Livet — en imponerende samling av kjeder

HAR du noen gang tenkt på kroppen din som en samling av mikroskopiske kjeder? Kanskje ikke. Men en bok om levende organismers oppbygning sier faktisk at «livets minste relevante bestanddeler» benytter seg av «kjeden som sitt strukturelle prinsipp». (The Way Life Works) Av den grunn kan selv en liten defekt i enkelte av disse kjedene ha stor innvirkning på vår helse. Hva er disse kjedene? Hvordan fungerer de? Og hvilken forbindelse har de med vår helse og vårt velbefinnende?

De ovennevnte kjedene er i virkeligheten kjedelignende molekyler som kan deles inn i to hovedkategorier. De molekylene vi skal se nærmere på i denne artikkelen, er proteinene. Den andre hovedkategorien er de molekylene som lagrer og overfører genetisk informasjon — DNA og RNA. De to gruppene har nær forbindelse med hverandre. Ja, en viktig oppgave for DNA og RNA er å produsere de levende organismenes enorme mengde av forskjellige typer proteiner.

Katalysatorer, vaktposter og støttepilarer

Proteinene er uten sammenligning de mest uensartede av de levende organismenes større molekyler. Proteinfamilien omfatter antistoffer, enzymer, budbringere, strukturproteiner og transportører. Den store gruppen av antistoffer, eller immunglobuliner, beskytter mot slike fremmede inntrengere som bakterier og virus. Andre globuliner bidrar til å lukke blodkar som er blitt skadet fordi kroppen har fått sår.

Enzymer tjener som katalysatorer. De setter fart i kjemiske reaksjoner, for eksempel de som har med fordøyelsen å gjøre. Ja, «uten enzymer ville du snart begynne å sulte, ettersom det ville ta 50 år å  fordøye et vanlig måltid,» forklarer en bok om livsprosesser. (The Thread of Life) Enzymene utfører sin virksomhet i samlebåndstil, der hvert protein har sin bestemte oppgave. Enzymet maltase spalter for eksempel maltose, et karbohydrat, til to glukosemolekyler. Laktase spalter laktose, eller melkesukker. Andre enzymer får atomer og molekyler til å danne nye stoffer. Og de utfører sin virksomhet med lynets hastighet. Et enkelt enzymmolekyl kan katalysere tusenvis av kjemiske reaksjoner pr. sekund!

Noen proteiner blir klassifisert som hormoner og fungerer som budbærere. Når de blir utskilt til blodomløpet, stimulerer eller hemmer de virksomheten i andre organer. Insulin, for eksempel, stimulerer cellene til å absorbere glukose, cellenes energikilde. Slike strukturproteiner som kollagen og keratin er hovedbestanddelene i brusk, hår, negler og hud. Alle disse proteinene er «cellenes motstykker til støttepilarer, bærebjelker, kryssfiner, sement og spiker,» sier en av de ovennevnte bøkene. — The Way Life Works.

Transportproteiner i cellemembranene tjener som pumper og kanaler, som lar stoffer slippe inn i eller ut av cellene. La oss nå se hva proteinene består av, og hvilken betydning deres kjedelignende struktur har for den måten de fungerer på.

Kompleksitet basert på enkelhet

Et alfabet er et grunnleggende element i mange språk. Fra en liste over bokstaver setter man sammen ord. Ord danner i sin tur setninger. På det molekylære plan gjør levende organismer bruk av et lignende prinsipp. DNA skaffer til veie et «alfabet». Dette «alfabetet» består overraskende nok av bare fire bokstaver — A, C, G og T, som er symbolene for de kjemiske basene adenin, cytosin, guanin og tymin. Av disse fire basene danner DNA aminosyrer via mellomleddet RNA. Aminosyrene kan sammenlignes med ord. Men i motsetning til vanlige ord har alle aminosyrene samme antall bokstaver, nemlig tre. Cellepartikler som kalles ribosomer, lenker aminosyrene sammen. De kjedene som oppstår som et resultat av dette, proteinene, kan sammenlignes med setninger. Et typisk protein har imidlertid flere elementer enn en talt eller skrevet setning, for det kan inneholde mellom 300 og 400 aminosyrer.

 Ifølge et oppslagsverk finnes det hundrevis av aminosyrer i naturen, men i de fleste proteiner forekommer det bare omkring 20 typer. Disse aminosyrene kan ordnes i uendelig mange kombinasjoner. Tenk over dette: Hvis bare 20 aminosyrer danner en kjede som er 100 aminosyrer lang, kan denne kjeden ordnes på over 10¹⁰⁰ forskjellige måter — det vil si et 1-tall etterfulgt av 100 nuller!

Proteinenes form og funksjon

Et proteins form har avgjørende betydning for den rollen det har i cellen. Hvordan påvirker en kjede av aminosyrer et proteins form? I motsetning til de løse leddene i en kjede av metall eller plast blir aminosyrene føyd sammen i bestemte vinkler, slik at det dannes regelmessige mønstre. Noen av disse mønstrene ligner på spiraler, lik dem man finner på en telefonledning, eller de ligner på skarpe folder, lik dem man finner på et plissert tøystykke. Disse mønstrene blir i tillegg «foldet sammen», slik at det dannes en mer kompleks tredimensjonal struktur. Et protein får aldri sin form ved en tilfeldighet. Nei, proteinets form har avgjørende betydning for dets funksjon, noe som tydelig kommer for dagen når det oppstår en defekt i aminosyrekjeden.

Når kjeden har en defekt

Når proteiner har defekter i aminosyrekjeden eller folder seg sammen på gal måte, kan de forårsake en rekke sykdommer, deriblant sigdcelleanemi og cystisk fibrose. Sigdcelleanemi er en arvelig sykdom der hemoglobinmolekylene i røde blodceller er abnorme. Et hemoglobinmolekyl består av 574 aminosyrer som er ordnet i fire kjeder. Hvis bare én aminosyre i to av de fire kjedene blir skiftet ut, forandres normalt hemoglobin til den typen som forårsaker sigdcelleanemi. De fleste tilfellene av cystisk fibrose skyldes et protein som mangler aminosyren fenylalanin i en strategisk posisjon i aminosyrekjeden.  Denne defekten forstyrrer blant annet den nødvendige balansen mellom salt og vann i de slimhinnene som omgir tarmene og lungene, noe som fører til at slimet blir unormalt tykt og seigt.

Når en person helt eller delvis mangler visse proteiner, er resultatet slike tilstander som albinisme og blødersykdom. I sin vanligste form inntreffer albinisme, en pigmentmangel, når et viktig protein som kalles tyrosinase, enten mangler eller er defekt. Dette påvirker dannelsen av melanin, et brunt pigment som normalt sett finnes i menneskers øyne, hår og hud. Blødersykdom skyldes svært lave nivåer av eller mangel på proteinfaktorer som hjelper blodet til å koagulere. Andre sykdommer som tilskrives defekte proteiner, er blant annet laktoseintoleranse og muskeldystrofi, eller muskelsvinn.

En teori om en sykdomsmekanisme

I de senere årene har en del forskere konsentrert seg om en sykdom som noen tilskriver en abnorm form av et protein som kalles prion. Teorien går ut på at det inntreffer sykdom når defekte prioner binder seg til normale prionproteiner, noe som får de normale proteinene til å folde seg sammen på gal måte. Dette setter i gang «en kjedereaksjon som får sykdommen til å spre seg, og som frambringer nytt smittestoff,» sier bladet Scientific American.

Noe som kan ha vært et tilfelle av prionsykdom, tiltrakk seg offentlighetens oppmerksomhet første gang i 1950-årene i Papua Ny-Guinea. Visse isolerte stammer praktiserte av religiøse grunner en form for kannibalisme, noe som førte til en sykdom som ble kalt kuru. Symptomene lignet på dem som følger med Creutzfeldt-Jakobs sykdom. Så snart de berørte stammene sluttet med dette religiøse ritualet, sank antall tilfeller av kuru raskt, og sykdommen er nå praktisk talt ukjent.

Imponerende formgivning

Heldigvis er proteinene vanligvis foldet sammen på riktig måte, slik at de kan utføre sine oppgaver med imponerende samarbeidsevne, effektivitet og nøyaktighet. Dette er bemerkelsesverdig i betraktning av at det finnes over 100 000 forskjellige typer proteiner i menneskekroppen, proteiner som alle sammen består av komplekse kjeder ordnet i tusenvis av forskjellige typer folder.

Proteinenes verden er fremdeles stort sett uutforsket. For å lære mer lager forskerne nå avanserte dataprogrammer som kanskje kan finne sammenhengen mellom proteinenes form og aminosyrenes rekkefølge i kjeden. Men det lille vi vet om proteinene, viser tydelig at «livets kjeder» ikke bare representerer en høy grad av orden, men også gjenspeiler en overlegen intelligens.

[Ramme/bilde på side 27]

Proteinenes «postnumre»

For at det skal bli lettere å levere post, krever postvesenet mange steder at man bruker et postnummer når man adresserer brev. Skaperen har innført et lignende system for å påse at proteinene finner veien når de beveger seg omkring inni cellen. Man forstår at det er viktig med et slikt system, når man tenker på at cellene rommer opptil en milliard proteiner i travel virksomhet. Midt oppi dette mylderet finner nydannede proteiner alltid veien til bestemmelsesstedet sitt, takket være et molekylært postnummer — en spesiell streng av aminosyrer inni proteinene.

Cellebiologen Günter Blobel fikk en nobelpris i 1999 for oppdagelsen av dette imponerende systemet. Men Blobel gjorde bare en oppdagelse. Bør ikke Skaperen av den levende cellen og dens enorme mengde molekyler få enda større ære? — Åpenbaringen 4: 11.

[Illustrasjon/bilder på sidene 24 og 25]

(Se den trykte publikasjonen)

Hvordan dannes proteiner?

Celle

1 Inni en cellekjerne finnes det DNA som inneholder instruksjoner for hvert protein

DNA

2 En del av DNA-molekylet spaltes, og på grunnlag av den genetiske informasjonen lages det en budbærer-RNA

Budbærer-RNA

3 Ribosomer, som avleser informasjon og setter sammen proteiner, binder seg til RNA-molekylet

4 Transport-RNA-molekyler frakter aminosyrer til ribosomet

Aminosyrer

Transport-RNA-molekyler

Ribosom

5 Mens ribosomet avleser RNA-molekylet, lenker det sammen aminosyrer i en bestemt rekkefølge til en kjede — et protein

Proteiner består av aminosyrer

6 Det kjedelignende proteinet må folde seg sammen på en nøyaktig måte for å fylle sin funksjon. Et typisk protein har over 300 «ledd»

Protein

Vi har over 100 000 forskjellige typer proteiner i kroppen. De har avgjørende betydning for livet

Antistoffer

Enzymer

Strukturproteiner

Hormoner

Transportører

[Illustrasjon/bilder på sidene 24 og 25]

(Se den trykte publikasjonen)

Hvordan «staver» DNA hvert protein?

DNA G T C T A T A A G

DNA bruker bare fire «bokstaver»: A, T, C, G

A T C G

«Stavemåten» i DNA overføres til RNA-form. RNA bruker U (uracil) i stedet for T

A U C G

Hver sekvens på tre bokstaver utgjør «stavemåten» for et bestemt «ord», eller en bestemt aminosyre. For eksempel:

G U C = valin

U A U = tyrosin

A A G = lysin

Slik kan hver av de 20 vanlige aminosyrene «staves». «Ordene» blir føyd sammen til en kjede, eller en «setning» — proteinet

[Illustrasjon/bilder på side 26]

(Se den trykte publikasjonen)

Hvordan folder et protein seg sammen?

De enkelte aminosyrene blir lenket sammen . . .

1 til en kjede og . . .

2 danner mønstre, for eksempel spiraler eller folder, og . . .

Spiraler

Folder

3 folder seg så sammen til en mer kompleks tredimensjonal struktur, som bare er . . .

4 en underenhet av et komplekst protein

[Bilde på side 26]

Denne datamodellen av en del av et ribosomprotein bruker farger for å framheve proteinets tredimensjonale natur. Strukturelle mønstre er angitt ved spiraler og piler (korte foldete deler)

[Rettigheter]

Proteindatabanken, ID: 1FFK; N. Ban, P. Nissen, J. Hansen, P.B. Moore, T.A. Steitz: Den fullstendige atomstrukturen i ribosomets store underenhet med en oppløsning på 2,4 A, Science 289 s. 905 (2000)

[Bilderettigheter på side 24]

Tilpassede tegninger: Fra THE WAY LIFE WORKS av Mahlon Hoagland og Bert Dodson, copyright ©1995 by Mahlon Hoagland and Bert Dodson. Brukt med tillatelse av Times Books, en avdeling av Random House, Inc.