Gyvybė sunerta iš „grandinėlių“

AR KUOMET pagalvojote, kad jūsų kūnas sudarytas iš mažytėlaičių grandinių? Turbūt ne. Bet iš tikrųjų organizmo „smulkiausieji elementai jungiasi į grandines“, — rašoma knygoje The Way Life Works. Todėl kurioje nors atsiradęs net menkiausias defektas gali atsiliepti sveikatai. Kas gi tos grandinės? Kaip jos veikia? Ir kaip nuo jų priklauso mūsų sveikata?

Tai grandininės struktūros molekulės, kurių yra dvi pagrindinės kategorijos. Straipsnyje pakalbėsime apie vieną — baltymus. Kita molekulių grupė saugo ir perduoda genetinę informaciją — tai DNR bei RNR. Abi grupės, be abejonės, glaudžiai susijusios, nes pagrindinė DNR bei RNR funkcija ir yra sintetinti baltymus.

Katalizatoriai, gynėjai ir struktūriniai elementai

Iš visų stambiamolekulinių junginių baltymai yra patys įvairiausi. Tai antikūnai, fermentai, hormonai, struktūriniai elementai, baltymai nešikliai. Daugybė antikūnų, arba imunoglobulinų, gina organizmą nuo įsibrovėlių, pavyzdžiui, bakterijų bei virusų. Kiti globulinai padeda uždaryti pažeistas kraujagysles.

Fermentai yra katalizatoriai, spartinantys chemines reakcijas, pavyzdžiui, virškinimo procesą. „Be fermentų mirtume iš bado, nes paprastą patiekalą suvirškinti truktų 50 metų“, — aiškinama knygoje The Thread of Life. Fermentai veikia konvejerio principu, tai yra kiekvienas atlieka tik vieną darbą. Pavyzdžiui, maltazė  suskaido maltozę, arba cukrų, į dvi gliukozės molekules. O laktazė skaldo laktozę, tai yra pieno cukrų. Kiti fermentai iš atomų bei molekulių sintetina naujus produktus. Ir savo darbą, beje, atlieka žaibiškai. Viena fermento molekulė gali per sekundę pagreitinti tūkstančius cheminių reakcijų!

Dar kita baltymų grupė — hormonai — reguliuoja organizmo funkcijas. Išskirti į kraują, jie aktyvina arba slopina kai kurių organų veiklą. Pavyzdžiui, insulinas skatina ląsteles pasisavinti gliukozę, jų energijos šaltinį. Struktūriniai baltymai, kaip antai kolagenas bei keratinas, yra pagrindinė kremzlių, plaukų, nagų, odos sudedamoji dalis. Visi šie baltymai knygoje The Way Life Works vadinami „ląstelės stulpais, sijomis, fanera, cementu ir vinimis“.

Baltymai nešikliai ląstelių sienelėse veikia lyg siurbliai ir tuneliai — įleidžia medžiagas į ląstelę ir išleidžia. O dabar pasiaiškinkime, iš ko baltymai sudaryti ir kiek svarbi jų grandininė struktūra.

Sudėtingumas — paprastume

Daugelio kalbų pagrindas yra abėcėlė. Iš šito sąrašo raidžių sudedami žodžiai. O žodžiai jungiami į sakinius. Gyvųjų organizmų molekulės susidaro panašiu principu. „Abėcėlė“ — tai DNR. Tačiau ji teturi keturias „raidės“ — A, C, G ir T, — tokie yra azoto bazių adenino, citozino, guanino ir timino simboliai. Iš šitų keturių bazių DNR, padedant RNR, formuoja aminorūgštis, arba „žodžius“. Tačiau kitaip nei įprasti žodžiai, pastarieji turi po vienodą skaičių raidžių, — po tris. „Baltymų gamyklomis“ vadinamos ribosomos aminorūgštis sujungia. Gautas grandines, tai yra baltymus, galima sulyginti su sakiniais. Tik šie daug ilgesni už rašytinius ar sakytinius: paprastą baltymo molekulę gali sudaryti 300—400 aminorūgščių.

Kaip teigiama viename žinyne, gamtoje yra šimtai aminorūgščių, tačiau  daugumoje baltymų randama tik apie 20. Jungdamosi aminorūgštys gali sudaryti kone begalybę skirtingų derinių. Pagalvokite: jeigu 20 aminorūgščių suformuoja 100 aminorūgščių ilgio grandinę, jos galimų derinių būtų per 10¹⁰⁰, tai yra vienetas su šimtu nulių!

Baltymo struktūra ir paskirtis

Baltymo molekulės funkcijos ląstelėje labai priklauso nuo erdvinės jos struktūros. Kaip ją lemia aminorūgščių išsidėstymas? Kitaip nei laisvai sujungtos metalinės ar plastmasinės grandinės dalys, aminorūgštys jungiasi tam tikru kampu, suformuodamos taisyklingus darinius. Vieni primena spiralinį telefono ragelio laidą, kiti — medžiagos klostes. Iš šitų darinių „išsilanksto“ dar sudėtingesnės erdvinės struktūros. Baltymo struktūra — jokiu būdu ne atsitiktinumas. Ji lemia baltymo funkciją, ir tai ypač akivaizdu aminorūgščių grandinėje atsiradus defektui.

Kai grandinėje įsivelia klaida

Kada aminorūgščių grandinėje arba erdvinėje struktūroje įsipainioja klaida, baltymai gali sukelti tam tikras ligas, pavyzdžiui, pjautuvinę anemiją ar cistinę fibrozę. Pjautuvinė anemija — genetinė liga, kai hemoglobino molekulės eritrocituose yra pakitusios struktūros. Hemoglobino molekulę sudaro 574 aminorūgštys, sujungtos į keturias grandines. Jeigu bent dviejose kuri nors aminorūgštis pakeitusi savo vietą, hemoglobinas yra patologinis. Cistinė fibrozė dažniausiai išsivysto, jei baltymo aminorūgščių grandinėje nėra aminorūgšties  fenilalanino. Be to, šis defektas suardo druskų ir vandens pusiausvyrą žarnų bei plaučių membranose, todėl sustorėja šitų organų sieneles dengiančių gleivių sluoksnis, jos pasidaro klampesnės.

Jeigu trūksta arba iš viso nėra tam tikrų baltymų, išsivysto tokios ligos kaip albinizmas bei hemofilija. Albinizmu, pigmentacijos stoka, paprastai susergama, kai nėra svarbaus baltymo — tirozinazės arba jis pakitęs. Dėl to sutrinka melanino (rudo pigmento, randamo žmogaus akyse, plaukuose ir odoje) gamyba. Hemofiliją sukelia baltyminių kraujo krešėjimo faktorių stoka. Dėl ydingos baltymų struktūros gali pasireikšti ir laktozės netoleravimas bei raumenų distrofija.

Viena ligos teorija

Pastaraisiais metais mokslininkų dėmesį atkreipė liga, kurią, kaip linkstama manyti, sukelia patologiškai pakitęs baltymas, vadinamas prionu. Pagal teoriją, ta liga susergama, kada prionas prisijungia prie normalaus ląstelės baltymo ir priverčia šį mutuoti. Prasideda „grandininė reakcija: liga progresuoja, pagaminama vis naujų patogeninių baltymų“, — rašoma žurnale Scientific American.

Vienas iš prionų sukeltos ligos pavyzdžių yra praėjusio amžiaus šeštajame dešimtmetyje visuomenės dėmesį prikausčiusi epidemija Papua Naujojoje Gvinėjoje. Kai kurios nuošaliai gyvenančios vietinės gentys turėjo religinį paprotį valgyti mirusiųjų smegenis. Dėl to paplito kuru liga, kurios simptomai panašūs į Kroicfeldo-Jakobo ligos. Papročio atsisakius sergančiųjų kuru iškart sumažėjo ir dabar liga beveik užmiršta.

Tikras kūrybos stebuklas!

Laimei, baltymų struktūros klaidos pasitaiko retai ir savo funkcijas jie atlieka stulbinamai darniai, veiksmingai bei tiksliai. O kai pagalvoji, kad žmogaus organizme yra per 100000 skirtingų baltymų, kurių grandinės įvairiausių struktūrų, tai ypač stebina.

Baltymų pasaulis vis dar kupinas mįslių. Trokšdami sužinoti daugiau mokslininkai kuria sudėtingas kompiuterių programas, galinčias nustatyti baltymų struktūrą pagal aminorūgščių seką. Tačiau net tos menkos žinios apie baltymus akivaizdžiai parodo, kad nepaprastosios „gyvybės grandinės“ ne tik puikiai veikia, bet ir liudija apie aukščiausią išmintį.

[Rėmelis/iliustracija 27 puslapyje]

Baltymų „pašto indeksas“

Daugelyje šalių, siekiant paspartinti pašto pristatymą, reikalaujama ant voko nurodyti indeksą. Kūrėjas pritaikė panašų principą baltymams, kad šie „žinotų“ savo kelią ląstelėje. Tai labai svarbu, nes ląstelėse, turinčiose beveik milijardą baltymų, gyvenimas virte verda. Naujai susintetinti baltymai visuomet randa kelią į savo „darbo vietą“ — jiems padeda molekulinis „pašto indeksas“, tam tikra baltymo aminorūgščių seka.

Už šį stulbinantį atradimą ląstelių biologas Giunteris Blobelis 1999 metais gavo Nobelio premiją. Ir tai tik už atradimą. Tad kiek didesnės pagarbos vertas pats ląstelės bei stebinančios jos molekulių daugybės Kūrėjas! (Apreiškimo 4:11)

[Schema/iliustracijos 24, 25 puslapiuose]

(Prašom žiūrėti patį leidinį)

Kaip susidaro baltymai?

Ląstelė

1 Ląstelės branduolyje esanti DNR turi informaciją apie kiekvieną baltymą

DNR

2 DNR segmentas atsidaro ir genetinė informacija perduodama informacinei RNR

Informacinė RNR

3 Ribosomos — „informacijos skaitovės, baltymų surinkėjos“ — prisitvirtina prie RNR

4 Transportinės RNR perneša aminorūgštis į ribosomą

Aminorūgštys

Transportinė RNR

Ribosoma

5 Ribosoma, „perskaičiusi“ RNR, pradeda jungti pavienes aminorūgštis tam tikra seka į grandinę — formuoja baltymą

Baltymai sudaryti iš aminorūgščių

6 Baltymo grandinė turi tiksliai susilankstyti ir susisukti, kad galėtų atlikti savo funkciją. Įsivaizduokite, paprastas baltymas turi per 300 grandžių!

Baltymas

Mūsų organizme yra daugiau kaip 100000 skirtingų baltymų. Visi gyvybiškai svarbūs

Antikūnai

Fermentai

Struktūriniai baltymai

Hormonai

Nešikliai

[Schema/iliustracijos 25 puslapyje]

(Prašom žiūrėti patį leidinį)

Kaip DNR užkoduoja kiekvieną baltymą?

DNR G T C T A T A A G

DNR naudojasi tik keturiomis „raidėmis“: A, T, C, G

A T C G

RNR „persirašo“ DNR kodą. Tik vietoj T naudoja U (uracilą)

A U C G

Kiekviena trijų raidžių kombinacija koduoja tam tikrą „žodį“, arba aminorūgštį. Pavyzdžiui:

G U C = valinas

U A U = tirozinas

A A G = lizinas

Taip užkoduojamos visos 20 aminorūgščių. „Žodžiai“ jungiami į „sakinį“, arba grandinę — tai yra baltymą

[Schema/iliustracijos 26 puslapyje]

(Prašom žiūrėti patį leidinį)

Kaip baltymas susilanksto?

Atskiros aminorūgštys jungiasi į...

1 grandinę. Paskui...

2 ši susisuka spirale arba susiklostuoja. Tada...

Spiralės

Klostės

3 susilanksto — šitaip sukurdama trimatę sudėtingesnę struktūrą, kuri gali būti...

4 tik viena sudėtinio baltymo dalis

[Iliustracija 26 puslapyje]

Šiame kompiuteriniame ribosomų baltymo modelyje spalvos panaudotos erdvinei struktūrai išryškinti. Struktūriniai lygiai parodyti spiralėmis bei klostėmis

[Šaltinio nuoroda]

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)

[Iliustracijos šaltinio nuoroda 24 puslapyje]

Supaprastinti piešiniai: 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.