9. Nuo pienet koneet sisälläsi

Olemme päässeet niin pitkälle, että vihdoin voimme tutustua näihin solun toiminnasta vastaaviin koneisiin lähemmin. Joidenkin mielestä olen julkaissut näitä blogeja ehkä liiankin usein, mutta puolustukseksi sanon, että minulla on ollut kiire päästää juuri tähän esitykseen. Nämä koneet, proteiinit, entsyymit, vastaavat kaikesta solun toiminnasta.

Tässä ensimmäisessä kuvassa on sekä taiteilijan näkemys, että elektronimikroskooppikuva bakteerin siimamoottorista. Bakteerit voivat liikkua pyörivien siimojen avulla. Tätä siimaa pyörittää ihan sähkömoottorin näköinen moottori, mutta se ei toimi sähköllä vaan solun sisäisellä energialla. Sen ominaisuudet ovat huikeat: jopa 200 000 kierrosta minuutissa ja suunnan vaihto alta kierroksen täydestä vauhdista. Siinä on akselit, laakerit, roottorit ja staattorit niin kuin sähkömoottorissakin.

Tässä kuvassa oranssilla proteiini, jonka tehtävä on kuljettaa kuormaa solun sisällä. Kyseessä luonnollisesti taiteilijan näkemys asiasta. Sen alla tarkempi kolmiulotteinen mallinnus ko. proteiinista. Jos haluat nähdä miten se liikkuu, klikkaa tästä: http://i0.wp.com/www.artofthecell.com/wp-content/uploads/2014/05/John-Liebler-Kinesin-Walking.gif?zoom=2&resize=256%2C256

Alla olevassa videossa näkyy miten solun sisäistä energiatabletteja (ATP) valmistetaan pyörivän protonimoottorin avulla. Näistä ATP molekyyleistä kaikki muu solussa saa energiansa. ATP on solun koneiden polttoainetta. Ilman ATP:tä mikään ei toimi solussa. Kaikki solussa nojaa siihen, että on juuri ATP-molekyyleja, joka tarjoavat energiaa eikä mikään muu. Jos solusta poistetaan ATP, niin käy kuin sähkölaitteelle, jonka tepseli vedetään seinästä, kaikki pysähtyy. ATP on yhdistävä tekijä kaikkien näiden itsenäisten koneiden välillä. 

ATP synthase: Structure and Function

Tämä ATP moottori tekee yksinkertaisimman mahdollisen toiminnon solun elämän kannalta: muuttaa protoneja energiamolekyyleiksi, joita muut solun elimet käyttävät.  Onko tämä moottori mielestäsi niin yksinkertainen, että se voi syntyä sattumalta, vahingossa, itsekseen ja kerralla kuntoon? 

Ei ole yksinkertaisempaa tunnettua välivaihetta, mistä tämä kone olisi voinut tulla vähitellen - ei ole mitään yksinkertaisempaa vaihtoehtoa protonille, jolla tämä kone käy. Protoni on alkeishiukkannen, atomin rakenneosa.

Yksinkertaisimpaan asiaan tarvitaan siis hyvin monimutkainen kone, jonka rakennusohje on hyvin laaja, tuhansia nukleotidejä (tikapuun puolia) pitkä. Kun yksinkertainen asia vaatii monimutkaisen koneen, ei voi olla evolutio-opin vaativaa kehityspolkua toimivine välivaiheineen. Voi olla polku vain ei-mistään suoraan tähän toimivaan koneeseen. Giganttinen kehitysloikka.

Insinöörimieli on taipuvainen ajattelemaan, että se on niin tarkoituksellinen, ettei se voi syntyä kuin suunnittelemalla. Lisäksi suunnittelijan on tunnettava atomirakenne hyvin yksityiskohtaisesti - myös ATP:n molekyylirakenne. 

Tämän ATP tuotantolaitoksen on ollut oltava olemassa "ensimmäisenä" solun rakenteista, koska muut proteiinit toimivat vain tämän tuotoksella, mutta tämän itsensä rakennusohje on DNA:ssa. Proteiinit, jotka lukevat tämän ATP moottorin rakennusohjeen DNA:sta, tarvitsevat sen tuottamaa energiaa, ATP molekyylejä, toimiakseen. Mutta ATP molekyylejä ei siis ole, ennen kuin on tämä tuotantolaitos. Siis mikä oli ensin? Vai kenties kaikki samanaikaisesti?

Solussa kaikki todella on tarkoin suunniteltua. Solun syntyminen sattumalta on yhtä todennäköistä kuin, että miljardi tornadoa synnyttää Boeign-747  lentokoneen vähitellen kaatopaikalla, mukaillakseni Fred Hoylen kuuluisaa lausetta, johon hän päätyi tehtyään tilastollista analyysiä elämän sattumanvaraisen syntymisen mahdollisuudesta.

Alamme näkemään jäävuoren huippua siitä, miksi väitän, että avaruus ei ole mitään verrattuna ihmiseen, mutta vielä on paljon edessäpäin. Saimme vasta jalkamme oven väliin.

8. Tieto muuttuu rakenteeksi

Solun tumassa olevasta DNA:sta on kopioitu RNA. RNA on viety ribosomi nimiseen tehtaaseen (käyty läpi edellisessä blogissa: Kommunikointi vaatii sopimuksen). Nyt alkaa proteiinin valmistus. Tässä ihmeellisessä tapahtumassa tieto muutetaan rakenteeksi, koneeksi, joka oikeasti toimii.

Se mikä proteiini valmistetaan, riippuu siitä mistä kohtaa DNA:ta ohje kopioitiin.

Kun tietokone tallentaa kaiken tiedon nollilla ja ykkösillä, niin DNA tallentaa tiedon A, T, C, tai G molekyylillä. Näiden molekyylien käsittely ei tapahdu sähköllä eikä suoraan kemiallisesti, vaan molekyylimekaniikalla. Tätä mekaniikkaa hoitaa proteiinikoneet. Virallisesti proteiinit tai entsyymit, mutta kone nimitys on hyvin kuvaava.

Tietokoneessa yhden suomenkielen aakkosen tallentamiseen menee kahdeksan nollaa tai ykköstä. Esimerkiksi "A"-kirjain on 01000001 tietokoneen muistissa. DNA:ssa niitä neljää merkkiä luetaan kolmen erissä ja koska jokaiseen paikkaan on neljä vaihtoehto voidaan kolmella merkillä kertoa 4*4*4 = 64 eri vaihtoehtoa. Näitä eri vaihtoehtoja käytetään proteiinien rakentamisessa niin, että jokainen kolmen merkin sarja (codon), esimerkiksi CCG tarkoittaa jotain aminohappoa. Aminohappo taas on proteiinikoneen rakennuspalikka eli koneen osa, ikään kuin levy, ruuvi tai mutteri.

Erilaisia aminohappoja maailmassa on paljon, mutta elämä käyttää vain tiettyjä 20:tä. Lisäksi aminohappoja on sekä vasen- että oikeakätisiä niiden avaruudellisen muodon mukaan, mutta elämä käyttää aina vain vasenkätisiä. Laboratoriossa aminohappoja valmistettaessa tulee yleensä molempia kätisyyksiä yhtä paljon. Kysymys pohdittavaksi: Miten siis elämä käyttää vain vasenkätisiä? (Ei siis ainakaan sattumalta.)

Edellisessä blogissa kävin läpi sen miten RNA luettiin DNA:sta ja lähetettiin eteenpäin. Kun RNA saapuu tehtaaseen, aminohapot tulevat omilla "kuljettimillaan". 

Jokaisella aminohapolla on omanlaisensa kuljetin, jolla on erilainen tunnistuspää. Se on vastinpari RNA:ssa olevalle kolmen puolan pätkälle (codon). Tästä tehdas (ribosomi) tietää laittaa aminohappoja DNA:n tarkoittamassa järjestyksessä peräkkäin.

Tehtaasta tulee ulos ikään kuin helminauha, jossa erilaiset aminohapot seuraavat toisiaan. Tämä helminauha viedään toiseen tehtaaseen, joka laskostaa siitä oikean muotoisen koneen (proteiinin).

Kun aminohappoketjuja tehdään satunnaisesti, tulee niistä lähes aina vain toimimattomia myttyjä. Kun niitä tehdään solussa DNA:n ohjeen mukaan, ne todella toimivat. Vaihtoehtoja erilaisten ketjujen rakentamiseen satunnaisesti on loputtomasti*, vain hyvin harvat, tähtitieteellisen harvat, muodostavat kolmiulotteisen toimivan rakenteen. Mistä DNA sai juuri toimivat rakennusohjeet itseensä monista mahdollisuuksista?

*) Koska Aminohappoja on 20 ja niitä voi olla peräkkäin jopa yli 1000 niin erilaisia vaihtoehtoja on sellainen luku, kun kerrot 20 itsensä kanssa 1000 kertaa peräkkäin: 20 x 20 x 20 x 20 x … Liian iso kotitietokoneellakin laskettavaksi. Luvussa on yli tuhat nollaa.

Koska vaihtoehtoja on näin paljon, sokeasti arvaamalla ja kokeilemalla toimiiko proteiini, ei pysty edes yhtä toimivaa proteiinia rakentamaan useissakaan miljardeissa vuosissa, puhumattakaan niistä sadoista proteiineista, joita yksinkertaisinkin elämänmuoto tarvitsee. 

Alla olevat kuvat pyrkivät kertomaan, mikä ero on sokealla arvauksella (mytty) ja tarkoituksenmukaisuudella (toimiva rakenne):

Tässä sama prosessi animaationa. Siitä näet hyvin, miten järjestelmällinen on koko tämä prosessi.

DNAtranscription and translation [HD animation]
Kun syvästi ymmärrät tämän prosessin, jossa tiedosta tulee rakenne, alat ymmärtämään myös biologista elämää uudella tasolla. Tasolla, jossa tiedosta tulee elämän perusta.

7. Kommunikointi vaatii sopimuksen

Edellisessä blogissa (jos se jäi välistä niin katso se ensin täältä: http://mistametulemme.blogspot.fi/2016/10/6-elama-on-kopiointia.html ) näimme jo proteiinikoneen työssä, kopioimassa DNA:ta uutta elämää varten. Nyt käsittelemme sitä, mistä se ilmestyi ja miten se on rakennettu.

Solun sydämessä, tumassa, on turvallisen suojavallin sisällä kallein asia, tietokanta, joka kertoo, miten sinut rakennetaan. Tämä tietokanta on 3 miljardia "tikapuun puolaa" pitkä, eli n. 2m, ja kulkee nimellä DNA.

Nyt meillä on ongelma: DNA on tumassa, mutta siinä olevien rakennusohjeiden mukaan pitäisi rakentaa proteiineja "tehtaassa", joka on tuman ulkopuolella. DNA:ta ei voi kuljettaa pois tumasta tehtaaseen, koska sitä tarvitaan koko ajan moneen eri asiaan. Rakennusohje pitää siis kopioida ja kopio kuljettaa tehtaaseen. Aivan kuin oikeassakin yrityksessä: toimistosta koneen rakennusohje, piirustus, kopioidaan ja viedään kopio tehtaaseen.

Täksi kopioksi riittää puolikas tikapuuta, sillä olihan puolikkaissa aina sama tieto, koska A&T ja C&G esiintyivät aina vain pareittain. Tätä kopioitua puolikasta kutsutaan RNA:ksi. Proteiinikoneet lukevat DNA:ta ja kirjoittavat RNA:n. Sitten RNA kuljetetaan tuman ulkopuolelle ribosomi nimiseen tehtaaseen, jossa proteiini valmistetaan. RNA:ssa on osoite, mihin tehtaaseen se pitää viedä.

Tässä on huomioitava tärkeä asia: ribosomin, tehtaan, on ymmärrettävä RNA:n ohje. Sen on osattava lukea se. Sen on ymmärrettävä, että sitä luetaan kolmen puolan puolikkaan ryhmissä. Sen on ymmärrettävä, että se kokoaa proteiinin niin kuin DNA:n sen oletti tekevän, jotta valmistuu se proteiini, jonka DNA:n tietokone päätti valmistaa (tästäkin myöhemmin lisää).

Tässä on kyseessä selkeä kommunikointilinkki. Kommunikoinnissa sekä lähettäjän että vastaanottajan on puhuttava samaa "kieltä". Niiden välillä on oltava sopimus siitä, miten tiedonvälitys hoidetaan. Koska ne ovat etäällä toisistaan solun mittakaavassa, olisi teoriassa mahdollista, että ne muuttavat sopimusta itsekseen, vahingossa, sattumalta. Tällöin ei kommunikointi enää toimisi ja solu kuolisi, elämä loppuisi.

Luonnollisesti nämä molekyylitason rakenteet eivät omaa mitään omaa ymmärrystä tai tietoisuutta. Eivät ne tiedä mitä tekevät. Ne toimivat niin kuin koneet: suorittavat niille suunniteltua tehtävää järjestelmällisesti. Täten ne eivät voi itse tehdä keskenään sopimustakaan siitä miten kommunikointi hoidetaan. Miten sopimus sitten on syntynyt? Kas siinäpä hyvä kysymys pohdittavaksi. Jonkun on asetettava se ulkopuolelta - ulkopuolisen tarkkailijan roolissa, määrättävä se kieli, millä tieto kerrotaan ja miten se luetaan.

Seuraavassa blogissa mennään tehtaan sisälle katsomaan miten tieto muuttuu rakenteeksi eli miten koneita rakennetaan ohjeiden mukaan.

Sitä ennen tämä animaatio antaa hyvän käsityksen siitä, mitä oikeasti tapahtuu:

From DNA to protein - 3D

Tämä video menee sen edelle, mitä olemme tähän asti käsitelleet, mutta ensi kerralla, asiat tarkentuvat jälleen eteenpäin.

6. Elämä on kopiointia

Elämää syntyy vain elämästä - kopioitumalla. Tämän totesi Louis Pasteur jo 1800-luvulla eikä sitä sen jälkeenkään ole pystytty kumoamaan - ei edes laboratoriossa kiivaasti yrittämällä.

DNA, perimäsi tietopankki, kopioituu biljoonia kertoja elämäsi aikana.

DNA

DNA on hieno kaksoiskierteinen jättiläismolekyylirakenne, mutta kuvaan sitä näissä blogeissa äärimmilleen yksinkertaistettuna tikapuurakenteena (kuva alla). Voit googlailla helposti erilaisia DNA:n kuvia ja olet niitä jo varmasti nähnytkin. 

DNA:ssa on molemmilla reunoilla tukirakenne, joka pitää sen koossa (sokeri+fosfaattimolekyyli). Varsinainen tieto on "tikapuun puolissa". Yksi tikapuun puola koostuu kahdesta osasta, puolikkaasta. Ja yhteen puolikkaaseen on neljä eri vaihtoehtoa. Nämä ovat ne A, T, C ja G, kirjaimet, jotka esiintyivät jo aikaisemmissa blogeissa. Käytännössä ne ovat erilaisia molekyylejä, mutta siitä meidän ei tarvitse välittää. Riittää että ymmärrämme tämän tietojenkäsittelyn tasolla.

DNA:n tiedontallennuksen nerokkuus on siinä, että nämä tikapuun puolan puolikkaat esiintyvät aina pareittain. A & T ja C & G. Kaksinkertainen kirjanpito estää virheiden muodostumista. Näin myöskin solu pystyy helposti kopioimaan tiedon: halkaistaan tikapuut keskeltä ja täydennetään puolikkaat: Jos puolikkaassa on A täydennetään se T:llä ja jos siinä on C täydennetään se G:llä ja toisin päin. Tämän jälkeen meillä on kaksi täysin samanlaista tikapuuta ja solu voi jakautua - elämä jatkua. 

Hedelmöittymisen jälkeen lähdit liikkeelle yhdestä solusta, joka jakaantui. Tätä jakaantumista tapahtui uudelleen ja uudelleen kunnes sinusta tuli sinä - biologisesti ajatellen. Solun jakautuminen tapahtuu kahdessa vaiheessa. Ensin jakautuu tieto eli DNA ja sitten vasta koko solu. 

Vaan miten tämä kopiointi käytännössä tapahtuu? Se selviää helposti katsomalla alla oleva video. Siinä esiintyy myös proteiinikoneita, jotka varsinaisesti tekevät työn. Näistä me tulemme puhumaan jatkossa paljon.

Ensi kerralla alamme käydä läpi miten näitä proteiinikoneita valmistetaan. Niiden rakennusohje on DNA:ssa ja solu ei voi jakautua ennen kuin ohje on luettu DNA:sta ja kyseiset koneet on rakennettu. 

Tämä video kertoo miten tiedon kopiointi tapahtuu käytännössä. Kiinnitä huomiota erityisesti siihen miten mekaaninen operaatio se on. Pienen pienet koneet tekevät työn mekaanisesti liikkumalla. Huomaa miten samanlaisia nämä koneet ovat kuin jossakin tehtaassa olevat automaatiokoneet ja robotit. Ne toistavat väsymättä samaa liikettä uudelleen ja uudelleen. Ne ovat atomitason koneita, joten jos yksikin atomi on väärin tai uupuu, kone ei enää toimi. Sen koneinsinöörin, joka on suunnitellut nämä koneet, on täytytyn tietää tarkalleen ihan kaikki molekyylibiologiasta ja atomeista jopa kvanttifysiikasta. Nämä koneet koostuvat useista alikokoonpanoista ja tuhansista osista (aminohapoista). Huomaa myös, että koko tiedon kopiointi prosessi vaatii useita eri koneita. Jos yksikin uupuisi, niin elämä loppuisi. Miten nämä koneet siis ovat alun alkaen syntyneet? Yksi ensin, toinen sitten? Mitä ne tekivät ennen kuin ne olivat kaikki olemassa? Mitä se yksi teki ennen kuin se osasi kopioida tietoa? Koneet toimivat vain yhdessä tehtävässä. Huomaa myös ettei niillä ole tietoisuutta, ne ovat atomeja. Ne eivät itsessään voi kehittyä tai sopeutua.  

Mechanism of DNA Replication (Advanced)

Katso useampaan kertaan, että todella näet mitä tapahtuu. Huomaa että toinen puolikas voidaan kopioida suoraan, mutta toinen pitää kopioida "vastakarvaan" ja siksi sitä pitää "lenkittää" pätkissä.

Amazing sanoisi amerikkalainen.

5. Maailman tihein tiedon pakkaus - DNA

Solujesi tumassa on DNA, joka kertoo sinusta kaiken mahdollisen, jopa mahdolliset sairaudet. Se on tietopankki ja tietokone yhdessä. Siihen tallentuu ihmisen perimä ja se koostuu puoliksi isältä ja puoliksi äidiltä saaduista kromosomeista. Kromosomeja on 23+23 eli yhteensä 46. Perimme siis samanlaiset kromosomit molemmilta vanhemmiltamme. Paitsi miehillä on yksi poikkeus: y-kromosomi, joka periytyy vain isältä eli mieslinjaa pitkin.

Elektronimikroskooppikuva kromosomeista

Tasapuolisuuden nimissä mainittakoon, että mitokondrio nimisellä solun sisäisellä elimellä on oma perimänsä ja se peritään ainoastaan äitilinjaa pitkin. Eli periaatteessa kaikilla maailman ihmisillä on sama mitokondrio DNA (joskus paljon myöhemmin hieman tarkennusta tähän asiaan - niin kuin moneen muuhunkin). Perimme munasolun, ja siis kaikki ensimmäisen solumme rakenteet, äidiltä. Isältä perimme vain 23 kromosomin verran tietoa.

Jos ihmisen koko DNA laitettaisiin yhdeksi nauhaksi, niin se olisi lähes 2 metriä pitkä. Se on kuitenkin tarkoin kääritty solun tumaan, jonka läpimitta on vain viideskymmenestuhannesosa tästä koko pituudesta. Tämä on helpompi ymmärtää, kun kasvatetaan tuma koripallon kokoiseksi. Tällöin DNA on ongen siiman paksuinen ja 200 km pitkä. Miten pakkaisit tämän koripalloon niin, että siimaa voitaisiin lukea kokoajan sopivista kohdin valtavalla nopeudella? Alla oleva kuva hahmottaa sitä hieman ja lopussa oleva video kertoo sen paremmin kuin tuhat sanaa.

DNA kääriytyminen kromosomiksi

DNA on kääritty kromosomeiksi vain silloin kun solu jakaantuu. Muulloin DNA on täyttänyt tuman kolmiulotteisen tilan tarkoin määrätyssä muodossa, siten että DNA nauhan tietyt osat ovat lokeroituneet lähelle toisiaan. Tämä sen tähden, että samaan aikaan tarvittavat DNA:n osat saattavat olla kaukanakin toisistaan, jos nauha olisi suorana. Taivuteltuna oikeat kohdat saadaan lähelle toisiaan.

Tässä ei ole mitään satunnaista, vaan kaikki on tarkoin järjesteltyä. Tumassa olevat arkistonhoitajat kyllä tietävät, mitä kuulu olla missäkin, niin kuin kirjastossa kirjastonhoitaja osaavat laittaa oikeat kirjat oikealle hyllylle. Jokaisessa elimessä tarvitaan eri DNA:n alueita. Solun pitää tietää, mitkä alueet kuuluvat sydämelle, mitkä iholle, mitkä lihakselle. Ne osat mitä ei tarvita, ovat pakattuna tiukalle rullalle pois tieltä. Käytettävät alueet ovat taas auki, jotta niitä voidaan nopeasti lukea. Tämä tietoisuus tulee tarpeen silloin kun solu jakaantumisen jälkeen alkaa avata kromosomeja.

Elektronimikroskooppikuva DNA kaksoiskierteestä 

Ihmisessä on 100 biljoona omaa solua ja vielä enemmän ihminen kantaa bakteerisoluja. Se on iso luku ja isojen lukujen ymmärtäminen on vaikeaa, mutta tämä saattaa auttaa:

1000 sekuntia on alle 20 minuuttia

Miljoona sekuntia on 12 päivää

Miljardi sekuntia on 32 vuotta

Biljoona sekuntia on 32 000 vuotta

Jokaisessa solussa on DNA

Koska joka solussa on sama DNA (kutakuinkin), niin yhden ihmisen kaikissa soluissa yhteensä on enemmän muistikapasiteettia kuin kaikissa maailma tietokoneissa yhteensä. (Tällä ei valitettavasti ole mitään tekemistä oman muistisi kanssa.)

Alla oleva animaatio näyttää, miten DNA pakataan pieneen tilaan. Kuten siitä nähdään tämä pakkausmekanismi on kokonaisuus, jossa kaikki osat ovat tarpeen, jotta DNA mahtuu tumaan, aukeaa ja jälleen kokoontuu kromosomeiksi solun jakautumista varten. Kaikki ehdottoman tärkeitä vaiheita elämälle. Tämäkin järjestelmällisyys saa pohtimaan sitä vaikeutta, miten tällainen voisi syntyä sattumalta ilman suunnittelua.

https://www.youtube.com/watch?v=gbSIBhFwQ4s Nyt kun olemme suurin piirtein mahdollisimman tiiviisti ja nopeasti hahmottaneet ympäristön, niin ensi kerralla pääsemme varsinaisesti käsittelemään DNA:ta.