Život — úžasné zoskupenie reťazcov

PREDSTAVILI ste si už niekedy svoje telo ako súbor mikroskopických reťazcov? Asi nie. Ale „na úrovni najmenších nevyhnutných komponentov,“ píše sa v knihe The Way Life Works (Ako funguje život), život v skutočnosti využíva „ako svoj organizačný prvok reťazec“. Z tohto dôvodu len malá chyba v niektorom z reťazcov môže mať veľký vplyv na naše zdravie. Čo sú tieto reťazce? Ako fungujú? A ako súvisia s naším zdravím a pocitom pohody?

V podstate sú to molekuly pripomínajúce reťaz, ktoré delíme do dvoch hlavných kategórií. Molekuly, o ktorých budeme hovoriť v tomto článku, sú bielkoviny. Druhú skupinu tvoria molekuly, ktoré uchovávajú a prenášajú genetické informácie. Označujú sa ako DNA a RNA. Samozrejme, tieto dve skupiny molekúl spolu úzko súvisia. Dokonca jednou z kľúčových úloh DNA a RNA je vytvoriť obrovské množstvo životne dôležitých bielkovín.

Katalyzátory, strážcovia a piliere

Bielkoviny sú jednoznačne najrozmanitejšie veľké molekuly potrebné pre život. Do rodiny bielkovín patria protilátky, enzýmy, signálne bielkoviny, štrukturálne bielkoviny a prenášače. Obrovské množstvo protilátok, čiže imunoglobulínov, bráni telo pred cudzími útočníkmi, napríklad pred baktériami a vírusmi. Iné globulíny pomáhajú uzatvárať cievy, ktoré boli poškodené pri poranení.

Enzýmy slúžia ako katalyzátory, teda urýchľujú chemické reakcie, ktoré súvisia napríklad s trávením. V skutočnosti „bez enzýmov by ste zakrátko zomreli od hladu, pretože by trvalo 50 rokov, kým  by ste strávili nejaké bežné jedlo,“ vysvetľuje sa v knihe The Thread of Life (Niť života). Enzýmy pracujú ako robotníci pri výrobnej linke, pričom každá bielkovina vykonáva konkrétnu úlohu. Napríklad enzým maltáza štiepi maltózu, jeden druh cukru, na dve molekuly glukózy. Laktáza rozkladá laktózu, čiže mliečny cukor. Ďalšie enzýmy spájajú atómy a molekuly, a tak z nich vytvárajú nové látky. Svoju prácu pritom robia ohromujúcou rýchlosťou. Jediná molekula enzýmu môže katalyzovať tisíce chemických reakcií za sekundu!

Niektoré bielkoviny sú klasifikované ako hormóny a slúžia ako poslovia. Keď sa uvoľnia do krvného obehu, podporujú alebo spomaľujú činnosť iných častí tela. Napríklad inzulín stimuluje bunky, aby prijímali glukózu, ktorá je zdrojom ich energie. Štrukturálne bielkoviny, ako sú kolagén a keratín, sú hlavnými zložkami chrupavky, vlasov, nechtov a pokožky. A všetky tieto bielkoviny „v bunke zohrávajú úlohu pilierov, nosníkov, výplne, cementu a klincov,“ píše sa v knihe The Way Life Works.

Transportné bielkoviny slúžia v bunkových membránach ako čerpadlá a kanály, ktoré umožňujú prechod látok do bunky a von z nej. Pozrime sa teraz, z čoho sa bielkoviny skladajú a ako ich reťazcová štruktúra súvisí s ich funkciou.

Zložitosť založená na jednoduchosti

Základom mnohých jazykov je abeceda. Z tejto sústavy písmen sa vytvárajú slová. A slová tvoria vety. Život na molekulárnej úrovni využíva podobný princíp. Základnú „abecedu“ poskytuje DNA. Je pozoruhodné, že táto „abeceda“ sa skladá iba zo štyroch písmen — A, C, G a T, ktoré označujú chemické bázy adenín, cytozín, guanín a tymín. Z týchto štyroch báz dáva DNA pomocou RNA podnet na spájanie aminokyselín, ktoré môžeme prirovnať k slovám. Ale na rozdiel od bežných slov všetky aminokyseliny sú určené rovnakým počtom písmen, a to troma. Aminokyseliny spájajú dokopy „stroje na zostavovanie bielkovín“ nazývané ribozómy. Tým vznikajú reťazce, čiže bielkoviny, ktoré môžeme pripodobniť k vetám. Typická bielkovina má viac „slov“ ako hovorená či písaná veta, pretože môže obsahovať okolo 300 až 400 aminokyselín.

 Jedno encyklopedické dielo uvádza, že v prírode existujú stovky aminokyselín, ale vo väčšine bielkovín sa nachádza iba 20 druhov. Tieto aminokyseliny môžu vytvoriť takmer nespočetné množstvo kombinácií. Napríklad ak sa len 20 druhov aminokyselín pospája tak, že vytvorí reťazec s dĺžkou 100 aminokyselín, tento reťazec je možné usporiadať vyše 10¹⁰⁰ rôznymi spôsobmi — čo je jednotka so sto nulami!

Tvar a funkcia bielkovín

Tvar bielkoviny je dôležitý pre jej úlohu v bunke. Ako môže reťazec aminokyselín ovplyvniť tvar bielkoviny? Na rozdiel od voľne pospájaných ohniviek železnej alebo umelohmotnej reťaze aminokyseliny sa spájajú v určitých uhloch a vytvárajú reťazce s pravidelným tvarom. Niektoré sú špirálovité ako telefónna šnúra a iné pripomínajú záhyby na plisovanej látke. Tieto reťazce sa potom „poskladajú“, čiže zoradia tak, že vytvoria zložitejšiu trojrozmernú štruktúru. Tvar bielkoviny rozhodne nie je ponechaný na náhodu. Je veľmi dôležitý pre funkciu bielkoviny, a ak sa v aminokyselinovom reťazci stane chyba, ihneď sa to prejaví.

Keď je reťazec chybný

Ak majú bielkoviny v aminokyselinovom reťazci chybu alebo sú nesprávne poskladané, môžu zapríčiniť viacero ochorení vrátane kosáčikovitej anémie a cystickej fibrózy. Kosáčikovitá anémia je genetická choroba a spôsobujú ju molekuly hemoglobínu v červených krvinkách, ktoré majú abnormálny tvar. Molekula hemoglobínu sa skladá z 574 aminokyselín usporiadaných v štyroch reťazcoch. Ak len v dvoch zo štyroch reťazcov dochádza k zámene jedinej aminokyseliny, normálny hemoglobín získa zmenený kosáčikovitý tvar. Väčšinu prípadov cystickej fibrózy spôsobuje bielkovina, ktorej na kľúčovom mieste aminokyselinového reťazca chýba aminokyselina  fenylalanín. Táto chyba okrem iného narúša rovnováhu soli a vody v stenách tráviaceho traktu a pľúc, čo spôsobuje, že vrstva hlienu, ktorá ich pokrýva, začne byť abnormálne hrubá a lepkavá.

Vážny nedostatok alebo neprítomnosť istých bielkovín vedie k poruchám, ako sú albinizmus a hemofília. Najbežnejšia forma albinizmu, teda nedostatku pigmentu, sa objavuje, keď dôležitá bielkovina nazývaná tyrozináza je defektná alebo chýba. To má vplyv na tvorbu melanínu, hnedého pigmentu, ktorý sa bežne nachádza v ľudských očiach, vlasoch a pokožke. Hemofíliu spôsobuje veľmi nízka hladina alebo neprítomnosť bielkovinových faktorov, ktoré prispievajú k zrážanlivosti krvi. K ďalším poruchám, ktorých príčinou sú chybné bielkoviny, patria napríklad neznášanlivosť laktózy a svalová dystrofia.

Jedna teória o vzniku chorôb

V nedávnych rokoch vedci venovali pozornosť chorobe, ktorú niektorí pripisujú neobvyklej podobe bielkoviny nazývanej prión. Teória hovorí, že choroba vzniká, keď sa chybné prióny pripájajú k normálnym priónovým bielkovinám, a tak spôsobujú, že sa normálna bielkovina nesprávne poskladá. Výsledkom je „reťazová reakcia, ktorá prispieva k šíreniu choroby a k vytváraniu nového infekčného materiálu,“ píše sa v časopise Scientific American.

Príkladom choroby spôsobenej priónom bol možno prípad, ktorý vzbudil pozornosť verejnosti po prvý raz v 50. rokoch 20. storočia na Papue-Novej Guinei. Niektoré izolované domorodé kmene z náboženských dôvodov praktizovali kanibalizmus, čo viedlo k vzniku choroby nazvanej kuru, ktorá má podobné príznaky ako Creutzfeldtova-Jakobova choroba. Keď sa postihnuté kmene vzdali tohto náboženského rituálu, počet prípadov choroby kuru prudko klesol a teraz sa prakticky nevyskytuje.

Pozoruhodné bielkoviny

Našťastie bielkoviny sa zvyčajne poskladajú správne a svoju úlohu si plnia s pozoruhodnou spoluprácou, výkonnosťou a presnosťou. Je to obdivuhodné, keď si uvedomíme, že v ľudskom tele je vyše 100 000 rôznych druhov bielkovín a všetko sú to zložité reťazce poskladané tisícami spôsobov.

Svet bielkovín ešte stále nie je z veľkej časti preskúmaný. Výskumníci v snahe dozvedieť sa viac vyvíjajú zložité počítačové programy, ktoré dokážu predpokladať tvar bielkovín podľa postupnosti ich aminokyselín. No aj to málo, čo o bielkovinách vieme, jasne ukazuje, že tieto „reťazce života“ sú nielen vysoko organizované, ale odrážajú tiež dômyselnú inteligenciu.

[Rámček/obrázok na strane 27]

„PSČ“ pre bielkoviny

Na urýchlenie doručovania zásielok mnohé pošty žiadajú uviesť ku každej adrese poštové smerovacie číslo. Stvoriteľ uplatnil rovnaký princíp na zabezpečenie toho, aby sa bielkoviny vedeli orientovať v bunke. Takéto opatrenie je dôležité, keď si uvedomíme, že bunky sú veľmi vyťažené miesta. Môže v nich byť až miliarda bielkovín. Napriek tomu novovytvorené bielkoviny vždy dokážu nájsť cestu na svoje pracovisko, a to vďaka molekulárnemu „PSČ“ — zvláštnemu reťazcu aminokyselín, ktorý sa nachádza v bielkovine.

Biológ Günter Blobel, ktorý sa zameriava na výskum buniek, získal za objav tohto pozoruhodného princípu v roku 1999 Nobelovu cenu. Ale Blobel ho len objavil. Nemal by Stvoriteľ živej bunky a jej ohromujúceho množstva molekúl dostať oveľa väčšie uznanie? — Zjavenie 4:11.

[Nákres/obrázky na stranách 24, 25]

(Úplný, upravený text — pozri publikáciu)

Ako vznikajú bielkoviny?

Bunka

1. DNA vnútri jadra bunky obsahuje inštrukcie pre každú bielkovinu

DNA

2. Časť DNA sa rozpojí a genetická informácia sa použije na tvorbu mediátorovej RNA

Mediátorová RNA

3. Ribozómy — „čitatelia informácií a zostavovatelia bielkovín“ — sa pripoja k RNA

4. Transferové RNA prinášajú k ribozómu aminokyseliny

Jednotlivé aminokyseliny

Transferové RNA

Ribozóm

5. Ribozóm „číta“ RNA a podľa toho spája jednotlivé aminokyseliny do špecifického poradia, čím vytvára reťazec — bielkovinu

Bielkoviny sa skladajú z aminokyselín

6. Bielkovina podobná reťazi sa musí presne poskladať, aby mohla spĺňať svoju funkciu. Predstavte si, že typická bielkovina má vyše 300 „ohniviek“!

Bielkovina

V tele máme vyše 100 000 rôznych druhov bielkovín. Sú pre nás životne dôležité.

Protilátky

Enzýmy

Štrukturálne bielkoviny

Hormóny

Prenášače

[Nákres/obrázky na strane 25]

(Úplný, upravený text — pozri publikáciu)

Ako DNA „napíše“ každú bielkovinu?

DNA G T C T A T A A G

DNA používa iba štyri „písmená“: A, T, C, G

A T C G

„Písmená“ sa z DNA prepíšu na RNA. RNA miesto T používa U (uracil)

A U C G

Každé tri „písmená“ tvoria iné „slovo“, čiže aminokyselinu. Napríklad:

G U C = valín

U A U = tyrozín

A A G = lyzín

Týmto spôsobom sa dá „zapísať“ každá z 20 bežných aminokyselín. „Slová“ sa spájajú do reťazca, čiže „vety“ — bielkoviny

[Nákres/obrázky na strane 26]

(Úplný, upravený text — pozri publikáciu)

Ako sa bielkovina „poskladá“?

Aminokyseliny sa spoja, aby...

1. vytvorili reťazec, potom...

2. sa usporiadajú do tvarov, napríklad do špirál či do záhybov, potom...

Špirály

Záhyby

3. sa poskladajú do zložitejšej trojrozmernej štruktúry, ktorá možno je...

4. len jednou podjednotkou zložitej bielkoviny

[Obrázok na strane 26]

Tento počítačový model časti ribozómovej bielkoviny využíva farby na zdôraznenie trojrozmernosti. Štrukturálne tvary sú zobrazené špirálami a šípkami (krátkymi prehnutými úsekmi)

[Prameň ilustrácie]

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)

[Prameň ilustrácie na strane 24]

Kresby spracované podľa knihy THE WAY LIFE WORKS od Mahlona Hoaglanda a Berta Dodsona, copyright ©1995 by Mahlon Hoagland and Bert Dodson. Použité s dovolením: Times Books, a division of Random House, Inc.