Zrod usporiadania z pôvodne neusporiadaného stavu je fascinujúcim javom v rozličných súvislostiach od kozmológie, cez fyzikálnu chémiu až po biológiu. Dnes vieme, že vesmír bol nehomogénny už zlomok sekundy po Veľkom tresku, otázne však ostáva, ako sa mohla nerovnomernosť v rozložení energie a hmoty objaviť. Viac už rozumieme napríklad procesom v pomerne jednoduchých chemických systémoch tvoriacich z homogénnej zmesi látok usporiadanie vo forme farebných vzorov podobných tým, aké v prírode nachádzame napríklad na srsti zebry či leoparda.

Aj bunkoví biológovia intenzívne hľadajú odpovede na analogickú otázku: Ako dochádza k asymetrickému rozmiestneniu jednotlivých zložiek a procesov v bunke? Tento problém zahŕňa veľa typov dejov – od lokalizácie biomakromolekúl (napr. bielkovín, DNA, RNA) na miesto určenia, ktoré sa pri mnohých dokonca mení podľa podmienok, cez tvorbu rôznych koncentračných spádov (napr. iónov, ktorých koncentrácie sa v rôznych častiach bunky líšia), až po natoľko zložitý proces, akým je tvorba tkanív zo zárodočných vrstiev umožnená asymetrickým delením kmeňových buniek.

Náhoda či presný plán?

Intuitívne predstavy o organizácii bunky si môžu protirečiť: Podľa niekdajšieho ponímania bunky ako „vrecka s vodou“ obsahujúceho rôzne enzýmy by sa mohlo zdať, že v jej vnútri je „všetko“ rozložené náhodne, väčšina molekúl iba voľne pláva, teda sa rovnomerne rozptýli, a iba súčinnosťou náhody a malého objemu sa všetko raz dostane aj na miesto, kde to je potrebné a kam to „správne zapadne“. Vďaka moderným technikám výskumu však vieme, že pohyb mnohých látok a teliesok v nej nie je chaotický, ale cielený, priamočiary a rýchly. Niektoré druhy „nákladu“ sú prepravované rýchlosťou až 3 mikrometre za sekundu (26 cm/deň).

Opačným extrémom je predstava bunky ako stroja, ktorý aj posun jediného kolieska znefunkční, preto je pre jej prežitie nevyhnutná schopnosť presne rozmiestiť všetky zložky. V takomto prípade by však bola príliš náchylná na poškodenie a nedokázala by odolávať náhlym zmenám v prostredí.
V skutočnosti idú „náhoda“ a „determinácia“ ruka v ruke a bunky, či už ako samostatné organizmy alebo ako súčasti tkanív a orgánov, sa síce držia plánu zapísaného v génoch, ale dokážu, ba potrebujú, pri tom šikovne využívať aj rôzne efekty náhody.

O čo sa podeliť s dcérskou bunkou?

Okrem genetickej informácie je vždy potrebná aj už existujúca bunka – molekuly by nedokázali nanovo vytvoriť celú bunku iba „podľa inštrukcií“ (podobne, ako by sme nedokázali poskladať živý organizmus z jeho častí). Hlavne zložité organely ako mitochondrie, obalené dvomi rôznymi membránami plnými rôznorodých špecializovaných zoskupení proteínov (bielkovín), vznikajú len postupným rastom a následným rozdelením, nie odznova z jednotlivých stavebných prvkov.

Keď nastane čas deliť sa, dcérska a materská bunka si rozdelia všetko, čo pre život potrebujú. „Dedičstvo“ zahŕňa jednu z kópií genetickej informácie a aspoň jednu z každého typu organel, akými sú mitochondrie či lyzozómy (vakuoly v prípade rastlín a húb). Delenie je komplikovane riadený asymetrický proces, pri ktorom záleží dokonca aj na kvalite odovzdávaného materiálu. Napríklad v prípade kmeňových buniek schopných diferencovať sa na rôzne typy špecializovaných buniek (krvinky, neuróny, …), ktorým už schopnosť delenia chýba, prechádza diferenciáciou iba dcérska bunka; materská si zachováva svoj charakter samoobnovujúcej a deliacej sa „nesmrteľnej“ bunky.

V prípade mikroorganizmov je situácia opačná – v záujme životaschopného, zdravého potomstva si materské bunky ponechávajú nahromadené poškodenia, teda časom pod ich vplyvom starnú až zomierajú, zatiaľ čo ich potomstvo vzniká mladé a neporušené.

A nielen to – potomstvo zároveň dostáva do vienka určité proteíny a molekuly RNA, ktoré, naopak, v materskej bunke ostať nemôžu. Tie spustia procesy potrebné práve pre mladé bunky, napr. diferenciáciu pri kmeňových bunkách či dokonca i „zmenu pohlavia“ v prípade niektorých kvasiniek.

Aké mechanizmy stoja za týmito schopnosťami a ako ich vedci odhaľujú? V ďalších častiach tohto seriálu si priblížime niekoľko princípov a výskumných metód. Dnes sa pozrime najmä na nedeliacu sa bunku a niektoré z jej spôsobov rozmiestňovania organel a proteínov.

Pohyb organel – cestovanie po dynamických dráhach

Okrem jadra s genetickou informáciou, ribozómov tvoriacich proteíny, energeticko-metabolických centier – mitochondrií, zásobných a „tráviacich“ organel – vakuol či lyzozómov, tvorcu väčšiny lipidov a konečnej podoby mnohých bielkovín – endoplazmatického retikula či Golgiho aparátu, ktorý chemicky dotvára rôzne proteíny, obsahujú eukaryotické bunky aj pomerne zložité štruktúry z troch typov vlákien nazývané cytoskelet. Hoci doslovným prekladom je bunková kostra, netvorí pevné a strnulé lešenie, ale naopak dynamické, stále sa prestavujúce vlákna v rôznych usporiadaniach. Ich funkciou je popri opore a udržiavaní tvaru bunky aj sprostredkovanie pohybu samotnej bunky i jej zložiek.

Cytoskelet tvoria mikrotubuly, mikrofilamenty a vlákna aktínu (vo svaloch sa špeciálne usporiadaný aktín priamo zúčastňuje ich sťahov). Bunky využívajú vlákna cytoskeletu ako pomyselné koľajnice, po ktorých dopravujú rôzny náklad – organely či proteíny – na miesto určenia. Smer pohybu je daný stavbou koľajníc: Vlákna sú polarizované, čiže ich stavebné prvky sú usporiadané v jednej orientácii. Energia na pohyb pochádza z typického bunkového „paliva“ – molekuly adenozíntrifosfátu (ATP), ktorý vytvárajú prevažne mitochondrie. „Spaľovanie“ v prípade ATP však spočíva jedine v rozštiepení jednej z vysokoenergetických väzieb za vzniku fosfátu a adenozíndifosfátu (ADP).

Do molekúl ATP sa ukladá energia z potravy. Neskôr sa ich štiepením uvoľňuje a používa na „pohon“ rôznych dejov.

Poznáme už náklad, cesty i palivo, chýba odhaliť ešte motor. Bunky obsahujú viacero typov molekulových motorov. Napríklad pohyb nákladu po mikrotubuloch smerom od stredu bunky k jej okrajom zabezpečujú molekuly kinezínu. Napriek „motoristickému“ označeniu pripomína proteín kinezín viac nohy a jeho pohyb chôdzu: Striedavými dotykmi (chemickými interakciami) s mikrotubulmi sa dve „nôžky“ kinezínu postupne posúvajú vpred a s nimi aj na ne pripojený náklad, napríklad v podobe mitochondrie.

Dôležitosť pohybu organel je očividná predovšetkým v bunkách, akými sú neuróny, kde ich treba dopraviť aj desiatky centimetrov ďaleko (ba niekedy i metrov – neuróny svojimi výbežkami dosahujú napríklad z mozgu žirafy až do jej trupu), kam by sa náhodne samé nedostali. U jednobunkovcov, ktoré sa delia pučaním, zase vznikajúci puk vyžaduje, aby doň bolo prenesené všetko potrebné. Zároveň ale materská bunka nemôže prísť o všetky organely, a tak súčasne prebieha, v menšej miere, aj presun opačným smerom – späť z puku. „Dopravné kolízie“ však nenastávajú, keďže každý smer majú na starosti iné dráhy a iné motory.

Pohyb proteínov a vezikúl – zásielok s presnou adresou

Existujú mnohé proteíny špecializované na prenos organel v rámci bunky. Ako sa však na svoje miesto dostávajú samotné proteíny? Odhaduje sa, že v bunke ich je desaťtisíc druhov a desať miliárd kusov. V tlačenici tvorenej aj mnohými inými molekulami potrebujú účinné mechanizmy, ktoré ich v správny čas navedú tam, kde môžu plniť svoju funkciu. Princípy ich nasmerovania a prenosu sa líšia podľa miesta určenia.

Súčasťou aminokyselinovej sekvencie (postupnosti stavebných prvkov) mnohých proteínov je „adresa“, ktorú rozozná receptor na povrchu príslušnej organely. Je to časť určujúca, kam proteíny patria, a z mnohých z nich sa po „doručení“ odstrihne. Tvorená je buď presne daným sledom aminokyselín, alebo na jej presnej sekvencii nezáleží a kľúčovú úlohu hrajú iba jej fyzikálno-chemické vlastnosti. Napríklad mnohé z proteínov, ktoré musia po svojom vzniku vojsť do mitochondrií, obsahujú na jednom z koncov niekoľko kladne nabitých aminokyselín. To umožňuje prenos cez špecializované proteínové „kanály“ v mitochondriálnych membránach do záporne nabitého vnútra týchto organel.

O replikáciu, „čítanie“ a opravy genetickej informácie sa stará veľa proteínov. Tiež obsahujú krátku sekvenciu, ktorá určuje, že patria práve do jadra, odstraňovaná z nich ale nebýva. Niektoré zabezpečujú „čítanie“ určitého génu len za konkrétnych podmienok (napr. pri hladovaní), tie sú väčšinou umiestnené náhodne v cytoplazme a do jadra prechádzajú iba za týchto podmienok (čiže napr. pri nedostatku živín). Impulzom na presun býva ich špecifická chemická modifikácia, vďaka ktorej sa na ne dokážu naviazať proteíny slúžiace ako „dopravné prostriedky“ (tzv. importíny): Obsadené cestujú do jadra a prázdne opäť von do cytoplazmy. Hoci jadrová membrána obsahuje veľké póry, proteíny cez ne nemôžu voľne prekĺznuť, sú odkázané len na importíny.

Proteíny určené na bunkový povrch alebo uvoľňované do prostredia sú prepravované vo vezikulách (membránových vačkoch) procesom zvaným exocytóza. Ich adresa je na samom začiatku aminokyselinovej sekvencie, teda pri ich tvorbe ribozómami vzniká ako prvá a veľmi rýchlo sa naviaže na receptor na endoplazmatickom retikule. Celý ribozóm je naň ukotvený a proteín sa už počas svojho vzniku do neho vnára. Vnútri býva väčšina proteínov dodatočne chemicky modifikovaná, následne prechádzajú vezikulami do Golgiho aparátu a podliehajú ďalším zmenám. A práve z neho sa odštepujú vezikuly nesúce uvoľňované proteíny až k plazmatickej membráne, splývajú s ňou a uvoľňujú tým svoj obsah do okolia. Pohyb vezikúl opäť nie je náhodný – kráčajú po mikrotubuloch rovnako ako organely. Tento mechanizmus sa skrýva (nielen) za každou sekréciou – vďaka nemu sa dostávajú do krvi hormóny či protilátky, do čriev tráviace enzýmy alebo do zubov dentín.

Geneticky podmienené poruchy v schopnosti správne rozmiestňovať proteíny a organely zväčša nie sú zlučiteľné so životom. Výnimkou je neschopnosť prenášať proteíny do peroxizómov. Tie zabezpečujú viaceré biochemické deje vrátane tvorby jedného z lipidov nervových buniek, ich poruchy sa preto výrazne prejavujú najmä na nervovom systéme.

Lenka Abelovská