Ζωή​—Ένα Εκπληκτικό Σύνολο Αλυσίδων

ΕΧΕΤΕ φανταστεί ποτέ το σώμα σας ως μια συλλογή μικροσκοπικών αλυσίδων; Πιθανώς όχι. Στην πραγματικότητα, όμως, «στο επίπεδο των μικρότερων αλληλένδετων μερών της», λέει το βιβλίο Οι Διεργασίες της Ζωής (The Way Life Works), η ζωή διαρθρώνεται «με βάση την αρχή της αλυσίδας». Γι’ αυτόν το λόγο, ακόμη και ένα μικρό ελάττωμα σε μερικές από αυτές τις αλυσίδες μπορεί να έχει μεγάλο αντίκτυπο στην υγεία μας. Τι είναι αυτές οι αλυσίδες; Πώς λειτουργούν; Επίσης, πώς σχετίζονται με την υγεία και την ευημερία μας;

Βασικά, πρόκειται για αλυσοειδή μόρια που εμπίπτουν σε δύο κύριες κατηγορίες. Τα μόρια που θα εξετάσουμε σε αυτό το άρθρο είναι οι πρωτεΐνες. Τα άλλα μόρια είναι εκείνα που αποθηκεύουν και μεταδίδουν γενετικές πληροφορίες​—το DNA και το RNA. Ασφαλώς, οι δύο ομάδες είναι στενά συνδεδεμένες. Μάλιστα, μια βασική λειτουργία του DNA και του RNA είναι η παραγωγή της τεράστιας ποικιλίας των πρωτεϊνών της ζωής.

Καταλύτες, Φρουροί και Στηρίγματα

Οι πρωτεΐνες είναι πολύ πιο πολυποίκιλες από τα άλλα μεγαλύτερα μόρια της ζωής. Η οικογένεια των πρωτεϊνών περιλαμβάνει αντισώματα, ένζυμα, αγγελιοφόρους, δομικές πρωτεΐνες και μεταφορείς. Η τεράστια παράταξη αντισωμάτων, ή αλλιώς ανοσοσφαιρινών, αμύνεται σε ξένους εισβολείς, όπως είναι τα βακτήρια και οι ιοί. Άλλες σφαιρίνες βοηθούν στη μόνωση των αιμοφόρων αγγείων που υφίστανται βλάβη από τραυματισμό.

Τα ένζυμα λειτουργούν ως καταλύτες, επιταχύνοντας τις χημικές αντιδράσεις, όπως αυτές που περιλαμβάνονται στην πέψη. Στην πραγματικότητα, «χωρίς ένζυμα σύντομα θα πεθαίνατε από την πείνα, εφόσον θα χρειαζόσασταν 50 χρόνια για να χωνέψετε ένα συνηθισμένο γεύμα», εξηγεί το βιβλίο Το Νήμα της Ζωής (The Thread of Life). Τα ένζυμα επιτελούν την εργασία τους όπως συμβαίνει σε μια γραμμή παραγωγής ​—κάθε πρωτεΐνη επιτελεί μια συγκεκριμένη εργασία. Λόγου χάρη, το ένζυμο μαλτάση διασπά ένα σάκχαρο, τη μαλτόζη, σε δύο μόρια γλυκόζης. Η λακτάση διασπά τη λακτόζη, που λέγεται και γαλακτοσάκχαρο. Άλλα ένζυμα συνδυάζουν άτομα και μόρια σχηματίζοντας νέα προϊόντα. Επιτελούν δε την εργασία τους με αστραπιαία ταχύτητα. Ένα και μόνο μόριο ενζύμου μπορεί να καταλύσει χιλιάδες χημικές αντιδράσεις το δευτερόλεπτο!

Μερικές πρωτεΐνες ταξινομούνται ως ορμόνες και δρουν ως αγγελιοφόροι. Όταν απελευθερώνονται στην κυκλοφορία του αίματος, διεγείρουν ή μειώνουν τη δραστηριότητα άλλων τμημάτων του σώματος. Η ινσουλίνη, για παράδειγμα, διεγείρει τα κύτταρα ώστε να απορροφούν γλυκόζη, την πηγή της ενέργειάς τους. Οι δομικές πρωτεΐνες, όπως το κολλαγόνο και η κερατίνη, είναι τα κύρια συστατικά του χόνδρου, των τριχών, των νυχιών και του δέρματος. Όλες αυτές οι πρωτεΐνες «λειτουργούν στο κύτταρο όπως τα στηρίγματα, οι δοκοί, το κοντραπλακέ, το τσιμέντο και τα καρφιά», λέει το βιβλίο Οι Διεργασίες της Ζωής.

Οι μεταφορικές πρωτεΐνες στις μεμβράνες των κυττάρων λειτουργούν ως αντλίες και σήραγγες, επιτρέποντας σε διάφορα υλικά να μπαινοβγαίνουν στα κύτταρα. Ας δούμε τώρα τη σύσταση των πρωτεϊνών καθώς και το πώς σχετίζεται η αλυσοειδής τους δομή με τη λειτουργία τους.

Πολυπλοκότητα Βασισμένη στην Απλότητα

Το αλφάβητο αποτελεί βασικό στοιχείο πολλών γλωσσών. Από αυτόν τον κατάλογο γραμμάτων σχηματίζονται οι λέξεις. Οι λέξεις, με τη σειρά τους, δημιουργούν προτάσεις. Σε μοριακό επίπεδο, η ζωή χρησιμοποιεί μια παρόμοια αρχή. Ένα πρότυπο «αλφάβητο» παρέχεται από το DNA. Το εκπληκτικό είναι ότι αυτό το «αλφάβητο» αποτελείται από τέσσερα γράμματα μόνο​—A, C, G και T, τα οποία συμβολίζουν τις χημικές βάσεις αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη και θυμίνη. Από αυτές τις τέσσερις βάσεις, το DNA, με τη μεσολάβηση ενός RNA, σχηματίζει αμινοξέα, τα οποία θα μπορούσαν να συγκριθούν με τις λέξεις. Ανόμοια με τις κανονικές λέξεις, όμως, τα αμινοξέα έχουν όλα τον ίδιο αριθμό γραμμάτων, δηλαδή τρία. «Μηχανές που συναρμολογούν πρωτεΐνες», τα λεγόμενα ριβοσώματα, συνδέουν μεταξύ τους τα αμινοξέα. Οι αλυσίδες που δημιουργούνται, δηλαδή οι πρωτεΐνες, θα μπορούσαν να παρομοιαστούν με προτάσεις. Διαθέτοντας περισσότερα στοιχεία από μια προφορική ή γραπτή πρόταση, μια κοινή πρωτεΐνη μπορεί να περιέχει περίπου 300 ως 400 αμινοξέα.

Σύμφωνα με κάποιο σύγγραμμα, στη φύση υπάρχουν εκατοντάδες αμινοξέα, αλλά μόνο 20  είδη περίπου συναντώνται στις περισσότερες πρωτεΐνες. Αυτά τα αμινοξέα μπορούν να συνδυαστούν σχεδόν με αναρίθμητους τρόπους. Σκεφτείτε: Αν 20 μόνο αμινοξέα σχηματίσουν μια αλυσίδα που αποτελείται από 100 αμινοξέα, αυτή η αλυσίδα μπορεί να πάρει 10¹⁰⁰ διαφορετικές μορφές​—δηλαδή ο αριθμός 1 ακολουθούμενος από 100 μηδενικά!

Το Σχήμα και η Λειτουργία των Πρωτεϊνών

Το σχήμα μιας πρωτεΐνης είναι ουσιώδες για το ρόλο της στο κύτταρο. Πώς επηρεάζει μια αλυσίδα αμινοξέων το σχήμα κάποιας πρωτεΐνης; Ανόμοια με τους χαλαρούς κρίκους μιας μεταλλικής ή πλαστικής αλυσίδας, τα αμινοξέα ενώνονται σε συγκεκριμένες γωνίες, σχηματίζοντας κανονικά σχέδια. Μερικά τέτοια σχέδια μοιάζουν με σπείρες όπως αυτές που έχει το καλώδιο του τηλεφώνου ή με πτυχώσεις σαν εκείνες που έχει ένα ρούχο με πιέτες. Κατόπιν αυτά τα σχέδια «αναδιπλώνονται», ή παίρνουν σχήμα, δημιουργώντας μια πιο πολύπλοκη τρισδιάστατη δομή. Το σχήμα μιας πρωτεΐνης δεν είναι καθόλου τυχαίο. Στην πραγματικότητα, η μορφή της πρωτεΐνης είναι ζωτικής σημασίας για τη λειτουργία της, πράγμα που καθίσταται ολοφάνερο όταν υπάρχει κάποια ατέλεια στην αλυσίδα των αμινοξέων.

Όταν η Αλυσίδα Έχει Ελάττωμα

Όταν οι πρωτεΐνες έχουν ελαττωματική αλυσίδα αμινοξέων ή όταν αναδιπλώνονται λανθασμένα, μπορούν να προκαλέσουν ορισμένες ασθένειες, περιλαμβανομένης της δρεπανοκυτταρικής αναιμίας και της κυστικής ίνωσης. Η δρεπανοκυτταρική αναιμία είναι μια γενετική ασθένεια στην οποία τα μόρια της αιμοσφαιρίνης στα ερυθρά αιμοσφαίρια παρουσιάζουν ανωμαλία. Ένα μόριο αιμοσφαιρίνης αποτελείται από 574 αμινοξέα διατεταγμένα σε τέσσερις αλυσίδες. Μια αλλαγή σε ένα μόνο αμινοξύ σε δύο από τις τέσσερις αλυσίδες μετατρέπει τη φυσιολογική αιμοσφαιρίνη στην παραλλαγμένη αιμοσφαιρίνη της δρεπανοκυτταρικής αναιμίας. Οι περισσότερες περιπτώσεις κυστικής ίνωσης οφείλονται σε μια πρωτεΐνη στην οποία το αμινοξύ φαινυλαλανίνη απουσιάζει από μια καίρια θέση στην αλυσίδα αμινοξέων. Μεταξύ άλλων, αυτό το ελάττωμα διαταράσσει την αναλογία αλατιού και νερού που είναι απαραίτητη στις εσωτερικές μεμβράνες των  εντέρων και των πνευμόνων, με αποτέλεσμα να γίνεται υπερβολικά παχύρρευστη και κολλώδης η βλέννα που επικαλύπτει αυτές τις επιφάνειες.

Η σοβαρή έλλειψη ή η απουσία ορισμένων πρωτεϊνών οδηγεί σε διαταραχές όπως ο αλφισμός και η αιμοφιλία. Στην πιο κοινή του μορφή, ο αλφισμός, μια διαταραχή στη λειτουργία των χρωστικών κυττάρων, παρουσιάζεται όταν μια βασική πρωτεΐνη που ονομάζεται τυροσινάση είτε είναι ελαττωματική είτε απουσιάζει. Αυτό επηρεάζει την παραγωγή μελανίνης, μιας σκουρόχρωμης χρωστικής ουσίας που υπάρχει φυσιολογικά στα μάτια, στα μαλλιά και στο δέρμα του ανθρώπου. Η αιμοφιλία προκαλείται από τα πολύ χαμηλά επίπεδα ή την έλλειψη πρωτεϊνικών παραγόντων που βοηθούν στην πήξη του αίματος. Άλλες διαταραχές που αποδίδονται σε ελαττωματικές πρωτεΐνες είναι η δυσανεξία στη λακτόζη και η μυϊκή δυστροφία, για να ονομάσουμε μερικές.

Μια Θεωρία για το Μηχανισμό των Ασθενειών

Τα πρόσφατα χρόνια οι επιστήμονες έχουν συγκεντρώσει την προσοχή τους σε κάποια ασθένεια την οποία μερικοί αποδίδουν σε μια μη φυσιολογική μορφή πρωτεΐνης που ονομάζεται πράιον (prion). Έχει διατυπωθεί η θεωρία ότι η ασθένεια δημιουργείται όταν ελαττωματικές πρωτεΐνες πράιον προσκολλώνται σε φυσιολογικές πρωτεΐνες πράιον, προκαλώντας τη λανθασμένη αναδίπλωση της φυσιολογικής πρωτεΐνης. Το αποτέλεσμα είναι «μια αλυσιδωτή αντίδραση που εξαπλώνει την ασθένεια και παράγει νέο μολυσματικό υλικό», λέει το περιοδικό Σαϊεντίφικ Αμέρικαν (Scientific American).

Μια περίπτωση ασθένειας που ενδεχομένως να οφείλεται στην πρωτεΐνη πράιον πρωτοήρθε στο φως τη δεκαετία του 1950 στην Παπούα-Νέα Γουινέα. Ορισμένες απομονωμένες φυλές επιδίδονταν σε μια μορφή κανιβαλισμού για θρησκευτικούς λόγους, και αυτό οδήγησε σε κάποια ασθένεια, τη λεγόμενη κούρου, με συμπτώματα παρόμοια με εκείνα της ασθένειας Κρόιτσφελντ-Γιάκομπ. Όταν οι πληγείσες φυλές έπαψαν να ασκούν αυτή τη θρησκευτική τελετουργία, η συχνότητα εμφάνισης της νόσου μειώθηκε αμέσως και τώρα είναι σχεδόν άγνωστη.

Εκπληκτικό Σχέδιο!

Ευτυχώς, όμως, οι πρωτεΐνες συνήθως αναδιπλώνονται με σωστό τρόπο και επιτελούν τις εργασίες τους με εκπληκτική συνεργασία, αποδοτικότητα και ακρίβεια. Αυτό είναι αξιοσημείωτο αν λάβουμε υπόψη ότι υπάρχουν πάνω από 100.000 διαφορετικά είδη πρωτεϊνών στο ανθρώπινο σώμα, σχηματίζοντας όλες τους πολύπλοκες αλυσίδες αναδιπλωμένες με χιλιάδες τρόπους.

Ο κόσμος των πρωτεϊνών παραμένει σε μεγάλο βαθμό αχαρτογράφητος. Για να μάθουν περισσότερα, οι ερευνητές επινοούν τώρα εξελιγμένα προγράμματα κομπιούτερ τα οποία θα μπορούσαν να προβλέπουν το σχήμα των πρωτεϊνών από την αλληλουχία των αμινοξέων τους. Ωστόσο, ακόμη και τα λίγα που γνωρίζουμε για τις πρωτεΐνες καταδεικνύουν ότι αυτές οι «αλυσίδες της ζωής», όχι μόνο διακρίνονται από υψηλό επίπεδο οργάνωσης, αλλά και αντανακλούν βαθιά νοημοσύνη.

[Πλαίσιο/Εικόνα στη σελίδα 27]

«Ταχυδρομικοί Κώδικες» για Πρωτεΐνες

Για να διευκολύνουν την παράδοση της αλληλογραφίας, πολλές ταχυδρομικές υπηρεσίες ζητούν να συμπεριλαμβάνεται ο ταχυδρομικός κώδικας στη διεύθυνση κάθε επιστολής. Ο Δημιουργός χρησιμοποίησε παρόμοια τακτική προκειμένου να βρίσκουν οι πρωτεΐνες τη θέση τους μέσα στο κύτταρο. Ένα τέτοιο μέτρο είναι ζωτικό αν σκεφτεί κανείς ότι τα κύτταρα σφύζουν από δραστηριότητα, εφόσον εκεί υπάρχουν ως και ένα δισεκατομμύριο πρωτεΐνες. Ωστόσο, οι νεοσχηματισμένες πρωτεΐνες βρίσκουν πάντα τη θέση τους στον τόπο εργασίας τους, χάρη σε έναν μοριακό «ταχυδρομικό κώδικα»​—μια ειδική αλληλουχία αμινοξέων που περιέχεται στην πρωτεΐνη.

Ο κυτταροβιολόγος Γκούντερ Μπλόμπελ κέρδισε το Βραβείο Νόμπελ το 1999 επειδή ανακάλυψε αυτή την εκπληκτική διαδικασία. Ωστόσο, ο Μπλόμπελ έκανε απλώς μια ανακάλυψη. Δεν θα πρέπει άραγε ο Δημιουργός του ζωντανού κυττάρου και της καταπληκτικής ποικιλίας μορίων να λαβαίνει ακόμη μεγαλύτερη τιμή;​—Αποκάλυψη 4:11.

[Διάγραμμα/Εικόνες στη σελίδα 24, 25]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Πώς συνθέτονται οι πρωτεΐνες;

Κύτταρο

1 Μέσα στον πυρήνα του κυττάρου, το DNA περιέχει οδηγίες για κάθε πρωτεΐνη

DNA

2 Ένα τμήμα του DNA ανοίγει σαν φερμουάρ, και οι γενετικές πληροφορίες συνθέτουν έναν αγγελιοφόρο RNA

Αγγελιοφόρος RNA

3 Τα ριβοσώματα​—τα οποία «διαβάζουν το μήνυμα και συναρμολογούν τις πρωτεΐνες»—​ενώνονται με το RNA

4 Μεταφορείς RNA μεταφέρουν αμινοξέα στο ριβόσωμα

Μεμονωμένα αμινοξέα

Μεταφορείς RNA

Ριβόσωμα

5 Καθώς το ριβόσωμα «διαβάζει» το RNA, συνδέει μεταξύ τους τα αμινοξέα με συγκεκριμένη σειρά έτσι ώστε να σχηματίσουν μια αλυσίδα​—την πρωτεΐνη

Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από αμινοξέα

6 Η αλυσοειδής πρωτεΐνη πρέπει να αναδιπλωθεί με ακρίβεια για να επιτελέσει τη λειτουργία της. Φανταστείτε, μια συνηθισμένη πρωτεΐνη έχει πάνω από 300 «κρίκους»!

Πρωτεΐνη

Έχουμε πάνω από 100.000 διαφορετικά είδη πρωτεϊνών στο σώμα μας. Αυτές είναι απαραίτητες για τη ζωή

Αντισώματα

Ένζυμα

Δομικές πρωτεΐνες

Ορμόνες

Μεταφορείς

[Διάγραμμα/​Εικόνες στη σελίδα 25]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Πώς «προφέρει» το DNA την κάθε πρωτεΐνη;

DNA G T C T A T A A G

Το DNA χρησιμοποιεί μόνο τέσσερα «γράμματα»: A, T, C, G

A T C G

Ο τρόπος με τον οποίο «προφέρει» το DNA την πρωτεΐνη μεταγράφεται σε μορφή RNA. Το RNA χρησιμοποιεί το U (ουρακίλη) αντί για το T

A U C G

Με κάθε αλληλουχία τριών γραμμάτων «προφέρεται» μια συγκεκριμένη «λέξη», δηλαδή αμινοξύ. Λόγου χάρη:

G U C = βαλίνη

U A U = τυροσίνη

A A G = λυσίνη

Με αυτόν τον τρόπο, καθένα από τα 20 κοινά αμινοξέα έχει την «προφορά» του. Οι «λέξεις» συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας μια αλυσίδα, ή αλλιώς μια «πρόταση»​—την πρωτεΐνη

[Διάγραμμα/Εικόνες στη σελίδα 26]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Πώς «αναδιπλώνεται» μια πρωτεΐνη;

Τα μεμονωμένα αμινοξέα συνδέονται μεταξύ τους για να . . .

1 σχηματίσουν μια αλυσίδα, κατόπιν . . .

2 σχηματίζουν σχήματα, όπως σπείρες ή πτυχώσεις, κατόπιν . . .

Σπείρες

Πτυχώσεις

3 αναδιπλώνονται σχηματίζοντας μια πιο πολύπλοκη τρισδιάστατη δομή, η οποία μπορεί να είναι . . .

4 απλώς μια υπομονάδα κάποιας πολύπλοκης πρωτεΐνης

[Εικόνα στη σελίδα 26]

Αυτό το ηλεκτρονικό μοντέλο τμήματος ριβοσώματος χρησιμοποιεί χρώματα για να τονίσει την τρισδιάστατη φύση του. Τα δομικά στοιχεία απεικονίζονται με σπείρες και μικρά πτυχωτά τμήματα

[Ευχαριστίες]

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)

[Ευχαριστίες για την προσφορά της εικόνας στη σελίδα 24]

Διαγράμματα: Από το βιβλίο ΟΙ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΗΣ ΖΩΗΣ από Mahlon Hoagland και Bert Dodson, copyright ©1995 από Mahlon Hoagland και Bert Dodson. Άδεια από Times Books, a division of Random House, Inc.