminjajo obliko in s tem tudi
velikost kanala, skozi katerega poteka transport. Manjše molekule
pasivno difundirajo skozi vodne kanale v pori, večje molekule,
proteini in RNA molekule pa prehajajo aktivno. Jedrni proteini
vsebujejo specifične jedrne lokalizacijske signale in se prenašajo
skozi pore s pomočjo transportnih receptorjev. Nukleoplazma je
po sestavi drugačna kot citosol. Vsebuje skelet iz intermediarnih
filamentov in topne proteine. Obliko in mehansko trdnost jedra
vzdržuje jedrna lamina, plast iz fibrilarnih beljakovin laminov
ob notranji membrani jedrnega ovoja. Genski material v interfa-
znem jedru je organiziran kot kromatin, ki je iz kondenzirane¬
ga, transkripcijsko neaktivnega heterokromatina, ki je navadno
razporejen ob jedrnem ovoju, in iz transkripcijsko aktivnega, ne-
zgoščenega evkromatina. V delitvenem jedru je DNA s proteini
zgoščena v kromosome. Razporeditev kromosomov v jedru ni
naključna, vsak kromosom zavzema določeno mesto, pogosto se
povezujejo z jedrnim ovojem. V celičnem jedru je lahko eno ah
celo tisoč jedrc ah nukleolusov. V jedrcu se sintetizirajo in pro¬
cesirajo ribosomske RNA (sl. 3.5). Iz rRNA in proteinov nastajajo
ribosomske podenote, ki se transportirajo iz jedra in se v citoplaz¬
mi povezujejo v ribosome. Morfološko je jedrce iz treh delov:
iz fibrilarnega centra v obliki delno kondenziranega kromatina,
ki vsebuje gene za rRNA, iz fibrilarnega dela iz nitastih ribonu-
kleoproteinskih molekul in iz granularnega dela, ki ga tvorijo
številni ribosomalni delci v pozni fazi zrelosti.

45

Slika 3.3: TEM mikrografija epitelnih celic črevesa embrija
raka enakonožca z interfaznimi (delovnimi) jedri

KOMPLEKS

JEDRNE

PORE

MOLEKULE

JEDRNEGA

PORNEGA

KOMPLEKSA

(A)

46

Slika 3.4: a) Shema jedrnih pornih kompleksov; b) elektron¬
sko mikroskopski posnetek (negativno barvanje) kompleksov
jedrnih por (Štrus, Splošna zoologija, 1999)

I 'v3*ftr r ' reciklaža RNK |

•v> | in proteinov I

m.  *s . I V  ' -

Slika 3.5: Shema celice z jedrom in jedrcem, kjer poteka pre¬
pisovanje rRNA in nastajanje ribosomskih podenot (Štrus,
Splošna zoologija, 1999)

Mitohondriji proizvajajo večji del celične energije z oksida-
tivno razgradnjo ogljikovih hidratov in lipidov ter sintezo ATP v
procesu oksidativne fosforilacije.

Mitohondriji (sl. 3.6) so veliki celični organeli s premerom
enega mikrometra in dolžino od enega do pet mikrometrov. So
različnih oblik in zelo spremenljivi. Imajo lastno DNA, ki vsebuje
informacije za sintezo nekaterih encimov oksidativne fosforilacije
in gene za rRNA ter tRNA. Rezultati sekvenčne analize mitohon-
drijske DNA so pokazali, da je zelo podobna DNA znotrajceličnih
bakterij rikecij. Večji del mitohondrijskih proteinov je kodiran v
jedrni DNA, sintetizirajo se v citoplazmi in se transportirajo sko¬
zi mitohondrije s pomočjo posebnih prenašalcev. Mitohondriji so
obdani z dvema membranama, med katerima je medmembranski
prostor, ki vsebuje predvsem encime za fosforilacijo nukleotidov.
Zunanja membrana je neselektivna in prepustna za večino manj¬
ših molekul, vsebuje proteine porine, ki so podobni poram v bak¬
terijski membrani. Notranja membrana je selektivno prepustna in
oblikovana v kriste ali cevke, v primerjavi z zunanjo membrano

3.3 MITOHONDRIJI; CELICNE
ELEKTRARNE

47

vsebuje veliko proteinskih kompleksov, ki sodelujejo v transportu
elektronov in oksidativni fosforilaciji. Notranjost mitohondrija za¬
polnjuje matriks, ki vsebuje encime Krebsovega ciklusa, encime,
ki sodelujejo v p oksidaciji maščobnih kislin, ribosome, intramito-
hondrijska zrnca ter krožno DNA. Notranja membrana mitohondri¬
ja vsebuje encime dihalne verige in ATP sintazo, ki sintetizira ATP
(oksidativna fosforilacija) v odvisnosti od protonskega gradienta
med matriksom in medmembranskim prostorom (kemiosmotsko
sklapljanje). Mitohondriji so številni v celicah z intenzivnim tran¬
sportom snovi ali v celicah z bogato sintezo maščob iz ogljikovih
hidratov. Veliko jih je tudi v mišičnih celicah (sarkosomi). V celi¬
cah nekaterih enoceličarjev jih je lahko več sto tisoč, v endotel-
nih celicah jih je celo manj kot sto. Nekatere praživali so brez
mitohondrijev. V nekaterih, predvsem anaerobnih enoceličarjih
so pogosti hidrogenosomi, ki so obdani z enojno membrano. V
njih s pomočjo encima hidrogenaze nastaja vodik. Razporejanje
mitohondrijev omogočajo mikrotubuli in je odvisno od procesov,
ki potekajo v celici. Ker imajo mitohondriji lastno DNA, se njihov
genski material z delitvijo ohranja. Dedujejo se po materini strani,
ker med oploditvijo spermijev mitohondrij ne prodre v jajčno celi¬
co ali pa se razgradi. Po endosimbiontski teoriji naj bi mitohondri¬
ji nastali iz aerobnih prokariontov, ki so se simbiontsko povezali z
večjimi heterotrofnimi celicami. To potrjujejo njihove značilnosti,
kot so specifična zgradba membran, prisotnost in sestava dednega
materiala in posebni ribosomi. Nekatere hipoteze predpostavljajo,
da izvirajo iz plazmidov, ki so se vključili v celice in se razvili v
kompleksne oblike.

Slika 3.6: Kristni tip mitohondrija iz epitelne celice podgane
(Alberts et al., Molecular Biology of the Celi, 2002)

48

3.4 PEROKSISOMI; CENTER CELIČNIH
OKSIDACIJ IN RAZSTRUPLJANJA

Peroksisomi so celični organeli, v katerih potekajo oksidacij-
ski procesi. Vezikli velikosti od 0,2 do 0,5 pm so obdani z enojno
membrano in vsebujejo okrog 50 različnih encimov. Ker pri oksi¬
dacijah v celici nastaja strupen vodikov peroksid, je pomembna
prisotnost encima katalaze, ki razgrajuje peroksid. V peroksiso-
mih so pogosti kristalni vključki urat oksidaze, ki razgrajuje soli
urične kisline (sl. 3.7). Veliko peroksisomov je v jetrnih in ledvičnih
celicah vretenčarjev. V njih potekajo oksidacije maščobnih kislin,
deaminacija aminokislin, oksidacija dušikovih baz, ki nastanejo
iz nukleinskih kislin, oksidacija strupenega vodikovega peroksi¬
da, ki nastaja med presnovo. Peroksid, ki nastaja v peroksisomih,
se lahko uporablja za nadaljnje oksidacije snovi, npr. alkohola in
fenolov (razstrupljanje). Peroksisomi sodelujejo tudi v biosintet-
skih procesih, sintetizirajo se lipidi, holesterol in plazmalogeni
(posebni fosfolipidi v srcu in možganih). Encimi peroksisomov se
sintetizirajo na polisomih v citosolu in prenašajo v peroksisome.
Čeprav nimajo lastne DNA kot mitohondriji, se razmnožujejo z
delitvijo.

Slika 3.7: Elektronskomikroskopski posnetek treh peroksiso¬
mov v jetrih podgane. Dva vsebujeta izrazit nukleoid, ki vse¬
buje oksidacijske encime (povzeto po Alberts et al., Molecular
Biology of the Celi, 2002)

49

3.5 ENDOPLAZEMSKI RETIKULUM;
PROIZVODNJA PROTEINOV IN LIPIDOV,
LOGISTIČNI IN TRANSPORTNI CENTER
CELICE

Endoplazemski retikulum (sl. 3.8) prepreda celico kot obse¬
žno omrežje cistern in kanalov, s številnimi transportnimi vezikli.
Omrežje je povezano z jedrnim ovojem, njegovo prostorsko ure¬
ditev v celici pa vzdržujejo številni mikrotubuli. Endoplazemski
retikulum je morfološko in funkcionalno iz raznolikih predelov.
Zrnati ali granulirani endoplazemski retikulum (GER) je ve¬
činoma oblikovan v cisterne in ima na površini membrane številne
ribosome, tu se sintetizirajo, modificirajo in transportirajo mem¬
branske in sekrecijske beljakovine. V prehodnem delu retikuluma
se odcepljajo vezikli, ki potujejo v Golgijev aparat. Citoplazemski
proteini, ki ostanejo v celici, se sintetizirajo v citoplazmi na pro¬
stih ribosomih (polisomih), povezanih z mRNA. Gladki ali agra-
nulirani endoplazemski retikulum (AER) je v obliki kanalov in
ni povezan z ribosomi. Njegove funkcije so predvsem biosinteza
fosfolipidov in steroidnih hormonov (v celicah spolnih in endokri¬
nih žlez) ter razstrupljanje (v jetrnih celicah poteka hidroksilacija
strupov, kijih katalizirajo oksidaze v membrani ER). Specializirana
oblika AER je sarkoplazemski retikulum (SER) v prečno progastih
mišičnih vlaknih. V sarkoplazemskem retikulumu, ki mrežasto ob¬
daja posamezne miofibrile, se kopičijo kalcijevi ioni, ki regulirajo
krčenje mišičnih vlaken.

CISTERNA

Slika 3.8: Kanali agranuliranega (AER) in cisterne granulirane-
ga endoplazemskega retikuluma (GER) (povzeto po Alberts et
al., Molecular Biology of the Celi, 2002)

Sinteza membranskih in sekrprijskih proteinov

ter proteinov za lizosome

Proteini, ki se sintetizirajo na ribosomih, vezanih na membra¬
no ER, se v ta organel transportirajo kotranslacijsko. Sinteza vseh
proteinov se začne na ribosomih v citosolu.

50

Sekrecijski proteini so označeni s signalnimi zaporedji iz pri¬
bližno 20 aminokislin. Pri kotranslacijskem transportu to zapo¬
redje prepoznajo delci SRP (iz polipeptidov in RNA), ki ustavijo
sintezo polipeptida, ko se vežejo na ribosom in ga usmerijo na
receptor SRP, ki je v membrani ER. Ribosom se veže na transloka-
cijski kompleks v membrani ER, delec SRP pa se sprosti z riboso-
ma. Polipeptid vstopi skozi kanalček v membrani (translokon) v
notranjost ER. V nadaljevanju encim signalna peptidaza odcepi si¬
gnalno zaporedje in polipeptid se sprosti v lumen ER. Membranski
proteini se ne sprostijo, ampak ostanejo zasidrani v membrani (sl.
3.9). Postranslacijski transport proteina poteka brez posredovanja
SRP, skozi poseben proteinski kompleks, povezan s translokonom
v membrani. Proteini v lumnu ER se nato s pomočjo šaperonov
zvijejo v ustrezno konformacijo, glikozilirajo (dodajo se sladkorji)
in podenote se povežejo. Pravilno zviti in sestavljeni proteini se
transportirajo naprej v Golgijev aparat ali ostanejo funkcionalni
v ER, drugi pa se razgradijo. Pomembna funkcija ER je kontrola
kvalitete proteinov, torej prepoznavanje nepravilno zvitih pro¬
teinov in usmeritev v razgradnjo.

Slika 3.9: Sinteza glikoproteinov v GER in transport skozi sis¬
tem endomembran do plazmaleme (povzeto po Karp, Celi and
Molecular Biology, 2005)

zunanjost

plazemska

membrana

membrana

vezikla

z 3

51

3.6 GOLGIJEV APARAT; PROCESIRANJE
IN RAZVRŠČANJE CELIČNIH
PRODUKTOV

Golgijev aparat je membranski kompleks (sl. 3.10), sestavljen
iz sploščenih cistern, naloženih v obliki skladovnice, in številnih
veziklov. Takih skladovnic je lahko le nekaj ali pa več tisoč, od¬
visno od tipa celice. Golgijev aparat je polarni organel (sl. 3.11).
Na konveksni, nezreli strani, ki jo tvorijo cisterne cis,  je povezan
z endoplazemskim retikulumom, kjer so v predelu ERGIC številni
prehodni vezikli, ki izmenjujejo snovi med obema organeloma.
Membrana je v tem delu tanjša (6 nm) in podobna membrani ER.
Ta del Golgijevega aparata je prva sortirna postaja, t. i. omrežje
cis (predel CGN), kjer se proteini vračajo v ER ali pa nadaljuje¬
jo pot v druge dele Golgijevega aparata. Konkavna ali zrela stran
Golgijevega aparata, ki jo tvorijo cisterne trans,  je bližje plazmale-
mi, tu se odcepljajo številni sekrecijski vezikli, ki vsebujejo gliko-
proteine. Membrana je v tem delu debelejša (10 nm). Med obema
stranema so medialne cisterne, med katerimi poteka intenzivna
izmenjava veziklov. Polarnost Golgijevega aparata je povezana s
transportom glikoproteinov in encimov, ki nastajajo v ER. V prede¬
lu omrežja trans (predel TGN) so pogoste povezave cistern in mi-
krotubulov, ki povezujejo Golgijev aparat, ER in lizosome v sistem
GERL. Pri prehodu skozi Golgijev aparat se sladkorne komponente
glikoproteinov in glikolipidov modificirajo (glikozilacije), v pre¬
delu omrežja trans pa se proteini sortirajo in razporejajo v speci¬
fične razdelke. Različne označevalne molekule (manoza 6-fosfat)
določajo in razporejajo encime za lizosome, sekrecijske produkte
in beljakovine, ki se vračajo nazaj v ER (sekvenca KDEL). V sistemu
GERL nenehno poteka proces recikliranja membran, kjer procesi
endocitoze kompenzirajo povečanje plazmaleme zaradi sekrecije
z eksocitozo. Kako poteka transport glikoproteinov med posame¬
znimi deli Golgijevega aparata, še vedno ni popolnoma jasno, zelo
verjetno gre za kombinacijo transporta z vezikli in zorenja ter gi¬
banja cistern v smeri od cis proti trans delu Golgijevega aparata.

Slika 3.10: a) Shema Golgijevega aparata iz večih diktiosomov
(Štrus, Splošna zoologija, 1999); b) TEM mikrografija diktiosoma v
žlezni celici embrija raka enakonožca

52

O O

SEKRECUSKI

VEZIKLI

OMREŽJE TGN

CISTERNE TRANS

MEDIANE

CISTERNE

CISTERNE CIS

OMREŽJE CGN

PREHODNI

VEZIKLI

ZRNATI

ENDOPLAZEMSKI

RETIKHLIM

Slika 3.11: Shematski prikaz polarne ureditve Golgijevega
aparata (Štrus, Splošna zoologija, 1999)

Sekrecijska pot proteinov iz Golgijevega aparata

Proteini se v omrežju TGN sortirajo in usmerjajo v različne
tipe transportnih veziklov.

S konstitutivno sekrecijo se transportirajo glikoproteini in gli-
kolipidi, namenjeni v plazmalemo, in tisti proteini, ki se stalno
izločajo iz celice. Z regulirano sekrecijo se pod vplivom različnih
signalov iz okolja izločajo sekrecijski proteini v sekrecijskih ve-
ziklih, ki se kopičijo v celici. Primer regulirane sekrecije je izloča¬
nje hormonov iz endokrinih celic in prebavnih encimov iz žleznih
celic pankreasa. Najbolj raziskan transport proteinov iz omrežja
TGN je selektiven transport encimov v lizosome.

3.7 LIZOSOMI; PREBAVNI CENTRI CELICE

Lizosomi so vezikli, obdani z membrano, ki vsebujejo hidrolit-
ske encime za razgradnjo proteinov, nukleinskih kislin, ogljikovih
hidratov in lipidov. Osnovni funkciji lizosomov sta heterofagija,
razgradnja snovi, ki vstopajo v celico z endocitozo, in avtofagi-
ja, razgradnja lastnih snovi in nefunkcionalnih celičnih organelov.
Oblika in funkcija lizosomov sta zelo raznoliki, odvisno od struk¬
ture snovi, ki jo prebavljajo (sl. 3.12). Primarni lizosomi so majh¬
ni vezikli, ki vsebujejo kisle hidrolaze, encime, ki delujejo v kislem
okolju (pH = 5). Nastajajo z odcepljanjem veziklov v TGN predelu
Golgijevega aparata. Hidrolitski encimi se v obliki cimogenov (ne¬
aktivnih predhodnikov encimov) sintetizirajo v GER in s transpor¬
tnimi vezikli potujejo v Golgijev aparat, kjer se povežejo z ma-
noza 6-fosfatnimi skupinami (označevalci za lizosomske encime).

53

V receptorsko posredovanem procesu brstijo iz membrane Golgi-
jevega aparata s klatrinom označeni vezikli, v katerih se encimi
aktivirajo, označevalci pa se odcepijo in reciklirajo. Na specifična
mesta jih usmerjajo posebni proteini na zunanji membrani lizo-
soma. Kislo okolje v notranjosti lizosoma zagotavljajo specifični
proteini v membrani lizosoma, ki delujejo kot protonske črpalke.
Sekundarni lizosomi so lahko avtofagosomi ali heterolizosomi.
Heterolizosomi nastanejo z združevanjem primarnega lizosoma
in endosoma ali pa z združitvijo primarnih lizosomov in fagoso-
mov (prebavne vakuole), ki pridejo v celico s fagocitozo. Endosom
vsebuje snovi, ki pridejo v celico s klatrinskimi vezikli, z recep¬
torsko posredovano endocitozo. Po prebavi v lizosomu pogosto
ostanejo nepredelane snovi, to so terciarni lizosomi (telolizo-
somi) ali rezidualna telesa. Lizosomi imajo v celici pomembne
funkcije, saj so regulatorji celične presnove. Genetsko pogojene
motnje v delovanju lizosomov so vzrok za številne bolezni kopi¬
čenja nerazgrajenih substratov.

Slika 3.12: a) Shematski prikaz nastajanja lizosomov in endoci-
totskih procesov v celici (Štrus, Splošna zoologija, 1999);


b) TEM mikrografija sekundarnih lizosomov v žlezni celici he-
patopankreasa rakov enakonožcev

54

3.8 ENDOCITOZA IN EKSOCITOZA;
TRANSPORT SNOVI Z VEZIKLI

Eksocitoza ali transport snovi iz celice lahko poteka s kon¬
tinuirano ali regulirano sekrecijo. Z eksocitozo se izločajo tudi
nerabne snovi iz celice. V obratni smeri poteka endocitoza, spre¬
jem snovi, ki ne prehajajo skozi celično membrano. S fagocito-
zo sprejema celica trdne delce velikosti nad 0,5 mikrometra (npr.
bakterije in viruse). Proces poteka tako, da se plazmalema izviha
na mestih, kjer se nahaja delec, ga obda in vključi v vezikel (fa-
gosom). Fagosom se zlije z lizosomom v fagolizosom in delec se
prebavi. Na tak način se hranijo enoceličarji in tako delujejo šte¬
vilni makrofagi v našem obrambnem sistemu. Fagocitozo stimu¬
lirajo posebni receptorji v plazmalemi (fagociti tako prepoznajo
tujke obdane s protitelesi). Pinocitoza je stalen transport tekočin
v celico, ki poteka tako, da se s celične površine odcepljajo manjši
vezikli, ki prenašajo zunajcelično tekočino v celico. Receptorsko
posredovana endocitoza (sl. 3.13) poteka tako, da se molekule
ligandi (hormoni, rastni faktorji, encimi) vežejo na specifična me¬
sta v membrani, kjer so receptorji zbrani v klatrinskih jamicah.
Na citoplazemski strani jamice je membrana ojačana s proteinom
klatrinom. Na tem mestu se s pomočjo posebnih proteinov, ki ve¬
žejo GTP, odcepi vezikel, obdan s klatrinom, ki v celico zelo hitro
prenese večje količine molekul. Molekule se v endosomih sprosti¬
jo, receptorji pa se z vezikli lahko vrnejo in vključijo v membrano.
Endosomi so z membrano obdani predelki, v katerih se zbirajo
snovi, ki vstopajo z endocitozo. Zgodnji endosomi so tubularne
strukture, razporejene ob površini celice, s kislim pH v notranjo¬
sti organela. Delujejo kot sortirni organeli, od koder snovi preha¬
jajo v lizosome ali nazaj na membrano. Pozni endosomi ležijo ob
jedru in se zlivajo z lizosomi. Najbolj raziskan model za razume¬
vanje receptorsko posredovane endocitoze je transport holestero¬
la v sesalčje celice. Holesterol se v krvi prenaša kot lipoproteinski
kompleksi (delci LDL). Celice sprejemajo delce LDL z receptorsko
posredovano endocitozo. Ko pride LDL v lizosome, se holesterol
sprosti, receptorji za LDL pa se iz zgodnjih endosomov vrnejo v
plazmalemo.

V procesih endo- in eksocitoze sodelujejo številni vezikli, ki
prenašajo molekule v celico in iz nje ter posredujejo med celični¬
mi organeli. Za prenos molekul iz vezikla v celični organel je po¬
memben proces zlivanja membran. Transportni vezikli vsebujejo
specifične transmembranske proteine SNARE, ki se povezujejo s
proteini v membrani tarčnih organelov in omogočajo zlitje mem¬
bran.

55

LDL

RECEPTOR LDL

Slika 3.13: Receptorsko posredovana endocitoza lipoprote-
inskega delca LDL. Transport poteka s klatrinskimi vezikli z
recikliranjem receptorjev LDL in plazmaleme (Štrus, Splošna
zoologija, 1999)

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Ugotovite, kaj je vzrok za povečane količine holesterola
v krvi pri bolnikih z družinsko hiperholesterolemijo (FH).
Ali se vsi receptorji za ligande po endocitozi reciklirajo?
Poišči primere, kjer se receptorji razgradijo, in razloži,
zakaj. Ugotovi, kaj so proteini SNARE in kakšno vlogo
imajo pri zlivanju membran.

56

ČETRTO POGLAVJE

PRESNOVA IN ENERGIJSKI
PROCESI V CELICI

4.1 PROCESI PRESNOVE, DELOVANJE
ENCIMOV IN VITAMINOV

Presnova ali metabolizem je celota kemijskih reakcij v celi¬
ci. Celice so odprti sistemi in vzdržujejo dinamično ravnotežje
ali homeostazo. Za učinkovito presnovo je nujna izmenjava snovi
med celico in okoljem, ki poteka skozi celično površino ali skozi
specializirane organele. Z razgradnjo snovi, ki jih celice dobijo s
hrano in oksidacijo, se sprošča energija, proces imenujemo kata-
bolizem. V procesih sinteze ali anabolizma se energija porablja
za nastanek celici lastnih snovi. Energijsko bogate snovi se v ce¬
lici razgradijo v procesih bioloških oksidacij, kjer se sprošča
energija. Tvorba in poraba energije med presnovo sta osnovni za
delovanje celic. Največ energije se sprošča pri oksidaciji maščob
(39 kj/g), pri oksidaciji sladkorjev in beljakovin pa manj (17 kj/g).
Oksidacije lahko potekajo aerobno, v prisotnosti kisika, ali ana¬
erobno, brez kisika. Energija, ki se pri tem sprošča, se pretvori v
energijsko bogate vezi v molekulah, kot so nukleozid fosfati (ATP,
GTP), ali v ionske gradiente. Intenziteta presnove je med organizmi
različna. Počasne in sesilne živali imajo zelo nizek metabolizem,
živahne in gibljive pa visokega. Z respiracijskim kvocientom
<RQ) lahko določimo, katera vrsta organskih snovi se oksidira v
določenem času. RQ je razmerje med količino izdihanega C0 2  in
porabljenga 0 2  v enakem časovnem obdobju (RQ za sladkorje je 1,
za proteine 0,8 in za maščobe 0,7). Količino energije, ki se sprosti
pri oksidaciji določene količine snovi, pa lahko ugotovimo direk¬
tno iz porabe kisika.

Vse reakcije presnove imajo nekaj skupnih značilnosti: katalizira-
jo jih encimi, so univerzalne, vključujejo le nekaj osnovnih tipov
kemijskih reakcij, nadzorujejo jih regulacijski encimi, ki spremi¬
njajo aktivnost, potekajo v specifičnih celičnih organelih.

Encimi

Pospeševalci in regulatorji kemijskih reakcij so biokatali-
zatorji ali encimi, ki delujejo tako, da znižujejo aktivacijsko
energijo reakcij. Večina katalizatorjev so proteini, nekatere reak¬
cije pa katalizirajo tudi RNA molekule. Encimi nastajajo v celici,
razlikujejo se v strukturi in delovanju. Delimo jih glede na sub¬
strat, na katerega delujejo, in reakcijo, ki jo katalizirajo. V celici
je šest osnovnih skupin encimov: oksidoreduktaze katalizirajo
reakcije, v katerih se prenašajo elektroni (oksidaze, reduktaze),
transferaze katalizirajo prenos različnih kemijskih skupin (ki-
naze), hidrolaze cepijo kemijske vezi ob prisotnosti vode (fosfa-
taze, peptidaze - prebavni encimi), liaze katalizirajo razgradnjo

57

molekul brez prisotnosti vode (katalaza), izomeraze katalizirajo
prenose skupin med molekulami, ligaze povezujejo molekule ob
cepitvi energijsko bogatih vezi.

Za delovanje encima je potrebna ustrezna prostorska zgradba,
z aktivnim centrom, kamor se veže substrat. Encimi spreminjajo
konformacijo substrata. Pogoj za nastanek produkta je nastanek
kompleksa encim-substrat. Najpreprostejši model za razlago de¬
lovanja encima je model ključa in ključavnice, kjer se substrat
prilega aktivnemu mestu encima. Velikokrat pa ob vezavi substra¬
ta pride do spremembe v zgradbi obeh, to je model induciranega
prileganja. Veliko encimov ima za delovanje prostetično skupino,
neproteinski koencim, ki se veže na aktivni center. Vitamini so
pogosto predstopnje koencimov, ki jih višje živali lahko dobijo le
s hrano. Nekateri encimi imajo v aktivnem centru kovinske ione.
Posebnost encimov je njihova katalitična specifičnost za reakcijo
in substrat. Encimske reakcije potekajo v določenem okolju, kjer
sta pomembna dejavnika predvsem temperatura in pH. Večina ke¬
mijskih reakcij v celici poteka do temperature 40°C, pri višji tem¬
peraturi se encimi denaturirajo. Optimalni pH za delovanje večine
encimov je okrog 7, nekateri delujejo tudi v zelo kislem okolju
(hidrolaze, pepsin). Delovanje encimov lahko pospešujejo ali za¬
virajo tudi določene snovi, efektorjl, ki so produkti presnove.
Eden od efektorjev je tudi ATP. Če se poveča njegova koncentracija
v celici, se ustavi razgradnja substrata. Ko se poveča razgradnja
ATP, delujejo produkti AMP, ADP in fosfat kot aktivatorji in raz¬
gradnja substrata ter sinteza ATP se povečata. Mutacije vplivajo
na spremembe v zgradbi proteinov tako, da ti izgubijo katalitsko
aktivnost. Pri tem so lahko blokirane določene presnovne poti in s
tem normalno fiziološko delovanje organizma.

Vitamini

Vitamini so za organizem, ki jih ne more sintetizirati sam,
ključnega pomena. Dobiva jih s hrano, tako kot esencialne ami¬
nokisline in maščobne kisline. Potreba po vitaminih je pri živalih
različna. Večina živali lahko sintetizira vitamin C, opice, morski
prašički in človek ga dobijo s hrano. Vitamini so topni v vodi in
maščobah. V maščobah so topni: vitamin A (retinol) ščiti epitele
in je pomemben pri tvorbi vidnega pigmenta (retinal); vitamin D
(kalciferol) je steroid in regulira resorpcijo kalcija in fosfata v
organizmu; vitamin E (tokoferol) je antioksidant, ki zmanjšuje
toksičnost prostih radikalov v membranah, vitamin K (antihemo-
ragični vitamin) je pomemben za sintezo snovi, ki so potrebne
za strjevanje krvi. Ostali vitamini so topni v vodi in če so v prebit¬
ku, se lahko izločajo z urinom. Vitamini kompleksa B (B^B., B 12
in B g ), pantotenska kislina, niacin so pomembni koencimi, Bj,
B 2  in niacin predvsem pri celičnem dihanju, vitamin H (biotin) je
prostetična skupina encimov dekarboksilaz, vitamin C je biološki
redoks sistem, v citoplazmi in matriksu deluje kot antioksidant in
je pomemben za sintezo kolagena. Veliko vitaminov sintetizirajo
bakterije v prebavnem traktu, zato lahko večje količine antibioti¬
kov povzročijo pomanjkanje vitaminov.

58

4.2 PRESNOVA OGLJIKOVIH HIDRATOV,
MAŠČOB IN BELJAKOVIN

Hrana je osnovni vir energije, ki jo celice pridobivajo z razgra¬
dnjo različnih molekul.

Najpomembnejši vir energije so ogljikovi hidrati, rastline jih
sintetizirajo same, živali pa jih pridobivajo tako, da se hranijo z
drugimi organizmi. Razgradnja kompleksnih ogljikovih hidratov
do glukoze in naprej do vode in C0 2  omogoča postopno sprošča¬
nje energije, ki jo celica ohrani v sklopljenih reakcijah in uporabi
v procesih sinteze.

Celice shranjujejo organske snovi v različnih oblikah in jih
uporabljajo kot vir energije za celično delo. Živah shranjujejo
ogljikove hidrate kot glikogen v citoplazmi jetrnih in mišičnih ce¬
lic. Z razgradnjo glikogena celice pridobivajo glukozo, ki jo učin¬
kovito razgradijo v procesu celičnega dihanja. Maščobe so zelo
bogat in ekonomičen energijski vir, saj vsebujejo več energije in
so lažje od glikogena. V celicah so shranjene kot maščobne ka¬
plje v citoplazmi. Večinoma so prisotne v maščobnih celicah, v
jetrih se lahko kopičijo tudi kot posledica zastrupitve. Rjava ma¬
ščoba je prisotna pri dojenčkih in v tkivih živali, ki prezimujejo,
in je pomembna pri namenski tvorbi toplote za ohranjanje telesne
temperature. Posebne maščobne celice, ki so namenjene hitremu
sproščanju toplote, so rjave barve zaradi številnih mitohondrijev,
ki vsebujejo citokrome. V teh celicah med dihanjem ne nastaja
ATP, pač pa se sprošča veliko toplote.

Prebava ah razgradnja hrane v manjše molekule poteka s po¬
močjo prebavnih encimov in je lahko zunajcelična ah znotrajce-
lična, ki poteka v lizosomih. Kompleksne molekule se razgradijo v
enostavne sladkorje, maščobne kisline in aminokisline, ki se oksi¬
dirajo v citosolu in mitohondrijih (sl. 4.1).

Glukoza se v procesu glikolize v citosolu razgradi v moleku¬
li piruvata, ki prehajata v mitohondrij, kjer se dokončno oksidi¬
rata. Maščobne kisline, ki nastanejo z razgradnjo maščob, se v
mitohondriju oksidirajo v acetil-koencim A, ki se dalje oksidira v
procesu Krebsovega cikla. V Krebsov cikel vstopajo tudi produkti
razgradnje beljakovin.

Energija, shranjena v maščobah in ogljikovih hidratih, se spro¬
šča postopoma, v seriji reakcij, ki jih katalizirajo specifični enci¬
mi. Glikoliza je anaeroben proces razgradnje glukoze v piruvat, ki
poteka v citoplazmi. Celično dihanje je aerobna razgradnja hranil¬
nih snovi v celici do C0 2  in vode, ki poteka v mitohondrijih.

59

maščobe

maščobne

kisline

Slika 4.1: Shema prikazuje osnovne procese presnove, ki po¬
tekajo v citosolu in mitohondrijih (povzeto po Bolsover et al.,
Celi Biology, 2004)

C 6  (GLUKOZA)

FAZA

ATP\

ADP"

c 6 -®

ATPv

adp-T; '

®-c 6 —®

2 c,—®  (PGAL)

2 ATP

2 NAD,

2 C 3 (PIRUVIČNA KISLINA)
2NAD„\ / \ /2  NAD.

2 NAD„,

8

2 C 3

MLEČNA KISLINA

PRI VEČINI RASTLIN IN
MIKROORGANIZMOV

PRI ŽIVALIH IN

NEKATERIH

MIKROORGANIZMIH

60

Slika 4.2: Shematski prikaz glikolize in fermentacije (Štrus,
Splošna zoologija, 1999)

Glikoliza

Glukoza je stabilna molekula z veliko vsebnostjo energije
(2804 kj/mol). Razgradnja se začne z aktivacijo glukoze z ATP,
pri čemer nastane fosforilirana molekula glukoze. Potek glikolize
prikazuje shema (sl. 4.2).

Bistvene faze v glikolizi so:

1-  fosforilacija glukoze in izomerizacija v fruktozo (doda¬
tek 2ATP),

2- fosforilacija fruktoze,

3- cepitev v fosfotriozi (fosfogliceraldehid-PGAL),

4- oksidacija in fosforilacija trioze v difosfotrizo, redukcija
NAD (nastane NADH),

5- sinteza ATP ob defosforilaciji trioze (nastaneta 2 ATP),

6- destabilizacija fosfatne vezi v triozi,

7- defosforilacija, sinteza ATP in piruvične kisline (na¬
staneta 2 ATP),

8- fermentacija piruvične kisline.

Končni produkt glikolize sta dve molekuli ATP in piruvične ki¬
sline na molekulo glukoze. V anaerobnih pogojih se piruvična ki¬
slina v procesu fermentacije reducira (z uporabo NADH) bodisi v
mlečno kislino (živali) ali etanol (rastline in večina enoceličarjev).

Celično dihanje

V celicah evkariontov poteka aerobno celično dihanje v mito¬
hondrijih. Kisik je končni akceptor elektronov, encimi dihalne ve¬
rige v mitohondrijih pa s prenosom elektronov na kisik sproščajo
prosto energijo, vezano v NADH. Ta energija se porabi za sintezo
ATP. Proces imenujemo oksidativna fosforilacija, ATP pa nasta¬
ja s kemiosmotskim sklapljanjem. Aerobno dihanje je dolg proces,
ki poteka v petih fazah (sl. 4.3):

faza 1: glikoliza,

faza 2: oksidacija piruvične kisline v acetil koencim A,

faza 3: Krebsov ciklus,

faza 4: prenos elektronov v dihalni verigi,

faza 5: kemiosmotska sinteza ATP.

61

GLUKOZA

FAZA 1

GLIKOLIZA

2 ATP —* |

FRUKTOZA 1,6 - BIFOSFAT

1

2 PGAL

2 ATP -*—

FAZA 2
PIRUVIČNA
KISLINA V
ACETIL - CoA

FAZA 3

KREBSOV

CIKLUS

2 NAD„

2 NAD„

2 ATP

2 PIRUVIČNA KISLINA

■ 2 CO,

2 ACETIL KOENCIM A

2 ATP

FAZA 4

DIHALNA

VERIGA

FAZA 5
KEMIOSMOTSKA
SINTEZA ATP

28 ATP

Slika 4.3: Aerobno dihanje in energijska bilanca razgradnje
glukoze do C0 2  in H 2 0 (Štrus, Splošna zoologija, 1999)

Z glikolizo nastane v citoplazmi piruvična kislina, ki je ener¬
gijsko bogata spojina (2469 kj/mol) in skozi obe membrani preha¬
ja v matriks mitohondrija. V prisotnosti kisika se piruvična kislina
razgradi (multiencimski kompleks piruvat dehidrogenaze je v no¬
tranji membrani mitohondrija) v C0 2  in ocetno kislino, ki se veže
s koencimom A (derivatom pantotenske kisline) v acetil CoA. V re¬
akciji oksidacije nastaja NADH. Acetil CoA vstopa v serijo reakcij,
imenovanih Krebsov ciklus ali ciklus citronske kisline, ki poteka
v matriksu mitohondrijev. Krebsov cikel je središče oksidativnega
metabolizma, kjer se zbirajo oksidacijski produkti sladkorjev, ma¬
ščob in proteinov kot acetil CoA in se popolnoma oksidirajo v C0 2
in vodo. Pri tem nastajajo energijsko bogate molekule, reduciran
NAD (NADH) in FAD (FADH 2 ) ter molekula GTP.

Ciklus poteka tako, da se acetil koencim A poveže z oksal-
ocetno kislino v citronsko kislino (C 6 ). V seriji oksidacij citronske
kisline nazaj v oksalocetno se odcepita dve molekuli C0 2  vodikovi
atomi pa se vežejo s tremi molekulami NAD in eno molekulo FAD.
V Krebsovem ciklusu nastane tudi molekula GTP. Ker se glukoza
razgradi v dve molekuli piruvične kisline, za popolno oksidacijo
glukoze Krebsov ciklus poteče dvakrat, število končnih produktov
tega dela celičnega dihanja je tako dvakrat večje.

Večina energije, ki jo vsebuje glukoza (neto produkcija ATP do
te faze je le 4 molekule na glukozo), je v tej fazi shranjena v viso-
koenergijskih intermediatih NADH in FADH 2 .

62

Beljakovine so pomemben del živalske prehrane. Med prebavo
se razgradijo v aminokisline. Tiste, ki se ne porabijo za biosintezo
celičnih beljakovin, se z deaminacijo s pomočjo encimov amino-
transferaz (transaminaz) pretvorijo v glutamat ali aspartat.

Med stradanjem celice uporabljajo maščobe, saj so ob pomanj¬
kanju ogljikovih hidratov edini potencialni vir glukoze nekatere
aminokisline, ki se lahko pretvarjajo v glukozo v procesu gluko-
neogeneze.

4.3 PROIZVODNJA ENERGIJE V
MITOHONDRIJIH

V nadaljnjem procesu dihanja se energijsko bogati elektroni in
protoni, vezani v intermediatih (NADH in FADH 2 ), prenašajo na ki¬
sik v procesu dihalne verige (sl. 4.4), ki jo sestavlja serija encim¬
skih kompleksov, od katerih je največ citokromov, ki vsebujejo
železo. Encimi dihalne verige so razporejeni v notranji membrani
mitohondrijev. NADH prenaša elektrone v notranjo membrano do
kompleksa encimov NADH dehidrogenaze (iz 22 polipeptidov),
kjer se oksidira in odda elektron flavoproteinu, vodik pa se razce¬
pi v proton in elektron. Protoni se kopičijo v intermembranskem
prostoru mitohondrija, elektroni pa prehajajo na drug encim, ki
vsebuje FeS. Elektroni potujejo od donorja do akceptorja v smeri
naraščajočega redoks potenciala (afiniteta molekule do elektrona)
preko ubikinona (koencima Q) do kompleksa citokromov b-Cj (iz
8 polipeptidov) in na koncu do citokroma a 3 , ki je del kompleksa
citokrom oksidaze (iz 9 polipeptidov). Ta uporabi energijo pre¬
nosa štirih elektronov za oksidacijo kisika, ki se nato s protoni
veže v vodo, ki je končni produkt dihanja. Encimski kompleksi v
membrani mitohondrija delujejo kot protonske črpalke, protoni
se kopičijo v intermembranskem prostoru in ustvarjajo proton¬
ski gradient. Ta elektrokemijski (elektrostatski in osmotski) gra¬
dient na notranji membrani mitohondrija (negativno nabit matriks
in pozitivno nabit intermembranski prostor) deluje kot molekul¬
ska baterija, ki izkorišča razliko v naboju za sintezo ATP in druge
membranske procese (transport ionov in substratov). Koncentra¬
cija ADP v mitohondriju je pomembna za regulacijo hitrosti diha¬
nja. Kompleks ATP sintetaze (kompleks Fj) v notranji membrani
mitohondrija prenaša protone v smeri kemiosmotskega gradienta
in pri tem iz ADP in P, sintetizira ATP v procesu kemiosmotskega
sklapljanja. Celoten proces sinteze ATP imenujemo oksidativna
fosforilacija. Poskusi z različnimi tkivi kažejo, da z oksidacijo
ene molekule NADH lahko nastane 2,5 - 3 molekul ATP, z oksida¬
cijo molekule FADH 2  pa 1,5 - 2 molekul ATP. Celotna energijska bi¬
lanca aerobnega celičnega dihanja, vključno z glikolizo, je torej 32
- 38 ATP na molekulo glukoze, kar je 16-krat več energije iz gluko¬
ze kot pri glikolizi. Učinkovitost aerobnega dihanja z energijskega
stališča je torej okrog 35 %,  (glukoza vsebuje 2804 kj/mol, 32 ATP
ustreza 970 kj/mol), ostalo se sprosti kot toplota.

63

glukoza

Slika 4.4: Shema presnove ogljikovih hidratov v evkariont-
ski celici. Z glikolizo nastaneta v citosolu piruvat in NADH.
V anaerobnih razmerah se piruvat reducira v mlečno kislino
(ali v etanol v kvasovkah) v procesu fermentacije. V aerobnih
razmerah prehaja piruvat v matriks mitohondrija, kjer se de-
karboksilira in poveže s koencimom A, ki vstopi v Krebsov
cikel, kjer nastaneta NADH in FADH r  Elektroni iz teh molekul
prehajajo skozi dihalno verigo encimov v notranji membrani
mitohondrija do molekularnega kisika (0 2 ). Med prenosom ele¬
ktronov se sprošča energija, ki ustvarja protonski gradient in
omogoči sintezo ATP v procesu kemiosmotskega sklapljanja
(povzeto po Karp, Celi and Molecular Biology, 2004)

Oksidativni stres

Med aerobnim dihanjem prihaja tudi do nevarnosti nastajanja
kisikovih radikalov (sl. 4.5). V procesu oksidacije glukoze se ne
porablja ves kisik, približno 2 % se ga ne reducira v vodo, ampak
lahko tvori proste radikale, ki povzročajo poškodbe DNA, mem¬
bran in proteinov. Zelo reaktiven je superoksidni anion, ki nastaja
v dihalni verigi v mitohondriju. Encim superoksid dismutaza ga
pretvori v vodikov peroksid, ki se nato reducira v vodo. Prosti
radikali (ROS = reactive oxygen species), ki ostanejo, povzročajo
škodo v mitohondrijih, predvsem na encimih dihalne verige. Poleg
prostih kisikovih radikalov nastaja predvsem v možganskih celi¬
cah dušikov monoksid, ki s superoksidnim radikalom tvori pero-
ksinitrit, enega najmočnejših oksidantov v celici.

64

h 2 o + 0 2

Slika 4.5: Shema procesov, ki povzročajo oksidativni stres v
celici. Prosti radikali nastanejo kot produkt metabolizma in
delujejo na celične strukture in procese (povzeto po Storch V.
in VVelsch U., Kurzes Lehrbuch der Zoologie, 2005)

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Raziščite mehanizem oksidacije maščobe v rjavem ma¬
ščobnem tkivu. Ugotovite, zakaj se sprošča toplota in ne
nastaja ATP. Kako poteka presnova nukleotidov?
Ugotovite, katere membranske procese omogoča proton¬
ski gradient na notranji membrani mitohondrija.

4.4 BIOSINTETSKI PROCESI V CELICI

Osnovne sestavine kompleksnih molekul, kot so glukoza, ma¬
ščobne kisline, aminokisline in nukleotidi, se lahko po potrebi sin¬
tetizirajo iz drugih molekul. Glukoza lahko nastaja iz nekaterih
aminokislin (alanina), iz mlečne kisline ali iz glicerola. V procesu
glukoneogeneze nastaja glukoza iz piruvata, vendar je to ener¬
gijsko zahteven proces. V citoplazmi poteka sinteza nekaterih
maščobnih kislin, tako da se na začetku acetil CoA karboksilira v
malonil CoA in nato s pomočjo proteina APC, ki nosi acilni osta¬
nek, veriga maščobne kisline raste z dodajanjem enote iz dveh C
atomov. Nekatere maščobne kisline so esencialne in jih morajo se¬
salci dobiti s hrano. Aminokisline lahko nastajajo iz alfa ketokislin
z dodajanjem amino skupine s transaminazami. Proces transami-
nacije je pomemben za pretvarjanje aminokislin med sabo in za
nastanek alfa ketokislin (npr. s transaminacijo glutaminske kisline
nastane alfa ketoglutarna kislina, ki je pomemben intermediat v
Krebsovem ciklu).

Edmund Fischer, Edvvin Krebs, 1992, Nobelova nagrada za raz¬
iskave encimske aktivnosti s fosforilacijo/defosforilacijo.

65

PETO POGLAVJE

CELICNO OGRODJE IN
GIBLJIVOST CELIC

5.1 ZGRADBA IN FUNKCIJA
CITOSKELETA

Gibljivost je pomembna življenjska funkcija celic in eno naj¬
bolj vznemirljivih področij celične biologije. Celice se gibljejo na
različne načine in iz različnih vzrokov. Enoceličarji iščejo hrano
in partnerja, embrionalne celice potujejo v različne dele zarodka,
rakaste celice tvorijo metastaze, spermiji iščejo pot do jajčne celi¬
ce, v na videz mirujočih celicah lahko opazujemo gibanje celičnih
organelov. Skupna lastnost vseh naštetih primerov je prisotnost
celičnega ogrodja ali citoskeleta, ki vzdržuje čvrstost celice in
hkrati omogoča celično dinamiko. Citoskelet vzdržuje obliko celi¬
ce, omogoča gibanje celic in organelov, sodeluje pri celični delitvi,
omogoča pritrjanje celic in medcelično povezovanje. Citoskelet je
iz različnih strukturnih beljakovin, ki so razporejene v citosolu
kot omrežje različno organiziranih vlaken, povezanih z različnimi
motoričnimi proteini (sl. 5.1). Osnovni elementi celičnega ogrodja
so mikrotubuli, mikrofilamenti in intermediarni filamenti.

Mikrotubuli so cevaste strukture iz beljakovine tubulina,
premera 25 nm. Zgrajeni so iz 13 protofilamentov, ki jih tvorijo
nanizane dimerne molekule iz tubulina alfa in tubulina beta (sl.
5.2.a). Linearni protofilamenti se v vzporednih vrstah povezujejo
v cilinder (sl. 5.2b). Mikrotubuli so polarne strukture, ki se daljšajo
in krajšajo z dodajanjem in odvzemanjem dimerov tubulina. Mi¬
krotubuli se povezujejo v snope ali kompleksne strukture, kot so
bički in migetalke. Pomembni so za vzdrževanje celične oblike, gi¬
bljivost, razvrščanje organelov in celično delitev. Mikrofilamenti
so aktinski filamenti debeline 8 nm, ki nastanejo s polimerizacijo
globularnega aktina G. So dinamične strukture, vzdržujejo obliko
celice in omogočajo gibljivost. Povezani so s številnimi drugimi
proteini, predvsem z miozinom, troponinom in tropomiozinom v
mišičnih in drugih celicah s poudarjeno krčljivostjo (sl. 5.3). In¬
termediarni filamenti so pogosti v celicah vretenčarjev in imajo
vlogo zaščite in mehanske čvrstosti. Vlakna so premera 10 nm in
urejena v snope.

66

Slika 5.1: a) Citoskelet je iz kompleksnega tridimenzionalne¬
ga omrežja različnih vlaken, ki se razvejujejo v citosolu; b)
shema različnih organelov in veziklov, ki se s pomočjo moto¬
ričnih proteinov (kinezini, dineini) premikajo vzdolž mikrotu-
bulov (Štrus, Splošna zoologija, 1999).

Slika 5.2: Zgradba mikrotubulov: a) tridimenzionalna zgradba
heterodimera tubulina alfa in beta ; b) longitudinalni prerez mi-
krotubula iz 13 protofilamentov iz tubulinskih heterodimerov
(povzeto po Karp, Celi and Molecular Biology, 2004)

I_I

10 nm

Slika 5.3: Molekulska organizacija aktinskih filamentov, po¬
vezanih s troponinom in tropomiozinom v mišičnem vlaknu
(povzeto po Karp, Celi and Molecular Biology, 2004)

67

5.2. INTERMEDIARNI FILAMENTI

Intermediarni filamenti so “celične vrvi”, sestavljene iz več
kot 50 različnih proteinov. Za razliko od mikrotubulov in mikro-
filamentov, ki so v vseh celicah sestavljeni iz podobnih proteinov
(mikrotubuli iz tubulinov, mikrofilamenti iz aktinov), sestavlja in-
termediarne filamente zelo heterogena skupina tkivno specifičnih
proteinov. V epitelnih celicah se nahajajo keratini (kisli in nevtral¬
ni/bazični), ki se lahko organizirajo v trdne keratinske strukture,
kot so lasje, nohti, rogovi, ali pa tvorijo mehke keratine v citoplaz¬
mi epitelnih celic. V mišičnih celicah in fibroblastih so pogosti vi-
mentini, ki tvorijo obsežno omrežje med jedrom in plazmalemo.
Dezmin v mišičnih celicah je sestavina Z-linije med posameznimi
krčljivimi enotami. V živčnih celicah so prisotni nevrofilamenti
(NF-L, NF-M in NF-H proteini), ki so pomembna opora aksonov. V
matičnih celicah centralnega živčnega sistema je prisoten nestin.
Jedrni lamini tvorijo čvrsto jedrno lamino ob jedrnem ovoju večine
evkariontskih celic. Vsi proteini, ki tvorijo intermediarne filamente
imajo podobno zgradbo iz centralnega dela v obliki vijačnice alfa,
ki se končuje z amino- (glava) in karboksi- (rep) terminalnima delo¬
ma. Po dve enoti se med sabo ovijata v dimere, te se z zamikom in
antiparalelno povezujejo v tetramere, ki se povezujejo v protofila-
mente, ki tvorijo vrvičaste strukture iz osmih podenot (sl. 5.4).

Intermediarni filamenti v celicah tvorijo obsežno omrežje, ki
se razteza od jedra proti plazmalemi. Povezujejo se tudi z mikro¬
filamenti in mikrotubuli, jih stabilizirajo in tako povečujejo me¬
hansko stabilnost celice in vzdržujejo notranjo ureditev. Keratini
se pritjujejo na dezmosome in hemidezmosome in tako utrjujejo
povezave med celicami in stike celic s podlago.

monomer

O

o

nh 2  cooh

NH-,

NH

2 COOH

NH

2 COOH

dimer

tetramer

COOH

COOH

NH

COOH

NH

2

2

O

struktura intermediamega filamenta

Slika 5.4: Prikaz paralelnega povezovanja monomernih mo¬
lekul v dimere in antiparalelnega, zamaknjenega povezovanja
dimerov v tetramere, ki so osnovne podenote intermediarnih fi¬
lamentov (povzeto po Karp, Celi and Molecular Biology, 2004)

68

5.3 MIKROTUBULI

Živalske celice vsebujejo omrežje iz več tisoč mikrotubulov, ki
nastajajo v centrosomu ali mikrotubularnem organizacijskem cen¬
tru (MTOC). Centrosom je navadno ob jedru in vsebuje par centri-
olov (sl. 5.5), ki so urejeni v cilinder z razporeditvijo 9x3 mikrotu¬
bulov in obdani s pericentriolarno snovjo (centrosfero). Centrioli
imajo podobno zgradbo kot bazalna telesa bičkov in migetalk. Nji¬
hova vloga v celičnem ciklusu je slabo raziskana, so pa pomembni
za nastanek bičkov in migetalk. V centrosomu je prisoten tubulin
gama, ki inducira polimerizacijo mikrotubulov. Mikrotubuli so po¬
larni, negativni pol (-) mikrotubula je v centrosomu, polimeriza-
cija poteka tako, da se ob sodelovanju GTP dodajajo tubulinske
podenote v smeri proti pozitivnemu (+) polu, kjer mikrotubul ra¬
ste. Za mikrotubule je značilna dinamična nestabilnost, nekateri
rastejo hitro, drugi počasi, se skrajšajo in celo popolnoma razgra¬
dijo. Hitrost polimerizacije je odvisna od hitrosti hidrolize GTP.
Če se z GTP vezane tubulinske molekule dodajajo hitreje, kot se
hidrolizira GTP, mikrotubuli rastejo. Zelo hitremu spreminjanju
mikrotubulov lahko sledimo med razporejanjem kromosomov v
mitozi. Med mitozo se mikrotubuli reorganizirajo, tako da nastane
delitveno vreteno, ki omogoči ločevanje kromosomov.

Snovi, ki vplivajo na dinamiko mikrotubulov, so pomembne
tudi za obvladovanje rakastih celic. Kolhicin zavira sestavljanje
mikrotubulov in s tem blokira mitozo, taksol pa jih nepovratno
stabilizira in tako tudi preprečuje mitozo. Mikrotubuli se povezu¬
jejo s številnimi proteini, ki spreminjajo njihovo stabilnost. Naj¬
bolj poznani so proteini MAP, ki lahko usmerjajo mikrotubule na
določena mesta ali pa jih stabilizirajo na določenih mestih in tako
vzdržujejo polarnost celice (npr. aksoni in dendriti v nevronih).

Mikrotubuli imajo pomembno vlogo pri razporejanju celičnih
organelov in delovanju bičkov in migetalk. Pri tem sodelujejo raz¬
lični motorični proteini, predvsm kinezini in dineini. Kinezini
potujejo vzdolž mikrotubulov večinoma v smeri proti plus delu
mikrotubula, tako da transportirajo vezikle in celične organele
proti celični periferiji. Dineini transportirajo organele v smeri pro¬
ti centru celice, saj potujejo vzdolž mikrotubulov v smeri proti
minus delu. Kinezini na primer vzdržujejo mrežasto razporeditev
endoplazemskega retikuluma, dineini pa centralno lego Golgije-
vega aparata.

69

0.3 |xm

Slika 5.5: Struktura parnih centriolov, zgrajenih iz mikrotu-
bulov. Vidni so hčerinski centrioli, ki nastajajo v fazi S celične¬
ga cikla (povzeto po Karp, Celi and Molecular Biology, 2004)

Bički in migetalke (kinocilije) so večji, gibljivi izrastki
plazmaleme, ki vsebujejo mikrotubule in imajo pri živalih enako
osnovno zgradbo. Bički so lahko do dvajsetkrat daljši od mige-
talk (do 200 mikrometrov) in delujejo valujoče. Pod plazmalemo
je aksonema iz mikrotubulov in spremljajočih proteinov. Mikro-
tubuli so urejeni v vzorcu 9x2 + 2, kar pomeni, da je centralni
par obdan z dvojčki mikrotubulov na obodu aksoneme. Dvojčki
mikrotubulov so med sabo povezani s proteini neksini, med njimi
pa so dvojne ročice dineina (sl. 5.6). S centralnim parom so pove¬
zani preko radialnih ročic. Na bazi bička in migetalke je ob minus
delu mikrotubulov bazalno telo iz mikrotubulov, urejenih v vzorec
9x3, pomembno za organizacijo aksoneme. Gibanje migetalke je
posledica drsenja zunanjih dvojčkov mikrotubulov, energija izvi¬
ra iz hidrolize ATP, ki jo omogočajo molekule dineina z ATP-azno
aktivnostjo. Molekule dineina povežejo sosednje dvojčke in se gi¬
bljejo v smeri proti minus polu. Zato pride do drsenja tubula A v
dvojčku proti bazi tubula B v sosednjem dvojčku. Ker so dvojčki
povezani z neksinom, se upognejo in tako omogočijo koordinira¬
no delovanje migetalk (sl. 5.7).

70

PARAMECIJ (MIGETALKE) SPERMIJ MORSKEGA

MIKROTUBUL B
MIKROTUBUL A
NEKSIN

ZUNANJA_

DINEINSKA ROČICA

NOTRANJA-

PLAZMALEMA

CENTRALNA OVOJNICA
RADIALNE ROČICE
SREDIŠČNI PAR
MIKROTUBULOV

PODENOTA

TlIBULINA

Slika 5.6: Prečni prerez bička ali migetalke z razporeditvi¬
jo mikrotubulov v vzorcu 9x2 + 2 (Štrus, Splošna zoologija
1999)

smer gibanja'

delovni zamah

povratni zamah

Slika 5.7: Različne faze v delovanju migetalke. Migetalke de¬
lujejo v metakronalnih valovih; medtem ko so migetalke v eni
vrsti v delovni fazi zamaha, so migetalke v sosednji vrsti v
povratni fazi zamaha (povzeto po Karp, Celi and Molecular Bi-
ology, 2004)

71

5.4 MIKROFILAMENTI

Najpogostejši citoskeletni protein v celicah je aktin, v mišičnih
celicah predstavlja do 20 %  vseh proteinov. Največ aktina je pod
celično površino, kjer tvori terminalno omrežje, ki vzdržuje ce¬
lično obliko, omogoča gibljivost, sodeluje v citokinezi in usmerja
številne membranske procese. Aktinski filamenti so polarni, plus
del polimerizira do petkrat hitreje kot minus del, polimerizacija
poteka hitreje ob prisotnosti ATP in pomožnih proteinov (profi-
lin). Dinamično sestavljanje in razgrajevanje aktinskih filamentov
omogoča gibanje in spreminjanje oblike celice. Faloidin se veže
z aktinom in ga stabilizira, zato je primeren za prikaz aktina v
celici. Aktin se s pomočjo različnih proteinov lahko organizira v
snope ah omrežja. V snope je organiziran v mikrovilih, kjer sode¬
luje protein fimbrin, v omrežju pod membrano se aktin povezuje
s proteinom filaminom. Značilno obliko sesalčjih eritrocitov vzdr¬
žuje protein spektrin, ki se povezuje z aktinskimi filamenti. Pri
pritrjanju celic na podlago v kulturi sodelujejo stresna vlakna, ki
so iz aktina. Z aktinskimi pasovi se povezujejo tudi proteini pri-
ležnih medceličnih stikov, ki povezujejo sosednje celice v epite-
lijih (adherentne povezave). Celice tvorijo psevdopodije različnih
oblik, ki vsebujejo bogato aktinsko omrežje. Celično gibanje teme¬
lji predvsem na povezavi aktina in miozina. Miozin je motorični
protein, ki je v celicah lahko organiziran v filamente, kot npr. mi¬
ozin II v mišičnih celicah ah pa kot nizkomolekularni miozin I, ki
vsebuje globularni del in zelo kratek rep. Miozin I se lahko poveže
z vezikli ah celičnimi organeli in jih prenaša vzdolž aktinskih fi¬
lamentov. V celicah so še drugi tipi miozinov, katerih funkcije še
niso dobro poznane.

Celične migracije in ameboidno gibanje

Številni enoceličarji, ameboidne celice v večceličnem organiz¬
mu (npr. makrofagi) in embrionalne celice se gibljejo po podlagi in
potujejo v različne dele organizma.

Gibanje je koordinirano in vključuje zaporedje dogodkov. Na
vodilnem delu celice s polimerizacijo aktina nastajajo psevdopo-
diji ah podobne strukture, ki vsebujejo številne razvejane aktin-
ske filamente, povezane s pomožnimi proteini in tudi mikrotubu-
le. Psevdopodiji se pritrdijo na podlago s pomočjo fokalnih stikov.
Na te stike so vezana stresna vlakna iz aktina in miozina, ki pote¬
gnejo celico v željeno smer. Na koncu se zadnji del celice odcepi
od podlage, kar omogočajo majhni proteini, ki vežejo GTP.

Krčenje skeletne mišice

Najbolj raziskan proces, ki temelji na povezavi aktinskih in
miozinskih filamentov, je krčenje mišičnih celic. V mišičnih vla¬
knih skeletnih mišic so aktinski in miozinski filamenti organizi¬
rani v cilindrične snope, ki tvorijo miofibrile (sl. 5.8). Osnovna
strukturna in funkcionalna enota miofibrile je sarkomera, ki daje
skeletni mišici progast videz (sl. 5.9). Ureditev in vzdrževanje
strukture sarkomere omogočajo številni proteini, nebulin, titin,
alfa-aktinin (5.10). Model drsečih filamentov razlaga molekularni

72

mehanizem, kije osnova mišične kontrakcije (sl. 5.11). Miozinski
filamenti so iz več sto miozinskih molekul, ki so z repi povezane
v debeli filament (15 nm). Globularni deli miozina (glavice) se ve¬
žejo z aktinom tako, da tvorijo mostičke in s pednjanjem v smeri
plus konca aktinskih filamentov povzročijo drsenje aktina proti
središču sarkomere. Sarkomera se tako skrajša in mišica se skrči.
Za drsenje je potrebna energija, ki izvira iz hidrolize ATP. Miozin-
ske glavice vežejo in hidrolizirajo ATP. Med pomanjkanjem ATP je
miozin trdno povezan z aktinom. Z vezavo ATP pride do razpada
aktinsko-miozinskega kompleksa, do spremembe v strukturi mio¬
zina in do premika miozinske glavice. V nadaljevanju se produkti
hidrolize ADP in P, sprostijo z miozinske glavice, ki se veže na
drugo mesto na aktinskem filamentu in ko se vrne v prejšnjo kon-
formacijo, potegne aktin proti središču sarkomere.

Za signalizacijo krčenja mišice je potreben živčni impulz, ki
povzroči sproščanje kalcija iz sarkoplazemskega retikuluma, ki
obdaja mišično vlakno. S povečanjem koncentracije kalcija v cito-
solu pride do vezave kalcija s proteinom troponinom C, ki vpliva
na druge troponine (I in T) in posredno na tropomiozin, ki z iz¬
postavitvijo vezavnih mest na aktinskem filamentu omogoči po¬
vezavo aktina in miozina in s tem kontrakcijo. Tropomiozin se v
relaksiranem stanju prilega aktinskim filamentom.

sistem SR (sarkopiazemski relikulum)

Slika 5.8: Organizacija filamentov aktina in miozina v miofi-
brili prečno progastega mišičnega vlakna (povzeto po Storch
V. in Welsch U., Kurzes Lehrbuch der Zoologie, 2005)

73

cona H

SKRČENO

Slika 5.9: Zgradba sarkomere in njeno krajšanje med krče¬
njem prečnoprogaste mišice. Razlika v zgradbi sarkomere
sproščene in skrčene mišice. TEM posnetek vzdolžnega pre¬
reza sproščene in skrčene mišice (povzeto po Karp, Celi and
Molecular Biology, 2004)

NEBULIN

AKTIN

I

LINIJA Z

TITIN

UNIJA M MIOZIN

LINIJA Z

Slika 5.10: Shema sarkomere v prečno progastem mišičnem
vlaknu vretenčarjev (povzeto po Alberts et al., Molecular Bio-
logy of the Celi, 2002)

74

AKTIN

NAPERJENA

NASTANEK SILE

PRITRJENA

Slika 5.11: Molekulski mehanizem krčenja progastega mišič¬
nega vlakna; ciklične spremembe povezovanja miozinskih gla¬
vic z aktinskim filamentom (povzeto po Alberts et al., Molecu-
lar Biology of the Celi, 2002)

Theodore Boveri, 1888, prvi opisal centrosom.

Ronald Vale, Thomas Reese, Michael Sheetz, 1985, izolacija ki-
nezinov.

Andrevv Huxley, Ralph Niedergerke, 1954, model drsečih fila¬
mentov za razlago krčenja mišice.

Marc Kirschner, Tim Mitchinson, 1986, tvorba delitvenega vre¬
tena s selektivno stabilizacijo mikrotubulov.

Kenneth Holmes, VVolfgang Kabsch, 1990, določitev 3D struk¬
ture aktina.

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Poišči razlago za obolenja (npr. EBS), ki se izražajo kot lu¬
ščenje kože in zmanjšana mehanska stabilnost epitela. Ali
bi mutacije v zgradbi neksina vplivale na delovanje bičk¬
ov in migetalk? Razloži. Opiši zgradbo motorične ploščice
in prenos vzburjenja iz živca v mišično celico.

75

SESTO POGLAVJE

DEDNOST IN PRETOK
GENETSKE INFORMACIJE

6.1 NUKLEINSKE KISLINE, GENI IN
GENOM

Poleg nekaterih že omenjenih vlog v celičnem metabolizmu
imajo nukleinske kisline in njihovi gradniki nukleotidi ključno
vlogo pri prenosu dednih informacij med generacijami na eni stra¬
ni ter zgradbi in delovanju vsakega organizma na drugi strani.
Nukleotid sestavlja nukleozid in fosfatna skupina, ki sta povezana
z estrsko vezjo. Nukleozid tvori sladkorna molekula (riboza ali
deoksiriboza), na katero so z N-glikozidno vezjo vezane purinske
(adenin, gvanin) ali pirimidinske (timin, citozin, uracil) dušikove
baze. Nukleinske kisline so polimeri nukleotidov. Njihovo ogrodje
tvori fosfodiestrska vez med 5’ in 3’ C atomoma sladkornih mo¬
lekul dveh sosednjih nukleotidov. Nukleinska kislina ima polarno
zgradbo, 5’ konec (»five-prime end«) ima vezano fosfatno skupino,
3’ konec pa hidroksilno skupino.

Za hranjenje in prenos dednih informacij je ključna deoksiri-
bonukleinska kislina (DNA) iz sladkorja deoksiriboze in dušikovih
baz gvanina, citozina, adenina in timina. Molekula DNA je obliko¬
vana kot dvojna vijačnica premera 2 nm, katere verigi nukleotidov
potekata antiparalelno (sl. 6.1). Pri evkariontih je DNA v jedru, pri
prokariontih pa prosto v citoplazmi. Komplementarne dušikove
baze obeh verig so med seboj povezane z dvojnimi (A=T) ali troj¬
nimi (OG) vezmi. Delež nukleotidnih parov GC in AT v DNA raz¬
ličnih organizmov se razlikuje, zaradi cesarje omenjeno razmerje
uporabno tudi kot taksonomski znak.

76

s J*’

=»0  0«^-0
. . L| . . ^ O

GVANIN H CITOZIN C "S<A> ^š<^\

n. h-n  .. " f 1 * 1

GVANIN

Slika 6.1: Shematski prikaz molekularne zgradbe DNA (Štrus,
Splošna zoologija, 1999)

Pri evkariontih se DNA nahaja v jedrih celic v obliki linearnih
kromosomov. Teh je na primer pri človeku 46, pri čemer jih polovi¬
co podedujemo po očetovi in polovico po materini strani. Skupna
dolžina DNA vseh 46 kromosomov diploidne človeške celice je
približno 2 m. Ker je omenjena količina DNA omejena na prostor
celičnega jedra s premerom približno 10 pm, mora biti DNA zelo
zgoščena. Zgoščevanje DNA v kromatin poteka v več stopnjah,
kjer se DNA povezuje s histoni in nehistonskimi proteini. V prvi
stopnji kondenzacije se dvojna vijačnica DNA tesno navije okoli
oktamera histonskih proteinov in oblikuje strukturo, imenovano
nukleosom (sl. 6.2). Tesno navitje je posledica aminokislinske
sestave histonov (arginin in lizin), ki jim daje pozitiven naboj in s
tem privlačnost z negativno nabito DNA. V nukleosomu so histo¬
ni oblikovani v oktamere, ki jih tvorita po dve molekuli histonov
tipa H1A, HIB, H2 in H4. Okoli oktamera je približno enainpolkrat
navit del DNA dolžine približno 150 baznih parov. Med dvema
sosednjima histonoma so odseki povezovalne DNA (»linker DNA«)
dolžine približno 60 baznih parov. Tako organizirana DNA daje
videz verižice z razmaknjenimi nukleosomi (»beads on string«),
V drugi stopnji kondenzacije se peti tip histona, imenovan HI,
veže na prosto DNA med nukleosomi ter jih poveže v kromatinska
vlakna premera 30 nm, imenovana tudi solenoidi. V naslednjih
stopnjah nehistonski proteini omogočijo dodatno zvijanje sole-
noidne strukture najprej v spiralasto obliko, kasneje pa v tvorbo
izredno zgoščene (supernavite) oblike.

77

del dvojne
vijačnice DNA

niz nukleosomov


vezava nukleosomov
in histonov H1
v solenoide

nezgoščen del
kromosoma

zgoščen del
kromosoma

celoten metafazni
kromosom

2n m
1

T

11 nm

t

I

30 nm

I

f

300 n m

1

700 nm

I

T

1400 nm
1

Slika 6.2: Stopnje kondenzacije kromatina (povzeto po Al-
berts et al., Essential Celi Biology, 2004)

V jedrih interfaznih celic je kromatin v dveh oblikah. Evkro-
matin je nezgoščena oblika kromatina, ki omogoča dostopanje
transkripcijskim encimom do DNA, s katere se prepisuje dedna
informacija. Heterokromatin pa je zelo zgoščena in zato tran-
skripcijsko neaktivna oblika kromatina. Ta je zaradi gostote na
mikrografijah videti temnejši od evkromatina in se navadno raz¬
poreja ob notranji strani jedrnega ovoja.

Tik pred celično delitvijo pride do dodatne kondenzacije kro¬
matina, ki privede do nastanka metafaznih kromosomov, ki so vi¬
dni s svetlobnim mikroskopom. V tej fazi je DNA celice podvojena,
zato je vsak od kromosomov sestavljen iz dveh enakih kromatid.
Ti se ob delitvi razporedita v hčerinski celici in zagotovita, da vsa¬
ka prejme celotno garnituro kromosomov materinske celice.

Celice evkariontov so praviloma diploidne in vsebujejo dvoj¬
no garnituro kromosomov, urejeno v homologne pare, pri čemer
en kromosom v paru podedujemo od matere in drugega od očeta.
Metafazni kromosomi evkariontov imajo nekatere strukturne zna¬
čilnosti, ki omogočajo njihovo razlikovanje in oblikovanje vrstno
specifičnih kromosomskih kart ali kariotipov. Kromatidi sta med
seboj povezani na mestu centromera ali primarnega zažetka

78

(sl. 6.2). Tik ob centromeru je na kromatin vezan proteinski kom¬
pleks, imenovan kinetohor, na katerega se pritrjujejo mokrotu-
buli delitvenega vretena. Končni deli kromatid so telomere, ki
ohranjajo strukturno stabilnost koncev DNA v kromosomu. Telo¬
mere se pri večini celic z vsako delitvijo krajšajo in s tem omejuje¬
jo število celičnih ciklov. Tako preprečujejo nekontrolirano delitev
celic, ki lahko privede do nastanka raka. Centromer in telomere
tvorijo daljši nekodirajoči deli DNA v obliki ponavljajočih se se¬
kvenc. Geni za rRNA so na kromosomu razporejeni v predelu nu-
kleolus organizatorja.

Pri večini prokariontov je DNA v obliki krožnega kromosoma.
Ta se na določenem mestu pripenja na celično membrano, preo¬
stanek pa se v obliki zgoščenega nukleoida nahaja prosto v cito¬
plazmi prokariontske celice. Prokarionti nimajo histonov, zato pri
kondenzaciji nukleoidne DNA sodelujejo drugi histonom podobni
proteini. Njihova količina in z njo povezana stopnja kondenzacije
DNA je pri prokariontih DNA bistveno manjša kot pri evkariontih.
Prokarionti tudi nimajo delitvenega vretena. Enakomerno razpore¬
janje kromosomov v hčerinski celici ob delitvi prokariontov zato
omogočijo drugi mehanizmi. Podvojena kromosoma sta pritrjena
na celično membrano in posebni proteini omogočijo razporeditev
posameznega kromosoma v vsako prokariontsko hčerinsko celi¬
co.

Vso dedno informacijo nekega organizma imenujemo genom.
Pri evkariontskih organizmih, kjer se DNA ne nahaja samo v jedru,
ampak tudi v mitohondrijih in pri rastlinah tudi v kloroplastih,
zato razlikujemo jedrni, mitohondrijski in kloroplastni genom. Pri
diploidnih organizmih je genom nabor dedne informacije enojne
(haploidne) garniture kromosomov, npr. genom človeka je iz 23
kromosomov.

Genom sestavljajo geni in nekodirajoča zaporedja DNA.

Gen je temeljna enota dednega materiala, ki ima zapis za genski
produkt. Gen se nahaja na določenem mestu v kromosomu - kro¬
mosomski (genski) lokus. Če ima nek gen več različic, jih imenu¬
jemo aleli, na primer gena istega lokusa na homolognih kromo¬
somih sta alela. Genski produkt gena je lahko mRNA, ki se nato
prevede v aminokislinsko zaporedje (strukturni geni), rRNA, ki
tvori ribosome (ribosomski geni), tRNA, ki igra ključno vlogo pri
sintezi proteinov, ali druge molekule RNA, ki so pomembne pri
regulaciji izražanja genov. Med nekodirajoča zaporedja RNA uvr¬
ščamo regulacijska zaporedja. Ta se ne prepisujejo, temveč služi¬
jo encimom in drugim proteinom za označevanje razpoznavnih
mest za podvajanje, prepisovanje, popravljanje in druge procese
na DNA. Preostanek genoma je sestavljen iz nekodirajoče DNA,
katere funkcija še ni povsem pojasnjena, kljub temu da tvori ve¬
čino evkariontskih genomov (pri človeku na primer od 80 do 90 %
celotnega genoma). V nekodirajoči DNA najdemo tudi krajša pona¬
vljajoča se zaporedja nukleotidov. Ta so lahko ponovljena tudi več
milijonkrat in se imenujejo satelitska DNA. Nekodirajoče dele DNA
najdemo tudi znotraj evkariontskih genov. Imenujejo se introni
in se pred prehodom mRNA iz jedra v citoplazmo izrežejo. Kodi-

79

rajoči deli genov eksoni pa tvorijo mRNA strukturnih genov in se
prepisujejo v aminokislinska zaporedja. Tudi pomen intronov ni
v celoti pojasnjen. Po vsej verjetnosti je njihova prednost v lažji
rekombinaciji delov DNA, ki kodirajo isti protein, kar omogoča hi¬
trejšo evolucijo genov in z njo povezano sposobnost prilagajanja.
Poleg tega različno izrezovanje intronov omogoča nastanek različ¬
nih mRNA iz ene same prekurzorske mRNA (v nadaljevanju).

Najmanjši genom med prostoživečimi organizmi imajo bakte¬
rije rodu Mycop\asma,  kije iz manj kot 600 000 nukleotidov, med¬
tem ko je velikost genoma večine bakterij nekaj milijonov nukle¬
otidov (sl. 6.3). Genomi evkariontov so bistveno večji, saj večina
poznanih evkariontskih genomov, vključno s človeškim, obsega
med 10 8  in 10 10  nukleotidov. Velikosti evkariontskih genomov so
zelo različne. Tako je na primer genom kvasovk velik le 10 7  nu¬
kleotidov, medtem ko ta pri nekaterih amebah, rastlinah in ribah
obsega celo več kot 10 11  nukleotidov, kar kaže, da velikost genoma
ne odraža kompleksnosti organizma. K velikim razlikam med ge¬
nomi prokariontov in evkariontov poleg večjega števila struktur¬
nih genov pri slednjih prispeva zlasti odsotnost intronov pri pro-
kariontih ter velike količine nekodirajoče DNA pri evkariontih.

MEHKUŽCI
RIBE HRUSTANČNICE I
RIBE KOSTNICE

DVOŽIVKE

PLAZILCI
PTICE
SESALCI

morski pes

žaba

I

človek

pupek

10 5

i mm

10 6

i 11 mu

10 7

i i mm

10 8

I I Milil

10 9

10 10

i Mimi

10

11

I I Hilli

10 12

Slika 6.3: Primerjava velikosti genomov nekaterih organiz¬
mov (povzeto po Alberts et ah, Essential Celi Biology, 2004)

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Kaj določa prostorsko zgradbo nukleinskih kislin? Poišči
podatke o poskusih, s katerimi so raziskovalci F. Grifith,
O. Avery, M. McCarty in C. MacLeod opredelili vlogo DNA.

Kateri evkariontski genom je bil prvi sekveniran? Primer¬
jaj število genov v genomu bakterije E. coli,  vinske mu¬
šice in človeka. Ugotovi, kako znanstveniki poimenujejo
gene.

80

6.2 IZRAŽANJE GENSKE INFORMACIJE
(EKSPRESIJA GENOV)

Zaporedja nukleotidov v strukturnih genih DNA kodirajo li¬
nearna zaporedja aminokislin v proteinih. Skupina treh zapore¬
dnih nukleotidov, imenovana kodon, kodira eno od 20 osnovnih
aminokislin. Ker je dedna informacija v DNA zapisana kot kombi¬
nacija štirih različnih nukleotidov (G, A, C in T), je vseh možnih
kombinacij nukleotidov v kodonih 64 (4 x 4 x 4). Omenjenih 64
tripletov nukleotidov tvori genski kod (sl. 6.4). Genski kod je
univerzalen, saj je pomen posameznih kodonov praktično enak
pri vseh organizmih. Genski kod je tudi degeneriran, saj veliko ve¬
čino aminokislin kodira več različnih kodonov. V kodonu sta tako
za kodiranje aminokisline ključna prva dva nukleotida, tretji pa je
v okviru kodonov, ki kodirajo isto aminokislino lahko različen in
ga zato imenujemo opotekavi nukleotid. Trije kodoni v kodu ne
kodirajo aminokislin. Pravimo, da so nesmiselni ali stop-kodoni in
določajo konec polipeptidne verige.

Slika 6.4: Genski kod. Tripleti nukleozidov v mRNA (U: uridin,
A: adenozin, C: citidin, G: gvanidin) kodirajo sledeče aminoki¬
sline: Phe: fenilalanin, Leu: leucin, Ile: izoleucin, Met: metio-
nin, Val: valin, Ser: serin, Pro: prolin, Thr: treonin, Ala: alanin,
Tyr: tirozin, His: histidin, Gnl: glutamin.Asn: asparagin, Lys:
lizin, Asp: asparaginska kislina, Glu: glutaminska kislina, Cys:
cistein, Trp: triptofan, Arg: arginin, Gly: glicin, t.k.: stop kodo¬
ni (Štrus, Splošna zoologija 1999)

Ker so aminokisline kodirane s tremi nukleotidi, je lahko zapo¬
redje nukleotidov v mRNA prebrano v treh bralnih okvirjih. Tako
lahko posamezna mRNA kodira tri različna zaporedja aminoki¬
slin, odvisno od začetka branja, pri čemer je za sintezo končnega
proteina pravilno le eno. Začetek branja nukleotidnih tripletov je
kombinacija nukleotidov AUG ali start-kodon (AUG), ki pri evkari-
ontih sicer kodira aminokislino metionin.

81

Zaporedje aminokislin v proteinih določa DNA, za sintezo pro¬
teinov pa je potrebno posredovanje ribonukleinskih kislin (RNA),
ki so iz ribonukleotidov, sestavljenih iz riboze in uracila, ki nado¬
mešča timin. Tudi v RNA so nukleotidi povezani s 5’-3’ fosfodiestr-
sko vezjo. RNA se ne ureja v dvojno vijačnico, temveč je pravilo¬
ma v obliki enojne verige. Zaradi povezovanja krajših homolognih
delov iste RNA molekule se pogosto lahko oblikujejo zanke in
druge sekundarne strukture. Poznanih je več tipov RNA, ki imajo
v celici različne vloge. Informacijska ali mRNA je prepis nukleo-
tidnega zaporedja gena z DNA in informacija za prevod genskega
zapisa v protein, ki poteka na ribosomih. Molekula mRNA je različ¬
no dolga in pogosto povezana s proteini. Ribosomska ali rRNA s
proteini tvori ribosomski podenoti, v katerih ima poleg strukturne
tudi encimsko funkcijo pri sintezi proteinov. Prenašalna ali tRNA
je iz 70 do 90 nukleotidov in ima posebno obliko iz štirih zank,
z nekomplementarnimi bazami in pet predelov, kjer se komple¬
mentarne baze med seboj povezujejo (sl. 6.5). Pomembna je za
prenos ustreznih aminokislin do mesta prevajanja na ribosomih.
Aminokislina se veže na 3’ terminalni del, druga zanka pa vsebuje
baze, ki tvorijo antikodon, ki se med sintezo beljakovin poveže
s kodonom mRNA. V različnih stopnjah proteinske sinteze sode¬
lujejo tudi krajše molekule RNA, ki so z beljakovinami vezane v
ribocime, ribonukleinske komplekse z encimskimi lastnostmi. Ti
na primer omogočajo prehod polipeptidov v endoplazemski reti-
kulum, sodelujejo pri izrezovanju intronov ob procesiranju mRNA
in kemičnih modifikacijah rRNA.

ANTIKODON

OPOTEKAVI^

NUKLEOTID

/G A

m

^T-p s
G C

' c 'y^ a

C

i

C

I

A 3 '

Slika 6.5: Zgradba prenašalne RNA (mRNA): a) shema sekun¬
darne zgradbe s štirimi ročicami, ki so urejene v obliki dvojne
vijačnice, in štirimi zankami, kjer je molekula enovijačna (A:
adenin, C: citozin, P: psevdouridin, R: purinska baza, T: riboti-
midin, V: spremenjen purin, Y: pirimidin);
b) tridimenzionalni model tRNA (Štrus, Splošna zoologija,
1999)

Mehanizem izražanja ali ekspresije genske informacije je se¬
stavljen proces, v katerem se genska informacija kodirajoče verige

82

DNA najprej prepiše v mRNA, ki informacijo prenese do riboso-
mov v citoplazmi, kjer se ob sodelovanju tRNA prevede v amino¬
kislinsko zaporedje.

Proces prepisa ali transkripcije nukleotidnega zaporedja iz
DNA v mRNA katalizira encimski kompleks, imenovan polimera-
za RNA, ki ga sestavlja šest podenot. Ta se veže na zaporedje DNA
tik pred strukturnim genom, imenovano promotor, kjer odvije
dvojno vijačnico DNA in razklene obe verigi DNA (sl. 6.6). Polime-
raza RNA se usede na matrično verigo, po kateri se pomika v smeri
od 3’ proti 5’ koncu. Ob tem katalizira sintezo 5’-3’-fosfodiestrskih
vezi med nukleotidi in nastanek komplementarne verige mRNA z
nasprotno polarnostjo (5’-3’). Ob drsenju vzdolž DNA polimeraza
RNA sproti odvija dvojno vijačnico in razpira obe verigi, ki se za
njo ponovno povezujeta in zavijata v dvojno vijačnico. Ko poli¬
meraza doseže zaporedje nukleotidov na koncu gena, imenovano
terminator, se loči od DNA in tako konča prepisovanje. Še zadnji
nepovezani komplementarni nukleotidi DNA se povežejo in tvori¬
jo dvojno vijačnico.

5 '

Slika 6.6: Transkripcija DNA v mRNA (Štrus, Splošna zoologi¬
ja, 1999)

Mehanizem prepisovanja mRNA je univerzalen za vse organiz¬
me, kljub temu pa obstajajo nekatere razlike med prepisovanjem
prokariontske in evkariontske mRNA (sl. 6.7). Pri prokariontih
se nukleoid nahaja v citoplazmi, zato se lahko ribosomi vežejo
neposredno na novonastajajočo verigo mRNA ter prično s preva¬
janjem v aminokislinsko zaporedje. Evkarionti imajo tri različne
tipe RNA polimeraze. Prepis večine rRNA katalizira polimeraza I,
polimeraza II katalizira prepis strukturnih genov in RNA nekaterih
ribocimov, medtem ko polimeraza III prepisuje tRNA. Poleg tega
se pri evkariontih primarno prepisana ali prekurzorska mRNA v
jedru pred prenosom v citoplazmo še predela oziroma procesira.
Primarnemu prepisu mRNA se na 5’ koncu doda metilgvanozin,
imenovan kapa (ang. »cap«), na 3’ koncu pa zaporedje od 100 do
200 adeninskih nukleotidov, imenovano rep (ang. »poIy-A tail«). Iz
prekurzorske mRNA se izrežejo tudi nekodirajoči introni, kodira¬
joči eksoni pa se s pomočjo ribocima snRNP povežejo v zrelo ali
funkcionalno mRNA, ki zapusti jedro.

83

(A) EVKARIONTI

Slika 6.7: Primerjava proteinske sineze v evkariontski in pro-
kariontski celici (povzeto po Alberts et al., Molecular Biology
of the Celi, 2002)

Prevajanje ali translacija je proces dekodiranja nukleotid-
nega zaporedja mRNA v aminokislinska zaporedja. Poteka na ri-
bosomih, v procesu sodelujejo še mRNA, tRNA in številni encimi.
Ribosomi so ribonukleoproteinski kompleksi iz rRNA, encimov in
strukturnih proteinov, ki oblikujejo dve podenoti (sl. 6.8). Ribo¬
somi prokariontov so velikosti 70 S, ribosomi evkariontov pa so
nekoliko večji in so 80 S (S = enota hitrosti usedanja pri ultracen-
trifugiranju). Večjo podenoto ribosoma prokariontov (50 S) sesta¬
vljata molekuli 5 S in 23 S rRNA ter 34 proteinov, manjšo (30 S) pa
16 S rRNA in 21 proteinov. Pri evkariontih je večja podenota (60 S)
sestavljena iz 5 S, 5,8 S in 28 S rRNA ter 49 proteinov, manjša (40S)
pa iz 18 S rRNA in 33 proteinov.

84

RIBOSOMI PROKARIONTOV

/

1500

nukleotidov nukleotidov

-21 PROTEINOV

RIBOSOMI EVKARIONTOV

\

18S RNK

2000

nukleotidov

v

-33 PROTEINOV


5,SS RNK 1SS  RNK 6S RNK

5000

nukleotidov

V

-45 PROTEINOV

Slika 6.8: Zgradba ribosomov prokariontov (70S) in evkarion-
tov (80S) (Štrus, Splošna zoologija, 1999)

Prenašalna ali tRNA prenaša aminokisline do ribosoma. Na
srednji zanki ima antikodon, zaporedje treh baz, ki so komple¬
mentarne zaporedju kodona na mRNA. Pred vezavo na 3’ konec
tRNA aminokisline aktivira encim aminoacil tRNA sintetaza ob
prisotnosti ATP, nastala struktura pa se imenuje aminoacil-tRNA.
V ribosomu sta dve vezavni mesti za tRNA, A in P. Na mesto A
(aminoacil mesto) se pritrjujejo ustrezne aminoacil-tRNA, na me¬
stu P (peptidil mesto) pa je tRNA z vezanim rastočim zaporedjem
aminokislin.

Prva stopnja translacije je iniciacija (sl. 6.9). Ta se prične z
nastankom iniciacijskega kompleksa, ki ga tvorijo manjša ribo-
somska podenota, posebni proteini (iniciacijski faktorji), mRNA
in iniciacijska tRNA. Ta je vezana na mesto P manjše podenote
ribosoma, medtem ko je mesto A v tej fazi še nezasedeno. Inici¬
acijska tRNA pri evkariontih prenaša aminokislino metionin, pri
prokariontih pa formilmetionin. Obe se v kasnejših fazah sinteze
peptidov encimsko odstranita. Nastali kompleks se veže na 5’ ko¬
nec mRNA tako, da rRNA manjše podenote prepozna komplemen¬
tarna mesta na mRNA. Omenjeni kompleks nato drsi proti 3’ koncu
mRNA, dokler antikodon iniciacijske tRNA ne prepozna start ko¬
dona (AUG) na mRNA. Ob vezavi kodona in antikodona se komple¬
ksu priključi še večja ribosomska podenota in iniciacijska faza se
s tem zaključi.

85

RIBOSOM

Slika 6.9: Translacija: a) ribosom z mestoma P (peptidil) in
A (aminoacil), manjša podenota je povezana z mRNA; b) prva
aminoacil-tRNA je na mestu P, druga molekula prihaja na me¬
sto A; c) povezava aminokislin s peptidno vezjo; d) sprostitev
prve tRNA z mesta P; e) druga aminoacil-tRNA se prenese na
mesto P (Štrus, Splošna zoologija, 1999)

Translacija se nadaljuje kot elongacija, pri kateri se ribosom
pomika proti 3’ koncu mRNA tako, da se na mesto A ribosoma do¬
dajajo nove tRNA z antikodoni, ki ustrezajo zaporedju na mRNA.
Vezavo aminokisline na mestu A z aminokislino na mestu P ka-
talizira encim peptidil transferaza, ki je večja RNA molekula (ri-
bocim) velike ribosomske podenote. Pri procesu sodelujejo tudi
proteini, imenovani elongacijski faktorji, energijo pa zagotavlja
GTP. Ob tem se tRNA z mesta P sprosti, ribosom pa se pomakne
vzdolž mRNA za en kodon tako, da se tRNA z vezano peptidno
verigo prenese z mesta A na mesto P. Sproščeno mesto A pa zase¬
de naslednja tRNA z ustreznim antikodonom. Elongacija poteka,
dokler do mesta A ne pride stop-kodon (UAA, UAG, UGA), ki ustavi
podaljševanje peptidne verige. Proces uravnavajo proteini, imeno¬
vani terminacijski faktorji, ki se vežejo neposredno na stop-kodon
in spremenijo delovanje peptidil transferaze. Ob tem se peptidna
veriga sprosti z zadnje aminoacil tRNA na mestu P. Sprosti se tudi
mRNA in ribosom ponovno razpade na podenoti.

Tako pri prokariontih kot pri evkariontih je sinteza aminoki¬
slinskih zaporedij pospešena tako, da po isti mRNA hkrati drsi več
ribosomov. Ti oblikujejo strukturo, imenovano polisom. Hitrost
sinteze proteinov je pri evkariontih približno 2 aminokislini na
sekundo, pri prokariontih pa je ta hitrost tudi do desetkrat večja.

86

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Na primeru bioluminiscence, ki jo povzroča bakterija Vi-
brio fischeri,  ki se naseli v svetlobnih organih lignja, ra¬
zloži regulacijo prepisovanja gena za encim luciferazo.
Razišči katalitsko vlogo molekul RNA.

6.3 REGULACIJA SINTEZE BELJAKOVIN

V vseh celicah večceličnega organizma je enak genom. Kljub
temu se celice med seboj zelo razlikujejo, kar je posledica regu¬
lacije izražanja genov. Ta zagotavlja, da celice prevedejo le tisti
del dedne informacije, ki ga v danem trenutku potrebujejo, velika
večina genoma pa zaradi prihranka energije ostaja neizražena.

Izražanje genov pri evkariontih je lahko regulirano na več
nivojih. Tako lahko regulacija poteka v fazi transkripcije mRNA,
procesiranja mRNA in njenega transporta v citoplazmo, transla¬
cije, razgradnje mRNA ali dokončnega oblikovanja proteinov in
njihove aktivnosti. Proces ekspresije genov je na podoben način
nadzorovan tudi pri prokariontih.

Zaradi manjšega genoma in števila proteinov, ki jih kodira,
so mehanizmi regulacije genske ekspresije, zlasti na nivoju tran¬
skripcije mRNA, najbolje preučeni pri bakterijah. Pri prokariontih
so geni z informacijami za encime ali druge proteine, ki sodelu¬
jejo pri posameznem presnovnem procesu običajno skupaj, v isti
transkripcijski enoti - operonu. Vsa skupina genov določene me-
tabolne poti se zato praviloma prepiše v eno mRNA in informacije
se v enakem vrstnem redu, kot potekajo v metabolni poti, tudi
prevajajo. Prepisovanje skupine genov operona se začne nekoliko
pred prvim strukturnim genom v predelu DNA, kjer sta promotor
in operator. Promotorska regija je mesto DNA, kamor se veže po-
limeraza RNA. Med njo in prvim strukturnim genom leži operator,
kamor se veže regulacijski protein (efektor), ki sproži (aktivator)
ali zavre (represor) prepisovanje RNA strukturnih genov.

Izražanje strukturnih genov je nadzorovano z vplivom na ak¬
tivnost efektorja in njegovo vezavo na operator. V primeru ne¬
gativne regulacije vezava represorja prepreči/prekine prepis
mRNA. V primeru pozitivne regulacije vezava regulacijskih pro¬
teinov na del DNA pred promotorjem omogoča vezavo polimeraze
RNA in s tem začetek prepisa mRNA (sl. 6.10).

87

<A) NEGATIVNA REGULACIJA

vezava repreeorakega proteina preprečuje prepis

(BI POZITIVNA REGULACIJA

vezava atttvatorsKega proteina sproži prepis

vezava

liganda

odstrani

reguiatomi

protein

z DNA

L

vezava

liganda

omogoči

vezavo

regulatornega

proteina

na DNA

ni prepisa gena

odstranitev liganda (torepresorja)
odstrani reguiatomi protein (repreeor)
z DNA in sproži prepis gena

odstranitev Uganda
odstrani akttartorski
protein m prekine
prep«gena

Slika 6.10: Mehanizmi regulacije prepisa genov pri prokarion-
tih. Vezava liganda lahko sproži prepis gena z inaktivacijo re-
presorskega proteina (zgoraj levo) ali aktivacijo aktivatorske-
ga proteina (spodaj desno). Vezava inhibitornega liganda pa
prepreči prepis z inaktivacijo aktivatorskega proteina (zgoraj
desno) ali aktivacijo represorskega proteina (spodaj levo),
(povzeto po Alberts et ah, Molecular Biology of the Celi,
2002 )

Negativna regulacija operonov je lahko uravnana na dva nači¬
na: z indukcijo ali s korepresijo. Induktor je snov, ki se veže
na represor tako, da ta ne more zavirati začetka prepisa in tran¬
skripcija lahko poteka. Tako je uravnan laktozni operon bakterije
Escherichia coli,  katerega induktor je laktoza. Ob odsotnosti lak¬
toze v celici je represor vezan na operator in preprečuje prepis
encimov za razgradnjo laktoze. Ko pa je laktoza v celici prisotna,
se veže na represor in s tem onemogoči njegovo vezavo na opera¬
tor tako, da se lahko prične sinteza encima za razgradnjo laktoze.
Korepresor je snov, ki aktivira represor in mu tako omogoči, da
prekine prepisovanje operona. V primeru korepresije je operon
normalno aktiven in šele prisotnost korepresorja omogoči re¬
presijo. Korepresor je pogosto končni produkt metabolne poti, ki
jo katalizirajo encimi, kodirani v operonu, ki je uravnan s tem
korepresorjem. Tak je primer regulacije bakterijske sinteze ami¬
nokisline triptofana, kjer je triptofan korepresor. Ko je triptofana
v celici dovolj, se veže na represor in ga aktivira. Tako aktiviran
represor pa se veže na operator operona za sintezo triptofana in
jo prekine.

Pozitivna regulacija je znana zlasti pri bakterijskem metabo¬
lizmu sladkorjev. Ko ima celica na primer na voljo energijsko ugo¬
dnejši sladkor glukozo, ta preprečuje indukcijo operonov za raz¬
gradnjo vseh drugih sladkorjev. Proces je nadzorovan posredno
preko proteina CAP. Njegovo aktivacijo in vezavo na DNA omogoči
šele vezava cAMP, katerega količina je v obratnem sorazmerju s
količino glukoze v celici. Ko količina razpoložljive glukoze pade

88

in se v celici poveča količina cAMP, pride do sinteze kompleksa
CAP-cAMP, ki deluje kot aktivator. Veže se na DNA pred promotor-
jem in omogoči vezavo polimeraze RNA na promotor ter začetek
prepisa operonov, ki kodirajo gene za razgradnjo drugih sladkor¬
jev (na primer laktoze). Laktozni operon ima tako pozitivno in
negativno regulacijo. Drugi način pozitivne regulacije pa je, da na
DNA vezani aktivatorji normalno omogočajo vezavo polimeraze
RNA na promotor in s tem prepis genov v operonu. Vezava določe¬
nih snovi na aktivatorje pa te blokira, zato se povezava aktivatorja
z DNA prekine, s čimer je prekinjena tudi transkripcija struktur¬
nih genov.

Regulacija genske ekspresije pri evkariontih, zlasti pri večce-
ličnih, je bolj zapletena. Posamezna celica mora poleg razmer v
okolju pri izražanju genov upoštevati tudi svojo specifično vlogo
v organizmu. Poleg zunanjih dejavnikov izražanje genov v večce-
ličnih evkariontskih organizmih nadzirajo tudi s hormoni. Poleg
tega evkariontska polimeraza sama ni sposobna prepoznavanja
promotorja, temveč za začetek prepisovanja potrebuje posebne
proteine, imenovane transkripcijski faktorji. Vezavo teh nadzirajo
številne druge molekule, vezane na DNA (ojačevalci), ki pa so od
promotorja lahko tudi zelo oddaljeni. Bistvena razlika je tudi po¬
vezava evkariontske DNA s histoni in njena organizacija v kroma-
tin, kar otežuje dostopnost do DNA in s tem njen prepis.

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Ugotovi, v čem se razlikujeta aktivni in neaktivni kromo¬
som X v ženski celici.

Razloži mehanizem delovanja virusa hepatitisa C. Kaj je
proteomika?

6.4 REPLIKACIJA, MUTACIJE IN
POPRAVLJANJE DNA

Pomembna lastnost DNA je njeno podvajanje (replikacija), ki
v celici poteka pred delitvijo jedra (mitozo). Produkt replikacije
je kopija dednega materiala, ki zagotavlja prenos celotne dedne
informacije na hčerinski celici. Replikacija je kompleksen encim¬
ski proces, v katerem se verigi DNA ločita tako, da se razklenejo
vodikove vezi med nukleotidi. Ker vsaka od verig služi kot matrica
za izdelavo nove, komplementarne verige, je vsaka podvojena vi¬
jačnica sestavljena iz stare in nove, komplementarne verige. Tak
način podvajanja imenujemo semikonzervativna replikacija.

Replikacija se prične tako, da specifični proteini prepoznajo
»ori« mesto DNA (replikacijska točka), kjer se začne podvajanje,
ki pa ni nujno na začetku DNA (sl. 6.11). Na tem mestu encimi
topoizomeraze odvijajo dvojno vijačnico, encim helikaza pa jo

89

odpira. Na mestu odprte stare (matrične) DNA nastane struktura,
imenovana replikacijske vilice, kjer se verigama začno dodaja¬
ti komplementarni nukleotidi. Za začetek replikacije je potrebno
približno deset nukleotidov dolgo zaporedje RNA, imenovano za¬
četnik (ang. »primer«), ki ga sintetizira encim primaza. Začetnik
je potreben za vezavo in delovanje encima polimeraze DNA. Ta
lahko nukleinske kisline le podaljšuje z dodajanjem novih nukleo¬
tidov v obliki deoksiribonukleotidnih fosfatov (dATP, dGTP, dTTP,
dCTP) na proste OH skupine 3’ konca obstoječe nukleotidne veri¬
ge, ni pa sposobna sintetizirati začetka verige. Polimerizacija no-
vonastajajoče verige DNA torej vedno poteka v smeri od njenega
5’ proti 3’ koncu.

ZASTAJAJOČA VRVICA

Slika 6.11: Replikacija DNA bakterijskega kromosoma: encim
RNA primaza sintetizira kratke odseke RNA (začetnike) vzdolž
enojne verige DNA. Encim DNA polimeraza III dodaja nukle¬
otide zvezno na vodilni vrvici in kot kratke segmente na za¬
stajajoči vrvici. Encim DNA polimeraza I odstrani začetnike in
jih zamenja z DNA. Encim DNA ligaza poveže fragmente nove
DNA (Štrus, Splošna zoologija, 1999)

Podvajanje na nasprotnih verigah matrične DNA, imenovanih
vodilna (ang. »leading«) in zastajajoča (ang. »lagging«) veriga,
poteka različno. Na vodilni verigi, ki se odvija in odpira v smeri
svojega 5’ konca, polimeraza lahko zvezno dodaja nukleotide. Na
zastajajoči verigi pa zaradi orientacije matrične DNA polimeraza
lahko dodaja le kratke, približno tisoč nukleotidov dolge fragmen¬
te DNA (Okazakijeve fragmente). Te nato encim ligaza poveže v
enotno verigo. Ko je dodajanje nukleotidov na obeh verigah kon¬
čano, polimeraza DNA odstrani še začetnike. Zaradi večje količi¬
ne dednine pri evkariontih replikacija DNA poteka na več mestih
hkrati.

Dejansko imajo organizmi več različnih polimeraz DNA. Tako
imajo prokarionti tri polimeraze DNA, evkarionti pa vsaj štiri ali
več. Vse polimeraze omogočajo podaljševanje nukleotidne verige
DNA v smeri od 5’ proti 3’ koncu DNA. Poleg tega imajo tudi ekso-
nukleazno aktivnost v smeri od 3’ proti 5’ koncu DNA. Ta omogoča

90

sprotno odstranjevanje morebitnih napačnih, (nekomplementar-
nih) nukleotidov na novonastajajoči verigi in njihovo zamenjavo
s pravimi (ang. »proofreading«). Poleg samopopravljalne lastnosti
polimeraze DNA obstajajo v celici tudi drugi mehanizmi popravlja¬
nja napačno podvojenih delov DNA. Tak je na primer mehanizem
izrezovalnega (ekscizijskega) popravljanja, pri katerem se iz
dvojne vijačnice odstrani od 12 do 14 nukleotidov dolg del enoj¬
ne DNA, v katerem je poškodba. Izrezani del nadomesti pravilno
prepisani del s homologne verige. Pri poškodbah obeh verig istega
odseka vijačnice DNA pa nastopi mehanizem rekombinacijske-
ga popravljanja, pri katerem se izgubljena informacija nadome¬
sti s sestrske kromatide. Mehanizem je kljub haploidnosti mogoč
celo pri bakterijah, saj imajo bakterije, ki se delijo, običajno dva
ali celo tri identične kromosome hkrati.

Mutacije so dedne spremembe genskega materiala. Nastajajo
lahko spontano, na primer kot posledica napak v replikaciji, saj
polimeraze DNA pri replikaciji na približno vsakih sto tisoč nu¬
kleotidov vgradijo napačen nukleotid. Zaradi eksonukleazne ak¬
tivnosti polimeraze DNA in tako zmožnosti popravljanja lastnih
napak je dejanska frekvenca napak pri replikaciji minimalna (1
od 10 10  nukleotidov). Poleg tega pri odpravljanju napak sodeluje¬
jo tudi drugi mehanizmi. Kljub temu določen delež napak ostane
nepopravljen. Mutacije so lahko tudi inducirane z izpostavitvijo
celic mutagenim dejavnikom. Ti so lahko fizikalni (npr. UV-seva-
nje, ionizirajoče sevanje), kemijski (npr. iperit, akridini, akrolein)
ali biološki (virusi).

Mutacije lahko prizadenejo dedni material na različnih nivo¬
jih. Tako ločimo genske, kromosomske in genomske mutacije.

Posledica genskih mutacij je lahko zamenjava ali substi¬
tucija nukleotida, izpad ali delecija nukleotida ter vstavitev ali
insercija nukleotida. Medtem ko imata slednji dve za posledico
premik bralnega okvirja, ki vodi v nefunkcionalen gen, pa substi¬
tucije praviloma povzročajo manjše posledice. Njihova posledica
je lahko zamenjava kodona za eno aminokislino s kodonom za
drugo aminokislino. Če sta ti dve aminokislini iz različnih sku¬
pin (npr. kisla in bazična), je to drugačnosmiselna mutacija
(ang. »missense«), če sta ti dve aminokislini iz iste skupine, je to
nevtralna mutacija. Če substitucija kodon za aminokislino spre¬
meni v stop-kodon, je proteinska veriga skrajšana in praviloma
nefunkcionalna, zato govorimo o nesmiselni (ang. »nonsense«)
mutaciji. Zaradi degeneriranosti genetskega koda se lahko takšna
mutacija tudi ne izrazi (tiha mutacija). Prav tako se tudi ne izra¬
žajo mutacije na nekodirajočih delih genoma. Poseben primer so
supresijske mutacije, pri katerih je učinek ene mutacije omiljen
z drugo, nasprotno mutacijo. Tak je primer omilitve insercije z
delecijo. Ta pomakne bralni okvir v prvotno stanje in s tem omi¬
li posledice prve mutacije seveda le, če sta mutaciji dovolj blizu
skupaj.

91

V primeru kromosomskih mutacij pride do sprememb delov
kromosomov. Ti se lahko izgubijo (delecija), podvojijo (duplika-
cija) ali obrnejo (inverzija) v kromosomu.

Pri genomskih mutacijah pride do sprememb števila kromo¬
somov. Posamezen kromosom v telesnih celicah tako ni zastopan
dvakrat, kot je normalno, temveč enkrat (monosomija), trikrat
(trisomija) ali celo večkrat. Primer trisomije 21. kromosomskega
para se pri človeku izrazi kot Dovvnov sindrom. V nekaterih prime¬
rih se lahko pomnoži tudi število celotne garniture kromosomov
v celici. Pravimo, da gre za poliploidijo (npr. triploidija, tetra-
ploidija). Ta lahko privede do večjih organizmov, zato je umetno
vzpostavljena poliploidija pogost pristop v biotehnoloških po¬
stopkih (npr. pri žlahtnjenju rastlin).

Mutacije so običajno škodljive in se praviloma izločijo iz po¬
pulacije v nekaj generacijah. Možno je, da se mutacije sploh ne
izrazijo in se tako lahko ohranijo. Mutacije pa so lahko, čeprav
redko, tudi koristne. Koristne mutacije se ob pritisku okolja razši¬
rijo na večji del populacije in so gibalo evolucije.

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Kateri encimi omogočajo rotacijo DNA med podvajanjem?
Katera znanstvenika sta prejela Nobelovo nagrado za ugo¬
tovitev, da je podvajanje DNA semikonzervativno? Opiši
njun poskus.

6.5 REKOMBINANTNA DNA IN GENSKI
INŽENIRING

Univerzalnost zgradbe DNA omogoča prenos in vgrajevanje
delov genetske informacije v drugo DNA. Izrezovanje, prenos in
vgradnja dela DNA v genom druge celice privede do sestavljene
ali rekombinantne DNA, ki ima lahko za posledico spremenjene
lastnosti organizma.

Primer naravne rekombinacije je prekrižanje (»crossing-
over«) kromatid homolognih kromosomov v mejozi (sl. 7.6). Ta
zagotavlja heterogenost potomcev in je glavna prednost spolnega
razmnoževanja. Procesi naravnega prenosa genetske informacije
med celicami in nastanka rekombinantne DNA so dobro preuče¬
ni pri bakterijah. Med prokariontskimi celicami prenesena DNA
ima lahko zapis za dodatne informacije, pomembne za njihovo
prilagoditev na okolje, kar je lahko ključno za njihovo preživetje
ob nenadnih spremembah v njihovem okolju (npr. odpornost pro¬
ti antibiotikom). Dednina lahko med celicami prehaja na različne
načine. Prenos gole DNA med celicami prokariontov imenujemo
transformacija. V primeru transdukcije pri prenosu sodelujejo

92

fagi, v primeru konjugacije pa gre za prenos DNA med prokari-
ontskima celicama v fizičnem stiku.

Poznavanje genetskih mehanizmov in razvoj molekulskih teh¬
nik sta omogočila tudi nadzorovan prenos in vgradnjo želenih
delov DNA v genome organizmov ter sta osnova genskega inže¬
niringa in biotehnoloških procesov. Umetna izboljšava genetskih
lastnosti organizmov lahko poteka z uporabo klasičnega pristopa,
s križanjem osebkov z želenimi lastnostmi. Križanje je mogoče le
med sorodnimi vrstami, poleg želenih pa se s križanjem pogosto
prenašajo tudi nekatere neželene lastnosti. Zato so se z razvojem
ustreznih tehnik uveljavili molekulski postopki genskega inženir¬
stva, ki omogočajo in vitro  modifikacijo genov in njihov prenos v
organizme. Poleg tega omenjene tehnike omogočajo prenose ge¬
nov tudi med nesorodnimi organizmi in zato lahko privedejo do
povsem novih, v naravi nepoznanih kombinacij genskih informa¬
cij. Tako nastale organizme imenujemo transgeni ali genetsko
spremenjeni organizmi.

93

SEDMO POGLAVJE

RAZMNOŽEVANJE CELIC

7.1 CELIČNI CIKEL

Celični cikel je obdobje med dvema zaporednima celičnima
delitvama in je pri različnih celicah različno dolg. Embrionalne ce¬
lice se na primer delijo zelo pogosto, večina evkariontskih celic se
deli približno vsakih 18 do 24 ur, medtem ko se mišične in živčne
celice sploh ne delijo. Z dolžino celičnega cikla je povezana tudi
sposobnost regeneracije tkiv in diferenciranost celic v njih. Tako
so na primer epiteli in zarodna tkiva slabo diferencirani in imajo
visoko stopnjo regeneracije, medtem ko je število zelo diferenci¬
ranih celic (živčne in mišične celice) v telesu praktično končno.

V celičnem ciklu se v celicah zvrstijo različna obdobja, pove¬
zana s spremembami v organizaciji in razporeditvi dednega mate¬
riala, organelov ter snovi v celici. Glede na omenjene spremembe
v celici je cikel razdeljen v faze (sl. 7.1). Interfaza je obdobje med
dvema celičnima delitvama. V njej celica raste, je metabolno ak¬
tivna in se pripravlja na delitev. Interfazno jedro ima jedrni ovoj,
v njem so vidna jedrca, dedni material pa je v obliki evkromatina
in heterokromatina. V bližini jedra sta vidna centriola. Interfaza
traja približno 23 ur v 24-urnem celičnem ciklu in je razdeljena na
tri podfaze. V prvi podfazi ali fazi Gj, ki neposredno sledi mitozi,
celica raste in se diferencira, procese pa nadzirajo različne snovi
s skupnim imenom rastni dejavniki. Dednina kromosomov se de-
kondenzira, prične se aktiven prepis DNA, sintetizirajo se proteini
in ribosomske podenote, celica je metabolno aktivna. Faza je
različno dolga in celice lahko v določenih primerih ali ob neugo¬
dnih razmerah v tem obdobju preidejo v fazo mirovanja ali G 0 .
Ta lahko traja več dni, tednov ali celo let, preden se celice prično
ponovno deliti. V nekaterih primerih lahko celice povsem izgubi¬
jo sposobnost delitve in v fazi G 0  preživijo vse življenje. Fazi G ;
sledi ključna faza priprave na naslednjo delitev ali faza S. V njej
poteče replikacija DNA in v celici s 24-urnim ciklom traja od 10
do 12 ur. V tej fazi se lahko centriola podvojita in se sintetizirajo
histoni. Ko je DNA uspešno podvojena, nastopi krajša faza G 2 , v
kateri se celica pripravlja na delitev in metabolizem celice se zato
upočasni. S fazo G 2  se interfaza zaključi in sledi faza M, ki obsega
mitozo (delitev jedra) in citokinezo (delitev celice).

94

nedeleča celica

podvojitev
DNA v jedru

G<

•)®

celična delitev

Slika 7.1: Celični cikel (povzeto po Bolsover et al., Celi Biolo-
gy, 2004)

7.2 MITOZA

Mitoza je delitev jedra pri evkariontih, pri kateri se podvojen
dedni material materinske celice enakomerno porazdeli med hče¬
rinski celici (sl. 7.2). Mitotska celica metabolno ni aktivna, saj je
DNA gosto zvita v kromosomih in tako je prepis z DNA oviran. V
fazi mitoze so kromosomi dobro vidni - glede na njihovo obliko in
razporeditev je mitoza razdeljena v različno dolge faze.

Začetek prve in najdaljše faze mitoze, profaze, označuje kon¬
denzacija kromatina, ko kromosomi postanejo vidni s svetlobnim
mikroskopom. Kondenzacija je postopna, zato so kromosomi v
začetku profaze dolgi in nitasti, ob koncu profaze pa se skrajšajo
in odebelijo, kar zmanjšuje verjetnost poškodb ob kasnejšem raz¬
porejanju. V tej fazi je DNA že podvojena, zato vsak kromosom
tvorita dve kromatidi, ki sta med seboj povezani na mestu cen-
tromera. Hkrati se v oblakih tubulinskih podenot na vsakem polu
celice, v centrosomih, prične izgradnja mikrotubulov delitvene¬
ga vretena. V prometafazi jedrni ovoj in jedrce razpadeta tako,
da kromosomi postanejo dostopni mikrotubulom delitvenega vre¬
tena. Ti se pritrdijo na kinetohore kromosomov in jih vlečejo in
potiskajo. V metafazi se delitveno vreteno dokončno izoblikuje.
Tvorijo ga trije tipi mikrotubulov (sl. 7.3). Kromosomski (kine-
tohorni) mikrotubuli povezujejo kromatide s centrosomoma. Ti
se zaradi odvzemanja tubulinskih podenot krajšajo in tako vle¬
čejo kromosome proti ekvatorialni ravnini. Polarni mikrotubuli
pa se raztezajo od enega centrosoma proti drugemu tako, da se
prekrivajo v ekvatorialni ravnini. Ti se z dodajanjem tubulinskih
podenot daljšajo in tako potiskajo centromera narazen proti po¬
lom celice. Astralni mikrotubuli se žarkasto raztezajo iz centro-
somov na vsakem polu in sodelujejo pri nameščanju ter obračanju

95

kromosomov, pritrjenih na kromosomske mikrotubule. Skrajno
kondenzirani kromosomi se nato poravnajo v ekvatorialni ravnini
in kromatidi postaneta kromosoma, ki ju med seboj povezujejo
le še proteini, imenovani kohezini. V anafazi se garnituri kromo¬
somov povsem ločita in mikrotubuli delitvenega vretena vlečejo
kromosome proti poloma celice s hitrostjo približno 1 pm na mi¬
nuto. Zaradi pritrditve kromosomskih mikrotubulov na mesto ki-
netohora imajo kromosomi ob potovanju na pole celice značilno
obliko črke »V«. Ko se kromosomi razporedijo ob centrosomih na
polih celice, se anafaza zaključi. V telofazi se okrog kromosomov
ponovno začne formirati jedrni ovoj, delitveno vreteno razpade
in kromosomi se začnejo postopoma dekondenzirati. Prav tako
se ponovno organizirata Golgijev aparat in endoplazemski retiku-
lum. Ta dva v času mitoze zaradi odsotnosti proteinske sinteze
in metabolne aktivnosti nista prisotna v običajni obliki, temveč
v obliki veziklov, povezanih z delitvenim vretenom, uravnavata
koncentracijo kalcija, ki nadzira potek mitoze.

Slika 7.2: Mitoza: a) profaza; b) prometafaza; c) metafaza; d)
anafaza; e) telofaza; f) citokineza; v sredini: shematski prikaz
sistema membran v metafazi;

ER: endoplazemski retikulum (Štrus, Splošna zoologija, 1999)

96

\\^

VLEČENJE

ZGODNJA

ANAFAZA

POZNA

ANAFAZA

POTISKANJE

KROMOSOMSKI

MIKROTUBULI

POLARNI

MIKROTUBULI \\^

VLEČENJE

7 \

Slika 7.3: Delitveno vreteno iz mikrotubulov, ki vlečejo in
potiskajo kromosome proti poloma (Štrus, Splošna zoologija,

Že v anafazi se začne celična delitev, citokineza. Ta se prič¬
ne z nastankom kontraktilnega obroča iz aktinskih in miozinskih
molekul. Obroč poteka okrog celice, tik pod plazmalemo, pravo¬
kotno na niti delitvenega vretena. Drsenje miozinskih proteinov
po aktinskih filamentih omogoči krčenje kontraktilnega obroča in
potegne navznoter plazmalemo, ki je pritrjena na ta obroč tako,
da nastane delitvena brazda. Brazda se postopoma zajeda v de¬
lečo se celico in jo predeli med jedroma tako, da se citoplazma
enakomerno porazdeli med hčerinski celici.

Poleg opisanega poteka jedrne in celične delitve lahko prihaja
tudi do nekaterih odstopanj, izjem in posebnosti. Tako so na pri¬
mer, za razliko od normalne mitoze, v kateri jedrni ovoj razpade
(odprta mitoza), pri nekaterih nižjih evkariontih znani primeri,
kjer se mikrotubuli delitvenega vretena sintetizirajo znotraj jedra
in zato razpad jedrnega ovoja ni potreben (zaprta mitoza). Jedrni
ovoj ne razpade tudi v primeru endomitoze. V tem tipu delitve
se kromosomi normalno podvajajo, vendar zaradi odsotnosti de¬
litvenega vretena do njihovega ločevanja ne pride. Posledica je
poliploidna celica z nakopičenimi kromosomskimi garniturami v
jedru, kot je to v primeru politenih ali orjaških kromosomov v
somatskih celicah ličink dvokrilcev (sl. 7.4). Posamezno verigo or¬
jaškega kromosoma zaradi endomitoze tvori množica vzporedno
razporejenih kromatid. Na orjaških kromosomih pa so vidne tudi
prečne proge na mestih bolj ali manj kondenziranih delov kromo¬
soma. Kondenzirani deli so kromomere, manj kondenzirani deli
med njimi pa interkromomere. Ker so orjaški kromosomi prisot¬
ni tudi v interfazi, prepis z njih poteka tako, da se v predelih in-
terkromomer, kjer je v več kopijah zapisana določena informacija,
oblikujejo zanke (ang. »puffs« ali Balbianijevi obroči), s katerih se

1999)

97

iz vseh kromatid sočasno prepiše enaka mRNA. Podoben primer
metabolno aktivnih kromosomov so tudi krtačasti kromosomi v
oocitah vretenčarjev (zlasti dvoživk). Za razliko od orjaških kro¬
mosomov dvokrilcev gre v tem primeru za normalno garnituro
kromosomov, ustavljeno v mejotski delitvi, pri kateri so aktivni
deli vidni kot številne zanke, po katerih so kromosomi tudi dobili
ime. Poseben primer delitve je tudi amitoza, ki je znana pri neka¬
terih protozojih. Pri amitozi se jedro s podvojenimi interfaznimi
kromosomi preščipne brez predhodne kondenzacije kromatina in
brez delovanja delitvenega vretena, zato je razporeditev kromatid
v hčerinskih celicah naključna. Posebnost je tudi odsotnost cito-
kineze, ki privede do nastanka velikih večjedrnih ali sincicijskih
celic, imenovanih tudi cenocite.

Slika 7.4: Izseki orjaškega kromosoma dvokrilca trzače ( Chi-
ronomus)\  shematski prikaz nastanka Balbianijevih obročev
(»puffs«); prikazane so štiri kromatide (Štrus, Splošna zoolo¬
gija, 1999)

98

7.3 MEJOZA

Mejoza ali redukcijska delitev celičnega jedra omogoča na¬
stanek štirih celic z enojno, haploidno garnituro kromosomov iz
diploidne materinske celice in je značilna za nastanek živalskih
spolnih celic. Mejoza poteka v dveh stopnjah, ki sta zelo podobni
mitozi (sl. 7.5). V prvi, ključni fazi mejoze I ali redukcijske deli¬
tve pride do rekombinacije dednega materiala in redukcije števila
kromosomov. Druga faza, mejoza II ali ekvacijska delitev pa je v
bistvu mitoza, pri kateri se ločijo kromatide, nastale v mejozi I.
Za razliko od mitoze, ki poteče relativno hitro (približno 4 ure pri
celici s 24-urnim celičnim ciklom), je mejoza mnogo daljši proces,
ki zastaja v različnih fazah in zato lahko pri različnih organizmih
poteka nekaj mesecev ali celo let.

MEJOZA

MITOZA

Slika 7.5: Primerjava mitoze in mejoze (povzeto po Alberts et
al., Molecular Biology of the Celi, 2002)

Ključni in najdaljši del mejoze je profaza mejoze I (ali krajše
profaza I), ki je razdeljena v pet faz. V začetku profaze I, v fazi Iep-
toten replikacija DNA še ni zaključena in obe kromatidi posame¬
znega kromosoma še nista povsem ločeni. Kromosomi so konden¬
zirani in odebeljeni le na določenih mestih, ki so vidna kot prečni
pasovi, imenovani kromomere. V fazi zigoten se pari homolognih
kromosomov razporedijo vzporedno in vzdolžno povežejo (ko-
njugacija). Povezavo omogočajo proteini, ki homologne kromati¬
de povežejo v strukturo, imenovano sinaptonemični kompleks.

99

Ob tem se dokončno podvoji vsa DNA, tako povezani pari kromo¬
somov pa tvorijo strukture, imenovane bivalenti ali kromatidne
tetrade. Sledi faza pahiten, v kateri pride do prekrižanja (ang.
»crossing-over«) med homolognimi deli nesestrskih kromatid v
tetradi (sl. 7.6). Na mestih prekrižanja pride do prekinitve kro¬
matid, izmenjave odsekov DNA ter njihovega lepljenja na nova
mesta (nastanek rekombinantne DNA). Mesta prekrižanja kroma¬
tid so določena s proteinskimi kompleksi, imenovanimi rekombi-
nacijski noduli, ki ležijo vzdolž sinaptonemičnega kompleksa. V
fazi diploten začno sinaptonemični kompleksi razpadati in mesta
prekrižanja kromatid ali kjazme so dobro vidne. V zadnji fazi
profaze I, diakinezi, se kromosomi ločijo in kondenzirajo, pojavi
se delitveno vreteno in jedrni ovoj razpade. Analogno z mitozo
so v metafazi 1 kromosomi bivalentov povsem kondenzirani, na
kinetohore vsakega homolognega kromosoma pa so pritrjene niti
delitvenega vretena, ki bivalente razporedijo v ekvatorialni ravni¬
ni. Niti delitvenega vretena v anafazi I vlečejo kromosome proti
poloma celice tako, da ostaneta kromatidi povezani, homologna
kromosoma pa naključno razporejena na polih celice. Rezultat
mejoze I sta tako dve hčerinski celici s haploidnima garnitura¬
ma kromosomov in rekombiniranimi deli kromatid. Razlika med
mejozo I in mitozo je v tem, da se pri slednji ločujeta kromatidi
kromosoma, pri mejozi I pa kromosomi v tetradi, pri čemer vsak
kromosom sestavljata dve kromatidi.

i

o /mx

_i

o zzzrt .IZx

i

O =*_..ZDC

O ——-..

prekrižano

Slika 7.6: Mehanizem genetske rekombinacije (»Crossing
over«) nesestrskih kromatid (povzeto po Karp, Celi and Mole-
cular Biology, 2004)

100

Mejozi I sledi kratko obdobje interkineze. Ta ustreza interfazi
med mitozama, le da v njej ne prihaja do podvajanja dednine.
Mejoza II ali ekvacijska delitev je dejansko mitoza, v kateri se v
profazi II, metafazi II in anafazi II ločijo kromatide kromosomov,
nastalih v mejozi I. Končni produkt mejoze so tako štiri celice z
enojno garnituro kromosomov, ki zaradi rekombinacije niso pov¬
sem enaki, med hčerinske celice pa so razporejeni naključno.

Mejoza omogoča nastanek haploidnih gamet in rekombinaci¬
jo genoma, ki zagotavlja raznolikost potomcev in je ena glavnih
prednosti spolnega razmnoževanja. Brez redukcijske delitve bi v
vsaki generaciji potomcev število kromosomov eksponentno nara¬
ščalo, nastala poliploidija pa bi zmanjšala reprodukcijsko stabil¬
nost organizmov.

Tipičen produkt mejoze so spolne celice ah gamete, ki pri sesal¬
cih nastajajo v procesu spermatogeneze in oogeneze. Kljub temu
da gre v obeh primerih za mejozo, se končne celice obeh procesov
razlikujejo. Končni produkti spermatogeneze so tako štiri morfo¬
loško enake spermalne celice, medtem ko neenakomerno razpo¬
rejanje citoplazme v ovogenezi privede do velike jajčne celice, ki
vsebuje večino citoplazme s hranili, potrebnimi za razvoj zarodka
in treh majhnih haploidnih polarnih telesc, ki propadejo.

7.4. REGULACIJA CELIČNEGA CIKLA

Regulacijski sistemi celičnega cikla zagotavljajo, da se vse
faze zvrstijo pravočasno, v pravilnem zaporedju in le enkrat v
ciklu. Na regulacijo vplivajo številni znotrajcelični in zunajcelični
dejavniki. Ti cikel prekinejo oziroma zadržijo v primeru napak ah
nepopolnosti v posameznih fazah ah neugodnih razmer v okolici
celice. Osrednji dejavniki regulacije prehoda med fazami so »ci-
klinsko odvisne proteinske kinaze« (cdc), ki se aktivirajo ob
vezavi na posebne proteine, cikline. Prisotnost specifičnih cdc-ci-
klinskih kompleksov vklaplja posamezne faze cikla. Ob koncu faz
ciklini razpadejo in kompleksi se inaktivirajo. Tako na primer faza
preide v fazo S, ko se v celici poveča koncentracija ciklina S. Ta
vodi v nastanek S-ciklinskega cdc kompleksa, ki s fosforilacijo ak¬
tivira sporočevalce, odgovorne za replikacijo DNA. Ob zaključku
faze S se postopno aktivirajo M-ciklinski cdc kompleksi, ki spro¬
žijo začetne faze mitoze. Na aktivnost cdc-ciklinskih kompleksov
vplivajo različni celični mehanizmi, kot je na primer fosforilacija
cdc, vezava inhibitornih proteinov na cdc-ciklinske komplekse,
razpad ciklinov ah omejevanje prepisa ciklinov.

101

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Ugotovi, kaj je Dovvnov sindrom in zakaj pride do te na¬
pake. Zakaj uporabljajo taxol (generično ime palitaxel) kot
sredstvo za zdravljenje raka? Kateri organizmi so bistve¬
no prispevali k raziskavam celičnega cikla? Primerjaj pro¬
cesa citokineze v rastlinski in živalski celici.

7.5 CELIČNA SMRT

Tako kot organizmi imajo tudi posamezne celice svoj življenj¬
ski krog: nastanejo z delitvijo materinske celice, rastejo, so me-
tabolno aktivne, se delijo in propadejo. Propad celic je sestavni
in nujni del življenjskega cikla, ki omogoča diferenciacijo in na¬
stanek organov ter preprečuje neomejeno in nenadzorovano rast
organizma. Podobno kot organizmi tudi celice lahko propadejo po
naravni poti z apoptozo ali kot posledica poškodbe z nekrozo.

Nekroza je lahko posledica mehanske poškodbe, okužbe, ra-
kavosti, prekinjenega dovoda krvi (infarkta), zastrupitve ali vne¬
tja. Zanjo je značilno znižanje nivoja ATP in prenehanje delovanja
Na/K ATP-aznih črpalk, kar privede do napihovanja celic. V ne¬
krozi prihaja tudi do razpada kromatina, membranskih poškodb
organelov in v zadnji fazi tudi plazmaleme. Ključno je sproščanje
hidrolitskih encimov iz lizosomov, ki pričnejo s prebavljanjem ce¬
lične vsebine in DNA, ki vodi do nekontrolirane vakuolizacije cito¬
plazme in liže celice. Ostanke nekrotičnih celic odstranijo celice
imunskega sistema. Zaradi odsotnosti komunikacije med nekro¬
tično celico in okoliškimi makrofagi je njihovo odstranjevanje v
primerjavi z apoptozo počasnejše in manj učinkovito. Neodstra-
njena vsebina nekrotičnih celic pa sproži verižno nekrotično reak¬
cijo v sosednjih celicah.

Programirana celična smrt ali apoptoza je postopen, genetsko
nadzorovan proces z vnaprej določenim potekom dogodkov in je
sestavni del življenja vsake celice. V normalnih tkivih deluje kot
protiutež celičnim delitvam ter vzdržuje konstantno število celic
v telesu, njena prekinitev pa vodi v nekontrolirano deljenje celic
in nastanek rakavih tkiv. Za razliko od nekroze, ki prizadene večje
število celic, je apoptoza omejena na posamezne celice ali skupine
celic. V telesu poteka neprestano, na primer pri obnavljanju epite¬
lov, ključna pa je tudi pri oblikovanju organov v embriogenezi.

Apoptoza poteka v več stopnjah. Celica najprej prekine stik s
sosednjimi celicami. Njeno jedro se zmanjša in DNA značilno raz¬
pade na manjše delce (nukleosome), ki se zberejo ob robu jedra.
Celični organeli se zgostijo, celica zaradi krčenja dobi značilno
nagubano obliko. Nato celica prične postopno razpadati tako, da
iz nje brstijo delci citoplazme, obdani s plazmalemo, imenovani

102

apoptotska telesca. Te učinkovito fagocitirajo okoliški makrofa-
gi, ki jih apoptotska celica s signalizacijo privabi v svojo bližino.

Postopen razpad apoptotskih celic je posledica delovanja po¬
sebne skupine celičnih proteinaz, kaspaz, ki razgradijo celično
vsebino. Te so v inaktivni obliki v celici prisotne že pred apoptozo
in zato ob začetku apoptoze njihova sinteza ni potrebna. Aktivaci-
jo kaspaz lahko sprožijo zunanji ali notranji dejavniki. Primer
zunanje aktivacije kaspaz je samouničenje z virusi okuženih ce¬
lic, ki jo sprožijo limfociti. Ko ti prepoznajo virusne proteine na
celični površini okuženih celic, vežejo ligand Fas na specifične
membranske receptorje, ki aktivirajo kaspaze v okuženih celicah
in sprožijo apoptozo, s čimer omejijo širitev virusne okužbe v
organizmu. Notranja aktivacija kaspaz je ključen mehanizem od¬
stranjevanja nepotrebnih ali poškodovanih celic v organizmu. V
tem primeru kaspaze v citoplazmi aktivira encim dihalne verige,
citokrom C. Ta se normalno nahaja v notranji membrani mitohon¬
drijev, pri njegovem sproščanju v citoplazmo pa sodelujejo pro¬
teini iz družine bcl-2. Njihova aktivacija je lahko posledica večjih
poškodb DNA, stresa ali odtegnitve določenih rastnih dejavnikov.

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Raziskave mehanizmov celične smrti so bile v veliki meri
narejene na celicah gliste Caenorhabditis elegans.  Ugoto¬
vi, zakaj je ta organizem primeren za tovrstne raziskave.

7.6 MATIČNE CELICE

Matične celice (ang. »stem celiš«) so nediferencirane celice
s sposobnostjo praktično neomejenega števila mitotskih delitev
(velikim delitvenim potencialom) in diferenciacije v različne tipe
celic. Pri sesalcih se delijo na embrionalne matične celice, ki
jih najdemo v zgodnjih fazah embrionalnega razvoja, in matične
celice razvitih tkiv. V razvijajočem se zarodku matične celice
služijo kot vir celic, ki se tekom embrionalnega razvoja razvije¬
jo in diferencirajo v različna tkiva. V odraslih organizmih pa so
matične celice potrebne za nadomeščanje in dopolnjevanje celic
v tkivih z visoko stopnjo regeneracije, kot so na primer epiteli in
kri.

Glede na sposobnost diferenciacije matične celice delimo na
več skupin. Totipotentne celice najdemo v zgodnjih fazah em¬
brionalnega razvoja in se lahko razvijejo v katerikoli tip celic.
Pluripotentne celice so potomke totipotentnih celic in se lahko
razvijejo v katerikoli tip celic posamezne zarodne plasti (endoder-
ma, ektoderma ali mezoderma). Iz multipotentnih celic se lahko
diferencirajo le tesno sorodni tipi celic (na primer razvoj krvnih

103

celic iz zarodnih hematopoetskih celic kostnega mozga). Iz unipo-
tentnih celic lahko nastane le isti tip celic, kot so matične celice
same, od nematičnih celic pa se razlikujejo po tem, da ohranjajo
visok delitveni potencial.

Razumevanje delovanja matičnih celic, njihovo gojenje v ce¬
ličnih kulturah, indukcija njihove diferenciacije v določena tkiva
in uvajanje kloniranja v terapevtske namene bodo nedvomno pri¬
vedle do širše uporabe matičnih celic v medicinske namene. Nave¬
deni pristopi omogočajo nadomeščanje ali regeneracijo tudi tkiv z
nizko stopnjo obnavljanja, kot so na primer mišice in živčno tki¬
vo, med primernimi kandidati za vir matičnih celic pa so tkiva za¬
rodnih celic popkovine in hematopoetsko tkivo kostnega mozga.

104

OSMO POGLAVJE

CELIČNO SPOROČANJE;
KOMUNICIRANJE MED
CELICAMI IN OKOLJEM

Vse celice, tako prokariontske kot evkariontske, komunicirajo
med seboj in se odzivajo na signale iz okolja. Pri večceličarjih je
sporočanje med celicami pogoj za obstoj organizma. Rastlinske in
živalske celice so lahko direktno povezane z medceličnimi stiki,
živalske celice se prepoznavajo tudi preko sporočilnih molekul na
celični površini (npr. celice imunskega sistema). Celice komunici¬
rajo večinoma s kemijskimi sporočili. Sporočilne (signalne) mo¬
lekule so zelo različne in z vezavo na receptor sprožijo niz reak¬
cij, ki usmerjajo metabolizem, delitev, rast in diferenciacijo celic.
Sporočila iz okolja se prevedejo v znotrajcelične odzive. Proces, v
katerem se sporočilo na površini celice prevede v specifičen celič¬
ni odgovor, je sporočilna Iransdukcijska pot. Transdukcijska
pot poteka v treh fazah: sprejem sporočila, prenos sporočila ali
transdukcija in celični odziv.

Sutherland, Earl W., 1971 - Nobelova nagrada za razlago spo¬
ročilne transdukcijske poti adrenalina pri razgradnji glikogena v
jetrih in mišicah

8.1 DELOVANJE SPOROČILNIH MOLEKUL

Sporočilne molekule so lahko plini (npr. NO) ali pa komple¬
ksne beljakovinske, steroidne in druge molekule. Razlikujejo se v
tem, kako delujejo na tarčne celice. Nekatere lahko prehajajo sko¬
zi plazmalemo, druge se vežejo na membranske receptorje. Gle¬
de na to, kako se prenašajo signali iz celice v celico, razlikujemo
tri tipe sporočanja (sl. 8.1). Endokrino sporočanje posredujejo
hormoni, ki so lahko aminokisline, peptidi ali steroidi. Hormoni
so molekule, ki sporočajo na večje razdalje in se prenašajo po kr-
vožilju ali živčevju (npr. nevrohormoni). Parakrino sporočanje
je značilno za celice, ki izločajo molekule, s katerimi vplivajo na
bližnje celice. Tako sporočanje je pogosto med živčnimi celicami,
ki izločajo nevrotransmiterje, in med embrionalnimi celicami, ki
izločajo rastne faktorje. Celice, ki se odzivajo na lastne signalne
molekule, sporočajo avtokrino. Tak način sporočanja je značilen
za odziv imunskega sistema vretenčarjev na antigene.

Sporočilne molekule lahko delujejo na različne načine. Veči¬
noma se povezujejo z receptorji v tarčnih celicah. Receptorji so
lahko membranski ali intracelularni proteini v citoplazmi ali je¬
dru. Steroidni hormoni (spolni hormoni, ekdizoni, kortikosteroidi)
večinoma prehajajo skozi plazmalemo in se vežejo na receptorje
v citoplazmi ali jedru tarčnih celic. Ti receptorji so transkripcijski
faktorji, ki delujejo kot aktivatorji ali represorji genov. Skozi plaz¬
malemo lahko prehajajo tudi plini, ki delujejo direktno na tarčne

105

encime v celici. Dušikov oksid je parakrina signalna molekula, ki
deluje lokalno, tako da povzroča širjenje krvnih žil zaradi relaksa¬
cije gladkih mišičnih vlaken v steni žile. Deluje preko aktivacije
encima gvanilat ciklaze, ki katalizira nastanek sekundarnega spo-
ročevalca cGMP, ki deluje na gladka mišična vlakna. Nevrotran-
smiterji (adrenalin, glutamat, GABA, histamin) in peptidni hormo¬
ni ter rastni faktorji so signalne molekule, ki ne prehajajo skozi
plazmalemo. Delujejo v povezavi z membranskimi receptorji. Re¬
ceptorje delimo na ionotropne (ionski kanalčki), metabotropne
(receptorji, vezani s proteinom G) in receptorje, povezane z en¬
cimom (imajo lastno encimsko aktivnost ali so povezani z drugim
encimom). Metabotropni receptorji lahko delujejo preko regulaci¬
je ionskih kanalčkov (receptorji za nevrotransmiterje) ali pa preko
encimov (receptorji za peptidne hormone).

A) ENDOKRINO SPOROČANJE

Slika 8.1: Načini medceličnega sporočanja: a) endokrino spo¬
ročanje; b) parakrino sporočanje; c) sporočanje preko med-
celičnih povezav (ligand-receptor); d) avtokrino sporočanje
(povzeto po Cooper G. M., The Celi, 1997)

106

8.2 VEZAVA SPOROČILNIH MOLEKUL NA
RECEPTORJE

Vezava sporočilne molekule (Uganda) na receptor v membra¬
ni sproži serijo reakcij v celici. Z aktivacijo različnih molekul v
citoplazmi in jedru lahko tako ligand vpliva na spremembe v iz¬
ražanju genov. Receptorji, vezani s proteinom G, se odzivajo na
peptidne hormone, nevrotransmiterje ter na snovi, kijih okušamo
in vohamo. Podobno delujejo tudi receptorji za vid. Vezava Ugan¬
da na zunanji del receptorja sproži spremembo v notranjem delu
molekule in s tem omogoči povezavo receptorja s proteinom G, ki
je na notranji strani plazmaleme. Protein G se tako aktivira in po¬
veže z encimom v celici ah z ionskim kanalčkom v membrani. Zna¬
čilen in dobro raziskan primer je sinteza cAMP, ki je pomemben
sekundarni sporočevalec v celici in deluje pod vplivom različnih
hormonov. Encim, ki katalizira nastanek cAMP, je adenil ciklaza, ki
jo aktivira protein G (sl. 8.2). Protein G je iz treh podenot (hetero-
trimerni protein G). Podenota a regulira aktivnost proteina tako,
da se poveže z GDP, kadar je v neaktivni obliki, in z GTP, kadar je
v aktivni obliki.

Selektivnost sporočanja je zagotovljena, tako da se različni
proteini G povezujejo z različnimi receptorji, ki so tako povezani
z različnimi tarčnimi molekulami v celici. Podobno lahko deluje¬
jo tudi nevrotransmiterji. Acetilholin v progasti mišici in živcih
deluje preko receptorja, ki je ionski kanalček, medtem ko v srčni
mišici deluje preko receptorja, ki je vezan s proteinom G. Pode¬
nota a proteina G inhibira encim adenil ciklazo, podenoti p in y
pa odpirata K + kanalčke v membrani in tako upočasnita delovanje
srca. Nekateri površinski receptorji so lahko direktno povezani
z encimi v celici. Najbolj raziskana skupina takih receptorjev so
receptorski proteini-tirozin kinaze, ki fosforilirajo tarčne protei¬
ne na tirozinskih ostankih. To so predvsem receptorji za številne
rastne faktorje, ki regulirajo rast in diferenciacijo celic. Nekateri
receptorji (npr. receptorji za citokine) se povezujejo z nereceptor-
skimi proteini-tirozin kinazami ah pa z drugimi encimi v celici,
kot so gvanil ciklaze, protein-tirozin fosfataze idr. Ti se aktivirajo
z vezavo Uganda.

Znotrajcelični receptorji so molekule v citoplazmi ah celičnem
jedru. Majhne in hidrofobne sporočilne molekule lahko prehajajo
skozi celično membrano. V celici se povežejo z receptorskimi mo¬
lekulami in preko transkripcijskih faktorjev regulirajo izražanje
genov.

Primer takega delovanja je spolni hormon testosteron, ki ga
izločajo celice v testisih. Hormon potuje po krvi v različne dele
telesa in se veže s specifičnimi receptorji v celicah, aktivirajo re¬
ceptorske proteine, ki vstopijo v jedro in vplivajo na izražanje
genov, ki nadzirajo izražanje moških spolnih znakov.

107

sporočilna molekula

neaktivni CREB
aktiviran tarčni gen

CRE (vezavno mesto za CREB)

| transkripcija

| translacija

Slika 8.2: Sporočilna pot poteka z vezavo sporočila na mem¬
branski receptor, povezan s proteinom G. Aktivna podenota
alfa proteina G se poveže z adenilat ciklazo, ki sintetizira cAMP.
Ta aktivira encim protein-kinazo A (PKA), katere aktivirani del
potuje v jedro in fosforilira protein CREB, ki se veže na CRE
mesto DNA. Z vezavo koaktivatorja CBP se začne prepisovanje
DNA (povzeto po Storch V. in VVelsch U., Kurzes Lehrbuch der
Zoologie, 2005)

8.3 TRANSDUKCIJA; PRETVORBA
INFORMACIJ NA MEMBRANI V
ZNOTRAJCELIČNA SPOROČILA

V živih sistemih poteka celično sporočanje večinoma tako,
da specifični receptor v membrani prepozna sporočilo na zunanji
strani membrane. Sporočilo se prenese na notranjo stran membra¬
ne in deluje tako, da aktivira specifične encime, vpliva na organi¬
zacijo citoskeleta, spremeni prepustnost membrane ali vpliva na
izražanje genov.

Transdukcija lahko poteka kot sprememba napetosti na mem¬
brani, ko vezava sporočilne molekule povzroči prehod ionov sko¬
zi kanalček v membrani. Primer takega sporočanja je npr. spro¬
ščanje kalcija v citosol krvne ploščice med strjevanjem krvi. Ob
vezavi sporočilne molekule 1P 3  (inozitol tri-fosfata) na receptor v

108

membrani ER, ki deluje kot kalcijev kanalček (sl. 8.3), vdre kalcij
iz endoplazemskega retikuluma v citosol krvne ploščice. V tem
primeru delujejo kot sekundarni sporočevalci membranski fos-
folipidi. Fosfatidilinozitol 4,5-bifosfat (PIP 2 ) je lociran v notranji
strani fosfolipidnega dvosloja. Veliko hormonov in rastnih faktor¬
jev stimulira hidrolizo PIP 2  v diacilglicerol in inozitoltrifosfat (IP 3 ),
ki jo katalizira encim fosfolipaza C. Oba produkta hidrolize sta
sekundarna sporočevalca, in sicer deluje diacilglicerol na encim
protein kinazo C, IP 3  pa na mobilizacijo kalcija iz endoplazem¬
skega retikuluma. Diacilglicerol je vezan na membrano in deluje
večinoma preko receptorjev protein-tirozin kinaz. IP 3  pa se sprosti
v citosol, kjer sproži sproščanje kalcija iz znotrajceličnih rezerv,
tako da se veže na receptorje v membrani ER, ki so Ugandski kal¬
cijevi kanalčki. Zaradi povečane količine kalcija v citosolu se ta
pogosto veže na kalmodulin in kompleks aktivira različne prote¬
in kinaze. Kompleks Ca/kalmodulin pogosto deluje v kombinaciji
s cAMP. Povečanje koncentracije kalcija v citosolu krvne ploščice
vpliva na proces strjevanja krvi.

Večina receptorjev celične površine stimulira znotrajcelične
encime, ki nato prenesejo in ojačajo sporočilo, tako da vežejo
določene Ugande. V končni fazi preko transkripcijskih faktorjev
vplivajo na izražanje genov. Najbolj raziskan primer je delovanje
adrenalina, hormona, ki regulira razgradnjo glikogena ob indukci¬
ji mišične aktivnosti (sl. 8.4). Receptor za adrenalin je preko pro¬
teina G povezan z encimom adenil ciklazo, ki sproži sintezo cAMP,
ki je sekundarni sporočevalec v celici. Delovanje posreduje encim
kinaza A (od cAMP odvisna protein kinaza), ki fosforilira druge
encime na serinskih ostankih. Zadnji encim v seriji je glikogen
fosforilaza, ki katalizira razgradnjo glikogena v glukozo-l-fosfat.
Encim kinaza A deluje tudi v nasprotni smeri in vpliva na sintezo
glikogena (preko glikogen sintaze). Začetna vezava molekule adre¬
nalina na en receptor se proti koncu ojača, tako da nastane veliko
molekul cAMP in na koncu veliko encima glikogen fosforilaze. Ne¬
katere gene lahko cAMP inducira direktno preko vezave transkrip-
cijskega faktorja CREB, ki ga fosforilira protein kinaza A. Ta naj bi
imel pomembno vlogo pri učenju in spominu. cAMP lahko deluje
tudi direktno na ionske kanalčke, pri zaznavanju različnih vonjev
cAMP odpira Na + kanalčke.

Pomemben sekundarni sporočevalec je tudi cGMP. Dušikov
oksid in peptidi aktivirajo encim gvanilat ciklazo, ki vpliva na di¬
latacijo krvnih žil. Deluje preko od cGMP odvisne protein kinaze.
Najbolj razložen mehanizem delovanja cGMP je transdukcija v
očesu vretenčarjev. Rodopsin je receptor, ki je povezan s protei¬
nom G. Pod vplivom svetlobe transformacija retinala spremembo
opsinske molekule, ki deluje na protein G (transducin), ta stimu¬
lira encim cGMP fosfodiesterazo, ki zniža količino cGMP v celici.
Ker cGMP regulira Na + kanalčke v membrani vidne čutnice, znižan
nivo cGMP v celici povzroči disociacijo vezanega cGMP s kanalčk-
ov in s tem njihovo zapiranje.

Zelo pomembni regulatorji rasti in diferenciacije pri vreten¬
čarjih so encimi MAP kinaze. Poleg regulacije metabolizma in izra¬
žanja genov je pomemben mehanizem celičnega sporočanja tudi
preko citoskeleta. Receptorji, ki omogočajo povezave celic, tudi
vplivajo na znotrajcelično sporočanje. Integrini so povezani z ne-

109

receptorskimi proteini-tirozin kinazami (FAK), ki delujejo preko
aktivacije MAP kinaz. Rastni faktorji vplivajo na celično gibljivost,
tako da vplivajo na citoskelet preko regulatornih proteinov Rho,
ki vežejo GTP.

Slika 8.3: IP 3  ligandski receptor v membrani endoplazemske-
ga retikuluma krvne ploščice je selektivni kalcijev kanalček, ki ob
vezavi molekule inozitol trifosfata (IP 3 ) omogoča tok kalcija iz ER
v citosol (povzeto po Bolsover et al., Celi Biology, 2004)

110

Slika 8.4: Kalcijev ion in cAMP aktivirata ločene, a povezane
procese v prečno-progasti mišici (povzeto po Bolsover et al.,
Celi Biology, 2004)

8.4. CELICNI ODZIV IN REGULACIJA
CELIČNE AKTIVNOSTI

Transdukcijska pot se zaključi z regulacijo ene od celičnih ak¬
tivnosti v citoplazmi ali jedru.

V citoplazmi poteka regulacija celične aktivnosti z odpiranjem
ali zapiranjem ionskih kanalčkov v membranah, s prerazporeja¬
njem citoskeleta ah pa na nivoju sprememb metabolizma z akti-
vacijo encimov. Veliko sporočilnih poti deluje tako, da transkrip-
cijski faktorji (npr. steroidni hormoni) regulirajo sintezo encima
preko aktivacije ah inhibicije genov v jedru. Ojačitev sporočila in
specifičnost celičnega odgovora zagotavljajo številne stopnje v
transdukcijski kaskadi. Različni tipi celic se na enaka sporočila
odzivajo različno, ker vsebujejo različne proteine. Na primer jetr¬
na celica se na delovanje adrenalina odziva z aktivacijo presnov¬
ne poti, ki omogoči razgradnjo glikogena v glukozo, medtem ko
se celica srčne mišice odzove s kontrakcijo in povečanim srčnim
utripom.

Posebne kombinacije proteinov zagotavljajo specifičnost ce¬
ličnega odziva. Učinkovitost transdukcije zagotavljajo predvsem
proteini (»scaffolding proteins«), ki imajo vezavna mesta za mem¬
branske receptorje in za različne znotrajcelične protein kinaze.
Celični odziv na sporočilo je reverzibilen, odziv se hitro zaključi
in z deaktivacijo receptorja in drugih molekul, ki sodelujejo pri
prenosu sporočila, celica postane odzivna za novo sporočilo.

KAJ JE NOVEGA BRUCKI?

Ugotovi, kaj pomeni angleški izraz »Quorum sensing«. Ra¬
zloži delovanje zdravila viagra! Primerjaj delovanje toksi¬
nov na sinapse pri bolnikih s tetanusom in botulizmom!
Kako poteka signalizacija preko receptorjev za inzulin?
Kakšno vlogo imajo kaspaze v procesu apoptoze?

lil

LITERATURA

Alberts B. D., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., VVatson J. D.
(2002). Molecular BioIogy of the Celi. Garland Science Publis-
hing

Alberts B. D, Bray D., Hopkin K., Johnson A., Levvis J., Raff M., Ro¬
berts K. and VValter P. (2004). Essential celi Biology. Garland
Science Publishing

Bielka H., Borner T. (1995). Molekulare Biologie der Zelle. Spek-
trum Akademischer Verlag GmbH, Berlin
Bolsover S. R., Hyams J. S., Shepard E. A., VVhite H. A., VViedemann
C. G. (2004). Celi Biology - a short course. A John Willey &
sons, Inc., Publication, Hoboken, New Jersey
Brovvn T., (2006). Genomes 3, Garland Science Publishing, New
York/London

Cooper G. M. (1997). The Celi. A Molecular Approach. ASM Press,
Oxford University Press

Karp G. (2005). Celi and Molecular Biology. Concepts and Experi-
ments. John Willey and Sons, Inc., Nevv York
Storch V., VVelsch U. (2005). Kurzes Lehrbuch der Zoologie. Spek-
trum Akademischer Verlag, Heidelberg
Štrus J., (1999). Splošna zoologija. Knjižna zbirka Scripta. Biologi¬
ja, Študentska založba, Ljubljana
Ude J., Koch M. (2002). Die Zelle. Atlas der Ultrastruktur. Spektrum
Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, Berlin

112

Mitja Saje: ZGODOVINA KITAJSKE, OBDOBJE QING. OD TRADICIONALNE DO
MODERNE KITAJSKE.

Alojzija Židan: AKTIVNO UČENJE MLADIH V DRUŽBOSLOVJU
Juš Kocijan: PRAKTIKUM REGULACIJSKE TEHNIKE
Frane Adam: KOMPENDIJ SOCIOLOŠKIH TEORIJ
Igor Grdina: STAREJŠA SLOVENSKA NABOŽNA KNJIŽEVNOST
Marjanca Kos, Boris Bulog: EMBRIOLOGU A VRETENČARJEV
Mirko Zupančič: TEORETSKE OSNOVE MEŠČANSKE DRAME V 18. STOLETJU
Igor Jerman, Artur Štern: EVOLUCIJA S TEORETIČNO BIOLOGIJO IN TEMELJI MOLEKULARNE
EVOLUCIJE

Jasna Štrus: NAVODILA ZA VAJE IZ SPLOŠNE ZOOLOGIJE: l.del
Marina Dermastia, Boris Turk: BOTANIKA - DELOVNI ZVEZEK

Kristina Sepčič, Gregor Anderluh, Tom. Turk, Peter. Maček: BIOKEMIJSKI PRAKTIKUM
Alojzija Židan: DIDAKTIZACIJA DRUŽBOSLOVJA ZA MLADE

Marija Štefančič, Vida Pohar: EVOLUCIJA ČLOVEKA, OKOLJE IN KULTURE V PLEISTOCENU
Rajko Bratož: GRŠKA ZGODOVINA
Dejan Jelovac: POSLOVNA ETIKA

Blagajana Herzog - Velikonja, Kristina Gruden: PRAKTIKUM IZ MOLEKULARNE BIOLOGIJE
Dominik Vodnik: SIMBIOZE IN PARAZITIZEM. Laboratorijske in terenske vaje
Karmen Šterk: O TEŽAVAH Z MANO. Antropologija, lingvistika, psihoanaliza
Tomaž Perovič, Špela Šipek: TV NOVICE

Miha Janc, Maja Rupnik: SPLOŠNA MIKROBIOLOGIJA. Navodila za vaje

več avtorjev: UVOD V UMETNOSTNO ZGODOVINO

Goran Bervar: C++ NA KOLENIH

Gerhard Jager: UVOD V KLASIČNO FILOLOGIJO

Jasna Štrus, Damjana Drobne, Primož Zidar: NAVODILA ZA VAJE IZ SPLOŠNE ZOOLOGIJE: 2.del

Simona Prevorčnik: NAVODILA ZA VAJE IZ SISTEMATSKE ZOOLOGIJE NEVRETENČARJEV

Jasna Štrus: SPLOŠNA ZOOLOGIJA. Učbenik

Igor Jerman, Artur Štern: MOLEKULSKA EVOLUCIJA

Igor Jerman, Artur Štern: EVOLUCIJA S TEORETIČNO BIOLOGIJO

več avtorjev: PLIOCENSKI IN PLEISTOCENSKI HOMINIDI. Nove evolucijske razlage

več avtorjev: PODOBA, POGLED, POMEN

Tadej Praprotnik: IDEOLOŠKI MEHANIZMI PRODUKCIJE IDENTITET. Od identitete k identifikaciji.
A. Bavec, J. Stojan, M. Zorko: NAVODILA ZA LABORATORIJSKE VAJE IZ BIOKEMIJE
Svetlana Slapšak: ZA ANTROPOLOGIJO ANTIČNIH SVETOV. Uvod h knjigi PODOBA, POGLED,
POMEN

Herbert Grundmann: ZGODOVINOPISJE V SREDNJEM VEKU
več avtorjev: VVAR DISCOURSE, WOMEN’S DISCOURSE
Miran Štuhec: NARATOLOGIJA. Med teorijo in prakso

Boštjan Marko Turk: BERGSONIZEM IN NJEGOV POLOŽAJ V DUHOVNI ZGODOVINI SLOVENCEV
Martin Juvan, Matjaž Zaveršnik: VAJE IZ PROGRAMIRANJA. C, C++ in Mathematica
Blagajana Herzog - Velikonja, Kristina Gruden: PRAKTIKUM IZ MOLEKULARNE
BIOLOGIJE. Teoretični del

Andrej Pogačnik: UREJANJE PROSTORA ZA TRETJE TISOČLETJE
Blagajana Herzog - Velikonja, Kristina Gruden, Lejla Pašič: PRAKTIKUM IZ MOLEKULARNE
BIOLOGIJE

Maja Rupnik, Polona Zalar, Miha Janc: SPLOŠNA MIKROBIOLOGIJA. Navodila za vaje
Tanja Žigon: NEMŠKO ČASOPISJE NA SLOVENSKEM

Štefan Vevar: TEMELJNI ASPEKTI IN PRINCIPI TEORIJE LITERARNEGA PREVAJANJA
več avtorjev: NASTAJANJE STROKOVNIH IN ZNANSTVENIH BESEDIL. Med pisanjem in družbenim
kontekstom

Miha Pintarič: TRUBADURJI

več avtorjev: COOLTURA: UVOD V KULTURNE ŠTUDIJE

Darja Zaviršek, Jelka Zorn, Petra Videmšek: INOVATIVNE METODE V SOCIALNEM DELU:

Opolnomočenje ljudi, ki potrebujejo podporo za samostojno življenje
Polona Zalar, Nina Gunde - Cimerman: TAKSONOMIJA IN IDENTIFIKACIJA GLIV
Ana Plemenitaš, Branislava Črešnar, Marija Žakelj - Mavrič: BIOKEMIJA USTNE VOTLINE
Tomaž Makovec: BIOKEMIJA I. Navodila za vaje
Jernej Logar: PROTOZOOLOGIJA

Majda Hrženjak: SIMBOLNO - IZBRANA POGLAVJA IZ FRANCOSKEGA STRUKTURALIZMA
Jasna Štrus: SPLOŠNA ZOOLOGIJA. Učbenik (druga, popravljena izdaja)

Jasna Štrus: NAVODILA ZA VAJE IZ SPLOŠNE ZOOLOGIJE: L del (druga, popravljena izdaja)

Jasna Štrus, Damjana Drobne, Primož Zidar: NAVODILA ZA VAJE IZ SPLOŠNE ZOOLOGIJE: 2. del
(druga, popravljena izdaja)

Bojan Žalec: SPISI O VEBRU

več avtorjev: STATISTIČNI TERMINOLOŠKI SLOVAR
Gorazd Urbanič, Mihael J. Toman: VARSTVO CELINSKIH VODA
Matevž Likar, Marjana Regvar: PRAKTIKUM FIZIOLOGIJE RASTLIN
Vida Miloševič Arnold, Milko Poštrak: UVOD V SOCIALNO DELO

Simona Prevorčnik: NAVODILA ZA VAJE IZ SISTEMATSKE ZOOLOGIJE NEVRETENČARJEV (druga,
dopolnjena izdaja)

Rajko Bratož: GRŠKA ZGODOVINA (druga, dopolnjena izdaja)

Nike Kocijančič Pokom: MISLITI PREVOD. Izbrana besedila iz teorije prevajanja od Cicerona do Derridaja
Tomaž Makovec: UVOD V BIOKEMIJO. Naloge z rešitvami

Mitja Velikonja: MITOGRAFIJE SEDANJOSTI. Študije primerov sodobnih političnih mitologij

Jasna Dolenc Koce: SPLOŠNA BOTANIKA
več avtorjev: MEDIJSKA KULTURA

Frane Adam, Matevž Tomšič: KOMPENDIJ SOCIOLOŠKIH TEORIJ (draga, dopolnjena in popravljena
izdaja)

Darja Kobal, Janez Kolenc, Nada Lebarič, Bojan Žalec: SAMOPODOBA MED MOTIVACIJO IN
TEKMOVALNOSTJO. Interdisciplinarni pristop
Kristina Sepčič: BIOKEMIJSKI PRAKTIKUM ZA PEDAGOGE

Florica Hrubaru, Primož Grešak, Janez Rebec, Martina Nemamik: UČBENIK ROMUNSKEGA JEZIKA ZA
SLOVENCE

Tadeja Trošt Sedej: EKOLOGIJA RASTLIN. Priročnik za vaje
Urška Batista: GOJENJE SESALSKIH CELIC V IN VITRO POGOJIH

Maja Rupnik, Polona Zalar, Martina Turk, Miha Janc: SPLOŠNA MIKROBIOLOGIJA. Navodila za vaje
(tretja, dopolnjena izdaja)

Peter Trontelj: VRETENČARJI SLOVENIJE. Gradivo za vaje iz zoologije strunarjev
Rodney F. Boyer: TEMELJI BIOKEMIJE
Anton Mlinar: EVTANAZIJA

Stane Kavčič, Luka Juvančič, Urban Sila: AGRARNA EKONOMIKA IN EKONOMIKA KMETIJSKIH
GOSPODARSTEV. Računske naloge z rešitvami
Valentina Hlebec, Tina Kogovšek: MERJENJE SOCIALNIH OMREŽIJ
Ksenija Vidmar Horvat: GLOBALNA KULTURA

Andrej Vilfan, Gojmir Lahajnar: ZBIRKA RAČUNSKIH NALOG IZ BIOFIZIKE Z NAKAZANIMI
REŠITVAMI

več avtorjev: TEMATOLOGIJA. Izbrana poglavja

Boris A. Novak: POGLEDI NA FRANCOSKI SIMBOLIZEM

Tomaž Makovec in sodelavci: BIOKEMIJA I. Navodila za vaje (druga, popravljena in dopolnjena izdaja)
Marjanca Starčič Erjavec, Nina Gunde - Cimerman, Blagajana Herzog Velikonja: PATOGENI MIKROBI
Rajko Bratož: RIMSKA ZGODOVINA 1

Aljoša Bavec, Matjaž Zorko, Jure Stojan: NAVODILA ZA LABORATORIJSKE VAJE IZ BIOKEMIJE S
TEORETIČNIM DODATKOM

Miha Javornik: ZLATI VEK RUSKE KULTURE. Poti ruske umetniške besede 1670-1840
Jasna Štrus, Rok Kostanjšek: BIOLOGIJA ŽIVALSKE CELICE

Knjige so na voljo po študentski ceni v knjigarni Podmornica (v suterenu Fakultete za družbene vede, Kardeljeva
ploščad 5, Ljubljana) in na internetu na naslovu http://www.studentskazalozba.si .


CENA: 1S€