Կյանք. շղթաների ապշեցուցիչ հավաքածու

ԵՐԲԵՎԷ մտածե՞լ եք, որ ձեր օրգանիզմը մանրագույն շղթաների հավաքածու է։ Թերևս ոչ։ Սակայն, ինչպես նշվում է մի գրքում, «իր ամենատարրական մասնիկների մակարդակում» կյանքը «կառուցված է շղթայի սկզբունքով» («The Way Life Works»)։ Եվ եթե այս շղթաներից մի քանիսին նույնիսկ փոքր վնաս հասցվի, դա կարող է մեծապես անդրադառնալ մեր առողջության վրա։ Ի՞նչ են իրենցից ներկայացնում այդ շղթաները։ Ինչպե՞ս են դրանք գործում։ Ի՞նչ կապ ունեն մեր առողջության ու ինքնազգացողության հետ։

Գլխավորապես դրանք շղթայի ձևով դասավորված մոլեկուլներ են, որոնք բաժանվում են երկու հիմնական խմբերի։ Այս հոդվածում մենք կխոսենք սպիտակուցների մասին։ Մյուս մոլեկուլները, որ պահպանում և փոխանցում են գենետիկական ինֆորմացիան, կոչվում են ԴՆԹ ու ՌՆԹ։ Այս երկու խմբերն, ինչ խոսք, սերտորեն փոխկապակցված են։ Իրականում, ԴՆԹ–ի ու ՌՆԹ–ի գլխավոր դերն է՝ արտադրել խիստ բազմազան սպիտակուցները, որոնք անհրաժեշտ են կյանքի պահպանման համար։

Կատալիզատորներ, պահապաններ և սյուներ

Սպիտակուցները ամենատարաբնույթ հսկա մոլեկուլներն են։ Դրանց մեջ են մտնում՝ հակամարմինները, ֆերմենտները (էնզիմներ), ինչպես նաև կարգավորիչ, կառուցվածքային և փոխադրող սպիտակուցները։ Վիթխարի թվերի հասնող հակամարմինները՝ իմունոգլոբուլինները, պաշտպանում են օրգանիզմը օտարածին «նվաճողներից», ինչպես օրինակ՝ մանրէներից ու վիրուսներից։ Մյուս գլոբուլինները նպաստում են արյան վնասված անոթների վերականգնմանը։

Ֆերմենտները կատալիզատորների դեր են խաղում՝ արագացնելով քիմիական ռեակցիաները (հատկապես մարսողության հետ կապված)։ Իրականում, «առանց էնզիմների՝ դուք շատ արագ սովամահ կլինեիք, քանի որ 50 տարի կպահանջվեր սովորական կերակուրը մարսելու համար»,— բացատրվում է «Կյանքի թելը» գրքում («The Thread of Life»)։ Ֆերմենտները գործում են կոնվեյերային սկզբունքով. սպիտակուցներից յուրաքանչյուրը կատարում է իր գործը։ Օրինակ՝ մալթազա ֆերմենտը ճեղքում է մալթոզը, որը շաքարի տեսակ է, և վերածում գլյուկոզայի (խաղողաշաքար) երկու մոլեկուլների։ Լակտազան ճեղքում է լակտոզան՝ կաթնաշաքարը։ Կան ֆերմենտներ, որ ստեղծում են ատոմների ու մոլեկուլների նոր միացություններ։ Նրանք իրենց գործը կատարում են ահռելի արագությամբ։ Ֆերմենտի մեկ մոլեկուլը յուրաքանչյուր վայրկյանում կարող է կատալիզատորի դեր կատարել հազարավոր քիմիական ռեակցիաներում։

Որոշ սպիտակուցներ դասվում են հորմոնների շարքը և կարգավորիչ ազդեցություն են գործում։ Անցնելով արյան մեջ՝ նրանք խթանում կամ նվազեցնում են օրգանիզմի մյուս անդամների գործունեությունը։ Օրինակ՝ ինսուլինի ներգործությամբ բջիջները սպառում են գլյուկոզան՝ իրենց էներգիայի աղբյուրը։ Կառուցվածքային սպիտակուցները, ինչպես՝ կոլագենն ու կերատինը աճառների, մազերի, եղունգների և մաշկի հիմնական բաղադրիչներն են։ Ըստ մի գրքի՝ բոլոր այս սպիտակուցները «ասես լինեն բջջի սյուները, գերանները, տախտակները, ցեմենտն ու մեխերը» («The Way Life Works»)։

Փոխադրող սպիտակուցները բջջաթաղանթում պոմպի և խողովակների դեր են խաղում՝ թույլ տալով, որ բջջի մեջ մտնեն կամ այնտեղից դուրս գան տարբեր նյութեր։ Այժմ տեսնենք, թե ինչպես են կազմված սպիտակուցները, և թե շղթա հիշեցնող նրանց կառուցվածքը ինչ կապ ունի նրանց կատարած աշխատանքի հետ։

Բարդ կառուցվածք՝ պարզ կառույցներից

Բազմաթիվ լեզուների հիմքում ընկած է այբուբենը։ Տառերի այդ ցուցակից կազմվում են բառեր, իսկ բառերից՝ նախադասություններ։ Մոլեկուլային մակարդակում կյանքը կառուցված է նման սկզբունքով։ Գլխավոր «այբուբենը» գտնվում է ԴՆԹ–ում։ Զարմանալի է, սակայն, որ այն բաղկացած է ընդամենը չորս տառերից՝ Ա, Գ, Թ և Ց։ Վերջիններս քիմիական հիմքերի՝ ադենինի, գուանինի, թիմինի և ցիտոզինի նշաններն են։ Այս չորս հիմքերից ԴՆԹ–ն ՌՆԹ–ի միջոցով կազմում է ամինաթթուները, որոնք կարելի է համեմատել բառերի հետ։ Սակայն ի տարբերություն սովորական բառերի՝ բոլոր ամինա­թթուների տառերի թիվը նույնն է՝ հավասար է երեքի։ Ամինաթթուները իրար են միանում «սպիտակուց հավաքող մեքենաների»՝ ռիբոսոմների օգնությամբ։ Արդյունքում կազմվում են շղթաները՝ սպիտակուցները, որոնք կարելի է համեմատել նախադասությունների հետ։ Սակայն դրանք ավելի շատ անդամներ ունեն, քան գրավոր կամ բանավոր որևէ նախադասություն։ Սովորական սպիտակուցը կարող է բաղկացած լինել մոտավորապես 300–400 ամինա­թթուներից։

Համաձայն մի աշխատության՝ բնության մեջ կան հարյուրավոր ամինաթթուներ, սակայն սպիտակուցների մեծ մասի բաղադրության մեջ մտնում են միայն 20–ը։ Այդ ամինաթթուները կարելի է համակցել գրեթե անթիվ տարբերակներով։ Միայն պատկերացրեք. եթե ընդամենը 20 տեսակի ամինաթթուները կազմեն 100 ամինաթթուների երկարությամբ մի շղթա, այդ շղթան կարելի է դասավորել ավելի քան 10¹⁰⁰ (այսինքն՝ հարյո՛ւր զրոներ ունեցող մեկ) եղանակներով։

Սպիտակուցի կառուցվածքն ու ֆունկցիան

Սպիտակուցի կառուցվածքը լիովին համապատասխանում է բջջի ներսում նրա կատարած ֆունկցիային։ Ամինաթթուների շղթայի դասավորությունից կախված է սպիտակուցի ձևը։ Ինչպե՞ս։ Ի տարբերություն ազատ օղակների, որ ունեն մետաղյա կամ պլաստմասսայե շղթաները՝ ամինաթթուներն իրար միանում են որոշակի անկյան տակ՝ հավասարաչափ դասավորությամբ։ Որոշ դեպքերում դրանք պարուրաձև տեսք են ստանում, ինչպես հեռախոսի լարերը։ Երբեմն էլ ծալվում են զգեստի դարսերի նման։ Ապա այս ձևավոր շղթաները «ծրարվում» են՝ կազմելով ավելի բարդ, եռապատիկ տարածական մի կառույց։ Սպիտակուցի ձևը պատահական չէ կազմված։ Այն համապատասխանում է նրա կատարած ֆունկցիային, ինչը ակնհայտ է դառնում, երբ ամինաթթվային շղթան որևէ ձևով վնասվում է։

Երբ շղթան վնասված է

Եթե ամինաթթվային շղթան կազմող սպիտակուցները արատ ունեն կամ սխալ են ծալվել, դա կարող է հանգեցնել մի շարք հիվանդությունների, այդ թվում՝ մանգաղաձևաբջջային սակավարյունության և կիստոֆիբրոզի։ Մանգաղաձևաբջջային սակավարյունությունը ժառանգական հիվանդություն է, որի դեպքում արյան կարմիր գնդիկների հեմոգլոբինը պարունակում է արատավոր մոլեկուլներ։ Հեմոգլոբինի մոլեկուլը բաղկացած է 574 ամինաթթվից, որոնք խմբված են չորս շղթաներում։ Եթե ամինաթթուներից անգամ մեկը միաժամանակ միանա չորս շղթաներից երկուսին, հեմոգլոբինում տեղի կունենան մանգաղաձևաբջջային փոփոխություններ։ Կիստոֆիբրոզի առաջացման հիմնական պատճառը ֆենիլալանին կոչվող ամինաթթվի պակասն է սպիտակուցի ամինաթթվային շղթայում։ Այլ հետևանքներ ունենալուց բացի, այս արատը խախտում է աղի և ջրի հավասարակշռությունը, որն անհրաժեշտ է մարսողական խողովակն ու թոքերը պատող թաղանթների համար։ Արդյունքում այդ լորձաթաղանթները արտասովոր կերպով հաստանում են և դառնում մածուցիկ։

Որոշ սպիտակուցների խիստ անբավարարությունը կամ բացակայությունը կարող է այնպիսի հիվանդությունների պատճառ դառնալ, ինչպիսիք են՝ լսնամաշկությունն ու հեմոֆիլիան։ Սովորական լսնամաշկությունը գունանյութի անբավարարությունն է, որն առաջանում է թիրոզինազա կոչվող սպիտակուցի սակավության կամ բացակայության դեպքում։ Սա անդրադառնում է մելանինի արտադրման վրա, որը դարչնագույն գունանյութ է և սովորաբար առկա է մարդու աչքերում, մազերում և մաշկում։ Հեմոֆիլիան առաջանում է արյան մակարդմանը նպաստող սպիտակուցային գործոնների նվազման կամ բացակայության պատճառով։ Արատավոր սպիտակուցների առկայությամբ պայմանավորված խանգարումներ են համարվում նաև կաթնաշաքարի հանդեպ անհանդուրժողությունը և մկանների հետաճումը (եթե նշենք ընդամենը երկուսը)։

Հիվանդության մեխանիզմը բացատրող տեսություն

Վերջին տարիներին գիտնականների ուշադրությունը գրավեց մի հիվանդություն, որը ոմանք կապում են պրիոն կոչվող սպիտակուցի ոչ նորմալ տեսակի առկայության հետ։ Ենթադրվում է, որ այդ հիվանդությունը առաջանում է այն դեպքում, երբ արատավոր պրիոնները միանում են նույն տեսակի նորմալ սպիտակուցներին, ինչի հետևանքով նորմալ պրիոնները ճիշտ չեն ծալվում։ Ինչպես նշվում է մի պարբերագրում, արդյունքում տեղի է ունենում «շղթայական ռեակցիա, որը խթանում է հիվանդությունը և առաջացնում վարակիչ նոր հարուցիչներ» («Scientific American»)։

Արատավոր պրիոններով պայմանավորված այս հիվանդությունը առաջին անգամ հանրության ուշադրությունը գրավեց 1950–ական թվականներին Պապուա Նոր Գվինեայում։ Մի քանի մեկուսացած ցեղեր կրոնական նկատառումներով զբաղվում էին մարդակերության որոշակի ձևով։ Դա հանգեցրեց կուրու կոչվող հիվանդության առաջացմանը, որը նույն ախտանիշներն ունի, ինչ Գրուցֆելթ–​Յակոբի հիվանդությունը («Creutzfeldt-Jakob disease»)։ Սակայն երբ այս ցեղերը վերջ դրեցին կրոնական այդ սովորությանը, հիվանդության դեպքերն արագորեն նվազեցին, և ներկայումս այն գրեթե անհետացել է։

Ապշեցուցիչ կառույց

Բարեբախտաբար, սպիտակուցները հաճախ ճիշտ են «ծրարվում» ու իրենց առջև դրված խնդիրները լուծում են ապշեցուցիչ ճշգրտությամբ և արդյունավետությամբ, ինչպես նաև միմյանց հետ զարմանալիորեն համագործակցելով։ Անչափ հետաքրքրական է իմանալ, որ մարդու օրգանիզմում կա ավելի քան 100 000 տեսակի սպիտակուց, և դրանք բոլորը բարդ շղթաներ են՝ հազարավոր ձևերով ծալված։

Սպիտակուցների աշխարհում շատ բաներ դեռ անհայտ են։ Ավելի խորը հետազոտություններ կատարելու համար գիտնականներն այժմ ստեղծում են բարդ համակարգչային ծրագրեր, որոնց օգնությամբ ամինաթթուների դասավորությունից կարելի է նախապես պարզել առաջացող սպիտակուցի ձևը։ Այնուամենայնիվ, սպիտակուցների վերաբերյալ մեր սակավաթիվ գիտելիքներն անգամ փաստում են, որ «կյանքի [այս] շղթաները» ոչ միայն մեծ ճշգրտությամբ են կառուցված, այլև անսահման իմաստությամբ։

[Շրջանակ 27–րդ էջի վրա]

Սպիտակուցների «ինդեքսը»

Առաքված նամակները տեղ հասցնելու համար փոստային ծառայությունները պահանջում են, որ դրանցից յուրաքանչյուրի հասցեի մեջ գրվի ինդեքսը։ Արարիչը նման սկզբունք է կիրառել սպիտակուցների համար, որպեսզի նրանք կարողանան գտնել իրենց ճանապարհը բջջի ներսում։ Մենք կհասկանանք այս քայլի կարևորությունը, եթե հաշվի առնենք այն մեծ եռուզեռը, որ տիրում է բջջի մեջ, քանզի այն պարունակում է միլիարդավոր սպիտակուցներ։ Չնայած դրան՝ նորաստեղծ սպիտակուցները միշտ կարողանում են գտնել իրենց ճանապարհը և հասնել իրենց «աշխատանքային» վայրը։ Դա տեղի է ունենում մոլեկուլային «ինդեքսի» շնորհիվ, որը սպիտակուցի ներսում գտնվող ամինաթթուների հատուկ շարան է։

Այս զարմանահրաշ սկզբունքը հայտնաբերելու համար կենսաբան Գյունթեր Բլոբելը, որ զբաղվում է բջիջների ուսումնասիրությամբ, 1999 թ.–ն արժանացավ Նոբելյան մրցանակի։ Մինչդեռ նա ընդամենը այդ ճշմարտությունը բացահայտողն էր։ Մի՞թե ուրեմն ապշեցուցիչ մոլեկուլային կառուցվածք ունեցող կենդանի բջջի Արարիչը արժանի չէ ավելի մեծ պատվի (Յայտնութիւն 4։11)։

[Սխեմա 24 և 25 էջերի վրա]

Ինչպե՞ս են կառուցված սպիտակուցները

Բջիջ

1 Բջջի կորիզում գտնվող ԴՆԹ–ն պարունակում է հրահանգներ յուրաքանչյուր սպիտակուցի վերաբերյալ

ԴՆԹ

2 ԴՆԹ–ի մի հատվածը բացվում է, և ինֆորմացիոն ՌՆԹ–ն փոխադրում է գենետիկական ինֆորմացիան

ինֆորմացիոն ՌՆԹ

3 ՌՆԹ–ն միանում է ռիբոսոմներին՝ «ինֆորմացիան ընթերցող սպիտակուցային կառույցներին»

4 Փոխադրող ՌՆԹ–ները ամինաթթուները տեղափոխում են ռիբոսոմի վրա

առանձին ամինաթթուներ

փոխադրող ՌՆԹ–ներ

ռիբոսոմ

5 «Ընթերցելով» ՌՆԹ–ն՝ ռիբոսոմը որոշակի հերթականությամբ իրար է միացնում առանձին ամինաթթուները՝ սպիտակուցի շղթան կազմելու համար

Սպիտակուցները կազմված են ամինաթթուներից

6 Շղթայի տեսք ունեցող սպիտակուցը պետք է ճշգրտորեն ծալվի՝ իր ֆունկցիան կատարելու համար։ Պատկերացնո՞ւմ եք, սովորական սպիտակուցը կազմված է ավելի քան 300 «օղակներից»

սպիտակուց

Մեր օրգանիզմում կան ավելի քան 100 000 տեսակի սպիտակուցներ։ Դրանք անհրաժեշտ են կյանքի համար

հակամարմիններ

ֆերմենտներ

կառուցվածքային սպիտակուցներ

հորմոններ

փոխադրող սպիտակուցներ

[Սխեմա 25–րդ էջի վրա]

Ինչպե՞ս է ԴՆԹ–ն «ընթերցում» յուրաքանչյուր սպիտակուցը

Դ Ն Թ Գ Թ Ց Թ Ա Թ Ա Ա Գ

ԴՆԹ–ն օգտագործում է ընդամենը չորս «տառ»՝ Ա, Թ, Ց, Գ

Ա Թ Ց Գ

ԴՆԹ–ի գաղտանգիրը «արտագրվում» է ՌՆԹ–ի վրա։ ՌՆԹ–ում Թ–ի փոխարեն հանդես է գալիս Ու–ն (ուրացիլ)

Ա ՈՒ Ց Գ

Երեք տառից բաղկացած յուրաքանչյուր կառույց կազմում է որոշակի «բառ»՝ ամինաթթու։ Օրինակ՝

Գ ՈՒ Ց = վալին

Ու Ա ՈՒ = թիրոզին

Ա Ա Գ = լիզին

Այս եղանակով կարելի է «գրել» հիմնական 20 ամինաթթուները։ Այդ «բառերը» միասին կազմում են շղթան, կամ՝ «նախադասությունը», որ սպիտակուցն է

[Սխեմա 26–րդ էջի վրա]

Ինչպե՞ս է սպիտակուցը «ծալվում»

Առանձին ամինաթթուները միավորվում են՝

1 կազմելով շղթա, ապա

2 դասավորվում որոշակի տեսքով, օրինակ՝ պարույրի կամ դարսի. այնուհետև

պարույր

դարս

3 «ծրարվում» են՝ կազմելով ավելի բարդ, եռապատիկ տարածական մի կառույց, որը կարող է լինել

4 սպիտակուցի բարդ կառույցի ընդամենը մի ենթաբաժինը

[Նկարազարդում 26–րդ էջի վրա]

Ռիբոսոմի մաս կազմող սպիտակուցը, որ ներկայացված է համակարգչային այս մոդելում, պատկերված է գույներով, ինչն ընդգծում է նրա եռաչափ բնույթը։ Կառուցվածքային ձևերը ցույց են տրված ոլորվածքների (պարույր) և գծերի (փոքր դարսեր) միջոցով։

[Թույլտվությամբ]

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)

[Թույլտվությամբ 24–րդ էջի վրա]

Adapted drawings: 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.