სიცოცხლე მოლეკულათა ჯაჭვებისგან შემდგარი საოცრება

გიფიქრიათ ოდესმე, რომ თქვენი სხეული მრავალი მიკროსკოპული ჯაჭვის კოლექციაა? ალბათ, არა. მაგრამ სინამდვილეში „პაწაწინა სტრუქტურული ელემენტები, რომლებისგანაც შედგება ყველა ცოცხალი ორგანიზმი, ჯაჭვებია“ (The Way Life Works). ამიტომ ამ ჯაჭვებში სულ მცირე დეფექტმაც კი შეიძლება ჯანმრთელობაზე დიდი გავლენა იქონიოს. რა ჯაჭვებზეა აქ საუბარი? როგორ ფუნქციონირებს ისინი? და რა კავშირი აქვთ მათ ჩვენს ჯანმრთელობასა და კარგად ყოფნასთან?

ძირითადად, ესენი არის ჯაჭვების მსგავსი მოლეკულები, რომლებიც ორ ძირითად ჯგუფად შეიძლება დაიყოს. მოლეკულები, რომლებსაც ამ სტატიაში განვიხილავთ, ცილებია. მეორე ჯგუფის მოლეკულები კი, რომლებიც გენეტიკურ ინფორმაციას ინახავენ და გადასცემენ, დნმ და რნმ-ია. ეს ორი ჯგუფი მჭიდროდ არის დაკავშირებული ერთმანეთთან. დნმ-ისა და რნმ-ის ძირითადი ფუნქცია მრავალი სახის ცილის წარმოქმნაა.

კატალიზატორები, დამცველები და საამშენებლო მასალები

ცილები ზომით ბევრად აღემატება ცოცხალი ორგანიზმის სხვა მაკრომოლეკულებს. ცილების ოჯახი შედგება: ანტისხეულების, ფერმენტების, მესენჯერების, საამშენებლო მასალად გამოსადეგი და სატრანსპორტო ფუნქციის შემსრულებელი ცილებისგან. მრავალი ანტისხეული ანუ იმუნოგლობულინი, ორგანიზმს ისეთი „დაუპატიჟებელი სტუმრებისგან“ იცავს, როგორიცაა ბაქტერიები და ვირუსები. სხვა გლობულინები ტრავმის შედეგად დაზიანებული სისხლძარღვების „შეწებებაში“ იღებენ მონაწილეობას.

ფერმენტები კატალიზატორების როლს ასრულებენ — აჩქარებენ ქიმიურ რეაქციებს (მაგალითად, მონაწილეობას იღებენ საჭმლის მონელებაში). „ფერმენტების გარეშე შიმშილით დავიხოცებოდით, რადგან ჩვეულებრივი სადილის მონელებას  50 წელი დასჭირდებოდა“, — ხსნის წიგნი „სიცოცხლის ჯაჭვი“. ფერმენტები კონვეიერზე მომუშავეთა მსგავსად მოქმედებენ და ამ დროს თითოეული ცილა კონკრეტულ დავალებას ასრულებს. მაგალითად, ფერმენტი მალტაზა მალტოზას (შაქარს) გლუკოზის ორ მოლეკულად შლის. ლაქტაზა შლის ლაქტოზას ანუ რძის შაქარს. სხვა ფერმენტები ხელს უწყობს ატომებისა და მოლეკულების შეერთებას და ამგვარად ახალი ნივთიერებების წარმოქმნას. ისინი თავიანთ საქმეს ელვისებური სისწრაფით ასრულებენ. ფერმენტის თითოეულ მოლეკულას შეუძლია წამში ათასობით ქიმიური რეაქციის კატალიზატორი იყოს!

ზოგიერთი კატალიზატორი ჰორმონია და მესენჯერების ფუნქციას ასრულებს. სისხლის ნაკადში მოხვედრილი ჰორმონი სხეულის სხვადასხვა ნაწილის მოქმედების სტიმულაციას ან შემცირებას იწვევს. მაგალითად, ინსულინის გავლენით უჯრედი ითვისებს გლუკოზას, ენერგიის წყაროს. საამშენებლო ცილები, მაგალითად კოლაგენი და კერატინი, ხრტილების, თმის, ფრჩხილებისა და კანის ძირითადი შემადგენელი ნაწილებია. ეს ცილები „უჯრედებში დგარის, კოჭის, ფანერის, ცემენტისა და ლურსმნების როლს“ ასრულებს, — ნათქვამია ერთ წიგნში (The Way Life Works).

უჯრედის მემბრანებში სატრანსპორტო ცილები ტუმბოებისა და არხების როლს ასრულებს და ნივთიერებებს უჯრედებში შესვლისა და იქიდან გამოსვლის საშუალებას უქმნის. მოდი განვიხილოთ ცილების აგებულება და ის, თუ რა გავლენას ახდენს მათი ჯაჭვისებრი აგებულება მათ ფუნქციაზე.

სიმარტივეზე აგებული სირთულე

მრავალ ენას გააჩნია ანბანი. ამ ანბანის საშუალებით ხდება სიტყვების შედგენა. სიტყვებისგან კი იქმნება წინადადებები. მოლეკულურ დონეზე ცოცხალ ორგანიზმებშიც მსგავსი რამ ხდება. „ანბანის“ წყარო არის დნმ. საოცარია, მაგრამ ეს ანბანი მხოლოდ ოთხი ასოსგან შედგება — ა, ც, გ, და თ. ამ ასოებით აღინიშნება აზოტოვანი ფუძეები ადენინი, ციტოზინი, გუანინი და თიმინი. დნმ-ისა და რნმ-ის მონაწილეობით ამ ოთხი ფუძისგან იქმნება ამინომჟავები, რომლებიც შეიძლება სიტყვებს შევადაროთ. მაგრამ ჩვეულებრივი სიტყვებისგან განსხვავებით ყველა ამინომჟავაში არის ასოების ერთი და იგივე რაოდენობა, კერძოდ კი სამი ასო. „პროტეინების ამწყობი დაზგები“, რომლებსაც რიბოსომები ეწოდება, ამინომჟავებს ერთმანეთთან აკავშირებს. შედეგად მიიღება ჯაჭვები, ანუ ცილები, რომლებიც შეიძლება წინადადებებს შევადაროთ. იმ წინადადებებისგან განსხვავებით, რომლებსაც წარმოვთქვამთ ან ვწერთ, ჩვეულებრივ, ცილა შეიძლება დაახლოებით 300—400 ამინომჟავასგან შედგებოდეს.

 ერთ-ერთი ნაშრომის თანახმად, ბუნებაში ასობით ამინომჟავა გვხვდება, მაგრამ ცილათა უმეტესობის შემადგენლობაში მხოლოდ 20 მათგანი შედის. ამ ამინომჟავებისგან შეიძლება უამრავი კომბინაცია შეიქმნას. მაგალითად, მხოლოდ 20 ამინომჟავასგან შეიძლება შეიქმნას 100 ამინომჟავას შემცველი 10100 სხვადასხვაგვარი ჯაჭვი (10100 არის ერთიანი ასი ნულით).

ცილების აგებულება და ფუნქცია

ცილის აგებულება განსაზღვრავს იმ ფაქტს, თუ რა როლს შეასრულებს იგი უჯრედში. როგორ შეუძლია ამინომჟავების ჯაჭვს გავლენა მოახდინოს ცილის აგებულებაზე? ლითონებსა და პლასტმასებში არსებული თავისუფალი ბმებისგან განსხვავებით ამინომჟავები ერთმანეთს გარკვეული კუთხით უერთდებიან, რის გამოც ნაერთი განსაზღვრულ ფორმას იღებს. ამ ჯაჭვთაგან ზოგი სპირალივით არის დახვეული, ზოგი კი — გოფრირებულია. ეს სპირალური თუ გოფრირებული ჯაჭვები იხვევა და წარმოიქმნება უფრო რთული, სამგანზომილებიანი კონფიგურაცია. თითოეული ცილა შემთხვევით არ იღებს გარკვეულ კონფიგურაციას. აგებულება ხომ მის ფუნქციას განაპირობებს; ეს აშკარად ჩანს მაშინ, როდესაც ამინომჟავების ჯაჭვში რაიმე დეფექტი შეინიშნება.

როდესაც ჯაჭვში რაიმე დეფექტია

ამინომჟავების ჯაჭვში ერთი ამინომჟავას ნაცვლად მეორის ჩართვამ ან ამინომჟავას ჩართვის ადგილის გადანაცვლებამ შეიძლება მრავალი დაავადება გამოიწვიოს, მაგალითად ნამგლისებრი ანემია ან კისტოზური ფიბროზი. ნამგლისებრი ანემია მემკვიდრულ დაავადებებს განეკუთვნება. ამ დროს ავადმყოფების წითელ უჯრედებში ჰემოგლობინის მოლეკულა ნორმალურისგან განსხვავდება. ჩვეულებრივ, ჰემოგლობინის მოლეკულა ოთხი ჯაჭვისგან შედგება და 575 ამინომჟავას შეიცავს. ამ ოთხიდან მხოლოდ ორ ჯაჭვში ერთადერთი ამინომჟავას შეცვლის შედეგად ნორმალური ჰემოგლობინის ნაცვლად მიიღება ისეთი ჰემოგლობინი, რომლითაც ნამგლისებრი დაავადების არსებობაა განპირობებული. უმეტეს შემთხვევაში კისტოზური ფიბროზი ვითარდება მაშინ, როდესაც ამინომჟავათა ჯაჭვში  აკლია ფენილალანინი. ეს დეფექტი, სხვა რამესთან ერთად, იწვევს საჭმლის მომნელებელი და სასუნთქი გზების უჯრედების მემბრანებში მარილისა და წყლის წონასწორობის დარღვევას, რის შედეგადაც ამ გზების ამომფენი ლორწო უჩვეულოდ სქელი და წებოვანი ხდება.

ამა თუ იმ ცილის დიდი უკმარისობის შედეგად ვითარდება ისეთი მოშლილობანი, როგორიცაა: ალბინიზმი და ჰემოფილია. უმეტეს შემთხვევაში ალბინიზმი (პიგმენტაციის უქონლობა) გამოწვეულია მნიშვნელოვანი ცილის თიროზინაზას უკმარისობით ან საერთოდ არქონით. ეს ნივთიერება გავლენას ახდენს მელანინის, მუქი ფერის პიგმენტის, წარმოქმნაზე (მელანინი, ჩვეულებრივ, გვხვდება თვალში, თმასა და კანში). ჰემოფილია კი გამოწვეულია სისხლის შედედების ფაქტორების (რომლებიც ცილებს წარმოადგენს) ძალიან დაბალი შემცველობით ან არქონით. ცილების დეფექტებთან დაკავშირებული სხვა მოშლილობათა შორისაა: ორგანიზმის მიერ ლაქტოზას შეუთვისებლობა, კუნთთა დისტროფია და სხვა მრავალი.

დაავადების მექანიზმის ამხსნელი ერთ-ერთი თეორია

ბოლო წლებში მეცნიერების ყურადღება მიპყრობილი იყო ერთი დაავადებისადმი, რომლის გამომწვევად ზოგიერთი პრიონული ცილის ანომალიურ ფორმას მიიჩნევს. მათი აზრით, დაავადება მაშინ ვითარდება, როდესაც ანომალიური პრიონული ცილები უერთდება ნორმალურებს და მათ არასწორად დახვევას იწვევს. ჟურნალში „საიენტიფიკ ამერიკენი“ აღნიშნულია, რომ შედეგად იწყება „ჯაჭვური რეაქცია და დაავადება მთელ ორგანიზმში ვრცელდება; ამგვარად კი იქმნება ახალი დამაინფიცირებელი მასალა“.

როგორც ჩანს, პირველად პრიონულმა დაავადებებმა ყველას ყურადღება XX საუკუნის 50-იან წლებში პაპუა-ახალ გვინეაში მიიპყრო. იქ იზოლირებულად მცხოვრებ ზოგ თემში გავრცელებულმა რელიგიურმა რიტუალმა, რომელშიც კანიბალიზმი შედიოდა, გამოიწვია კურუდ წოდებული დაავადების წარმოქმნა. იმ დაავადების სიმპტომები ძალიან ჰგავს კრეიტცეფელდ-იაკობის დაავადების სიმპტომებს. როგორც კი იმ თემებმა მსგავს რელიგიურ რიტუალებში მონაწილეობა შეწყვიტეს, კურუს შემთხვევათა რიცხვმა მკვეთრად იკლო და დღეს იგი, ფაქტობრივად, აღარ გვხვდება.

საოცარი დიზაინი!

საბედნიეროდ, ცილები ჩვეულებრივ სწორი მიმართულებით იხვევა და თავიანთ დანიშნულებას არაჩვეულებრივი თანამშრომლობის უნარის გამოვლენით, მარჯვედ და ზუსტად ასრულებს. ეს საოცარია, რადგან ადამიანის სხეულში 100 000-ზე მეტი ცილაა და თითოეული ცილა ისეთ ჯაჭვთა რთული სისტემაა, რომლებსაც ათასეულობით ტიპის კონფიგურაცია აქვს.

ცილათა სამყაროში ჯერაც ბევრი რამ უცნობია. უფრო მეტის გაგების მიზნით, მეცნიერები იგონებენ ზერთულ კომპიუტერულ პროგრამებს, რათა ამინომჟავების თანმიმდევრობის საფუძველზე განსაზღვრონ ცილების კონფიგურაცია. ჩვენ ძალიან ცოტა რამ ვიცით ცილების შესახებ, მაგრამ ესეც საკმარისია, ნათლად გავიგოთ, რომ ეს საუცხოო „ჯაჭვები“ არა მარტო უმაღლესი დონის ორგანიზებულობით გამოირჩევა, არამედ მათგან მათი შემოქმედის უდიდესი ინტელექტი გამოსჭვივის.

[ჩარჩო⁄სურათი 27 გვერდზე]

ცილების „საფოსტო ინდექსი“

წერილის ადრესატამდე მიტანის დასაჩქარებლად მრავალი საფოსტო სამსახური მოითხოვს, რომ წერილის კონვერტზე მითითებული იყოს საფოსტო ინდექსი. ჩვენმა შემოქმედმა მსგავსი პრინციპი გამოიყენა იმისათვის, რომ ცილებს შეძლებოდათ უჯრედის შიგნით თავიანთი ადგილების პოვნა. ეს კი ძალიან მნიშვნელოვანია, რადგან უჯრედში მრავალი მილიარდი ცილაა და იქ „გაცხოველებული მუშაობა“ მიმდინარეობს. ახალწარმოქმნილი ცილები საჭირო გზას ყოველთვის თავიანთი „საფოსტო ინდექსის“ — ცილებში შემავალი ამინომჟავების ჯაჭვის კონკრეტული მონაკვეთის — საშუალებით პოულობს.

1999 წელს ამ საოცარი პრინციპის აღმოჩენისთვის გიუნთერ ბლობელს, უჯრედის მოლეკულური ბიოლოგიის სპეციალისტს, ნობელის პრემია მიენიჭა. მაგრამ ბლობელმა მხოლოდ აღმოაჩინა ის, რაც უკვე არსებობდა. განა უფრო დიდი პატივის მიგებას არ იმსახურებს ცოცხალი უჯრედისა და მისი საოცარი მოლეკულების შემქმნელი? (გამოცხადება 4:11).

[დიაგრამა⁄სურათები 24, 25 გვერდებზე]

(სრული ტექსტი იხილეთ პუბლიკაციაში)

როგორ წარმოიქმნება ცილები?

უჯრედი

1 ბირთვში არსებული დნმ შეიცავს ინფორმაციას თითოეული ცილის სტრუქტურის შესახებ.

დნმ

2 დნმ-ის გახსნილი ჯაჭვის მონაკვეთი, საიდანაც გენეტიკური ინფორმაცია საინფორმაციო რნმ-ზე გადაიწერება.

საინფორმაციო რნმ

3 რიბოსომა — „ინფორმაციის წამკითხველი და ცილების ამწყობი დაზგა“ — ასხმულია რნმ-ზე.

4 სატრანსპორტო რნმ-ებს ამინომჟავები რიბოსომებთან მიაქვს.

ამინომჟავა

სატრანსპორტო რნმ-ები

რიბოსომა

5 რიბოსომა „კითხულობს“ ინფორმაციას და ამინომჟავებს აწყობს ერთმანეთთან გარკვეული თანმიმდევრობით, რის შედეგადაც მიიღება ცილის ჯაჭვი.

ამინომჟავებისგან შექმნილი ცილა.

6 ცილის ჯაჭვი განსაზღვრული სახით უნდა დაიხვეს, რათა თავისი ფუნქცია შეასრულოს. წარმოიდგინეთ: ჩვეულებრივი ცილა 300-ზე მეტი ამინომჟავური რგოლისგან შედგება.

ცილა

ჩვენი ორგანიზმი 100 000-ზე მეტი სხვადასხვა სახის ცილისგან შედგება. ეს ცილები ჩვენთვის სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია.

ანტისხეულები

ფერმენტები

საამშენებლო ცილები

ჰორმონები

სატრანსპორტო ცილები

[დიაგრამა⁄სურათები 25 გვერდზე]

(სრული ტექსტი იხილეთ პუბლიკაციაში)

როგორ არის დნმ-ში კოდირებული თითოეული ცილა?

დნმ გ თ ც თ ა თ ა ა გ

დნმ მხოლოდ ოთხ „ასოს“ იყენებს. ა, თ, ც, გ

ა თ ც გ

დნმ-ში კოდირებული ინფორმაციის ტრანსკრიფცია რნმ-ზე. რნმ თ-ს ნაცვლად იყენებს უ-ს (ურაცილს).

ა უ ც გ

თითოეული ტრიპლეტი (სამი „ასოსგან“ შემდგარი ჯაჭვი) შეესაბამება „სიტყვას“ ანუ ამინომჟავას. მაგალითად:

გ უ ც = ვალინი

უ ა უ = თიროზინი

ა ა გ = ლიზინი

ამგვარად შეიძლება 20 ამინომჟავას კოდირება ანუ „ასოების სახით ჩაწერა“. ჯაჭვების სახით გაერთიანებული „სიტყვებით“ კი იქმნება „წინადადება“, ანუ ცილა.

[დიაგრამა⁄სურათები 26 გვერდზე]

(სრული ტექსტი იხილეთ პუბლიკაციაში)

როგორ იხვევა ცილა?

ხდება ცალკეული ამინომჟავების შეერთება . . .

1 ჯაჭვის სახით, შემდეგ . . .

2 ჯაჭვი სპირალურ ან გოფრირებულ კონფიგურაციას იღებს . . .

სპირალები

გოფრირებული კონფიგურაცია

3 უფრო რთული სამგანზომილებიანი კონფიგურაცია, რომელიც შეიძლება . . .

4 ცილის რთული მოლეკულის მხოლოდ ერთი ფრაგმენტი იყოს.

[სურათი 26 გვერდზე]

ამ კომპიუტერულ მოდელში, აღბეჭდილია რიბოსომის ცილის ფრაგმენტი; სხვადასხვა ფერით ხაზი ესმება იმას, რომ მას აქვს სამგანზომილებიანი კონფიგურაცია. შიდა სტრუქტურები წარმოდგენილია სპირალებით და გოფრირებული სახით.

[საავტორო უფლება]

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)

[სურათის საავტორო უფლება 24 გვერდზე]

Adapted drawings: 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.