Biologisen elämän syvin salaisuus

Edellisessä artikkelissa kuvattiin kommunikaatiota ja miten sitä toteutetaan kaikkialla elämässä, jopa solun sisällä. Kommunikaatio ja tiedonkäsittely on biologisen elämän perusta. Tieto on tallennettu solun tumassa olevaan DNA:han ja sieltä se kommunikoidaan eteenpäin. 

Solu itsessään on hyvin monimutkainen laitos ja siitä monimutkaisuudesta tiedetään yhä enemmän. Tutkimusmenetelmät ovat kehittyneet viime vuosina merkittävästi. Solun tuma on sen tietokeskus: siellä tietojenkäsittelykoneet käsittelevät tietoa, joka on säilötty DNA:han kuin tietokoneen kovalevyyn konsonaan. Sen ympärillä toimii paljon monimutkaisempi järjestelmä tämän tiedon käsittelyssä. Jos kuvittelet tietokoneen sisälle pieniä olioita (sähkön sijasta) tekemään kaiken työn, pääset itse asiassa lähelle sitä, mitä tumassa tapahtuu. Siellä ei ole sähköä, vaan pieniä nanomolekyylejä, jotka mekaanisesti käsittelevät tietoa sisältäviä toisia molekyylejä. 

Havainnekuva solusta

Proteiinisynteesi on tapahtumaketju, jossa valmistetaan proteiineja. Proteiinit ovat oikeastaan pieniä koneita, jotka pystyvät energiaa käyttäen (ATP-molekyylit) käsittelemään molekyyleja elämän moninaisiin tarpeisiin. Solussa ei tapahdu spontaaneja kemiallisia reaktioita, vaan järjestelmällisiä prosesseja tiedon ja materian käsittelyssä. Proteiinisynteesi on näistä tärkein, sillä ilman sitä ei ole proteiineja toteuttamassa näitä elämälle välttämättömiä operaatioita. 

Proteiinien valmistus tapahtuu tuman ulkopuolella, kuitenkin solun sisällä, ribosomi nimisessä solun organellissa. Katsotaan tätä prosessia lähemmin. Tämän ymmärtämisen tärkeyttä en voi riittävästi korostaa, sillä kun tämän prosessin ymmärtää juuri tietojenkäsittelyn kannalta, aukeaa avaimet ymmärtämään biologista elämää, evoluutiota (spontaanin kehittymisen mahdottomuutta) ja elämän syntyä. 

Ymmärtääksemme, mitä proteiinisynteesissä tapahtuu, meidän on ensin ymmärrettävät, mikä DNA on ja miten se säilöö tietoa. Tässä meitä tulee vastaan tiedonkäsittelyn alkeet: merkistö, sanat ja kielioppi. DNA-molekyyli on kuin kierteelle ruuvattu pitkä tikapuu, joka säilöö kaiken tämän. 

DNA kaksoiskierre

Ihmisellä DNA:n pituus on noin 2 metriä jokaisessa solun tumassa. Tiedonkäsittelijäkoneet ovat pakanneet sen tarkasti pienille kerille niiltä osin, mistä sitä ei juuri nyt tarvita. Auki on ne osuudet, joita halutaan lukea. Näin 2 metriä pitkä DNA mahtuu pienen solun tumaan. 

DNA kääriminen histonien ympärille. Kromosomimuodossa (alin vaihe) DNA on vain solun jakautuessa. 

DNA:n salaisuus on sen "tikapuun" puolissa. Jokainen puola koostuu kahdesta osasta eli molekyylistä ja näitä molekyylejä on kaikkiaan neljä erilaista: Tymiini, Adeniini, Guaniini ja Sytosiini. Yleensä näitä merkitään lyhyesti vain T, A, G ja C kirjaimina. Huomattavaa tikapuun puolissa (oikeammin nukleotidi) on, että nämä molekyylit esiintyvät aina pareittain: T-A ja G-C. Tämä mahdollistaa DNA:n tiedon kopioimisen. 

T-A pari

G-C pari

Yksinkerstaistettu malli DNA:sta

Tiedonkäsittelyn perusoperaatiota ovat luku, kirjoitus ja tuhous. Kopiointi on näitä operaatiota monimutkaisempi. Siinä pitää lukea ja kirjoittaa, mutta myös vertailla ja kohdistaa. DNA:n käsittelyssä tämä on ratkaistu juuri sillä, että jos näet yhden kirjaimen, tiedät heti, mikä toinen kirjain sen pariksi tulee. Näin kopion tekeminen on täsmällistä. Eli jos on T, tulee sen pariksi aina A. Ja jos on G tulee sen pariksi aina C (tai toisinpäin). 

 

DNA:n puolikas sisältää riittävästi tietoa sen täydentämiseksi kokonaiseksi.

Siten kun tämä DNA tikapuut halkaistaan saadaan kaksi puolikasta ja täydentämällä ne, saadaan kahdet tikapuut, jotka täydellisesti vastaavat alkuperäistä eli on tehty Kopio. 

Tiedon kopiointi solun jakautumisessa on täydellistä.

Tämä täydellinen DNA:n kopiointi tapahtuu aina solun jakautumisen yhteydessä. Siinä ensin kopioidaan tieto, solun perimä, ja vasta sitten itse solu jakautuu.

Proteiinisynteesissä DNA avataan vain väliaikaisesti ja siitä kopioidaan vain toinen puoli. Tämä kopio irrotetaan DNA:sta ja näin syntyy RNA. DNA suljetaan jälleen ja RNA:ta jalostetaan eteenpäin lopulliseen muotoonsa, jolloin siitä tulee mRNA - lähetti-RNA, joka nimensä mukaisesti vie viestin eteenpäin tuman ulkopuolelle kohti ribosomia. 

Ribosomi itsessään on monimutkainen yhdistelmämolekyyli koostuen osin proteiineistä ja osin RNA ketjusta. Se on ikään kuin tehdas, joka vastaanottaa valmistusohjeen (mRNA) ja johon tRNA eli siirtäjä-RNA (tai tehtaaseen paremmin sopiva nimitys olisi kuljetin-RNA) kuljettavat aminohappoja, jotka ovat proteiinin osia. Näissä kuljettimissa on tunnistuspää ja ribosomi sovittelee erilaisia tunnistuspäitä mRNA:han ja kun sopiva kuljetin löytyy, ottaa se siitä aminohapon ja liittää edelliseen aminohappoon muodostaen näin aminohappoketjun. Tässä merkillisessä tapahtumassa tieto muuttuu aineeksi tai rakennusohje koneeksi. Lopulta valmistuu proteiini juuri täsmälleen rakennusohjeen mukaisesti sisältäen satoja tai tuhansia aminohappoja. 

Ribosomi

Kuten edellisestä kuvasta tarkkaa katsoen huomaa, tuolla ihmisen muotoisella kuljettimella, tRNA:lla, on aina kolme tikapuun puolan puolikasta (nukleotidia). Näitä kutsutaan kodoneiksi (tai tripleteiksi). Tämä on DNA:n ja siten biologisen elämän sanan pituus: kolme kirjainta. Jokaisella eri kolmen kirjaimen vaihtoehdolla on jokin merkitys. Joskus tosin kaksi eri kodonia merkitsevät samaa asiaa eli proteiinikoodauksessa samaa aminohappoa.  Tämä johtuu siitä, että biologisen elämän käyttämiä aminohappoja on vain 20 (monia muitakin voidaan valmistaa), mutta neljällä kirjaimella kolmen kirjaimen sanoina voidaan tehdä 64 eri yhdistelmää (4 x 4 x 4). 

Alla oleva taulukko kuvaa, miten kodonit vastaavat aminohappoja. Tämä on biologisen elämän sanakirja. Siinä jokaiselle sanalla tulee merkitys osana proteiinikoodausta. Kuvassa vasemmassa reunassa on ensimmäinen, ylhäällä toinen ja oikeassa reunassa kolmas kirjain. Pallossa taulukon soluissa on aminohapon nimen lyhenne. 

Aminohappojen koodaus kodonien avulla

Alla olevassa kuvassa vielä koko biologisen elämän ydinprosessin yhteenveto. DNA:sta kopioitiin ja valmistettiin lähetti-RNA, jonka mukaisesti ribosomi kokoaa aminohappoja ketjuksi. Tämän jälkeen aminohappoketju kuljetetaan vielä laskostettavaksi 3D muotoon, jonka jälkeen se on valmis palvelemaan solussa. 

Proteiinisynteesi

Proteiinisynteesille muodostuu merkitys DNA:n perättäisten kirjainten järjestyksen mukaan. Tässä ei ole mitään kemiallista tai fysikaalista selitystä. Edellinen nukleotidi ei mitenkään määrä, mikä voi sitä seurata (se määrä vain, mikä voi olla  sen kanssa samalla "puolalla"). Nukleotidien järjestys ei ole siten lainkaan aineeseen sidottu, vaan sen on puhtaasti tietojenkäsittelyn mukainen konsepti. Tämä järjestys on siis tarkoin tarkoituksenmukainen, ei materian määräämä: aine ei voisi tietää, missä järjestyksessä A, T, G ja C kirjaimia koostetaan DNA:han. 

Jos proteiineja rakennettaisiin satunnaisesti asettamalla aminohappoja peräkkäin, tähtitieteellisen harva näistä ketjuista tekisi jotain hyödyllistä. Siksi on tärkeää, että nukleotidit ovat tarkoin oikeassa järjestyksessä. 64/20 koodauksen ansiosta yhden nukleotidin muuttuminen toiseksi ei aina vaikuta suoraan aminohappoketjuun ja siten proteiinin rakenteeseen (tosin on havaintoja, että se vaikuttaa valmistusprosessin tehokkuuteen). 

Monet proteiinit, varsinkin tätä tietojenkäsittelyä tekevät proteiinit, menevät helposti rikki, jos niiden aminohapot eivät ole tarkkaan oikein. Tämä on tyypillistä mille tahansa tietojenkäsittelylle. Jos kommunikoinnissa käytetään sanaa, jota vastaanottaja ei ymmärrä, koko viestin merkitys häviää.

Mitä huomioita itsellesi nousee tästä solun ydinprosessista?