Življenje – osupljiva množica verig

ALI ste si kdaj svoje telo predstavljali kot množico mikroskopsko majhnih verig? Verjetno ne. Toda glede na knjigo The Way Life Works življenje, če ga gledamo »na stopnji njegovih najmanjših med seboj odvisnih elementov«, v resnici »temelji na principu verig«. Zato lahko že manjša okvara nekaterih verig zelo vpliva na naše zdravje. Kaj pa so te verige? Kako delujejo? In kako so povezane z našim zdravjem in življenjem?

Gre za verigam podobne molekule, ki jih uvrščamo v dve glavni kategoriji. V tem članku bomo pregledali molekule beljakovin. Druge molekule pa so molekule DNK in RNK, ki hranijo in prenašajo genetske informacije. Seveda sta ti skupini med seboj tesno povezani. Pravzaprav je ena glavnih nalog DNK in RNK ta, da proizvajajo ogromno množico za življenje pomembnih beljakovin.

Katalizatorji, stražarji in podporni stebri

Beljakovine so od vseh večjih za življenje pomembnih molekul daleč najbolj raznolike. K njihovi družini spadajo protitelesa, encimi, sli, strukturne beljakovine in prenašalne beljakovine. Velika množica protiteles ali imunoglobulinov brani telo pred tujimi napadalci, kot so bakterije in virusi. Drugi globulini pomagajo celiti poškodovane krvne žile.

Encimi delujejo kot katalizatorji – pospešujejo kemične reakcije, kakršne denimo potekajo v prebavnem sistemu. Pravzaprav bi »brez encimov kmalu umrli od lakote, saj bi navaden obrok prebavljali 50 let«, je pojasnjeno v knjigi The Thread of Life. Encimi  opravljajo svoje delo, kakor bi delali za tekočim trakom – vsaka beljakovina naredi svoj del. Encim maltaze denimo razgradi maltozo oziroma sladkor v dve molekuli glukoze. Laktaza razgradi laktozo oziroma mlečni sladkor. Drugi encimi vežejo atome in molekule v nove produkte. Svoje delo opravljajo z bliskovito hitrostjo. Ena sama encimska molekula lahko omogoči na tisoče kemičnih reakcij na sekundo!

Nekatere beljakovine so uvrščene med hormone in delujejo kot sli. Potem ko preidejo v krvni obtok, spodbujajo ali upočasnjujejo delovanje drugih telesnih delov. Inzulin denimo stimulira celice, da vsrkavajo glukozo, ki je njihov vir energije. Strukturne beljakovine, kot sta kolagen in keratin, so glavne sestavine hrustanca, las, nohtov in kože. Vse te beljakovine »predstavljajo v celici podporne stebre, prečne tramove, vezani les, cement in žeblje«, piše v The Way Life Works.

Prenašalne beljakovine v celičnih membranah delujejo kot črpalke in cevi, saj dopuščajo, da snovi prehajajo v celice in iz njih. Poglejmo sedaj, iz česa so beljakovine zgrajene in kako je njihova verigi podobna zgradba povezana z njihovim delovanjem.

Zapletenost, ki temelji na preprostosti

Temeljni element mnogih jezikov je abeceda. Iz tega seznama črk se sestavljajo besede. Iz besed pa se potem tvorijo stavki. Po podobnem principu deluje življenje na molekularni stopnji. DNK priskrbuje temeljno »abecedo«. Presenetljivo je, da to »abecedo« sestavljajo samo štiri črke (A, C, G in T), ki predstavljajo kemične baze: adenin, citozin, gvanin in timin. DNK iz teh štirih baz po posredniškem RNK oblikuje aminokisline, ki bi jih lahko primerjali z besedami. Toda v nasprotju z dobesednimi besedami imajo vse aminokisline isto število črk, in sicer tri. »Stroji za sestavljanje beljakovin«, imenovani ribosomi, povežejo aminokisline skupaj. Tako nastanejo verige oziroma beljakovine, ki jih lahko primerjamo s stavki. Običajna beljakovina ima več elementov kakor izgovorjen ali napisan stavek, saj lahko vsebuje od približno 300 do 400 aminokislin.

 Po nekem priročniku je v naravi na stotine aminokislin, toda v večini beljakovin jih je mogoče najti le kakih 20 vrst. Te aminokisline se lahko razporedijo v skoraj neskončno število kombinacij. Premislite: Če se iz samo 20 aminokislin oblikuje veriga, ki vsebuje 100 aminokislin, se lahko njene elemente prerazporedi na več kot 10¹⁰⁰ načinov, kar je enica s 100 ničlami!

Oblika in delovanje beljakovin

Oblika beljakovine je bistvena za to, kakšno vlogo bo ta imela v celici. Kako aminokislinska veriga vpliva na obliko beljakovine? Aminokisline niso med seboj povezane neurejeno, kakor se to dogaja pri kovinskih ali plastičnih verigah, temveč se povezujejo pod določenim kotom, zaradi česar oblikujejo ponavljajoče se vzorce. Nekateri od teh vzorcev spominjajo na spiralno zavito žico pri telefonski slušalki ali pa na gube plisiranega oblačila. Ti vzorci se zatem »nagubajo« oziroma oblikujejo tako, da tvorijo kompleksnejšo trodimenzionalno strukturo. Oblika beljakovine ni prav nič naključna. Za delovanje beljakovine je bistvenega pomena, kar postane še kako očitno, kadar pride v aminokislinski verigi do napake.

Ko se veriga poškoduje

Ko se v aminokislinski verigi v beljakovini pojavijo okvare oziroma se verige ne nagubajo pravilno, lahko pride do številnih bolezni, tudi srpastocelične anemije in cistične fibroze. Srpastocelična anemija je genetska bolezen, pri kateri so hemoglobinske molekule v rdečih krvničkah nenormalne oblike. Molekulo hemoglobina sestavlja 574 aminokislin, razporejenih v štiri verige. Če se v dveh njenih verigah med seboj zamenjata le dve aminokislini, se normalni hemoglobin spremeni v srpastega. Cistična fibroza pa je v večini  primerov posledica tega, da se pri neki beljakovini na bistvenem mestu v aminokislinski verigi ne pojavlja aminokislina fenilalanin. Ta okvara med drugim povzroči, da se poruši ravnovesje med soljo in vodo, ki je potrebno v membranah, ki obdajajo črevesje in pljuča. Zato postane sluz, ki pokriva te površine, nenormalno debela in lepljiva.

Ob hujšem pomanjkanju določenih beljakovin oziroma če teh sploh ni, lahko pride do motenj, kot sta albinizem in hemofilija. Do albinizma, pomanjkanja pigmenta, najobičajneje pride, ko je glavna beljakovina, ki se imenuje tirozinaza, bodisi okvarjena bodisi je ni. To negativno vpliva na ustvarjanje melanina, rjavega pigmenta, ki je običajno prisoten v človeških očeh, laseh in koži. Hemofilijo povzročajo zelo nizke ravni ali popolno pomanjkanje beljakovinskih faktorjev, ki pomagajo pri strjevanju krvi. Med motnjami, ki se jih pripisuje okvarjenim beljakovinam, sta tudi intoleranca za laktozo in mišična distrofija, če jih navedemo le nekaj.

Ena teorija glede bolezni

V zadnjih letih so znanstveniki posvetili pozornost bolezni, ki jo nekateri pripisujejo nenormalni obliki beljakovine, imenovani prion. Po tej teoriji pride do obolenja takrat, ko se defektni prioni navežejo na normalne prionske beljakovine, zaradi česar se te napačno zvijejo. Na to »se veriga odzove tako, da povzroči bolezen in prične ustvarjati novo infekcijsko gradivo,« piše v reviji Scientific American.

Mogoč primer prionske bolezni je prvič prišel v javnost v 1950-ih letih v Papui Novi Gvineji. Nekatera oddaljena plemena so pri svojih verskih obredih izvajala kanibalizem, kar je povzročilo bolezen, imenovano kuru, katere simptomi so podobni simptomom Creutzfeldt-Jakobove bolezni. Ko so prizadeta plemena ta obred opustila, je število obolelih naglo upadlo in sedaj je kuru praktično neznan.

Neverjetna oblikovanost!

Na srečo pa se beljakovine običajno pravilno zavijajo in opravljajo svoje naloge izredno usklajeno, učinkovito in natančno. To je osupljivo, če upoštevamo, da je v človeškem telesu več kot 100.000 vrst beljakovin in se vse kompleksne verige gubajo na več tisoč načinov.

Svet beljakovin je še vedno precej neodkrit. Raziskovalci, ki ga želijo bolje spoznati, razvijajo zapletene računalniške programe, ki lahko iz zaporedja aminokislin predvidijo obliko beljakovin. Pa vendar nam že tisto malo, kar vemo o njih, jasno odkriva, da te »verige življenja« ne označuje le visoka organiziranost, temveč odsevajo tudi nedoumljivo inteligenco.

[Okvir na strani 27]

»Poštne številke« beljakovin

Mnoge poštne službe zahtevajo, da se na vsako pismo poleg naslova pripiše še poštna številka, saj se s tem pospeši dostava pošte. Za nekaj podobnega je poskrbel tudi Stvarnik, in sicer da lahko beljakovine najdejo svoje mesto znotraj celice. To je nujno potrebno, če upoštevamo, da so celice zelo živahni kraji, v katerih je tudi do milijarda beljakovin. Toda zaradi molekularne »poštne številke«, posebnega niza aminokislin v beljakovini, lahko novonastale beljakovine vselej najdejo pot do svojega delovnega mesta.

Leta 1999 je celični biolog Günter Blobel za odkritje te osupljive ureditve dobil Nobelovo nagrado. Toda Blobel je to samo odkril. Ali si Stvarnik žive celice in osupljajoče množice molekul v njej ne zasluži večje časti? (Razodetje 4:11)

[Shema/slike na straneh 24, 25]

(Za prikaz slike klikni desni gumb [View Image File])

Kako so beljakovine sestavljene?

celica

1 DNK znotraj celičnega jedra vsebuje navodila za vsako beljakovino

DNK

2 Del DNK se razpre in genetske informacije se prekopirajo v posredniški RNK

posredniški RNK

3 Ribosomi, »bralci sporočila, sestavljalci beljakovin«, se oprimejo RNK

4 Prenašalne RNK prinašajo aminokisline v ribosom

posamezne aminokisline

prenašalne RNK

ribosom

5 Ko ribosom »bere« RNK, povezuje posamezne aminokisline po določenem zaporedju v verigo – beljakovino

Beljakovine so sestavljene iz aminokislin

6 Da bi verigi podobna beljakovina opravljala svojo nalogo, se mora točno nagubati. Samo zamislite si, običajna beljakovina je sestavljena iz več kot 300 »členov«!

beljakovina

V našem telesu je več kot 100.000 vrst beljakovin, ki so nujne za življenje

protitelesa

encimi

strukturne beljakovine

hormoni

prenašalne beljakovine

[Shema/slike na strani 25]

(Lega besedila – glej publikacijo)

Kako DNK »črkuje« oziroma sestavi beljakovino?

DNA G T C T A T A A G

DNK uporablja samo štiri »črke«: A, T, C, G

A T C G

»Črke« DNK se prekopirajo v obliko RNK. RNK namesto T uporablja U (uracil).

A U C G

Vsako zaporedje treh črk sestavlja določeno »besedo« oziroma aminokislino. Na primer:

G U C = valin

U A U = tirozin

A A G = lizin

Tako je mogoče sestaviti vsako od 20 običajnih aminokislin. Sestavljene »besede« se povežejo v verigo oziroma »stavek« – beljakovino.

[Shema/slike na strani 26]

(Lega besedila – glej publikacijo)

Kako se beljakovina »naguba«?

Posamezne aminokisline se najprej povežejo v . . .

1 verigo, nato . . .

2 oblikujejo vzorce, bodisi spiralno zavite ali nagubane oblike, nato . . .

spirale

gube

3 se nagubajo v kompleksnejšo trodimenzionalno strukturo, ki je morda . . .

4 le ena podenota kompleksne beljakovine

[Slika na strani 26]

V tem računalniškem modelu je z različnimi barvami poudarjena trodimenzionalna zgradba delčka ribosomske beljakovine. Strukturna vzorca sta nakazana s spiralami in kratkimi nagubanimi odseki.

[Vir slike]

Banka podatkov o beljakovinah, 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)

[Navedba vira slike na strani 24]

Prirejene risbe: 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.