Elämän hämmästyttävät ketjut

OLETKO koskaan ajatellut, että olisit joukko mikroskooppisen pieniä ketjuja? Ehkäpä et. Kirjassa The Way Life Works kuitenkin todetaan: ”Elämän pienimmät merkitykselliset rakenneosat ovat järjestäytyneet ketjuiksi.” Tämän vuoksi vähäinenkin virhe noissa ketjuissa voi vaikuttaa tuntuvasti terveyteemme. Mitä nuo ketjut oikein ovat, ja miten ne toimivat? Entä miten ne liittyvät terveyteemme ja hyvinvointiimme?

Nuo ketjut ovat pohjimmiltaan ketjumaisia molekyyleja, jotka kuuluvat kahteen pääryhmään. Tässä kirjoituksessa tarkastelemme proteiineja eli valkuaisaineita. Toisen ryhmän muodostavat molekyylit, jotka sisältävät geneettisen informaation ja siirtävät sitä: DNA ja RNA. Nämä kaksi ryhmää liittyvät läheisesti toisiinsa, sillä DNA:n ja RNA:n tärkeimpiä tehtäviä on valmistaa lukuisat elämälle välttämättömät proteiinit.

Katalysaattoreita, vartijoita ja tukirakenteita

Proteiinit ovat suurista molekyyleista selvästikin kaikkein monipuolisimpia. Proteiiniperheeseen kuuluu vasta-aineita, entsyymejä sekä säätely-, rakenne- ja kuljetusproteiineja. Monenlaisina vasta-aineina toimivat immunoglobuliinit puolustavat elimistöä bakteereja, viruksia ja muita vieraita tunkeutujia vastaan. Eräät toiset globuliinit tukkivat verisuonia kudosvaurioissa.

Entsyymit toimivat katalysaattoreina nopeuttaen kemiallisia reaktioita esimerkiksi ruoansulatuksen yhteydessä. ”Ilman entsyymejä ihminen nääntyisi nopeasti nälkään, koska tyypillisen aterian sulattaminen  kestäisi 50 vuotta”, selitetään kirjassa Elämänlanka. Entsyymit tekevät työtä ikään kuin liukuhihnan äärellä, missä kullakin proteiinilla on oma tehtävänsä. Esimerkiksi maltaasi-entsyymi hajottaa maltoosia eli mallassokeria kahdeksi glukoosimolekyyliksi. Laktaasi taas pilkkoo laktoosia eli maitosokeria. Toiset entsyymit yhdistävät atomeja ja molekyyleja uusiksi yhdisteiksi. Työtahti on hengästyttävä. Yksi ainoa entsyymimolekyyli voi katalysoida tuhansia kemiallisia reaktioita sekunnissa!

Jotkin proteiinit luokitellaan hormoneiksi, jotka toimivat viestinviejinä. Ne kulkevat verenkierron mukana eri ruumiinosiin, missä ne säätelevät elintoimintoja tehostaen tai hidastaen niitä. Esimerkiksi insuliini edistää glukoosin ottoa soluihin, joissa tämä sokeri toimii energialähteenä. Rakenneproteiinit, kuten kollageeni ja keratiini, ovat ruston, karvojen, kynsien ja ihon päärakennusaineita. Ne ”vastaavat solussa pystypalkkeja, poikkipuita, vaneria, sementtiä ja nauloja”, kuvaillaan kirjassa The Way Life Works.

Solukalvojen kuljetusproteiinit toimivat pumppuina ja kanavina, jotta aineet pääsevät soluihin sisään ja niistä ulos. Katsotaanpa seuraavaksi, mistä proteiinit muodostuvat ja miten niiden ketjumainen rakenne liittyy niiden tehtäviin.

Yksinkertaisuuteen perustuva monimutkaisuus

Monet kielet perustuvat aakkosiin. Tämän kirjaimiston pohjalta rakennetaan sanoja ja sanoista kootaan lauseita. Molekyylitasolla toimii sama periaate. ”Malliaakkoset” ovat DNA:ssa. Niihin kuuluu yllättäen vain neljä kirjainta A, C, G ja T, jotka symboloivat emäksiä nimeltä adeniini, sytosiini, guaniini ja tymiini. Näistä neljästä emäksestä syntyy DNA:n ohjauksessa ja RNA:n välityksellä aminohappoja, joita voitaisiin verrata sanoihin. Toisin kuin normaaleissa sanoissa kaikissa aminohapoissa on yhtä monta kirjainta, nimittäin kolme. Proteiinien kokoojat, ribosomit, liittävät aminohappoja toisiinsa. Näin syntyy ketjuja, proteiineja, jotka ovat ikään kuin lauseita. Tavallisessa proteiinissa on enemmän osia kuin puhutussa tai kirjoitetussa lauseessa, sillä se voi sisältää noin 300–400 aminohappoa.

Erään hakuteoksen mukaan  luonnossa esiintyy satoja aminohappoja mutta useimmissa proteiineissa on niistä vain pariakymmentä. Näiden yhdistelymahdollisuudet ovat lähes rajattomat. Jos 20 aminohaposta muodostetaan vaikkapa 100 aminohapon pituinen ketju, erilaisia järjestysvaihtoehtoja on yli 10¹⁰⁰ (ykkösen perässä sata nollaa)!

Proteiinien muoto ja tehtävä

Proteiinin muoto on erittäin tärkeä sen tehtävän kannalta. Miten aminohappojen ketju vaikuttaa proteiinin muotoon? Toisin kuin metalli- tai muoviketjun liikkuvat renkaat aminohapot liittyvät toisiinsa tietyissä kulmissa, niin että syntyy säännöllisiä rakenteita. Rakenne voi olla kierteinen kuin puhelimen luurin johto, tai se voi laskostua kuin pliseerattu vaate. Nämä rakenteet poimuttuvat sitten vielä monimutkaisemmaksi kolmiulotteiseksi rakenteeksi. Muoto ei ole missään määrin sattumanvarainen. Se on erittäin tärkeä proteiinin tehtävän kannalta, mikä tulee selvästi ilmi, kun aminohappoketjuun syntyy virhe.

Virhe ketjussa

Kun proteiinien aminohappoketjussa on virheitä tai ne poimuttuvat väärällä tavalla, seurauksena voi olla monenlaisia sairauksia, esimerkiksi sirppisoluanemia tai kystinen fibroosi. Sirppisoluanemia on perinnöllinen sairaus, jossa punasolujen hemoglobiinimolekyylit ovat epänormaaleja. Hemoglobiinimolekyylissa on 574 aminohappoa neljässä ketjussa. Jo yhdenkin aminohapon vaihtuminen neljästä ketjusta kahdessa muuttaa normaalin hemoglobiinin sen sirppisolumuunnokseksi. Kystinen fibroosi johtuu useimmiten eräästä proteiinista, jonka aminohappoketjun keskeisestä kohdasta puuttuu fenyylialaniini-aminohappo. Tämän virheen  takia muun muassa suola- ja nestepitoisuudet eivät ole tasapainossa suolen ja keuhkojen kalvoilla, jolloin kalvoja peittävä lima muuttuu epänormaalin paksuksi ja sitkeäksi.

Albinismissa ja hemofiliassa eräät tärkeät proteiinit puuttuvat joko osittain tai kokonaan. Albinismin (väriaineen puutoksen) tavallisimmassa muodossa elimistössä on liian vähän tai ei lainkaan tärkeää tyrosinaasi-proteiinia. Tällöin ei valmistu riittävästi melaniinia, tummaa väriainetta, jota ihmisellä on normaalisti silmissä, hiuksissa ja ihossa. Hemofiliassa (eräs verenvuototauti) veren hyytymistä edistäviä proteiineja on niukasti tai ne puuttuvat täysin. Muita sairauksia, joiden katsotaan johtuvan virheellisistä proteiineista, ovat muun muassa laktoosi-intoleranssi ja lihasdystrofia (eräs lihassurkastumatauti).

Teoria sairauksien syntymekanismista

Tutkijat ovat viime vuosina kiinnittäneet huomiota sairauksiin, joiden aiheuttajaksi epäillään prionia, proteiinin epänormaalia muotoa. Teorian mukaan tauti syntyy, kun virheelliset prionit sitoutuvat normaaleihin prioniproteiineihin, jolloin normaali proteiini poimuttuu väärällä tavalla. Seuraa ”ketjureaktio, jonka johdosta tauti etenee ja syntyy uusia sairaita proteiineja”, kirjoittaa tiedelehti Scientific American.

Ensimmäisen kerran sairaus, joka mahdollisesti johtui prioneista, nousi otsikoihin 1950-luvulla. Papua-Uudessa-Guineassa eräät syrjässä elävät heimot harjoittivat rituaalista ihmissyöntiä, ja niiden keskuudessa alkoi esiintyä kuru-nimistä tautia, joka oireiltaan muistuttaa Creutzfeldt-Jakobin tautia. Kun heimot luopuivat uskonnollisesta rituaalistaan, tautitapaukset alkoivat nopeasti vähetä, ja nykyään niitä ei ole juuri lainkaan.

Hämmästyttävää suunnittelua!

Onneksi proteiinit poimuttuvat yleensä kuitenkin oikein ja hoitavat tehtävänsä hämmästyttävän yhteistoiminnallisesti, tehokkaasti ja tarkasti. Tämä on merkittävä seikka, kun ajatellaan, että ihmisen elimistössä on yli satatuhatta erityyppistä proteiinia – kaikki tuhansin eri tavoin poimuttuneina monimutkaisina ketjuina.

Proteiinien maailma on yhä suurelta osin kartoittamatta. Tutkijat suunnittelevat nyt monimutkaisia tietokoneohjelmia, joiden avulla voitaisiin ennustaa proteiinien muoto aminohappojakson perusteella. Mutta jo se vähä, mitä proteiineista tiedetään, osoittaa selvästi, että näistä ”elämän ketjuista” heijastuu paitsi valtava järjestyksellisyys myös suuri älykkyys.

[Tekstiruutu/Kuva s. 27]

Proteiinien ”postinumero”

Monet postilaitokset toimittavat kirjeet perille vain jos niiden osoitteessa on postinumero. Luoja on käyttänyt samanlaista periaatetta varmistaakseen, että proteiinit löytävät perille solun sisällä. Varmistus on paikallaan, sillä solussa käy melkoinen vilske: siinä saattaa olla miljardikin proteiinia. Uudet proteiinit löytävät aina tiensä työpaikalle, koska niissä on ”postinumero”, tietynlainen aminohappojakso.

Solubiologi Günter Blobel sai vuonna 1999 Nobelin palkinnon tämän hämmästyttävän toimintamekanismin selvittämisestä. Blobel kuitenkin vain havaitsi jotain olemassa olevaa. Eikö elävän solun ja sen uskomattoman monenlaisten molekyylien Luojan kuuluisi saada vielä enemmän kunniaa? (Ilmestys 4:11.)

[Kaavio/Kuvat s. 24, 25]

(Ks. painettu julkaisu)

Miten proteiinit muodostuvat?

Solu

1 Solun tumassa sijaitseva DNA sisältää jokaisen proteiinin valmistusohjeet

DNA

2 Pätkä DNA:ta avautuu, ja geneettinen informaatio kopioituu lähetti-RNA:ksi

Lähetti-RNA

3 Ribosomit – ohjeita lukevat proteiinien kokoojat – kiinnittyvät RNA:han

4 Siirtäjä-RNA:t tuovat aminohappoja ribosomin luo

Aminohappoja

Siirtäjä-RNA-molekyyleja

Ribosomi

5 Lukiessaan RNA:ta ribosomi liittää samalla yksittäisiä aminohappoja tiettyyn järjestykseen ketjuksi – proteiiniksi

Proteiinit muodostuvat aminohapoista

6 Ketjumaisen proteiinin täytyy poimuttua tietyllä tavalla, jotta se voi suorittaa tehtävänsä. Tavallisessa proteiinissa on yli 300 ”rengasta”!

Proteiini

Ihmisen elimistössä on yli satatuhatta erityyppistä proteiinia. Ilman niitä ei ole elämää

Vasta-aineita

Entsyymejä

Rakenneproteiineja

Hormoneja

Kuljetusproteiineja

[Kaavio/Kuvat s. 25]

(Ks. painettu julkaisu)

Miten DNA ”kirjoittaa” kunkin proteiinin?

DNA G T C T A T A A G

DNA käyttää vain neljää ”kirjainta”: A, T, C, G

A T C G

DNA:n ”kirjoitusohje” kopioituu RNA:ksi. RNA käyttää T:n sijasta U:ta (urasiili)

A U C G

Yksi kolmikirjaiminen jakso muodostaa aina yhden ”sanan” – aminohapon. Esimerkiksi:

G U C = valiini

U A U = tyrosiini

A A G = lysiini

Tällä tavalla saadaan ”kirjoitettua” kaikki 20 tavallista aminohappoa. ”Sanat” liitetään yhteen ”lausetta” vastaavaksi ketjuksi – proteiiniksi

[Kaavio/Kuvat s. 26]

(Ks. painettu julkaisu)

Miten proteiini poimuttuu?

Yksittäiset aminohapot liitetään toisiinsa...

1 ketjuksi, sitten...

2 ketju kiertyy tai laskostuu, minkä jälkeen...

Kierteisrakenne

Laskosrakenne

3 ketju poimuttuu vielä monimutkaisemmaksi kolmiulotteiseksi rakenteeksi, joka voi olla...

4 vain yksi osa monimutkaista proteiinia

[Kuva s. 26]

Ribosomiproteiinin osaa kuvaavassa tietokonemallissa on proteiinin kolmiulotteisuutta korostettu värein. Rakenne on kierteinen tai laskosmainen

[Lähdemerkintä]

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)

[Kuvien lähdemerkintä s. 24]

Piirrokset pohjautuvat Mahlon Hoaglandin ja Bert Dodsonin kirjaan THE WAY LIFE WORKS, copyright ©1995 by Mahlon Hoagland and Bert Dodson. Lupa: Times Books, a division of Random House, Inc.