Hämmastavad elutegevust tagavad ahelad

KAS oled kunagi mõelnud oma kehale kui mikroskoopiliste ahelate kogumile? Võib-olla mitte, ent tegelikult on „elutegevus väikseimate oluliste komponentide tasandil oma korralduselt ahelapõhine”, kirjutab elusorganismide talitlust käsitlev raamat „The Way Life Works”. Sellest tulenevalt võib isegi pisike defekt neis ahelais mõjutada suuresti meie tervist. Mis ahelad need on? Kuidas need funktsioneerivad? Mil kombel on nendega seotud meie tervis ja heaolu?

Üldjoontes võib öelda, et need on kahte põhirühma jagunevad ahelmolekulid. Selles artiklis vaatleme valgumolekule. Teise põhirühma moodustavad DNA ja RNA – molekulid, mis talletavad ja edastavad geneetilist informatsiooni. Muidugi mõista on need kaks rühma tihedalt seotud. On ju DNA ja RNA esmaseks funktsiooniks sünteesida tohutu suures valikus elutegevuseks vajalikke valke.

Katalüsaatorid, kaitsjad ja ülesehitajad

Valgud on elusorganismi suurematest molekulidest kõige mitmekesisemad. Valkude perekonda kuuluvad kaitsevalgud, ensüümid, regulatoorsed ja struktuursed valgud ning transportvalgud. Kaitsevalkude ehk immuunglobuliinide hiigelväesalgad tõrjuvad sissetunginud võõrkehasid, näiteks baktereid ja viiruseid. On ka globuliine, mis aitavad lõpetada traumakahjustustega veresoonte veritsemise.

Ensüümid on katalüsaatorid, mis kiirendavad keemilisi reaktsioone, näiteks seedimisega seonduvaid.  „Kui poleks ensüüme, jääksime peagi nälga, sest tavalise eine seedimiseks kuluks siis 50 aastat,” kirjutab raamat „The Thread of Life”. Ensüümid töötavad konveierisüsteemil, kus iga valk täidab eriomast ülesannet. Näiteks ensüüm maltaas lõhustab suhkrut nimetusega maltoos kaheks glükoosi molekuliks. Laktaas aga lõhustab laktoosi ehk piimasuhkrut. Teised ensüümid sünteesivad aatomeid ja molekule, liites uusi aineid. Sealjuures teevad nad oma tööd ülisuurel kiirusel. Üksainus ensüümimolekul võib katalüüsida tuhandeid keemilisi reaktsioone sekundis!

Mõningaid valke klassifitseeritakse kui hormoone, mis toimivad signaalide edastajatena. Vallandatuna vereringesse, stimuleerivad või pärsivad need organismi teiste osade talitlust. Näiteks insuliin stimuleerib rakke imendama nende energiaallikat glükoosi. Struktuursed valgud, näiteks kollageen ja keratiin, on kõhre, karvade, küünte ja naha põhikomponendid. Kõik sellised valgud „täidavad rakus postide, talade, plaatide, tsemendi ja naelte aset”, kirjutab „The Way Life Works”.

Rakumembraanis paiknevad transportvalgud on justkui pumbad ja tunnelid, mis võimaldavad ainetel liikuda rakku ja rakust välja. Vaadelgem nüüd, kuidas valgud moodustuvad ning kuidas seondub nende ahelstruktuur nende talitlusega.

Keerukus, mis põhineb lihtsusel

Paljud keeled baseeruvad tähestikul, mille alusel moodustuvad sõnad, millest omakorda moodustuvad laused. Elusorganismide puhul kehtib sama printsiip molekulaartasandil. „Tähestiku” annab DNA. On hämmastav, et selle „tähestiku” moodustavad kõigest neli tähte – A, G, T ja C, mis on keemiliste aluste adeniini, guaniini, tümiini ja tsütosiini tähised. DNA sünteesib neist neljast alusest RNA vahendusel aminohappeid, mida võiks võrrelda sõnadega. Kuid erinevalt tavalistest sõnadest on kõigil aminohapetel sama arv tähti, nimelt kolm. „Valgusünteesi masinad” nimetusega ribosoomid liidavad aminohappeid kokku. Selle tulemusena tekkivaid ahelaid ehk valke võiks võrrelda lausetega. Sisaldades rohkem elemente kui suuline või kirjalik lause, võib tüüpilises valgus olla 300–400 aminohapet.

 Ühe teatmeteose järgi leidub looduses sadu aminohappeid, ent suuremas osas valkudes on neid kõigest paarkümmend liiki. Neist aminohapetest saab koostada lõputu hulga kombinatsioone. Toome näite: kui vaid 20 aminohapet moodustavad 100 aminohappe pikkuse ahela, on selle ahela kokkupanemiseks enam kui 10 ¹⁰⁰ (1 saja nulliga) moodust!

Valgu kuju ja funktsioon

Valgu rolli rakus määrab tema kuju. Kuidas mõjutab valgu kuju aminohapete ahel? Erinevalt metall- või plastketi lõdvalt seonduvatest lülidest paigutuvad aminohapped kindla nurga all, moodustades korrapäraseid kujundeid. On kujundeid, mis meenutavad keerdunud telefonijuhet või on volditud kokku nagu plissee. Need kujundid on omakorda kokku volditud, nii et moodustub keerukam kolmemõõtmeline struktuur. Valgukujund on kaugel juhuslikkusest – sellest oleneb tõepoolest tema funktsioon, milline tõik saab väga selgeks siis, kui aminohappeahelas esineb mingi viga.

Kui ahelas on defekt

Kui valkude aminohappeahelas on defekte või kui need pole õigesti kokku pakkunud, võib see põhjustada mitmesuguseid haigusi, sealhulgas sirprakulist aneemiat ja tsüstilist fibroosi. Sirprakkaneemia on geneetiline haigus, mille puhul vere punalibledes esineb ebanormaalseid hemoglobiini molekule. Hemoglobiini molekul koosneb 574 aminohappest, mis on paigutunud nelja ahelasse. Vaid ühe aminohappe ümberpaigutus neljast ahelast kahes muudab normaalse hemoglobiini sirprakuliseks. Enamik tsüstilise fibroosi juhte on tingitud sellest, et puudub valgu aminohappeahelas  võtmepositsiooni omav fenüülalaniin. Muuhulgas häirib see defekt soole- ja kopsukelmes vajalikku soola ja vee tasakaalu, põhjustades seda, et neid pindu kattev lima muutub ebanormaalselt paksuks ja kleepjaks.

Mõningate valkude tõsine vaegus või täielik puudumine põhjustab selliseid tervisehädasid nagu pigmendipuudus (albinism) ja veritsustõbi (hemofiilia). Pigmendipuuduse levinuima vormi korral on tähtis valk türosinaas defektne või puudub üldse. See mõjutab inimese silmades, juustes ja nahas leiduva pruuni pigmendi melaniini sünteesi. Hemofiilia on tingitud vere hüübimist soodustavate valgufaktorite äärmiselt madalast tasemest või puudumisest. Defektsetest valkudest põhjustatud tervisehäiretena võib mainida ka näiteks laktoositalumatust ja lihasdüstroofiat.

Üks haiguse tekkeprotsessi teooria

Viimastel aastatel on teadlased pööranud tähelepanu haigusele, mille põhjuseks peetakse priooni-nimelise valgu ebanormaalset kuju. Selle teooria järgi on haigus tingitud sellest, et defektsed prioonid seonduvad normaalsete prioonvalkudega, mistõttu normaalne valk pakkub valesti kokku. Tagajärjeks on „haigust süvendav ja uut nakkusmaterjali genereeriv ahelreaktsioon”, kirjutab ajakiri „Scientific American”.

Nähtus, mida võiks nimetada prioonipõhiseks haiguseks, köitis esimest korda avalikkuse tähelepanu 1950. aastatel Paapua Uus-Guineas. Mõningad isoleeritud hõimud harrastasid religioossetel põhjustel teatud laadi kannibalismi, mille tagajärjeks oli Creutzfeldt-Jakobi tõve sümptomitega sarnane haigus nimetusega kuru. Kui selle haiguse all kannatavad hõimud loobusid sellisest usurituaalist, vähenesid kuru-juhtumid järsult, ning praegu on see haigus praktiliselt tundmatu.

Imetlusväärne kavandatus!

Kuid õnneks on valgud reeglina õigesti kokku pakkunud ning täidavad oma ülesannet hämmastava koostöö, tõhususe ja täpsusega. Milline tähelepanuväärne saavutus, kui arvestada seda, et inimese organismis on enam kui 100 000 liiki valke, mille keerukad ahelad on pakkunud kokku tuhandeteks eri kujunditeks!

Valkude maailm on suuremalt jaolt veel läbi uurimata. Et saada selle kohta rohkem teada, on teadlased praegu loomas keerukaid arvutiprogramme, mis suudaksid arvata ära valkude kuju nende aminohapete järjestuse põhjal. Kuid ka see vähene, mida me valkudest teame, näitab selgelt, et need elutegevust tagavad ahelad on lisaks kõrgetasemelisele struktuurile hiilgava mõistuslikkuse kajastus.

[Kast/pilt lk 27]

Valkude „sihtnumber”

Et paremini posti kohale toimetada, nõuavad paljud postiteenistused ümbrikule kirjutatavale aadressile sihtnumbri lisamist. Samasugust põhimõtet on kasutanud Looja, tagamaks seda, et valgud leiaksid rakus oma kindla koha. Selline meede on väga oluline, kui arvestada seda, et kuni miljard valku sisaldavates rakkudes käib äärmiselt tihe töö. Sellegipoolest leiavad vastvormitud valgud alati tee oma tööplatsile tänu molekulaarsele „sihtnumbrile” – valgus paiknevale eriomasele aminohapete ahelale.

Rakubioloog Günter Blobel sai selle hämmastava käsituse eest aastal 1999 Nobeli auhinna. Ent Blobeli osaks oli vaid avastuse tegemine. Kas mitte ei peaks veelgi rohkem austust pälvima elusraku ja selle molekulide imetlusväärse paigutuse Looja? (Ilmutuse 4:11.)

[Joonis/pildid lk 24, 25]

(Kujundatud teksti vaata trükitud väljaandest.)

Kuidas moodustuvad valgud?

Rakk

1 Rakutuumas sisalduvas DNA-s on instruktsioonid iga valgu jaoks

DNA

2 Osa DNA-st on lahknenud ning geneetiline info on edasi antud informatsiooni-RNA-le

Informatsiooni-RNA

3 Ribosoomid – „infolugejad-valgukoostajad” – seostuvad RNA-ga

4 Transport-RNA-d kannavad aminohapped ribosoomile

Üksikud aminohapped

Transport-RNA-d

Ribosoom

5 „Lugedes” RNA-d, liidab ribosoom üksikuid aminohappeid kindla korra järgi ahelaks – valguks

Valgud sünteesitakse aminohapetest

6 Täitmaks oma ülesannet, peab ahelalaadne valk kokku pakkuma väga täpselt. Mõelgem sellele, et tüüpiline valk koosneb rohkem kui 300 „lülist”!

Valk

Inimese organismis on enam kui 100 000 liiki valke. Kõigil neil on elutegevuses väga oluline roll

Kaitsevalgud

Ensüümid

Struktuursed valgud

Hormoonid

Transportvalgud

[Joonis/pildid lk 25]

(Kujundatud teksti vaata trükitud väljaandest.)

Kuidas DNA igat valku „üles kirjutab”?

DNA G T C T A T A A G

DNA kasutab kõigest nelja „tähte”: A, T, C, G

A T C G

DNA koodsõna „tõlgitakse” RNA-ks. RNA kasutab T asemel U-d (uratsiil)

A U C G

Kolm järjestikust „tähte” moodustavad konkreetse „sõna” ehk aminohappe. Näiteks:

G U C = valiin

U A U = türosiin

A A G = lüsiin

Sel kombel saadakse kõik 20 tavalist aminohapet „üles kirjutada”. „Sõnad” liidetakse kokku ahelaks ehk „lauseks” – valguks

[Joonis/pildid lk 26]

(Kujundatud teksti vaata trükitud väljaandest.)

Kuidas valk kokku pakkub?

Üksikud aminohapped liituvad ...

1 ahelaks, misjärel ...

2 need vormuvad kujunditeks, nagu spiraalid või voldid, seejärel . . .

Spiraalid

Voldid

3 pakkuvad kokku komplekssemaks kolmemõõtmeliseks struktuuriks, mis võib olla . . .

4 kõigest üks keeruka valgu väiksem allosa

[Pilt lk 26]

Selles ribosoomvalgu osa kujutavas arvutimudelis on kasutatud kolmemõõtmelisuse rõhutamiseks värve. Struktuuri ilmestavad spiraalid (rõngjad osad) ja lindid (lühikesed volditud osad)

[Allikaviide]

Valkude andmepank: 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)

[Piltide allikaviide lk 24]

Kohandatud joonised: From 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.