Dzīvības apbrīnojamās ķēdītes

VAI kādreiz esat iztēlojies sevi kā mikroskopisku ķēdīšu sakopojumu? Visticamāk, tāda doma jums nav nākusi prātā. Taču patiesībā savu sīkāko elementu līmenī dzīvība ir organizēta pēc ķēdes principa, norādīts grāmatā The Way Life Works (Kā darbojas dzīvība). Šī iemesla dēļ visniecīgākais defekts kādā no šīm ķēdītēm var nopietni ietekmēt mūsu veselību. Par kādām ķēdītēm ir runa? Kā tās darbojas? Un kā tās ir saistītas ar mūsu veselību un labsajūtu?

Runa ir par ķēdītēm līdzīgām molekulām, ko var iedalīt divās galvenajās grupās. Pie vienas no tām pieder olbaltumvielu molekulas, un tieši par tām stāstīts šajā rakstā. Otrajā grupā ietilpst molekulas, kas uzglabā un nodod tālāk ģenētisko informāciju, — DNS un RNS molekulas. Protams, abas šīs grupas ir cieši saistītas. Piemēram, viena no būtiskākajām DNS un RNS funkcijām ir dzīvībai svarīgo olbaltumvielu sintēze.

Katalizatori, sargi un balsti

Olbaltumvielu molekulas pēc savas daudzveidības tālu pārspēj citas lielākās organiskās molekulas. Starp olbaltumvielām ir antivielas, fermenti, hormoni, struktūrolbaltumvielas un pārnesējolbaltumvielas. Neskaitāmās antivielas (imūnglobulīni) aizsargā organismu pret tādiem nelūgtiem iebrucējiem kā baktērijas un vīrusi. Citi globulīni palīdz ”aizdrīvēt” mehāniskus bojājumus asinsvados.

Fermenti darbojas kā katalizatori, paātrinot ķīmiskās reakcijas, piemēram, tās, kas risinās gremošanas procesā. ”Bez fermentiem cilvēks drīz vien nomirtu badā, jo vienas maltītes sagremošanai būtu vajadzīgi  50 gadi,” teikts grāmatā The Thread of Life (Dzīvības pavediens). Fermenti savu darbu veic pēc konveijera principa — katra olbaltumviela izpilda noteiktu uzdevumu. Piemēram, ferments maltāze sašķeļ cukuru maltozi divās glikozes molekulās. Laktāze šķeļ laktozi (piena cukuru). Citu fermentu ietekmē, savienojoties atomiem un molekulām, veidojas jaunas vielas. Turklāt fermenti to visu paveic zibens ātrumā. Viena pati fermenta molekula spēj katalizēt tūkstošiem ķīmisku reakciju sekundē!

Dažas olbaltumvielas ir hormoni — bioloģiski aktīvas vielas. Nonākušas asinīs, tās stimulē vai kavē noteiktus procesus organismā. Piemēram, insulīns veicina to, ka šūnas absorbē glikozi, kas ir to enerģijas avots. Tādas struktūrolbaltumvielas kā kolagēns un keratīns ir skrimšļu, matu, nagu un ādas galvenās sastāvdaļas. Visas šīs olbaltumvielas, kā teikts grāmatā The Way Life Works, ir ”statņu, siju, saplākšņu, cementa un naglu līdzinieces šūnā”.

Īpaša veida olbaltumvielas atrodas šūnu membrānā — tās darbojas kā sūkņi un ejas, nodrošinot dažādu vielu iekļūšanu šūnā un izkļūšanu no tās. Bet tagad pievērsīsim uzmanību, no kā olbaltumvielas ir veidotas un kā ķēdei līdzīgā struktūra ietekmē to darbību.

Sarežģītā vienkāršība

Daudzu valodu pamatelements ir alfabēts. No alfabēta burtiem veidojas vārdi, savukārt vārdi veido teikumus. Molekulu līmenī darbojas līdzīgs princips. DNS ir savs ”alfabēts”, kas pārsteidzošā kārtā sastāv tikai no četriem ”burtiem” — A, C, G un T, kā saīsināti tiek apzīmētas ķīmiskās bāzes adenīns, citozīns, guanīns un timīns. Ar šo četru bāzu palīdzību DNS kodē aminoskābes, ko var salīdzināt ar vārdiem. Atšķirībā no parastajiem vārdiem visām aminoskābēm ir vienāds burtu skaits, proti, trīs. Olbaltumvielu sintēzē piedalās RNS, bet ar olbaltumvielu ”montēšanu” nodarbojas ribosomas, kas saista aminoskābes kopā. Iznākumā rodas ķēdītēm vai pavedieniem līdzīgas olbaltumvielas — savdabīgi ”teikumi”. Tajos ir vairāk elementu nekā runātā vai rakstītā teikumā — tipiska olbaltumviela var saturēt kādas 300—400 aminoskābju molekulas.

 Dabā ir sastopami vairāki simti aminoskābju, bet olbaltumvielu veidošanā piedalās tikai ap 20 dažādām aminoskābēm. Šo aminoskābju iespējamo virknējumu skaits praktiski ir bezgalīgs. Piemēram, ja 20 veidu aminoskābes savienojas 100 aminoskābju garā pavedienā, tad šādai ķēdītei var būt vairāk nekā 10 ¹⁰⁰ dažādu variantu — tas ir vieninieks ar 100 nullēm.

Olbaltumvielu forma un funkcijas

Olbaltumvielas formai ir liela nozīme tajā, kādas ir tās funkcijas šūnā. Kā aminoskābju ķēdīte ietekmē olbaltumvielas formu? Atšķirībā no vaļīgajiem parastās ķēdes posmiem aminoskābes savienojas noteiktā leņķī un veido regulāru rakstu, kas var līdzināties, piemēram, telefona vada spirālei vai audumam ar ielocēm. Pēc tam aminoskābju ķēdītes tiek ”salocītas” un iegūst vēl sarežģītāku trīsdimensiju formu. Olbaltumvielas forma, kas veidojas šajā procesā, nekādā ziņā nav nejauša. Tā ir tieši saistīta ar olbaltumvielas funkciju, un īpaši skaidri to var redzēt, ja aminoskābju ķēdīte ir bojāta.

Kad ķēdīte ir bojāta

Ja aminoskābju ķēdīte olbaltumvielā ir bojāta vai ja olbaltumviela ir nepareizi salocījusies, sekas var būt vairākas slimības, kā sirpjveida šūnu anēmija un cistiskā fibroze. Sirpjveida šūnu anēmija ir ģenētiska slimība, kurai raksturīgas pārveidotas hemoglobīna molekulas sarkanajos asins ķermenīšos. Hemoglobīna molekula sastāv no 574 aminoskābju molekulām, kas izkārtotas četrās ķēdītēs. Vienas vienīgas aminoskābes pārmaiņas divās no četrām ķēdītēm izraisa hemoglobīna molekulas bojājumu, un normālas asins šūnas pārvēršas sirpjveidīgās. Cistiskās fibrozes cēlonis parasti ir olbaltumviela, kurai svarīgā vietā aminoskābju ķēdītē nav aminoskābes fenilalanīna.  Starp sekām, ko šis defekts izraisa, ir sāls un ūdens līdzsvara traucējumi gremošanas trakta un plaušu gļotādā, tāpēc gļotas uz šīm virsmām kļūst nedabiski biezas un lipīgas.

Dažu olbaltumvielu nepietiekams daudzums vai trūkums izraisa albīnismu un hemofiliju. Savā parastākajā formā albīnisms jeb nepietiekama pigmentācija rodas, ja ir bojāta olbaltumviela, ko sauc par tirozināzi, vai ja tās nav vispār. Tādā gadījumā tiek nepietiekami sintezēts melanīns — brūns pigments, kas parasti ir atrodams cilvēka acīs, matos un ādā. Savukārt hemofiliju izraisa ievērojami samazināts citu olbaltumvielu — asinsreces faktoru — daudzums. Ar olbaltumvielu bojājumiem tiek saistītas arī tādas kaites kā laktozes nepanesamība un muskuļu distrofija.

Slimības mehānisma teorija

Pēdējos gados zinātnieki ir pievērsuši uzmanību kādai slimībai, ko daži saista ar bojātu kādas olbaltumvielas — priona — formu. Pastāv teorija, ka saslimšana notiek tad, kad bojātie prioni saistās ar normāliem un izraisa normālās olbaltumvielas nepareizu ”salocīšanos”. Iznākums ir ”ķēdes reakcija, kas sekmē slimības izplatīšanos un rada jaunu inficētu materiālu”, teikts žurnālā Scientific American.

Pirmo reizi par slimību, kas, iespējams, bija prionu izraisīta, plašāka sabiedrība uzzināja pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados Papua-Jaungvinejā. Vairāku savrupi dzīvojošu cilšu pārstāvji reliģisku motīvu dēļ iesaistījās kanibālismā, un daudzi no viņiem saslima ar slimību, ko sauc par kuru; tās simptomi līdzinās Kreicfelda-Jakoba slimības simptomiem. Kad slimības skartās ciltis pārstāja veikt savus reliģiskos rituālus, kuru izplatība tūlīt samazinājās, un mūsdienās šī slimība vairs praktiski nav sastopama.

Apbrīnojami veidotas

Par laimi, parasti olbaltumvielas salokās pareizi un veic savus uzdevumus apbrīnojami saskaņoti, efektīvi un uzticami. Tas tiešām ir ievērības cienīgs fakts, ņemot vērā, ka cilvēka organismā ir vairāk nekā 100 tūkstoši dažādu olbaltumvielu, un tās visas ir sarežģītas ķēdītes, kas ir salocījušās tūkstošiem dažādās formās.

Olbaltumvielu pasaule vēl joprojām lielā mērā ir neizpētīta. Lai uzzinātu par to vairāk, zinātnieki patlaban izstrādā sarežģītas datorprogrammas, ar kuru palīdzību būs iespējams paredzēt olbaltumvielu formu pēc aminoskābju secības tajās. Bet jau no tā vien, kas par olbaltumvielām ir zināms, var skaidri redzēt, ka šīs ”dzīvības ķēdītes” ne tikai ir ārkārtīgi labi organizētas, bet arī atspoguļo augsti attīstītu saprātu.

[Papildmateriāls 27. lpp.]

Olbaltumvielu ”pasta indeksi”

Lai paātrinātu pasta sūtījumu piegādi, parasti tiek prasīts, lai uz katras aploksnes līdz ar saņēmēja adresi būtu norādīts arī pasta indekss. Līdzīgu principu Radītājs ir izmantojis, lai panāktu, ka olbaltumvielas atrod īsto ceļu, pārvietodamās šūnā. Ieviest šādu sistēmu tiešām bija svarīgi, jo šūnā valda liela rosība un tajā var būt pat miljards olbaltumvielu. Tomēr tikko sintezētas olbaltumvielas vienmēr atrod ceļu uz savu ”darba vietu” pēc molekulārā ”pasta indeksa” — īpašas aminoskābju virknes, kas atrodas olbaltumvielā.

Šūnu biologs Ginters Blobels, kas atklāja šādas apbrīnojamas sistēmas pastāvēšanu, par savu atklājumu 1999. gadā saņēma Nobela prēmiju. Taču viņš tikai atklāja to, kas jau pastāv. Vai gan vēl lielāks gods nepienākas dzīvās šūnas un visu tās molekulu Radītājam? (Atklāsmes 4:11.)

[Shēma/Attēli 24., 25. lpp.]

(Pilnībā noformētu tekstu skatīt publikācijā)

Kā veidojas olbaltumvielas?

Šūna

1 Šūnas kodolā DNS satur instrukcijas katras olbaltumvielas sintēzei

DNS

2 DNS daļa gareniski sašķeļas, un sintezējas informācijas jeb matrices RNS, uz ko tiek pārnesta ģenētiskā informācija

Informācijas RNS

3 Ar RNS saistās ribosomas, kas nolasa informāciju un ”saliek” olbaltumvielu

4 Transporta RNS nogādā aminoskābes ribosomā

Atsevišķas aminoskābes

Transporta RNS

Ribosoma

5 Kad ribosoma nolasa RNS ietverto informāciju, tā savieno atsevišķas aminoskābes noteiktā secībā un izveidojas ķēdīte — olbaltumviela

Olbaltumvielas ir veidotas no aminoskābēm

6 Lai ķēdītei līdzīgā olbaltumviela spētu pildīt savas funkcijas, tai jāsalokās ļoti precīzi. Tipiskai olbaltumvielai ir vairāk nekā 300 ”posmi”!

Olbaltumviela

Cilvēka organismā ir vairāk nekā 100 tūkstoši dažādu olbaltumvielu. Bez tām dzīvība nebūtu iespējama

Antivielas

Fermenti

Struktūrolbaltumvielas

Hormoni

Pārnesējolbaltumvielas

[Shēma/Attēli 25. lpp.]

(Pilnībā noformētu tekstu skatīt publikācijā)

Kā DNS ”uzraksta” katru olbaltumvielu?

DNS G T C T A T A A G

DNS izmanto tikai četrus ”burtus”: A, T, C, G

A T C G

DNS ”uzrakstītais” kods tiek pārnests uz RNS. RNS T vietā lieto U (uracilu)

A U C G

Katra trīs burtu secība ir atsevišķs ”vārds” jeb aminoskābe. Piemēram:

G U C = valīns

U A U = tirozīns

A A G = lizīns

Šādi var ”uzrakstīt” visas 20 parastās aminoskābes. ”Vārdiem” savienojoties, veidojas ķēdīte jeb ”teikums” — olbaltumviela

[Shēma/Attēli 26. lpp.]

(Pilnībā noformētu tekstu skatīt publikācijā)

Kā olbaltumviela ”salokās”?

Tiek savienotas atsevišķas aminoskābes...

1 ...un izveidojas ķēdīte, pēc tam...

2 ...tā salokās noteiktā veidā, piemēram, veidojot spirāli vai ieloces; pēc tam...

Spirāles

Ieloces

3 ...salokās sarežģītākā trīsdimensiju struktūrā, kas var būt...

4 ...tikai viens sarežģītas olbaltumvielas struktūrelements

[Attēls 26. lpp.]

Šajā datorizētajā modelī, kas attēlo daļu no ribosomas, ar krāsām parādīta šīs olbaltumvielas trīsdimensiju struktūra. Raksturīgās formas izceltas ar spirālēm un bultām (īsās salocītās daļas)

[Norāde par autortiesībām]

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)

[Norāde par attēla autortiesībām 24. lpp.]

Zīmējumi balstīti uz: 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.