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.

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.

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.

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.

[Ramka i ilustracja na stronie 27]

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).

[Diagram i ilustracje na stronach 24, 25]

[Patrz publikacja]

Jak powstają białka?

Komórka

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

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

Pojedyncze aminokwasy

Przenoszące RNA

Rybosom

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

Białka powstają z aminokwasów

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

Białko

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

Przeciwciała

Enzymy

Białka strukturalne

Hormony

Białka transportujące

[Diagram i ilustracje na stronie 25]

[Patrz publikacja]

Jak DNA „zapisuje” każde białko?

DNA G T C T A T A A G

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

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

[Diagram i ilustracje na stronie 26]

[Patrz publikacja]

Jak białko się zwija?

Pojedyncze aminokwasy łączą się ze sobą...

1 tworząc łańcuch, potem...

2 układają się we wzory, na przykład spirale albo harmonijki, potem...

Spirale

Harmonijki

3 zwijają się w bardziej skomplikowaną, przestrzenną strukturę, która może stanowić...

4 zaledwie jedną z podjednostek złożonego białka

[Ilustracja na stronie 26]

W tym komputerowym modelu fragmentu białka rybosomu użyto różnych kolorów do uwypuklenia budowy trójwymiarowej. Elementami strukturalnymi są widoczne tu spirale i harmonijki.

[Prawa własności]

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)

[Prawa własności do ilustracji, strona 24]

Przetworzone rysunki: 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.