Jak funguje buňka

Veškeré informace (programy) pro stavbu a fungování buňky jsou uloženy v molekule (resp. molekulách) deoxyribonukleové kyseliny -- DNA -- v pořadí jejich stavebních jednotek -- nukleotidů. Čtyři různé nukleotidy (Adenin, Guanin, Cytosin a Thymin) jsou vázány chemickou vazbou v lineární řetězec, jejich pořadí přitom může být zcela libovolné. Abeceda buněčných programů je tedy čtyřpísmenná.

Důležitou vlastností každého nukleotidu je schopnost párovat se (``přitahovat se'') slabou vazbou (vodíkovými můstky) s jiným nukleotidem, jež může ležet v jiném řetězci. Tyto vazby jsou specifické, nukleotidy se párují v těchto dvojicích: A T, C G. Díky této vlastnosti může být ke každému řetězci DNA nasyntetizován souběžný (doplňkový) řetězec, sestavený z párujících nukleotidů. Vznikne tak ``negativní'' molekula DNA, jež bude díky slabým vazbám mezi nukleotidy spojena s originálním řetězcem -- spolu vytvoří známou dvojšroubovici DNA. Jelikož negativní řetězec nese tutéž informaci jako originál, může se tato informace rozmnožit tím, že se oba řetězce od sebe oddělí a ke každému z nich bude dosyntetizován nový párující řetězec. To se děje před každým dělením buňky: každá z obou dceřiných buněk dostává stejnou informaci (programové vybavení) jako mateřská buňka. Rozplétání dvojšroubovice DNA a syntéza nových řetězců neprobíhá ovšem samovolně -- mají to na starosti enzymy. To jsou molekuly bílkovin se specifickou katalytickou funkcí -- jsou to všechny výkonné součásti buňky, tzn. ty, které něco reálně mění (``ruce buňky'').

Programy pro stavbu bílkovin jsou zapsány v pořadí nukleotidů v DNA. Program na stavbu jedné molekuly bílkoviny je přesně vymezený úsek DNA -- jeden gen. Začátek genu je označen určitou ``šifrou'' -- charakteristickým sledem (sekvencí) nukleotidů -- jež je rozpoznávána enzymem schopným ``číst'' (přepisovat do řetězce RNA -- viz dále) pořadí nukleotidů v genu. Před začátkem genu je kromě místa, kam nasedá ``čtecí enzym'', též místo, na které mohou nasedat regulační bílkovinné molekuly -- aktivátory nebo represory. Ty svou přítomností buď usnadňují nebo znemožňují nasednutí ``čtecího enzymu'' na začátek genu, a tak vlastně určují, jak často (nebo zda vůbec) bude daný gen (program) čten, a následně zdali (a jak moc) se bude vyrábět bílkovina v tomto genu zapsaná. Geny, které kódují výrobu těchto regulačních bílkovin, jež nemají v buňce výkonnou (enzymatickou) funkci, ale pouze ovlivňují četnost čtení jiných genů, byly nazvány regulačními geny. Jelikož čtení (přepisování) regulačních genů také podléhá regulaci aktivátory a represory, můžeme si udělat (i když jen velmi povrchní) představu o složitém zpětnovazebném regulačním systému buňky. Tak jako v počítači operační systém umožňuje, aby všechny programy (software) byly použitelné bez ohledu na konstrukci PC (hardware), zajišťují regulační geny (resp. jimi programované regulační bílkoviny) stálost vnitřního prostředí bez ohledu na měnící se vnější podmínky (samozřejmě jen v určitém rozmezí), a to tím, že podle různých změn ve vnějším a vnitřním prostředí buňky aktivují nebo inaktivují ty geny, jejichž produkty (enzymy a regulační bílkoviny) dokážou podmínky v buňce uvést zpět do patřičných mezí.

Jak se podle programu v DNA (genu) vyrobí bílkovina? Není-li represorem zabráněno čtení genu, může ``čtecí enzym'' -- RNA-polymeráza -- nasednout na šifru označující začátek genu. Poté se ``rozjede'' po vlákně DNA (přičemž v místě, kde nasedá, odstrkuje párující řetězec) a ke každému nukleotidu čteného vlákna přiřadí párující (``negativní'') nukleotid. (V buňce je trvale určitá koncentrace volných nukleotidů.) Vzhledem k tomu, že nukleotidy, z nichž je stavěn nový řetězec, se nepatrně (o 1 atom kyslíku) liąí od nukleotidů DNA, označuje se jejich řetězec jako kyselina ribonukleová -- RNA. Molekula RNA, na které je přepsán právě jeden gen z DNA, je m-RNA.

Pokud bychom připodobnili DNA, kde je veškerá informace buňky, k centrální knihovně nebo archivu v továrně na bílkoviny, byly by pak molekuly m-RNA výrobními výkresy jednotlivých bílkovin, které byly okopírovány podle originálů v knihovně, aby mohly být odneseny do dílny, kde se podle nich vyrobí bílkovina.
``Výrobními stroji'' na bílkoviny jsou v buňce ribosomy -- částice složené z několika molekul bílkovin a r-RNA. Ribosomy nasedají na molekulu m-RNA a ``čtou'' ji podobným způsobem, jako čte RNA-polymeráza zápis v DNA. Rozdíl spočívá v tom, že stavebními částicemi nově vznikajícího řetězce nejsou nukleotidy, ale aminokyseliny -- stavební kameny bílkovin. Každá aminokyselina je přitom specificky přiřazena ke třem za sebou následujícím nukleotidům v řetězci m-RNA. Znamená to, že počet aminokyselin ve vznikajícím řetězci bílkoviny bude třetinový vzhledem k počtu nukleotidů v molekule m-RNA
Na ribosomech tedy probíhá překlad (viz obr. 3) čtyřpísmenného zápisu v m-RNA (A, T, C, G) do dvacetipísmenné řeči bílkovin -- v bílkovinách se vyskytuje 20 různých aminokyselin. (Překladový kód je degenerován -- některé aminokyseliny jsou kódovány více než jedinou trojicí nukleotidů.) Jednotlivé aminokyseliny vázané v bílkovinný řetězec mohou, podobně jako nukleotidy v DNA, vytvářet ``boční'' slabé vazby s jinými aminokyselinami a molekulami dalších látek. Tyto vazby jsou však mnohem méně specifické než u nukleotidů. Protože se takto přitahují aminokyseliny v různých částech téhož bílkovinného řetězce, nebude výsledný tvar bílkoviny lineární, podobá se spíą zamotanému klubíčku. Aminokyseliny ležící na povrchu klubka pak zprostředkují svými nevysycenými slabými vazbami reakce s různými látkami (mohou dávat molekule bílkoviny enzymatickou aktivitu).