Prvi biokemijski komplet: Življenjska števila
S prvim biokemijskim kompletom boš spoznal zgodbo o življenjskih številih. Ta števila so 1
(zate), 2 (za tvoje gene), 4 (za gradnike DNK in RNK) ter 20 (za gradnike beljakovin).
DNK, RNK in še proteini... Ojoj!
Sam lahko sestaviš biološke molekule! No, ali pa vsaj njihove modele. Za takojšnji začetek obrni na
stran številka 6 (Hitri začetek). Tam najdeš osnovna navodila za sestavljanje molekul s kompletom
Zometool, v pomoč pa ti bodo tudi karte s slikami in opisi posameznih molekul.
Osredotočili se bomo na DNK (deoksiribonukleinsko kislino), RNK (ribonukleinsko kislino) in
beljakovine (imenovane tudi proteini). Bioloških molekul je seveda še veliko več, a skoraj vse nastajajo
ob pomoči proteinov; informacija o zgradbi proteinov je shranjena v DNK in RNK (temu pravimo tudi, da
nukleinske kisline kodirajo proteine). S tem kompletom boš sestavljal osnovne gradnike (monomere), ki
se združujejo v velike molekule DNK, RNK in proteine. Takšne velike in zapletene molekule imenujemo
polimeri. Življenja brez DNK, RNK in proteinov si ne moremo predstavljati. Te čudovite zapletene
molekule raziskujemo, da bi razumeli življenjske procese.
Polimer je večja molekula, sestavljena iz medsebojno povezanih enakih ali
podobnih molekul (osnovnih gradnikov ali monomerov). Z variacijo relativno
majhnega števila različnih osnovnih gradnikov v zaporedju polimerov je Narava
ustvarila neverjetno raznolike biološke molekule, ki opravljajo raznovrstne naloge.
Centralna dogma .
Osnovni princip ali centralna dogma molekularne biologije pravi, da je poglavitna naloga genov (torej
odsekov molekule DNK), da kodirajo proteine. Informacija, shranjena na DNK, se ne prevede
neposredno v proteine, temveč za to potrebuje posrednike, molekule RNK. Z drugimi besedami:
molekula DNK nosi v svoji strukturi informacijo za sintezo končnega proizvoda (proteina), molekula
RNK pa predstavlja nekakšnega sporočevalca ali prenašalca takšne infomacije.
DNK
RNK
protein
Življenje je enostavno kot 1, 2, 4, 20! .
Če nekoliko poenostavimo, lahko gledamo na življenje skozi prizmo štirih števil:
• 1 je zate! Si živo bitje, ki ji na svetu ni para!
• 2 je za tvoja starša in dva niza genov, ki si ju podedoval po njiju. Geni se nahajajo na molekulah
DNK in se prepisujejo (izražajo) v molekule RNK.
• 4 je za po štiri osnovne gradnike molekul DNK (G, C, A in T) in RNK (G, C, A in U). DNK in RNK
kodirata proteine oziroma zaporedje aminokislinskih gradnikov v proteinih.
• 20 je za dvajset osnovnih gradnikov proteinov, aminokislin. Vsi proteini v tvojem telesu so
zgrajeni iz vsega dvajset različnih aminokislin, seveda v različnih razmerjih in v drugačnih
zaporedjih le-teh.
1
Jaz sem en sam! .
Število 1 predstavlja tebe, povsem edinstveno bitje. Le enojajčni dvojčki imajo povsem enak dedni
zapis, sicer ti (vsaj z genetskega vidika) ni para na vsem svetu! Kar te dela tako posebnega, je nabor
genov v vsaki celici tvojega telesa. V genih je zapisan načrt, ki določa razvoj in delovanje vseh živih
bitij. In ker je tvoj načrt edinstven, si tudi ti en sam in neponovljiv.
Strukture bioloških molekul so enostavne, a zato nič manj osupljive. Prav
neverjetno pa je, kako posamezne molekule sestavljajo živa bitja. Znanost še
vedno nima vseh odgovorov na ta in podobna vprašanja. Sodeluj pri reševanju
zagonetk še sam!
Hvala, mami in oči! .
Število 2 predstavlja tvoja starša in dva niza genov, ki si ju podedoval po njiju in pomenita podroben
načrt za razvoj in delovanje tvojega telesa. Tudi tvoja straša sta podedovala gene po svojih starših
(tvojih starih starših), ti po svojih in tako nazaj. V jedru vsake celice tvojega telesa so kromosomi,
katerih najpomembnejša sestavina je DNK. Geni so nanizani na molekuli DNK. Informacija, shranjena v
genih, je zapisana z značilnim zaporedjem osnovnih gradnikov DNK (nukleotidov) oz. njihovih baz.
Preprosta življenjska koda .
Lahko bi rekli, da je načrt za življenje zapisan z le štirimi (4) osnovnimi gradniki DNK oz. nukleinskimi
bazami le-teh (nukleinske baze so del nukleotidov). Baze označujemo s štirimi črkami: G za gvanin, C
za citozin, A za adenin in T za timin. V dvoverižni DNK se baze povezujejo med sabo s posebnimi
vezmi (A se poveže s T na sosednji verigi, G pa s C) in tako tvorijo nekakšne letvice na zaviti lestvi,
slavni dvojni vijačnici DNK. V en sam polimer DNK je povezano več milijonov nukleotidov (in s tem
enako število baz), vsaka tvoja celica pa vsebuje več milijard baznih parov, kar je približno toliko, kot je
vseh ljudi na Zemlji!
DNK ima obliko vijačnice: nukleinske
baze, ki potekajo vzdolž vsake od
verig DNK, se med sabo povezujejo
(A se poveže s T na sosednji verigi, G
pa s C) in tako vzdržujejo strukturo
dvojne vijačnice.
Ujemi življenje na nivoju molekul!
Oglej si strukture bioloških molekul
na priloženih kartah in še sam sestavi
modele molekule iz kroglic, ki
ponazarjajo atome, ter paličic, ki
predstavljajo medatomske vezi.
2
Tudi molekule RNK so zgrajene iz štirih (4) različnih osnovnih gradnikov (in tako štirih nukleinskih baz).
Vedno kadar celica potrebuje določen protein, tvori najprej ustrezne molekule RNK. Te nastajajo kot
prepis informacije, shranjene v DNK (osnovnih navodil za pripravo proteina), zato proces nastajanja
RNK imenujemo prepisovanje ali transkripcija. RNK v celici prenese sporočilo o tem, kateri protein naj
celica naredi. Sporočilo v RNK je zelo podobno tistemu na DNK, le da namesto nukleinske baze timina
(T) v RNK nastopa uracil (U). RNK se od DNK razlikuje tudi po tem, da praviloma ne tvori dvojne
vijačnice, temveč je sestavljena iz le ene verige, ki jo gradijo nukleotidi z bazami G, C, A in U.
Ponazoritev transkripcije:
DNK
RNK
Gradniki življenja .
Kakšno sporočilo je pravzaprav zapisano na molekulah DNK? Na DNK (in seveda RNK) je kodiran
zapis za dvajset (20) aminokislin. Aminokisline so osnovni gradniki proteinov. S povezovanjem različnih
aminokislin nastanejo proteini najrazličnejših oblik, ki v celici opravljajo razne življenjsko pomembne
naloge. V posebnih celičnih »tovarnah« (imenovanih ribosomi) se informacija, ki jo prinesejo molekule
RNK, prevede v zaporedje aminokislin in tu nastajajo proteini. Proces pretvorbe kode na RNK v protein
imenujemo prevajanje genske informacije ali translacija. Že ime samo nakazuje, da se »jezik« DNK in
RNK razlikuje od »jezika« proteinov in da prenešeno sporočilo zahteva prevod.
Ponazoritev translacije:
RNK
protein
3
Dvajset aminokislin, združenih v polimer (protein)
Razvozlajmo genetski kod .
Genetski kod, »jezik« v katerem je zapisana informacija na DNK in RNK, je univerzalen, kar pomeni, da
je enak pri vseh živih bitjih. Z zaporedjem nukleinskih baz v RNK je določeno zaporedje aminokislin v
proteinih: niz treh zaporednih baz (imenovan kodon) zapisuje informacijo za določeno aminokislino
(torej navodilo o tem, katero aminokislino naj celica vgradi na določeno mesto v nastajajočem proteinu).
Naslednji kodon nosi informacijo za sledečo aminokislino in tako naprej. Vsaka od dvajsetih aminokislin
ima vsaj en pripadajoč kodon. Ker so nukleinske baze štiri, je različnih kodonov 64 (po štiri mogoče
baze na treh položajih kodona: 4 × 4 × 4 = 64), torej več kot dovolj za zapis vseh aminokislin. Ob
kodonih, ki označujejo posamezne aminokisline, poznamo tudi kodone, ki so znak za začetek in konec
nastajanja verige aminokislin.
Razvozlaj genetski kod:
Tričrkovne oznake v tabeli predstavljajo
posamezne vrste aminokislin:
Phe – fenilalanin
Leu – levcin
Ile – izolevcin
Met – metionin
Val – valin
Ser – serin
Pro – prolin
Thr – treonin
Ala – alanin
Tyr – tirozin
His – histidin
Gln – glutamin
Asn – asparagin
Lys – lizin
Asp – asparaginska kislina
Glu – glutaminska kislina
Cys – cistein
Trp – triptofan
Arg – arginin
Gly – glicin
STOP – zaključni kodon
4
Proteini se lahko močno razlikujejo – tako po obliki kot po nalogah, ki jih opravljajo – vse po zaslugi
razlik v zaporedju v verigo nanizanih aminokislinskih gradnikov. Nekatere aminokisline so velike, druge
majhne, nekatere nosijo pozitiven ali negativen naboj, spet druge so nepolarne. Raznovrstnost
proteinov se zrcali v neverjetni raznolikosti živih bitij.
Vse življenjske oblike so povezane .
Opisane biološke molekule srečamo v prav vseh živih bitjih na Zemlji. Življenjske
procese nadzira in vodi enak genetski kod in Narava uporablja povsem enake
gradnike pri vseh organizmih. Še več: številne živalske vrste se genetsko ujemajo
s človekom v več kot 90 odstotkih!
Karte z biološkimi molekulami .
Nauči se graditi modele bioloških molekul s priloženimi kartami. V kompletu je 28 različnih kart: 20 kart
za aminokisline, 5 kart za nukleinske baze (G, C, A, T in U) ter 3 karte za preostale sestavine
nukleotidov (fosfatno skupino ter sladkorja ribozo in deoksiribozo).
Življenje ni ravninsko .
Imena in okrajšave molekul so označene na vrhu kart. V sredini je slika modela molekule. Pri
sestavljanju modelov sledi tej sliki, a bodi pozoren na to, da je slika dvodimenzionalna (ravninska),
molekule pa tridimenzionalne (prostorske)! Pri sestavljanju seveda uporabi tudi znanje o zgradbi
molekul, ki si ga osvojil pri pouku kemije in biologije.
Karte aminokislin .
Na kartah, ki opisujejo aminokisline, so (z izjemo glicina) molekule razstavljene na dva dela, na kar
opozarja oznaka »AA-R« (angl. amino acid residue – aminokislinski ostanek ali stranska veriga). Vse
aminokisline imajo namreč del, ki je enak (zgornja slika; vključuje karboksilno in aminsko skupino,
vezani na t.i. alfa-C-atom) in del, ki je značilen za posamezno aminokislino (spodnja slika; t.i. stranska
veriga aminokisline (R)). Popolno aminokislino sestaviš tako, da oba dela povežeš prek označenih
prostih vezi. Aminokislina glicin je posebnež v tem, da nima stranske skupine oz. le to predstavlja kar
vodikov atom (H). Glicin najpreprostejša aminokislina in zato prikazan z modelom celotne molekule.
5
Hitri začetek .
1. Dobro si oglej model molekule na karti.
2. Poišči sestavne dele (kroglice in paličice), ki jih potrebuješ za gradnjo modela molekule (označeno
pod molekulsko formulo spojine).
3. Sestavi svoj model molekule.
4. Primerjaj svoj model s sliko na karti.
5. Pokaži model še svojim prijateljem.
aminokislina alanin
Števila 1, 2, 4 in 20 nas vodijo od tebe (1) do načrta, ki si ga podedoval po starših (genov,
2), molekul, ki načrt kodirajo (DNK ali RNK, 4) in nas končno privedejo do gradnikov
(aminokislin, 20), ki so zapisane v načrtu.
6
PRAVILA ZOMETOOL-a
1 Ničesar ne sestavljaj na 2
silo!
Če se komponente
kompleta prilegajo, se
prilegajo popolnoma.
Paličice lahko sicer nežno
zviješ, da jih spraviš na
želeno mesto, a v
končanem modelu naj bodo
vselej povsem ravne. Še
nasvet: enostaven način,
da ugotoviš, s katero
paličico lahko povežeš dve
kroglici v modelu, je, da
kroglici poravnaš in
pogledaš skozi luknjici. Iz
oblike lukenj prepoznaš
ustrezno paličico.
Modele razstavljaj z
občutkom!
Modele najlažje razstaviš
tako, da objameš paličico s
prsti in nežno potisneš
kroglico s palcem. Kroglic
nikoli ne poskušaj odviti s
paličic. Velike modele
najhitreje razstaviš tako, da
najprej odstraniš vse
najdaljše paličice iste barve,
nato pa se postopno lotiš
krajših.
US Patents RE 33,785;
6,840,699 B2. Zometool
is a registered
trademark of Zometool
Inc. Based on
the 31-zone system,
discovered by Steve
Baer, Zomeworks
Corp., USA © 2009
Prevod: Logika d.o.o., © 2010
7
3
Počisti za sabo.
Ko končaš, pospravi za
seboj in prepusti Zometool
še drugim.