Od zarania dziejów złożoność życia stanowiła przedmiot zainteresowań ludzkości. Z pozoru proste powiązania i zależności atomów, molekuł, grup związków okazują się coraz bardziej skomplikowane i trudne do wyjaśnienia. Im dalej w las, tym więcej drzew – jak głosi przysłowie. Mimo rozwoju nauki i techniki złożoność systemów biologicznych wciąż przewyższa nasze możliwości. W czasopiśmie „Nauka” z 2011 roku możemy przeczytać:
Cząsteczka stanowi zbiorowisko atomów powiązanych ze sobą w sieć. To stwierdzenie stanowi kanwę hipotezy molekularnej struktury materii. Jednakże ta hipoteza nie może być wyprowadzona bezpośrednio z praw fizycznych mechaniki kwantowej rządzących ruchem jąder, elektronów i cząstek elementarnych. Zatem już na tym najniższym stopniu złożoności relacje między „częścią a całością” (cząstki elementarne vs cząsteczki chemiczne) nie jest prosta1.
Zwolennicy teorii inteligentnego projektu twierdzą, że w przyrodzie występują empirycznie wykrywalne ślady projektu i jednym z celów nauki jest analiza tego typu struktur. Oczywiście wykrywanie projektu jest cechą nie tylko nauk przyrodniczych. Można powiedzieć więcej, wykrywanie projektu jest integralną częścią naszego codziennego życia. Skupmy się jednak na naukach przyrodniczych.
Przykładem wysoce złożonego projektu jesteśmy my sami i składająca się na nas uorganizowana materia. Poniższy tekst w całości jest poświęcony znanym w świecie nauki podstawom biologii i biochemii komórki oraz złożonym zależnościom między poszczególnymi procesami i cząstkami, których obecność i funkcjonalność, niczym drobne koła zębate, stanowią o niezwykłości tak skomplikowanej maszynerii, jaką jest organizm. Ta wyjątkowa złożoność to niezaprzeczalny fakt konsekwentnego ciągu zdarzeń świadczący o inteligentnym porządku świata.
W naszym ciele znajduje się średnio 10 bilionów komórek różniących się między sobą budową i funkcją, a mimo to stanowią one spójną całość. Co ciekawe, każda z tych bilionów komórek posiada tę samą informację o nas samych – coś na kształt instrukcji obsługi, z tym że każda grupa komórek „czyta” instrukcję do swojego działania z innych stron. Sposoby komunikacji pomiędzy samymi komórkami i zespołami komórek (tkankami), wielopoziomowość płaszczyzn ich regulowania jest systemem niewyobrażalnie złożonym i zależnym od wielu czynników ‒ tak wewnętrznych, jak i zewnętrznych.
Rozmiary komórek mieszczą się w zakresie od 1 do 100 mikrometrów, co znacznie przekracza możliwości widzenia ludzkiego oka. Bez przyrządów pozwalających na obserwację w powiększeniu nasze oko byłoby w stanie zarejestrować jedynie obiekty większe niż 0,1 milimetra. Zasadniczym narzędziem, które umożliwiło wejście w świat w komórki, był mikroskop świetlny, dzięki któremu uzyskano tysiąckrotne powiększenie. Ten podstawowy (po dziś dzień stosowany) przyrząd optyczny wynaleziono już w XVI wieku, ale dopiero wprowadzone w kolejnym stuleciu udoskonalenia spowodowały, że znalazł on zastosowanie w naukach i badaniach biologicznych. Pierwszym człowiekiem, któremu udało się zaobserwować żywe komórki pod mikroskopem, był Antonie van Leeuwenhoek, który po dziś dzień uważany jest za ojca mikrobiologii2. W 1871 roku technika obrazowania znów przeżyła gwałtowny rozwój, a to dzięki odkryciu fluoresceiny – barwnika fluorescencyjnego, czyli takiego, który (najogólniej rzecz ujmując) pochłania i jednocześnie emituje światło, a ponadto wiąże się z wybranymi elementami komórki. Wraz z dalszym rozwojem technik obrazowania rozwijały się nauki biologiczne. W 2017 roku w „Laboratorium – Przeglądzie Ogólnopolskim” pojawił się artykuł szerzej traktujący o przebiegu dynamizacji w zakresie mikroskopii:
[…] w mikroskopii optycznej wprowadzono kontrast fazowy, a w latach 50. – kontrast interferencyjny. Znaczącym przełomem w obszarze mikroskopii było wynalezienie mikroskopu elektronowego. Pierwszy mikroskop elektronowy skonstruowali Ernst Ruska i Maks Knoll w 1931 r. Trzy lata później E. Ruska uzyskał rozdzielczość 100 nm – dwa razy lepszą niż uzyskiwana klasycznym mikroskopem optycznym. W połowie lat 80. ubiegłego wieku wykonano pierwsze eksperymenty z zastosowaniem mikroskopu sił atomowych (AFM). […] pozwala [to] na obrazowanie, pomiar i manipulację materią w skali nanometrycznej. W rozważaniach nie można pominąć odkrycia przez Wilhelma Röntgena promieniowania X. Odkrycie to pozwoliło na opracowanie nieinwazyjnych metod badania wnętrza organizmów żywych, a także analizy składu chemicznego badanych obiektów czy poznania struktury krystalograficznej analizowanych prób3.
Mnogość technik obrazowania, coraz szybsze komputery, łączenie i uzupełnianie jednych metod innymi – umożliwiają naukowcom stałe poszerzanie ram wiedzy z zakresu mikrobiologii. Stąd co bardziej dociekliwych odsyłam do obszernej literatury traktującej o samych technikach wizualizacji mikroświata; między innymi w 2013 roku czasopismo „Kosmos” wydało specjalny numer poświęcony tej tematyce4.
Ponieważ nie sposób opisać wszystkich istotnych zagadnień z zakresu biochemii organizmów żywych, w niniejszym artykule skupiam się na wyjaśnieniu podstaw – molekułach, strukturach i procesach biologicznych, stanowiących bazę wyjściową do dalszej eksploracji złożoności życia.
Człowiek najlepiej uczy się przez doświadczanie, toteż już w szkole podstawowej proponuje się przeprowadzenie doświadczenia z przygotowaniem preparatu mikroskopowego z użyciem skórki cebuli. Za pomocą mikroskopu świetlnego możemy obserwować bardzo wyraźnie zaznaczoną granicę komórek (błonę komórkową) oraz mocno zarysowany owalny kształt, czyli jądro komórki. Pozostałą część komórki wypełnia przezroczysta substancja – cytoplazma, w której znajdują się inne, drobniejsze struktury. Do ich obserwacji potrzeba już znaczniejszych powiększeń, rzędu kilku nanometrów. Takie powiększenia uzyskuje się w laboratoriach zaopatrzonych w mikroskop elektronowy. Po odpowiednim przygotowaniu preparatu możemy przyjrzeć się bliżej zawartości komórki. Okazuje się, że w cytoplazmie „pływa” całkiem spora ilość obiektów nazwanych organellami. Poza jądrem komórkowym możemy wyodrębnić między innymi mitochondria, aparat Golgiego, retikulum endoplazmatyczne, lizosomy, a w komórkach roślinnych także chloroplasty. Należy pamiętać, że pomiędzy wszystkimi strukturami komórkowymi a otoczeniem zachodzi ciągła wymiana wybranych materiałów. Stała komunikacja zapewnia odpowiednie w czasie zareagowanie na zmiany środowiska. Także same organelle pozostają ze sobą w ścisłym kontakcie i wzajemnie reagują na wszelkie modyfikacje otoczenia. Jest to niezwykłe z punktu widzenia teorii inteligentnego projektu – jedna mała zmiana w przyjętym porządku przyczynia się do lawiny adaptacji całkiem odmiennych w strukturze i funkcji organelli.
Trzeba tutaj zaznaczyć, że nie wszystkie komórki posiadają wyodrębnione organelle czy jądro komórkowe. To właśnie posiadanie tych obiektów stanowi podstawowe kryterium podziału organizmów na jądrowe i bezjądrowe, odpowiednio Eucaryota i Procaryota.
Rozwój mikroskopii i bujny rozkwit badań naukowych bazujących na technikach obrazowania pozwoliły zrozumieć, że „wszystkie żywe komórki powstają poprzez podział już istniejących”5. Wniosek ten sugeruje, że istnieje materiał, który zawiera wszystkie informacje dotyczące budowy i funkcjonowania danego gatunku, przekazywany przez komórki macierzyste do komórek potomnych.
Kwasy nukleinowe
Obecność kwasów nukleinowych jest kluczowa dla zachowania ciągłości gatunku. To właśnie dzięki nim owa „instrukcja” komórkowa jest przekazywana kolejnym pokoleniom u wszystkich organizmów żywych oraz wirusów. Wśród naturalnie występujących odmian wyróżniamy kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) oraz kwas rybonukleinowy (RNA), których rozróżnienia dokonał Phoebus Levene w 1929 roku6. DNA niesie genetyczną informację o tym, jakie białka mają powstać, aby zachować ciągłość i intensywność procesów zapewniających wzrost i rozwój organizmu. Kwasy RNA biorą udział między innymi w procesie powstawania białka (biosyntezie) czy w ekspresji genów, to jest odczytywaniu i „przepisywaniu” informacji zapisanej w genach.
Kwasy nukleinowe są biopolimerami, czyli związkami wielu jednostek połączonych ze sobą wiązaniami,. Przypomina to ogniwa w łańcuchu. Tymi ogniwami w DNA i RNA są nukleotydy. Każdy nukleotyd składa się z cząsteczki cukru, zasady azotowej oraz reszty kwasu fosforowego. Podstawowymi zasadami azotowymi w kwasach nukleinowych są adenina, tymina (zamiast tyminy w RNA obecny jest uracyl), guanina i cytozyna.
Na cząsteczkę DNA składają się dwie nici połączone wiązaniami wodorowymi znajdującymi się między oddziałującymi ze sobą zasadami azotowymi: adenina z jednej nici łączy się z tyminą z drugiej nici, a guanina z cytozyną. O takim wzajemnym łączeniu się odpowiednich zasad mówimy, że te zasady są względem siebie komplementarne. Tak połączone dwa łańcuchy tworzą coś na kształt drabinki, w której wiązania pomiędzy zasadami azotowymi są szczebelkami drabiny. Kolejność zasad azotowych determinuje tak zwaną strukturę I-rzędową DNA i warunkuje kod genetyczny, jaki niesie dana nić. Źródła podają, że długość DNA po rozwinięciu dochodzi do trzech metrów! Niesamowite jest to, w jaki sposób natura poradziła sobie z upchnięciem tak długiej struktury w tak maleńkich komórkach.
Dwa połączone łańcuchy DNA ulegają skręceniu w specyficzną spiralę (helisę), tworząc strukturę II rzędu. Zasady azotowe nie są rozpuszczalne w wodzie o pH obojętnym, w przeciwieństwie do deoksyrybozy i reszty fosforanowej. Struktury nierozpuszczalne znajdują się wewnątrz helisy, a rozpuszczalne – na zewnątrz.
Z kolei nić RNA jest nicią pojedynczą (wyjątkami są niektóre wirusy zawierające dwuniciowe RNA). Zasada komplementarności również tutaj obowiązuje, stąd zasady azotowe obecne w tej samej nici RNA mogą się „parować”, umożliwiając tworzenie bardziej złożonych struktur II rzędu, wewnątrz pojedynczego łańcucha. W RNA obserwujemy różne inne rodzaje oddziaływań, które umożliwiają tworzenie struktur III czy nawet IV rzędu. Można tu zatem znaleźć analogię do budowy białek. Podobieństwo zauważymy również w funkcji, bowiem RNA nie tylko bierze udział w biosyntezie białek, ale również w ekspresji genów czy katalizie reakcji chemicznych.
Kwasy RNA stanowią dużą grupę związków, bardzo zróżnicowaną pod względem struktury i funkcji. I tak, wyróżnia się rRNA (rybosomalne) będące częścią rybosomu katalizującego syntezę białka, mRNA (matrycowe) zawierające informację o kolejności aminokwasów w białku, prekursory mRNA, czyli hnRNA (heterogenny jądrowy), tRNA (transportowy) umożliwiający przetłumaczenie języka nukleotydów na język aminokwasów.
W ostatnich latach udało się poznać nowe klasy RNA, między innymi snRNA (małe jądrowe RNA) uczestniczące w wycinaniu intronów (fragmentów niekodujących) z prekursorów mRNA (pre-mRNA) czy snoRNA (małe jąderkowe RNA) biorące udział w obróbce rRNA, tRNA, snRNA, która polega na modyfikacjach chemicznych nukleotydów. Znanych jest także wiele niekodujących RNA regulujących ekspresję genów, na przykład miRNA, siRNA (biorą udział w degradacji cząsteczek mRNA) czy lncRNA (długie niekodujące RNA)7. Rodzajów RNA istnieje znacznie więcej, wiele z nich wciąż jest niepoznanych, co uniemożliwia rozszyfrowanie i poskładanie całego projektu tak złożonej struktury, jaką jest komórka.
Współczesna hipoteza o początkach istnienia życia na Ziemi sugerowała, że to RNA było pierwszą cząsteczką niosącą informację genetyczną, zanim pojawiło się DNA. Niedawne doniesienia angielskich badaczy wskazują jednak na istnienie hybrydy RNA i DNA, a ich rozdzielenie nastąpiło dopiero później. Są to zaledwie pierwsze wnioski z badań, które na pewno będą kontynuowane, niemniej jednak rzucają one nowe światło na dotychczasową wiedzę i hipotezy dotyczące początków życia8.
Organizacja materiału genetycznego
Skład genetyczny komórek ciała jest taki sam, powstaje zatem pytanie: co powoduje, że jedne komórki okrywają ciało i odbierają bodźce ze środowiska, a drugie transportują tlen lub inne związki między komórkami? Spójne funkcjonowanie różnie wyspecjalizowanych komórek jest następstwem włączania i wyłączania różnych genów w różnym czasie, w zależności od potrzeb tychże komórek lub ich zespołów. Takie zróżnicowanie jest wynikiem działania różnych czynników tak zwanych regulatorów ekspresji „dbających” o to, by dana komórka w określonym miejscu (np. w wątrobie) spełniała swoją funkcję adekwatną do miejsca, w którym się znajduje. To ciekawe zagadnienie z punktu widzenia projektu, bowiem początkowo wszystkie nowo powstające komórki macierzyste są totipotencjalne, czyli mogą wytwarzać kolejne niewyspecjalizowane komórki lub komórki skierowane na drogę pełnienia konkretnych funkcji. Wciąż nie wiadomo, co powoduje specjalizację komórek, co jeszcze bardziej podkreśla niezwykłą złożoność całego systemu.
Regulacja ekspresji genów w DNA jest zależna od jego dostępności dla czynników, których zadaniem jest aktywowanie lub zahamowanie aktywności danego fragmentu niosącego informację genetyczną.
Nić DNA wykazuje poziomowość upakowania, czyli każdy kolejny poziom zwijania zachodzi nieco inaczej. Na pierwszym poziomie nić DNA owija się wokół ośmiu białek (histonów), tworząc swego rodzaju paczuszki połączone krótkim odcinkiem DNA (DNA łącznikowy) (Rys. 1). Modyfikacje białek histonowych (metylacja bądź acetylacja) wpływają na intensywność ich wiązania się z DNA. Jeśli dana modyfikacja doprowadzi do rozluźnienia się owej „paczuszki”, geny obecne w DNA z tego fragmentu będą bardziej dostępne dla czynników odpowiedzialnych za ich aktywowanie. Odwrotnie, modyfikacje zwiększające związanie się DNA z histonami wyciszają geny obecne w tym fragmencie. Połączone nukleosomy, przypominające wyglądem koraliki nanizane na nitkę, nazywa się włóknem 10 nm. Rozmieszczenie nukleosomów wzdłuż całego DNA bywa różne i zależne od aktywności danego regionu. Jeśli dany fragment nici jest mniej dostępny (bo bardziej skondensowany), wtedy jest rzadziej transkrybowany lub wcale tej transkrypcji nie ulega. Kolejnym stopniem upakowania jest włókno o średnicy 30 nm, zwane solenoidem, wyglądem przypominające sprężynkę. Końcową, maksymalnie upakowaną formą materiału genetycznego (długość skraca się około 50 000 razy) jest chromosom mitotyczny9
DNA wraz z białkami towarzyszącymi nazywamy chromatyną. Jedne komórki mają bardziej upakowany materiał genetyczny, drugie mniej. To, kiedy i jak mocno chromatyna jest skondensowana, zależy od cyklu komórkowego: w trakcie interfazy, kiedy dochodzi do podwojenia informacji (replikacji), chromatyna jest „rozluźniona”, dając dostęp enzymom i czynnikom odpowiedzialnym za replikację. W trakcie mitozy, kiedy podwojony materiał genetyczny rozdzielany jest do komórek potomnych, chromatyna jest maksymalnie upakowana. Na stopień „ściśnięcia” chromatyny i histonów ma wpływ sama sekwencja nukleotydów w DNA. Udowodniono, że sekwencje regulatorowe, związane z aktywacją lub hamowaniem ekspresji genów, są mniej atrakcyjne dla formowania się nukleosomów, są zatem bardziej wyeksponowane na działanie czynników odpowiedzialnych za transkrypcję.
Gabriela Janusz
— Koniec części pierwszej —
Ostatnia aktualizacja strony: 07.07.2021
Źródło zdjęcia: Shutterstock
Przypisy
- M. Chorąży, Złożoność i hierarchia organizmów żywych, „Nauka” 2011, t. 3, s. 89–112.
- Por. H. Gest, The Discovery of Microorganisms by Robert Hooke and Antoni Van Leeuwenhoek, Fellows of the Royal Society, „Notes and Records: The Royal Society of London” 2004, Vol. 58, No. 2, s. 187–201.
- N. Bartoszek, M. Rosowski, Techniki mikroskopowe w badaniach biologicznych, „Laboratorium – Przegląd Ogólnopolski” 2017, nr 9–10, s. 12–21.
- Por. Mikroskopia świetlna XXI wieku, „Kosmos” 2013, t. 62, nr 2.
- B. Alberts i in., Podstawy biologii komórki, tłum. J. Michejda, J. Augustyniak, Warszawa 1999, s. 3.
- Por. M.M. Gabryelska i in., DNA – cząsteczka, która zmieniła naukę. Krótka historia odkryć, „Nauka” 2009, t. 2, s. 111–134.
- Por. M. Figlerowicz i in., Wpływ małych regulatorowych RNA na przebieg zakażeń wirusowych – nowe strategie leczenia zakażeń HCV, „Przegląd Epidemiologiczny” 2006, nr 60, s. 693–700.
- Por. J.D. Sutherland et al., Selective Prebiotic Formation of RNA Pyrimidine and DNA Purine Nucleosides, „Nature” 2020, Vol. 582, s. 60–66.
- Por. M.J. Olszewska, Nukleosomy i regulacja aktywności chromatyny, „Postępy Biochemii” 2010, t. 37, nr 3, s. 657–670.