Literatura:

[1] Jockusch, Harald: Kód života. Orbis, Praha 1977

[2] Blína, Jaroslav a kol.: Malá encyklopedie chemie. SNTL, Praha 1976

[3] Nomenklatura organické chemie. nakladatelství ČSAV, Praha 1974

[4] Ivanov, V.T. - Šamin, A.N.: Cesta k syntéze bílkovin. SNTL, Praha 1988

Stav biologických věd na konci minulého století je dán třemi význačnými objevy, které však vedle sebe stály bez souvislosti a jeden z nich nebyl náležitě oceněn.

Prvním z nich byl vznik biochemie. Spočíval na dvou základních poznatcích. Německému chemikovi Wohlerovi se v roce 1828 podařilo synteticky připravit v laboratoři močovinu - produkt vyměšování savců. Tím byla poprvé prokázána možnost napodobit ve zkumavce chemické procesy probíhající v těle, ikdyž zatím v nejskromnější míře. Druhý základní poznatek učinil na konci 19.století chemik Eduard Buchner. Při přípravě farmaceutického preparátu rozmělnil kvasinky a filtrací z nich získal šťávu. Kvašení, které probíhalo jen za přítomnosti živých kvasinek, nastalo i po přidání této neživé kvasniční šťávy. Podařilo se tak opět pouze ve zkumavce navodit základní životní funkci, ikdyž za pomoci neznámých látek uvolněných z buněk.

Wohlerovy a Buchnerovy objevy daly biochemikům pracovní program. Z živých organismů byly připravovány látky v čistém stavu, analyzovány a pokud to bylo možné i syntetizovány chemicky. Životní procesy byly sledovány ve zkumavce a rozkládány na jednotlivé dílčí stupně. Zároveň tím byly i nalezeny ty části buněk, které byly pro průběh těchto procesů podstatné.

Druhým význačným objevem byla teorie o evoluci živočišných a rostlinných druhů, kterou vytvořil Charles Darwin a Wallace v roce 1858. Autoři při vysvětlování rozmanitosti druhů v živočišné a rostlinné říši zaměřili svoji pozornost na náhodné dědičné změny živých organismů, z nichž pak přirozeným výběrem byly vybrány ty, které byly nejvhodnější z hlediska přežití.

Třetím důležitým objevem byl objev zákonů dědičnosti brněnským mnichem Gregorem Mendelem. Zveřejnění tohoto objevu dlouho nenašlo odezvu a leželo v knihovnách až do doby kolem roku 1900, kdy zákony dědičnosti byly objeveny znovu a Mendelovy objevy doceněny.

Dnes víme, že je velice úzký vztah mezi výše zmíněnými třemi objevy. Úkolem molekulární biologie je mimo jiné vysvětlit jednotlivosti těchto vzájemných vztahů. Molekulární biologie začala s jednotlivými roztroušenými znalostmi. Teprve ve 30.letech 20.století se objevily některé výzkumné směry, které bychom zpětně označily za typicky molekulárně biologické. Jedním z nich byla biochemická genetika. Při pokusech na hmyzu a houbách se zjistilo, že znaky dědičnosti se netýkají jen vnějších tvarových znaků, ale také schopností uskutečňování chemických přeměn. Dalším výzkumným směrem bylo studium virů, které současně těžilo z pokroků v přístrojové technice ve 30.letech. Z metodického hlediska byla tendence zkoumat převážně makromolekuly z živých organismů prostředky fyzikálními a fyzikálně chemickými. Právě pro toto odvětví byl poprvé použit název molekulární biologie a byl to především anglický fyzik Astbury, který prosazoval tento název a asi od roku 1950 jej učinil populárním. V roce 1959 byl založen anglický časopis "Journal of Molecular Biology" a v 60.letech 20.století vznikly první ústavy molekulární biologie nebo molekulární genetiky.

Co vlastně vystihuje název molekulární biologie? Nespadá pod tento název klasická biochemie? Vždyť se zabývá chováním a přeměnou molekul v živých organismech. Ve skutečnosti název nebyl zvolen příliš šťastně. Správně by měl znít "makromolekulární biologie", neboť hlavními aktéry v molekulární biologii jsou obří molekuly - makromolekuly.

Budeme hovořit o úžasných vlastnostech makromolekul. O jejich schopnosti uchovat informaci a dále ji předávat v průběhu miliónů let vývoje života, o jejich schopnosti fungovat jako miniaturní stroje s pohyblivými díly, o jejich schopnostech spontánně se skládat ve složité a exaktní architektonické útvary.

Co můžeme očekávat při studiu životních pochodů? Ve vztahu k fyzice a k chemii se mohou uskutečnit tři různé možnosti. Může se ukázat, že životní procesy nelze v zásadě popsat jazykem těchto klasických exaktních věd. V minulosti se vždy našli vědci, kteří zastávali tento názor. Nazývali se vitalisté, protože věřili ve zvláštní životní síly, určující životní děje a nepodléhající fyzikálním a chemickým zákonitostem. Druhá možnost je, že nás biologie vede k úkazům, které sice lze vysvětlit současnými fyzikálními a chemickými znalostmi, ale otevírají fyzice a chemii nové pole výzkumu, takže se tyto vědy musí pouze rozšířit tímto směrem. Fyzikálně chemické vysvětlení příslušných životních procesů je do určité míry dáno až dodatečně. Třetí možnost je nejjednodušší. Všechny naše biologické nálezy jsou vysvětlitelné nebo přinejmenším slučitelné s fyzikálními a chemickými zákony.

Max Delbruck, jeden ze zakladatelů molekulární biologie, byl fascinován druhou možností. Přešel proto ve 30.letech od studia atomové fyziky k biologii. V okruhu dánského fyzika Nielse Bohra (1885 - 1962) se přijímala myšlenka, že životní jevy nepředstavují pouze dílčí aspekt známých fyzikálně chemických jevů, ale aspekt komplementární. Výzkum životních jevů tedy měl vést k rozšíření fyziky, tak jako vedla komplementarita částice a vlny k dalekosáhlým poznatkům kvantové mechaniky. Tato naděje nebyla neopodstatněná. Existují totiž dějinné příklady, kdy biologické pokusy otevřely zcela nové badatelské odvětví fyziky. Nejznámější jsou elektrické jevy pozorované koncem 18.století italským fyzikem Galvanim na žábách.

Delbruckovy naděje se nesplnily. Za to, že sám přispěl k realizaci třetí možnosti, neboť pomohl biologii k převratnému činu na základě známých přírodních zákonů, mu v roce 1969 byla udělena Nobelova cena za fyziologii a lékařství. Skutečný rozdíl nespočívá přirozeně mezi druhou a třetí možností, spíše mezi těmito dvěma (které označujeme jako mechanistické pojetí) a první, vitalistickou možností. Pravděpodobně každý badatel bude přikloněn buď jedné nebo druhé možnosti. Mechanistické pojetí je silnější než vitalistické zejména v praktickém výzkumu. Ponechává sice fantazii méně prostoru, ale nutí vědce k přesným a cíleným pokusům.

V následujících kapitolách osvětlíme některá "pravidla hry" fyzikálních věd a některá fakta o stavbě hmoty. Nejdříve se budeme věnovat "makroskopické" říši a budeme pozorovat organismy v přírodě prostým okem za pomoci vhodných měřících přístrojů aniž bychom studovali strukturu hmoty. Zde mají zásadní význam fyzikální zákony zachování hmoty a energie. Věta o zachování hmoty říká, že při obvyklých fyzikálních procesech nemůže žádná hmota vzniknout nebo zaniknout. Nutí vědce, aby spočetl množství, které zůstane z látek vložených do pokusů. Méně zřejmá je věta o zachování energie. Energie má schopnost se přeměňovat z jedné formy do druhé. Žádný z fyzikálních procesů nemůže vytvořit více energie, než bylo do něj na počátku vloženo. Živé organismy lze v tomto smyslu chápat jako fyzikální stroje. V jejich případě musí být energií pokryty výdaje energie na teplotu organismu, svalovou práci, výstavbu chemických vazeb. Musí být možné sestavit energetickou bilanci živého organismu. Jestliže energetická bilance nesouhlasí, může to odkrýt dosud nepovšimnutý dílčí pochod.

Velice důležitou větou pro procesy v živých organismech je 2.věta termodynamiky - věta o entropii. Entropie představuje míru "neuspořádanosti" systému. Entropie systému není neměnná, ale může samovolně pouze vzrůstat, nikoliv však ubývat. V biologii vede k zásadnímu poznatku: kdykoliv se setkáme s vysoce uspořádanými strukturami, musíme uvažovat o práci organismu.

Vitalista by mohl nyní namítnout, že organismy nepodléhají fyzikální větě o entropii, neboť by se struktury, které budují, tolik nelišily od struktur anorganických látek. Tuto námitku rozebírá podrobně slavná malá knížka rakouského fyzika Erwina Schrodingera (1887 - 1961). Jmenuje se "Co je život" a vyjadřuje myšlenkové úvahy fyzika o těchto otázkách. Námitka vitalistů proti platnosti věty o entropii spočívá na nedorozumění. Tato věta se totiž vztahuje výlučně na uzavřený fyzikální systém, stejně jako věty o zachování hmoty a energie. Uzavřený systém je takový, který nevyměňuje s okolím ani hmotu ani energii. Organismy jsou však vzorovými příklady otevřených systémů. Přijímají potravu a energii z vnějšku a vyměšují odpadní hmotu. Abychom potvrdili platnost fyzikálních zákonů pro určitý organismus, museli bychom vytvořit izolovaný uzavřený systém, ke kterému by patřil nejen organismus, ale také i krmítko a klec včetně vzduchu. Schrodinger zavedl německé slovo "negentropie", kterým chtěl vyjádřit pozitivně uspořádanost, tedy vlastně klesající entropii. Schrodinger formuloval jednoduše a moudře, avšak fyzikálně chemicky nepříliš vhodně, že se živé organismy "živí" přijímáním "negentropie". Aby udrželi nebo zvětšili svůj vlastní stav pořádku, odnímají živé bytosti pořádek svému okolí. Správný a dnes všeobecně přijímaný názor, nač jsou organismy a pracovní stroje odkázány, je, že jde o volnou energii. Organismy ji přijímají ve formě slunečního záření nebo chemické energie. Část této energie slouží k tvorbě chemických sloučenin a uspořádání makroskopických struktur. Část se spotřebuje k pracovním výkonům organismů. Přímo nebo nepřímo se velká část přemění v neuspořádaný tepelný pohyb molekul a přestává být "volnou". Entropie celého systému se tím zvyšuje. V souvislosti se vzrůstem entropie celého vesmíru se někdy hovoří o tepelné smrti vesmíru.

Je nutné ke všem třem fyzikálním zákonům poznamenat, že celý molekulárně biologický pokrok minulých let neuvedl v pochybnost ani jednu z těchto základních fyzikálních vět. Schrodingerova důvtipná knížka podnítila tento vývoj rozhodujícím způsobem.

Chemický rozklad jakékoliv části hmoty vede nakonec k chemickým prvkům, které jsou základními stavebními kameny všech chemických vazeb. Jeden gram prvku obsahuje obrovský počet atomů a tyto atomy se chovají chemicky všechny stejně. Z tohoto důvodu je nelze chemickými metodami oddělit. Fyzikálními metodami lze prokázat, že každý prvek je složen ze stejných atomů. Jednotlivé prvky byly ruským vědcem Mendělejevem seřazeny do periodické tabulky prvků. Pokud některé odlišné atomy sdílejí stejné místo v tabulce, nejsou chemicky odlišitelné a hovoříme o izotopech. Pro biologický výzkum je důležité, že některé izotopy jsou radioaktivní a vysíláním záření se rozpadají. Biologové nejčastěji k výzkumu používají izotopů vodíku, uhlíku, fosforu a síry.

Jen velice málo látek se v přírodě nachází jako prvky. Většinou je více různých atomů spojeno chemickými vazbami do molekul. Pro znázornění molekul se běžně používají dva typy modelů. Jeden model je sestaven z kuliček a tyček, kde kuličky představují jednotlivé atomy a tyčky mezi nimi představují chemické vazby. Průměr kuliček a tloušťka tyček nejsou v takovém modelu podstatné, ale vzdálenosti a úhly mezi středy kuliček představují experimentálně stanovené poměry mezi jádry atomů. Tyto modely jsou přehledné a používají se zejména v krystalografii. Jiným typem modelu je tzv. kalotový model. Skládá se z různě velkých koulí do sebe vsunutých. Vnější průměr koulí odpovídá průměrům jednotlivých atomů. Vnitřní struktura makromolekuly není v kalotovém modelu rozeznatelná, ale získáme dobrou představu o její povrchové struktuře. Oba tyto modely jsou jen nedokonalým obrazem skutečnosti a jsou beznadějně primitivní ve srovnání se současnými znalostmi kvantové mechaniky. Přesto molekulární biologie dosáhla právě pomocí těchto modelů významného pokroku.

Nemůžeme se podrobněji zabývat organickou chemií, která je jedním ze základů molekulární biologie. Proto si povšimneme jen některých vlastností organických molekul, abychom si učinili alespoň hrubou představu, s jakými objekty a jakými metodami molekulární biologie pracuje. Za základní součást živé hmoty lze považovat vodu. Molekula vody je tvořena dvěma atomy vodíku, které jsou jednoduchou vazbou spojeny s atomem kyslíku. Fyzikálními metodami lze dokázat, že prostorový tvar molekuly odpovídá plochému písmenu V a že vazebná ramena vycházející od atomu kyslíku svírají určitý úhel a mají určitou délku. Vazby mezi atomy vodíku a atomem kyslíkem jsou velmi stabilní. Vedle těchto vazeb se uplatňují velmi slabé vazby mezi sousedními molekulami vody. Tyto vazby se nazývají vodíkové můstky a jsou zodpovědné za kapalné skupenství vody, protože tato malá molekula by měla za normální teploty tvořit plynou látku.

Základem organických látek jsou sloučeniny uhlíku a vodíku, obecně nazývané uhlovodíky. Uhlík může vytvářet libovolně dlouhé a libovolně rozvětvené řetězce, k jejich různým částem se mohou vázat další řetězce, které již nutně nemusí být uhlíkové. Stručný a jen velice hrubý přehled je uveden v příloze 1.

Všechny živé organismy obsahují ve svých buňkách proteiny (bílkoviny), polysacharidy (cukry), lipidy (tuky), nukleové kyseliny a další specifické molekuly, jako jsou enzymy, soli atd.

Základním stavebním kamenem proteinů (bílkovin) v organismu jsou aminokyseliny. Jejich přehled je uveden v příloze 2. Molekuly aminokyselin se k sobě váží karboxylovými a aminovými skupinami a mohou vytvářet rozsáhlé různě rozvětvené proteinové řetězce.

Polysacharidy (glycidy, cukry) jsou důležitým zdrojem energie v organismu, která vzniká jejich odbouráváním v buňkách (metabolismem). Jednoduché sacharidy, jako je fruktosa a glukosa, mohou vytvářet rozsáhlé makromolekuly, jako je glykogen nebo amylosa, celulosa dextran - viz příloha 3. Cukry se nejvíce vyskytují v rostlinných organismech, mnohem méně v živočišných.

Lipidy (tuky) jsou estery mastných kyselin s alkoholy. Mastné kyseliny jsou jednoduché karboxylové kyseliny s velkým počtem atomů uhlíku, které vzhledem ke svým částečně hydrofobním vlastnostem (odpuzují vodu) tvoří na povrchu vody tenké vrstvy (filmy). V těchto filmech se uplatňují jen slabé vedlejší vazby, takže lipoidní látky netvoří pravé makromolekuly - viz příloha 4.

Součástí nukleových kyselin, které, jak později ukážeme, jsou nositeli genetické informace v organismech, jsou tzv. dusíkaté báze adenin, guanin, cytosin, thymin a uracyl, jejichž chemická struktura je uvedena v příloze 5.

- pokračování -

(c) 1997 Intellectronics

časopis o přírodě, vědě a civilizaci