prof. MUDr. Gustáv Čatár, DrSc.

 

 

1.   Úvod

 

Biológia je veda o živote, skúma živé organizmy, v nich prebiehajúce pochody, vzťah živých organizmov medzi sebou a k okolitému prostrediu. Sleduje ich individuálny a fylogenetický vývoj. Biológia človeka skúma jeho vlastnosti, ktoré má spoločné s ostatnými organizmami, jeho miesto vo vývoji živej prírody. Neskúma spoločenské vzťahy človeka, ktorými sa zaoberajú spoločenské vedy (ekonómia, filozofia, sociológia). Duševný vývoj skúma psychológia.

Cieľom biologických vied je poznanie podstaty biologických javov, ich účelné ovplyvňovanie, prípadne cieľavedomé riadenie pre prospech ľudskej spoločnosti. Ich význam neobyčajne vzrástol, pretože biologické vedy sa stali výrobnou silou, ktorá sa významne uplatňuje v sociálnom a ekono-mickom rozvoji spoločnosti. Majú dnes rozhodujúcu úlohu pri zvyšovaní produkcie potravín, podmieňujú úsilie o zlepšenie zdravotného stavu populácie. Podieľajú sa na tvorbe a ochrane životného prostredia v národnom a svetovom meradle. Biotechnologické programy nachádzajú široké uplatnenie v ekonomickom rozvoji.

Všeobecne sa prijíma názor, že v súčasnej dobe začala epocha biologických vied, od ktorých sa očakáva, že pomôžu vyriešiť problém hladu časti ľudstva, prispejú k riešeniu nárastu ľudskej populácie vo svete, nájdu prostriedky pre prevenciu väčšiny chorôb a pomôžu ochrániť životné prostredie pred znehodnotením pre budúce generácie. Biologické vedy budú mať teda stále väčší spoločenský a hos-podársky význam.

 

2.   Náplň a postavenie všeobecnej biológie

 

Všeobecná biológia sa zaoberá vlastnosťami, ktoré sú spoločné živým sústavám, a vyjadruje ich biologickú podstatu. Zaoberá sa všeobecnými zákonitosťami biologických javov, integruje biologické vedy navzájom, ale aj s vedami chemickými a fyzikálnymi.

Systémový prístup v biológii vyhovuje hierarchickej organizácii živých sústav. Postupuje od molekulovej úrovne biologických javov k bunkovej úrovni, úrovni organizmov a populácii.

Pri každom biologickom jave (procese, objekte) sa vždy pýtame na tri jeho najzákladnejšie vlastnosti: štruktúru, funkciu a riadenie.

 

3.   Vzťah biológie k lekárskym vedám

 

Lekárske odbory sú odjakživa predmetom skúmania aj metódami biologickej vedy. Sú zamerané na poznanie a ovplyvňovanie všetkých javov a faktorov, ktoré podmieňujú stav zdravia a stav choroby človeka a ľudskej populácie. Lekár by nemal nikdy zabúdať, že je vo svojej podstate biológom. Lekárske vedy patria medzi tzv. aplikované biologické vedy, a teda musia vychádzať z poznatkov zá-kladných vied. Napríklad lekárska mikrobiológia, ktorá študuje mikroorganizmy a ich pôsobenie na človeka a súčasne hľadá postupy liečenia a prevencie chorôb, ktoré vyvolávajú, vychádza z poznatkov biológie a všeobecnej mikrobiológie. Podobne lekárska (klinická) genetika, ktorá sa zaoberá dedičnými chorobami človeka sa opiera o poznatky všeobecnej genetiky. Štúdium zhubných nádorov viedlo k poznaniu radu procesov všeobecného významu vo virológii, v mutagenéze, pri regulácii bunkového cyklu, v molekulovej biológii biomembrán atď.

Niektoré lekárske odbory priviedlo vedecké poznanie na bunkovú a molekulovú úroveň, napr. v patológii pri hľadaní príčin ochorení. Na základe toho vznikla bunková patológia a molekulová patológia, ktorá je vlastne aplikovaným smerom molekulovej biológie. Iné odbory zasahujú svojím predmetom skúmania prevažne do populačnej úrovne biologických javov, napr. komunálna hygiena a epidemiológia. Z toho vidieť, aké tesné sú vzťahy medzi základnými a aplikovanými odbormi.

Na druhej strane viaceré lekárske odbory presahujú rámec biológie, lebo integrujú aj sociálne faktory alebo sa priamo podieľajú na riešení problémov sociálnych vied. Príkladom je sociálne lekárstvo, súdne lekárstvo, hygiena a i.

 

4.   Hierarchia živých sústav podľa zložitosti jedincov

 

Na Zemi žijú takmer 2 milióny rôznych živočíšnych a rastlinných druhov organizmov. Medzi nimi sú značné morfologické rozdiely, vzhľadom na tvar a veľkosť; napr. baktérie merajú niekoľko tisícin milimetra, zatiaľ čo niektoré rastlinné bunky (stromy) merajú niekoľko desiatok centimetrov a viac. Podobne dĺžka života buniek a jednotlivcov je v rozmedzí niekoľko hodín po niekoľko desiatok storočí.

Živé bytosti na našej Zemi majú síce rôznu štrukturálnu a funkčnú organizáciu, ale majú aj veľa spoločných základných rysov:

• živé sústavy majú v podstate rovnaké chemické zloženie, základ tvoria bielkoviny a nukleové kyseliny;
• bunka je základnou stavebnou jednotkou všetkých organizmov, okrem vírusov;
• živé sústavy majú rovnaké základné biochemické procesy – uvoľňovanie energie, syntéza bielkovín.

Podľa zložitosti delíme živé organizmy na podbunkové (vírusy), jednobunkové a viacbunkové (ich prechodným štádiom sú tzv. bunkové kolónie).

 

4.1   Vírusy – podbunkové organizmy

Vírusy majú jednoduchú štruktúru, žijú parazitickým spôsobom života a pre svoju existenciu potrebujú živú bunku. Skladajú sa z vonkajšieho bielkovinového obalu (kapsida) a vnútornú časť tvorí nukleová kyselina (RNA a DNA). Veľké vírusy môžu obsahovať v svojej molekule aj tuky, cukry, ba aj enzýmy. Delíme ich podľa objektu, v ktorom parazitujú na vírusy rastlinné (fytopatogénne, fytotropné), živočíšne vírusy (zoopatogénne, zootropné) a bakteriofágy (fágy), ktoré parazitujú v bakteriálnych bunkách. Vírusy majú rozdielnu veľkosť, aj keď majú submikroskopické rozmery (nemožno ich pozorovať svetelným mikroskopom) a merajú od 0,003 um (mikrometra) po 0,01 um.

Predpokladá sa, že vírusy boli pôvodne časťami genetického aparátu organizmov, ktoré sa osamostatnili. Nositeľom ich biologických vlastností sú nukleové kyseliny a hovoríme, že sú vlastne infekčné nukleové kyseliny. Z medicínskeho hľadiska majú mimoriadny význam, pretože sú pôvodcami rôznych až život ohrozujúcich chorôb. RNA vírusy sú napríklad pôvodcami vírusovej nádchy, ale aj detskej obrny, či kliešťového zápalu mozgu. DNA vírusy vyvolávajú časté vírusové zápaly horných dýchacích ciest, ale sem patria aj tzv. herpetické vírusy, ale aj onkogénne vírusy, vírus zápalu pečene a vírus HIV/AIDS.

 

4.2   Jednobunkové organizmY – charakteristika a medicínsky význam

Pri jednobunkových organizmoch jediná bunka vykonáva všetky životné funkcie. Protofytá sú jednobunkové organizmy rastlinného pôvodu a patria sem baktérie, niektoré huby – kvasinky, niektoré riasy. Protozoá sú jednobunkové organizmy živočíšneho pôvodu – prvoky, ktoré v súčasnosti delíme na tri triedy, významné z medicínskeho hľadiska:

• Sarcomastigophora (meňavky, bičíkovce)
• Ciliophora (nálevníky)
• Apicomplexa (výtrusovce – sporozoá, kokcídie)

Viacerí predstavitelia týchto tried patria medzi závažné choroboplodné zárodky. Maláriu vyvolá-vajú výtrusovce plazmódiá, urogenitálnu trichomoniázu vyvolávajú bičíkovce trichomonády, jediná patogénna améba Entamoeba histolytica vyvoláva najmä v trópoch častú amébovú dyzentériu (hnačkovité ochorenie) a pod. Bunky niektorých jednobunkových organizmov, najmä živočíšnych sú značné zložité a svojím spôsobom špecializované, napr. sú prispôsobené parazitnému spôsobu života, majú pohybové orgány (bičíky, cílie, undulujúce membrány). Dlhým fylogenetickým vývojom došlo v nich k vytvoreniu zložitých a špecializovaných vnútrobunkových systémov.

 

4.3   Viacbunkové organizmy

Viacbunkové organizmy sú zložené z mnohých buniek – človek má niekoľko desiatok biliónov buniek. Metafytá sú viacbunkové rastlinné organizmy a metazoá sú organizmy živočíšneho pôvodu. Vo viacbunkových organizmoch dochádza k špecializácii buniek podľa funkcie, a tak aj k špecifickým zmenám. Tkanivá sú tvorené bunkami určitého funkčného a štrukturálneho typu – je to súbor buniek, ktoré majú rovnaké morfologické, funkčné a biochemické vlastnosti.

Zoskupovaním rôznych tkanív vznikajú orgány. Orgán je teda súbor určitých tkanív, špecificky usporiadaných a plní v organizme určitú funkciu, napr. dýchacie ústrojenstvo vymieňa kyslík a oxid uhličitý medzi organizmom a prostredím. Činnosť orgánov a všetkých tkanív v jedincovi musí byť koordinovaná podriadená celistvému organizmu. Na to slúžia zvláštne tkanivá a orgány, ktoré sú špecializované na sprostredkovanie informácií a riadenie činnosti jednotlivých orgánov a celého organizmu. Medzi ne patrí nervová sústava a žľazy s vnútornou sekréciou.

 

4.4   Bunka – základná jednotka živej hmoty

Všetky organizmy, ktoré sú schopné samostatnej existencie, majú svoje telo zložené z buniek. Bunka je ohraničená biologickou membránou, ktorá obsahuje okrem základnej lipidickej (tukovej) dvojvrstvy molekúl aj rôzne bielkoviny, ktoré sprostredkujú výmenu látok s okolím. Rastliny majú membránu ešte obalenú silnou a pevnou blanou z polysacharidov. Bunka má rôzne štruktúry – organely, ktoré vykonávajú rôzne funkcie. Baktérie a sinice zaraďujeme medzi tzv. prokaryoty, ktoré nemajú ohraničené jadro a ich DNA je voľne uložená v cytoplazeme a javí sa ako chromatínové teliesko. Živočíšna a rastlinná bunka je eukaryotná – má bunkové jadro, ktoré obsahuje DNA a je obalené jadrovou membránou. Ďalším zásadným rozdielom je, že eukaryotné bunky nevyrábajú vysoko energetický zdroj, potrebný k životným prejavom ATP (adenozíntrifosfát) na bunkovej membráne, ale v mitochondriách. Sú to zvláštne organely, ktoré pravdepodobne vznikli z prokaryotných organizmov (baktérií), ktoré žili v symbióze s eukaryotnou bunkou. Majú vlastnú kruhovú DNA, vlastné ribozómy, ktoré sú spoluzodpovedné za tvorbu bielkovín. Všetky funkcie mitochondrií riadi mitochondriálna DNA. Sú schopné deliť sa samostatne.

Ďalšie významné organely bunky predstavujú endoplazmatické retikulum a Golgiho komplex.

Endoplazmatické retikulum je paralelne k sebe usporiadaný systém kanálikov, na ktorého granulo-vanej časti sa nachádzajú ribozómy v tvare 10 – 15-nanometrových veľkých tmavých granúl. Jeho úloha spočíva v procesoch transportu látok v bunke a má vplyv na metabolické procesy, najmä pri tvorbe bielkovín, ale aj nových membrán.

Golgiho komplex má sekrečnú úlohu a tvoria ho paralelne uložené sploštené tubuly a cisterny. Podieľa sa na tvorbe bunkových membrán živočíšnych a rastlinných buniek. Lyzozómy sú guľovité čiastočky buniek s rozmermi 0,5 um a zabezpečujú vnútrobunkové trávenie rôznych cudzích čiastočiek, ale aj vlastných prestarnutých elementov bunky, napr. mitochondrií. Tieto čiastočky sa v lyzozómoch rozpúšťajú a natravujú.

Bunkové jadro, v ktorom sa nachádza aj jadierko, je len vonkajším prejavom zložitej organizácie genetického materiálu – jadrovej DNA, je dvojvláknová a nachádza sa v zložitom komplexe s bázickými bielkovinami – histónmi. Pri bunkovom delení sa DNA organizuje do útvarov viditeľných pod mikroskopom – chromozómov. Každý druh má určitý počet chromozómov – človek má v pohlavných bunkách 23 chromozómov, 22 autozómov a 2 heterochromozómy (pohlavné). V telových bunkách je tzv. diploidný počet chromozómov, 44 autozómov a 2 pohlavné chromozómy. V chromo-zómoch je 1 molekula DNA.

Eukaryotné bunky majú bunkovú kostru (cytoskelet). Pre rastlinnú bunku sú typické plastidy, ktoré sú svojím pôvodom blízke mitochondriám. Chloroplasty sú zodpovedné za fotosyntézu rastlín. Jednou zo základných funkcií buniek je schopnosť delenia.

Poznáme tri spôsoby bunkového delenia. Priame delenie – amitóza, pri ktorom po zmnožení DNA dôjde k rozdeleniu jadra a potom cytoplazmy na dve dcérske bunky. Ďaleko častejším je nepriame delenie – mitóza, pri ktorej dochádza k rôznym morfologickým zmenám v bunke, ktoré sú zodpovedné za zmnoženie bunkových štruktúr a DNA a v konečnom štádiu rozdelenie materskej bunky na dve dcérske bunky. Mitóza má tzv. interfázu ako prípravné štádium mitózy a 4 vlastné štádiá – profázu, metafázu, anafázu a telofázu. Zvláštnou formou mitózy je tzv. redukčné delenie – meióza, pri ktorom dochádza k deleniu pohlavných buniek s tým, že v jednej zrelej pohlavnej bunke je polovičný (haploidný) počet chromozómov. Po splynutí dvoch pohlavných buniek, ktorému hovoríme zygota, sa sady chromozómov obidvoch rodičov zmenia na tzv. diploidný počet, 46 chromozómov.

Mitóza, súčasť proliferácie – novotvorenie buniek v organizme, je ústrednou súčasťou bunkového cyklu, je geneticky kontrolovaná a v súčasnosti už poznáme mnohé gény, ktoré tento proces kontrolujú. Na druhej strane tohto biologického procesu je smrť bunky buď ako nekróza, alebo apoptóza.

Nekróza je klasicky definovaná forma smrti, pri ktorej úlohu hrajú rôzne škodlivé impulzy, ako sú hypoxia, toxíny, prehriatie, žiarenie a iné. Nekróza je súčasťou patologického procesu a je spojená so zápalovým procesom.

Apoptóza je podľa posledných výskumov programovaná smrť bunky. Je to regulovaný aktívny proces, ktorý zabezpečuje rovnováhu medzi počtom buniek, ktoré vzniknú mitotickým delením a počtom buniek, ktoré uhynú. Apoptózou sú odstraňované bunky nepotrebné, staré alebo poškodené. Je teda súčasťou fyziologického procesu pri dozrievaní orgánov a pri strate ich funkčnosti. V súčasnosti apoptóza je kľúčovým biologickým regulačným mechanizmom a študuje sa vo vzťahu k problémom starnutia, degenerácie buniek a regulácie bunkového cyklu. Zlyhanie v regulácii apoptózy môže mať katastrofické následky. Karcinóm, AIDS, Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba a i. sú považo-vané za dôsledok deregulácie apoptózy.

Pri apoptóze dochádza k fragmentácii jadra vo vnútri bunky a dochádza k rozpadu bunky na niekoľko vezikúl (mechúrikov), ktoré sa nazývajú apoptické telieska. Pritom nedochádza k zápalovému procesu a rozpadnuté časti bunky sú pohlcované bielymi krvinkami, najmä makrofágmi.

 

4.5   Nukleové kyseliny – nositelia dedičnej informácie

Nukleová kyselina bola objavená pred viac ako 100 rokmi Miescherom, ktorý ju izoloval z hnisu a zistil, že obsahuje ako neznáma zlúčenina veľa fosforu a nazval ju nukleín. Neskôr sa ju podarilo chemicky vyčistiť a definovať ako nukleovú kyselinu. Zistilo sa, že sa nachádza v každej živej sústave a právom sa predpokladala jej mimoriadna dôležitosť. Až v roku 1953 sa podarilo Watsonovi a Crickovi vypracovať model DNA (deoxyribonukleovej kyseliny), čím sa vysvetlil mechanizmus prenosu dedičných vlastnosti na molekulovej úrovni. Kľúčovou je DNA a sprostredkujúcou prenos dedičných vlastností je RNA (ribonukleová kyselina). DNA tvorí dvojzávitnicu a skladá sa z päťuhlíkatého cukru deoxyribózy, kyseliny fosforečnej a organickej dusíkatej bázy – purínovej a pyrimidinovej bázy. Purínové bázy sú adenín a guanín, pyrimidínové sú cytozín a tymín.

RNA sa skladá tiež z päťuhlíkatého cukru ribózy, kyseliny fosforečnej a v organických bázach namiesto tymínu je uracil.

Nukleotid tvorí dusíkatá báza, cukor pentóza a kyselina fosforečná. Táto sa viaže éstericky na nie-ktoré z atómov pentózy a určuje kyslý charakter nukleovej kyseliny. Jednotlivé nukleotidy sú v mole-kule nukleovej kyseliny pospájané (polymerizované) do dlhých reťazcov, čomu hovoríme poly-nukleotidový reťazec:

Napriek tomu, že v nukleových kyselinách existujú v podstate iba 4 rôzne zložky, existuje obrovský počet možných kombinácií v slede nukleotidov najmä preto, že molekuly nukleových kyselín, najmä DNA dosahujú obrovské rozmery. Jednotlivé bázy v reťazci dvojzávitnice sú pospájané vodíko-vými mostíkmi.

V jednotlivých chromozómoch u človeka sa (v každom z nich) nachádza okolo 300 miliónov nukleotidov, čo sa rovná asi 600 knihám s 1 000 stranami a 500 slovami na každej strane. Počet funkčných génov (nositeľov dedičných vlastností) v ľudskej DNA je asi 100 000 a každý z nich kóduje bielkovinu podľa tzv. dogmy molekulovej biológie: DNA ----- RNA ---- polypeptid (bielkovina).

Reťazec DNA v chromozóme meria 5 cm a DNA v jedinej bunke meria až 174 cm, čo je obdivuhodné usporiadanie vlákien DNA v bunkovom jadre. Nukleové kyseliny sa viažu k dvom základným životným prejavom, a to k syntéze bielkovín a k prenosu dedičných vlastností.

Nukleotidy hrajú dôležitú úlohu pri biochemických pochodoch bunky. Mnohé tvoria koenzýmy rôznych enzýmov, napr. nukleozid adenosin (adenín-ribóza) sa spája s tromi molekulami kyseliny fosforečnej a vytvára už spomínanú ATP (adenosintrifosfát), čo má zásadný význam pri prenose energie v bunke.

 

5.   Záver

 

Prudký rozvoj biologických vied v poslednom čase, najmä molekulovej biológie, prispel k objasneniu viacerých patologických javov, najmä genetických a nepriamo k pozitívnemu ovplyvneniu stavu zdravia a stavu choroby človeka a ľudskej populácie. Biológia má preto svoje pevné miesto v medicíne ako aplikovanej biologickej vede. Jej poznatky umožňujú porozumieť mnohým prejavom organizmu človeka na množiace sa vplyvy vonkajšieho prostredia v súčasnosti. Jej poznanie je mementom pre uvedomenie si nebezpečenstva negatívnych ekologických prejavov, ktoré prináša so se-bou súčasný moderný život.