Livet – en förunderlig samling kedjor

DU KANSKE aldrig har tänkt på din kropp som en samling mikroskopiska kedjor. Men enligt boken The Way Life Works är livets minsta beståndsdelar faktiskt ordnade som kedjor. Därför kan en liten defekt på någon av dessa kedjor ha en stor inverkan på vår hälsa. Vilka är de här kedjorna? Hur fungerar de? Och vilket samband har de med vår hälsa och vårt välbefinnande?

De här kedjorna är i själva verket kedjelika molekyler som kan uppdelas i två huvudkategorier. De molekyler som vi skall se närmare på i den här artikeln är proteinerna. De andra molekylerna är de som lagrar och överför genetisk information – DNA och RNA. De här två grupperna är intimt förknippade med varandra. En av DNA:s och RNA:s nyckelfunktioner är faktiskt att producera livets stora uppsättning av proteiner.

Katalysatorer, försvarare och stolpar

Proteiner är de mest mångskiftande av livets större molekyler. Till gruppen proteiner hör antikroppar, enzymer, budbärare, strukturproteiner och transportproteiner. Den stora mängden antikroppar, eller immunglobuliner, försvarar kroppen mot sådana främmande inkräktare som bakterier och virus. Andra globuliner hjälper till med att tillsluta skadade blodkärl.

Enzymer tjänar som katalysatorer som påskyndar kemiska reaktioner, till exempel de som har med matsmältningen att göra. ”Utan enzymer skulle du snart svälta ihjäl, eftersom det skulle ta 50 år att smälta en vanlig måltid”, förklaras det i boken The Thread of Life. Enzymer arbetar enligt löpande band-principen, där varje  protein har en bestämd uppgift. Enzymet maltas bryter till exempel ner maltsocker i två glukosmolekyler. Laktas bryter ner laktos, dvs. mjölksocker. Andra enzymer förenar atomer och molekyler för att bilda nya ämnen. Och de utför sitt arbete oerhört snabbt. En enda enzymmolekyl kan katalysera tusentals kemiska reaktioner per sekund!

Några proteiner är klassificerade som hormoner och fungerar som budbärare. Utsläppta i blodet stimulerar eller minskar de aktiviteten i olika delar av kroppen. Insulin, till exempel, stimulerar celler till att absorbera glukos, som är deras energikälla. Sådana strukturproteiner som kollagen och keratin är huvudkomponenterna i brosk, hår, naglar och hud. Alla dessa proteiner är ”cellens motsvarighet till stolpar, balkar, plywood, cement och spikar”, heter det i The Way Life Works.

Transportproteinerna i cellmembranen tjänar som pumpar och tunnlar, som låter material passera in i eller ut ur cellerna. Låt oss nu se vad proteiner är gjorda av och hur deras kedjeliknande struktur hänger samman med deras funktion.

Komplexitet byggd på enkelhet

Ett alfabet är en grundläggande beståndsdel i många språk. Från den uppsättningen bokstäver bygger man ord, som i sin tur bildar meningar. På den molekylära nivån använder sig livet av en liknande princip. DNA erbjuder ett speciellt ”alfabet”. Det är fantastiskt, men detta ”alfabet” innehåller endast fyra bokstäver – A, C, G och T som representerar de kemiska baserna adenin, cytosin, guanin och tymin. Från dessa fyra baser bildar DNA, med hjälp av RNA, aminosyror som kan jämföras med ord. Men till skillnad från ord har alla aminosyror lika många bokstäver, nämligen tre. ”Proteinsammansättande maskiner”, som kallas ribosomer, länkar samman aminosyrorna. Det resulterar i kedjor, eller proteiner, som kan liknas vid meningar. Men ett normalt protein kan innehålla omkring 300 till 400 aminosyror och har alltså betydligt fler beståndsdelar än en talad eller skriven mening.

 Enligt ett uppslagsverk finns det hundratals aminosyror i naturen, men i de flesta proteiner återfinns endast omkring 20 slag. Dessa aminosyror kan bilda ett nästan oändligt antal kombinationer. Tänk dig: Om endast 20 aminosyror bildar en kedja som är 100 aminosyror lång, kan denna kedja i sin tur bilda över 10¹⁰⁰ olika kombinationer – det vill säga en etta följd av hundra nollor.

Proteinernas form och funktion

Formen på ett protein är avgörande för dess funktion i cellen. Hur kan en kedja av aminosyror påverka formen på ett protein? Till skillnad från lösa länkar i en metall- eller plastkedja förenar sig aminosyror i vissa vinklar så att de bildar regelbundna mönster. Några av dessa mönster liknar spiralerna på telefonsladdar eller vecken i plisserade kläder. Dessa mönster ”veckas”, eller formas, sedan för att bilda en mer komplex tredimensionell struktur. Formen på ett protein är allt annat än slumpmässig. Ett proteins form är avgörande för dess funktion, vilket tydligt visas när det uppstår ett fel i kedjan av aminosyror.

När det är en defekt i kedjan

När proteiner i kedjan av aminosyror är defekta eller felaktigt veckade, kan de orsaka ett antal sjukdomar, däribland sicklecellsanemi och cystisk fibros. Sicklecellsanemi är en genetiskt betingad sjukdom, där hemoglobinmolekylerna i de röda blodkropparna är onormala. En hemoglobinmolekyl består av 574 aminosyror som är ordnade i fyra kedjor. En förändring i en enda aminosyra i två av de fyra kedjorna gör att hemoglobinet inte längre är normalt. De flesta fall av cystisk fibros beror på att ett protein saknar aminosyran fenylalanin på en nyckelposition i kedjan av aminosyror.  Detta stör bland annat balansen av salt och vatten som är så nödvändig i de membran som finns i tarmen och lungorna så att det slem som täcker ytorna i dem blir ovanligt tjockt och segt.

En svår brist på eller avsaknad av vissa proteiner leder till sådana sjukdomar som albinism och blödarsjuka. Den vanligaste formen av albinism, bristande pigmentering, uppstår när ett nyckelprotein som kallas tyrosinas är felaktigt eller saknas. Det här påverkar produktionen av melanin, ett brunt pigment som normalt finns i ögon, hår och hud på människor. Blödarsjuka orsakas av mycket låga halter av eller brist på proteinfaktorer som hjälper blodet att koagulera. Annat som har att göra med felaktiga proteiner är laktosintolerans och muskeldystrofi.

En teori om en sjukdomsmekanism

På senare år har forskare koncentrerat sin uppmärksamhet på en sjukdom som vissa sätter i samband med en onormal form av protein som kallas prion. Enligt teorin uppstår den här sjukdomen när ett felaktigt prion förenar sig med normala prionproteiner och får det normala proteinet att vecka sig fel. Det leder till ”en kedjereaktion som sprider sjukdomen och frambringar nya smittämnen”, heter det i tidskriften Scientific American.

Det var först på 1950-talet som det som kan ha varit en prionbaserad sjukdom på Papua Nya Guinea kom till allmän kännedom. Vissa isolerade stammar deltog i rituell kannibalism, och detta ledde till en sjukdom som kallades kuru, och symtomen liknade dem vid Creutzfeldt-Jakobs sjukdom. När de drabbade stammarna slutade upp med den här rituella kannibalismen minskade förekomsten av kuru snabbt, och nu är sjukdomen så gott som okänd.

Enastående design!

Lyckligtvis veckar sig proteinerna vanligtvis rätt och utför sina uppgifter genom ett fantastiskt samarbete och med en fantastisk effektivitet och exakthet. Det här är anmärkningsvärt med tanke på att det finns över 100 000 olika slag av proteiner i människokroppen, och alla är komplicerade kedjor med tusentals olika typer av veck.

Proteinernas värld är fortfarande till stor del outforskad. För att lära sig mer har forskare nu utformat sofistikerade dataprogram som kan räkna ut formen på proteinerna utifrån aminosyrornas ordningsföljd. Men även det lilla vi vet om proteiner, dessa ”livets kedjor”, visar tydligt att de inte bara har en väl fungerande organisation utan också återspeglar en mycket stor intelligens.

[Ruta/Bild på sidan 27]

”Postnummer” för proteiner

För att dela ut brev kräver många postväsen att ett postnummer ingår i adressen på brevet. Skaparen använder en liknande princip för att garantera att proteinerna hittar fram inuti cellen. Detta är viktigt med tanke på att cellerna är fyllda av aktivitet och att de innehåller upp till en miljard proteiner. Ändå hittar nybildade proteiner alltid fram till sin arbetsplats, och det tack vare det molekylära ”postnumret” – en speciell sträng av aminosyror som finns i proteinet.

År 1999 fick cellbiologen Günter Blobel nobelpriset för att han upptäckte den här fantastiska principen. Ändå gjorde Blobel bara en upptäckt. Bör inte Skaparen av den levande cellen och dess förbluffande uppsättning molekyler få ännu mer ära? (Uppenbarelseboken 4:11)

[Diagram på sidorna 24, 25]

(För formaterad text, se publikationen)

Hur tillverkas proteiner?

Cell

1 Inuti en cells kärna finns DNA, som innehåller instruktioner för varje protein

DNA

2 En del av DNA öppnas och den genetiska informationen överförs till ett budbärar-RNA

Budbärar-RNA

3 Ribosomer – ”budskapsläsande proteinsammansättare” – fäster sig vid RNA

4 Transport-RNA för med sig aminosyror till en ribosom

Enskilda aminosyror

Transport-RNA

Ribosom

5 När ribosomet ”avläser” ett RNA, länkar det ihop enskilda aminosyror i en bestämd ordning för att bilda en kedja – proteinet

Proteiner är gjorda av aminosyror

6 Det kedjelika proteinet måste veckas exakt för att kunna utföra sin uppgift. Kan du tänka dig att ett normalt protein är över 300 ”länkar” långt!

Protein

Vi har över 100 000 olika slag av proteiner i kroppen. Dessa är livsnödvändiga

Antikroppar

Enzymer

Strukturproteiner

Hormoner

Transportproteiner

[Diagram/Bilder på sidan 25]

(För formaterad text, se publikationen)

Hur ”stavar” DNA till varje protein?

DNA G T C T A T A A G

DNA använder endast fyra ”bokstäver”: A, T, C, G

A T C G

Den ”stavning” DNA har transkriberas till en RNA-form. RNA använder U (uracil) i stället för T

A U C G

Varje serie om tre bokstäver ”stavar” till ett specifikt ”ord”, eller en aminosyra. Till exempel:

G U C = valin

U A U = tyrosin

A A G = lysin

På detta sätt kan de 20 vanligaste aminosyrorna ”stavas”. ”Ord” förs samman och bildar en kedja, eller ”mening” – proteinet

[Diagram/Bilder på sidan 26]

(För formaterad text, se publikationen)

Hur ”veckas” ett protein?

Enskilda aminosyror länkas tillsammans för att ...

1 bilda en kedja, sedan ...

2 bildar de ett mönster, som spiraler eller veck, sedan ...

Spiraler

Veck

3 veckas de till en mer komplex tredimensionell struktur, vilken kan vara ...

4 bara en underenhet i ett komplicerat protein

[Bild på sidan 26]

Den här datorskapade modellen av en del av ett ribosomprotein använder färger för att framhålla dess tredimensionella natur. Strukturmönstren visas av spiraler och pilar (korta veckade sektioner)

[Bildkälla]

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)

[Bildkälla på sidan 24]

Anpassade teckningar: Ur boken THE WAY LIFE WORKS av Mahlon Hoagland och Bert Dodson, copyright ©1995 av Mahlon Hoagland och Bert Dodson. Med tillstånd av Times Books, en avdelning inom Random House, Inc.