Lífið — samsett úr örsmáum keðjum

SPILA

Lífið — samsett úr örsmáum keðjum

HEFURÐU einhvern tíma hugsað um mannslíkamann sem samsafn af örsmáum keðjum? Kannski ekki. En „þegar komið er niður í smæstu efnisþættina, sem skipta máli í þessu sambandi, er keðjan notuð sem skipulagsform“, segir í bókinni The Way Life Works. Þar af leiðandi getur smávægilegur galli í sumum af þessum keðjum haft veruleg áhrif á heilsu okkar og heilbrigði. Hvaða keðjur eru þetta? Hvernig virka þær? Og hvernig tengjast þær heilsu okkar og velferð?

Keðjurnar, sem um ræðir, eru sameindir sem skiptast í tvo meginflokka. Í þessari grein ætlum við að einbeita okkur að prótínunum. Hinn flokkurinn er sameindirnar DNA og RNA sem varðveita erfðaupplýsingarnar og miðla þeim. Flokkarnir tveir eru auðvitað nátengdir, enda er það eitt helsta hlutverk DNA og RNA að framleiða öll hin fjölbreyttu prótín sem lifandi verur þurfa á að halda.

Hvatar, verðir og byggingarefni

Prótínin eru langsamlega fjölbreyttustu stórsameindir lífríkisins. Þau skiptast meðal annars í mótefni (ónæmisglóbúlín), ensím, boðefni, byggingarefni og flutningaefni. Mótefnin eru æði fjölbreytt en þau verja okkur meðal annars gegn gerlum og veirum sem geta valdið sjúkdómum. Önnur glóbúlín hjálpa til við að loka fyrir æðar sem skemmast vegna áverka.

Ensímin eru hvatar sem örva efnahvörf í líkamanum, til dæmis meltingu. „Við myndum svelta í hel ef við hefðum ekki ensímin því að það tæki þá 50 ár að melta dæmigerða máltíð,“ að sögn bókarinnar The Thread of Life. Ensím eru sérhæfð til ákveðinna starfa og ganga til verks eins og í færibandavinnu. Ensím, sem nefnist maltasi, klýfur maltsykur í tvær þrúgusykursameindir, svo dæmi sé tekið. Laktasi klýfur hins vegar mjólkursykur. Önnur ensím tengja saman frumeindir og sameindir í ný efnasambönd. Og hraðinn er með ólíkindum. Ein ensímsameind getur valdið þúsundum efnahvarfa á sekúndu!

Sum prótín kallast hormón og verka sem boðefni. Þeim er sleppt út í blóðrásina og síðan örva þau eða letja starfsemi annarra líkamshluta. Insúlín örvar til dæmis frumur til að taka til sín þrúgusykur en það er orkugjafi þeirra. Byggingarprótín eins og kollagen og keratín eru aðalefnin í brjóski, hári, húð og nöglum. Þau virka eins og „stoðir, bjálkar, krossviður, lím og naglar,“ að sögn bókarinnar The Way Life Works.

Flutningaprótín í frumuhimnunum verka eins og dælur og göng sem flytja efni inn í frumuna og út úr henni. Við skulum nú kanna úr hverju prótínin eru gerð og hvernig keðjuformið tengist verkun þeirra.

Flókin gerð á einföldum grunni

Stafróf er ein af undirstöðum margra tungumála. Stafir stafrófsins eru notaðir til að mynda orð og orðin mynda síðan setningar. Í heimi sameindanna er byggt á svipaðri grunnhugmynd. Erfðaefnið DNA er eins konar „aðalstafróf“, en þótt undarlegt megi virðast eru stafirnir aðeins fjórir — A, G, S og T sem stendur fyrir niturbasana adenín, gúanín, sýtósín og týmín. Með þessum fjórum bösum getur DNA sent skilaboð með boðberanum RNA um að mynda amínósýrur sem líkja mætti við orð. En ólíkt venjulegum orðum eru jafnmargir „stafir“ í öllum amínósýrunum, það er að segja þrír. Svokölluð ríbósóm sjá um að tengja amínósýrurnar saman og stýra samsetningu prótínanna. Keðjurnar, sem þá verða til, það er að segja prótínin, eru þá sambærilegar við setningar. Hins vegar eru gjarnan 300 til 400 amínósýrur í einu prótíni þannig að þau eru öllu lengri en töluð eða rituð setning.

Að sögn heimildarrits eru til nokkur hundruð amínósýrur í náttúrunni. Hins vegar eru ekki notaðar nema um 20 tegundir við smíði flestra prótína. Það eru næstum endalausir möguleikar á því hvernig amínósýrurnar geta raðast saman. Segjum til dæmis að mynduð sé keðja með 100 amínósýrueiningum af 20 mismunandi tegundum. Þær gætu þá raðast saman á 10¹⁰⁰ ólíka vegu, en það er talan 1 með 100 núllum á eftir!

Lögun og verkun prótína

Hlutverk prótíns í frumunni ræðst af lögun þess. Hvernig getur keðja af amínósýrum haft áhrif á lögun prótíns? Amínósýrur bindast undir ákveðnu horni og mynda reglubundið mynstur, ólíkt lausum hlekkjum í keðju úr málmi eða plasti. Sumar af keðjunum eru gormlaga líkt og snúra á símtóli, en aðrar leggjast í fellingar, ekki ósvipað og plíserað pils. Keðjurnar eru síðan „brotnar saman“ með ýmsum hætti þannig að úr verður enn flóknara þrívíddarform. Lögun prótínanna er ekki tilviljanakennd heldur ræður hún starfsemi þeirra. Þetta sýnir sig glögglega þegar galli kemur fram í amínósýrukeðjunni.

Þegar keðjan er gölluð

Ef amínósýrukeðjan er gölluð eða ekki rétt brotin saman getur það valdið ýmiss konar sjúkdómum, þeirra á meðal sigðkornablóðleysi og slímseigjukvilla. Sigðkornablóðleysi er arfgengur sjúkdómur sem lýsir sér þannig að blóðrauðasameindirnar í rauðu blóðkornunum eru afbrigðilegar. Blóðrauðasameind er samsett úr 574 amínósýrum sem raðast niður í fjórar keðjur. Ef ein amínósýra í tveim af keðjunum færist til breytist eðlilegur blóðrauði í sigðkornaafbrigði. Slímseigjukvilli stafar oftast af því að það vantar amínósýruna fenýlalanín í lykilstöðu í amínósýrukeðjuna. Þessi galli raskar meðal annars jafnvæginu milli salts og vatns í slímhúðinni í meltingarvegi og lungum, með þeim afleiðingum að slímið, sem þekur hana, verður óeðlilega þykkt og seigt.

Ef ákveðin prótín vantar eða alvarlegur skortur er á þeim getur það valdið litarleysi (albínisma) eða dreyrasýki, svo að dæmi séu nefnd. Litarleysi í sinni algengustu mynd er skortur á litarefni og kemur fram þegar prótínið týrósínasi er annaðhvort gallað eða það vantar. Þetta hefur áhrif á framleiðslu melaníns, brúna litarefnisins sem er að jafnaði að finna í augum, hári og hörundi. Dreyrasýki orsakast af því að ákveðnir prótínþættir, sem stuðla að blóðstorknun, eru af mjög skornum skammti eða þá vantar alveg. Af öðrum kvillum eða sjúkdómum, sem rekja má til gallaðra prótína, má nefna mjólkuróþol og vöðvavisnun og er þá fátt eitt talið.

Kenning um eðli sjúkdóms

Á síðustu árum hefur athygli vísindamanna beinst að sjúkdómi sem sumir telja stafa af afbrigðilegu formi prótíns sem kallast príón. Kenningin er á þá leið að gölluð príón bindist eðlilegum príónum með þeim afleiðingum að þau síðarnefndu taki á sig óeðlilegt form. Þetta valdi síðan „keðjuverkun sem magnar sjúkdóminn og myndar nýtt smitefni“, að sögn tímaritsins Scientific American.

Á sjötta áratug síðustu aldar kom upp sjúkdómur á Papúa sem kann að vera fyrsta þekkta dæmið um príónsjúkdóm. Einangraðir ættflokkar þar í landi stunduðu mannát af trúarástæðum og það leiddi af sér sjúkdóm sem kallaður var kúrú. Einkennin líktust Creutzfeldt-Jakob sjúkdómnum. Eftir að umræddir ættflokkar hættu mannáti snarfækkaði kúrútilfellunum og nú þekkist sjúkdómurinn varla.

Ótrúleg hönnun!

Sem betur fer er sjaldgæft að prótínin falli ekki í rétt form. Þau sinna hlutverki sínu með stakri nákvæmni og skilvirkni og í góðri samvinnu sem er undravert þegar á það er litið að í mannslíkamanum eru meira en 100.000 mismunandi prótín, og allt eru þetta flóknar keðjur sem mynda þúsundir þrívíddarforma.

Heimur prótínanna er að mestu leyti ókannaður. Vísindamenn vonast til að geta aukið þekkingu sína á þeim með því að hanna flókin tölvuforrit til að reyna að spá fyrir um lögun prótína út frá amínósýruröðinni. Það litla, sem við vitum um þessar lífrænu keðjur, vitnar hins vegar um einstaka snilligáfu og sýnir að þær eru þaulskipulagðar.

[Rammagrein á blaðsíðu 27]

„Póstnúmer“ prótínanna

Póstþjónustur víða um heim gera þá kröfu að póstnúmer séu skrifuð utan á allan póst. Þetta er gert til að auðvelda dreifingu. Skaparinn notaði svipaða hugmynd til að tryggja að prótín rati rétta leið inni í frumunum. Það gefur augaleið að þetta skiptir miklu máli þar sem það er mikið um að vera inni í frumu með allt að einum milljarði prótína innanborðs. Nýmynduðum prótínum tekst þó alltaf að rata á vinnustaðinn sinn, þökk sé sérstökum amínósýrustreng í þeim sem er eins konar „póstnúmer“.

Frumulíffræðingurinn Günter Blobel hlaut nóbelsverðlaunin árið 1999 fyrir uppgötvun sína á þessu athyglisverða fyrirbæri. En Blobel gerði aðeins merkilega uppgötvun. Ætti ekki skapari frumunnar og hins ótrúlega fjölda flókinna sameinda að hljóta enn meiri heiður fyrir verk sitt? — Opinberunarbókin 4:11.

[Skýringarmynd/myndir á blaðsíðu 24, 25]

(Sjá uppraðaðann texta í blaðinu)

Hvernig eru prótín mynduð?

Fruma

1 DNA í frumukjarnanum inniheldur upplýsingar um gerð hvers prótíns.

DNA

2 DNA-bút er rennt í sundur og erfðaupplýsingarnar afritaðar yfir í miðlandi RNA.

Miðlandi RNA

3 RNA sameindin binst ríbósómi sem les boðin og setur saman prótín.

4 Tengi-RNA flytur amínósýrur að ríbósóminu.

Stakar amínósýrur

Tengi-RNA

Ríbósóm

5 Um leið og ríbósómið les RNA-boðin raðar það stökum amínósýrum saman í keðju eftir ákveðinni röð og myndar prótín.

Prótín eru samsett úr amínósýrum.

6 Prótínkeðjan þarf að brjóta sig nákvæmlega rétt saman til að virka. Dæmigert prótín er meira en 300 „hlekkir“ á lengd.

Prótín

Í líkama okkar eru meira en 100.000 ólíkar tegundir prótína sem eru okkur nauðsynleg.

Mótefni

Ensím

Byggingarprótín

Hormón

Flutningaprótín

[Skýringarmynd/myndir á blaðsíðu 25]

(Sjá uppraðaðann texta í blaðinu)

Hvernig „stafsetur“ DNA hvert prótín?

DNA G T S T A T A A G

DNA notar aðeins fjóra „bókstafi“: A, T, S, G

A T S G

„Stafsetning“ DNA er afrituð á RNA-formi. RNA notar Ú (úrasíl) í stað T.

A Ú S G

Hver þriggja stafa röð „stafar“ ákveðið „orð“, það er að segja amínósýru. Tökum dæmi:

G Ú S = valín

Ú A Ú = týrósín

A A G = lýsín

Þannig er hægt að „stafa“ allar 20 algengustu amínósýrurnar. „Orðunum“ er raðað saman í keðju eða „setningu“, það er að segja prótínið.

[Skýringarmynd/myndir á blaðsíðu 26]

(Sjá uppraðaðann texta í blaðinu)

Hvernig er prótín „brotið saman“?

Stakar amínósýrur tengjast saman, . . .

1 mynda keðju . . .

2 sem ummyndast til dæmis í gorm eða fellingar . . .

Gormur

Fellingar

3 sem ummyndast síðan í enn flóknara þrívíddarform . . .

4 sem er aðeins einingarhluti í flóknu prótíni.

[Mynd á blaðsíðu 26]

Tölvugert líkan af ríbósóm-prótíni. Litir eru notaðir til að draga fram þrívíddarformið. Mismunandi formgerð er sýnd með gormum og örvum (stuttir fellingabútar).

[Credit line]

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 bls. 905 (2000)

[Mynd credit line á blaðsíðu 24]

VAKNIÐ!