Život — Obdivuhodné seskupení řetězců

NAPADLO vás někdy, že vaše tělo je vlastně soubor mikroskopických řetězců? Možná, že ne. Nicméně „na úrovni nejmenších komponent, jež mají [v živé tkáni] rozhodující význam,“ je vlastně „řetězec základní organizační jednotkou,“ uvádí kniha The Way Life Works (Jak funguje život). Z tohoto důvodu může mít i malá závada na některém z těchto řetězců závažný dopad na naše zdraví. Jaké řetězce to jsou? Jak fungují? A jakou souvislost mají s naším zdravím a vnitřní pohodou?

V zásadě se jedná o řetězcové molekuly, které spadají do dvou hlavních kategorií. V tomto článku se budeme zabývat molekulami bílkovin. Druhou skupinou jsou molekuly, které uchovávají a přenášejí genetické informace — DNA a RNA. Tyto dvě skupiny pochopitelně velmi úzce spolupracují. V podstatě jednou z hlavních funkcí DNA a RNA je vytvářet obrovské množství bílkovin potřebných pro život.

Katalyzátory, obránci a pilíře

Bílkoviny živých organismů jsou tou nejrozmanitější kategorií velkých molekul. Do této rodiny patří protilátky, enzymy, mediátory neboli signální molekuly, strukturní bílkoviny a přenašeče. Ohromná škála protilátek neboli imunoglobulinů brání tělo proti vetřelcům, jako jsou například bakterie a viry. Další globuliny pomáhají uzavírat poraněné cévy.

Enzymy slouží jako katalyzátory, které urychlují chemické reakce, například trávení. „Bez enzymů bychom zakrátko zemřeli hladem, protože běžné jídlo bychom trávili 50 let,“ vysvětluje kniha The Thread of Life (Nit života). Enzymy totiž pracují podobně jako  dělníci na montážní lince — každý z nich provádí specifický úkon. Například enzym maltáza štěpí cukr maltózu na dvě molekuly glukózy. Laktáza zase štěpí mléčný cukr laktózu. Další enzymy spojují atomy a molekuly, takže vznikají nové látky. A dělají to závratnou rychlostí. Jediná molekula enzymu může za sekundu katalyzovat tisíce chemických reakcí.

Bílkoviny patřící do skupiny hormonů působí jako mediátory. Jsou uvolňovány do krevního oběhu a jejich úkolem je zvyšovat nebo snižovat činnost jiných částí těla. Například inzulin zvyšuje vstřebávání glukózy, která je pro buňky zdrojem energie. Strukturní bílkoviny, jako například kolagen a keratin, jsou hlavními složkami chrupavek, vlasů, nehtů a kůže. Jsou „pro buňku něco jako pilíře, trámy, panely, cement a hřebíky,“ říká kniha The Way Life Works.

Transportní bílkoviny v buněčných membránách slouží jako pumpy nebo tunely, které určitým látkám umožňují, aby se dostaly buď do buňky, nebo ven. Podívejme se, jak se bílkoviny tvoří a jak jejich řetězcová struktura souvisí s jejich funkcí.

Složitost založená na jednoduchosti

Základním prvkem mnoha jazyků je abeceda. Z písmen se skládají slova. A slova zase tvoří věty. Na molekulární úrovni používají živé organismy podobný princip. Matrice „abecedy“ je v DNA. Je překvapivé, že tato „abeceda“ se skládá pouze ze čtyř písmen — A, C, G a T —, což jsou zkratky pro chemické báze adenin, cytosin, guanin a thymin. K tomu, aby z těchto čtyř bází vznikly aminokyseliny, je zapotřebí spolupráce DNA a RNA. Tuto fázi lze přirovnat k tvorbě slov. Na rozdíl od slov však aminokyseliny mají vždy stejný počet písmen, totiž tři. Aminokyseliny jsou potom v ribozomech spojovány v řetězce neboli bílkoviny, což lze připodobnit k vytváření vět. Běžná bílkovina je však v porovnání s mluvenými či psanými větami mnohem delší — obsahuje asi 300 až 400 aminokyselin.

Podle jedné encyklopedie existují v přírodě stovky aminokyselin, avšak většina bílkovin obsahuje jen asi 20 druhů. Tyto aminokyseliny mohou být uspořádány do  téměř nekonečného počtu kombinací. Kdyby například řetězec o délce 100 aminokyselin byl tvořen jen 20 různými druhy, tyto aminokyseliny by mohly být uspořádány nepředstavitelně mnoha způsoby, je to více než 10¹⁰⁰ — tedy jednička, za kterou následuje sto nul!

Prostorová struktura bílkovin a jejich funkce

Pro úlohu bílkovin v buňce je klíčový jejich tvar. Jaký vliv má řetězec aminokyselin na tvar bílkoviny? Na rozdíl od řetízku vyrobeného z plastu nebo kovu, kde jsou jednotlivé články spojeny volně, aminokyseliny se spojují v určitých úhlech a vytvářejí tak pravidelné prostorové uspořádání. Někdy připomínají kroucenou telefonní šňůru nebo plisovanou látku. Tyto útvary jsou potom „poskládány“ do mnohem složitější trojrozměrné struktury. Tvar bílkovin rozhodně není náhodný. To, že prostorové uspořádání má pro jejich funkci zásadní význam, se jasně projeví, když v řetězci aminokyselin vznikne nějaká chyba.

Když je v řetězci chyba

Chybné pořadí aminokyselin v řetězci nebo nesprávné prostorové uspořádání bílkoviny může mít za následek řadu nemocí, mimo jiné i srpkovitou anémii a cystickou fibrózu. Srpkovitá anémie je dědičné onemocnění, při kterém mají molekuly hemoglobinu v červených krvinkách nesprávné složení. Molekula hemoglobinu se skládá z 574 aminokyselin uspořádaných do čtyř řetězců. Změna polohy jediné aminokyseliny ve dvou ze čtyř řetězců má za následek vznik srpkovitého hemoglobinu. U cystické fibrózy se ve většině případů jedná o to, že na klíčové pozici v bílkovině chybí aminokyselina fenylalanin. Tento defekt kromě jiného narušuje rovnováhu solí a vody  v membránách buněk střevní a plicní výstelky, a proto je hlen na jejím povrchu abnormálně hustý a lepkavý.

Jestliže je nedostatek určitých bílkovin závažný nebo bílkoviny chybějí úplně, dojde k takovým poruchám, jako je albinismus nebo hemofilie. Nejběžnější forma albinismu, tedy nedostatku pigmentu, vznikne tehdy, když klíčová bílkovina tyrosináza je defektní nebo chybí. Tím je narušena tvorba melaninu, což je hnědý pigment, který se obvykle vyskytuje v lidském oku, vlasech a kůži. A v případě hemofilie se jedná o velmi nízkou hladinu nebo naprostý nedostatek bílkovinných faktorů, jež napomáhají srážení krve. K poruchám, které souvisejí s defektními bílkovinami, patří také nesnášenlivost laktózy a svalová dystrofie.

Jedna teorie o vzniku nemoci

V posledních letech se vědci zaměřují na nemoc, v níž hraje určitou roli abnormální typ bílkoviny, které se říká prion. Onemocnění je zřejmě způsobeno tím, že na normální prionové bílkoviny se naváží priony defektní, což vede ke změně prostorového uspořádání. Výsledkem je „řetězová reakce, při které se vytváří další infekční materiál, a onemocnění se šíří,“ uvádí časopis Scientific American.

První případ prionového onemocnění, který upoutal pozornost veřejnosti, byl v 50. letech minulého století na Papui-Nové Guineji. Některé kmeny provozovaly náboženské rituály, k nimž patřila určitá forma kanibalismu. To vedlo k nemoci zvané kuru, jejíž příznaky jsou shodné s Creutzfeldt-Jakobovou nemocí. Když s těmito zvyky kmeny přestaly, výskyt kuru se prudce snížil a nyní tato nemoc již prakticky vymizela.

Fascinující konstrukce

Ve většině případů však bílkoviny mají správné prostorové uspořádání a při vykonávání svých úkolů velmi účinně a přesně spolupracují. Je to opravdu pozoruhodné, když uvážíme, že v lidském těle je více než 100 000 různých druhů bílkovin, tedy složitých řetězců uspořádaných do tisíců různých typů prostorových struktur.

Svět bílkovin je stále ještě z velké části neprozkoumaný. Aby se vědci dozvěděli více, vyvíjejí nyní složité počítačové programy, které z pořadí aminokyselin v řetězci určí prostorové uspořádání bílkovin. Avšak i z toho mála, co dosud o bílkovinách víme, jasně vyplývá, že v těchto „řetězcích života“ je patrná nejen vysoká úroveň organizovanosti, ale také mimořádná inteligence.

[Rámeček a obrázek na straně 27]

„PSČ“ bílkovin

K rychlejšímu doručení pošty se na mnoha místech požaduje, aby součástí adresy bylo poštovní směrovací číslo. Stejný princip použil Stvořitel k tomu, aby se bílkoviny dostaly na své místo v buňce. V tomto rušném místě je to nezbytné, protože v buňce může být až miliarda bílkovin. Ale díky molekulárnímu „poštovnímu směrovacímu číslu“ — což je speciální vlákno aminokyselin v bílkovině — si nové bílkoviny vždy najdou místo, kam patří.

Za objev tohoto úžasného principu dostal v roce 1999 Nobelovu cenu Günter Blobel, který se zabývá biologií buňky. Tento vědec však jen objevil něco, co již existovalo. Není snad Stvořitel živé buňky, která obsahuje ohromující množství molekul, hoden ještě většího uznání? (Zjevení 4:11)

[Nákres a obrázky na straně 24 a 25]

(Úplný, upravený text — viz publikaci)

Jak se tvoří bílkoviny?

Buňka

1 DNA v buněčném jádru obsahuje instrukce pro tvorbu všech buněčných bílkovin

DNA

2 Část vlákna DNA se od sebe oddělí a genetická informace se překopíruje do mediátorové RNA

Mediátorová RNA

3 RNA se naváže na ribozomy, které rozluští kód a poskládají bílkoviny

4 Transferové RNA přinášejí aminokyseliny do ribozomu

Jednotlivé aminokyseliny

Transferové RNA

Ribozom

5 Ribozom „přečte“ informace v RNA a v přesném pořadí spojí jednotlivé aminokyseliny do řetězce — vznikne bílkovina

Bílkoviny se skládají z aminokyselin

6 Aby bílkovina plnila svou funkci, musí mít přesné prostorové uspořádání. Představte si, že řetězec běžné bílkoviny má více než 300 „článků“!

Bílkovina

V těle máme více než 100 000 různých typů bílkovin a všechny jsou pro život nezbytné

Protilátky

Enzymy

Strukturní bílkoviny

Hormony

Transportní bílkoviny

[Nákres a obrázky na straně 25]

(Úplný, upravený text — viz publikaci)

Jak DNA „zapisuje“ každý protein?

DNA G T C T A T A A G

DNA používá jen čtyři „písmena“ A, T, C, G

A T C G

„Zápis“ je z DNA převeden do RNA formy, která však místo T používá U (uracil)

A U C G

Každá trojice písmen představuje jiné „slovo“ neboli aminokyselinu. Například:

G U C = valin

U A U = tyrosin

A A G = lysin

Tímto způsobem lze „zapsat“ každou z 20 běžných aminokyselin. „Slova“ jsou pak spojována do řetězců neboli do „vět“, což jsou bílkoviny

[Nákres a obrázky na straně 26]

(Úplný, upravený text — viz publikaci)

Jaké je prostorové uspořádání bílkoviny?

Jednotlivé aminokyseliny jsou spojeny tak, že . . .

1 tvoří řetězec, který pak . . .

2 může mít tvar například šroubovice nebo listů

Šroubovice

Listy

3 se spojují do složitějších trojrozměrných struktur, které mohou být . . .

4 jen jednou částí celého komplexu

[Obrázek na straně 26]

V tomto počítačovém modelu ribozomové bílkoviny jsou ke zvýraznění trojrozměrné struktury použity různé barvy. Typy struktury mají tvar spirál a listů

[Podpisek]

The Protein Data Bank, ID: 1FFK; Ban, N., Nissen, P., Hansen, J., Moore, P.B., Steitz, T.A.: Kompletní atomová struktura velké ribozomální podjednotky v 2.4 A Resolution, Science 289 pp. 905 (2000)

[Podpisek obrázku na straně 24]

Upravené schéma: Z knihy THE WAY LIFE WORKS od Mahlon Hoagland a Bert Dodson, copyright ©1995 Mahlon Hoagland and Bert Dodson. Použito se svolením Times Books, a division of Random House, Inc.