van Komel in Tom stia, Rado a Turk m r e D a rin Ma
e s r e j K
začne
knjigarna.com
na zij e
življenje... im g swis721a za ik t e n e g n i BiologijCMYK e a celic 10/100/90/0
Radovan Komel in To m Tu astia, erm rk D a n ari M
življenje... etik Biologija celice in gen
na
začne
zij e
se r e j K
a az
m gi
Urednica: Marina Dermastia Recenzenti: prof. dr. Ana Plemenitaš, prof. dr. Damjana Drobne, prof. dr. Jože Pungerčar, Majda Kamenšek Gajšek, Nada Udovč-Knežević Jezikovni pregled in korekture: Tina Kralj Abecedno kazalo: Alenka Dermastia Ilustracije: Marija Prelog Tehnične računalniške risbe: Kristina Sepčić Fotografije: Dreamstime, MARUM, PRNIB, Reuters, Shutterstock, Istockphoto, Wikimedia Commons, Cimerman Gunde N., Dermastia M., Dixson K., Dobnik D., Dreo T., Drobne D., Filipič M., Frangež R., Glasenčnik E., Inštitut za biologijo celice, MF , Inštitut za mikrobiologijo, MF , Kladnik A., Križanec Turk K., Novak Pompe M., Rijavec T., Sedmak B., Strgulc Krajšek S., Turk T., Žnidarič Tušek M.
Vse knjige in dodatna gradiva Založbe Rokus Klett dobite tudi na naslovu www.knjigarna.com.
© Založba Rokus Klett, d. o. o. (2011). Vse pravice pridržane. Brez pisnega dovoljenja založnika so prepovedani reproduciranje, distribuiranje, javna priobčitev, predelava ali druga uporaba avtorskega dela ali njegovih delov v kakršnem koli obsegu in postopku, kot tudi fotokopiranje, tiskanje ali shranitev v elektronski obliki. Tako ravnanje pomeni, razen v primerih od 46. do 57. člena Zakona o avtorski in sorodnih pravicah, kršitev avtorske pravice.
knjigarna.com swis721 CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 576.3(075.3) 575(075.3)
Založba Rokus Klett, d. o. o. Stegne 9 b, 1000 Ljubljana Telefon: (01) 513 46 00 Telefaks: (01) 513 46 99 E-pošta: rokus@rokus-klett.si www.rokus-klett.si
CMYK 10/100/90/0
DERMASTIA, Marina Kjer se življenje začne --- : biologija celice in genetika za gimnazije / Marina Dermastia, Radovan Komel in Tom Turk ; [abecedno kazalo Alenka Dermastia ; fotografije Dreamstime ... et al.]. - 1. izd. - Ljubljana : Rokus Klett, 2011 ISBN 978-961-271-126-9 1. Komel, Radovan 2. Turk, Tom 254618112
Kar poznam o, je konč no, česar ne poznamo , je brezk ončno. V razumskem pogledu sm o sredi neskončneg a oceana n eznanega. Dolžnost v sake gener a cije je, da morju i ztrga še k a k šen košček kop nega. -----Thomas H. Huxley (18 25-1895), angleški b iolog
knjigarna.com swis721 CMYK 10/100/90/0
Predstavitev avtorjev
Avtorica in avtorja učbenika, ki ga imate pred seboj, so redni profesorji na Univerzi v Ljubljani. Njihovo raziskovalno in strokovno delo je neposredno povezano z vsebinami, predstavljenimi v učbeniku. Vse tri povezuje dolgoletna skrb za izboljšanje naravoslovne pismenosti med slovensko mladino, ki se odraža v učbenikih, poljudnih knjigah, poljudnoznanstvenih in mladinskih revijah. Hkrati jih povezuje tudi ljubezen do narave, kateri namenjajo velik del svojega prostega časa.
Marina Dermastia je biologinja, ki se ukvarja z molekulskimi raziskavami razvoja koruze in interakcij med rastlinami ter patogenimi mikroorganizmi. Napisala je prvo knjigo v slovenskem jeziku o biokemiji in zgradbi rastlin – številne fotografije iz knjige so vključene tudi v pričujoči učbenik. Kot članica uredniškega odbora National Geographic Slovenija, od začetka izhajanja v slovenskem jeziku, predstavlja vsebine, povezane z rastlinami. Podpisana je pod številnimi strokovnimi in poljudnimi članki o biologiji in molekulski biologiji rastlin. Leta 2006 je skupaj s Tomom Turkom prejela nagrado Prometej znanosti za odličnost v komuniciranju znanosti za gimnazijski učbenik Od molekule do celice založbe Rokus Klett in leta 2010 priznanje Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani za najboljšo učiteljico na študiju mikrobiologije.
Radovan Komel je biokemik, začetnik molekulske biologije v slovenski biotehnologiji, pionir pri raziskavah genetskih bolezni na molekulski ravni v Sloveniji za potrebe genske diagnostike. Kot predsednik Prirodoslovnega društva Slovenije je tudi odgovorni urednik poljudnoznanstvene revije Proteus, v kateri objavlja poljudne članke s področja molekulske biologije. Za založbo Rokus Klett je napisal srednješolski učbenik Genetika – od dvojne vijačnice do kloniranja. Za raziskovalne dosežke na področju biokemije in molekulske biologije je prejel državno nagrado, predhodnico današnjih Zoisovih nagrad, s prvo Lapanjetovo nagrado mu je dalo priznanje Slovensko biokemijsko društvo, francoska vlada pa mu je za sodelovanje na področju znanosti in kulture podelila naziv vitez Akademskih palm. Je pomorščak, velik ljubitelj narave, zavzet za ohranjanje naravne dediščine in njenih vrednot.
Tom Turk je biolog. Raziskuje toksine in biološko aktivne naravne spojine iz morskih organizmov. Je dolgoletni predsednik državne maturitetne komisije za biologijo, avtor dveh knjig o podvodnem svetu Jadranskega in Sredozemskega morja ter skupaj z ilustratorko tega učbenika, akademsko slikarko Marjanco Prelog, tudi pisec besedila v njeni knjigi Ambasadorji morja. Je soavtor še dveh osnovnošolskih učbenikov in gimnazijskega učbenika založbe Rokus Klett Od molekule do celice, za katerega je skupaj z Marino Dermastia leta 2006 prejel nagrado Prometej znanosti za odličnost v komuniciranju znanosti. Od začetka izhajanja revije National Geographic v slovenskem jeziku je član uredniškega odbora revije, kjer je zadolžen za področji biokemije in morske biologije. Je potapljač, podvodni fotograf in pisec številnih poljudnih in strokovnih člankov, ki obravnavajo biologijo morja.
knjigarna.com swis721 CMYK 10/100/90/0
Vsebina
Prvi del: Biologija celice
12
Najmanjše oblike življenja Znaki živega Ideja o celici, kot o osnovni enoti življenja, se je razvijala počasi
14 15 16
Gradniki življenja – atomi, molekule, makromolekule Organizmi so sestavljeni iz biogenih elementov. Atomi in molekule so ključ do poznavanja kemijskih lastnosti snovi. Elementi se vežejo med seboj v spojine, v katerih je razmerje med elementi stalno. Življenje je odvisno od lastnosti vode. Organske molekule so gradniki celic. Ogljikovi hidrati so glavni vir energije v celici. Založni polisaharidi so zaloge enostavnih sladkorjev. Strukturni polisaharidi dajejo trdnost. Saharoza je oblika ogljikovih hidratov za prenos. Štirje različni nukleotidi se povezujejo v neskončno število kombinacij v nukleinskih kislinah. Beljakovine v celici opravljajo različne naloge. Lipidi so v vodi netopne organske spojine. Maščobe so založne spojine in bogat vir energije. Fosfolipidi sestavljajo biotske membrane. Holesterol je pomembna sestavina živalskih celičnih membran. Rastline se s svojim okoljem sporazumevajo s posebnimi molekulami. Esencialna hranila dobimo s hrano. Vitamini pomagajo pri kemijskih reakcijah in pri normalnem razvoju organizmov. Minerali so nujni za pravilno delovanje organizma. Telo dobi esencialne aminokisline in maščobne kisline s hrano. Povezovanje makromolekul. Liposomi in izvor membran. Biotske membrane so zgrajene iz lipidov in beljakovin. Tudi virusi so povezane makromolekule. Virusi napadajo vse organizme.
18 20 20 20 21 23 24 25 26 27 28 29 33 34 36 37 38 38 38 40 40 41 41 41 43 43
Celica in njeni organeli Celice so praviloma majhne. Povečava in ločljivost. Velikost celic določa razmerje med površino in prostornino. Pojav zapletenih celic je povezan z razvojem notranjih membran. Prokarionti so izjemno pestra skupina mikroorganizmov. Prokarionti se uvrščajo v dve samostojni evolucijski veji – evbakterije in arhebakterije. Pestrost prokariontskih oblik. Prokarionti igrajo ključno vlogo v ekonomiji življenja na Zemlji. Nekatere bakterije povzročajo bolezni. Zapleteni organizmi so zgrajeni iz evkariontskih celic. Jedro je nadzorni center celice. Endoplazemski retikel sodeluje pri sintezi celične membrane. Golgijev aparat je odgovoren za notranji celični transport. Vakuola je značilen rastlinski organel. Lizosomi so odgovorni za celično prebavo.
46 48 48 50 60 55 55 56 56 57 58 58 60 61 62 62
knjigarna.com swis721 CMYK 10/100/90/0
Vsebina
Mitohondriji in kloroplasti so celične elektrarne.
Mitohondriji pretvarjajo energijo iz hrane za pogon procesov v celici.
Kloroplasti zbirajo in pretvarjajo sončno energijo.
Plastidi se razlikujejo po obliki in nalogah, ki jih opravljajo.
Bakterijska invazija – izvor kloroplastov in mitohondrijev.
Citoskelet daje celici oporo in obliko ter je odgovoren za celična gibanja. Celična stena nekaterim vrstam celic nudi dodatno oporo in zaščito. Celična stena bakterij je različna. Glive imajo hitinsko celično steno. Rastlinske celice imajo močno zunanjo steno, ki opravlja številne naloge.
Membranski transport Prepustnost membran Gibanje topljencev.
Difuzija je pasivno gibanje topljencev v smeri koncentracijskega gradienta.
Osmoza je difuzija vode skozi izbirno prepustno membrano.
Za aktivni transport je nujna dodatna energija.
Nekatere molekule za prečenje membrane uporabljajo zasebne prehode. Včasih je za prečenje membrane nujna uporaba obvoznice. Membrane so vključene v signalne poti v celici.
Celica kot energijski sistem Energijske pretvorbe Energija je dveh vrst: potencialna in kinetična. Energija se ne more ustvariti, lahko pa se pretvarja iz ene oblike v drugo. Ključni energijski pretvorbi v živih bitjih sta oksidacija in redukcija. Energija se lahko sprosti iz kemijskih vezi. Energijske pretvorbe niso zelo učinkovite. Povečevanje nereda (entropije) in tok energije skozi ekosisteme. V celicah se hrana pretvarja v zapletenih kemijskih reakcijah. ATP je energijska valuta celice. Nastanek ATP je posledica membranskega transporta. Fosforilacija je pomemben celični proces. V energijske pretvorbe so vključene tudi druge spojine.
63 64 65 66 67 68 69 69 69 69 74 76 76 76 77 82 82 82 85 88 90 90 91 91 92 92 93 94 95 96 98 99
Celično dihanje Kaj imata skupnega dihanje s pljuči in celično dihanje? Glikoliza je razgradnja sladkorja. Razgradnja piruvata in nastanek acetil-CoA. Acetil-CoA vstopi v citratni cikel. Elektronska prenašalna veriga je sklopljena z nastankom ATP. V elektronski prenašalni verigi je veliko členov. Tudi pri vrenju nastaja atp.
102 104 104 105 105 106 107 108
Fotosinteza Heterotrofni in avtotrofni organizmi. Fotosinteza, ki ne sprošča kisika, in avtotrofija brez fotosinteze. Le vidna svetloba je primerna za fotosintezo.
112 114 114 116
knjigarna.com swis721 CMYK 10/100/90/0
Vsebina
V organizmih imajo različna barvila različen namen. Klorofil a je glavno fotosintetsko barvilo. Klorofilu a pri zbiranju svetlobe pomagajo pomožna fotosintetska barvila. Fotosinteza poteka v dveh zaporednih stopnjah. V svetlobni stopnji nastaja uporabna energija. V temotni stopnji nastaja sladkor. V drugačnih razmerah okolja lahko fotosinteza poteka tudi po nekoliko spremenjeni poti. Rastline C4 ogljik iz CO2 vdelajo v spojino s štirimi ogljikovimi atomi. Rastline CAM odpirajo reže ponoči. Dejavniki okolja, ki vplivajo na hitrost fotosinteze.
116 117 118 119 120 121 122 123 124 125
Beljakovine v akciji Encimi pospešujejo kemijske reakcije v organizmih. Encimi delujejo po principu ključa in ključavnice. Delovanje encima ustavi inhibitor. Celice se premikajo zaradi delovanja gibalnih beljakovin. Gibalni beljakovini skeletnih mišic sta aktin in miozin.
128 130 132 133 134 134
Medcelično sporazumevanje Signali se prenašajo. Med živimi celicami prenosi signalov potekajo ves čas. Signalne molekule vstopajo v le nekaj splošnih signalnih poti. Izvencelične signalne molekule se vežejo na dva tipa receptorjev. Znotrajcelične signalne beljakovine delujejo kot molekulska stikala. Delovanje številnih receptorjev je povezano z beljakovino G. Kalcijevi ioni lahko delujejo kot sporočevalne molekule.
138 140 140 140 142 142 144 144
Drugi del: Genetika
148
Genetika raziskuje dedovanje. Živimo v času velikega znanstvenega in tehnološkega napredka. Genetsko inženirstvo je nepogrešljiv del sodobne biotehnologije. Nove genske tehnologije odpirajo možnosti za nove oblike zdravljenja bolezni.
150 150 151 151
Vzorci dedovanja Skrivnosti dedovanja je začel odkrivati Gregor Mendel. Navadni grah je primerna raziskovalna rastlina. Lastnosti in znaki. Mendlovi poskusi. Mendel je s križanjem proučeval sedem lastnosti graha. Razmerja v Mendlovih poskusih. Znaki za lastnosti in dedovanje. Fenotip in genotip. Verjetnost posamezne kombinacije alelov. Dedovanje lastnosti je lahko zapleteno. Nepopolna dominanca. Več alelov in kodominanca. En gen, več znakov.
152 154 154 155 155 155 156 157 157 158 159 159 160 161
knjigarna.com swis721 CMYK 10/100/90/0
Vsebina
Več genov, en znak. Na fenotip vpliva okolje. Citoplazemsko dedovanje. Genetske osnove evolucije. Hardy-Weinbergovo ravnotežje.
161 161 162 163 163
Celični cikel in delitev celice Celični cikel je ponavljajoč se, nadzorovan niz dogodkov celične rasti in delitve. Hitrost celičnega cikla je odvisna od vrste celic. Celični cikel je pri evkariontih zelo zapleten. Interfaza je vmesna stopnja med dvema delitvama celice. V mitozi nastaneta dve gensko identični jedri. Na koncu delitve se med hčerinski celici porazdeli tudi citoplazma. Sistem nadzora celičnega cikla.
168 170 170 171 172 172 176 177
DNA – njena zgradba in podvojevanje Glavne ugotovitve, ki izhajajo iz modela DNA. DNA se podvoji pred delitvijo celice. Podvojevanje DNA se začne v izvoru podvajanja. Podvojevanje DNA ima nekaj težav z zgradbo molekule. Podvajanje DNA je zelo natančno.
180 183 184 187 185 187
Sinteza beljakovin Gen je osnovna fizična in funkcijska enota dednosti. Zapis za zaporedje aminokislin se prepiše in prevede iz zaporedja nukleotidov v nukleinskih kislinah. Genetski kod uporablja tri znake. Genetski kod je univerzalen. DNA je kodirano navodilo za beljakovine. S transkripcijo v jedru nastajajo mRNA in druge vrste molekul RNA. Translacija poteka na ribosomih v citoplazmi. Transkripcija in translacija sta v evkariontski celici prostorsko in časovno ločeni.
190 192 192 193 194 194 195 196 198
Uravnavanje izražanja genov Organizacija genov v operon omogoča bakterijam, da se hitro odzovejo na spremembe v okolju. Pri evkariontih so ves čas vključeni le geni, nujni za rutinsko delovanje celic. Evkariontski geni niso organizirani v operone. Celično signaliziranje in uravnavanje genskega izražanja.
202 204 206 206 207
knjigarna.com swis721
Spremembe genoma Mutacije so nepopravljene spremembe v kodnem sporočilu, zapisanem v molekuli DNA. Spontane mutacije, ki se ohranijo, so redke. Mutageni so zunanji povzročitelji mutacij. Pri genskih mutacijah je ključno mesto, na katerem nastane sprememba v DNA. Mutacije ne vplivajo nujno na fenotip. Z mutacijami se lahko izboljšajo lastnosti beljakovin. Kromosomske nepravilnosti.
CMYK 10/100/90/0
210 212 213 213 213 214 215 216
Vsebina
Genetske bolezni in genske okvare. Usodne mutacije so lahko tudi koristne. Dominantne genetske bolezni. Recesivne genetske bolezni. Genetske bolezni in etika genske diagnostike.
217 217 218 218 219
Spolno razmnoževanje in preureditev genov Celice imajo lahko eno ali dve garnituri kromosomov. V življenjskem krogu organizmov se izmenjujeta haploidna in diploidna stopnja. V mejozi nastanejo štiri gensko različne celice. Prva mejotska delitev. Druga mejotska delitev. Prednosti spolnega razmnoževanja.
222 224 226 228 228 230 231
Kloniranje rastlin in živali Genetski potencial celic. Celično kloniranje. Tkivne kulture rastlin. Kloniranje sesalcev z zamenjavo jeder je novo področje znanosti in medicine. Namnoževalno kloniranje živali. Namnoževalno kloniranje človeka. Embrionalne matične celice so popolnoma nespecializirane. Odrasle matične celice so celice v zrelih tkivih, ki nadomeščajo že diferencirane celice. Terapevtsko kloniranje je posebno področje raziskav matičnih celic. Banka popkovnične krvi je tudi vir matičnih celic. O vprašanjih, povezanih z raziskavami matičnih celic, se moramo pogovarjati.
234 236 237 237 238 238 240 240 241 242 243 243
Genetsko inženirstvo in biotehologija Z molekulskim kloniranjem pomnožujemo kose molekul DNA. Tehnologija genetskega inženirstva potrebuje prenašalce DNA. Restrikcijski encimi so ključni za molekulsko kloniranje. Kloniranje v prenašalce. Kako v molekulah DNA najdemo gen, ki nas zanima? Verižna reakcija s polimerazo (PCR). Biotehnologija uporablja organizme ali njihove dele za izdelavo uporabnih izdelkov. Gensko spremenjeni organizmi. Človeški inzulin je prva beljakovina, ki so jo izdelale transgenske bakterije. Javno mnenje je genskim tehnologijam v medicini naklonjeno. Genska tehnologija nadomešča tradicionalne programe križanj in umetnega izbora. Možne slabosti uporabe genske tehnologije.
246 248 248 248 250 251 252 254 254 254 255 256 257
Kjer se življenje začne … Rojstvo vesolja. Kakšne so bile okoljske razmere v zemeljski prazgodovini? Kaj je bilo prej – kokoš ali jajce? Šele nastanek membran je omogočil razvoj prve celice. Ali so prvi živi organizmi uporabljali kisik?
260 262 262 264 264 266
knjigarna.com swis721 CMYK 10/100/90/0
Kako uporabljate učbenik
Prvi d
el:
Biologija
Učbenik sestavljata dva glavna dela, ki sta barvno ločena. UvodnI strani vsakega dela vključujeta celoten seznam vseh poglavij in sta opremljeni s citatom, z odlomkom umetniškega besedila ali odlomkom iz zgodovinskih naravoslovnih besedil. Citati so kot izrezki iz časopisa naključno nalepljeni na strani. Besedilo uvodnih strani na poljuden način predstavi glavne tematike, ki jih bodo obravnavala sledeča poglavja.
celice
Grad
niki ž
Kaj je živl jenje? Je blesk kresnice ponoči. Je bizonova sapa pozi mi. Je senca, ki teče čez prerijo in izgine v sončnem zahodu. -----Vranja noga (okrog 1830 –1890), bojevnik in govornik iz indijans plemena Črno kega nožcev
ivljen
ja – a
Celic
tomi,
a in n
jeni o
Mem
mole
li
bran
ski tr
a kot
energ
Celič
istem
anje
Fotos
intez
a
Medc e
grešljiv je nepo nirstvo logije ko inže Genets bne biotehno a in rezanj rili nač del sodo ja v poveniki odk zmov. sti organi nane lastno nja genov ter uje ded lednje. delova ki razisk adbe in cije v nas je veda, jem zgr genera Genetika acija o učevan ajo iz ene se s pro ža inform prenaš Ukvarja haja na o se izra se geni pre kak ere ja in kat aci ena činov, na ta inform be v geje shranj a, kako jo, kako spremem organizm Zanima vplivajo ekala binekega o nanjo losti pot šna lastnostih cije in kak kako je v pretek es in kak genera i, aja dan znati žel naslednje vrst dog novi. Spo vojem se z raz netski zas kaj t. evolucija, hodnos ološka a za pri anj dev so predvi
Genetik
150
kule
ijski s
no dih
kovin e
do
mole
ort
Belja
je de a razisku
makro
ansp
Celic
151
vanje
kule,
rgane
v akc
lično
iji
spora
zume
van so znanst ga združe iv timi leti njihove i vnašat tridese kose in goče tud e, ti lahko Že pred manjše A je mo DNA na za gen Kose DN ovi molekul ru, ko gre oredja. tej osn v prime tov. Na nova zap se r duk kje rekompro ljubna e, nskih ili vrsto organizm beljakovi es pridob zdravljenje jih različne dan svo om do v obliki lja za rabljaizrazijo inženirstv dicina uporab upo jih kim ets me ih imov, ki n, ki jih smo z gen kih enc som nov beljakovi industrijs industriji. Z vno binantnih ezni, pa tudi tline in i ene ras in živilsk bol spremenj številnih delovalni ični, pre iti gensko var kem v ust mo je uspelo genov nam
vanje
živali.
rajo ije odpi hnolog e nske te Nove ge i za nove oblik st možno nja bolezni ezni stiki bol v diagno iki pa zdravlje
nega, anstve likega zn v času ve edka Živimo oškega napr ošno ol el vsespl in tehn tvu prines ega ob-
Prvi strani poglavja se začneta z zgodbo ali pomembnimi dejstvi, ki vzbudijo vaše zanimanje za sledeče poglavje in vas na njegovo vsebino tudi pripravijo. Strani sta opremljeni s citatom, z odlomkom umetniškega besedila ali odlomkom iz zgodovinskih naravoslovnih besedil. Ponazorjeni sta s fotografijo, ki na poseben način odslikava vsebino poglavja. Na tej strani so tudi shema poglavja, sestavljena iz naslovov podpoglavij, in ključni pojmi, ki bodo v poglavju in v Slovarčku ključnih pojmov razloženi. Vse to naj vas navduši nad vsebino poglavja, vas vanj usmeri in še razloži, kaj se lahko v poglavju naučite.
vel olucija eznim, prava rev avljerim bol ruhnila nekate skega zdr ini je izb njenj k anega gen dvomi o moV medic anju nag o imenov ovedov tudi a avljajo ročju tak in pri nap o številn ljaj ti na pod teh uspehih poj em obe i spr uspelo so tud j, ki jih ob vseh ovalcem dognan isk eda se ih raz Sev . ven nja nst tskim Z njenim rabah zna letu 1997 je ško e Dolly. žnih zlo .V alca – ovc kloniranja orvprašanja o kloniranje ses iskavah mule, , etična raz ešn pse v no usp mejnik i, konje, tavljen prvo zna ane miš ehi pa so je bil pos že klonir veni usp rojstvom zdajšnje es imamo Tovrstni znanst . nirali, in ov in dan maganizm ce, mačke živali sploh klo iskavah šiče, zaj aj bi ter o raz krave, pra Slednje nje, zak človeka i vpraša niranje. niranja klo tud oklo rli ko vts stih odp biotehnol terape o možno celično novano oz. ime es še polemike ko o rimi, dan ic za tak medicins nekate jočo se tičnih cel močno nad vija nas vje raz hitro i, ki se agosla iranaj bi s neslo zm so dogodk nja, od kod izv pri to ini dic aša imi. Vse gijo me bolezn re na vpr odgovo avljivimi iščemo neozdr saj v njih dotikajo, gremo. mo in kam
naš bi človeš evanju es imo, naj ti v razum ar sta Jam erem živ sežnos tij, odk la razČas, v kat nove raz t desetle e objavi eva šes in odprl iji Natur ine blaginjo nosti. Min veni rev e sestav in prihod znanst A, osnovn kot inforCrick v stajanja ge adbe DN Francis vlo zgr in ne n čne unje e vija Watso lji, in nan osn jnoverižn zmov na Zem tje je poz tidnih kritje dvo desetle organi nukleo Že celo ov vseh o milijard življenja. genom a sočasn rih treh molekule ločeno, dja dob cij zapore macijske ki sta ga a zor a, neg om kon leotid a gen rodni ics. tek nuk veškeg la medna era Genom , ki ikega člo e objavi žba Cel ike parov vel ture in Scienc ebna dru e genom zas Na jsk in kci « vseh v revijah genom obja fun ovanje človeški etek obd go in del , »Projekt dala zač znali vlo uje celica je napove da bomo spo kako del Objava umeli, čila, poteh bo rda raz omogo katerih tako mo nam bo je ter po genov in lo življen človeških in razvija elo je zač kako se la naprej. poteka evolucija
Ključni pojmi
Gradniki življenja – atomi, molekule, makromolekule
Organizmi so sestavljeni iz biogenih elementov. • Atomi in molekule so ključ do poznavanja
114
Fotosinteza
Heterotrofni in
Ekosistem, neod
visen od svetlo
be
Tak ekosistem na Zemlji dejan sko obstaja, čepra v dobro skrit očem navadnih smrtn ikov. Organizmi, ki živijo na obmo čjih globokomo rskih hidrotermalnih vrelcev (t. i. črnih dimnikov), tudi posredno niso odvisni od sončne svetlo be. Tak ekosistem poganja kemo sinteza: anorg anske snovi, ki priha jajo v morje nepo sredno iz magme, so hrana za poseb no skupino kemoavtotrofov in hkrati vir mole kul za sintezo organ skih spojin. Taka kemosinteza je osnova za življe nje drugih organizmov v tem ekstremnem okolju, predvsem raznih črvov mnogoščetincev , školjk in rakov .
avtotrofni org
anizmi
Pred razvojem fotosinteze so tako rekoč vsi gije uporablja organizmi kot li organske spoji vir enerne iz Zemljine življenje začn »prajuhe« ( e). Bili so hete Kjer se rotrofi – organizm ampak tudi izdel i, ki ne le pora ujejo nove orga bljajo, nske spojine iz teros = različen) različnih (gršk že obstoječih o: heorganskih spoji kovih spojin iz n. Pri pretvorbi oglji prajuhe se je v okolje sproščal nja je bil neka CO2. Tak način j časa ustrezen, življea v daljšem časo pokazale njeg vnem obdobju ove pomanjkljivos so se ti. Prajuha se in tako so orga namreč ni obna nizmi začeli tekm vljala, ovati za omejene spojin. Ker prvi zaloge organskih zemeljski orga nizmi niso znali obsojeni na izum vezati CO2, bi rtje, ko bi v praju bili hi zmanjkalo ogljika. Razvoj organsko veza fotosinteze pred nega približno 3 milij nekaterim orga ardami let pa nizmom omo je gočil dostop do Namesto da bi novega vira ener bili še naprej odvis gije. ni od zmanjšan snovi v prajuhi, ih zalog organskih so začeli izkor iščati sončno zadosten vir ener svetlobo, ki je gije. To so bili dober in prvi zemeljski nizmi, ki upor fotoavtotrofi, abljajo energijo orgasvetlobe za izdel iz anorganskih, avo organskih npr. iz vode in spojin CO2. Fotoavto naš planet in trofi so zelo spre vse druge oblik menili e življenja. S svoji zmanjšali učin m delovanjem so ek segrevanja takratnega ozra z odpadnim prod čja in ga začeli uktom novega polniti procesa – kisik drugih organizm om. Ta je za večin ov postal nuje o n za življenje. vdihavamo, je Ves kisik v zraku nastal zaradi , ki ga fotosinteze.
Čeprav so si molekule v vseh organizmih presenetljivo podobne, pa se bakterija od regrata ali čebela od človeka razlikujeta po tipu in povezanosti posameznih molekul. Drevo, ki ga vidite skozi okno, je sestavljeno iz več tisoč različnih molekul, nekatere so skupne vsem oblikam življenja, nekatere pa najdemo le v tem drevesu. Molekule so povezane in oblikujejo celične strukture, kot so membrane in celični organeli. Različni tipi celic se povezujejo v tkiva, ki nato oblikujejo posamezne organe. Lastnosti vsake posamezne ravni organiziranosti od molekule do organizma izhajajo iz sestavnih delov, ki to raven gradijo. V tem poglavju bodo predstavljene molekule, ki so skupne vsem oblikam življenja. Poleg vode so to ogljikovi hidrati, beljakovine, lipidi in nukleinske kisline.
kemijskih lastnosti snovi. • Elementi se vežejo med seboj v spojine, v katerih je razmerje med elementi stalno. Življenje je odvisno od lastnosti vode. Organske molekule so gradniki celic. • Ogljikovi hidrati so glavni vir energije v celici.
• Založni polisaharidi so zaloge enostavnih sladkorjev.
• Strukturni polisaharidi dajejo trdnost.
• Saharoza je oblika ogljikovih hidratov za prenos.
• Štirje različni nukleotidi se povezujejo v neskončno
knjigarna.com swis721 Fotosinteza, ki ne sprošča kis in avtotrofija ika, brez fotosinte ze
Oblike fotosintez e, pri katerih se ne sprošča kisik le nekateri mikr , lahko opravljajo oorganizmi. Čepr av smo že ome v zemeljski atmo nili, da je ves kisik sferi posledica delovanja fotos rastlin in ciano inteznih zelen bakterij ( Kjer ih se življenje začn bakterije, ki opra e), poznamo tudi vljajo fotosintez o, a se v njej kisik mesto vode, ki ne sprošča. Naje vir elektrono v pri običajni fotos uporabljajo večin intezi, te bakt oma žveplovod erije ik (H2S). Ob cepit se kisik seveda vi žveplovodika ne more sproščati , ker ga ta mole Ne glede na te kula ne vsebuje. razlike pa tudi te bakterije s tlobne energije pomočjo pretv v kemijsko le-to orbe sveporabijo za sinte skih spojin iz anor zo novih orga ganskih (CO ). n2
aja kaže, obst lju, tako ilne vidnem veso ujejo štev V širnem zvezde vseb Soncu. snovi, saj i Zemlji in enotnost ogostejš tudi na , ki so zvezd najp elemente v množici žje so najo da so je, entov, ki Zanimivo planetu, m tistih elem od naše i na Ali nekateri mi organizm in železo. živi z ezij magn še povezani natrij, sijajnej i vodik, de, ki so med njim išča biti zvez e potem gijska sred ne bi mogl lci in ener , da bi Sonca, nosi enih tako od našega sestavlj svetov, bitja? sistemov živa a obstajal na njih onom, eški astr 10), angl -----(1824–19 i Huggins nske snov William odkril orga kometih ki je v
število kombinacij v nukleinskih kislinah.
• Beljakovine v celici opravljajo različne naloge. • Lipidi so v vodi netopne organske spojine.
• Maščobe so založne spojine in bogat vir energije.
• Fosfolipidi sestavljajo biotske membrane.
• Holesterol je pomembna sestavina živalskih celičnih membran.
atom aminokislina anorganska spojina bakteriofag biotska membrana beljakovina denaturacija DNA Dušikova baza elektron fosfolipid glukoza ion kemijska vez lipid liposom makroelement makromolekula maščoba maščobna kislina mikroelement molekula nukleinska kislina nukleotid ogljikov hidrat organska spojina peptid peptidna vez polarnost polaren polisaharid proton ribonukleinska kislina sladkor vodikova vez
Rastline se s svojim okoljem sporazumevajo s posebnimi molekulami. Esencialna hranila dobimo s hrano. • Vitamini pomagajo pri kemijskih reakcijah in pri normalnem razvoju organizmov. • Minerali so nujni za pravilno delovanje organizma.
Vse, kar se dog aja v bitjih živih , lahko razlož in zvi imo s ranjem plesom atomov -----. Richar d P. Fey nma n (1918– Nobelo v nagraj 1988), enec za fiziko
• Telo dobi esencialne aminokisline in maščobne kisline s hrano. Povezovanje makromolekul. • Liposomi in izvor membran. • Biotske membrane so zgrajene iz lipidov in beljakovin. • Tudi virusi so povezane makromolekule.
• Virusi napadajo vse organizme.
CMYK Poleg glavnega besedila, so na nekaterih straneh dodani tudi barvno ločeni 10/100/90/0 okvirji. V njih so predstavljeni posamezni primeri, ki dopolnjujejo glavno besedilo, ali pa bolj natančno razložijo določeno temo. Uporabite jih lahko kot izziv za projektno delo, kritično presojo različnih informacij ali spoznavanje soodvisnosti naravoslovnih znanj.
Kako uporabljate učbenik
ata
Na koncu vsakega poglavja je mapa, v kateri sta vložena dva lista. Na prvem so zbrane ključne ugotovitve poglavja, na drugem pa vprašanja iz vsebine poglavja. Vprašanja so razdeljena na dva sklopa. Na prvi sklop vprašanj lahko odgovorite, če predelate snov poglavja. Odgovori na drugi sklop vprašanj »Premislite skupaj s sošolci in učiteljem!« pa zahtevajo globlji premislek in povezano znanje prejšnjih poglavij. Mnogokrat tudi to ni dovolj. Za pravi odgovor morda potrebujete pomoč učitelja, malo brskanja po drugi literaturi, svetovnem spletu ali celo malo kabinetnega raziskovanja. Ko se dokopljete do odgovorov, jih lahko preverite ob pomoči odgovorov na koncu učbenika.
šanje znakov s
prena ☞ Dedovanje je
staršev na
potomce.
čno načrto
el je izvedel natan ki ☞ Gregor Mend h je uporabil grah, poskuse, pri kateri vane se samooprašuje.
v prvi hče nih znakov so
različ prisotni ☞ Pri križanju i generaciji vedno rinski ali filialn . dominantni znaki
prvi generaciji
niso vidni, a
v ☞ Recesivni znaki v drugi hčerinski generaciji. se znova pojavijo
med do l, da je razmerje v drugi ☞ Mendel je odkri recesivnimi zanki minantnimi in generaciji 3 : 1.
st določ ☞ Neko lastno
o različici gena, imen
vani alela. tavljata genot ☞ Oba alela preds izma. Fenotip je videz
ip organizma.
organ
e genotipe at pokaže vse možn ☞ Punettov kvadr potomcev. in verjetnost ih potomcev možn opis bimo ver ☞ Za ljanja lahko upora njihovega pojav . jetnostni račun
nanci posamezen lnom
domi ☞ Pri nepopolni a nad drugim.
uporabite svoj
ja v tem poglavju
Ključna spoznan
e znanje
Temeljna odkritja v biologiji, ki so bila priznana tudi z Nobelovimi nagradami, so predstavljena v posebnih okvirjih. Okvirji so označeni z znamko nemške pošte, ki predstavlja Alfreda Nobela v laboratoriju in rokopis njegove oporoke, s katero je osnoval sklad za nagrade.
odgovorite na
alel ne
prevlada popo
☞ Nekateri
več kot en geni vplivajo na
vprašanja!
organe, e razmnoževalne ženske in mošk Rastlina, ki ima se lahko: ožuje, pomn samo a) uje, b) samoopraš inja barve, c) sprem naštetega. d) nič od in navzkrižnim opraševanjem razliko med samo 2 Razložite opraševanjem. in znakom? a med lastnostjo razlik je a 3 Kakšn . er za vsak pojem Navedite prim potomce je: v s staršev na Prenos znako 1
znak.
4
, a) verjetnost b) dednost, t. c) recesivnos
in alelom? a med genom cvetom rr z rožnatim cvet z genotipom Če križate bel tipi potomcev: so možni geno z genotipom RR, rr, in RR a) b) vsi Rr, c) vsi RR, d) vsi rr. bi bili: v 6. vprašanju, nju, opisanem Fenotipi pri križa
5
Kakšna je razlik
6
anja lastnosti, , nosilke dedov ☞ Osnovne enote so geni.
7
8
a) vsi beli, 1 bel, b) 3 rožnati in c) vsi rožnati, pol rožnatih. d) pol belih in ima otrok svetle svetle lase, če ste o alelu za Kaj lahko pove a pa rjave? lase, oba starš
aj s sošolci in
premislite skup 1
Kazalka povezuje podobno tematiko v različnih poglavjih.
knjigarna.com swis721
Poglavja, katerih vsebine so pretežno vključene v maturitetni program ali izbirni program, so označene z znamko kanadske pošte, na kateri sta predstavljena maturanta.
CMYK 10/100/90/0
učiteljem!
bljal le rastline, poskusih upora za el je pri svojih Gregor Mend dva enaka alela prvim križanjem ali bi odkril ki so imele pred islite in pojasnite, lastnosti. Razm sih uporabil posku pri bi določen znak če , recesivne znake dominantne in čnimi genotipi. rastline z druga
Učbeniku sta dodana slovarček ključnih pojmov vseh poglavij in odgovori na vprašanja iz rubrike »Uporabite svoje znanje«.
Prvi del:
g i j a o l o i B je? življen oči. Kaj je ice pon n s e r k k imi. Je bles apa poz s a v o n prerijo Je bizo če čez e t i k a, hodu. Je senc čnem za n o s v ne in izgi 1890), -----g 1830– o a r k o ( janskeg noga iz indi Vranja k i n r o v k in go bojevni cev o Črnon ž plemena
knjigarna.com swis721 CMYK 10/100/90/0
celice Gradniki življenja – atomi, molekule, makromolekule Celica in njeni organeli Membranski transport Celica kot energijski sistem Celično dihanje Fotosinteza
knjigarna.com swis721 Beljakovine v akciji
CMYK Medcelično sporazumevanje 10/100/90/0
14
Najmanjše oblike življenja
V laboratoriju botaničnega vrta v Perthu (Zahodna Avstralija, Avstralija) jim je uspelo namnožiti in v tkivni kulturi vzgojiti celice meelupskega malija, ene najredkejših rastlin na svetu. Do danes je znan en sam rastoč primerek tega evkalipta – zaščitnega znaka avstralske flore. Znanstveniki so ugotovili, da je star več kot 6000 let. Čeprav drevo cveti, za zdaj še niso zasledili ne oprašitve ne oploditve in ne razvoja zdravih semen. To pomeni, da v naravi rastlina ne bo več imela potomcev in je obsojena na izumrtje. Celice, zamrznjene v posodi s tekočim dušikom pri temperaturi –196 °C, in tkivne kulture, vzgojene iz teh celic, pa vzbujajo upanje, da bo meelupski mali iz teh kultur nekoč zrasel v drevo, ki bo, presajeno na stara rastišča, lahko razveseljevalo tudi generacije zanamcev.
Smo v hladni sobi laboratorija, kjer so jeklene posode, napolnjene s tekočim dušikom. Pred nami je odprta posoda, iz katere se dvigajo ledeno mrzle meglice. V posodi vlada strašen mraz, saj je temperatura vedno približno 196 °C pod ničlo. Pri tako nizki temperaturi življenjske oblike, ki za normalno delovanje potrebujejo toploto, vstopijo v stanje mirovanja, vendar niso mrtve. V posodi je na tisoče bitij, ki čakajo v ledenem objemu. Ne jedo in ne spijo. V njih ne poteka niti najpreprostejša kemijska reakcija. Po vseh znanih definicijah življenja so ta bitja – brez njega. Kljub temu se lahko zgodi presenetljiva sprememba. Iz posode potegnemo eno od hermetično zaprtih posodic z drobnimi bitji in le-ta segrejemo na sobno temperaturo. Že v nekaj minutah se bodo prebudila iz svojega ledenega spanja in znova »vstopila v življenje«. Nekatera se bodo začela premikati, nekatera hraniti s hranili v zdaj raztopljenem gojišču, in kot zadnji dokaz, da so res živa, se bodo nekatera začela deliti in razmnoževati. Ta drobna bitja v posodicah so celice – osnovne enote življenja, mikroskopske opeke, iz katerih so zgrajeni vsi organizmi. Celice, shranjene v posodicah, so bile odvzete iz teles različnih živali, tudi ljudi. V nekaterih posodicah so pljučne celice kitajskega hrčka, v drugih različne rakave celice miši. Najslavnejše so celice HeLa. Izhajajo iz Henriette Lacks, 31-letnice iz Baltimora v ZDA, ki je leta 1951 umrla za rakom. Celice iz njenega tumorja so v laboratoriju razmnožili in danes jih pri raziskavah uporabljajo znanstveniki po vsem svetu. Ko se temperatura v posodicah zniža, presnovni procesi postajajo čedalje počasnejši. Ko postane dovolj mrzlo, se popolnoma ustavijo. Vse, kar ostane od celic, je res le njihova zgradba. A dokler celice ohranjajo tako nespremenjeno zgradbo, so tudi žive. To pomeni, da življenje obstaja tudi takrat, ko se nič ne dogaja, prav tako kot je avtomobil še vedno motorno vozilo, čeprav je motor ugasnjen. V obeh primerih so glavni dejavniki sestavni deli, ki morajo biti prisotni in pravilno povezani, tako da lahko v pravih razmerah tudi delujejo. Prave razmere pa vključujejo predvsem energijo, katere pomembna oblika je tudi toplota.
knjigarna.com swis721 CMYK 10/100/90/0
15
Življenje ni nič bolj skrivnostno, kot so skrivnostne kemijske reakcije, na katerih temelji. Čeprav je teh reakcij izjemno veliko, so vse logične in razumljive. Življenje je tako rezultat fizikalnih in kemijskih procesov znotraj celic in med njimi. Vse celice, ne glede na vrsto organizma, ki ga sestavljajo, opravljajo enaka osnovna življenjska opravila na enak način. Celica v človeških možganih osnovnih življenjskih opravil ne opravlja na nič bolj zapleten način kot enocelično bitjece v ribniku. V resnici so vsi osnovni procesi, potrebni za vzdrževanje življenja, enaki, od tistih v celici amebe do tistih v celici človeka, prav tako kot enaki osnovni procesi poganjajo luksuzni ali najcenejši avtomobil. Razlikujejo se torej le po obliki in nalogah, ki iz te različnosti izvirajo.
Celična kultura koruze, kot jo vidimo s svetlobnim mikroskopom.
Knjiga, ki jo imate pred seboj, vas bo vodila skozi ta logični in urejeni svet celic. Avtorji upamo, da boste ob njej spoznali vso njegovo lepoto in da vam bo odkrila nekatere skrivnosti življenja. Vseh sicer še ne razumemo popolnoma, a dovolj, da lahko verjamemo, da bi mogli nekoč spoznati vse.
Znaki živega Postaviti preprosto definicijo življenja je težko. Seveda lahko rečemo, da je golob živ in da kamen ni. A če želimo natančno opredeliti živi svet nasproti neživemu, lahko kaj hitro naletimo na težave. Poglejmo npr. viruse, ki povzročajo tako navaden prehlad, gripo, norice, AIDS kot tudi številne bolezni drugih živali, rastlin in celo bakterij. Virusi so tako mikroskopsko majhni delci, da bi jih v kapljico krvi spravili kar pet milijard. Kljub temu, da se nam zdi zgradba nekaterih virusov zapletena in jih sestavljajo nekateri enaki kemijski gradniki, kot sestavljajo celice, pa v resnici nimajo sestavnih delov, značilnih za celice živih bitij. V nasprotju s celicami ne jedo, ne rastejo, ne presnavljajo ali rabijo kisika. Tudi razmnoževati se ne morejo sami. Zaradi vsega tega znanstveniki virusov ne obravnavajo kot živa bitja in nič manjšega od celice ne imenujejo živo. Celice so tako osnov-
knjigarna.com swis721 CMYK 10/100/90/0
Celice gojimo v posebnih stekleničkah, v katere damo ustrezna gojišča z vsemi snovmi, ki jih celice potrebujejo za rast. Če steno take stekleničke pogledamo pod mikroskopom, vidimo celice, ki so se v posameznih skupkih pritrdile na podlago. Na sliki so celice HeLa, ki so jih pred 60 leti vzeli iz tumorja ženske, umrle za rakom. Od takrat jih raziskovalci vzgajajo v celični kulturi, kakor celično linijo.
16
ne enote življenja in le poznavanje biologije celice nam lahko odgovori na vprašanje, kaj je življenje in kako deluje. Vsi živi organizmi, enocelični ali tisti iz več celic, imajo veliko skupnih značilnosti, ki jih boste spoznali v tej knjigi. Vsi so sestavljeni iz enakih zidakov, pa čeprav je pri enoceličnih organizmih le en tak zidak, pri mnogoceličnih pa lahko tudi več trilijonov. Razlike, ki jih vidite med organizmi, so predvsem posledica različne organiziranosti teh zidakov. Vsi živi organizmi s svojim okoljem izmenjavajo energijo, se nanj odzivajo in se mu prilagajajo, vsi pa se tudi razmnožujejo. Šele v nekaj zadnjih desetletjih smo spoznali, da lastnosti življenja izhajajo iz celic. Celični in molekulski biologi so dokazali, da življenje ni rezultat naključne biološke juhe ali nekakšne mistične in nedoločene snovi znotraj celice. Danes razumemo, da življenje določata dve lastnosti, ki zagotavljata, da so vsi kemijski in fizikalni procesi v celici izjemno organizirani – to sta notranja zgradba celice iz ločenih razdelkov, ki jih zagotavljajo membrane, in notranje omrežje, ki posamezne dele celice povezuje med seboj. Notranje membranske razdelke si lahko zamislite kot laboratorijske čaše in epruvete v kemijski učilnici, le da niso popolnoma neprehodne, kot je laboratorijska steklovina. Skozi membrane lahko potujejo določene snovi, katerih prehod običajno strogo nadzorujejo posebni vratarji – beljakovinski receptorji. Transportno omrežje celice sestavljajo tridimenzionalne nitaste avtoceste. Na njih najdemo celo posebne celične beljakovinske motorčke, ki pomagajo, da je »celični tovor« dostavljen na pravo mesto. Membrane skupaj z notranjimi omrežji vzdržujejo življenje vseh celic, ki so razvojno naprednejše od bakterij. Če je katera koli od teh lastnosti prizadeta, bo celica umrla. Če umre veliko celic, organizem zboli in v končni stopnji tudi umre.
Ideja o celici, kot o osnovni enoti življenja, se je razvijala počasi
knjigarna.com swis721
Do 19. stoletja znanstveniki niso razmišljali o celicah. Enota življenja naj bi bil kar organizem – cvetlica, ptič, človek. Mnogi so verjeli, da so osnovni sestavni deli organizma kar vlakna in žile. Ti naj bi rasli kot kristali, se povečevali in spreminjali obliko, dokler ne bi dosegli velikosti odraslega osebka. Koža naj bi bila tako kar nekoliko spremenjena cev z zaprtimi konci. Mišice naj bi bile svežnji vlaken. Predvideno in vedno enako obliko posameznih telesnih delov naj bi zagotavljala »življenjska sila«. Smrt naj bi bila po takem mišljenju le odhod te življenjske sile.
CMYK 10/100/90/0
17
Z razvojem znanosti so znanstveniki polagoma ugotovili, da skrivnostne in čarobne sile v resnici ni in da vse lahko razložimo z naravnimi procesi. V letih 1838 in 1839 sta nemška znanstvenika, botanik Matthias Schleiden in zoolog Theodor Schwann, neodvisno drug od drugega, postavila temelje celične teorije. Ugotovila sta, da osnovne enote življenja niso niti vlakna niti žile, temveč mikroskopske celice. Izraz celica je že dve stoletji prej skoval Anglež Robert Hooke, ki je s preprostim mikroskopom pregledoval košček plute. Opazil je kvadrataste kamrice, ki so ga spominjale na celice menihov v samostanu. Šele mnogo pozneje so dokazali, da so bile Hookove celice v resnici mrtve in prazne celične stene hrasta plutovca, Schleiden in Schwann pa sta izraz celica prenesla na mikroskopske kamrice žive snovi. Pomemben korak k razumevanju celice je prispeval nemški patolog Rudolf Virchow, ki je izrazil svoj pogled na celično teorijo z idejo, da vse celice lahko nastanejo le z delitvijo že obstoječih celic. Z izboljšanimi mikroskopi, tehnikami barvanja in na osnovi Virchowove ideje so se v naslednjih desetletjih znanstveniki posvetili preučevanju celične delitve. Leta 1882 je še en Nemec, Walther Flemming, prvi natančno opisal celično delitev z mitozo, pri kateri nastaneta dva popolnoma enaka kompleta dedne snovi, od katerih je vsak natančna kopija kompleta v starševski celici.
Ko je v 17. stoletju angleški znanstvenik Robert Hooke s preprostim mikroskopom pregledoval rezino plute, je opazil prazne kamrice. A šele poznejše generacije raziskovalcev so ugotovile, da še zdaleč niso prazne. Kamrice je poimenoval z izrazom celica, ker so ga spominjale na samostanske celice menihov.
K razlagi življenja na osnovi fizikalnih in kemijskih zakonitosti je na začetku drugega desetletja 20. stoletja pomembno prispeval v Nemčiji rojeni ameriški biolog Jacques Loeb, in sicer z ugotovitvijo, da primerna količina določenih kemikalij v okolju lahko sproži enega najbolj dramatičnih dogodkov v biologiji – razvoj organizma iz ene same celice. Sodobna celična biologija združuje različne znanstvene pristope in življenje obravnava kot celoto. Pri tem povezuje povsem biokemijski in molekulski pogled na življenje s proučevanjem oblik in funkcij celic v luči njihovega evolucijskega razvoja v določenih okoljih.
knjigarna.com swis721 CMYK 10/100/90/0
Gradniki življenja – atomi, molekule, makromolekule Čeprav so si molekule v vseh organizmih presenetljivo podobne, pa se bakterija od regrata ali čebela od človeka razlikujeta po tipu in povezanosti posameznih molekul. Drevo, ki ga vidite skozi okno, je sestavljeno iz več tisoč različnih molekul, nekatere so skupne vsem oblikam življenja, nekatere pa najdemo le v tem drevesu. Molekule so povezane in oblikujejo celične strukture, kot so membrane in celični organeli. Različni tipi celic se povezujejo v tkiva, ki nato oblikujejo posamezne organe. Lastnosti vsake posamezne ravni organiziranosti od molekule do organizma izhajajo iz sestavnih delov, ki to raven gradijo. V tem poglavju bodo predstavljene molekule, ki so skupne vsem oblikam življenja. Poleg vode so to ogljikovi hidrati, beljakovine, lipidi in nukleinske kisline.
staja kaže, ob o k a t , u olj ilne dnem ves ejo štev i j v u b m e e s n v r e V ši aj zvezd Soncu. snovi, s t s o n t emlji in o Z en a n tejši i d so tu najpogos i d k z e , v e z t elemen množici najožje da so v , e j o v , ki so i v o t n e Zanim m e el netu, d tistih ašem pla o n i a r n e t i a m i nek organiz lezo. Al z živimi ij in že z i e n n a g z a e m v e š po natrij, sijajnej i vodik, , ki so e d z e v z med njim š ti edi ča potem bi ijska sr e g l r g e o n m e i n ne b osilci i , da bi Sonca, n a g e š a nih tako n e j l od v a t s se svetov, ? sistemov va bitja ajala ži t s b o h i na nj ronom, eški ast l g n a , ) 0 ----1824–191 novi uggins ( H m a i l ganske s l r o Wi l i r k od kometih ki je v
knjigarna.com swis721
Vse, k ar se dogaja bitjih v živi , lahk h o razlož in zvi i m o ranjem s ples om atomov -----. Richar d P. F eynman Nobelo (1918– v nagr 1988), ajenec za fizi ko
CMYK 10/100/90/0
Ključni pojmi
Organizmi so sestavljeni iz biogenih elementov. • Atomi in molekule so ključ do poznavanja kemijskih lastnosti snovi. • Elementi se vežejo med seboj v spojine, v katerih je razmerje med elementi stalno. Življenje je odvisno od lastnosti vode. Organske molekule so gradniki celic. • Ogljikovi hidrati so glavni vir energije v celici.
• Založni polisaharidi so zaloge enostavnih sladkorjev.
• Strukturni polisaharidi dajejo trdnost.
• Saharoza je oblika ogljikovih hidratov za prenos.
• Štirje različni nukleotidi se povezujejo v neskončno število kombinacij v nukleinskih kislinah. • Beljakovine v celici opravljajo različne naloge.
atom aminokislina anorganska spojina bakteriofag biotska membrana beljakovina denaturacija DNA dušikova baza elektron fosfolipid glukoza ion kemijska vez lipid liposom makroelement makromolekula maščoba maščobna kislina mikroelement molekula nukleinska kislina nukleotid ogljikov hidrat organska spojina peptid peptidna vez polisaharid proton ribonukleinska kislina sladkor vodikova vez
• Lipidi so v vodi netopne organske spojine.
• Maščobe so založne spojine in bogat vir energije.
• Fosfolipidi sestavljajo biotske membrane.
• Holesterol je pomembna sestavina živalskih celičnih membran.
Rastline se s svojim okoljem sporazumevajo s posebnimi molekulami. Esencialna hranila dobimo s hrano.
knjigarna.com swis721
• Vitamini pomagajo pri kemijskih reakcijah in pri normalnem razvoju organizmov. • Minerali so nujni za pravilno delovanje organizma.
• Telo dobi esencialne aminokisline in maščobne kisline s hrano. Povezovanje makromolekul.
CMYK • Biotske membrane so zgrajene iz lipidov in beljakovin. 10/100/90/0 • Liposomi in izvor membran.
• Tudi virusi so povezane makromolekule.
• Virusi napadajo vse organizme.
20
Gradniki življenja – atomi, molekule, makromolekule
Organizmi so sestavljeni iz biogenih elementov Vsi organizmi in vse okoli njih je sestavljeno iz snovi, ki se na Zemlji pojavlja v trdnem, tekočem ali plinastem stanju. Snov je sestavljena iz elementov. Za življenje večine organizmov je nujnih le približno 25 od 94 naravnih elementov. Pravimo jim biogeni elementi. Štirje od teh elementov – vodik, kisik, ogljik in dušik – sestavljajo do 97 % mase večine organizmov. Elementi, ki se v organizmih pojavljajo v razmeroma velikih količinah (nad 1 %), so makroelementi. Veliko drugih se v živih bitjih pojavlja v zelo majhnih količinah, številni celo v sledeh, a so za nemoten potek življenja prav tako nepogrešljivi. Taki elementi so mikroelementi.
Atomi in molekule so ključ do poznavanja kemijskih lastnosti snovi Snov je morda nastala iz sevanja v delcih sekunde po nastanku vesolja.
V trenutkih med 10-35 in 10-10 sekunde po nastanku vesolja je bila temperatura več kot 1015 K, a je zelo hitro padala. Že po nekaj mikrosekundah so se kvarki združili v protone in nevtrone. Pred tem njihov obstoj ni bil mogoč, saj bi zaradi previsoke temperature razpadli. Najpreprostejši elementarni delci, kot sta vodikovo in helijevo jedro, so nastali, ko je bilo vesolje staro med eno in sto sekundami, kmalu zatem, po nekaj minutah, pa so nastala tudi jedra nekaterih drugih, lažjih kemijskih elementov. Atomi so nastali šele, ko je bilo vesolje staro nekaj sto tisoč let, saj je bilo predtem tako vroče, da bi v trenutku razpadli.
Elementa z osnovnimi kemijskimi reakcijami ne moremo razgraditi na dve ali več enostavnejših snovi. K 94 naravnim elementom lahko dodamo še nekatere, ki nastajajo pri jedrskih reakcijah. Najmanjši delec elementa je atom, ki pa ima še vedno lastnosti elementa. Atomi so sestavljeni iz še manjših osnovnih delcev. Med njimi so najbolj obstojni protoni, nevtroni in elektroni; ti osnovni delci pa so iz kvarkov. Atomi z različnim številom atomskih delcev predstavljajo različne elemente. Atomi se vežejo v molekule. Atomi in molekule z električnim nabojem so ioni.
Elementi se vežejo med seboj v spojine, v katerih je razmerje med elementi stalno Elementi so v celicah le redko v elementarnem stanju. Po večini se pojavljajo vezani v tisoč različnih kombinacij, vsaka kombinacija sestavlja drugo spojino. Spojine, ki jih sestavljajo biogeni elementi, so lahko organske ali anorganske. Biogene spojine so organske ali anorganske spojine v živih organizmih.
knjigarna.com swis721
Med najpogostejšimi elementi v organizmih je ogljik. Njegovi atomi se lahko povezujejo med seboj v različno dolge in različno razvejane verige, kar v povezavi z atomi drugih elementov omogoča nastanek velikanskega števila molekul. Ogljik zaradi tega predstavlja kemijski temelj življenja na Zemlji.
CMYK 10/100/90/0