Życie — zdumiewająca współpraca mikroskopijnych łańcuchów

„Aby objąć umysłem obraz życia odsłaniany przez biologię molekularną, musielibyśmy powiększyć komórkę miliard razy, w wyniku czego miałaby ona 20 kilometrów średnicy i przypominałaby ogromny sterowiec, który mógłby nakryć całą metropolię wielkości Londynu czy Nowego Jorku. Naszym oczom ukazałby się wtedy nadzwyczaj złożony obiekt o wielkich zdolnościach przystosowawczych. Na jego powierzchni dostrzeglibyśmy miliony otworów, wyglądających niczym iluminatory w olbrzymim statku kosmicznym, otwierających się i zamykających, by wciąż mógł wpływać do środka i wypływać stamtąd strumień różnych substancji. Gdybyśmy weszli przez jeden z tych otworów, znaleźlibyśmy się w świecie najwspanialszej techniki, w świecie oszałamiającym swą złożonością. Ujrzelibyśmy znakomicie poprowadzoną, bezkresną sieć korytarzy i kanałów biegnących od zewnętrznej powłoki komórki i rozgałęziających się we wszystkich kierunkach, prowadzących między innymi do centralnego banku danych w jądrze oraz do różnych montowni i przetwórni. Samo jądro byłoby ogromną kulistą salą — mającą ponad kilometr średnicy i zbudowaną na ażurowej konstrukcji nośnej — wewnątrz której zobaczylibyśmy kilometry spiralnie skręconych łańcuchów cząsteczek DNA starannie pogrupowanych w uporządkowane struktury. Do różnych montowni znajdujących się w peryferyjnych rejonach komórki, a także z tych montowni byłyby transportowane licznymi kanałami w bardzo uporządkowany sposób najrozmaitsze surowce i produkty.„Zastanawiałoby nas, jak się udaje sterować ruchem tak wielu towarów tak licznymi, bezkresnymi niemalże kanałami, odbywającym się bez najmniejszych nawet zakłóceń. Wszędzie wokół siebie dostrzegalibyśmy najróżniejsze automaty. Zauważylibyśmy, że cząsteczki białka, czyli najprostsze z funkcjonalnych składników komórki, są zadziwiająco złożonymi elementami molekularnej maszynerii — każda zbudowana jest z około 3000 atomów ułożonych w bardzo skomplikowaną strukturę przestrzenną. Jeszcze większe zdziwienie ogarnęłoby nas, gdybyśmy się przyjrzeli zdumiewająco celowemu działaniu tych niesamowitych urządzeń molekularnych, a zwłaszcza gdybyśmy sobie uświadomili, że pomimo nagromadzonej wiedzy z fizyki i chemii zaprojektowanie choćby jednego z nich — to znaczy jednej cząsteczki białka mającej spełniać określone funkcje — jest zadaniem zdecydowanie przekraczającym nasze obecne możliwości i prawdopodobnie pozostanie niewykonalne przynajmniej do początku przyszłego stulecia. A przecież życie komórki zależy od współdziałania ze sobą tysięcy — z pewnością dziesiątek tysięcy, a może nawet setek tysięcy — różnych białek” (Evolution: A Theory in Crisis).”

Życie zdumiewająca współpraca mikroskopijnych łańcuchów

CZY pomyślałeś kiedyś o swoim organizmie jako o zestawie mikroskopijnych łańcuchów? Chyba nie. Ale jak czytamy w książce The Way Life Works (Jak funkcjonuje życie), w rzeczywistości „na poziomie swych najmniejszych, ale istotnych składników za porządkującą zasadę życie obiera łańcuch”. Z tego powodu nawet niewielki defekt w niektórych tych łańcuchach może prowadzić do poważnych chorób. Co to za łańcuchy? Jak funkcjonują? I jak wpływają na nasze zdrowie?

Cząsteczki przypominające łańcuchy dzielą się na dwie podstawowe grupy. W tym artykule zajmiemy się jedną z nich — białkami. Natomiast druga grupa to kwasy nukleinowe — DNA i RNA — czyli molekuły, które przechowują i przenoszą informacje genetyczne. Oczywiście te dwie grupy ściśle ze sobą współpracują. W gruncie rzeczy jednym z kluczowych zadań DNA i RNA jest tworzenie wielu rodzajów białek niezbędnych dla życia.

Model łańcucha DNA

Schemat łańcucha RNA oraz pierwszo, drugo i trzeciorzędowa struktłańcucha białkowego (polipeptydu)

                             Katalizatory, strażnicy i belki

Białka to najbardziej zróżnicowane makrocząsteczki występujące w organizmach żywych. Ich rodzina obejmuje przeciwciała, enzymy, hormony, białka strukturalne oraz transportujące. Mnóstwo rozmaitych przeciwciał, czyli immunoglobulin, zapewnia ochronę przed agresorami, takimi jak bakterie czy wirusy. Inne globuliny pomagają zamknąć naczynia krwionośne uszkodzone w wyniku urazu.

Enzymy pełnią funkcję katalizatorów, przyśpieszając reakcje chemiczne, na przykład zachodzące podczas trawienia. Właściwie „bez enzymów szybko umarlibyśmy z głodu, ponieważ strawienie zwykłego posiłku zajęłoby nam 50 lat” — wyjaśnia książka The Thread of Life (Nić życia). Enzymy działają jak na linii produkcyjnej — każdy z nich wykonuje określone zadanie. Jeden z nich, maltaza, rozszczepia maltozę (cukier) na dwie cząsteczki glukozy. Laktaza rozkłada laktozę, czyli cukier mleczny. Inne enzymy wiążą atomy i molekuły, by powstały nowe produkty. A wszystko wykonują z oszałamiającą prędkością. Pojedyncza cząsteczka enzymu może katalizować tysiące reakcji chemicznych na sekundę!

Niektóre białka to hormony, działające jako posłańcy. Wydzielane do krwiobiegu, stymulują albo hamują aktywność różnych części organizmu. Na przykład insulina pobudza komórki do wchłaniania glukozy, będącej ich źródłem energii. Białka strukturalne, takie jak kolagen i keratyna, są głównym składnikiem chrząstki, włosów, paznokci i skóry. To „komórkowe odpowiedniki belek, dźwigarów, desek, cementu i gwoździ” — czytamy w książce The Way Life Works.

Białka transportujące, które znajdują się w błonach komórkowych, działają niczym pompy i tunele — wpuszczają do komórek i wypuszczają różne substancje. Przypatrzmy się teraz budowie białek oraz przeanalizujmy, jaki związek ma ich struktura z pełnioną funkcją.

(1) Receptory kontrolujące przypływ i odpływ jonów spoza środowiska komórki do jej wnętrza i odwrotnie. Jest to jeden z typów „bram” kontrolujących to, co dostaje się do komórki i co się z niej wydostaje

(2) Specjalne receptory, molekularne „bramy wjazdowe i wyjazdowe”, które kontrolują przepływ substratów i produktów pomiędzy jądrem komórkowym i cytoplazmą

(3) Białka zwane histonami. Tworzą one struktury,oktamery, na które jak na szpulki nawija się DNA tworząc chromatynę. Jej odpowiednia struktura umożliwia prawidłowe funkcjonowanie jądra komórkowego, które można sobie wyobrazić jako ogromną bibliotekę. Odpowiednia budowa chromatyny umożliwia też odpowiednią jej kondensację przed podziałem komórkowym. Wówczas łańcuchy DNA „zbijają” się w stabilne struktury (chromosomy metafazowe), co umożliwia im sprawne przejście do potomnych jąder komórkowych w procesie zwanym mitozą. We wszystkich tych procesach bierze udział wiele nieredukowalnie złożonych kompleksów białkowych.

(4) Helikaza

 

 (1) Topoizomerazy.

(2) Białko motoryczne (białko kroczące), które bierze udział w transporcie białek po mikrotubulach. Te molekularne roboty napędzane przy pomocy hydrolizy ATP, to istne molekularne cuda.

(3) Syntaza ATP. Ten kompleks enzymatyczny produkuje energię, która napędza niemal wszystkie procesy komórkowe. Synteza ATP odbywa się zarówno w komórkach prokariotycznych, takich, jak bakterie, jak i w komórkach eukariotycznych, w tym w naszych organizmach. W komórkach eukariotycznych (jądrowych) synteza ATP odbywa się w w strukturach komórkowych zwanych mitochondriami

                          Złożoność oparta na prostocie

 Alfabet to podstawowy element wielu języków. Z tego zbioru liter buduje się słowa. Słowa z kolei tworzą zdania. Na poziomie molekularnym życie stosuje podobną zasadę. Wzorcowy alfabet jest dostarczony przez DNA. Co ciekawe, alfabet ten składa się zaledwie z czterech liter — A, C, G oraz T, którymi oznaczono zasady azotowe: adeninę, cytozynę, guaninę i tyminę. DNA przy współudziale RNA za pośrednictwem tych czterech zasad koduje kolejne „słowa”, którym odpowiadają aminokwasy. Ale w przeciwieństwie do normalnych słów wszystkie aminokwasy są zakodowane „słowami” trzyliterowymi. Rybosomy — „maszyny montujące” — łączą aminokwasy. Powstałe łańcuchy, czyli białka, można więc przyrównać do zdań. Typowe białko zawiera jednak więcej elementów niż wypowiedziane czy zapisane zdanie. Składa się aż z 300—400 aminokwasów.

Według pewnego dzieła w przyrodzie występują setki aminokwasów, ale w większości białek jest zaledwie około 20 z nich. Mogą one tworzyć niezliczone kombinacje. Na przykład jeżeli 20 aminokwasów utworzy łańcuch ze 100 cząsteczek, może on być ułożony na więcej niż 10100 sposobów (1 ze 100 zerami)!

Struktura białek a ich funkcja

 Struktura białka w zasadniczy sposób określa jego funkcję w komórce. Jak łańcuch aminokwasów wpływa na kształt tej molekuły? W przeciwieństwie do luźno powiązanych ogniw w zwykłym metalowym łańcuchu, aminokwasy ściśle łączą się ze sobą pod odpowiednim kątem, tworząc regularne wzory. Niektóre przypominają spiralny sznur telefoniczny, inne — harmonijki. Zwoje te ulegają dalszemu pofałdowaniu i powstaje bardziej złożona, trójwymiarowa struktura. Kształt molekuły białka absolutnie nie jest przypadkowy. W gruncie rzeczy ma zasadnicze znaczenie dla jej funkcji. Wyraźnie się to ujawnia, gdy w łańcuchu aminokwasów wystąpi defekt.

Gdy pojawia się defekt

 Kiedy w łańcuchu białkowym pojawi się jakaś wada lub jest on niewłaściwie zwinięty, może to spowodować najróżniejsze choroby, na przykład niedokrwistość sierpowatą albo mukowiscydozę. Niedokrwistość sierpowata to choroba uwarunkowana genetycznie, w której cząsteczki hemoglobiny są nieprawidłowe. Cząsteczka hemoglobiny składa się z 574 aminokwasów ułożonych w czterech łańcuchach. Zmiana zaledwie jednego aminokwasu w dwóch z czterech łańcuchów przeistacza normalną hemoglobinę w jej sierpowatą odmianę. Z kolei większość przypadków mukowiscydozy jest spowodowana brakiem aminokwasu o nazwie fenyloalanina w istotnym odcinku łańcucha białkowego. Defekt ten narusza między innymi równowagę soli i wody w błonach wyściełających układ pokarmowy i płuca. Skutkiem tego gromadzi się tam zbyt gęsty i lepki śluz.

Duży niedobór lub całkowity brak określonych białek prowadzi do takich schorzeń jak albinizm czy hemofilia. Najczęstsza postać albinizmu, czyli niedoboru barwnika, występuje wtedy, gdy ważne białko (tyrozynaza) jest wadliwe albo w ogóle go nie ma. Odbija się to na produkcji melaniny, brązowego pigmentu obecnego u zdrowych osób w oczach, włosach i skórze. A przyczyną hemofilii jest bardzo niski poziom lub brak czynników białkowych, które powodują krzepnięcie krwi. Do licznych zaburzeń wywołanych defektem białek należy też nietolerancja laktozy oraz dystrofia mięśniowa.

Teoria na temat mechanizmu choroby

 Niedawno naukowcy skupili uwagę na chorobie, której przyczyn część z nich upatruje w nieprawidłowej budowie białka zwanego prionem. Teoria głosi, że szkodliwe priony przyłączają się do prawidłowych białek prionowych i powodują zmianę ich struktury przestrzennej. To wyzwala „reakcję łańcuchową, która prowadzi do nasilenia się choroby i tworzenia nowego materiału zakaźnego” — podaje czasopismo Scientific American.

Wydaje się, że w latach pięćdziesiątych XX wieku w Papui-Nowej Gwinei po raz pierwszy odnotowano przypadki chorób prionowych. Niektóre odosobnione plemiona uprawiały tam praktyki kanibalistyczne. Wskutek tego pojawiła się choroba zwana kuru, której objawy skojarzono z chorobą Creutzfeldta-Jakoba. Kiedy dotknięte nią plemiona zaprzestały owego rytuału religijnego, częstotliwość występowania kuru gwałtownie zmalała i teraz choroba ta została w zasadzie wyeliminowana.

Film obrazujący powstawanie wadliwych białek (polskie napisy)

Cudowny projekt!

Na szczęście białka mają na ogół właściwą budowę i wykonują swe zadania bez zakłóceń, z zadziwiającą skutecznością i precyzją. To naprawdę niezwykłe, biorąc pod uwagę, że w organizmie człowieka istnieje przeszło 100 000 rodzajów białek, tworzących skomplikowane łańcuchy ułożone w tysiące najróżniejszych kombinacji.

Świat białek w dużej mierze ciągle pozostaje tajemnicą. Aby go bliżej poznać, badacze opracowują skomplikowane programy komputerowe, które na podstawie sekwencji aminokwasów pozwalają przewidzieć strukturę białka. Ale nawet skromna wiedza na ten temat wyraźnie ukazuje owe „łańcuchy życia” nie tylko jako precyzyjne twory, lecz także jako świadectwo istnienia genialnego Projektanta.

                             Białkowe „kody pocztowe”

Chcąc przyśpieszyć dostarczanie przesyłek, firmy świadczące usługi pocztowe wymagają podawania w adresie kodu. Nasz Stwórca zastosował podobny system, aby białka odnajdowały drogę wewnątrz komórki. Jest to niezbędne, jeśli weźmie się pod uwagę, że w każdej komórce przemieszcza się nawet miliard takich cząsteczek! Nowo powstałe białka zawsze trafiają do miejsca pracy dzięki molekularnemu „kodowi pocztowemu” — specjalnemu łańcuchowi aminokwasów.

Za odkrycie tego zdumiewającego mechanizmu biolog Günter Blobel w roku 1999 otrzymał Nagrodę Nobla. Ale Blobel jedynie odkrył ten mechanizm. Czyż Stwórca żywej komórki, złożonej z oszałamiającej ilości elementów, nie zasługuje na nieporównanie większy szacunek? (Objawienie 4:11).

 Film obrazuje proces translokacji białek do mitochondriów. Ten bardzo złożony i nieredukowalnie złożony proces molekularny jest możliwy między innymi dlatego, że na końcach genów kodujących białka transportowane do mitochondriów istnieją sekwencje liderowe, które kodują sekwencje adresowe, lub sortujące. Są one następnie obcinane przez inne specjalne białka proteolityczne, które potrafią rozpoznać te sekwencje i oddzielić je od reszty białka, które dzięki tej domenie trafiło pod odpowiedni adres.

                               Jak powstają białka?

1 Plan budowy każdego białka przechowywany jest w jądrze komórkowym w DNA

2 Fragment DNA ulega rozpleceniu i informacja genetyczna zostaje przepisana na matrycowy RNA Matrycowy RNA

3 Rybosomy — „montażyści białek odczytujący informacje” — przyłączają się do RNA

4 Przenoszące RNA dostarczają aminokwasy do rybosomu.

5 Po odczytaniu RNA rybosom łączy pojedyncze aminokwasy w określonym porządku, żeby stworzyć łańcuch — białko

Na ilustracji (1) przekrój pokazujący jądro komórkowe (2, 3) transkrypcja (4) matrycowy RNA wędruje poza jadro komórkowe (5,6) matrycowe RNA łączy się z rybosomem i następuje translacja  mRNA na białko.

Film obrazujący transkrypcję DNA na RAN i translację RNA na białkao

Film w sposób zrozumiały pokazuje, jak następuje translacja  RNA na bialko

6 Aby taki łańcuch spełniał swoje funkcje, białko musi się precyzyjnie zwinąć. Typowe białko składa się z przeszło 300 ogniw!

                                                  Białka

W organizmie mamy ponad 100 000 rodzajów białek. Odgrywają one kluczową rolę w procesach życiowych

Przeciwciała

Enzymy

Białka strukturalne

Hormony

Białka transportujące

 

 Jak DNA „zapisuje” każde białko?

DNA G T C T A T A A G

DNA używa zaledwie czterech „liter”: A, T, C, G

Kod DNA zostaje zapisany na cząsteczce RNA. Zamiast litery T RNA wykorzystuje U (uracyl)

A U C G

Każde trzyliterowe „słowo” koduje określony aminokwas. Na przykład:

G U C = walina

U A U = tyrozyna

A A G = lizyna

W ten sposób można „zapisać” każdy z 20 aminokwasów powszechnie występujących w białkach. „Słowa” tworzą „zdanie” — czyli białko.

                                   

                                     Jak białko się zwija?

Pojedyncze aminokwasy łączą się ze sobą…

a) tworząc łańcuch, potem…

b) układają się we wzory, na przykład spirale albo harmonijki, potem…

Spirale

Harmonijki

c) zwijają się w bardziej skomplikowaną, przestrzenną strukturę, która może stanowić…

d) zaledwie jedną z podjednostek złożonego białka

SCHEMAT OBRAZUJĄCY ZWIJANIE SIĘ BIAŁEK PRZY POMOCY BIAŁEK CHAPERONOWYCH (POMOCNICZYCH), OKREŚLANYCH TEŻ, JAKO ‚MOLEKULRNE PRZYZWOITKI’.

 1) Translacja polipeptydu.

2) Przyłączenie się do powstającego na rybosomie polipeptydu białek chaperonowych, które mają zdolność rozpoznawania i łączenia się z konkretnymi domenami polipeptydu

3) Następnie po częściowym zwinięciu polipeptydu uwalniany on jest z rybosomu i w dalszym ciągu zwijany oraz ‘transportowany’ do innego wielobiałkowego kompleksu chaperonowego, który napędzany energią uzyskiwaną z wysokoenergetycznych nukleotydów działa jak prasa hydrauliczna i pomaga przyjąć polipeptydowi ostateczną strukturę (konformację).Po przyjęciu odpowiedniej struktury i przy udziale energii z rozpadu nukleotydów ‘wieczko prasy’ oddziela się od ‘prasy’ i gotowe białko zostaje uwolnione.

Animacja obrazująca powyżej opisany procez z ilustracji.

Zródło ‚Przebudzcie się!’ rok: 2005

                                               Michael Denton

W książce Evolution: A Theory in Crisis (Kryzys teorii ewolucji) specjalista w zakresie biologii molekularnej Michael Denton oświadczył: „Nawet najprostsze organizmy żyjące na ziemi — komórki bakterii — są niezmiernie złożone. Mimo że najdrobniejsze z nich bywają niewiarygodnie małe, (…) każda jest jakby mikroskopijną fabryką — w której pracuje wymyślna aparatura molekularna zbudowana z tysięcy znakomicie zaprojektowanych części (…) jest więc o wiele bardziej skomplikowana niż jakiekolwiek urządzenie skonstruowane przez człowieka i nie ma nic równego sobie w świecie nieożywionym”.

 Mówiąc o kodzie genetycznym każdej komórki, Denton zaznacza: „Zdolność magazynowania informacji, jaką odznacza się DNA, niepomiernie przewyższa wszelkie inne znane systemy; jest tak wydajna, że wszystkie informacje potrzebne do opisania najdrobniejszych szczegółów tak złożonego organizmu, jak człowiek, ważą zaledwie kilka miliardowych części grama. (…) W porównaniu z pomysłowością i złożonością żywych mechanizmów molekularnych nawet nasze najnowocześniejsze [produkty] wydają się niezdarne. Czujemy się upokorzeni”.

Denton dodaje: „Najprostsze znane nam komórki są tak skomplikowane, że nie sposób przyjąć, iż nagle zostały poskładane w jedną całość dzięki jakiemuś dziwacznemu, wysoce nieprawdopodobnemu przypadkowi”. Potrzebny był konstruktor i twórca.”

‚Czy Bóg się o nas troszczy’ ; wydawnictwo Towarzystwo Strażnica

W książce Evolution: A Theory in Crisis (Kryzys teorii ewolucji) Michael Denton pisze: „Między żywą komórką a najwyżej zorganizowanym układem niebiologicznym, takim jak kryształ czy płatek śniegu, rozciąga się niewiarogodnie wielka, nieprzebyta przepaść”. Powstanie życia z nieożywionej materii dzięki ślepemu przypadkowi jest tak nieprawdopodobne, że aż niemożliwe. Biblijne wyjaśnienie, iż życie pochodzi z życia, bo zostało stworzone przez Boga, bez porównania lepiej zgadza się z faktami.”

‚Czy Biblia jest Słowem Bożym’; wydawnictwo Towarzystwo Strażnica

 

Skomentuj

Please log in using one of these methods to post your comment:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s