Животът — необикновена съвкупност от „вериги“

МИСЛИЛ ли си за тялото си като за съвкупност от микроскопични вериги? Вероятно не. Но в действителност, както се казва в книгата „Как функционира животът“, „на молекулярно ниво животът прилага веригата като свой организационен принцип“. Затова и най–малкият дефект в някоя от микроскопичните вериги може да се отрази значително на здравето ни. Но какво точно представляват тези вериги? Как функционират те? Как са свързани с нашето здраве?

Общо взето това представляват молекулни вериги, които могат да се разделят на две главни групи. В тази статия ще разгледаме едната от тях — белтъците (наричани още протеини). Към другата група спадат молекулите, които съхраняват и предават генетичната информация — ДНК и РНК. Разбира се тези две групи са тясно свързани. Всъщност една от основните роли на ДНК и РНК е да произвеждат разнообразните видове белтъци.

Катализатори, стражи и подпори

Сред по–големите молекули в живата материя, белтъците са най–разнообразни. В тяхното семейство има антитела, ензими, хормони, както и структурни и транспортни белтъци. Най–различните антитела, или имуноглобулини, защитават организма от нашественици като вируси и бактерии. Други глобулини помагат повредените при нараняване кръвоносни съдове да бъдат „запечатани“.

Ензимите служат като катализатори, или с други думи ускоряват биохимичните реакции, например  при храносмилането. Всъщност, както се обяснява в книгата „Нишката на живота“, „без ензими скоро бихме умрели от глад, защото щяха да са необходими петдесет години, за да се преработи храната“. Ензимите вършат работата си като на конвейер — всеки от тях изпълнява определена задача. Например ензимът малтаза разгражда малтозата (вид захар) до две молекули глюкоза. Лактазата разгражда лактозата (млечната захар). Други ензими съчетават атоми и молекули, за да изградят нов продукт. При това те работят с шеметна скорост. Една–единствена молекула ензим може да ускори хиляди химични реакции в секунда!

Някои белтъци биват определяни като хормони и играят ролята на пратеници. Те се движат в кръвообращението и стимулират или потискат дейността на различните части на тялото. Инсулинът например стимулира клетките да поемат глюкоза, техният източник на енергия. Структурните белтъци, като колагена и кератина, изграждат хрущялите, космите, ноктите и кожата. Както се казва в книгата „Как функционира животът“, всички тези белтъци са „един вид клетъчните подпори, греди, дървени плоскости, цимент и гвоздеи“.

Транспортните белтъци в клетъчната мембрана служат като помпи и канали, през които веществата влизат и излизат от клетката. Сега нека разгледаме от какво са изградени белтъците и как тяхната верижна структура е свързана с действието им.

Прости елементи в сложна структура

Много езици имат азбука. От този основен списък с букви се изграждат думи. На свой ред думите образуват изречения. На молекулярно ниво действа подобен принцип. Главната „азбука“ се осигурява от ДНК. Поразително е, че тя се състои само от четири букви: А, Г, Т и Ц, които обозначават азотните бази аденин, гуанин, тимин и цитозин. От тези четири бази ДНК с помощта на РНК образува аминокиселини, които могат да се оприличат на думи. За разлика от обикновените думи обаче аминокиселините винаги са с един и същ брой букви: три. „Монтажните машини“ на белтъците, наречени рибозоми, свързват аминокиселините. Получените вериги, или белтъци, могат да се сравнят с изречения. Значително по–дълги от изреченията в говоримата  или писмената реч, белтъците обикновено са съставени от около 300–400 аминокиселини.

Според един справочник в природата има стотици видове аминокиселини, но само около двайсет от тях изграждат повечето белтъци. Те могат да образуват почти безброй комбинации. Например, ако 20 различни аминокиселини образуват верига от 100 елемента, те могат да бъдат подредени по 10¹⁰⁰ различни начина — това е единица, следвана от сто нули!

Форма и функция на белтъците

Формата на белтъка е изключително важна за ролята му в клетката. Как веригата от аминокиселини влияе на формата на белтъка? За разлика от подвижните звена на металната или пластмасовата верига, аминокиселините се свързват под определен ъгъл и така образуват някаква структура. Някои от тези структури са спираловидни, подобно на кабела на телефонната слушалка, а други приличат на хармоника, или на плисиран плат. След това белтъкът се нагъва допълнително в пространството и образува триизмерна фигура. Получената фигура съвсем не е случайна. Формата на белтъка е изключително важна за функциите му, което ясно си проличава, когато във веригата от аминокиселини стане грешка.

Когато веригата е повредена

Когато има грешка във веригата от аминокиселини или белтъкът не е правилно нагънат, това може да доведе до редица болести, сред които са сърповидноклетъчната анемия и кистозната фиброза (муковисцидоза). Сърповидноклетъчната анемия е генетично заболяване, при което молекулите хемоглобин в червените кръвни клетки са увредени. Една молекула хемоглобин се състои от 574 аминокиселини, подредени в четири вериги. Ако само една аминокиселина в две от веригите смени мястото си, хемоглобинът променя формата на червените кръвни  клетки в сърповидна. Повечето случаи на кистозна фиброза се дължат на белтък, при който аминокиселината фенилаланин липсва на ключовата си позиция във веригата. Като едно от последствията при тази болест се нарушава водно–солевият баланс в мембраните на клетките, изграждащи покривната тъкан на червата и белите дробове. Така секретът, който покрива тези органи, става твърде гъст и лепкав.

Големият недостиг или липсата на някои белтъци води до заболявания като албинизъм и хемофилия. Най–често срещаната форма на албинизма (недостиг на пигментация) се получава, когато важният белтък тирозиназа или липсва, или е увреден. Това се отразява на производството на пигмента меланин, който се намира в очите, космите и кожата. Хемофилията се дължи на голям недостиг или липса на белтъчни фактори, които участват в съсирването на кръвта. Сред другите заболявания, дължащи се на грешки в белтъчните вериги, са например лактозната непоносимост и мускулната дистрофия.

Теория за механизма на болестите

В последно време учените съсредоточават вниманието си върху болест, която според някои се дължи на увреден белтък, наречен прион. Според теорията болестта бива предизвикана, когато увредени приони се свържат с нормални прионови белтъци, което кара здравия белтък да се нагъне погрешно. В списание „Сайънтифик Американ“ се казва, че в резултат на това се получава „верижна реакция, чрез която болестта се разпространява и инфектира нови тъкани“.

Най–вероятно точно такъв случай на прионова болест привлече за първи път вниманието на обществеността през 50–те години на миналия век в Папуа Нова Гвинея. Религиозните обичаи на някои изолирани племена включвали вид канибализъм, което довело до болестта куру, чиито симптоми наподобяват болестта на Кройцфелд–Якоб. Когато жителите се отказали от ритуала си, случаите на куру намалели и днес болестта почти не се среща.

Удивително устройство!

За щастие обаче белтъците обикновено се нагъват съвсем точно и вършат работата си с удивително сътрудничество, резултатност и прецизност. Това е наистина невероятно, като се има предвид, че в човешкото тяло има над 100 000 вида белтъци — сложни вериги, нагънати по хиляди начини.

До голяма степен светът на белтъците е още неизследван. За да узнаят повече, учените изобретяват сложни компютърни програми, които могат да предскажат формата на белтъка предвид последователността на неговите аминокиселини. Но дори и малкото, което знаем за белтъците, показва ясно, че тези „вериги на живота“ са не само строго организирани, но и отразяват мъдростта на своя гениален Проектант.

[Блок/Снимка на страница 27]

„Пощенски код“ за всеки белтък

За да се ускори доставката на пощата, много пощенски служби изискват в адреса на писмото да бъде посочен и пощенски код. Създателят е приложил подобен принцип, така че белтъците да се ориентират лесно в клетката. Това е от голямо значение, като се има предвид, че в нея се извършват най–различни процеси и има милиард белтъци. Въпреки това новообразуваните белтъци винаги успяват да намерят „работната си площадка“ благодарение на своя молекулярен „пощенски код“ — определена последователност от аминокиселини.

През 1999 г. Гюнтер Блобел, който е специалист в областта на молекулярната биология, получи Нобелова награда за откритието на този принцип. Но Блобел просто установил фактите. Нима Създателят на клетката с нейното смайващо разнообразие от молекули не заслужава дори по–голяма почит? (Откровение 4:11)

[Диаграма/Снимки на страници 24, 25]

(Цялостното оформление на текста виж в печатното издание)

Как се образуват белтъците?

Клетка

1 В клетъчното ядро ДНК съдържа указания за всеки белтък

ДНК

2 Част от ДНК се разплита и генетичната информация се прехвърля върху информационна РНК

Информационна РНК

3 Рибозомите („работните площадки“, където се разчита „съобщението“ и се сглобяват белтъците) се свързват с РНК

4 Транспортните РНК пренасят аминокиселини до рибозомата

Единични аминокиселини

Транспортна РНК

Рибозома

5 Рибозомата „разчита“ РНК, свързва единичните аминокиселини в определен ред и образува верига — белтъкът

Белтъците са съставени от аминокиселини

6 Белтъчните вериги трябва да се нагънат по точно определен начин, за да изпълняват функциите си. Обикновено един белтък има над 300 „звена“!

Белтък

В тялото ни има над 100 000 вида белтъци. Те са жизненоважни

Антитела

Ензими

Структурни белтъци

Хормони

Транспортни белтъци

[Диаграма/Снимки на страница 25]

(Цялостното оформление на текста виж в печатното издание)

Как ДНК „записва“ всеки белтък?

ДНК Г Т Ц Т А Т А А Г

ДНК използва само четири „букви“: А, Т, Ц, Г

А Т Ц Г

Кодът на ДНК се преписва (транскрибира) върху РНК. РНК използва У (урацил) вместо Т

А У Ц Г

Три последователни „букви“ образуват „дума“, или аминокиселина. Например:

Г У Ц = валин

У А У = тирозин

А А Г = лизин

Така всяка от двайсетте най–често срещани аминокиселини може да бъде „записана“. „Думите“ се свързват в „изречения“, или белтъчни вериги

[Диаграма/Снимки на страница 26]

(Цялостното оформление на текста виж в печатното издание)

Как се нагъва белтъкът?

Единичните аминокиселини се свързват и ...

1 образуват верига, след което ...

2 се усукват като спирала или се нагъват като хармоника, и после ...

Спирала

Хармоника

3 образуват по–сложна триизмерна структура, която може да е ...

4 само част от сложен белтък

[Снимка на страница 26]

При този компютърен модел на част от рибозомен белтък чрез оцветяването се подчертава триизмерността му. Различните начини на усукване са показани със спирали и стрелки (хармоника)

[Източник]

The Protein Data Bank, ID: 1FFK; Ban, N., Nissen, P., Hansen, J., Moore, P.B., Steitz, T.A.: The Complete Atomic Structure of the Large Ribosomal Subunit at 2.4 A Resolution, Science 289 pp. 905 (2000)

[Информация за източника на снимката на страница 24]

Рисунките са приспособени от: THE WAY LIFE WORKS by Mahlon Hoagland and Bert Dodson, copyright ©1995 by Mahlon Hoagland and Bert Dodson. Used by permission of Times Books, a division of Random House, Inc.