Čo sú to makromolekuly a prečo sú také dôležité?

Biomolekuly predstavujú rôznorodú skupinu látok, ktoré sú súčasťou každého živého organizmu. Okrem relatívne malých molekúl, akými sú niektoré bunkové metabolity alebo produkty, sem patria aj biomolekuly s veľkou molekulovou hmotnosťou, ktoré sa nazývajú biomakromolekuly, alebo skrátene makromolekuly. Táto ich veľká hmotnosť je daná tým, že tieto molekuly sú polyméry (biopolyméry) tvorené z kovalentne pospájaných jednoduchších "stavebných čiastočiek". Z toho už zrejme tušíte, že biomakromolekulami budú predovšetkým:

Tab. Biomakromolekuly
biomakromolekulainý názovstavebná jednotka
nukleová kyselinapolynukleotidnukleotid
bielkovina (proteín)polypeptidaminokyselina
zložený cukorpolysacharidmonosacharid

V širšom zmysle slova sú makromolekulami aj lipidy, i keď tieto majú obmedzené možnosti "polymerizácie".

Prečo im venovať pozornosť?

Biomakromolekuly sú komplexné molekuly, ktoré sú charakteristické práve pre živé organizmy. Hoci v prírode môže dôjsť k "spontánnemu" vzniku ich stavebných jednotiek (aminokyselín, lipidov..), je veľmi nepravdepodobné, že by mimo živej bunky mohol vzniknúť komplexný proteín alebo polysacharid. Napokon aj vírusy, ktoré sú oveľa jednoduchšie ako bunky, vznikajú v podstate ako "produkty" buniek. Komplexita týchto biomolekúl je teda to, čo odlišuje živý organizmus od neživého. Je preto nesmierne dôležité poznať, ako a prečo tieto molekuly vznikajú a aká je ich úloha. V závislosti od toho, čo o týchto molekulách chceme vedieť, dostávame sa plynulo z biológie do oblasti chémie, resp. biochémie.

Ako vznikli a vyvíjali sa?

Vznik a evolúcia makromolekúl je teda nevyhnutne spätá so vznikom života. Existuje množstvo teórií, ako mohol vzniknúť život, ale keďže som materialista a prírodovedec, budem sa prísne pridržiavať vedeckých faktov. :-) Keďže neexistuje kvalitatívny rozdiel medzi živou a neživou prírodou (neexistujú tzv. "atómy života", ktoré by boli typické len pre život), logicky museli makromolekuly vzniknúť z neživej prírody.

Presné poznanie pôvodu života je však pre nás aj v tomto "veku vedy a techniky" zatiaľ záhadou. Neexistujú žiadne "fosílie" z obdobia, kedy vznikal život, takže sme obmedzený len na laboratórne pokusy, podľa ktorých môžeme sformulovať rôzne hypotézy. Neodmysliteľnou súčasťou každej z nich je prítomnosť 2 elementov, ktoré boli predpokladom toho, aby mohol vzniknúť život v takej forme, v akej ho poznáme:

  • atómu uhlíka, ktorý dokáže vytvárať energeticky "flexibilné" kovalentné väzby so sebou samým
  • vody v kvapalnom skupenstve, ktorá tvorí prostredie pre biochemické reakcie

Ako prvé vznikli pravdepodobne nukleové kyseliny, ktoré na seba prevzali úlohu nosiča genetickej informácie. Ich významnou vlastnosťou je samoreplikácia a fakt, že môžu determinovať vznik ďalších makromolekúl, ktoré tvoria stavebný základ živej hmoty alebo pôsobia ako katalyzátory biochemických reakcií. V tejto súvislosti bol dôležitý vznik univerzálneho genetického kódu.

Okrem toho, že bielkoviny tvoria stavebný základ živej hmoty, vznikom funkčných bielkovín - enzýmov sa zabezpečilo efektívnejšie využívanie energie a aj spätné pôsobenie na evolúciu nukleových kyselín a ostatných biomolekúl (napr. polysacharidov).

V neposlednom rade bolo dôležité, aby sa všetky potrebné chemické látky "zakoncentrovali" do malého priestoru, aby sa jednak zvýšila "šanca", že sa stretnú a zreagujú, a jednak aby boli ochránené od vonkajších negatívnych vplyvov. V tomto ohľade zohrali významnú úlohu lipidy, pretože ich amfifilný charakter umožnil vytvoriť vo vodnom prostredí polopriepustné biologické membrány (biomembrány). Práve evolúciou biomembrán boli postupne zabezpečené podmienky kontrolovanej regulácie príjmu a výdaja látok a energie, ktoré viedli k vzniku prvotnej bunky. Hoci teda lipidy nemajú žiadnu informačnú hodnotu (ako napr. nukleové kyseliny), ani nie sú tvarovo tak zložité (ako napr. bielkoviny), ich úloha pre život je naprosto nezastupiteľná.

Keď už bola reč o energii, prvotná bunka sa nemohla spoliehať na neustály dostatok živín, ktoré by zabezpečili energiu pre jej fungovanie. Vyvinul sa preto systém na "uchovávanie" energie v ďalšom type biopolyméru - polysacharidoch. Ich odbúravaním sa energia získava, naopak ich syntézou sa energia uskladňuje. Okrem tejto funkcie majú polysacharidy aj dôležitú stavebnú funkciu.

Čo nám môžu prezradiť?

Keďže makromolekuly predstavujú samotnú materiálnu podstatu živej hmoty, ich štúdiom sa môžeme dozvedieť nielen ako živá hmota vznikla (alebo sa aspoň k tomu priblížiť) ale aj ako funguje. V priebehu desaťročí sa vyprofilovali 2 (príp. 3) vedné disciplíny, ktoré sa rozhodli podrobne prebádať svet biomolekúl: biochémia, čiže akási "chémia života", ktorá skúma predovšetkým metabolické dráhy, teda to, ako sú dané molekuly zapojené do uceleného systému živého organizmu a aké funkcie v ňom ovplyvňujú, a molekulárna biológia, príp. genetika, ktoré bližšie skúmajú makromolekuly (nukleové kyseliny a bielkoviny) z pohľadu ich informačnej hodnoty a dedičnosti.

Tieto disciplíny študujú bunky a fyziologické procesy na molekulárnej úrovni a postupne prenikajú do množstva biologických disciplín, ktorých výskumné metódy boli v minulosti najmä deskriptívnej povahy (cytológia, zoológia, botanika, fyziológia atď.).