PRZENIKNIĘCIE

TAJEMNIC

KOMÓRKI

Londyn, rok 1665. Towarzystwo Królewskie (Angielska Aka­demia Nauk) otrzymało dzieło znanego fizyka, matematyka, wynalazcy i badacza przyrody Roberta Hooke’a pod intrygu­jącym tytułem Mikrografia czyli pewne obserwacje fizjologiczne nad najmniejszymi dalami, dokonane przez szklą powiększające. W owych czasach niedawno wynaleziony mikroskop, znany raczej jako „magiczne szkło powiększające” uważany jest za jeden z cudów techniki i przyciąga nie tylko uwagę uczonych, ale także wzbudza zainteresowanie ciekawych mieszczan, znudzonych arystokratów, a nawet koronowanych głów. Dla­tego też każdy opis nowych odkryć ze świata „najmniejszych ciał” stanowi taką sensację, jaką są informacje żeglarzy o nowo odkrytych lądach ze wschodnich i zachodnich „Indii”.

Nie ulega wątpliwości, że dzieło Hooke’a, zawierające rów­nież szczegółowy opis udoskonalonego przez niego mikroskopu, zostało odpowiednio ocenione przez szanownych członków Towarzystwa Królewskiego.TBodajże jednak ani oni, ani sam Hooke nie podejrzewali, że jedna z jego obserwacji: „Obser­wacja Nr 18. O schemacie budowy korka i o komórkach i porach w niektórych innych takich dalach porowatych” przeżyje wieki całe i stanie się zaczątkiem nowej epoki wiedzy ludzkiej.

¿.Wziąłem kawałek grubego czystego korka i nożykiem do temperowania piór odciąłem z niego kawałek, otrzymując w ten sposób niezwykle gładką powierzchnię, a potem obejrzałem ją dokładnie za pomocą mikroskopu/Wydaje mi się, że udało mi się dostrzec w niej pory, ale nie mogłem ich obejrzeć dość dokładnie, żeby się przekonać, że są to rzeczywiście pory... Tym samym ostrym nożem wyciąłem z tej samej gładkiej po­wierzchni niezwykle cienki kawałek korka i kiedy go położyłem na czarnej płytce... a także, kiedy go oświetliłem za pomocą płasko-wypukłego szkła, nadzwyczaj łatwo spostrzegłem, że cały ten kawałek jest podziurkowany i porowaty, podobnie jak plaster pszczeli, pory jego jednak nie są tak regularne...

... Te pory czy komórki nie były bardzo głębokie, ale skła- 5

Jak tylko je zauważyłem (były one rzeczywiście pierw- \\szymi porami mikroskopicznymi, jakie kiedykolwiek widzia­łem, a których prawdopodobnie jeszcze nikt nie obserwował ponieważ nigdy nie zetknąłem się z pisarzem ani inną osobą, która by wcześniej o tym wspominała), pomyślałem, że doko­nałem odkrycia i naraz zrozumiałem wszystko to, co dla mnie dotychczas co do korka było niezrozumiałe. . ."A

Tymi wierszami, które stylem bardzo przypominają opowia- dania Guliwera o odwiedzonych przez niego wyspach, zaczyna się epoka badania struktury mikroskopowej materii żywej.

A nazwa komórka, którą Hooke daje obserwowanym przez siebie „porom” stanie się jednym z podstawowych pojęć biologii. Będzie ona stosowana do tego zupełnie ma­lutkiego okruchu materii, w którym natura ukryła jedną ze swoich najskrytszych tajemnic — tajemnicę życia. Ale w tym wypadku, podobnie jak to się zdarza z imionami ludzi, imię nie pasuje zbyt dobrze, Bo oto komórka (po łacinie cella zdrobniale: cellula) oznacza pokoik, klatkę, tzn. chodzi tu

0 jakąś ścianę, opakowanie, przegrodę, zamykającą pewną pustą przestrzeń. W rzeczywistości zaś życie się kryje nie w martwych celulozowych ściankach komórki korka, obserwo­wanych przez Hooke’a, lecz w półpłynnej zawartości żywych komórek, w protoplazmie.

Stanie się to jasne jednak dopiero o półtora stulecia później. A teraz, w końcu XVII wieku, obserwacje, nad niewidocznym światem „najmniejszych ciał” zupełnie nie mają charakteru systematycznych badań naukowych, stanowią one raczej swo­iste hobby tych mistrzów-optyków, którzy niedawno opanowali technikę uzyskiwania i szlifowania szkła optycznego i skonstruo­wali pierwsze mikroskopy.

Trudno powiedzieć, kto i kiedy dokładnie zbudował pierwszy mikroskop. Spośród wielu bezimiennych pionierów historia odnotowała nazwiska holenderskich optyków — braci Jansen (1590). Istnieją dane na to, że Galileusz poza teleskopem zbudo­wał też przyrząd do obserwacji mikroskopijnych ciał.

Obok R. Hooke’a wśród pierwszych konstruktorów „szkieł powiększających” i badaczy żywej komórki rysuje się barwna sylwetka Holendra Antonyego van Leeuwenhoeka (1632— —1723) kupca i manufakturzysty z zawodu, amatora-optyka z wrodzonego zamiłowania, a z powołania — genialnego ba­dacza przyrody żywej. W swoich listach do Londyńskiego To­warzystwa Królewskiego, a potem do innych towarzystw nau­kowych niezmordowanie opisuje on w ciągu całych dziesięcio­leci dziesiątki odkrytych przez siebie „małych zwierzątek”, wśród nich zaś — krwinki czerwone z krwi człowieka, żaby

1 ryby (1674) i plemniki (1677). Obserwuje budowę włókien mięśniowych, zębów i innych tkanek, a także ruch erytrocytów

w naczyniach włosowatych. Leeuwenhoek pierwszy odkrywa także nie przewidywany dotychczas niewidzialny „świat kropli wody”: jednokomórkowe wodorosty, wymoczki (Infuzorie), wiciowate i inne mikroorganizmy. W roku 1683 opisuje on też różne rodzaje bakterii: koki, bakcyle, spiryle i przez to kładzie podwaliny mikrobiologii.

Nikt oczywiście jeszcze ciągle nie podejrzewa, że odkryte przez Hooke’a „komórki” korka i niewidoczne „zwierzątka” Leeuwenhoeka stanowią takie same twory. Nie wiążą też w tym czasie tych odkryć dwaj inni wybitni uczeni — mikroskopiści XVII wieku — M. Malpighi i N. Grew, którzy między ro­kiem 1671 i 1675 niezależnie jeden od dhigiego stwierdzają, że najróżniejsze części roślin zbudowane są ze ściśle rozmiesz­czonych obok siebie pęcherzyków czy torebeczek.

Jizeczywiście uczonym XVII wieku przypada honor obserwo­wania po raz pierwszy komórki, komórkowej budowy roślin i pierwszych żywych komórek. Ale tylko ich obserwowania. Jak daleko są oni jeszcze od właściwej oceny swoich odkryć, od uogólniającego pojmowania komórki jako podstawowej strukturalnej jednostki wszystkich żywych orga­nizmów! \

OD OBSERWACJI DO NAUKOWYCH UOGÓLNIEŃ

Pierwsza połowa XIX wieku. Właśnie skończyła się zawierucha Wielkiej Rewolucji Francuskiej. Cichnie tętent wojen napoleoń­skich. Ale rewolucyjne przemiany nastąpiły nie tylko w struk­turze ekonomicznej i życiu społecznym narodów Europy. Gwałtownego rozpędu nabrały też nauki przyrodnicze. Szybko rozwijający się przemysł przy nowym ustroju burżuazyjnym potrzebuje wiadomości z zakresu przyrody. Ze swojej zaś strony każdy nowy krok przemysłu, każda zdobycz techniczna daje uczonym nowe, doskonalsze przyrządy i środki do odkryć naukowych!

W początku XIX wieku zostaje wydatnie ulepszony mikro­skop. Przez bardziej doskonałą optykę usunięta zostaje podsta­

wowa wada prymitywnych mikroskopów: aberracja chroma­tyczna. Teraz już uczeni mogą wyraźniej i dokładniej śledzić mikroskopową budowę organizmów. A i sam mikroskop staje się bardziej dostępny: około roku 1830 zaczyna się też jego produkcja przemysłowa.

W ciągu paru dziesięcioleci wiedza o budowie mikroskopowej tkanek szybko wzrasta. Ale dziwna rzecz! Jakąkolwiek tkankę poddaje się obserwacji pod mikroskopem, czy zwierzęcą, czy też roślinną, obraz jest podobny, tkanka składa się z jakichś ele­mentarnych struktur, przypominających pęcherzyki, ziarenka, komóreczki.... Stara, zapomniana i nie całkiem odpowiednia nazwa „komórka” zdobywa coraz większą popularność. Ale uwaga uczonych przesuwa się teraz ze ścianek „komóreczek” na ich zawartość. Komórka już nie jest pudełeczkiem wypeł­nionym powietrzem, lecz żywym ciałem o półpłynnej konsys­tencji, ciałem, które wybitny czeski uczony Jan Purkyné (1838), a nieco później H. von Mohl (1844—1846) nazwał protoplazmą. Okazuje się przy tym, że ta zawartość komórki ma skomplikowaną budowę wewnętrzną. W roku 1831 angielski botanik R. Brown odkrywa jądro w komórkach roślinnych, a wkrótce po nim Purkyné potwierdza to odkrycie także dla komórek zwierzęcych.

I tak dojrzał czas dla wielkiego uogólnienia naukowego. Ho­nor zamknięcia tego pierwszego okresu badań komórki i sfor­mułowania teorii komórki przypadł niemieckim uczonym — botanikowi Mateuszowi Jakubowi Schleidenowi (1838), a zwłaszcza zoologowi Teodorowi Schwannowi (1838, 1839), którego książka Badania mikroskopowe nad paralelą w budowie i wzroście roślin i zwierząt (1839) słusznie uważana jest za dzieło programowe, które ugruntowało teorię komór­kową.

W rozwoju nauk biologicznych teoria ta odegrała taką samą rolę, jaką wykazała teoria atomu w rozwoju chemii i fizyki. Tak jak teoria atomowa utrwaliła zasadę materialnej jedności świata i stworzyła mocną podstawę naukową do badania budowy i wzajemnych oddziaływań między substancjami, teoria ko­mórkowa ugruntowała zasadę wspólności w budowie

"wszystkich organizmów, zasadę materialnej jedności przyrody żywej. Otwarta została droga do pogłębionego naukowego badania procesów życia. Teoria komórkowa posłużyła też jako podstawa rozwoju idei ewolucjo- nizmu. Stało się tak dlatego, że jednolitość w budowie żywych organizmów niedwuznacznie wskazuje też na jednolitość w ich pochodzeniu, ogólność podstawowych prawidłowości ich rozwoju. Dlatego nie przypadkiem pół wieku później Fryderyk Engels w Dialektyce przyrody oceni teorię komórkową jako jedno z trzech największych osiągnięć przyrodoznawstwa w wieku XIX!

TEORIA KOMÓRKOWA STAJE SIĘ NAUKĄ OGÓLNOBIOLOGICZNĄ

Ale uogólnienia Schleidena i Schwanna stanowiło dopiero po­czątek. Trzeba było jeszcze siedemdziesięciu lat, aby teoria komórkowa objęła wszystkie aspekty działalności życiowej organizmów i przekształciła się w jednolitą naukę ogólnobio- logiczną.

M. Schleiden i T. Schwann włączyli do teorii komórkowej budowę komórki roślinnej i zwierzęcej. Pozostawała jednak duża grupa mikroskopijnych „żyjątek” Leeuwenhoeka. Z bie­giem czasu odkryto jeszcze wiele takich „żyjątek”, ale czym one naprawdę są, było nadal tak niejasne, jak w czasach Leeu­wenhoeka. Dlatego gdy w roku 1759 ojciec systematyki, Karol Linneusz, postanowił podzielić zwierzęta i rośliny na grupy i klasy, nie zdołał znaleźć odpowiedniego miejsca w swej kla­syfikacji dla tych mikroskopijnych istotek i niczym Salomon połączył je w jedną grupę pod znaczącą nazwą „chaos”.

I oto powstało pytanie: czy te mikroorganizmy też są komór­kami ? Co do niektórych mikroorganizmów roślinnych — wodo­rostów i grzybów — zagadnienie to zostało już rozwiązane w spo­sób pozytywny (1830—1839). Bardziej niejasna była sytuacja mikroskopijnych „żyjątek” — wymoczków, których skompli­kowana budowa wewnętrzna i dziwaczne formy z trudem mieś­ciły się w ówczesnych uproszczonych wyobrażeniach o komórce. Ale i one zostały zaliczone do wielkiej rodziny organizmów jedno­komórkowych — pierwotniaków, kiedy w roku 1845 Siebold ustanowił całą grupę Protozoa zwierząt jednokomórkowych.

Nie tak łatwo jednak zostało rozwiązane zagadnienie bakterii. Ich uproszczona budowa i brak jądra dawały podstawę nie­którym uczonym (do niedawna nawet) do odmawiania im charakteru komórek. Spór został ostatecznie rozstrzygnięty dopiero w naszych czasach, kiedy dowiedziono podobieństwa w wymianie materii i submikroskopowej budowie bakterii i pozostałych komórek.

Poza mikroorganizmami dwa inne typy komórek — jajo i plemnik także wywoływały wątpliwości co do tego, czy mogą

być zaliczane do „społeczeństwa komórek”. Jajo jest dziwnym tworem. U niektórych zwierząt dosięga ogromnych rozmiarów i nie jest podobne do innych komórek. A od niego zaczyna się nowy organizm. Czy to jest komórka, czy nie ? Kwestia ta ma znaczenie zasadnicze. Dlatego, że jeżeli jajo nie jest komórką, zatraca się dziedziczenie budowy komórkowej między pokole­niami. To samo odnosi się do plemnika. Dla rozstrzygnięcia tego zagadnienia konieczne było prześledzenie za pomocą mikro­skopu procesu tworzenia się jaja i plemnika. Wyniki tych badań potwierdziły w tym wypadku ich komórkowy charakter (A. Kóllicker 1841—1844).

Nie upłynęły nawet dwa dziesięciolecia od powstania teorii komórkowej, a już wykazała ona swoją prawdziwość a także i to, że dzięki niej mogą być rozwiązywane podstawowe problemy stosowanych nauk biologicznych, takich jak medycyna. Przez całe wieki ludzie starali się przeniknąć istotę procesów chorobo­wych, ale jeszcze od głębokiej starożytności w oparciu o autorytet Hipokratesa, Gallena i Awicenny istoty chorób szu­kano w zmianie normalnych „proporcji” między „sokami ży-

wotnymi” (krew, śluz, żółta i czarna żółć). Tak na przykład dobrze znany stan przygnębienia duchowego zwanego melan­cholią, objaśniano przewagą „czarnej żółci”, stąd też i sama nazwa choroby {melanos — czarny, ponury; cholos — złość, gniew, żółć). Ta tak zwana teoria humoralna budowy organizmu ludzkiego i chorób utrzymywała się do połowy wieku XIX i stanowiła poważną przeszkodę w rozwoju medycyny.

Z ustaleniem się teorii komórkowej świeży powiew prawdy naukowej przeniknął też do nauki o chorobach. Natychmiast postawiono pytanie: jeżeli to nie soki żywotne lecz komórki są podstawowym budulcem organizmu, to czy i procesy choro­bowe nie wynikają z uszkodzeń komórek, z rozstroju w ich działaniu? Pierwsze badania mikroskopowe nad komórkami chorych organizmów dokonane przez J. Müllera, J. Hen- lego i R. Remacka popierały to przypuszczenie. Ale zasługa pełnego uzasadnienia i uogólnienia tej zasady przypada Rudol­fowi Virchowowi (1855). Jego znakomita kiążka Patologia komórkowa (1858) miała w ciągu dwu lat dwa wydania, co w owych czasach stanowiło rzadkość. Została entuzjastycznie przyjęta przez lekarzy i nawet „ideolog” teorii humoralnej owych czasów — wiedeński specjalista od anatomii patologicz­nej, K. Rokitansky, uznał błędność swych poglądów i przyjął naukę Virchowa. I rzeczywiście stworzenie patologii komórkowej jest jednym z najważniejszych wydarzeń w rozwoju nauk medycznych. Virchow zadał druzgocący cios idealistycznemu pojmowaniu istoty chorób i skierował patologię (naukę o cho­robach) na właściwą drogę — ku komórce.

W tym samym czasie poważne dyskusje toczyły się koło jeszcze jednego ważnego zagadnienia. Organizmy składają się z komórek. A jak powstają same komórki ? Kwestia ta niepo­koiła już twórców teorii komórkowej, ale niestety proponowane przez nich rozwiązanie było zupełnie błędne. Zdaniem Schlei- dena i Schwanna komórki powstają w organizmie na nowo two­rząc się ze śluzowatej substancji międzykomórkowej, którą nazwali cytoblastemą. Ta błędna teoria, stanowiąca w swej istocie komórkowy wariant teorii samorództwa, została wkrótce obalona. W roku 1841 Remack opisał podział komórki, a wkrótce

potem stwierdził, źe podział taki to zjawisko szeroko rozpowsze­chnione w rosnących tkankach. Ale znowu Virchowowi przypa­dła zasługa sformułowania stwierdzenia, że fakt ten jest jedną z podstawowych prawidłowości w teorii komórkowej i w biologii w ogóle. Nowe komórki mogą się tworzyć jedynie przez podział już istniejących: Omnis celullae celulla (Każda komórka z ko­mórki). I tak potok dziedziczenia życia w czasie realizowany jest przez podział komórek.

W ten sposób stopniowo teoria komórkowa przekształcała się w naukę obejmującą szeroki zakres wiedzy ogólnobiologicz- nej. Uczeni pełni byli optymizmu, ponieważ przekonani byli, że w badaniu budowy komórki i procesach, które w niej się toczą, ukryta jest właściwa droga do wyjaśnienia tajemnic życia.

W POGONI ZA KOMÓRKOWYMI ORGANELLAMI

Zbadajmy komórkę! Ale jak? Jak przeniknąć w tajemnice tego mikroskopijnego okruchu materii żywej ? Trudności było ogromnie dużo. Wynikały one nie tylko z mikroskopijnych wymiarów komórki, lecz także z właściwości jej budowy we­wnętrznej oraz z wrażliwości żywych komórek na wszelkie oddziaływania z zewnątrz.

Spróbujcie obejrzeć pod zwykłym mikroskopem optycznym żywą niezabarwioną komórkę. Jeżeli nie zawiera ona własnych środków barwiących, trudno będzie wam odkryć jakieś szcze­góły jej budowy poza jądrem komórkęwym. Przed wami leży jakaś przezroczysta, galaretowata, szklista materia. Objaśnie­nie tego faktu jest nader proste: poszczególne składniki ciała komórkowego zbudowane są z podobnych substancji i mają prawie jednakowy stopień zawartości; pochłaniają lub odbijają promienie świetlne mniej więcej w ten sam sposób i wobec tego nie można odróżnić jednych od drugich. Innymi słowy, komórka stanowi zmniejszoną podobiznę niewidzialnego czło­wieka z powieści fantastycznej H. Wellsa.

— ~ A

Ale jak udostępnić wnętrze komórki badaniom mikroskopo­wym ? Jak „ujawnić” zawarte w niej utwory ?

W połowie ubiegłego wieku cytolodzy zdołali rozwiązać to zadanie. Nauczyli się utrwalać tkanki i po określonych mani­pulacjach uzyskiwać z nich wycinki o grubości paru mikronów, to znaczy równej średnicy przeciętnych komórek. W takich wystarczająco cienkich wycinkach komórki nie nakładają się jedna na drugą i można by je świetnie badać, gdyby... nie były bezbarwne, niewidoczne.

Z pomocą cytologom przyszedł przemysł tekstylny i che­miczny. W owym czasie (druga połowa XIX wieku) chemia organiczna dysponowała bogatym wyborem barwników natu­ralnych i wytworzonych syntetycznie, a specjaliści przemysłu tekstylnego wspaniale opanowali sztukę dobrego i trwałego barwienia różnych tkanin bawełnianych, jedwabnych i weł­nianych. Trzeba było jedynie przystosować ich doświadczenie do barwienia komórek. W ciągu około 50 lat zabarwienie stało się drugim zawodem badaczy komórki. Dzięki tej nowej

sztuce „niewidzialna komórka” zaczęła ujawniać tajemnice swej budowy wewnętrznej.

Jądro, jąderko, centriol (1876), mitochondria (1894), aparat Golgiego (1898), tonofibrylle, neurofibrylle, miofi- brylle, chloroplasty, różne wakuole i nibynóżki... lista niezna­nych dotychczas części komórek, lub — jak je dziś nazywamy — organelli, rosła szybko.

Ale to nie wyczerpuje jeszcze korzyści, jakie daje barwienie komórek. Uczeni szybko zauważyli, że barwniki przejawiają pewne powinowactwo z taką lub inną strukturą komórkową: jedne dobrze barwią jądro, inne zabarwiają zwłaszcza cyto- plazmę, jeszcze inne — tylko poszczególne organelle. Nietrudno było odgadnąć przyczynę tej wybredności: oczywiste było, że jest ona wynikiem pewnego specyficznego wzajemnego od­działywania pomiędzy barwnikiem i substancją danej struktury komórkowej. Tak założone zostały podwaliny nowego kierunku w badaniu komórki — cytochemii. Barwienie komórek ze zwykłego malowania przekształciło się w metodę jakościowej, a potem ilościowej analizy chemicznej struktur komórkowych.

Jednym z pionierów tej dziedziny był młody Paul Ehrlich. Jeszcze jako student (1875—1878) badał on czynniki, od któ­rych zależy wiązanie farb ze strukturami komórkowymi, badał też możliwości barwienia przyżyciowego komórek. W głowie młodego uczonego dojrzewa nowa śmiała myśl. Jeżeli niektóre barwniki przejawiają skłonność do wybiórczego barwienia określonych struktur komórkowych, do określonych rodzajów komórek, to czy nie jest możliwe odkrycie w ten sposób substan­cji, które nie tylko barwią, ale i uszkadzają, zabijają komórki. Zabijać komórki ? Tak. Ponieważ są wypadki, kiedy dla chorego oznacza to wyleczenie, uratowanie życia. Wszystko zależy od tego, które komórki będziemy zabijać. Właśnie w tym czasie świat został poruszony sensacyjnymi odkryciami Pasteura, Kocha i ich współpracowników: choroby zakaźne są wynikiem przedostania się do organizmu mikro­organizmów chorobotwórczych. No dobrze, czy nie jest więc możliwe odkrycie takich substancji chemicznych, barwni­ków czy nie, które wiązałyby się wybiórczo i uszkadzały je­

dynie komórki nieproszonego gościa, lecz nie działały na ko­mórki chorego organizmu ? I tak, przyjmując za punkt wyjścia swoje badania nad mechanizmem barwienia komórek, Ehr- lich zapoczątkował w roku 1891 jedną z najpożyteczniejszych dla ludzkości dziedzin medycyny — chemoterapię. W roku 1907 zdołał on wytworzyć syntetycznie preparat 606 (salwar- san) — pierwszy wysoce skuteczny środek do leczenia syfilisu 1

Równocześnie z wyścigiem w pogoni za nowymi organellami komórkowymi w ostatnim trzydziestoleciu ubiegłego wieku dokonano szeregu ważnych odkryć także w innym kierunku. Doprowadziły one do stworzenia nowej gałęzi nauk biologicz­nych — cytogenetyki.

Odkryto skomplikowany podział komórki — mitozę, kario- kinezę (H. Schneider, 1873; W. Schleicher, 1878; W. Fle­ming 1878, i inni). Stwierdzono ważną rolę chromosomów w tym procesie, a zwłaszcza ich podział podłużny, a także ga­tunkową stałość co do liczby i formy chromosomów w komór­kach roślinnych i zwierzęcych.

Równolegle z tym zbadane zostały procesy, zachodzące w komórkach płciowych w czasie ich dojrzewania i przy zapłod­nieniu: podziały redukcyjne, przenikanie plemnika do jaja, tworzenie jądra zygoty (zapłodnionej komórki jajowej) przez zlanie się jąder jaja i plemnika itd. (E. van Bene den, Oscar Hertwig, 1875, 1890; T. Bovery 1883—1888 i inni). Odszyfrowano także biologiczny sens tych skomplikowanych procesów — zachowanie stałych ilości chromatyny, liczby chromosomów w następnych pokoleniach. Wielkie znaczenie dla tych odkryć miało znalezienie odpowiednich obiektów badań: jaj glisty końskiej, zawierających tylko cztery wielkie chromo­somy i przezroczystych jaj jeżowca, jednego z ulubionych obiektów cytologów po dzień dzisiejszy.

Wszystkie te prawidłowe i dokładne przemiany dokonujące się z jądrem komórki i chromosomami w czasie podziału ko­mórki i zapłodnienia stworzyły domyślnym uczonym (E. Hec- kel, O. Hertwig, E. Strasburger) podstawę do wyrażenia przypuszczenia, że to właśnie jądro i chromosomy są material­nymi nosicielami dziedziczności. Kiedy więc w roku 1900 H.

de Vries, K. Correns i E. Tschemark niezależnie od siebie nawzajem znowu odkryli zapomniane prawa G. Mendla (1865) o przekazywaniu cech dziedzicznych, od razu stało się oczywiste, że dziwne zachowanie chromosomów w czasie po­działu, podziały redukcyjne i zapłodnienie mają jeden wspólny cel biologiczny: zapewnić równomierny rozdział cech dzie­dzicznych pomiędzy nowe komórki, przekazać cechy dzie­dziczne następnym pokoleniom. Już w rok po ponownym odkryciu praw Mendla W, Sutton i T, Bovery (1902)

sformułowali teorię chromosomową dziedziczności, a dwa lata później E. Wilson (1905) włączył do niej też mechanizm określania płci. Prawdziwie niepokonalne dowody eksperymen­talne prawdziwości tych teorii pochodzą jednak od wybitnego genetyka T. Morgana i jego uczniów K. Briggesa, H. Müllera, A. Sturtevanta. Są one wynikiem ich długo­letnich badań nad dziedzicznością i chromosomami u muszki owocowej, słynnej Drosophila melanogaster. Sukcesy szkoły Morgana są w znacznym stopniu wynikiem właściwie dobranego obiektu badań. W tamtych czasach bowiem trudno byłoby zna­leźć organizm bardziej odpowiedni do badania zjawisk dzie­dziczności niż muszka owocowa: Drosophila wydaje nowe po­kolenie co 10 dni, jądra jej komórek zawierają jedynie cztery pary chromosomów i przy tym, w niektórych komórkach larwy tej muszki, chromosomy te mają gigantyczne rozmiary.

ŻYWA KOMÓRKA NA „STOLE OPERACYJNYM”

Mimo wielkich sukcesów badań nad komórką w minionym stuleciu były one nader jednostronne. Badano przede wszyst­kim formę komórki, opisywano jej organella. Wiele wniosków z tych badań cechowała właściwa nauce XIX wieku skłonność do mechanicyzmu. Przy tym metody utrwalania i barwienia komórek były w sposób nieunikniony związane z ich zabija­niem. Ale co się dzieje w żywej komórce? Czy rzeczywiście także za życia istnieją te wszystkie organella komórek ? Jaka jest ich funkcja? A ich skład chemiczny? Jaką rolę odgrywają poszczególne części komórki w takich procesach, jak ruch, odżywianie, wzrost, rozmnażanie, pobudliwość komórek?

Niemożliwe było, żeby odpowiedź na te wszystkie pytania dał mikroskop i fiolki z barwnikami. Trzeba było koniecznie zbadać komórki za życia, żeby ujawnić przekształcenia chemiczne, przemianę materii. Konieczność ta doprowadziła do rozwoju obok morfologii komórki dwóch innych wielkich gałęzi badań nad komórką: fizjologii komórkowej i komórkowej biochemii.

Ale jak badać żywe komórki w samym organizmie ? Czyżby

mikroskop mógł przeniknąć do komórki nerek, do mięśnia sercowego? A wyjęte z organizmu i umieszczone pod mikro­skopem komórki szybko ginęły. Oto dlaczego uczeni od dawna marzyli o stworzeniu takich warunków, które pozwolą hodować żywe komórki poza organizmem, o tak zwanej eksplantacji komórek, tkanek i organów. Nawet wśród specjalistów roz­powszechnione jest mniemanie, że twórcą tej metody jest A. Carrel (1911). W rzeczywistości pierwsze udane eksplan- tacje dokonane zostały przez R. Harrisona już w roku 1907. Brał on kawałeczki różnych tkanek zarodka żaby i umieszczał je w kropli zgęszczonej żabiej limfy. Pod mikroskopem obser­wował Harrison wzrost tkanki, podział i rozmnażanie komórek. Dwukrotnie był wysuwany Harrison jako kandydat do Nagrody Nobla, ale w roku 1917 z powodu pierwszej wojny światowej nagród w ogóle nie przydzielono, a w roku 1933, kiedy kandy­datura została wysunięta ponownie, komitet uznał odkrycie Harrisona za przestarzałe i posiadające stosunkowo ograniczone znaczenie(! ?). Szanowni członkowie komitetu Nobla nie podej­rzewali, że po drugiej wojnie światowej kultury tkanek prze­żyją swą drugą młodość, że staną się nie tylko podstawowym modelem badań w najrozmaitszych dziedzinach biologii ko­mórek, ale że właśnie dzięki kulturom tkanek będzie mogła się rozwijać wirusologia i nowoczesna cytogenetyka. Wirusy mogą się rozmnażać tylko w żywych komórkach i kul­tury tkanek służą dziś jako swoiste środowisko dla rozmnażania wirusów. Szczepionka przeciw paraliżowi dziecięcemu i prze­ciw szeregowi innych chorób wirusowych nie mogłyby powstać, gdyby nie było metod hodowli tkanek poza organizmem.

W końcu minionego stulecia pojawił się też inny pomysł: czy nie byłoby możliwe wykonywać operacje na komórkach mimo ich małych rozmiarów ? Jakże ciekawe byłoby stwierdzić, czy komórka pozbawiona jądra może żyć? Co by się stało, gdyby wyciąć część ciała komórki; czy komórka zniesie taką amputację ? Niezliczona ilość pomysłów. Potrzebny był jednak odpowiedni zestaw narzędzi chirurgicznych, dostosowany do mikroskopijnych wymiarów komórki oraz aparatura, która by pozwoliła uczonym operować tymi instrumentami wobec

komórki tak pewnie i dokładnie, jak chirurg działa swoim skalpelem. Między rokiem 1910 i 1920 stworzono takie przy­rządy — mikromanipulatory i odpowiednie mikroinstrumenty dzięki pionierskiej pracy M. Barbera, S. Czachotina, R. Chambersa i T. Petó fiego. Uwieńczeniem prowa­dzonych przez nich badań mikrochirurgicznych są dokonane w ciągu ostatniego dziesięciolecia udane próby transplantacji jądra z jednej komórki do drugiej.

Najnowszym sukcesem mikrochirurgii komórkowej jest udana transplantacja jąder z jednej komórki do drugiej, zrealizowana po raz pierwszy w roku 1952 przez R. Briggsa i T. Kinga. Już kilkadziesiąt lat biologia stoi wobec podstawowego problemu: Czy różnicowanie się komórek połączone jest ze zmianami w informacji dziedzicznej, z utratą genów, jak to już dawno przypuszczał Weissmann? Czy też odwrotnie, mimo olbrzy­mich różnic formy, budowy i funkcji, wszystkie zróżnicowane komórki danego organizmu zawierają, podobnie jak zapłodnione jajo, pełny zestaw genów i mogłyby w odpowiednich warunkach dać początek nowemu organizmowi ?

Aby odpowiedzieć na to pytanie R. Briggs, T. King, ij. Gordon usunęli jądro z komórki jajowej żaby i do takiego pozbawionego jądra jaja przetransplantowali jądro wydobyte z wyspecjalizowanej komórki dorosłego organizmu. Rezultat był zdumiewający: Takie sztucznie uzyskane jaja rozwijały się w normalne dorosłe żaby. Tak więc zróżnicowane komórki, podobnie jak zapłodnione jajo, zawierają pełny zestaw genów. A co by się stało, gdyby do takiego jaja pozbawionego jądra, przetransplantować jądro komórki rakowej ? Ostatecznie do­świadczenie takie zostało dokonane z niespodziewanym wyni­kiem: rozwój normalnego zarodka! Tego rodzaju doświadcze­nia mają ogromne znaczenie zasadnicze, ponieważ pokazują, że nie we wszystkich wypadkach zwyrodnienia nowotworowe są wynikiem nieodwracalnych zmian genetycznych. A to odkrywa nowe możliwości działania przeciw komórkom ra­kowym.

W ostatnim dziesięcioleciu wprowadzona została jeszcze jedna metoda wtrącania się do „gospodarstwa” komórki: me-

toda łączenia komórek, tak zwana hybrydyzacja somatyczna. Ale w tym wypadku ingerencja chirurgiczna była „bezkrwawa”. Instrumenty chirurgiczne zostały bowiem zastąpione przez . 11 wirusy!

Łączenie się dwu komórek płciowych w procesie zapłodnie­nia jest zjawiskiem znanym już od przeszło 100 lat. Ale czy mogą się ze sobą łączyć także komórki somatyczne? Istnienie takiego zjawiska przypuszczano od dawna, ale zostało ono do­wiedzione dopiero w r. 1961. W laboratorium G. Barskiego we Francji stwierdzono, że kiedy w kulturach tkanek są razem hodowane dwa różne typy komórek, różniących się swymi kom­pletami chromosomów, to wśród wielu komórek kontynuują­cych każdą z dwu wyjściowych „rodzicielskich” form, znaleźć można i takie, które zawierają zestawy chromosomów obojga rodziców. Takie komórki — hybrydy nazwano heterokario- nami. W normalnych warunkach jednak ilość ich jest nader nikła. Właśnie tu przyszły z pomocą wirusy. Wiadomo było, że powłoka białkowa wirusów zawiera substancje, które uszka­dzają, „rozmiękczają” błonę komórkową i ułatwiają w ten spo­sób przenikanie kwasu nukleinowego wirusów do zarażonych komórek. To właśnie zrodziło pomysł oddziaływania na komórki za pomocą zabitych wirusów. Wirusy takie nie mogą zabić komórki, ale ich białka zmieniają błony komórek w taki sposób, że wywołują zlepianie się i zlewanie ze sobą poszczególnych ko­mórek. Przez zastosowanie takiego sposobu działania, w roku. 1965 H. Harris w Anglii i B. Efroussi we Francji prze­kształcili hybrydyzację somatyczną z ciekawego zjawiska w po­wszechną metodę laboratoryjną przy badaniu dziedziczności komórek somatycznych zwierząt wyższych włącznie z czło­wiekiem. Więcej jeszcze. Uzyskano krzyżówki nie tylko między komórkami jednego gatunku zwierząt, ale i różnych gatunków ssaków (człowiek-mysz, mysz-szczur itp.), a nawet krzyżówki między takimi odległymi gatunkami jak mysz i żaba, mysz i ryba! Otworzyły się nowe szerokie perspektywy przed bada­niami dziedzicznych właściwości komórek i możliwość odpo­wiedzi na pytania, których nie można było rozstrzygnąć na drodze hybrydyzacji płciowej. Na przykład takie zagadnienie:

Jak się zachowa komórka uzyskana ze zlania normalnej komórki z nowotworową ? Czy w uzyskanym heterokarionie cecha „nowotworowości” przeważy, czy też odwrotnie — zostanie przezwyciężona ? Optymistycznie nastrojeni badacze wyra­żają nadzieję, że metoda hybrydyzacji somatycznej da wyniki bliskie sukcesom uzyskanym przez genetykę bakteryjną po odkryciu rozmnażania płciowego — koniugacji — u bakterii.

CHEMIA TAKŻE ZWRACA SIĘ KU KOMÓRCE

Równolegle z fizjologią komórkową rozwijały się też badania nad składem chemicznym i przemianą materii w komórce. Trzeba stwierdzić, że nawet dotychczas wielu chemików odnosi się niechętnie i z niedowierzaniem do skomplikowanych i nie­jasnych problemów biologicznych. Jeszcze od czasów Lavoi­sier a chemicy reprezentują jedną z najbardziej ścisłych nauk przyrodniczych. Dlatego zjawiska, prawa i teorie biologiczne nie zawsze odpowiadają „gustowi” tych badaczy. Wolą oni wyraźne procesy chemiczne w probówce, niż niejasne i skompli­kowane wzajemne oddziaływania substancji w żywej komórce. Wielkie umysły nauki jednak nigdy nie bały się trudności cechu­jących rzeczy skomplikowane, ani ryzyka niewiadomych. Dlatego już w ubiegłym wieku, poczynając od L. Pasteura, wielu wybitnych chemików kierowało swe zainteresowania ku problemom biologicznym, które pociągały ich właśnie swą złożonością.

Pierwsze swe kroki ku komórce uczyniła chemia w pierwszej połowie ubiegłego wieku. Najpierw trzeba było dać odpowiedź na najprostsze pytanie: jaki jest skład chemiczny ciała komórki ? Stosując metody chemii analitycznej, chemicy z komórki, jak z rogu obfitości, wyciągali niepodejrzewaną różnorodność substancji organicznych: węglowodany, tłuszcze, białka, kwasy nukleinowe i wszelkie możliwe związki makrocząsteczkowe: aminokwasy, nukleotydy, witaminy itd.

Wówczas jednak jasne się stało, że specyfika zjawiska życia

nie jest spowodowana tymi substancjami, lecz związkami makromolekularnymi w komórce: myśl genialnie sformułowana przez Engelsa: „Życie jest formą istnienia ciał białkowych“. Niestety chemia i fizyka w tym czasie jeszcze nie „dorosły” ani pod względem możliwości metodycznych, ani poglądów teoretycznych do tego, aby jak należy zająć się badaniem bu­dowy i funkcji cząsteczek biologicznych. Niewielu było odważ­nych, którzy chcieli ryzykować swym czasem i karierą naukową dla badań w tej dziedzinie.

A mimo to jeszcze w tamtym okresie dokonano szeregu od­kryć, wyprzedzających daleko swój czas i dlatego nie zauważo­nych, a czasem nawet i przez samych odkrywców nie docenio­nych. Dziś w odkryciach tych widzimy pierwsze kroki ku współ­czesnej biologii molekularnej. Już w roku 1840 jedno białko, hemoglobinę, uzyskano w postaci krystalicznej, a pod koniec wieku także szereg innych białek otrzymano w tej postaci. Brak metod badania struktury krystalicznej przeszkodziła w „uzys­kaniu dochodu” z tych odkryć. Negatywną rolę odegrały, mimo że to wydaje się dziwne w pierwszej chwili, panujące w dru­giej połowie wieku XIX poglądy o koloidalnym charakterze białek.

Jeszcze w ubiegłym wieku dokonano ważnych odkryć, które mogły były przyczynić się do szybszego ujawnienia procesów chemicznych utleniania biologicznego. W roku 1886 C. Mac Mun wyodrębnił z komórek pigmenty podobne do hemoglobiny i stwierdził, że biorą one udział w wewnątrz­komórkowych przyswajaniach tlenu. Jego odkrycie zostało jednak odrzucone przez takie autorytety jak F. Hoppe-Seiler i musiało upłynąć niemal pół wieku, zanim D. Keilin po­nownie odkrył te substancje. Nazwał on je cytochromami i dowiódł, że stanowią grupę enzymów ważnych dla oddychania komórkowego.

Nie została też doceniona praca rosyjskiego botanika M. Cwieta, który już w roku 1903 opracował metody chromato­grafii. Na przykładzie chlorofilu wykazał on olbrzymie możli­wości tej metody przy oddzielaniu i oczyszczaniu substancji złożonych zawartych w komórce. Dopiero w kilkadziesiąt lat

potem metoda chromatograficzna zyskała zasłużoną ocenę dzięki pracom A. Martina i R. Synge’a (1942), którzy za swoje badania w tej dziedzinie otrzymali nagrodę Nobla w za­kresie chemii za rok 1952.

Ale może najbardziej interesujące są losy odkrycia F. Mies- chera, który już w roku 1869 zdołał wyodrębnić kwas dezo­ksyrybonukleinowy (DNA), ogólnie uznany dziś za material­nego nosiciela dziedziczności. Sam Miescher przeoczył wagę swego dzieła i nie zdołał dojrzeć ogromnej roli biologicznej odkrytej przez siebie „nukleiny”. Mało tego, namiętnie się przeciwstawił i do końca życia zdecydowanie odrzucał poglądy tych przenikliwych cytologów ubiegłego stulecia (E. Zacha- rias, bracia O. i R. Hertwig, E. Sachs, F. Fleming), którzy dostrzegli w nukleinie Mieschera substrat chemiczny zabarwialnej chromatyny jądra i chromosomów i jeszcze przed powstaniem genetyki jako nauki doszli do wniosku, że jest to materialny nosiciel dziedziczności. Opierając się na nie­przejrzanej różnorodności cząstek białkowych Miescher wie­rzył, że właśnie białka są nosicielami właściwości dziedzicznych. I tak jeszcze w zaraniu biologii komórkowej sam jej odkrywca ruszył błędną drogą, którą następnie szli i inni wybitni biolo­gowie, genetycy i chemicy — badacze kwasów nukleinowych. Do roku 1944 DNA pozostał na „tylnym podwórku” biologii, porzucony tam przez swego własnego odkrywcę. Zahamowało to rozwój genetyki biochemicznej na przeszło pół wieku!

Na tym tle jeszcze bardziej wyraziście wybija się wielkie dzieło wybitnego Emila Fischera, którego nazwisko na zawsze zostanie związane z jego badaniami nad składem i budową białek. W długoletnich badaniach, które dziś jeszcze zadziwiają genialnością, śmiałością, uporem i nieprawdopodobną praco­witością, Fischer zdołał stwierdzić, że wszystkie białka składają się z a- aminokwasów i dowiódł, że są one powiązane w liniowe łańcuchy przez wiązania peptydowe. Na tym się Fischer nie za­trzymał. Jako pierwszy odważył się on zaatakować odwieczne ma­rzenie ludzkości: stworzenie „żywej materii” w sztuczny sposób. W roku 1907, wspomagany przez swego ucznia O. Warburga (przyszłego wybitnego badacza procesów oddychania komór-

kowego), Fischer zdołał w drodze syntetycznej uzyskać łańcuch peptydowy złożony z 20 reszt aminokwasowych. Sztuczne pep- tydy Fischera są przodkami otrzymanych w naszych czasach białek syntetycznych: insuliny, rybonukleazy i innych.

Trzeba stwierdzić, że jeżeli chemicy i fizycy jako ludzie nauk ścisłych unikali skomplikowanych, trudno poddających się analizie ilościowej problemów biologicznych, to także wielu biologów odnosiło się sceptycznie do możliwości rozwiązywania przez fizykę i chemię skomplikowanych problemów życia. Wy­jaśnienie istoty życia przez badanie składu chemicznego ciała komórek wydawało się im tak samo absurdalne, jak ujawnianie za pomocą podstawowej analizy chemicznej zegarka jego bu­dowy i zasad działania. Nauka jest jednak z natury swej opty­mistyczna. Jej rozwój zawsze obalał nihilistyczne proroctwa ponurych sceptyków. Od początku naszego wieku chemia prze­szła od badania chemicznego składu komórki ku badaniom procesów przemiany materii i wyjaśnianiu udziału poszczegól­nych struktur komórkowych w tej przemianie.

Silnym bodźcem w tym zakresie były sukcesy w badaniu enzymów — katalizatorów biologicznych, tych dziw­nych i niezmordowanych pracowników w chemicznej fabryce życia — komórce. Na krótko przed końcem ubiegłego wieku

E. Buchner dowiódł, że fermentacja, wywoływana przez ko­mórki drożdży, jest wynikiem katalitycznego działania enzymów wytwarzanych w żywych komórkach, ale mogących też działać poza ich obrębem.

W ten sposób położono kres wieloletniemu sporowi, powsta­łemu swego czasu między J. Liebigiem i L. Pasteurem: co powoduje fermentację — katalityczne działanie jakichś substancji chemicznych, czy też całościowe działanie samej żywej komórki. Odpadła też konieczność dzielenia katalizatorów biologicz­nych na fermenty i enzymy: okazało się, że oba pojęcia dotyczą tego samego.

Odkrycie Buchnera otworzyło drogę badaniom nad proce­sami enzymatycznymi. W roku 1913 L. Michaelis i M. Men ten opracowali teorię o mechanizmie działania enzymów i kinetyce reakcji enzymatycznych. Enzymologia jako nauka

Æ

M

ścisła została stworzona i zdecydowanie włączyła się do odkry­wania tajemnic metabolizmu komórki.

Uczeni opanowali sztukę izolowania enzymów w czystej, nawet krystalicznej postaci (J. Sumner, 1926) w taki sposób, aby to nie przeszkadzało w zachowaniu przez enzymy ich aktyw­ności biologicznej. Dowiedziono białkowego charakteru wszyst­kich enzymów, Możliwe się stało badanie w komórce i poza nią (w probówce) poszczególnych ogniw procesów przemiany a przez to ustalanie następstwa i wzajemnych powiązań tych procesów w całe łańcuchy przemiany materii zwane drogami metabolicznymi. I tak w okresie międzywojen­nym został w ogólnych liniach nakreślony chemizm takich podstawowych procesów życiowych jak fermentacja, oddycha­nie komórek, skurcz mięśnia (O. Warburg, O. Meyerhoff, W. Engelhardt, M. Ljubimowa, małżonkowie C. i G. Cori, H. Theorell i inni).

Bezpośrednio po drugiej wojnie światowej zostały w pełni ujawnione molekularne mechanizmy najpotężniejszego procesu chemicznego przebiegającego na naszej planecie — fotosyn­tezy (R. Hill, S. Ruben, A. Winogradow, D. Arnon, M. Kalwin).

Te sukcesy w badaniu metabolizmu w żywej komórce były nie do pomyślenia bez opracowania nowych metod badania. Niegdyś dawni anatomowie ujawnili tajemnice ciała ludzkiego odważywszy porwać się na nie ze skalpelem w ręku. W połowie lat trzydziestych naszego wieku w ten sposób postąpili uczeni wobec komórki. Ale nie ze skalpelem, lecz z homogenizatorem i ultrawirówkami. Z rozerwanych komórek przez stopniowe odwirowywanie, przy różnych szybkościach, izolowali oddzielnie jądra oraz różne inne organelle (M. Berens, 1935, A. Claude, 1940).

Okazało się, że przy dostatecznie łagodnych warunkach dzia­łania te izolowane organelle komórek zachowują w znacznym stopniu swe właściwości biologiczne i mogą być wykorzysty­wane dla eksperymentalnego badania procesów życiowych, właściwych tym organellom.

Ale jak prześledzić drogę substancji w komórce ? Jak obejrzeć

ich przekształcenia i wędrówki między różnymi organellami komórek ? Z pomocą przyszło tu jedno z wielkich odkryć fizyki

— radioaktywność naturalna i sztuczna. Pomysł był prosty. Oznaczyć dany związek, włączając weń jeden lub więcej atomów promieniotwórczych danego pierwiastka (izotopu radioaktyw­nego). Rozpad radioaktywny tak oznaczonego związku służyć będzie jako swoisty sygnał o miejscu, w którym ten związek się znajduje i o przekształceniach, którym podlega. Izotopy radioaktywne zwłaszcza w połączeniu z innymi metodami bio­chemicznymi stały się szybko niezastąpionymi zwiadowcami przy poznawaniu tajemnic przemiany materii. Za wprowadzenie metod izotopowych do biologii Węgier G. von Hevesy otrzy­mał nagrodę Nobla za rok 1943.

I tak krok za krokiem, wspólnym wysiłkiem biologów, che­mików i fizyków przenikano coraz głębiej w tajemnice komórki. Urzeczywistniało się wiekowe marzenie: ujawniały się mecha­nizmy molekularne procesów życiowych. Do wrót wiedzy ludz­kiej pukała nowa nauka: biologia molekularna!

NOWE MOŻLIWOŚCI TECHNIKI MIKROSKOPOWEJ

W tym wzmożonym ataku na tajemnice komórki, przedsię­wziętym przez biochemię w czterdziestych i pięćdziesiątych latach naszego wieku, morfolodzy nie mogli nadal spoczywać jedynie na starych laurach przyniesionych im niegdyś przez mikroskop optyczny. Ogromna armia mikroskopistów potrze­bowała broni bardziej nowoczesnej dla uzyskania sukcesów we współzawodnictwie z biochemikami. Broni tej dostarczył im przemysł optyczny i elektronowy. Skonstruowane zostały nowe modele mikroskopów, dające nowe możliwości badawcze. Takie są mikroskopy kontrastowo-fazowe i interferencyj­ne, stanowiące niezastąpione narzędzia przy badaniu wewnętrz­nej budowy żywych, niezabarwionych komórek: mikroskop polaryzacyjny dający możliwość oceny kierunku ruchu cząsteczek w organellach komórek; mikroskop luminescen-

cyjny; mikroskop nadfiołkowy. Ale niewątpliwie najsil­niejszą bronią uzyskaną przez morfologów jest mikroskop elektronowy. Współczesny typ mikroskopu elektronowego został skonstruowany w roku 1937 przez G. Ruska i M. Knol- la na podstawie badań prowadzonych w latach trzydziestych. Mikroskopia elektronowa znalazła jednak szerokie zastosowanie w badaniach komórki dopiero od roku 1952 po skonstruowaniu przyrządu — ultramikrotomu dającego możliwość sporzą­dzania wycinków z komórek o grubości zaledwie 50 A i po wprowadzeniu odpowiednich metod utrwalania.

Współczesne mikroskopy elektronowe dają pożyteczne po­większenia 200 razy większe, niż najsilniejsze powiększenia możliwe do uzyskania mikroskopem świetlnym. Z ich pomocą można rozróżnić przedmioty o wymiarach kilku angstremów. Czyli innymi słowy za pomocą mikroskopu elektronowego można zobaczyć poszczególne cząsteczki!

Istotnym i niepokonalnym brakiem mikroskopu elektrono­wego jest to, że za jego pomocą można obserwować jedynie uprzednio zabite, utrwalone komórki. To właśnie spowodo­wało, że ta nowa metoda spotkała się z wielu stron ze sceptycz­nym przyjęciem. Ale i tym razem, jak zawsze w nauce, wygrali optymiści. Już w 15 lat mikroskopia elektronowa dała tyle nowych odkryć, że nasze wyobrażenia o budowie komórki wkroczyły w zupełnie nowy etap.

Dzięki mikroskopowi elektronowemu także cyto- -morfolodzy mogli się włączyć z powodzeniem do współzawodnictwa w ujawnianiu tajemnic komórki.

BAKTERIE I WIRUSY ZAJMUJĄ SWOJE MIEJSCE

U schyłku lat trzydziestych zdecydowanie włączyli się do tego współzawodnictwa także i ci badacze, którzy obrali sobie jako obiekt badań bakterie i wirusy bakteryjne — bakteriofagi. Przez całe dziesięciolecia bakteriologia była przede wszystkim nauką stosowaną, która wiele zrobiła dla uratowania ludzkości od bicza chorób zakaźnych, ale niewiele przyczyniła się do od­krycia istoty procesów życia. Co do bakteriofagów, odkrytych przez F. Tworta (1915) i F. d’Herelle’a (1917), to kiedy stracono nadzieję na zastosowanie ich z powodzeniem w leczer niu chorób zakaźnych, świat nauki przestał się nimi interesować. Przez całe trzydzieści lat fagi wspominano jedynie jako cieka­wostkę naukową. Stanowiły one w tym czasie hobby dla namięt­ności badawczych kilku uczonych —| dziwaków.

W końcu lat trzydziestych dojrzały nowe wydarzenia. Fagi znowu przyciągnęły uwagę, ale tym razem nie uwagę biologów i medyków, lecz... fizyków. W tym czasie wybitni przedstawi­ciele fizyki atomowej jak N. Bohr, E. Schrödinger, P. Jordan, N. Timofiejew-Resowski i inni zwrócili oczy na problemy biologiczne. Przede wszystkim poruszały ich zagad­nienia: Jakie są fizyczne prawidłowości samorzutnego układania się cząstek w skomplikowane ciało wirusa i komórki ? Czym jest gen jako ciało fizyczne i jakie są mechanizmy jego autorepro- dukcji? Uczeni ci wierzyli, że kwestie te mogą łatwo zostać rozwiązane przez przeniesienie pojęć fizyki kwantowej do bio­logii. Przypuszczano nawet, że przy badaniu „kwantowych” mechanizmów dziedziczności i w ogóle zjawisk biologicznych ujawnione zostaną nowe prawa fizyki. Młody wówczas fizyk M. Delbrück, uczeń O. Hahna i N. Bohra z entuzjazmem podjął tę myśl. Potrzebny był obiekt i to możliwie jak naj­prostszy: fizycy lubią proste i czyste systemy. A cóż prostszego niż fagi ? Według ówczesnych poglądów tych uczonych miałyby to być geny w niemal czystej postaci. I tak fizyk Delbrück ponownie odkrył dla nauki prawie zapomniane już bakteriofagi d’Herelle’a. W roku 1938 założył on podwaliny słynnej „szkoły fagowej” w Passadena w Kalifornii. Przyłączył się do niego

wkrótce wirusolog S. Luria i biochemik A. Hershey. Wiele najbardziej istotnych odkryć biologii molekularnej i genetyki od roku 1940 do dziś dokonano w związku z fagami pod nauko­wym kierownictwem i z bezpośrednim udziałem tych trzech uczonych, którzy słusznie otrzymali nagrodę Nobla za rok 1969.

Jeszcze bardziej oszałamiające były sukcesy badań nad bak­teriami. Mikroorganizmy te przez długi czas znajdowały się w cieniu nie z powodu niechęci uczonych, lecz dla pewnej bardzo prostej przyczyny obiektywnej: braku odpowiednich metod badania. Wielkość ich umieszcza je niemal na granicy możliwości technicznych mikroskopu optycznego i dlatego

o ich budowie wewnętrznej wiedziano bardzo niewiele. Nic więc dziwnego, że nawet do bardzo niedawna byli uczeni, którzy uważali bakterie za niekomórkową postać życia. Bakterie nie były też specjalnie interesujące dla badań genetycznych. Uwa­żano w tych czasach, że rozmnażają się one jedynie na drodze wegetatywnej i dlatego podstawowa metoda analizy genetycznej

— krzyżowanie — była uważana za niezastosowalną w ich wypadku. A poza tym, jak przy tak małych rozmiarach śledzić ich zmienność, jak wyodrębniać i jak analizować zmienione komórki ?

Tutaj z pomocą przyszła biochemia. Wytworzone zostały sztuczne pożywki dla hodowli bakterii ze ściśle określonym skła­dem chemicznym. Przy wzroście na takich pożywkach zmiany dziedziczne w bakteriach mogą być łatwo ujawniane nie na pod­stawie form i barw, jak u roślin i zwierząt, ani przez analizę chromosomów, których bakterie jako twory morfologicznie wyodrębnione nie posiadają, lecz na podstawie zdolności bak­terii do samodzielnego syntetyzowania danych składników śro­dowiska, tzn. na podstawie obecności lub braku w ciele bakterii danego enzymu lub grupy enzymów. Tak położone zostały podwaliny genetyki bakteryjnej, która w swojej istocie jest genetyką biochemiczną, ponieważ operuje cechami biochemicz­nymi. Szybko zostało wyjaśnione, że zmienność dziedziczna u bakterii, jak i u pozostałych komórek jest wynikiem mu­tacji (E. Tatum, 1944). Prawdziwym objawieniem dla gene- 34 tyki było odkrycie płciowego rozmnażania bakterii (J. Leder-

berg i E. Tatum, 1947). Teraz już metoda krzyżówek, analizy rekombinacyjnej mogła znaleźć zastosowanie i przy bakteriach, a to oznaczało zwiększenie wydajności pracy genetyków setki i tysiące razy. Dla uzyskania rezultatów z jednego doświadczal­nego skrzyżowania roślin lub zwierząt badacze muszą czekać miesiącami i latami, aż pojawi się nowe pokolenie hybrydów. A bakterie dają nowe pokolenia co 40 minut! Teraz znala­zła się w cieniu nawet „primadonna” genetyki klasycznej

— muszka owocowa Drosophila.

Ale bakterie i pod innym względem okazały się szczęśliwym obiektem. Mikroskop elektronowy i badania biochemiczne potwierdziły zbieżność budowy i metabolizmu między bakte­riami i komórkami jądrowymi, wykazując równocześnie nie­wątpliwe różnice między nimi. Wprowadzone zostały pojęcia komórek prokariotycznych i eukariotycznych. Na tej podstawie możliwe się stało badanie niektórych zasadniczych procesów życiowych — przede wszystkim mechanizmów biosyn­tezy białka — w sposób prostszy, szybszy i skuteczniejszy na systemach prostszych, czyli bakteriach. Bakteria jelitowa Esche­richia coli stała się pierwszym’ najpowszechniej wykorzysty­wanym „zwierzęciem doświadczalnym”. Większość dotych­czasowych osiągnięć biologii molekularnej: mechanizmy biosyn­tezy DNA, RNA, białka, budowa i funkcje rybosomów, kod genetyczny itd., to wynik badań nad bakteriami i systemami bakteryjnymi.

TRYUMF BIOLOGII MOLEKULARNEJ

My, jego współcześni, jesteśmy świadkami tego tryumfu. Według jednomyślnej oceny najbardziej wybitnych uczonych stanowi on jeszcze jeden ze zdobytych szczytów wiedzy ludz­kiej. Przed naszymi oczami spełnia się marzenie pionierów ba­dań nad komórką: zgłębiono jej tajemnice aż po tworzące ją cząsteczki, a kiedy ujawnione zostaną całkowicie fizyczne i che­miczne właściwości tych cząsteczek i prawidłowości ich wzajem­nych oddziaływań, zostaną też wyjaśnione same zjawiska życia.

Opowiedzieliśmy już o tym, jaka droga została przebyta, jakie odkrycia poprzedziły i przygotowały ten tryumf. Był on niemożliwy bez zdecydowanego przeniknięcia do biologii metod, wyników i idei fizyki, chemii i cybernetyki. ^

Przeważa pogląd, że główna rola tutaj przypada wprowadze­niu nowych metod badania. Rzeczywiście bez izotopów radio­aktywnych, bez metod wyodrębniania, rozdzielania i oczyszcza­nia substancji wysokomolekularnych — chromatografii, elektro­forezy, bez analitycznej ultrawirówki T. Svedberga i bez metody analizy rentgenostrukturalnej W. Bragga byłyby nie do pomyślenia te nadzwyczajne wyniki. O wiele większe zna­czenie, niż nowe metody miało jednak nadejście nowych myśli, poglądów, pojęć. Za przykład można tu wskazać pracę Linusa Paulinga. Stosując metody chemii kwantowej, ujawnił on w latach czterdziestych ogromne znaczenie słabych oddziały­wań chemicznych w tworzeniu się struktury przestrzennej biologicznych makrocząsteczek i w realizacji specyficzności w ich wzajemnych oddziaływaniach. Na podstawie tych myśli możliwa też się stała materialistyczna interpretacja mecha­nizmów, regulujących metabolizm w komórce. Na tej samej podstawie zbudowany też został model struktury DNA.

Jasne się stało, że kluczem do wyjaśniania biologicznych fun­kcji wielkich cząstek jest ujawnienie ich struktury przestrzennej. Mimo, że zadanie to zdawało się przekraczać ich możliwości, fizycy lat trzydziestych naszego wieku spróbowali je rozwiązać. Droga była wytyczona. Utorowało ją odkrycie promieni rent­genowskich (W. C. Roentgen 1895), odkrycie dyfrakcji tych promieni przez Maxa von Laue w roku 1912 i stworzenie na tej podstawie przez fizyków angielskich, W. H. Bragga i W. L. Bragga (ojciec i syn —1913 r.) metody analizy rentgeno­strukturalnej przestrzennej budowy kryształów. Po roku 1930 szereg ich utalentowanych uczniów (F. Astbury, J. Bernal, M. Wilkins, R. Franklin, M. Perutz, J. Kendrew,

F. Crick, D. Philipps) za pomocą tej metody ustaliło struk­turę przestrzenną wielu białek, lub też przyczyniło się do ujaw­nienia struktury przestrzennej DNA.

Jednym ze szczytowych osiągnięć biologii mole­kularnej było odczytanie kodu genetycznego — spo­sobu w jaki informacja genetyczna zapisana jest w cząstece DNA. Jeszcze przed dziesięciu laty w najśmiel­szych przewidywaniach przypuszczano, że zajmie to około 50 lat. Kod genetyczny został w pełni odszyfrowany w ciągu mniej niż dziesięciu lat! Wątpić można, czy osiągnięcie takie byłoby w ogóle możliwe bez wpływu myśli cybernetycznej, a także ogólnej nauki o informacji.

Ale na tym się zatrzymajmy. Pozwólmy dalszym stronicom tej książki opowiedzieć nam bardziej szczegółowo o tym, dokąd w istocie dotarliśmy w zgłębianiu tajemnic komórki i czego możemy oczekiwać od dnia jutrzejszego.

„ATOM” ŻYCIA

Pogląd, że komórka jest podstawową strukturalną i funkcjonalną jednostką żywych organizmów, ele­mentarnym ciałem żywym, stanowi kamień węgielny całej nowoczesnej nauki o życiu. Pogląd ten przetrwał prawie stu- pięćdziesięcioletnią próbę czasu, mimo że nieraz był poddawany zajadłej krytyce. Najbardziej istotne w tych krytykach było negowanie twierdzenia, jakoby komórka była jedyną elementarną formą życia. Za komórki uważano jedynie organizmy jedno­komórkowe (pierwotniaki) i komórki roślin i zwierząt wielo­komórkowych posiadające morfologicznie wyodrębnione jądro. Bakterie były rozpatrywane jako organizmy prościej zorganizo­wane. Niektórzy biologowie do niedawna bronili dziwacznego poglądu, że i substancja międzykomórkowa jest żywa. O wi­rusach dotychczas trwają spory, czy są to żywe istoty, czy nie ? Niektórzy mówią nawet o „żywych cząsteczkach”. (

Główną przyczyną tylu sprzecznych poglądów (pomijając oczywiście celowo tendencyjne teorie ciemnych „uczonych”) była niedostateczna wiedza o komórce i niejasna treść pojęcia „życia“, w ciągu ostatniego trzydziestolecia jednak położenie zmieniło się radykalnie. Przez ten czas nauczyliśmy się o ko­mórce więcej, niż w przeciągu poprzednich trzystu lat. Pojęcie życia także zyskało o wiele pełniejszą i ściślejszą treść. W wy­niku tego wszystkiego odrzucony został mylny pogląd, jakoby istniało wiele podstawowych form życia. Znowu zapanował monistyczny pogląd materialistyczny, że komórka jest jedyną elementarną jednostką życia, „atomem życia”, jeśli tak można powiedzieć.

KOMÓRKA ARENĄ PROCESÓW ŻYCIOWYCH

Podstawowe procesy życiowe przebiegają w komórce. Ona to produkuje dziwne katalizatory żywej natury — enzymy, które kierują procesami chemicznymi w żywych organizmach, przemianą materii. Wszystkie substancje organiczne — białka,

tłuszcze, węglowodany, witaminy itd. powstają jedynie w ko­mórkach. Tu wyzwala się i zużytkowuje energia chemiczna substancji odżywczych niezbędnych do podtrzymania funkcji życiowych. W komórkach roślinnych przez proces fotosyntezy energia światła słonecznego zostaje przyswojona przez przyrodę żywą i przekształcona w energię chemiczną substancji orga­nicznych. W ten sposób komórka roślinna zaopatruje w energię nie tylko prawie całą przyrodę żywą, ale i znaczną część naszego przemysłu (węgiel, drzewo, ropa naftowa).

Komórka jest tak zbudowana, że wszystkie procesy doko­nują się w niej z niemal nieprawdopodobną harmonią i możli­wościami przystosowania do przemian w otaczającym środo­wisku. Dla człowieka doskonałe systemy regulacji w żywej komórce są szczególnie interesujące dziś, kiedy problemy auto­matyzacji, regulacji i zarządzania zyskały tak ogromne zna­czenie^

Komórka wcale nie jest bezbronną i bezradną zabawką w chao­tycznej zawierusze otaczającego ją środowiska. Budowa we­wnętrzna i działalność każdej komórki są uwarunkowane i ogra­niczone ramami pewnego uprzednio założonego programu stałego, który stanowi odbicie historycznego rozwoju danej komórki i organizmu. Dlatego właśnie przy identycznych wa­runkach zewnętrznych z jaja kurzego wylęga się kurczę, z ziarna zboża wyrasta pszenica, a kotka rodzi kocięta. Mocą tego samego programu wewnętrznego z zapłodnionej komórki jajowej rozwija się wyodrębniona jednostka dorosła z dziesiąt­kami rodzajów zróżnicowanych komórek. Ten wewnętrzny program życia nazywamy dziedzicznością. Jej strażnikiem jest komórka, przede wszystkim zaś jej jądro, które na podo­bieństwo miniaturowej co do rozmiarów ale gigantycznej co do treści biblioteki przechowuje „pamięć biologiczną”. Przez podział komórek „pamięć” ta jest przekazywana z pokolenia w pokolenie. Tak podtrzymywane jest przekazywanie życia w czasie. Przez podział komórek organizmy rozmnażają się i w ten sposób życie opanowuje coraz nowe i nowe „przestrzenie życiowe”.

46 Jednocześnie z powodu zmian w składzie chemicznym i w stru-

kturze substancji będących materialnymi nosicielami dziedzicz* ności, pamięć biologiczna komórek wzbogaca się i ulega zmianom. Przemiany dziedzicznych właściwości komórek po­wodują zmienność i ewolucję organizmów.

Tak więc komórka jest jakby korytem rzeki, do której spły­wają potoki substancji, energii i programowania biologicznego (informacji) — te trzy potoki, które przeplatając się, zlewając tworzą potężną rzekę życia.

CO TO JEST ŻYCIE — MASZYNA,

ROBOT, KOMÓRKA

Żywe komórki nie są niczym innym, jak tylko materią. Stanowią one materialne systemy-wytwórcze, jakimi są też wszelkie maszyny techniczne, wszelkie zakłady przemysłowe. Komórkę można porównać do miniaturowej, doskonale zorganizowanej i działającej fabryki chemicznej. Tak w jednym, jak i w drugim wypadku do „fabryki” wpływają i są tam przerabiane substancje, dostarczana i zużytkowywana jest energia. „Fabryka” jest zbudowana według określonego planu, posiada program pro­dukcji i systemy regulacji i zarządzania. W obu wypadkach procesy wytwórcze uwarunkowane są współoddziaływaniem między cząsteczkami i atomami, przemianą materii i energii i podporządkowane są prawom fizyki i chemii. Ale na tym podo­bieństwo się kończy, zaczynają się różnice pomiędzy „żywymi”

i „martwymi” fabrykami.

Pierwsza różnica polega na sposobie, w jaki budowana jest każda z tych dwu fabryk. Zakład przemysłowy i każda maszyna są budowane zgodnie z opracowanym przez człowieka planem konstrukcyjnym przy udziale najróżniejszych zakładów pro­dukcyjnych, dostarczających materiałów budowlanych i urządzeń, a także przy udziale robotników — murarzy, monterów itd., itd. Komórka — „fabryka” buduje się sama, sama wy­twarza sobie podobne. Tak więc pierwszą podstawową właści­wością żywej komórki, pierwszą odróżniającą cechą życia jest to, że odtwarza ono samo siebie (zdolność do autoreprodukcji).

Drugą charakterystyczną właściwością żywej komórki jest istnienie skomplikowanych i zadziwiająco dokładnych syste­mów autoregulacji. Maszyny i fabryki też mają systemy regulacji, ale są one na o wiele niższym „poziomie technicznym" i nigdy nie są w pełni zautomatyzowane. Nawet w najdosko­nalszych nowoczesnych zautomatyzowanych fabrykach, gdzie obok transporterów nie widać ani jednego robotnika, w salach przy tablicach rozdzielczych i pulpitach sterujących zawsze są dyżurni inżynierowie, którzy śledzą produkcję i gotowi są interweniować w wypadku awarii. W komórce — „fabryce" podobne „etaty” są zbyteczne. A dzieje się tak dlatego, że systemy zarządzania i regulacji życiowej działalności komórek są całkowicie zautomatyzowane.

Ale autoregulacja i zdolność do autoreprodukcji nie wyczer­pują jeszcze jakościowych różnic między tym co żywe i tym co 49

martwe. Gdyby życie posiadało tylko te dwie właściwości, to­czyłoby się wiecznie w zamkniętym kręgu: całkowicie zauto­matyzowane roboty, które w nieskończoność wytwarzają nowe roboty. Żywe komórki nie są takimi robotami, ponieważ odzna­czają się jeszcze trzecią najbardziej charakterystyczną i zadzi­wiającą właściwością życia — ewolucją (rozwojem). Komórka jest tak zbudowana, że jej program dziedziczny, a więc i jej budowa wewnętrzna i funkcje mogą się zmieniać. Nie znaczy to wcale, że każda zmiana jest udoskonaleniem. Wielka liczba zmian w dziedzicznej informacji komórki, to zmiany szkodliwe ponieważ dezorganizują one jej produkcję, prowadzą do zwyrod­nień lub śmierci organizmu. Ale między tysiącami i milionami zmian szkodliwych są też i zmiany pożyteczne, które polepszają

i rozszerzają „możliwości produkcyjne” komórki. Dobór na­turalny podejmuje te właśnie zmiany, ponieważ ich nosiciele mają wyższość w walce o byt. I tak w przeciągu prawie dwu miliardów lat życie doskonaliło się ustawicznie i od prymityw­nych komórek pierwotnego oceanu osiągnęło poziom dzisiej­szych form wyższych: roślin, zwierząt, człowieka.

Tak więc żywa komórka jest nosicielką elementarnych pro­cesów życiowych, które jako zbiorowość określają trzy podsta­wowe właściwości życia: autoreprodukcję, auto­regulację i rozwój.

Każdy system materialny, posiadający te trzy właściwości, może być nazwany żywym w najszerszym sensie tego słowa. W takiej najogólniejszej definicji życia nie określa się, z jakich substancji zbudowany jest ten system. Dla życia na Ziemi tymi substancjami są: białka, kwasy nukleinowe, cukry, lipidy, mikro- cząsteczkowe substancje organiczne, sole i woda. Ale w zasadzie każdy system materialny, który posiada wymienione wyżej trzy właściwości, będzie żywy niezależnie od tego, z jakich substancji jest zbudowany, jakie formy i rozmiary posiada i w jakich wa­runkach istnieje.

Dzisiaj przyjmuje się za prawdopodobne, że na innych plane­tach i galaktykach istnieją żywe materialne systemy o składzie chemicznym i formach bardzo odmiennych od żywych orga­nizmów Ziemi. Nie ulega wątpliwości, że w przyszłości człowiek

sam też zdoła stworzyć materialne systemy zdolne do auto- reprodukcji, autoregulacji i rozwoju. Niezależnie od tego, z jakiego materiału będą one zbudowane i jak będą wyglądały, nie będą to już maszyny-roboty, lecz rzeczywiście żywe istoty.

Nawiasem mówiąc niepostrzeżenie wkroczyliśmy w sferę zagadnień, którymi zajmują się przede wszystkim autorzy po­wieści naukowo-fantastycznych. Uczeni -— biologowie wciąż jeszcze mają troski bardziej istotne i bardziej konkretne: zbadać budowę wewnętrzną i funkcję „żywych maszyn”, które przyroda już stworzyła — komórek.

KOMÓRKA, TKANKA, ORGAN, ORGANIZM

Ale czy komórka jest jedyną elementarną jednostką życia? Czy nie istnieją inne jeszcze prościej zbudowane systemy? Jaki jest stosunek między komórkami i innymi, wyższymi formami życia: tkankami, organami, organizmami?

Zacznijmy od ostatniego pytania. Wszystkie ponadkomórkowe formy życia — tkanki, polienergidy, organy, organizmy wielo­komórkowe, są pochodnymi komórki. Zbudowane są one z ko­mórek lub też jak to jest przy syncycjach i symplastach wyni­kają ze zlania się lub niezupełnego rozdzielenia komórek. Poza komórkami organizmy wielokomórkowe zawierają także sub­stancję międzykomórkową (kostną, chrząstkową, osocze krwi, kolagen tkanki łącznej, substancję rogową itd.). Zupełnie nie­uzasadnione i błędne jest sformułowane przez niektórych ba­daczy przed około trzydziestu laty określenie tej substancji międzykomórkowej jako jakiejś niekomórkowej formy życia. Substancja międzykomórkowa nie może być rozpatrywana w oderwaniu od komórek, przeciwstawiana komórkom jako jakaś inna forma życia. Jest ona produktem ich życiowej dzia­łalności. Mówiąc obrazowo, stanowi ona substancję komórkową, ale umieszczoną poza ciałem komórki.

Komórka jest konstrukcyjną jednostką organiz­mów wielokomórkowych. Nowoczesna biologia prze­zwyciężyła niesłuszne, mechanistyczne poglądy z końca ubie-

glego wieku, ujmujące organizm jako prostą sumę arytmetyczną poszczególnych komórek. Bezsporny jednakże jest fakt, że u podstawy wszelkich funkcji w organizmie wielokomórkowym I leży działalność określonych typów wyspecjalizowanych ko­mórek. I tak ruchy zwierząt uwarunkowane są kurczliwośdą specjalnego białka (aktomizyny) zawartego w komórkach mięśniowych. Trawienie pokarmów, funkcje wydalania, unie­szkodliwianie substancji trujących, przenoszenie tlenu — wszystkie te funkcje, charakterystyczne właśnie dla organizmów wielokomórkowych sprawowane są przez odpowiednie wy­specjalizowanie komórki. Nie stanowi tu wyjątku z tej prawidło­wości świadomość: u podstawy tego najwyższego przejawu życia leży specjalizacja odpowiednich komórek (zmysłowych, ner­wowych) w kierunku przyjmowania i opracowywania podraż­nień ze strony otaczającego środowiska, przechowywania „śladów” tych podrażnień i wykorzystywania zgromadzonej informacji w przejawach świadomości.

Podstawy procesów chorobowych należy szukać także w uszko­dzeniach budowy i czynności określonych typów komórek. Medycyna otrzymała podstawy naukowe wtedy, kiedy w po­łowie ubiegłego wieku nauka doszła do tej „prostej” prawdy. Takie trudne problemy medycyny współczesnej jak rak, infekcje wirusowe i choroby psychiczne zostaną rozwiązane dopiero po przeniknięciu tajemnic zmian chorobowych w komórkach.

Leczenie chorób lekarstwami sprowadza się również do od­działywania na wymianę substancji w samych komórkach.

Podstawę komórkową mają też dwie najbardziej charakterys­tyczne właściwości organizmów wielokomórkowych — rozmna­żanie płciowe i rozwój zarodka.

To samo odnosi się i do zjawisk odporności — reakcji orga­nizmu na obce białka, obce komórki i tkanki.

Te reakcje obronne realizowane są w postaci działań wyspe­cjalizowanych komórek pochodzących z tkanki krwi, zdolnych do pochłaniania i niszczenia obcych komórek, które przedo­stały się do organizmu, lub też ciał obcych, a także do wytwa­rzania substancji (przeciwciał) unieszkodliwiających obce białka i inne obce substancje.

KOMÓRKA i JEJ „KONKURENCI”

Bakterie i niebieskozielone wodorosty — sinice, w których brak ukształtowanego jądra, były uważane do niedawna przez niektórych biologów za formy życia prostsze niż komórka, tak zwane formy przedkomórkowe. Kiedy jednak z pomocą mikro­skopu elektronowego i nowoczesnych metod biochemii i bio­fizyki dotarto do budowy cząsteczkowej komórki, bezzasadność takiego podziału stała się zupełnie oczywista. Bakterie i sinice — są także komórkami, zbudowane są z tych samych substancji, a elementarne procesy życiowe w nich odbywają się na tych samych zasadach, jak w komórkach zawierających jądra. Ich ciało jest jednak zbudowane prościej, bardziej ograniczone są też dlatego ich możliwości funkcjonalne. Takie prosto zbudo­wane komórki nazywamy dziś komórkami protokario- tycznymi (przedjądrowymi) w odróżnieniu od komórek z wyodrębnionym jądrem, nazywanych komórkami eukario­tycznymi (z prawdziwym jądrem). Pod względem funkcjo­nalnym najbardziej istotna różnica między tymi dwoma typami komórek polega na tym, że komórki z prawdziwym jądrem mogą

się różnicować i specjalizować, podczas gdy życie bakterii i prymitywnych wodorostów polega jedynie na wzroście, roz­mnażaniu i zmienności.

Trudniej jest roztrzygnąć problem wirusów. Są one znacznie prościej zbudowane niż najprymitywniejsze komórki. Czy nie są one też żywymi organizmami ? Rzeczywiście nawet teraz szereg wirusologów i biologów podtrzymuje taki pogląd. Roz­patrują oni wirusy jako najbardziej elementarne organizmy żywe. Naszym zdaniem nie jest to pogląd słuszny. Wirusy posiadają jedynie część właściwości istot żywych. Zachowują się jak żywe tylko wtedy, kiedy się znajdą w żywej komórce. Żeby zbudować własne ciało, żeby się reprodukować wirusy całkowicie wykorzystują produkcyjny aparat komórki, do której się dostały — jej organelle, jej składniki budowy, jej systemy enzymowe i uzyskaną z niej energię. A więc rozmna­żanie wirusa w żadnym wypadku nie może być nazwane auto- reprodukcją: w wirusach potoki substancji i energii są niepelno- wartościowe. Równocześnie wirusy posiadają najbardziej charak­terystyczną właściwość życia: zdolność do zmian i ewolucji. Wobec tych właściwości większość biologów skłonna jest roz­patrywać dziś wirusy nie jako prawdziwe żywe istoty, lecz jako formy przejściowe między tym co żywe i tym co nie jest żywe. Stanowiłyby one bodajże resztki niegdyś istniejących prymi­tywnych przedkomórkowych form życia lub też wtórnie uprosz­czone prymitywne komórki. O wiele bardziej prawdopodobne jest jednak, że wirusy pochodzą z „odłamków” materiału gene­tycznego samych komórek eukariotycznych. Oderwane od ca­łości komórki, zawinięte w powłokę ochronnych białek, poddane zmienności, „ułamki” te przekształcają się w błędne geny, zdolne do przenoszenia się z jednej komórki do drugiej i do autoregeneracji przeprowadzanej w taki sposób, że narzucają one swoje „prawa” komórkom, do których się dostaną.

Niektórzy autorzy, głównie artykułów i książek popularno­naukowych piszą o „żywych” cząsteczkach (na przykład cząs­teczkach kwasu dezoksyrybonukleinowego) albo o „żywych” cząsteczkach (na przykład mitochondriach, chromosomach itd.). Jest to niesłuszne. Pod poziomem komórki całość życia

się zatraca. Poszczególne składniki komórek, czy to cząsteczki, kompleksy cząsteczek czy organelle są nosicielami jedynie oddzielnych elementarnych przejawów życia, ale nie życia samego jako całości. Tak na przykład izolowane mitochondria przy sprzyjających warunkach mogą przekształcać energię nawet w probówce. Jeżeli do izolowanych rybosomów dodać niezbędne substancje, to powstaje system, który może doko­nywać syntezy białka także poza organizmem. W ten sam sposób możemy reprodukować poza organizmem i „rozmnażanie” cząsteczek DNA. Ale wszystko to jest jedynie skromnym naśla­dowaniem niektórych przejawów tak skomplikowanego zja­wiska, jakim jest życie, dlatego też podobne cząsteczki w żad­nym wypadku nie mogą być uważane za żywe. Prawdziwy żywy system — komórka — sama dostarcza zarówno swych ma­teriałów budowlanych, jak niezbędnej energii, sama buduje swe własne ciało zgodnie z założonym w niej programem, au­tomatycznie sama dokonuje regulacji własnej zgodnej z na­stępującymi przemianami i wreszcie sama może zmieniać swój program, rozwijać się.

OD NIEŻYWEGO DO ŻYWEGO

Musimy koniecznie zatrzymać się na jeszcze jednym zagadnie­niu, które prawdopodobnie porusza (niepokoi) zbyt gorliwych zwolenników idei ewolucji. „No, dobrze, komórka jest elemen­tarnym ciałem żywym, nie istnieją formy przedkomórkowe, każda komórka pochodzi z podziału innej komórki. Ale gdzież wtedy jest przejście od przyrody nieożywionej do żywej ? Jak to może być, żeby taki ogromny przeskok w naturze: od substancji nieorganicznych do żywej komórki, nie zostawił żadnych śla­dów materialnych, żadnych form pośrednich ? Czy takie poglądy nie prowadzą ku idealizmowi, nie zakładają niezbęd­ności interwencji „stwórcy” przy powstawaniu komórki“ ? Tak mniej więcej rozważali do niedawna niektórzy prymityw­nie myślący biolodzy, i przekonam, że walczą o materializm w biologii, proklamowali teorię komórkową jako reakcyjną, idealistyczną.

Niebezpieczeństwo idealizmu, wyrzeczenia się zasad ewolucjo- nizmu zaistnieje, jeżeli wyrzekniemy się historycznego podejścia w badaniu komórki. Jeżeli jednak podchodzimy do tego zagad­nienia historycznie, to pierwszą rzeczą, którą musimy wziąć pod uwagę jest to, że warunki na Ziemi dziś są zupełnie odmienne od tych, które panowały przed dwoma miliardami lat, kiedy to powstało życie.

Nie będziemy rozpatrywali tutaj skomplikowanych i wciąż jeszcze niejasnych wydarzeń, których wynikiem było powstanie

— z prostych związków chemicznych w oceanie pierwotnym, po ewolucji trwającej setki milionów lat — skomplikowanych wielkich cząstek białka i kwasów nukleinowych, których połą­czenie jest zarazem początkiem pierwotnych form życia: naj­prostszych komórek. Aż do tego stadium kategoryczne dziś prawo „Każda komórka z komórki” jeszcze nie weszło w życie. Było tak dlatego, że zasada ta powstała dopiero wtedy, kiedy wraz z powstaniem komórki zakończyło się przejście od materii nieożywionej do żywej. Nowe formy materii—żywe komórki stały się pełnoprawnymi władcami oceanu pierwotnego. Źródłem pokarmu i energii były dla nich substancje organiczne i formy przejściowe. Tak w przeciągu milionów lat komórki same zli­kwidowały materialne ślady swego powstania. I jeszcze coś. Obecność żywych istot na Ziemi uczyniła niemożliwym po­nowne spontaniczne odtworzenie tego procesu: narodzin życia. Przyczyną tego było to, że wobec obecności życia wszelkie substancje organiczne, które powstają przy rozpadzie martwych organizmów lub powstałyby na nowo w drodze abiogenezy (samorództwa), stałyby się ofiarą nienasyconego apetytu mikro­organizmów na długo przedtem, zanimby takie substancje mogły się rozwinąć i zorganizować w bardziej skomplikowane struktury prymitywnych organizmów. Na tym polega jeden z dziwnych paradoksów życia: aby powstało życie, koniecz­nym warunkiem był brak żywych organizmów na Ziemi; obec­ność żywych istot wyklucza możliwość nowego spontanicznego powstania życia.

Mówimy „spontanicznego”. Dlatego, że jest bardziej niż pewne, że pewnego dnia człowiek zdoła wyprodukować komórkę

w warunkach laboratoryjnych *. Między przyrodą nieożywioną i żywą nie istnieje przegroda, niepokonalna dla człowieka. Ale stworzenie żywych komórek nie nastąpi według naiwnych recept sprzed 200 lat, kiedy to nawet poważni uczeni uważali za prawdopodobne, że z nawozu i substancji gnijących mogą samorzutnie powstać nie tylko owady, ale nawet tak skompli­kowane pod względem budowy organizmy, jak żaby i myszyl To się nie stanie też przy zastosowaniu metod niektórych „uczonych”, którzy jeszcze przed dwudziestu laty próbowali wskrzeszać odrzuconą teorię samorództwa i twierdzili, że zdołali uzyskać żywe komórki z masy zmiażdżonych tkanek. Jeszcze bardzo wiele tajemnic trzeba wyrwać żywej komórce, aby dojść do wielkiej chwili, kiedy komórka zostanie sztucznie stworzona. Tryumf ten ludzkość osiągnie jedynie po dogłębnym wniknięciu w fizykę i chemię życia.

■EWOLUCJA KOMÓREK — PODSTAWĄ ^- RÓŻNORODNOŚCI W PRZYRODZIE

Kiedy już raz powstała jako elementarne ciało żywe, komórka stała się podstawą rozwoju różnorodności całej przyrody żywej. Ewolucja ta poszła dwiema podstawowymi drogami, odpowia­dającymi dwu podstawowym grupom żywych organizmów — jednokomórkowych i wielokomórkowych.

Organizmy jednokomórkowe (bakterie, wodorosty, grzyby, plazmodia, wymoczki, wiciowce i inne) rozwijały się przez komplikowanie i specjalizację wewnątrzkomórkowych organelli, ale przy zachowaniu możliwości samodzielnego życia poszczególnych komórek. Protozoologia (nauka o or­ganizmach jednokomórkowych) daje szereg świetnych przy­kładów zdumiewającej różnorodności, jaką przyroda żywa uzyskała na tej drodze rozwoju.

Przy organizmach wielokomórkowych ewolucja szła drogą jednoczenia grup komórek w kompleksy nadkomórkowe — tkanki, organy. Ogólne funkcje życiowe przejmuje już nie po­jedyncza komórka, lecz cały organizm. Dzięki temu poszcze­gólne komórki zostały uwolnione od nieustannej troski o „chleb powszedni” i mogły poświęcić więcej czasu i sił swoim „kwali­fikacjom”. W ten sposób powstały zadziwiająco wyspecjalizo­wane komórki, na przykład mięśniowe i nerwowe komórki, komórki zmysłowe, komórki posiadające funkcję obronną lub wspierającą itp. Jednak cena, jaką poszczególne komórki mu­siały zapłacić za swoje „wyższe wykształcenie” jest bardzo wysoka: śmierć. Wyspecjalizowane komórki organizmu wielo­komórkowego wcześniej czy później skazane są na zagładę. Ale między miliardami komórek są i takie — komórki płciowe, które mimo swego „wyszkolenia” (lub ściślej dzięki swojemu specjal­nemu wyszkoleniu) mogą dawać początek nowym organizmom. W ten sposób także przy organizmie wielokomórkowym przy­roda żywa przechytrzyła czas, oddając pod jego władzę jedynie komórki somatyczne, które giną wraz ze śmiercią orga­nizmu. A z komórek płciowych przez zapłodnienie powstają wciąż nowe pokolenia. W ten sposób w sztafecie życia , biegnie czas.

U organizmów niżej zorganizowanych, gdzie specjalizacja komórek nie jest tak krańcowa, początek nowemu organizmowi mogą dać także niektóre komórki somatyczne: jest to tak zwane rozmnażanie wegetatywne, ale w porównaniu z płciowym jest ono o wiele bardziej niedoskonałe i nieopłacalne. Bo życie po­lega nie tylko na reprodukcji ale i na rozwoju. Pod tym wzglę­dem rozmnażanie płciowe ma wielką przewagę. Poprzez zlanie się dwu komórek płciowych następuje „wymiana doświadczeń”, przemieszanie informacji dziedzicznej między dwoma różnymi organizmami, a stąd o wiele większe możliwości powstania nowych właściwości, udoskonalenia i rozwoju. Dlatego też rozmnażanie płciowe uzyskało przewagę jako pod­stawowy sposób przedłużenia gatunku. Dawniej są­dzono, że najbardziej prymitywne komórki — bakterie, roz­mnażają się jedynie w sposób wegetatywny. W ciągu ostatniego

dwudziestopięciolecia stwierdzono, że i u nich istnieje proces płciowy, tak zwana koniugacja.

Bardziej doskonałe zasady działalności życiowej u organiz­mów wielokomórkowych — zróżnicowanie i specjalizacja ko­mórek, wykształcenie kompleksów nadkomórkowych (tkanek i narządów) z jakościowo nowymi funkcjami, rozszerzyły nie- wiarogodnie możliwości przyrody żywej w dziedzinie ewolucji. Największą doskonałość organizmy osiągnęły właśnie na tej drodze rozwoju.

Niezależnie od zdumiewającej różnorodności w zakresie specjalizacji komórek podstawowe zasady organizowania dzia­łalności życiowej we wszystkich typach komórek — od bakterii aż do człowieka — są wspólne. Te same grupy substancji organicznych tworzą wszystkie komórki. Podobne są też orga­nelle komórkowe, poprzez które realizowane są elementarne funkcje życiowe. Podobieństwo składu chemicznego, w budowie podkomórkowej i w mechanizmie elementarnych procesów życiowych wszystkich komórek stanowi odbicie już nie tylko na poziomie komórki, lecz na poziomie międzykomórkowym i molekularnym wielkiej zasady materialnej jedności przyrody żywej.

KOMÓRKA-

GALAKTYKA

MOLEKULARNA

FIZYKA, CHEMIA, ŻYCIE

W porównaniu z organizmem wielokomórkowym pojedyncza komórka jest rzeczywiście nikłym kawałeczkiem materii, mikro- kosmosem, „atomem” życia. Łączna liczba komórek w ciele ludzkim obliczana jest na kilkaset miliardów. Trudno sobie wyobrazić różnicę ■ między wymiarami komórki i organizmu, średnica przeciętnie dużej komórki jest 100 000 razy mniejsza od wzrostu człowieka. Gdyby człowiek powiększył swój wzrost proporcjonalnie do powiększeń, w których dziś obserwujemy komórki za pomocą mikroskopu elektronowego (do 500 000 razy), przekroczyłby wysokość, na której sztuczne satelity krążą wokół Ziemi — 850 km!

Zwykłe wyobrażenia o tym, co proste i co skomplikowane, co gigantyczne i co mikroskopijne są zawsze względne, ponieważ uwarunkowane są naszymi zmysłami, a także stałym porówny­waniem między naszym własnym ciałem i otaczającym nas środowiskiem, przedmiotami. Według takich kryteriów komórka rzeczywiście jest mikrokosmosem. Ale jeżeli za punkt wyjścia przyjmiemy dane bardziej obiektywne: skład chemiczny, budowę i funkcje, to komórka nagle przekształca się z nikłego kawałeczka materii w skomplikowany, nieogarniony świat... Wszech­świat !

Łączna liczba cząstek jednej jedynej komórki przedstawiana jest cyfrą z 14 zerami 1 Prawdziwa galaktyka molekularna. Galaktyka?! Bardzo proszę, nie lekceważcie komórki! W naszej galaktyce — Mlecznej Drodze, do której należy i nasz system słoneczny —jest prawie 1000 razy mniej gwiazd, niż jest cząstek w jednej komórce. Nawet jeżeli do liczby gwiazd dodamy liczbę planet i asteroidów, to w tym współzawodnictwie wygra jeszcze ciągle komórka.

Zadziwia nas nie tylko liczba, ale i różnorodność cząsteczek w komórce: woda, dziesiątki rodzajów soli, tysiące związków organicznych. Jeżeli do tego dodamy jeszcze różnorodność rodzajów białek, kwasów nukleinowych i innych makrocząste­czek, to „spis nazw” substancji chemicznych tworzących ko­mórkę jeszcze się rozrośnie. 63

I zaraz powstaje pytanie: Jakież to są owe tajemnicze siły, które z chaosu cząsteczek, z tego „pyłu gwiezdnego” komórki — galaktyki budują skomplikowane ciało komórki? Przed kilku­dziesięciu laty pytanie to stanowiło bazę strategiczną, z której rozpoczynał się atak witalistów, zmierzający do rozbicia w proch i pył materializmu i wykazania, że jedynie czynniki pozamate- rialne (siła żywotna, entelechie itd.), a w ostatecznym rachunku „stwórca” mogą dokonać tak wielkiego cudu.

Dziś nie tylko uczeni, ale każdy wykształcony człowiek odrzuca takie naiwne poglądy witalistyczne. Zamiast tego jednak wśród biologów pojawiła się nowa kategoria uczonych pretendujących przy tym do tytułu dialektycznych materialistów. Na trudną tę kwestię — sił i prawidłowości tworzących żywe ciało komórki i kierujących jego czynnościami mają oni gotową i solidną od­powiedź: „Komórka powstaje z chaosu molekuł dzięki skom­plikowanym prawidłowościom biologicznym, właściwym jedynie wyższej formie ruchu materii — przyrodzie żywej. Sprowadzanie tych prawidłowości do praw chemii i fizyki jest wulgaryzacją materializmu, jest metafizyką i mechanicyzmem”. Czym są jednak te „skomplikowane prawidłowości biologiczne” ? — na to pytanie nie mogliby odpowiedzieć ani teraz ani w przy­szłości. Największą szkodę przynoszą takie poglądy przez to, że rozbrajają one naukę i jej wysiłki zmierzające do ujawnienia tajemnic życia, spychają naukowców w bezczynność i puste filozofowanie. Nietrudno spostrzec, że oderwane od praw fizyki i chemii „skomplikowane prawidłowości biologiczne” prze­kształcają się w jakiś pozamateriałny i niepoznawalny „czynnik biologiczny”. Oto dlaczego podobne poglądy stanowią współ­czesne pseudomaterialistyczne wcielenie witalizmu.

Na szczęście fizyka i chemia przed blisko trzydziestu laty nabrały już dość sił, aby włączyć się w sposób konkretny i rze­czowy w rozwiązywanie omawianego tu zagadnienia i aby rzucając wyzwanie filozofującym biologom — móc oświadczyć: „Komórka pełni swe funkcje życiowe na podstawie praw fizyki i chemii. Tajemnica życia kryje się w budowie i właściwościach cząsteczek olbrzymich, tworzących ciało komórki. Prawidło­wości biologiczne zjawiska życia są przejawem sil fizycznych

i chemicznych i wzajemnego oddziaływania między tymi cząs­teczkami. Zamiast bezpłodnych dyskusji scholastycznych i wy­rażania podziwu nad „bezgraniczną złożonością zjawisk i praw biologicznych” trzeba koniecznie zbadać budowę biologicznych makrocząsteczek i wyjaśnić, jakie są konkretne chemiczne oddzia­ływania i siły, poprzez które te makrocząsteczki tworzą komórkę i realizują wymianę substancji”.

I tak w ciągu ostatniego trzydziestolecia powstała najmłodsza gałąź nauk biologicznych — biologia molekularna. Wyko­rzystując wiadomości i metody badań z wielu nauk: biologii, chemii, fizyki, matematyki, cybernetyki, dąży ona do zbadania zjawisk życia na poziomie molekularnym.

Badanie zjawisk życia na poziomie molekularnym nie znaczy wcale, że i samo życie istnieje na poziomie cząsteczek, że istnieją żywe cząsteczki. Rozpatrywaliśmy już tutaj to zagadnienie i stwierdziliśmy, że dla zjawiska nazywanego życiem konieczny jest bardziej skomplikowany i wyższy system materialny: komórka. Poszczególne przejawy jednak i prawidłowości tego zjawiska możemy i powinniśmy prześledzić aż do poziomu cząs­teczki. Tylko w ten sposób zostaną wyjaśnione ukryte mecha­nizmy procesów życiowych i odkryta zostanie dialektyka skoków przyrody od cząsteczek do komórki. I wtedy powstanie życia z dzieła „stwórcy” przekształci się w prawidłowość w rozwoju materii.

W ŚWIECDE „GALAKTYKI MOLEKULARNEJ”

Tajemnice życia zaczynają się już przy substancjach, tworzących ciało komórki. Między nimi pierwsze miejsce pod względem ilościowym zajmuje woda: stanowi przeciętnie około 85% masy komórki. Co do liczby cząsteczek udział wody jest jeszcze wyższy: ponad 99% cząsteczek w komórce, to cząsteczki wody. Na jedną cząsteczkę białkową przypada średnio około 18 000 cząsteczek wody.

Każda galaktyka gwiezdna składa się ze słońc-karzełków i słońc-olbrzymów. W „galaktyce molekularnej” — komórce, tak samo spotkamy cząsteczki-karzełki i cząsteczki-olbrzymy.

C. KOMÓRKI

AMEBA MYKOPIAZMA

BAKTERIA

*♦—H o

10 | = 100 000 A

Najmniejszy karzełek to cząsteczka wody: ciężar cząstecz­kowy 18. Do kategorii małych karzełków należy też zaliczyć jony soli nieorganicznych — z ciężarem cząsteczkowym po­niżej 100. Nieco większe rozmiary mają karzełki-niskocząste- czkowe związki organiczne, tak zwany zasób metaboliczny ko­mórki.

W zakładach przemysłowych budynki hal produkcyjnych zbudowane są z innego rodzaju materiałów, maszyny — z in­nych, a surowce przemysłowe, przerabiane przez maszyny sta­nowią trzecią, zupełnie odrębną grupę substancji. W „fabryce - -komórce” sprawy są urządzone o wiele prościej, ale w sposób bardziej doskonały i bardziej ekonomiczny. Z tego samego za­sobu metabolicznego komórka czerpie materiały zarówno do budowy i utrzymania „budynków” i maszyn w swoich „wydzia­łach produkcyjnych” — organellach, jak i do zaopatrywania w surowce produkcji „fabryki” — różnych procesów biosyn- 67

KOMÓRKA SSAKA

tezy. Poza tym ten sam zasób niskocząsteczkowy może być wykorzystywany jako „paliwo” do produkcji energii w komórce. A wszystko to stanowi przesłankę wyjątkowej ekonomiczności i produktywności w pracy komórki-fabryki. Mają nad czym się zastanowić technolodzy i konstruktorzy zakładów przemy­słowych!

Miejsce środkowe co do wielkości zajmują w galaktyce mole­kularnej cząsteczki szeregu substancji organicznych takich, jak lipidy oraz pewne ułamki cząsteczek olbrzymich o ciężarze cząs­teczkowym około 1000.

Dalej wchodzimy już w świat cząsteczek-gigantów: białek, kwasów nukleinowych, wielocukrów. Pierwszeństwo pod wzglę­dem rozmiarów ma tutaj cząsteczka kwasu dezoksyrybonuklei­nowego, której ciężar cząsteczkowy w niektórych rodzajach komórek sięga setek milionów.

Dla zjawiska życia szczególne znaczenie ma woda. Ta tak „ba­nalna” substancja posiada szereg zadziwiających właściwości, bez których życie nie byłoby możliwe. Przywykliśmy patrzeć na wodę jako na naturalne wewnętrzne środowisko komórki, jako na jakiś bezwładny „rozpuszczalnik” substancji orga­nicznych i soli, tworzących ciało komórki. Nic bardziej błędnego niż takie wyobrażenie. Funkcje wody w komórce są liczne i różno­rodne. Woda jest jednym z najbardziej aktywnych

uczestników w wymianie substancji w komórce. Wiele z najważniejszych reakcji chemicznych w komórce (syn­teza białek, węglowodanów, utlenianie biologiczne, fotosyn­teza itd.) przebiega poprzez wiązanie lub oddzielanie wody. Około pół litra wody, którą człowiek wydziela dziennie, pochodzi z przekształceń chemicznych substancji w komórce. W czasie długiej drogi przez pustynię wielbłąd „pije” wodę, która się wydziela przy rozkładzie substancji w jego garbie.

Dla szczególnej roli wody duże znaczenie ma budowa jej cząs­teczki. Dwa atomy wodoru nie są ułożone na jednej linii w sto­sunku do atomu tlenu, lecz pod kątem 105°. Ładunki elektryczne rozmieszczone są nierównomiernie między tlenem, który jest naładowany ujemnie, i dwoma atomami wodoru, noszącymi

słaby ładunek dodatni. Takie spolaryzowane cząsteczki nazywają się dipolami. Charakter dipolowy cząsteczek wody uła­twia dysocjację elektrolityczną rozpuszczonych w niej substancji, a to znacznie zwiększa szybkość reakcji chemicznych w roztworach wodnych. Z powodu swojej polar- ności cząsteczki wodne mogą się ze sobą wiązać słabymi wiąza­niami (tak zwanymi wiązaniami wodorowymi), a także wiązać się I rozpuszczonymi w wodzie substancjami — przede wszystkim z białkami. Około 5% wody w komórce związane jest w ten właśnie sposób. Jeszcze większe znaczenie ma fakt, że polamość wody „zmusza” cząsteczki organiczne (białka, kwasy nuklei­nowe, lipidy) do zajmowania ściśle określonego położenia w przestrzeni.

Większość silników o wewnętrznym spalaniu działa przy chło­dzeniu wodnym. Także w gospodarce cieplnej komórek „chło­dzenie wodą” okazało się najbardziej odpowiednie. Przyczyną tego są szczególne właściwości cieplne wody. Jest ona najlepszym przewodnikiem ciepła między płynami i ze względu na tę swoją właściwość jest bliska metalom. Jednocześnie ma woda bardzo duże ciepło właściwe (jedna kaloria na stopień) i wysokie ciepło parowania. Z powodu tych swoich właściwości woda szybko pochłania ciepło, które się wytwarza w komórce przy pracy i rozdziela to ciepło równomiernie po całej komórce. Przy tym wobec wysokiego ciepła właściwego wody temperatura prawie nie ulega zmianie. Dzięki temu nawet przy najbardziej inten­sywnej pracy i maksymalnym wydzielaniu ciepła w komórce niemożliwe jest powstanie mikroognisk przegrzania, które by mogły rozłożyć białka i zburzyć struktury komórkowe. Tak więc woda jest idealnym środowiskiem zabezpiecza­jącym gospodarkę cieplną komórki.

Woda ma też wysokie napięcie powierzchniowe. Oto dlaczego substancje rozpuszczone w niej gromadzą się z łatwością na powierzchniach granicznych w systemach, w których ona uczest­niczy. Jest to jeden z podstawowych czynników tworzenia struktur błoniastych komórki, bez których procesy życiowe nie są możliwe.

To, co do tej pory zostało wyłożone, jeszcze nie wyczerpuje

wszystkich „patentów” produkcyjnych, przez które woda bierze udział w budowie i pracy komórki. Nie przypadkiem znany biochemik węgierski Gyórgyi Szent, rozpatrując w jednej ze swych książek właściwości wody i jej zasługi dla pojawienia się życia, konkluduje: „Woda jest nie tylko środowis­kiem, ale i matką życia”.

RODZINA CZĄSTECZEK-GIGANTÓW

A mimo wszystko to kluczem molekularnym do rozwiązania zagadek życia jest nie woda, a tym mniej inne substancje nisko- cząsteczkowe. Tajemnicy życia na poziomie molekularnym winniśmy szukać w olbrzymich cząsteczkach komórki, tak zwa­nych biopolimerach, do których należą białka, kwasy nu­kleinowe i wielocukry. Znaczenie tych ostatnich jest jednak bardziej ograniczone, ponieważ te związki wypełniają przede wszystkim funkcję substancji zapasowych, lub odgrywają sto­sunkowo skromniejszą rolę w budowie ciała komórki. Główną rolę w procesach życiowych odgrywają dwa po­zostałe typy biopolimerów: białka i kwasy nukleinowe. W stosunku do białek pogląd taki zdobył sobie już dawno prawo obywatelstwa. Inaczej rzecz się ma z kwasami nukleino­wymi, które zajęły należne sobie miejsce w rodzinie biologicz­nych makrocząsteczek dopiero w ostatnim dwudziestoleciu.

Kwasami nukleinowymi zajmiemy się w sposób bardziej szczegółowy w następnych rozdziałach, rozpatrując podstawy molekularne dziedziczności i mechanizm syntezy białka w ko­mórce. Teraz zaś zaznajomimy się z białkami i postaramy się wychodząc od przykładów, które nam daje badanie ich struk­tury, wyjaśnić, dlaczego właśnie biopolimery stanowią molekularną podstawę życia.

Makrocząsteczki biologiczne stanowią wysokocząsteczkowe substancje organiczne — polimery. Poglądowo — chociaż bardzo upraszczając — można przedstawić cząsteczkę polimeru jako długi łańcuch lub różaniec, złożony z poszczególnych ogniwek czyli podstawowych jednostek, zwanych monome*

rami. Nowoczesna chemia syntetyczna przekazała przemysłowi i gospodarce setki substancji — polimerów, bez których trudno już wyobrazić sobie życie współczesnego człowieka: nylon, polietylen, polichlorek winylu itd., itp. Polimery syntetyczne zbudowane są z wielkiej ilości jednakowych podstawowych bloków — monomerów, dlatego też noszą jeszcze nazwę homopolimerów. Ich struktura jest jednolita, powtarzająca się, stąd też i ograniczoność ich możliwości funkcjonalnych. To właśnie jednak stanowi też jedną z ich zalet. Im bardziej chemicznie nieaktywny jest polimer syntetyczny, tym trwalsze będą wyprodukowane z niego przedmioty.

Większość wielocukrów zbudowana jest także z jednego ro­dzaju monometrów, np. krochmal i glikogen zbudowane są z glukozy.

Przy białkach i kwasach nukleinowych spotykamy się z zu­pełnie nową sytuacją. W budowie cząsteczki białka bierze udział wiele (do dwudziestu) różnych ogniw składowych — a - amino­kwasów. Kwasy nukleinowe natomiast zbudowane są z czterech różnych jednostek strukturalnych zwanych mononukleo- tydami. Polimery tego rodzaju, zbudowane z rozmaitych rodzajów monomerów, noszą nazwę kopolimerów lub hete- ropolimerów. Za różnicą między homo- i kopolimerami kryje się właśnie jeden z najbardziej dramatycznych i istotnych prze­skoków w przyrodzie przy jej przejściu do tego, co żywe, i kwasy nukleinowe zbudowane są nie z jednego monomeru, lecz z róż­nych ogniw (20 aminokwasów, 4 nukleotydy), stanowi mole­kularną podstawę różnorodności w przyrodzie żywej. To „od­krycie” przyrody można porównać z pojawieniem się mowy artykułowanej lub z odkryciem pisma w rozwoju cywilizacji ludzkiej. Bo przecież różnorodność jednostek konstytutywnych w jednej cząsteczce polimeru znaczy wiele: niewyczerpane możliwości treści wewnętrznej, informacji w cząsteczce, a w wy­niku też nieograniczone możliwości różnorodności funkcji. Aby się o tym przekonać, należy przeprowadzić kilka elemen­tarnych obliczeń.

Jeżeli jeden kopolimer zbudowany jest z M różnych mono­merów, a ogólna liczba wszystkich monomerów w łańcuchu

jest n, to łańcuch polimerowy może być zbudowany z Mⁿ róż­nych sposobów. Rodzajów aminokwasów, tworzących białka jest około 20 ^#, a ogólna liczba monomerów w różnych rodzajach makrocząsteczek białkowych wynosi kilkadziesiąt do kilkuset. I tak na przykład cząsteczka albuminy surowiczej, składa się z około 600 reszt aminokwasowych. Znaczy to, że ta wielka cząsteczka może być zbudowana w 20⁰⁰⁰ różnych sposobów — liczba z 800 zerami, wykraczająca poza możliwości wyobraźni ludzkiej. Jedna wielka cząsteczka DNA o ciężarze cząstecz­kowym 10 milionów zawiera około 20 000 par nuldeotydów. Ta cząstka wobec tego może być zbudowana w 4^{20 000} sposobów — cyfra zupełnie oszałamiająca! Oto podstawa molekularna tej przedziwnej różnorodności i specyficzności charakteryzu­jących polimery biologiczne!

ARCHITEKTURA CZĄSTECZKI BIAŁKOWEJ

Łatwo jest wyliczyć, że liczba możliwych kombinacji układów reszt aminokwasowych w jednej wielkiej cząsteczce białkowej, złożonej z 600 takich reszt, wyniesie 20⁶⁰⁰. Stosunkowo łatwo też można określić dzięki analizie chemicznej procentowy udział każdego z dwudziestu aminokwasów. Ale spróbujcie ustalić w drodze eksperymentu, która ze wszystkich możliwych kom­binacji układów jest konkretnie realizowana w danej makro­cząsteczce białkowej, ustalić jedną z prawie nieskończonej liczby istniejących tu możliwości! Problem, wobec którego rozszyfro­wanie asyryjsko-babilońskiego pisma klinowego wygląda na za­danie z książeczki do rachunków dla klasy pierwszej.

Ale mimo tych trudności biochemicy zdołali ten problem rozwiązać. Dziś jest już całkowicie określona kolejność amino­kwasów, tak zwana struktura I-rzędowa, kilku białek: insuliny, rybonukleazy, hormonu adrenokortykotropowego, białka wi­rusa mozaiki tytoniowej, enzymów trawiennych trypsyny i trypsynogenu i innych; dla wielu innych białek struktura

I-rzędowa jest już ustalona w części. Za tymi suchymi danymi kryją się lata całe uporczywej pracy codziennej dziesiątków wysoko kwalifikowanych specjalistów. A kiedy pomyślimy, że w samym tylko organizmie człowieka jest powyżej 100 000 rożnych białek, czekających na swoją kolej rozszyfrowania... Ręce opadają, prawda ? Z pomocą przychodzi jednak już coraz doskonalsza aparatura: tak zwane analizatory aminokwasowe, pracujące samoczynnie, elektroniczne maszyny liczące itp. Nie ma wątpliwości, że za jakiś czas określanie sekwencji amino­kwasów w białkach stanie się banalną powszedniością labora­toryjną.

Wielka cząsteczka białkowa podobna jest do tajemniczego zamku z bajki, do którego skarbów dotrzeć można po przejściu kilku pięter pozamykanych ukrytymi drzwiczkami. Skarb cząsteczki białkowej — jej specyficzność biologiczna, kryje się w jej strukturze przestrzennej. Żeby dotrzeć do skarbu musimy rozwiązać tajemnicę kilku niższych pięter.

Pierwszym piętrem — podstawą całego budynku jest struk­tura I-rzędowa białka, czyli sposób, w jaki aminokwasy są uporządkowane wzdłuż łańcucha polipeptydowego. Od tego też zależy, jaka będzie konstrukcja wyższych „pięter”. Atomy i ugrupowania atomów reszt aminokwasowych wzdłuż łańcucha oddziałują na siebie wzajemnie i tworzą pomiędzy sobą różne rodzaje słabych wiązań. Konkretna ilość, charakter i miejsce tych wiązań zależy od sekwencji reszt aminokwasowych w łańcuchu, to znaczy od struktury I-rzędowej łańcucha. W wy­niku tych prawidłowości wielka cząsteczka białkowa nie stanowi napiętej nitki, ani też nie tworzy bezkształtnie pozwijanego kłębka, lecz już w momencie swej syntezy przybiera ściśle okre­śloną formę przestrzenną (konfigurację). Każdej kombinacji sekwencji reszt aminokwasowych odpowiada też określona struktura przestrzenna, a w wyniku i określone właściwości biologiczne. Oto dlaczego biologiczne właściwości białka (a od­nosi się to także do wszystkich pozostałych biopolimerów) uzasadnione są już w jego strukturze I-rzędowej.

Aby dotrzeć na wyższe piętra makrocząsteczki białkowej nie wystarczają już wyłącznie chemiczne metody badania. Ko­

nieczne są tu metody, przez które moglibyśmy rozróżnić, „zobaczyć” strukturę przestrzenną tych cząsteczek.

W latach trzydziestych naszego wieku znany chemik i bojow­nik pokoju Linus Pauling (nagroda Nobla w zakresie chemii za rok 1954), rozwijając myśli chemii kwantowej i teorię o na­turze wiązań chemicznych, doszedł do poglądu o olbrzymiej roli, jaką słabe oddziaływania chemiczne między atomami i grupami atomów w makrocząsteczkach biologicznych odgry­wają w tworzeniu struktury przestrzennej tych makrocząsteczek. W roku 1951 ostatecznie wyjaśniło się, że znaczna część łańcucha białka zwinięta jest w spiralę i że to zwinięcie spowodowane jest wzajemnymi oddziaływaniami między niesąsiadującymi ze sobą resztami aminokwasowymi przez słabe wiązania wodo­rowe. W ten sposób stwierdzona została alfa-spiralna struktura cząsteczki białkowej, stanowiąca jej strukturę II-rzędową.

Nie wszystkie aminokwasy podporządkowują się „syste­mowi” alfa-spiralnemu. Niektóre z nich (prolina, oksy- prolina) przejawiają „brak zdyscyplinowania” i jak w źle usta­wionym szeregu żołnierzy powodują wygięcia i załamania łańcucha. O ile jednak naruszanie dyscypliny wojskowej po­ciąga za sobą kary, to przyroda może jedynie dziękować „nie­zdyscyplinowanym” aminokwasom, naruszającym prawidłową alfa-spiralną strukturę. W ten sposób bowiem właśnie po­wstają warunki przestrzennej różnorodności w cząsteczkach białek. Wskutek wygięć, o których mowa, niektóre odcinki makrocząsteczki zbliżają się do siebie. Żeby związać te odcinki i wzmocnić przestrzenną strukturę białka przyroda w procesie ewolucji odkryła tę samą metodę wiązania cząsteczki, jaką po milionach lat wykorzystał także człowiek dla podwyższenia wytrzymałości takich polimerów, jak np. kauczuk naturalny — metodę wulkanizacji. Wulkanizacja jest tworzeniem mocnych wiązań chemicznych między poszczególnymi odcinkami poli­merów poprzez wiązania poprzeczne dwusiarczkowe. Źródłem tworzenia takich wiązań w wielkich cząsteczkach białkowych są grupy sulfyhydrylowe aminokwasu — cysteiny. Przy utlenieniu dwu grup sulfhydrylowych powstaje jedno wiązanie dwusiarcz­kowe. Wiązanie to jest uniwersalnym „nitem” molekularnym

/

/

wzmacniającym strukturę wewnątrzmolekularną i intermo- lekularną biopolimerow. Dlatego to wiązanie chemiczne od­grywa ważną rolę w architektonice komórki. Określa III-rzędo- wą strukturę makrocząsteczki białkowej. Ale i na tej strukturze nie kończą się „piętra” wielkiej cząsteczki białkowej. Szereg białek składa się nie z jednego, lecz z kilku jednakowych lub różnych łańcuchów, szczepionych ze sobą w ściśle określony sposób. I tak np. cząsteczka insuliny składa się z dwu łańcuchów /jpolipeptydowych, cząsteczka hemoglobiny — z czterech itd. Jest to IV-rzędowa struktura białek, i na tym się ich budowa kończy, a ich funkcjonalna siła osiąga swój szczyt.

Jak zobaczymy dalej, funkcja każdego białka uwarunkowana jest przez jego specyficzny układ przestrzenny. Właśnie dlatego ujawnienie tego układu stanowi podstawowe zadanie biologii molekularnej. Dojść do tego celu wcale nie było łatwo. De­cydującą rolę odegrała tu metoda strukturalnej analizy rentge­nologicznej. W roku 1937 młody chemik M. Perutz zaczyna w Cambridge systematyczne badania nad kryształami hemo­globiny. Trzeba było dwudziestu dwu lat wytrwałej pracy, aby te wysiłki uwieńczyło powodzenie. W tym samym roku 1959 jego „współbrat” z laboratorium, J. Kendrew ustalił przestrzen­ną strukturę mioglobiny. Dalej było już łatwiej. W roku 1965 rozszyfrowano strukturę przestrzenną także pierwszego białka posiadającego aktywność enzymatyczną — lizozymu, a dzisiaj lista rozszyfrowanych białek przekracza dziesięć.

Spójrzcie, drodzy Czytelnicy, na model struktury białka

— mioglobiny (str. 85). Przeczuwam wasze rozczarowanie. Czyżby ten nieefektowny obrazek, przypominający nieregularnie poskręcaną kiełbasę, był ukoronowaniem wieloletniego wysiłku naukowców i kluczem do tajemnicy życia ? Ale nie wydawajcie zbyt pospiesznie tej oceny. Rysunek, na który patrzycie, nie jest płodem fantazji malarza-abstrakcjonisty, lecz dziełem uczo­ny ch-fizykó w. Każda kropka, zagięcie, wszystkie proporcje tej „kiełbasy” zostały ustalone po wieloletnich badaniach, pomia­rach i wyliczeniach i odpowiadają z największą ścisłością rzeczy­wistemu rozmieszczeniu grup atomów w cząsteczce tego białka.

WIĄZANIA SŁABE —

BIOCHEMICZNA SPECJALNOŚĆ BIOPOLIMERÓW

Zwykle oceniamy powiązanie zarówno w sensie dosłownym, jak i przenośnym na podstawie jego siły. Do niedawna chemicy, badając wzajemne oddziaływania pomiędzy atomami i cząstecz­kami także uważali, że i w „społeczeństwie” cząsteczek główną rolę odgrywają mocne powiązania chemiczne. To jest prawda, ale tylko w odniesieniu do substancji niskocząsteczkowych.

86 Kiedy zaczęto badać wzajemne oddziaływania przy biologicz-

nych wielkich cząsteczkach, naukowcy natknęli się na pewien paradoks, który dziś staje się jedną z podstawowych prawi­dłowości biologicznych na poziomie molekularnym. Okazuje się, że specyficzne właściwości biopolimerów, czyniące z nich molekularną podstawę procesów życiowych, wynikają nie z silnych, lecz słabych oddziaływań wzajemnych, czyli wiązań słabych.

Z chemii wiemy, że reakcje chemiczne i wiązanie się atomów w cząsteczki spowodowane jest wzajemnym oddziaływaniem między elektronami z Zewnętrznych warstw atomów. W myśl zasad mechaniki kwantowej elektrony zajmują określone poło­żenie wokół jądra atomu, układając się w warstwy — powłoki. Każda warstwa może zawierać ściśle określoną liczbę maksy-

małną elektronów. Atom jest chemicznie najbardziej stabilny, kiedy jego warstwa zewnętrzna wypełniona jest maksymalną liczbą elektronów. Jedynie gazy szlachetne z zerowej grupy tablicy Mendelejewa mają wypełnione zewnętrzne warstwy elektronów i dlatego są chemicznie nieczynne. Zewnętrzne powłoki elektronowe wszystkich pozostałych pierwiastków są niepełne i dlatego pierwiastki te są chemicznie czynne w więk­szym lub mniejszym stopniu. Ich atomy jakby starają się dopełnić swoje powłoki elektronowe przez wymianę lub przegrupowanie elektronów. Wynikiem tego jest powstawanie wiązań chemicz­nych pomiędzy atomami, tzn. tworzenie związków chemicznych.

Istnieją dwa sposoby, którymi atomy uzupełniają swoje po­włoki elektronowe: albo przez przechodzenie elektronów z jed­nego atomu do drugiego, albo przez tworzenie z dwu atomów łącznych par elektronowych.

Kiedy dwa jednakowe lub różne atomy się połączą uzupełniając wzajemnie swoje powłoki elektronowe przez wspólne pary elektronowe, mówimy, że wiązanie między atomami jest kowa­lencyjne. W ten sposób na przykład dwa atomy wodoru wiążą się w cząsteczkę wodoru lub też jeden atom węgla z czterema atomami wodoru tworzy cząsteczkę metanu. Ogólna liczba elektronów przy tym odpowiada w takiej cząsteczce — liczbie protonów w jądrach atomowych i dlatego cząsteczka ta jako całość jest elektrycznie obojętna. Miernikiem siły wiązania chemicznego jest energia, wydzielana przy jego tworzeniu, a także odległość między atomami. Wiązanie kowalencyjne jest mocnym wiązaniem chemicznym. Energia wiązania jest znaczna (50 do 110 kilokalorii na mol), a odległość między atomami jest nader mała (na przykład w cząsteczce wodoru wynosi jedynie 0,74 A). Typowymi wiązaniami kowalencyjnymi w cząs­teczkach związków organicznych są wiązania C—H, C—C, C—O, C—N, N—O i inne.

Drugim sposobem dopełnienia powłok elektronowych jest przerzucanie elektronów z atomu do atomu. Przy wzajemnym oddziaływaniu między atomami sodu i chloru jedyny zewnętrzny elektron sodu przechodzi do powłoki zewnętrznej chloru, gdzie brakuje właśnie jednego elektronu. W ten sposób oba

atomy uzyskują uzupełnione, stabilne zewnętrzne powłoki elektronowe, a przez to uzyskują zupełnie nowe właściwości, przekształcając się w kation sodu i anion chloru. Między przeciw­stawnie naładowanymi jonami powstają siły elektrostatyczne przyciągania, wiążące je w związek chemiczny — związek jonowy. Dlatego też takie wiązanie chemiczne nazywamy wią­zaniem jonowym.

Kiedy związki jonowe znajdują się w roztworze wodnym, energia wiązania jonowego jest znacznie mniejsza, niż wiązania kowalencyjnego: wynosi ona jedynie około 5 kilokalorii na mol.

Wiązanie kowalencyjne i jonowe stanowią dwa stany krańcowe wzajemnego oddziaływania między atomami. W rzeczywistości para elektronów, powstająca przy wiązaniu kowalencyjnym prawie nigdy nie jest umieszczona dokładnie symetrycznie między dwoma atomami. Jeden z nich, mówiąc obrazowo „ściąga kołdrę silniej na swoją stronę”. Weźmy na przykład wodę. Dwa atomy wodoru związane są kowalencyjnie z jednym atomem tlenu w jedną cząsteczkę wody. Między tlenem i każdym z atomów wodoru powstaje para elektronów, tak, że wszystkie powłoki zewnętrzne są dopełnione. Pary elektronów jednak nie są rozmieszczone całkiem symetrycznie między jądrami atomów wodoru i atomem tlenu. Z powodu silniejszego dodatniego ła­dunku elektrycznego jądro atomu tlenu, przyciąga silniej elektrony ku sobie. W ten sposób jądra atomów wodoru zostają częściowo „obnażone” i ujawnia się ich dodatni ładunek elek­tryczny. Między słabo dodatnio naładowanymi atomami wodoru i słabo ujemnie naładowanymi atomami tlenu sąsiednich czą­steczek wody powstają siły elektrostatyczne przyciągania, po­wstają wiązania słabe, nazywane wiązaniami wodorowymi.

Wiązania wodorowe są wiązaniami słabymi, ponieważ ich wolna energia wynosi jedynie od 3 do 7.'kilokalorii na mol. Przy zapisie wzorów struktury cząsteczek przyjęło się ozna­czanie ich linią przerywaną.

Trzeci'typ wiązań, także słabych, powstaje z powodu tak zwa­nych sił van .der Waalsa działających pomiędzy atomami. Są one wynikiem niespecyficznych sił przyciągania cząsteczek znajdujących się w bliskim sąsiedztwie wzajemnym. Energia

tych wiązań jest jedynie nieco większa niż energia kinetyczna ruchu cieplnego cząsteczek (około 0,6 kilokalorii na mol przy 25 °C). Bliskie siłom van der Waalsa są siły przyciągania pomiędzy hydrofobowymi cząstkami cząsteczek, na przykład między łań­cuchami węglowodorów w kwasach tłuszczowych. Te wzajemne oddziaływania hydrofobowe, mają, jak zobaczymy, wielkie znaczenie przy tworzeniu tworów błoniastych w komórkach.

Ze wszystkich słabych oddziaływań pomiędzy atomami i cząs­teczkami największe znaczenie dla struktury przestrzennej biopolimerów i dla ich funkcji mają wiązania wodorowe. W cząs­teczce biopolimeru wiązanie wodorowe może mieć każdy kowa­lencyjnie związany atom wodoru o słabym dodatnim ładunku elektrycznym, oddziałując wzajemnie na jakiś inny częściowo ujemnie naładowany atom. Ten ostatni nosi nazwę atomu-łącz- nika. Podstawowymi ugrupowaniami atomów w substancjach organicznych tworzącymi wiązania wodorowe, są OH i NH, atomami łącznikami są tlen i azot. Proszę zwrócić uwagę, które atomy biorą udział w tych wiązaniach: wodór, tlen, azot — te właśnie, które wraz z węglem są głównymi budowniczymi wiel­kich cząsteczek białka i kwasów nukleinowych. Teraz już możemy zrozumieć jedną z głównych przyczyn, dla których natura „wy­brała” właśnie te pierwiastki z licznej rodziny atomowej systemu Mendelejewa, aby stworzyć z nich materialny substrat życia. Nie przypadek, nie zachcianka „stwórcy” i nie obfitość „ma­teriału budowlanego”, lecz niemal ścisła konieczność: grupy atomów materiałów konstytutywnych komórki — białek i kwasów nukleinowych, muszą na siebie wzajemnie oddziaływać oraz oddziaływać na cząsteczki pozostałych substancji w komórce, włącznie z wodą, nie tylko poprzez wiązania kowalencyjne, ale i przez wiązania słabe.

Energia wiązań kowalencyjnych jest wielka. Dlatego przy normalnych warunkach fizjologicznych w komórce (tempera­tura do 37 °C i jednostka ciśnienia atmosferycznego) takie wią­zania trudno powstają i trudne są do przerwania. Energia słabych wiązań jest znacznie mniejsza (1—7 kilokalorii na mol) i jedynie nieznacznie przewyższa energię kinetyczną ruchu cieplnego cząsteczek (około 0,6 kilokalorii na mol przy 25 °C). Dlatego

W normalnych warunkach fizjologicznych słabe wiązania po­wstają i rozpadają się łatwo nawet bez udziału enzymów, wystar- czają do tego nieznaczne zmiany w wewnętrznym środowisku j komórki (zmiana koncentracji niektórych jonów, słabe zmiany 1 w kwasowości środowiska itp.), lub też nieznaczne zmiany w stanie energetycznym cząsteczek. Innymi słowy wiązania kowalencyjne możemy porównać do silnie dokręconych śrub, których założenie i zdjęcie wymaga dużego wysiłku i pomocy I odpowiedniego klucza — enzymu. Tymczasem wiązania słabe ■ przypominają dopasowane do siebie rowkami powierzchnie, tak jak to jest przy zatrzaskach, zamkach błyskawicznych lub przy częściach dziecinnych budownictw z plastyku. Po to, żeby te części połączyć lub rozdzielić nie trzeba korzystać ze śrub i nitów. Takie delikatne połączenie może być skuteczne jedynie] jeżeli rozmiary wzajemnie na siebie oddziałujących powierz­chni są odpowiedniej wielkości. Sukienki nie można zapiąć na jeden tylko zatrzask; zamek błyskawiczny, aby mocno się trzymał musi być złożony z dziesiątków, a nawet setek ogniwek; budownictwo plastykowe trzyma się tylko dzięki wielu ,,słabym wiązaniom” między poszczególnymi częściami.

Podobny wypadek zachodzi i ze słabymi wiązaniami między cząsteczkami i atomami: wypełniają one istotnie swe zadanie tylko wtedy, kiedy ich jest dużo. Pojedyncze słabe wiązania, powstające ciągle pomiędzy substancjami niskocząsteczkowymi, mają charakter przypadkowy, niespecyficzny i przejściowy i dla­tego też nie mają wielkiego znaczenia. Przy wielkich cząsteczkach jednak tworzą się setki i tysiące wiązań wodorowych. Ale kiedy zwiększa się liczba słabych wiązań, uzyskują one nową, bardzo ważną właściwość: tracą swój przypadkowy charakter i prze­kształcają się w bardzo ważną i specyficzną prawidłowość.

Zgodnie z prawami termodynamiki każda cząsteczka dąży do zajęcia takiej konfiguracji, przy której jej wolna energia, „napię­cie wewnętrzne” cząsteczki jest najmniejsze. Przy tworzeniu każdego słabego wiązania wydziela się pewna ilość energii i wolna energia cząsteczki maleje. Właśnie na mocy tego prawa fizyki ogromna cząsteczka białka czy kwasu nukleinowego nie pozostaje w postaci napiętej nitki, lecz spośród nieskończonej

mnogości położeń, jakie by mogła przyjąć w przestrzeni, wy­biera to właśnie jedno, przy którym między grupami jej atomów powstanie najwięcej słabych wiązań, a w wyniku i wolna energia cząsteczki będzie najmniejsza.

Oto wspaniały przykład przechodzenia ilości w jakość na poziomie biologii molekularnej: wielka liczba słabych wzajem­nych oddziaływań chemicznych w cząsteczkach biopolimerów nadaje tym cząsteczkom nową jakość: specyficzną konfigurację przestrzenną, specyficzne właściwości biologiczne.

Liczba i układ wiązań wodorowych w cząsteczce danego biopolimeru zależy od tego, jakie atomy ona zawiera i jak są one ułożone, czyli inaczej mówiąc, od tego, jaka jest pierwszo- rzędowa struktura biopolimeru. A znaczy to, że struktura prze­strzenna i funkcje biologiczne białek i kwasów nukleinowych zdeterminowane są już w chwili ich syntezy. W odróżnieniu od ludzi, którzy kształcą się w ciągu swego życia, wielkie cząsteczki biologiczne „rodzą się już wykształcone'*, naładowane określoną ilością informacji, zaprogramowane do wykonywania ściśle określonych funkcji. Na pierwszy rzut oka zasada ta może wydać się konserwatywna i przesadnie mechanistyczna jak na takie skomplikowane zjawisko, jakim jest życie, ale po zastanowieniu się, dojdziemy do przekonania, że jedynie w ten sposób żywa komórka może zapewnić niezbędną dokładność, odtwarzalność (reprodukcyjność) i względną stabilność przy wykonywaniu swych funkcji. Poza tym zasada ta w żadnym wypadku nie powinna być absolutyzowana. Znane są wypadki, w których pewne biopolimery podlegają zmianom chemicznym w zakresie swej struktury I-rzędowej już po zsyntetyzowaniu. Zmienia to oczywiście także ich aktywność biologiczną. Ujawnienie kon­kretnych mechanizmów i znaczenia takich modyfikacji che­micznych jest ważnym i ciekawym zadaniem biologii mole­kularnej.

Wiązania słabe są przyczyną tego, że białka i kwasy nukle­inowe tworzą spirale. Przy takiej konfiguracji wielkiej cząsteczki ogniwa elementarne — monomery — rozmiesz­czone są w sposób najbardziej symetryczny. Stwarza to warunki dla jak największej liczby wiązań wodorowych, dzięki czemu

wolna energia makrocząsteczki może być najmniejsza. Inaczej mówiąc, spirala stanowi najbardziej prawdopodobny stan energetyczny biopolimeru. Tych dwadzieścia aminokwasów, jednak które tworzą białka, ma bardzo rozmaite grupy funkcyjne, które komplikują zwykły regularny porządek wzajemnych od­działywań. Oto dlaczego w wielu miejscach spirala białka zostaje naruszona, powstają sploty dodatkowe i załamania, powstają warunki dla struktury trzecio- i czwartorzędowej. Wśród wszystkich biopolimerów najkonsekwentniejszą symetrię prze­jawia cząsteczka kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA), w której liczba wiązań wodorowych jest największa i struktura przestrzenna najbardziej stabilna: ma postać prawidłowej podwójnej spirali. Właśnie ta stabilność struktury prze­strzennej DNA wysunęła ten biopolimer jako mate­rialnego nosiciela konserwatywnej zasady życia — dziedziczności.

Także dzięki słabym wiązaniom w żywej komórce zrealizowana została właściwość przeciwstawna konserwatywności: plastycz­ność, zdolność przystosowywania się do zmian środowiska. Z powodu swej małej energii wiązania słabe łatwo ulegają roz­wiązaniu nawet bez udziału enzymów. A znaczy to, że niewielkie zmiany w stanie komórki i w otaczającym środowisku mogą wywołać rozerwanie jednych słabych wiązań i stworzenie in­nych. Wskutek różnorodności swojej struktury najbardziej podatne na takie zmiany są cząsteczki białek. Ta gra słabych wiązań ma ogromne znaczenie biologiczne: prowadzi ona do nieustannych i odpowiednich zmian w konfiguracji białkowych cząsteczek, zmian odpowiadających przemianom zachodzącym w zewnętrznym i wewnętrznym środowisku komórki. Oto molekularna podstawa charakterystycznej właściwościmate- rii żywej — przystosowywania przemiany materii do konkretnych warunków środowiskowych!

To jednak jeszcze nie koniec „cudowności" słabych wiązań! Prawdopodobnie każdy z was zadawał sobie pytanie: W jaki sposób przeciwciało rozpoznaje między dziesiątkami tysięcy białek organizmu to obce białko, które przedostało się do orga­nizmu, czyli antygen? Jak się z nim wiąże, aby go zniszczyć?

Już przed przeszło 50 laty P. Ehrlicn wysunął hipotezę, że związywanie przeciwciała z antygenem spowodowane jest prze­strzennym oddziaływaniem wzajemnym między ich cząstecz­kami. Nauka współczesna potwierdziła to genialne przypuszcze­nie, wyjaśniając zarazem jego mechanizm molekularny. Wśród chaosu cząsteczek przeciwciało odrywa antygen za pomocą wiązań słabych. Dzięki odpowiedniości przestrzennej między cząsteczkami antygenu i przeciwciała powstaje wiele wiązań słabych, wytwarza się trwały kompleks, aktywność biologiczna obcego białka zostaje zlikwidowana.

Także dzięki słabym wiązaniom enzym „poznaje” substrat i związuje się z nim. Dzięki temu samemu mechanizmowi każdy

„biopolimer” rozpoznaje w komórce swoich najbardziej odpo­wiednich „współbraci”, aby się z nimi powiązać przy tworzeniu trwałych komórkowych struktur ponadcząsteczkowych i or­ganelli.

„TECHNOLOGIA” PRODUKCJI WIELKICH CZĄSTECZEK

Jasne jest już, że specyficzny i wybiórczy charakter wzajemnych oddziaływań pomiędzy cząsteczkami w komórce wynika ze zbieżności (ściślej mówiąc z komplementamości, z dopełnial- ności) w strukturze przestrzennej biopolimerów, a wzajemne rozpoznawanie dwu takich zbieżnych, uzupełniających jedną wobec drugiej częsteczek dokonuje się poprzez wiązania słabe.

Oto dlaczego, jeśli wytworzenie heteropolimerów stanowi pierwszy skok molekularny w przejściu od tego co nie jest żywe do żywego, to jego konsekwencją jest i drugi decydujący prze­skok: „odkrycie” zasady uzupełniania, komplementamości między wielkimi cząstkami. Właśnie to odkrycie dało cząstecz­kom możliwość obcowania ze sobą w specyficzny, wybiórczy sposób. Na tej zasadzie zbudowane są podstawowe właściwości materii żywej rozpoznawanie się pomiędzy tworzącymi ją cząsteczkami, samorzutne konstruowanie się struktur komór­kowych, wzajemne działania regulacyjne.

Tę zasadę komórka wykorzystuje także przy wytwarzaniu białek i kwasów nukleinowych. Do niedawna mechanizmy ich biosyntezy stanowiły kompletną zagadkę. Dzisiaj są one znane w ogólnych zarysach i, jak stwierdzono, mają charakter matry­cowy. Znaczy to, że biopolimery składają się, montują ze swoich podstawowych jednostek konstytutywnych na innej wielkiej cząsteczce, która służy jako schemat, matryca. Może niektórzy z Was podejrzliwie nastawiają już uszu: „Co? Chce Pan po­wiedzieć, że synteza najbardziej dla życia charakterystycznych substancji — białek, kwasów nukleinowych — dokonuje się według takiego samego mechanizmu, jak druk gazet, wyrób zabawek plastykowych czy pluskiewek?”

Ale jeżeli trochę się zastanowimy, to dojdziemy do wniosku, że pomysł o produkcji matrycowej w biologii nie jest aż tak bardzo heretycki. Każdy, kto interesuje się produkcją prze­mysłową wie, że odpowiednio przygotowana matryca stanowi właściwie połowę procesu produkcyjnego. Procesu przy tym szybkiego, dokładnego, seryjnego, oszczędnego. Nic bardziej naturalnego, jak to, że przyroda na długo przed człowiekiem osiągnęła w drodze swojego naturalnego doboru ten najdokład­niejszy, najszybszy i najoszczędniejszy mechanizm produkcyjny.

Na poziomie molekularnym mechanizm matrycowy wymaga istnienia cząsteczki-matrycy. Stanowi ją biopolimer, którego składowe jednostki możemy sobie wyobrazić jako rowki, po­wierzchnie o określonej formie. Do każdego rowka może przyłączyć się tylko taka cząsteczka, która ma dopełniającą informację przestrzenną. I tak za pomocą słabych wiązań do cząsteczki-matrycy przyłączają się konsekwentnie tylko takie bloki budulcowe, które stanowią uzupełnienie jej samej. Wy­starczy jeden tylko enzym- polimeraza, który ma pomóc w „przy­szyciu” tych kolejno doczepiających się bloków i oto powstaje nowa wielka cząsteczka. Przy tym taka cząsteczka, której struk­tura pierwszorzędowa, a więc i funkcje biologiczne określone zostały przez cząsteczkę-matrycę.

Zasada matrycowa produkcji wielkich cząsteczek jest nadzwy­czaj precyzyjna. Do danego odcinka matrycy może przyłączyć się tylko jeden ściśle określony monomer, dopełniający dla tego właśnie odcinka. Wskutek tego przez ten właśnie mechanizm biopolimery przekazują swoją informację przyszłym pokole­niom ze zdumiewającą dokładnością. Drugą nie mniej ważną zaletą produkcji matrycowej w komórce jest niezwykła ekono- miczność tej metody. Biopolimery składają się z dziesiątków, setek, nawet tysięcy konstytutywnych ogniw — monomerów. Aby te ogniwa mogły się uszeregować konsekwentnie w pewien ściśle specyficzny sposób bez udziału matrycy, dla każdego wiązania między poszczególnymi monomerami łańcucha byłby potrzebny jeden specjalny enzym. Czyli inaczej mówiąc dla zsyntetyzowania jednego rodzaju białka potrzeba by było od kilkudziesięciu do kilkuset rodzajów enzymów. A ponieważ

k

i same enzymy są białkami, to i ich synteza wymagałaby odpo­wiednio wielkiej ilości innych specyficznych białek, itd. Oczy­wiste jest, że powstaje w ten sposób sytuacja absurdalna. Wyj­ściem z tej sytuacji dla przyrody było właśnie znalezienie mecha­nizmu matrycowego, przy którym rozpoznawanie się i specy­ficzne ułożenie monomerów na matrycy dokonywane są poprzez wiązania wodorowe na zasadzie komplementarności i bez udzia­łu enzymów. Jedna cząsteczka-matryca zastępuje dziesiątki, setki różnych rodzajów enzymów I Jak to dalej zobaczymy, właśnie dzięki matrycowemu mechanizmowi produkcji realizowane są dwa najbardziej zagadkowe zjawiska życiowe: reprodukcja genów i biosynteza białek.

Wielka ilość i prawidłowy charakter słabych wiązań w czą-

steczkach i pomiędzy cząsteczkami biopolimerów określa ich następujące specyficzne właściwości:

P Ściśle określona specyficzna konfiguracja przestrzenna — podstawa biologicznych właściwości biopolimerów.

2. Labilność (niestałość) biopolimerów a stąd możliwości regulowania i przystosowania procesów chemicznych w ko­mórce do zmieniających się warunków (zasada autoregulacji).

3. Rozpoznawanie się pomiędzy cząsteczkami w komórce i wy­biórczość w oddziaływaniach wzajemnych między nimi, a stąd: specyficzność w działaniu enzymów; wybiórczość w układaniu makrocząsteczek przy tworzeniu organelli komórkowych (za­sada samorzutnego układania się).

4. Mechanizm matrycowy dla syntezy biopolimerów, a dzięki temu możliwość przechowywania informacji biologicznej, jej realizacji i przekazywania następnym pokoleniom jako infor­macji dziedzicznej (zasada autoreprodukcji).

Ale jeżeli funkcje biologiczne wielkich cząsteczek wynikają z ich struktury pierwszorzędowej, to wynikałoby z tego, że zna­jąc na przykład kolejność aminokwasów w danym białku, możemy też wyliczyć jego konfigurację przestrzenną i prze­powiedzieć w ten sposób jego funkcje biologiczne. Wszystko to teoretycznie jest najzupełniej prawdziwe. Niestety jednak dotychczas w praktyce nie może być zrealizowane. Nie znamy jeszcze z dostateczną dokładnością praw słabych oddziaływań wzajemnych. A poza tym dla rozwiązania takiego zadania konieczne są skomplikowane obliczenia matematyczne.

Do niedawna wydawały się niemal niemożliwe także obli­czenia konieczne do wyprawienia jakiegoś ciała z Ziemi na Księ­życ i do spowodowania, aby wylądowało ono tam w ściśle z góry określonym miejscu. Rzeczywiście w porównaniu z opera­cjami matematycznymi koniecznymi do obliczenia struktury i funkcji jakiegoś białka, obliczanie orbit ciał niebieskich sta­nowi zadanie dziecinnie proste. Ale nie ulega wątpliwości, że w dalszej przyszłości człowiek nie tylko zdoła w drodze mate­matycznej obliczać i wyrażać strukturę i funkcje biopolimerów, a następnie i całej komórki, ale że i sam stworzy modele mate­matyczne do budowy i doskonalenia żywej komórki 1

NIESTRUDZENI DZIAŁACZE - ENZYMY

Rok 1828 pozostanie w historii nauki datą ważną. Przez ogrze­wanie cyjanianu amonu chemik niemiecki F. Wóhler zdołał uzyskać mocznik. Pierwsza synteza substancji organicznej w warunkach laboratoryjnych! Dotychczas sądzono, że substan­cje organiczne mogą się tworzyć jedynie w żywych organizmach. Proces ten wydawał się tak tajemniczy, że nie przypadkiem nau­kowcy wytyczyli ostrą granicę pomiędzy substancjami nieorga­nicznymi i organicznymi. Większość z nich uważała, że same tylko oddziaływania chemiczne pomiędzy cząsteczkami nie. wystarczą do tego, żeby powstała substancja organiczna. Oto dlaczego dla wyjaśnienia zagadki procesów chemicznych w ży­wych organizmach, przywołano na pomoc sławetną siłę ży­wotną — vis vitalis.

Dzisiaj siłą żywotną zajmują się ci jedynie, co badają historię biologii i chemii. Syntezy zaś substancji organicznych w rodzaju tej, którą przeprowadził Wóhler wydają się nader proste nawet uczniom. Na drodze syntezy uzyskujemy dzisiaj tysiące związ­ków organicznych. Życie człowieka współczesnego jest nie do pomyślenia bez wytworów przemysłu chemicznego: włókna syntetyczne, masy plastyczne, farby, lekarstwa.... Nazwa „substancje organiczne” dawno utraciła swój pierwotny sens i używana jest jeszcze wciąż głównie dzięki tradycji histo­rycznej.

Ale mimo oszałamiających sukcesów chemii syntetycznej, kiedy porównujemy technologię syntez chemicznych w prze­myśle z procesami chemicznymi i z osiągnięciami produkcyj­nymi komórki, doznajemy i dziś jeszcze tych samych uczuć zachwytu, ciekawości i szlachetnej zazdrości, jakie niegdyś poruszały naszych przodków.

Zajrzyjcie do hal najnowocześniejszej fabryki chemicznej. Mętna zatruta woda odpływa z fabryki do najbliższej rzeki. Rozżarzone piece, kipiące płyny, parowniki, destylatory, auto­klawy. ... Żeby zmusić cząsteczki substancji wyjściowych do reagowania między sobą, konieczne są temperatuiy setek stopni, ciśnienia dziesiątek i setek atmosfer, 101

W przyrodzie żywej podobnie drastyczne warunki są nie­możliwe, nie dałyby się pogodzić z samym istnieniem komórki. A i nie są konieczne. A to dlatego, że w procesie ewolucji od tego, co nieżywe do tego, co żywe, przyroda odkryła bardziej doskonałe metody technologii chemicznej. Spójrzcie na jed­wabnika — tę żywą ruchomą fabrykę jedwabiu. Lub też przez chwilę wyobraźcie sobie, kiedy jako płetwonurkowie przez maskę obserwujecie zielony dywan wodorostów na morskim dnie, że komórki tych bezpretensjonalnych mieszkańców Oceanu

świata wytwarzają corocznie 100 miliardów ton tlenu! A wszystko to bez podgrzewania, bez iskier elektrycznych, bez wysokich ciśnień setek atmosfer! Potężne krążenie substancji i energii w przyrodzie żywej przebiega nie w surowych warunkach naszych fabryk chemicznych, lecz w łagodnych warunkach fizjologicznych organizmu: temperatura do 37°C, ciśnienie — jedna atmosfera.

Czemu zawdzięczać należy ten cud chemiczny ? Czyżby substancje zawarte w komórce były zręczniejsze i nie potrze­bowały „bicza” wysokich temperatur i ciśnień? Właśnie na odwrót. Substancje w komórce same przez się są nawet bardziej leniwe, niż wiele wyjściowych substancji przemysłu chemicznego. Weźmy za przykład glukozę — podstawowe paliwo komórki. Przy pokojowej temperaturze może ona trwać wieki całe bez najmniejszych zmian chemicznych. Żeby ją rozbić, trzeba pod­grzać ją do temperatury kilkuset stopni. Ale ta sama „leniwa” glukoza, jak tylko się znajdzie w komórce, nagle się ożywia. Dziennie komórki ciała ludzkiego dokonują rozkładu kilkuset gramów glukozy i uwalniają energię wystarczającą do ogrzania aż do wrzenia około dwudziestu litrów wody!

W rzeczywistości pierwotne „lenistwo” substancji składają­cych się na ciało komórki i biorących udział w przemianie ma­terii jest niezbędnym warunkiem istnienia samego życia. Wy­obraźcie sobie, co by się stało z żywymi organizmami, gdyby nagle cząsteczki organiczne „ożyły”, gdyby ich aktywność chemiczna wzrosła: burzliwy i chaotyczny przebieg najróż­niejszych reakcji zacząłby się toczyć w komórkach. Przy tym, oczywiście, przeważyłyby znacznie reakcje rozkładu, ponieważ w ten sposób substancje przechodzą do bardziej prawdopodob­nego stanu energetycznego. A znaczy to, że las sam by się zapalił, ciało ludzkie przekształciłoby się w wodę, gazy i kupkę popiołu. Na szczęście coś takiego nie może się zdarzyć, po­nieważ w warunkach fizjologicznych spontaniczna szybkość reakcji chemicznych, charakterystycznych dla wymiany sub­stancji w komórce, jest tak mała, że praktycznie reakcje te się nie odbywają.

I tu oto zaczynają działać enzymy — katalizatory życia.

Dzięki nim cząsteczki ożywają, „hale produkcyjne” komórki wytwarzają. Wynik interwencji enzymów jest tak zdumiewający, że powierzchownemu obserwatorowi mogłoby się wydawać że to same enzymy dokonują reakcji chemicznych i że to one wnoszą energię do ich przebiegu. W rzeczywistości rola enzy­mów jest skromniejsza.

To, czy dane substancje mogą w ogóle wchodzić ze sobą w związki chemiczne, nie zależy od enzymów, lecz od natury samych tych substancji, od możliwości wzajemnego oddziały­wania między powłokami elektronowymi atomów wchodzących w ich skład zgodnie z prawami mechaniki kwantowej i termo­dynamiki. Enzymy, podobnie jak wszystkie w ogóle katali­zatory, jedynie przyspieszają przebieg reakcji chemicz­nych możliwych pod względem termodynamicznym. Ale ponieważ spontaniczna szybkość reakcji biochemicznych przy warunkach fizjologicznych jest znikoma, to nie bez podstaw wydać się nam może, że enzymy nie tylko przyspieszają, ale i tworzą te reakcje.

Reakcje chemiczne z katalizą nie są przywilejem samej tylko przemiany materii w przyrodzie żywej. Prawie cała nowoczesna produkcja chemiczna odbywa się także za pomocą katalizatorów. W porównaniu jednak ze swoimi współbraćmi po fachu — kata­lizatorami nieorganicznymi, enzymy są o wiele bardziej doskonałe.

TRZY ZALETY ENZYMÓW

Żeby wyjaśnić, na czym ta doskonałość polega, porównajmy działanie enzymów z pracą katalizatorów nieorganicznych. Białko może zostać rozłożone na aminokwasy także bez udziału enzymów trawiennych. Konieczne jest jednak w takim wypadku jego długie gotowanie z udziałem silnego kwasu, służącego jako katalizator nieorganiczny tej reakcji. W żołądku i jelitach tę samą czynność, ale o wiele szybciej i w warunkach bezpiecznych dla komórek, wykonują enzymy trawienne. Tak więc pierwszą przewagę enzymów nad pozostałymi katalizatorami stanowi niezwykła potęga ich działania katalitycznego. W ciągu jednej

minuty jedna cząsteczka katalazy (enzym przyspieszający rozkład nadtlenku wodoru na wodę i tlen) może przerobić 5 milionów cząsteczek nadtlenku! W porównaniu z tą rzeczy­wiście tytaniczną działalnością jon żelaza, który także może być katalizatorem tej reakcji, jest powolny jak żółw. Jeden miligram katalazy wykonuje pracę dwu kilogramów żelaza w postaci jonowej.

Ale potęga katalitycznego działania enzymów nie jest ich najważniejszą zaletą. O wiele większe znaczenie ma ich specy­ficzność, celowość. Jeden z najsilniejszych katalizatorów nie­organicznych — gąbka platynowa, może katalizować wiele różnych reakcji chemicznych. Enzymy nie są takimi specjalis­tami od wszystkiego, nie lubią łączyć etatów. Dany enzym może katalizować tylko jedną określoną reakcję chemiczną, a przy tym w większości wypadków działa na jeden jedyny związek organiczny, ale za to wykonuje to działanie w sposób wirtuozowski! Ta specjalizacja, ta wybiórczość w dzia­łaniu enzymów jest absolutnie niezbędna dla istnienia ko­mórki w ogóle.

Wyobraźcie sobie, jaki chaos by nastąpił, jeżeliby każdy enzym przyspieszał różne reakcje chemiczne, z których w danym momencie konieczna jest tylko jedna, podczas gdy pozostałe są nie tylko niepotrzebne, lecz nawet byłyby szkodliwe.

Trzecią godną uwagi właściwością enzymów jest ich zdolność do całkowitego harmonizowania swego działania z całą pozostałą ,,produkcją” w komórce i organizmie. Katalizator nieorganiczny działa sam dla sie­bie. Nie interesuje się tym, co się dzieje wokół niego. Troskę tę pozostawił chemikowi, opracowującemu technologię produkcji, w której katalizator bierze udział. Technologowie życia jednak — ewolucja, dobór naturalny — zaprogramowały cząsteczki enzy­mów w taki sposób, żeby mogły uzyskiwać dane o całości przebiegu procesów chemicznych w komórce i dostosowywać w każdym momencie swoją działalność do jej potrzeb.

W komórce są miliony cząsteczek enzymów, które mogą katalizować kilkaset (do 2 000) różnych reakcji chemicznych. Reakcje chemiczne w komórce jednak nie przebiegają same dla

siebie. Każda z nich stanowi jedynie ogniwo, oddzielne oczko pewnego większego zakończonego procesu produkcyjnego. I Jako przykłady możemy przytoczyć rozkład glukozy, rozkład tłuszczów, utlenianie biologiczne, syntezę białka, syntezę DNA itd. Każdy z tych procesów, zwanych drogami metabolicznymi, składa się z szeregu kolejnych re­akcji chemicznych, z których każda jest katalizo­wana przez inny enzym. Cały proces stanowi w peł­nym tego słowa znaczeniu zupełnie zautomatyzo­wany mechanizm taśmowy. Ale i poszczególne drogi metabolizmu komórki nie są od siebie nawza­jem izolowane, są one ze sobą powiązane i nawzajem się przeplatają.

Na przykład substancje otrzymywane przy rozkładzie jed­nego produktu mogą być wykorzystywane jako wyjściowe ele­menty budowlane do syntezy innej substancji itd. Dlatego też najmniejsze zakłócenie harmonii w pracy jednego enzymu wy­kolei produkcję nie tylko tego cyklu, w którym on bierze udział, ale i całego systemu wzajemnie powiązanych taśm produkcyj­nych, to znaczy zakłóci wymianę substancji w całej komórce.

W produkcji przemysłowej podobne zjawiska nie stanowią rzadkości. Prowadzą one do przestojów, do uszkodzeń maszyn, do niewykonania planów, do produkcji braków, przeładowania magazynów niepotrzebnymi towarami lub też do kolejek przed sklepami z artykułami deficytowymi. W komórce podobne zjawiska nie są możliwe. Komórka, w której naruszona została zgodność w pracy enzymów, skazana jest na śmierć. Właśnie z powodu tej bezlitosnej niezłomności praw przyrody w toku ewolucji powstały wyjątkowo precyzyjne mechanizmy całkowicie automatycznej regulacji działalności enzymatycznej.

O „ANATOMII” CZĄSTECZKI ENZYMU

Ale Czytelnik zaczyna się niecierpliwić. Czas już abyśmy wy­jaśnili, czemu cząsteczki enzymów zawdzięczają te swoje wspa­niałe właściwości. Przecież to nie jest kamień filozoficzny średnio-

m

wiecznych alchemików. Dlaczego i jak w takim razie cząsteczki enzymów mogą działać tak celowo, tak „rozumnie” ?

We właściwościach enzymów nie ma oczywiście nic nadprzy­rodzonego. Są tylko cząsteczki białkowe i ... fizyczne i che­miczne prawa, zgodnie z którymi się te cząsteczki zachowują. Wszystkie enzymy są białkami. Niektóre z nich są białkami prostymi, inne powstały z udziałem także niebiałkowych skład­ników: metali, witamin lub niektórych innych cząsteczek orga­nicznych. Niebiałkowy składnik takich skomplikowanych en­zymów nosi nazwę koenzymu, a białkowy — apoenzymu, pod­czas gdy cała cząsteczka enzymowa to holoenzym. Ze względu na rodzaj reakcji, które katalizują, znamy około 2 000 enzymów. Około 150 spośród nich zdołano uzyskać w postaci krysta­licznej.

Podobnie jak wszystkie pozostałe białka, cząsteczki różnych enzymów różnią się bardzo co do wielkości. Enzymem — ka­rzełkiem jest rybonukleaza. Jej ciężar cząsteczkowy wynosi około 12 000. W porównaniu z nią dehydrogenaza glutaminia- nowa o ciężarze cząsteczkowym około 1 miliona jest prawdziwym olbrzymem.

Żeby zbadać właściwości danej substancji, trzeba ją uzyskać w czystej postaci. W roku 1926 chemik amerykański James Sumner jako pierwszy zdołał uzyskać enzym w czystej, krysta­licznej postaci: był to enzym ureaza. Badacz zdołał też wykazać, że enzym ten jest białkiem. Enzym w postaci kryształów? Komunikat Sumnera został przyjęty sceptycznie nawet wśród specjalistów — enzymologów. Sceptycyzm ten jednak stopniowo się rozproszył, kiedy w wyniku systematycznych uporczywych badań inny biochemik John Northrop zdołał w początku lat trzydziestych naszego wieku izolować w postaci krystalicz­nej cały szereg enzymów: pepsynę, trypsynę, chemotrypsynę, pepsynogen i inne. I wszystkie okazały się białkami. Za swoją pionierską pracę w dziedzinie izolowania enzymów krystalicz­nych obaj uczeni otrzymali wraz ze znanym wirusologiem Wen- dellem St a nleyem (który w latach trzydziestych pierwszy wyizolował białko wirusowe w postaci krystalicznej) nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za rok 1946.

Odkrycia Sumnera i Northropa dały możliwość dokładnego zbadania budowy i właściwości cząsteczek enzymów. Jasne się stało, że katalityczne działanie enzymu nie wynika z właści­wości całej cząsteczki, lecz jedynie pewnej jej małej części, nazwanej ośrodkiem aktywnym. Specyficzność, wybiórcze dzia­łanie enzymu jest wynikiem układu przestrzennego tej właśnie części. Spośród najróżniejszych związków chemicznych enzym „dobiera” sobie i działa tylko na te cząsteczki czy grupy ato­mów, które mu przestrzennie odpowiadają, uzupełniają go, są komplementarne w stosunku do jego ośrodka aktywnego. Tę odpowiedniość można z grubsza porównać do odpowied- niości między zamkiem i kluczem.

Zbieżność przestrzenna między aktywnym ośrodkiem en­zymu i substratem stwarza warunki do powstania między nimi słabych wiązań. Powstaje wspólny kompleks enzym-substrat. Pod wpływem cząsteczki enzymu energia elektronów atomów cząsteczki substratu zostaje na nowo podzielona. W danym miejscu cząsteczki substratu powstaje, jeśli tak się można wy­razić „punkt napięcia”. W wyniku tego wiązanie chemiczne substratu może zostać rozerwane lub też między dwoma sub- stratami może powstać nowe wiązanie chemiczne bez zwiększe­nia energii cząsteczki jako całości. W ten sposób za pomocą enzymów substraty obchodzą barierę energetyczną przebiegu danej reakcji. Na tym też polega katalityczne działanie enzymu: reakcja przebiega przy niższej energii aktywizującej. Konieczne jest jednak dobrze zapamiętać, że samo powiązanie enzymu z substratem (tym się właśnie zaczyna reakcja enzymowa) nie jest procesem enzymowym; powiązanie to powstaje jedynie poprzez wiązania słabe między komplementarnymi powierzch­niami aktywnego ośrodka i substratu, a tworzenie takich wiązań nie wymaga włączenia się enzymu.

ENZYMY TEŻ POTRZEBUJĄ AKTYWIZACJI

Nieco wyżej podkreśliliśmy, że życie możliwe jest jedynie dzięki naturalnej powolności reakcji chemicznych w komórce 108 w warunkach fizjologicznych. Dzięki temu następują w niej

tylko takie reakcje chemiczne, które w danym momencie są katalizowane przez enzymy. Ale uważny Czytelnik słusznie się sprzeciwi: To nie jest rozwiązanie, lecz tylko odsunięcie problemu. Enzymy przyspieszają reakcje chemiczne. W ko­mórce są setki, jeśli nawet nie tysiące różnych enzymów. Jeżeli­by one wszystkie pracowały jednocześnie, to rezultat tego dla komórki byłby równie tragiczny jak w wypadku, kiedy by szybkość reakcji bez enzymów była dostatecznie duża: nastą­piłby szybki rozkład substancji organicznych, ruina, śmierć. Wobec tego tak samo jak „leniwe” substancje organiczne po­trzebują w warunkach fizjologicznych „ożywienia” za pomocą enzymów — również i dla udaremnienia rozbicia ko­mórki przez nią samą konieczne jest, aby i cząsteczki enzymów utrzymywane były w stanie nieaktywnym i aby w pewien sposób były ożywiane jedynie wtedy, kiedy jest to niezbędne dla wy­miany substancji.

To zastrzeżenie jest rzeczywiście uzasadnione. To prawda, że problem został jedynie odsunięty: z regulacji szybkości reakcji chemicznych ku regulacji aktywności enzymów. Ale natura, właśnie przerzucając problem z substancji organicznych w ogóle ku enzymom-makrocząsteczkom, faktycznie rozstrzyg­nęła jedno z najbardziej skomplikowanych pytań życia: jak uregulować wymianę substancji w komórce.

Małe cząsteczki organiczne, tworzące zapas metaboliczny komórki, trudno poddają się „wychowaniu” i kontroli. Podobne są one do małych dzieci, które nie dorosły jeszcze do świadomej dyscypliny. Dlatego przyroda poddała ich działalność kon­troli enzymów. Enzymy jako makrocząsteczki białkowe są dostatecznie wyrośnięte w swoim rozwoju molekularnym, aby mogły objąć tę funkcję. W toku ewolucji powstały dzie­siątki wymyślnych urządzeń, poprzez które działalność enzy­mów jest kontrolowana i zmieniana zawsze w sposób adekwatny, zgodnie z potrzebami komórki i organizmu. Dopiero w ostat­nich latach biochemia dociera do mechanizmów, poprzez które ta regulacja jest realizowana.

Wielkie znaczenie dla zgodnej współpracy enzymów ma przede wszystkim sposób, w jaki zbudowane jest ciało komórki. Dzie- 109

siątki tysięcy cząsteczek enzymowych reprezentujących kilka­set różnych rodzajów enzymów nie mieszczą się w postaci przy- padkowej mieszaniny w komórce. Większość z nich stanowi nierozłączne składniki konstytutywne organelli komórkowych. Inaczej mówiąc, znaczna część enzymów to równo­cześnie białka strukturowe. W ten sposób żywa komórka realizuje przestrzenny porządek procesów przemiany.

Ważną rolę jako czynnik regulacji przestrzennej odgrywa też silnie rozwinięty wewnątrzkomórkowy system błon. Przez swoją wybiórczą przepuszczalność błony mito- chondriów, siateczki endoplazmatycznej i innych błoniastych organelli kontrolują podział i koncentrację enzymów i substancji, które przerabiają (substraty i produkty). W ten sam sposób regulowany jest też dostęp różnych substancji do enzymów, które mogą wzmagać (aktywatory) lub przytłumiać (inhibi­tory) ich działanie. Nic więc dziwnego, że przy uszkodzeniu lub rozbiciu struktur komórkowych enzymy się aktywizują. Ta prawidłowość biologiczna jest źródłem największych trud­ności w badaniu przemiany materii w żywej komórce. Dla zbadania przebiegających w niej procesów biochemicznych musimy wyizolować jej poszczególne części składowe. Aby ten cel osiągnąć, musimy rozbić ciało komórki. A kiedy je znisz­czymy, enzymy się aktywizują, atakują i zmieniają skład i struk­turę badanych przez nas organelli i substancji. Powstaje błędne koło, z którego badacze komórki nie zawsze mogą się wydostać. I dlatego sceptycy zadają często podstępne pytanie: „A czy to, coście odkryli w waszych probówkach to to samo, co się dzieje w żywej komórce ?” Aby uniknąć tego zasadniczego zastrzeżenia, podejmuje się wszelkie możliwe kroki zapobiegawcze przeciw aktywizacji enzymów: pracuje się przy niskiej temperaturze i w obecności substancji - inhibitorów, hamujących aktywność enzymów. I zawsze dąży się do tego, żeby potwierdzić uzyskane rezultaty przynajmniej za pomocą jednej jeszcze, niezależnej metody badania.

JAK KOMÓRKA MOŻE POPEŁNIĆ SAMOBÓJSTWO

Wspaniały przykład budowy komórki jako regulatora działań enzymów daje praca odkrytych organelli — lizosomów.

W Odyssei Homera jest między innymi opowieść o tym, jak to Odysseusz w czasie swoich wędrówek dostał się na wyspę, gdzie panował bóg wiatrów — Eol. Żeby pomóc Odyssowi w powrocie do ojczyzny Eol ofiarowuje mu miech, w którym umieszcza wszystkie niebezpieczne dla żeglarza wiatry. Ale już w drodze towarzysze Odysseusza, myśląc że miech jest pełen wina, wypatrują odpowiednią chwilę i rozwiązują go. Uwolnione żywioły rozpętują zawieruchę i zatapiają okręt.

Podobnym miechem są lizosomy. Tylko że zamknięte w nich niszczące żywioły, to nie wiatry Eola, lecz cała grupa enzymów — hydrolaz. Przyspieszają rozpad hydrolityczny prawie wszyst­kich najważniejszych składników komórki: białek, kwasów nukleinowych, wielocukrów. Kontrolując wytrzymałość błony lizosomów, komórka utrzymuje pod kontrolą zamknięte w nich niszczące enzymy. Przy uszkodzeniu błony nasz „miech” się rozrywa i enzymy się „wylewają” do ciała komórki, nastę­puje autoliza — samorozpuszczanie komórki. W ten sposób organizm uwalnia się od uszkodzonych lub już zbędnych komórek.

Wątpię, czy ktoś z was się domyśli, że właśnie ten mecha­nizm wyjaśnia pewne ciekawe, wszystkim znane zjawisko: zanikanie ogona u kijanek, kiedy w czasie metamorfozy prze­kształcają się w żaby. Kiedy proces ten się zacznie, lizosomy w komórkach tracą błony, enzymy się aktywizują i niszczą ko­mórki, ogon odpada. Ale dlaczego lizosomy aktywizują się tylko w ko piórkach ogona ? Najprawdopodobniej w czasie meta­morfozy kijanki wytwarzają się substancje w rodzaju hormonów, działające wybiórczo jedynie na określony rodzaj komórek w tym wypadku na komórki ogona. Ten przykład pokazuje wyraźnie, jak przez pośrednictwo substancji biologicznie czyn­nych i z udziałem określonych organelli komórkowych realizuje się wzajemne oddziaływanie i harmonia w czynnościach enzy­mów w różnych tkankach i organach.

H^KOREK” CZĄSTECZKOWY ENZYMÓW I TRAWIENNYCH

Ale wróćmy do cząsteczkowych mechanizmów aktywizacji enzymów. Czytelnik mógłby już sam domyśleć się najogólniej­szej zasady tych mechanizmów: „Enzymy są makrocząsteczkami białkowymi. Aktywność biologiczna makrocząsteczek zależy

od ich przestrzennej konfiguracji. Skutkiem tego wszelkie warunki, które mogą wpływać na strukturę przestrzenną cząs­teczki białka a zwłaszcza na jej aktywny ośrodek, zmienią też jej aktywność enzymatyczną”. Zasada jest najzupełniej praw­dziwa, ale konkretne mechanizmy cząsteczkowe, poprzez które jest realizowana, wyjaśnione zostały dla bardzo niewielu en­zymów.

Niektóre enzymy zbudowane są z dwu części i aktywizują się dopiero po ich połączeniu. Przy innych enzymach ośrodek aktywny kompletuje się dopiero wtedy, kiedy białkowa cząs­teczka enzymu połączy się z jakimś dodatkowym czynnikiem — witaminą lub inną substancją niskocząsteczkową. Są enzymy, które aktywizują się dopiero wtedy, kiedy wejdą w związek ze swym substratem. Taki właśnie wypadek reprezentuje białko powodujące skurcz mięśni: aktomiozyna, która aktywizuje się przy związaniu z substratem — cząsteczką adenozynotrój- fosforanu.

Cząsteczkowy mechanizm aktywizacji wyjaśniony został naj­dokładniej przy enzymach trawiennych, rozbijających białka w jelitach, jak na przykład trypsyna. Wiadomo od dawna, że enzym ten wytwarzany jest w komórkach gruczołu pozaścien- nego, trzustki, w postaci nieaktywnej noszącej nazwę trypsyno- genu. Dopiero kiedy dostanie się do prześwitu jelit, trypsynogen zamienia się w aktywną trypsynę. Mechanizm molekularny dzięki któremu komórki trzustki—wytwórczynie trypsyny—mają zapewnione bezpieczeństwo, polega na tym, że cząsteczki tryp- synogenu mają dodatkowy „ogon” z sześciu reszt aminokwaso- wych, „maskujący” jak gdyby aktywne centrum. Nie należy wyobrażać sobie roli tego „ogona” jako jakiegoś korka do butelki z wodą mineralną. W rzeczywistości grupy atomów, w tym ogonie powiązane są słabymi wiązaniami z pozostałą częścią cząsteczki enzymu, a wynikiem tego jest deformacja ośrodka aktywnego. Wewnątrz jelit pod wpływem innego enzymu- -aktywatora, enterokinazy, „korek” cząsteczkowy enzymu wy­pada i w wyniku dokonanych w ten sposób zmian w strukturze przestrzennej enzymu jego ośrodek aktywny uzyskuje aktywny układ.

Podobny jest też mechanizm aktywizacji jednego z enzymów krzepnięcia krwi: przekształcanie protrombiny w trombinę pod wpływem enzymu — trombokinazy.

ENZYMY PROWADZĄ LEKCJĘ AUTOMATYZACJI PRODUKCJI

Ale nawet kiedy cząsteczki enzymu zostaną uformowane w osta­teczną postać, ich aktywność musi zawsze odpowiadać cało­kształtowi czynności komórki.

Najprostszy sposób regulacji aktywności enzymatycznej po­lega na wzajemnych oddziaływaniach między enzymem, sub- stratem, na który ten enzym działa, i wytwarzanym produktem na zasadzie „popytu i podaży”.

Jeżeli w danym momencie komórce potrzebny jest produkt określonej reakcji enzymatycznej, to produkt ten zostaje wydo­byty natychmiast po wyprodukowaniu. „Placyk” koło enzymu jest wolny, enzym pracuje na pełnych obrotach. Ale jeżeli „popyt” na dany produkt spada, produkt „zalega”, jego koncen­tracja w komórce rośnie. Utrudnia to i wreszcie całkowicie za­trzymuje wydzielanie się nowych produktów z ośrodka aktyw­nego. W ten sposób szybkość reakcji enzymatycznej stopniowo maleje, aż wreszcie ustaje ona całkowicie. Jeżeli zużycie danego produktu przez komórkę wzrośnie, jego koncentracja maleje, centrum aktywne zostaje uwolnione, produkcja zostaje wzno­wiona.

W omówionym przypadku regulacja procesu enzymatycz­nego nie jest powiązana ze zmianami strukturalnymi enzymu lub kompleksu enzym — substrat. Dlatego ten rodzaj regu­lacji nosi nazwę izosterycznego mechanizmu regulacji aktyw­ności enzymatycznej.

Enzymy jednak nigdy nie działają samodzielnie, lecz zawsze jako ogniwa w bardziej skomplikowanych i krętych drogach metabolizmu komórkowego. Dlatego też aktywność enzyma- 114 tyczna musi się stale dostosowywać nie tylko do koncentracji

bezpośredniego produktu, lecz także, i to przede wszystkim, do potrzeb komórki i organizmu jako całości.

Wyobraźmy sobie wytwórnię kauczukowych wyrobów pro­dukującą opony dla przemysłu samochodowego. Fabryki samo­chodów przeszły do produkcji nowego typu wozów z oponami nowego rodzaju i w innych rozmiarach, a nasza wytwórnia opon dalej produkuje stary typ opon samochodowych. Wynik? Magazyny fabryki opon wypełniają się niepotrzebnymi wyro­bami, a nowo wyprodukowane samochody blokują podwórze

fabryki samochodów, bo jej samochody bez opon nie mogą się poruszać.

Ale komórka nie ma zbytecznej przestrzeni, gdzie by mogła magazynować niepotrzebne wyroby. Przyroda zlikwidowała niebezpieczeństwo podobnych nieporozumień wytwórczych w gospodarce komórki, tworząc w procesie doboru naturalnego skomplikowane mechanizmy służące informacji i regulacji pracy enzymów poprzez system tak zwanych sprzężeń zwrotnych (mechanizm regulowania reakcji poprzez jej końcowy pro­dukt).

Aby zrozumieć te mechanizmy rozpatrzmy najprostszy przy­padek. Określona substancja £ powstaje w wyniku pięciu kolej­nych reakcji enzymatycznych. W danym momencie życia komórki konieczny ten produkt nie jest, trzeba przerwać jego wytwarzanie. Gdyby istniały tylko izosteryczne mechanizmy regulacyjne, to nagromadzenie produktu E zablokowałoby je­dynie ostatnią reakcję D -» E. Pozostałe ogniwa drogi meta­bolicznej A-*- E nadal by pracowały, w komórce gromadziłyby się nikomu niepotrzebne „półfabrykaty”. Żeby się tak nie stało, trzeba aby ogniwo końcowe D -*■ E nieustannie przekazywało informację o swojej sytuacji także i początkowemu ogniwu drogi metabolicznej A-> B. Jeżeli koncentracja produktu E wzrośnie

ponad pewien określony poziom, musi zostać automatycznie zmniejszona, lub też całkowicie wstrzymana aktywność już pierwszego enzymu a.

W ostatnich latach wyjaśnione zostało, że rzeczywiście taśmy produkcyjne komórki są bogato wyposażone w podobne mecha­nizmy regulujące oparte na zasadzie sprzężeń zwrotnych. Ponieważ badanie tego rodzaju zależności jest niesłychanie skomplikowane, to sprzężenia zwrotne między konkretnymi ogniwami enzymatycznymi zostały częściowo tylko ustalone i tylko dla niektórych szlaków biochemicznych.

ZNOWU WSZECHPOTĘŻNE SŁABE WIĄZANIA

Powstało"jednak pytanie: „Dziś, kiedy dzieci nawet interesują się cybernetyką i mówią o niej, łatwo jest wykreślać schematy sprzężeń zwrotnych. A w ogóle nie jest to nadzwyczajne osiąg­nięcie wpaść na pomysł, że i taśmy produkcyjne enzymów w komórce wykorzystują ten uniwersalny mechanizm regulu­jący. Ważniejsze jest zbadanie mechanizmów cząsteczkowych zwrotnego tłumienia reakcji biochemicznych!”. Problem ma rzeczywiście zasadniczą wagę. Regulacja izosteryczna poprzez bezpośredni produkt może łatwo być wyjaśniona przestrzenną zbieżnością w oddziaływaniach wzajemnych między aktywnym centrum, substratem i produktem. Ale tutaj ? Ten ostateczny produkt szlaku biochemicznego przecież nie odpowiada w żaden sposób aktywnemu centrum enzymu pierwszego ogniwa.

Czas już jest, aby sobie przypomnieć znowu o strukturze przestrzennej cząstek enzymów o wszelakich wiązaniach sła­bych i o tym, że centrum aktywne stanowi jedynie bardzo drobną cząstkę białka. Stwierdzono na przykład, że u enzymów trawiennych, trypsyny i hemotrypsyny, składających się z około 200 do 300 reszt aminokwasowych, do czynnego centrum bez­pośrednio należy nie więcej, niż 20 z nich. Do czego potrzebne są wobec tego pozostałe, czemu służy pozostały fragment cząsteczki białkowej ? Przecież przyroda żywa nie znosi nad­miaru 1 Fakt ten przez długi czas stanowił dla biochemików

zagadkę, a teraz nagle został wyjaśniony w zupełnie naturalny sposób. Cała cząsteczka enzymu poza centrum aktywnym sta­nowi system swoistych „anten cząsteczkowych”, poprzez które enzym uzyskuje informację o stanie przemiany materii w ko­mórce i całym organizmie i „polecenia” od nich co do sposobu działania. To prawda, że końcowy produkt nie może wchodzić w reakcje bezpośrednio z aktywnym centrum, ale ma on zbież­ność przestrzenną z jakimś innym fragmentem cząsteczki en­zymu i może wchodzić we wzajemne oddziaływania z nim przez wiązania słabe. A tego wystarczy do zmiany wewnętrznej sy­tuacji energetycznej w cząsteczce enzymu jako całości, czego wynikiem jest także zmiana jej struktury przestrzennej włącznie ze strukturą czynnego centrum. Skutkiem jest tutaj przerwanie działania enzymu. Ta zmiana w działaniu enzymu nie przez bezpośredni wpływ na aktywne centrum, lecz przez oddziały­wanie na odpowiednie grupy atomów cząsteczki białkowej została w roku 1961 nazwana przez F. Jacoba i J. Monoda efektem allosterycznym. Stwierdzono, że w niektórych wypad­kach efekt allosteryczny związany jest nie z tłumieniem, lecz właśnie z pobudzaniem aktywności enzymów i że ten sposób regulacji ma o wiele szersze znaczenie biologiczne. Obecnie panuje pogląd, że na drodze transformacji aliosterycznej makrocząsteczek oddziałują regulująco na ich funkcje biolo­giczne różnorodne substancje — aktywatory i inhibitory przemiany materii w komórce (hormony, induktory embrio­nalne) itd. Wszystkie te biologicznie aktywne niskocząsteczkowe substancje, które mogą modyfikować przemianę materii poprzez oddziaływanie allorystyczne na makrocząsteczki biologiczne, noszą nazwę efektorów. I tutaj na przykładzie efektu alloste- rycznego możemy jeszcze raz ocenić jakościową różnicę między substancjami niskocząsteczkowymi i makrocząsteczkowymi. Syg­nały o stanie przemiany materii mogą wchodzić do każdej sub­stancji: sama jej obecność w komórce stanowi już określony sygnał. Odbierać jednak i analizować oraz przekształcać takie sygnały i reagować na nie mogą tylko makrocząsteczki bio­logiczne.

Wszystkie, rozpatrzone dotychczas przez nas mechanizmy

regulują działanie istniejących w komórce enzymów. Ale prze­miana materii jest regulowana nie tylko poprzez zmiany w dzia­łaniu istniejących w danym momencie enzymów, lecz także poprzez regulowanie ilości i rodzaju wytwarzanych enzymów. To jest już szczególny przypadek ogromnego zagadnienia regu­lacji w biosyntezie białek. Z zagadnieniem tym zapoznamy się w jednym z następnych rozdziałów.

CZĄSTECZKI — „OSZUŚCI”

„Tylko ten, kto nie pracuje, nie popełnia błędów” — powiada przysłowie. Dlatego nic dziwnego, że i enzymy, ci niestrudzeni robotnicy w komórce-fabryce także popełniają błędy mimo swej doskonałości. Jest kilka typów błędów popełnianych przez enzymy. Ale wszystkie mają przyczynę ogólną: możli­wość oszukania enzymów przez cząsteczki - fałszerzy, cząs- tsczki-sobowtóry.

Specyficzność działania enzymatycznego, jak wi­dzieliśmy, opiera się na przestrzennej zbieżności

I KOMPLEKS ENZYM

ENZYM - SUBSTRAT

I

ANALOG ZWIĄZAŁ SIĘ Z AKTYWNYM CENTRUM ENZYMU I ZABLOKOWAŁ GO

SUBSTRATU

■■■ AM Al Ar ■■■

między aktywnym centrum enzymu i substratem. Co by się stało, gdybyśmy znaleźli molekularnego sobowtóra substratu ? Wskutek zbieżności przestrzennej z aktywnym cen­trum substancja-sobowtór umieściłaby się tam i przeszkodzi­łaby cząsteczce enzymu w oddziaływaniu na jej prawdziwego partnera. W języku enzymologii takie cząsteczki-sobowtóry noszą nazwę analogów substratowych. Niektóre sub- straty mogą łatwo zostać sfałszowane przez zastąpienie w ich cząsteczce jednego atomu wodoru przez halogen — fluor, chlor, brom, jod. Fałszerstwo za pomocą tych trzech ostatnich pier­wiastków nie jest tak udane, z powodu znacznej różnicy w roz­miarach atomu wodoru i jego namiastek. Oto dlaczego nawet jeżeli się umieści w aktywnym centrum taka cząsteczka-sobo- wtór, nie trzyma się w nim mocno. Wystarczy zwiększyć kon­centrację substratu naturalnego aby wypędzić takiego nie­proszonego gościa. Dlatego jednak właśnie, że te sobowtóry tak łatwo odczepiają się od enzymu, mogą kontynuować włó­częgę po drogach biochemicznych komórki wraz z produktami naturalnymi. Jeżeli są to analogi naturalnych kwasów nuklei­nowych lub nukleotydów, to takie substancje-sobowtóry mogą docierać nawet do ostatecznych produktów syntezy, do białek i kwasów nukleinowych. Oczywiste jest, że takie makrocząsteczki, w których niektóre monomery zostały zastąpione przez swe sobowtóry, będą też miały żmienioną konfigurację przestrzenną, zmienione właściwości biologiczne. W ten sposób na przykład niektóre z zasad azotowych w cząsteczce DNA mogą zostać zastąpione przez ich halogenizowane (bromowe lub jodowe) pochodne. W wyniku ulegają zmianie dziedziczne właściwości komórki, pojawiają się mutacje.

Kiedy w cząsteczce-oszuście zastępcą wodoru jest fluor, to odpowiada on o wiele dokładniej przestrzeni zajmowanej przez wodór. Centrum aktywne zostaje zablokowane w sposób nieodwracalny. Dlatego pochodne fluorowe są o wiele silniej­szymi inhibitorami aktywności enzymatycznej.

W innych wypadkach cząsteczki-fełszerze atakują bez­pośrednio aktywne centrum enzymu. Takiemu oszustwu pod­legają stosunkowo łatwo te enzymy, w których aktywnym cen-

tram występuje składnik niebiałkowy, tak zwany koen­zym. Jeżeli dość zręcznie sfałszujemy cząsteczkę koenzymu, to cząsteczka enzymu może włączyć rzekomy koenzym do swego centrum aktywnego. Oczywiście takie centrum aktywne nie może nic zdziałać, ponieważ ma niewłaściwą strukturę. W tym wypadku cząsteczki-sobowtóry wchodzą w skład samego en­zymu i dlatego noszą nazwę analogów strukturalnych.

Analogi substratowe i strukturalne są silnymi truciznami. Ale kiedy są wykorzystywane jako broń przeciw bakteriom, które przeniknęły do organizmu, stają się niezastąpionymi lekar­stwami. Wiele najbardziej wartościowych i silnych środków leczących choroby zakaźne — sulfamidy, antybiotyki — to właśnie analogi substratowe lub strukturalne enzymów bakte-

ryjnych. Podobne cząsteczki-sobowtóry stosowane są jako środki lecznicze w niektórych zaburzeniach przemiany materii, kiedy trzeba zahamować syntezę jakiegoś hormonu, wytwarzanego w nadmiarze przez chory organizm. W ostatnich latach wytwo­rzono szereg substancji — analogów niektórych enzymów, niezbędnych do syntezy DNA i do podziału komórek. Nie­które z tych substancji są już z powodzeniem użytkowane przy leczeniu raka.

Wszystkie takie cząsteczki-sobowtóry obejmujemy dziś łączną nazwą antymetabolitów. Nie ulega wątpliwości, że w przy­szłości odkrywanie i wytwarzanie w drodze syntezy nowych takich substancji będzie stale wzrastało. Dzięki nim człowiek uzyska jeszcze większą możliwość ingerowania w przemianę materii w komórce i kierowania tą przemianą.

Poza zastosowaniem w lecznictwie antymetabolity są nie­zastąpionymi środkami w badaniach przemiany materii w ko­mórce. Blokowanie danego enzymu przez jego analog stanowi swoistą bezkrwawą „amputację” w łańcuchu reakcji biochemicz­nych. W ten sposób powstaje możliwość dokładniejszego zbada­nia roli zablokowanego enzymu.

NA

PUNKCIE

CELNYM

O istnieniu błony komórkowej można być przekonanym i bez pomocy mikroskopu już na podstawie rozumowania logicznego. Jest zupełnie naturalne, że istnieje jakiś twór graniczny, który rozdziela dwa tak różne systemy, jakimi są komórka i otacza­jące ją środowisko. Ale jako dowiedziony realnie fakt błona komórkowa istnieje zaledwie od lat piętnastu, od czasu kiedy komórka znalazła się pod mikroskopem elektronowym z jego ogromnymi możliwościami powiększania. Co do rozmiarów bo­wiem błona komórkowa rzeczywiście stanowi twór hipermikro-

skopijny: jej grubość sięga zaledwie stutysięcznej części mi­limetra !

W szeregu komórek roślinnych, zwierzęcych i bakteryjnych na powierzchni prawdziwej błony komórkowej odkładają się różnorodne substancje tworzące dodatkowe powłoki komórki i spełniające funkcję obronną lub usztywniająco-mechaniczną. Takie powłoki, łatwe do zobaczenia nawet pod mikroskopem optycznym, to błony celulozowe komórek roślinnych, śluzowe i chitynowe powłoki na powierzchni komórek zwierzęcych. Tę samą naturę mają też otoczki bakterii. Szczególny wypadek dodatkowych powłok wokół komórki stanowi wapienna skorupka i białko jaj ptasich.

Pod mikroskopem elektronowym membrana komórki wi­

IPPiB ganiej**y^c

Pity

doczna jest w postaci cienkiej smużki o wymiarach 80—100 A. Przy znacznie silniejszych powiększeniach można dostrzec, że składa się ona z dwu ciemnych warstw, przedzielonych jaśniejszą strefą graniczną. Membrany sąsiednich komórek nie stykają się bezpośrednio. Między nimi pozostaje przestrzeń od 100 do 300 A, wypełniona zwykle substancją wiążącą o charakterze białko w o-wielocukrowy m. Enzym trypsyna rozkłada łatwo ten „cement” międzykomórkowy. W ten sposób zwarta tkanka może przekształcić się w zawiesinę komórek: metoda ta jest obecnie stosowana codziennie w laboratoriach przy hodowli tkanek.

Błona komórkowa pokrywa też wszystkie funkcjonalne zróż­nicowania powierzchni komórki, jak włoski, rzęski, wyrostki i inne.

Ciekawie zbudowana jest powierzchnia w niektórych rodzajach komórek, wyspecjalizowanych w pochłanianiu substancji z ota­czającego środowiska. Do takich należą na przykład komórki powłoki w jelitach cienkich lub w kanalikach nerki. Dla zapew­nienia dostatecznie dużej powierzchni do przechodzenia sub­stancji przez błonę komórkową, powierzchnia komórki zwrócona ku wnętrzu kanalika tworzy liczne wypukłości — mikrowłoski, które nadają jej szczoteczkowaty wygląd.

Mimo swych mikroskopijnych wymiarów błona komórkowa jest tworem niezmiernie trwałym. Przy próbie przebicia ko­mórki mikromanipulatorem błona komórkowa stawia igle znaczny opór, a po przebiciu zadana „rana” zamyka się i całość komórki zostaje zachowana. Nawet w wypadku wycięcia znacz­nych części cytoplazmy, co jest dosyć łatwe, na przykład u ame­by, błona komórkowa szybko się rekonstruuje. Ta jej właściwość stwarza możliwość dokonywania na komórkach ciekawych operacji mikrochirurgicznych: transplantowanie jądra z jednej komórki do drugiej, zamianę części między różnymi komór­kami itd.

RZECZY ZNANE, ZANIM ZOSTAŁY ZOBACZONE

Jednym z najświetniejszych przejawów siły nauki jest sukces przewidywania naukowego. Planeta Neptun została odkryta nie przez teleskop, lecz dzięki obliczeniom matematycznym. Istnienie neutronu zostało przewidziane teoretycznie jeszcze przed uzyskaniem na to dowodów doświadczalnych. Struktura błony komórkowej daje nam także doskonały przykład siły przewidywania naukowego. Przez mikroskop optyczny zoba­czyć jej nie można. Zbadanie jej ścisłego składu chemicznego do dzisiaj nastręcza wiele poważnych trudności. Mimo to, nie tylko jej skład, ale i budowę cząsteczkową przepowiedziano i ustalono jeszcze przed epoką mikroskopów elektronowych (E. Gortner i R. Grendel 1925; H. Davson i J. Danielli, 1935). Wysoki opór elektryczny komórki i łatwość, z jaką do niej przenikają substancje rozpuszczalne w tłuszczach, dawały podstawy do przypuszczenia, że powierzchnia komórki jest bogata w lipidy. Z drugiej strony niskie napięcie powierzchniowe

I . powierzchni komórki i jej duża trwałość mechaniczna wskazy- P™ wały na to, że w jej budowie biorą udział także i białka.

1^ Na podstawie tych danych w latach trzydziestych Danielli Ł>k zaproponował model budowy błony komórkowej. Według tego modelu stanowi ona strukturę warstwową, składającą się z bia­łek i substancji tłuszczowych należących zwłaszcza do grupy He- fosfolipidów (fosfatydów). Cechą charakterystyczną tych sub- ■*^a stancji tłuszczowych jest obecność grupy hydrofilnej w ich ■ ~ cząsteczce. Cząsteczki lipidowe zajmują wewnętrzną część błony, układając się dwiema warstwami prostopadle do ściany BL komórki. Taki układ jest prawidłowym skutkiem dwoistego charakteru fosfolipidów: na zewnątrz ku środowisku wodnemu Hy skierowana jest część hydrofilna, a zakończenia hydrofobowe Hc kwasów tłuszczowych zostają wypchnięte do wewnątrz — ku V środkowi membrany. Hydrofilne grupy fosfolipidów przyciągają cząsteczki białkowe, które rozmieszczają się po obu stronach Hu warstwy lipidowej: zewnętrznej zwróconej ku otaczającemu I. środowisku i wewnętrznej — ku ciału komórki. Ponieważ dłu- HL gość cząsteczek lipidowych wynosi około 30 A, a warstwy biał­

kowej o grubości jednej cząsteczki — około 10 A, Danielli wy­liczył, że teoretyczna grubość błony komórkowej powinna wy­nosić około 80 A. Wyliczenia te w pełni się pokrywają z rozmia­rami warstw błony komórkowej, obserwowanej pod mikro­skopem elektronowym. Obie ciemne warstwy, każda o grubości około 30 A, odpowiadają powłokom białkowym wraz z częściami hydrofilnymi cząstek lipidowych, a wewnętrzna jasna strefa

o grubości około 35 A, odpowiada części hydrofobowej pod­wójnej warstwy lipidowej.

Zaproponowany model budowy błony komórki został po­twierdzony szeregiem doświadczeń na systemach modelowych. Przy mieszaniu białka, lipidów i wody otrzymuje się utwory błoniaste, które pod względem właściwości elektronowo-mikro- skopijnych są całkowicie identyczne z błoną komórkową.

Wielu autorów przypuszcza, że w określonych miejscach wewnętrzna i zewnętrzna białkowa warstwa błony komórkowej łączy się, tworząc szczeliny w warstwie lipidowej, tak zwane pory, przepuszczające wodę i substancje rozpuszczal­ne w wodzie. Istnienie takich porów ostatnio potwierdzają obserwacje za pomocą mikroskopu elektronowego z wielkim powiększeniem.

Poza błoną komórkową charakter błoniasty mają też i inne organelle, jak mitochondria, siateczka endoplazmatyczna, aparat Golgiego, błona jądrowa i inne. Przy tym w zasadzie budowa tych wszystkich tworów błoniastych w komórce jest podobna: dwie grube warstwy, przedzielone jaśniejszą strefą środkową. Poza tym za pomocą mikroskopu elektronowego można stwier­dzić bezpośredni związek między błonami różnych organelli komórki: poczynając od zewnętrznej ściany komórki aż po błonę jądra. Wszystko to popiera pogląd, że w komórce istnieje jedno­lity system błon, którego podstawową jednostką strukturalną jest opisana wyżej cząsteczkowa struktura błoniasta, nazwana błoną elementarną.

Jeżeli porównamy rozwój systemu błon w różnych komórkach, to przekonamy się, że w prymitywnych komórkach prokario- tycznych błony prawie nie występują. Struktury błoniaste są słabo rozwinięte także w komórkach niezróżnicowanych, pod-

czas gdy komórki wyspecjalizowane mają bogaty i bardzo różny co do formy wewnętrzny system błon.

Na podstawie wszystkich tych danych przyjmuje się dziś, że wewnątrzkomórkowy system błon jest wynikiem rozwoju i różnicowania błony komórkowej. Stop­niowe komplikowanie się tego systemu stanowi jeden z naj­bardziej istotnych procesów w ewolucji komórki od prymityw­nego ciała protoplazmatycznego komórek pierwotnych ku skomplikowanej wewnątrzkomórkowej strukturze komórek zróż­nicowanych. Podzielenie ciała komórki przez skomplikowany system błon na poszczególne fazy przyczyniło się w ogromnym

stopniu do udoskonalenia i specjalizacji czynności komórki. W ten sposób wyodrębniły się terytorialnie i funkcjonalnie poszczególne organelle komórek, a dzięki temu polepszyła się też dokładność podstawowych mechanizmów biochemicznych w komórce: przekształcanie energii, synteza i gromadzenie białek, działanie aparatu dziedziczności itd. Poza tym obecność błon z wybiórczą przepuszczalnością stworzyła sprzy­jające warunki regulowania funkcji komórki, do­kładnych i subtelnych oddziaływań wzajemnych między orga­nellami, jak najbardziej celowego rozmieszczenia i ruchu sub­stancji w komórce. Występowanie błoniastych powierzchni wewnątrz komórki stwarza warunki powstania także różnic potencjału elektrycznego: stąd znaczenie błon wewnątrzko­mórkowych, zwłaszcza reticulum endoplazmatycznego, w pro­cesach pobudzania i kurczenia się komórek (np. w mięśniach). Ponadto skomplikowany wewnątrzkomórkowy system błon służy także jako szkielet, oparcie dla ciała komórki.

Błędem byłoby jednak uważać, że z powodu jednolitego po­czątku budowy wszystkich błon w komórce mają one też iden­tyczny skład chemiczny, budowę i funkcje. Białka i lipidy, składające się na utwory błoniaste, mogą być rozmaite, a poza tym w skład błon wchodzą i inne substancje, niskocząsteczkowe. Stwierdzono, że w niektórych wypadkach zewnętrzna i we­wnętrzna warstwa błony komórkowej nie są jednakowej grubości, a prawdopodobnie i białka, tworzące te dwie warstwy, nie są te same. Przyjmując te fakty za punkt wyjścia możemy pójść dalej w naszych rozważaniach i przypuścić, że nie tylko błony różnych organelli komórki różnią się między sobą, ale że ist­nieją też różnice między błonami tych samych organelli w róż­nych typach wyspecjalizowanych komórek. W ten sposób mogli­byśmy sobie wyjaśnić zdumiewającą niekiedy wybiórczość w przepuszczalności i specyficzność w reagowaniu jedynie określonych typów komórek na różne substancje czynne bio­logicznie.

Mechanizmy, dzięki którym różne substancje przenikają przez błony, nie są zupełnie jasne. Skład chemiczny komórki i otacza­jące ją środowisko są tak różne, a to przenikanie w obu kierun­kach jest tak intensywne, że od błony komórkowej wymaga to wielkiej „doskonałości zawodowej”: musi spełniać rolę straż­nika granicznego i celnika wobec ciała komórki. Substancje przenikają przez błonę komórkową dzięki bardzo rozmaitym mechanizmom, które można podzielić na dwie wielkie grupy: transport cząsteczek przez błonę i pochłanianie płynnych i stałych cząstek (fagocytoza: phago =: jem; pinocytoza — pino = piję).

Kiedy przekraczamy granicę państwa, strażnik graniczny uprzejmie wręcza nam kartkę, która zaznajamia nas z prze­pisami dotyczącymi przewozu towarów, przez granicę i zawiera listę przedmiotów, których przewóz jest ograniczony lub całko­wicie zabroniony. W swoich czynnościach „celnik komórkowy” — błona, także kieruje się podobnymi przepisami celnymi, noszącymi w języku naukowym nazwę przepuszczalności wybiórczej. A realizuje je o wiele bardziej pedantycznie niż najsurowszy pracownik urzędu celnego!

Najłatwiejsza jest praca błony wtedy, kiedy przenikają ją substancje pod działaniem sił fizycznych, znajdujących się na zewnątrz komórki, w otaczającym środowisku. W takich wy­padkach błona nie zużywa energii i dlatego taki mechanizm przenikania nosi nazwę transportu biernego.

W ten sposób do komórki przedostają się substancje, których koncentracja w otaczającym środowisku jest większa. Nie znaczy to jednak wcale, że wszystkie substancje, które w środowisku otaczającym znajdują się w stanie silniejszej koncentracji, niż wewnątrz komórki, przenikają do niej zupełnie swobodnie. Wszystko zależy od tego, do jakiej kategorii „listy celnej” należą. Poza różnicą w stopniu koncentracji, innymi siłami dzia­łającymi przy biernym transporcie, są różnice w ładunkach elektrycznych i wciąganie rozpuszczonych substancji wraz z cząsteczkami cieczy, w której są rozpuszczone.

Koncentracja wielu substancji w komórce jest znacznie wyż­sza, niż w otaczającym środowisku. I tak na przykład koncen­tracja jonów sodu w komórkach mięśni jest około 40 razy wyższa, niż w płynie międzykomórkowym. Wyższa jest koncentracja także jonów magnezu i fosforanów. Skutkiem tego takie sub­stancje na to żeby przeniknąć do wnętrza komórki, muszą się poruszać od koncentracji niższej ku wyższej, a to znaczy że muszą przebyć tak zwaną barierę koncentracji.

Wyobraźcie sobie, że macie naczynie podzielone na dwie części jakąś błoną. Jedna połowa wypełniona jest skoncentrowa­nym roztworem atramentu, a druga zawiera wodę, do której wpuściliście tylko parę kropel atramentu. Na zasadzie dyfuzji cząsteczki barwnika będą przenikały z koncentracji wyższej do niższej aż do chwili, kiedy ich koncentracja w obu połowach naczynia się wyrówna. Wyobraźcie sobie jednak, że zadaniem jest nie wyrównanie, lecz odwrotnie — zebranie wszystkich cząstek barwnika w silniej zabarwionej połowie naczynia przez przeniesienie ich poprzez błonę wbrew gradientowi koncentracji Jasne jest, że dla wykonania tego zadania będzie trzeba wy­myślić i zbudować jakąś pompę do przenoszenia cząsteczek przez błonę.

Przy rozwiązywaniu tego trudnego zadania moglibyśmy za­czerpnąć pomysły konstrukcyjne właśnie od komórki. Błona komórkowa przenosi substancje wbrew gradientowi koncen­tracji właśnie za pomocą tak zwanych „pomp cząsteczkowych”; na przykład jony sodu przenoszone są tak z otaczającego śro­dowiska do komórki, a jony potasu — z komórki do otaczającego środowiska. Podobnie jak przy działaniu każdej innej pompy, tak i tutaj wykonywana jest praca, zużywa się energię, dlatego proces ten nosi nazwę transportu aktywnego. Niestety szczegóły budowy i mechanizmy działania tych pomp jeszcze nie są znane. Wiadomo, jedynie, że proces ma charakter enzy­matyczny. Przypuszcza się, że rolę „tłoka” spełniają cząsteczki- -przenośniki, które wiążą się z określonym rodzajem jonów z jednej strony błony, przenoszą je przez nią na drugą stronę

i tam uwalniają.

Wielka ilość substancji, zwłaszcza u niektórych typów komórek, przenika do nich nie dzięki transportowi poprzez błonę, lecz przez pochłanianie (cytozę): pochłanianie cząstek twardych to fagocytoza, a cząstek płynnych — pinocytoza.

Fagocytoza jest zjawiskiem znanym już od ubiegłego wieku (Ilija Mieczników) i znają je nawet ludzie nie wtajemniczeni w zagadki komórek. Wszyscy prawie wiemy, że białe ciałka krwi — leukocyty, niszczą bakterie, które przedostały się do organizmu, pochłaniając je i zjadając. Przy fagocytozie obser­wujemy cztery stadia, między którymi przejścia są płynne: zbliżenie fagocytu, na przykład białego ciałka krwi do przewi­dzianego do pochłonięcia obiektu; zbliżenie to jest w znacznym stopniu ruchem hematoksycznym; ścisłe przylgnięcie fago­cytu do obiektu; pochłonięcie i strawienie. Pochłonięcie od­bywa się albo przez wgłębienie się powłoki plazmatycznej w miejscu przylgnięcia, albo też przez utworzenie nibynóżek. W obu wypadkach powstaje wodniczka, w której pozostaje pochłonięta cząstka.

Pinocytoza nie jest tak powszechnie znana. Proces ten został odkryty dopiero w roku 1931 przez W. Lewisa i do niedawna stanowił zjawisko mało zbadane. Dopiero po wejściu w użycie mikroskopu elektronowego jasne się stało, że jest to zjawisko powszechnie występujące przy pochłanianiu przez komórkę płynów i substancji w nich rozpuszczonych.

Jak komórka wchłania soki, można zaobserwować najwygodniej na żywych komórkach wyizolowanych z organizmu — w ho­dowlach komórek, kiedy to komórki, mówiąc obrazowo, za­siadają do stołu. Ponieważ proces nie przebiega szybko, trzeba komórki fotografować na taśmie ze zwolnionym przesuwaniem (na przykład jedno zdjęcie na minutę lub na parę minut bN jest to tak zwany film zwolniony), a potem wyświetla się film w normalnym tempie. Przy oglądaniu takiego filmu widać, jak powierzchnia komórki stale się porusza (ruchy ustają do­piero w momencie, kiedy komórka zaczyna się dzielić), tworząc uwypuklenia i wgłębienia. W ten sposób chwyta ona i wchłania

poszczególne krople z otaczającego ją środowiska płynnego. Tworzą się pęcherzyki — wodniczki pinocytame, które potem oddzielają się od błony i dostają do wnętrza ciała komórki. Rozmiary wodniczek wynoszą od 1—2 ¡i do 0,01 /i.

W odróżnieniu od organizmów wielokomórkowych komórka nie jest „miłośniczką” czystej wody. Woda. winna zawierać sole, aminokwasy, białka, żeby mogła zostać dobrze przyswo­jona przez komórkę. Substancje te działają jako swoiste bodźce na apetyt komórki prawdopodobnie dzięki zmianom w powie­rzchniowym napięciu membrany. A apetyt komórek w czasie pinocytozy jest rzeczywiście oszałamiający. W ciągu 30 minut ameba może przez pinocytozę pochłonąć taką ilość białek, jaka stanowi 25% jej masy. Takiego wyniku mógłby jej poza­zdrościć największy nawet obżartuch.

Przez wytworzenie wodniczek fagocytarnych i pinocytarnych udział błony komórkowej w tych procesach się kończy. Dalej zajmują się nimi lizosomy, które za pomocą swoich enzymów trawią pochłonięte substancje i pozostawiają je komórce do wykorzystania.

ENERGIA I ŻYCIE

Aby żyć, komórka potrzebuje nieustannego potoku energii. Energia potrzebna jest przede wszystkim do tego, aby podtrzy­mywać skomplikowaną strukturę ciała komórki. Konieczna jest ona we wszystkich procesach syntezy, dzięki którym komórka odtwarza swe zużyte części, wykonuje swój „plan produk­cyjny” lub też wytwarza cząsteczki, żeby się rozmnożyć. Energia jest też konieczna do wszystkich ogólnych i wyspecjalizowanych procesów życiowych jak: transport substancji przez błony, procesy osmotyczne, praca- mechaniczna (skurcz mięśni, ruch przez rzęski, włókienka itp.), procesy elektryczne (pobudzenie nerwów, narządy elektryczne), światło (organizmy lumines- cencyjne) itp. Przy tym przekształcanie energii jednego typu w inny w organizmie musi się odbyć w środowisku płynnym przy temperaturze nie wyższej niż 37 °C i przy normalnym ciś­nieniu atmosferycznym.

Przy takich skomplikowanych wymaganiach technicznych

i ekonomicznych straciliby głowę nawet najzdolniejsi inżynie­rowie i ekonomiści. Komórka jednak uporała się ze swymi problemami energetycznymi. Rozwiązała je przy tym znacznie zręczniej, niż współczesna technika rozwiązała problemy ener­getyki przemysłowej.

Komórka zużytkowuje do pracy około 60% energii zawartej w pożywieniu, podczas gdy w energetyce technicznej procent użytkowania energii, tak zwany współczynnik sprawności, nie przekracza 30—35%.

Czemu komórka zawdzięcza swoje wielkie osiągnięcia energe­tyczne ? Może w żywej przyrodzie wymiana energii odbywa się według jakichś specyficznych „biologicznych” prawidłowości? Nic podobnego. Przemiana energii w żywej komórce i w przy­rodzie nieożywionej przebiega według tych samych praw fi­zycznych. Są to znane prawa termodynamiki. Według pierwszego z nich — prawa zachowania energii, energia ogólna w systemie zamkniętym niezależnie od jej stanu jest wielkością stałą: drugie prawo — prawo rozpraszania energii — głosi, że przy każdej zmianie fizycznej w systemie

energia wolna, to znaczy energia, która może wykonać użyte­czną pracę, maleje, ponieważ ilość energii rozpraszanej rośnie.

Może więc przyroda żywa korzysta z jakiegoś innego, bardziej wydajnego paliwa? Wcale nie. I w komórkach i w technice źródło energii jest takie samo: potencjalna energia chemiczna substancji organicznych (pożywienie, węgiel, ropa naftowa, drewno). W ostatecznym rachunku energia wszystkich tych źródeł ma pochodzenie wspólne: energię światła słonecznego.

Pomysł energetyczny komórki nie polega ani na innych pra­wach fizycznych ani na źródle energii, lecz w doskonałości mechanizmów, za pomocą których komórka wyzwala i zużytko- wuje energię.

Porównajmy zasady techniki energetycznej i energetyki biologicznej. W obu wypadkach źródło energii jest takie samo: energia chemiczna paliwa. Maszyny, stworzone przez człowieka dla wykorzystania tej energii, to w istocie maszyny zużytko- wujące energię cieplną. Paliwo spala się, energia chemiczna przekształca się w cieplną (kinetyczna energia cząsteczek). Cząsteczki pary wodnej, wprawiające w ruch turbiny parowe lub tłoki maszyn parowych przekształcają energię cieplną w mechaniczną. W tej formie jednak energia może być wy­korzystana bezpośrednio tylko wtedy, jeżeli maszyna-konsu- ment jest bezpośrednio związana z maszyną-producentem ener­gii, jak to jest np. w lokomotywie. We współczesnym przemyśle

i gospodarce jednak taka bliskość między produkcją i użytkowa­niem energii prawie nigdy nie jest możliwa. Dlatego inżynie­rowie zostali zmuszeni do włączenia jeszcze jednego ogniwa energetycznego: elektrowni. Przekształca ona mechaniczną energię turbiny parowej w energię elektryczną i w tej postaci dostarcza ją konsumentowi. Tam po odpowiednich następnych przekształceniach energia nareszcie wykonuje pracę pożyteczną. Jak widać, w energetyce technicznej z konieczności przechodzi się przez kilka ogniw pośrednich (energia cieplna, mechaniczna, elektryczna) przy czym, zwłaszcza w ogniwie cieplnym, znaczna część energii się rozprasza i dlatego współczynnik sprawności

jest niski. Powodem nie jest tu techniczna niedoskonałość turbin, lecz nieubłagane drugie prawo dynamiki.

W energetyce biologicznej droga energii jest krótsza i bar­dziej oszczędna. Brak ogniwa cieplnego, ponieważ użytkowanie energii na zasadzie maszyny cieplnej jest tu niemożliwe, nie da się pogodzić z życiem. Już francuski inżynier N. Carnot wskazał, że zgodnie z zasadami termodynamiki, aby zbudować maszynę cieplną, konieczna jest znaczna różnica temperatur. Konkretnie w wypadku komórek znaczy to, że temperatura spalania pożywienia musiałaby wynosić 110 do 350 °C, lub też przy rozkładzie w temperaturze 37 °C musiałaby tu istnieć chłodnica o temperaturze —25 do —125 °C. Nie trzeba dowodzić, że takie stany w komórce są w ogóle niemożliwe.

Oto dlaczego już w zaraniu swego istnienia życie budo- 140 wało swoje centrale energetyczne na zasadzie nie ciepła, lecz

L —

maszyny chemicznej. Człowiek maszyny takiej jeszcze nie zdołał zbudować. Oczywiste jest, że odkrycie energetycznych tajemnie komórki to już nie tylko kwestia zwykłej ciekawości, łub oderwanych badań biochemicznych. Wyobraźcie sobie efekty gospodarcze w wypadku, jeśli energetyka techniczna zdobi wykorzystać praktycznie zasady bioenergetyki.

Zobaczmy, jak konkretnie funkcjonuje „maszyna chemiczna” komórki. Pierwszy etap stanowi wyzwalanie chemicznej energii pożywienia. Dokonuje się to nie przez spalanie substancji orga­nicznych, lecz przez ich utlenianie biologiczne.

Bilans energetyczny brutto przy rozkładzie substancji orga­nicznej jest taki sam podczas „spalania” jej w komórce i spala­nia w piecu. Weźmy na przykład glukozę. W obu wypadkach rozkłada się ona na C0₂ i H₂0, przy czym uwolniona zostaje taka sama ilość energii: — 690 000 kalorii na 1 mol (180 g) glukozy:

C₆H₁₂0₆ + 60₂-* 6C0₂ + 6H₂0 -f 690 000 kal/mol.

W piecu wiązanie tlenu z atomami węgla i wodoru z cząsteczki glukozy następuje gwałtownie, nagle. Utlenianie biologiczne glukozy w komórce przebiega natomiast w wielostopniowym procesie enzymatycznym, przy czym tlen stopniowo wiąże się z poszczególnymi atomami wodoru, a energia uwalnia się w wielu oddzielnych małych dawkach. Skutkiem tego pierwszą właści­wością komórkowej maszyny chemicznej jest stopniowość w rozkładzie substancji, stopniowość w uwalnianiu energii. Wyobraźmy sobie, co by się stało, gdyby takiej stopniowości nie było. Przy rozkładzie substancji organicznych w organizmie człowieka codziennie ulega utlenieniu około 55 g wodoru, przez co powstaje około 500 g wody i uwolniona zostaje energia wynosząca 1570 kilokalorii. Gdyby energia ta została uwolniona naraz i gdyby przekształciła się w ciepło, ogrzałaby ona prawie 16 litrów wody od 0° do 100°C!

Dla powstania zjawiska życia „odkrycie” zasady kaskadowej rozkładu i uwalniania energii jest taką samą rewolucją, jakiej dokonałby człowiek, gdyby znalazł sposób stopniowego i kontro­lowanego uwalniania energii termojądrowej.

Zasada kaskadowa rozkładu substancji organicznych ma jed­nak jeszcze jedną wielką zaletę. Powstają różne produkty przejściowe (metabolity), które komórka w zależności od swoich potrzeb może skierować do działów syntezy substancji

organicznych. W ten sposób odbywa się ścisłe współdziałanie między potokami energii i substancji.

Kiedy mówimy o utlenianiu, nie powinniśmy rozumieć tego pojęcia w sensie najwęższym — jako wiązania substancji z tle­nem. Utlenianie oznacza odejmowanie elektronów, odejmowanie wodoru. A ponieważ najbardziej łakomym odbiorcą elektronów jest tlen, to jest on najczęstszym utleniaczem.

Utlenianie biologiczne w istocie stanowi stopniowe odejmo­wanie wodoru cząstkom substancji organicznych. Tlen jednak nigdy nie jest bezpośrednim „zjadaczem” atomów wodoru. Jeżeli wodór zwiąże się wprost z tlenem, to wydziela się naraz wielka ilość energii, której komórka nie zdoła zużytkować i poza tym zostanie uszkodzona. W komórce wodór jest odejmo­wany cząsteczkom substancji organicznych przez specjalną grupę enzymów, zwanych dehydrogenazami. Odebrany wodór przechodzi potem kolejno jak na taśmie produkcyjnej przez szereg innych enzymów — przenośników elektronów (flawo- proteiny, cytochromy). Przy braku tlenu ostatecznym akceptorem wodoru jest jakaś inna substancja organiczna. W ten sposób wyzwolona zostaje energia w komórkach, żyją­cych w warunkach anaerobowych (przy braku tlenu)—na przy­kład przy fermentacji. W ciągu przeszło miliarda lat (aż do wzbogacenia atmosfery w tlen dzięki fotosyntezie) beztlenowy sposób utleniania był jedyną drogą wyzwalania energii.

Kiedy substancje rozkładają się w obecności tlenu (aerobowe utlenianie) to wodór po przejściu długiej drogi na taśmie enzy­matycznej wreszcie łączy się z tlenem i tworzy wodę. Podróż wodoru na taśmie enzymatycznej aż do tlenu łączy się z ciągłym wyzwalaniem znacznych ilości energii.

Inną osobliwością komórkowej maszyny energetycznej jest to, że energia wyzwolona przy utlenianiu biologicznym nie przekształca się w ciepło, lecz przetwarza się ponownie w energię chemiczną, ale w takiej formie, która może być wykorzystana bezpośrednio do wykonania użytecznej pracy.

Istota tego procesu polega na tym, że jednocześnie z utle­nianiem biologicznym syntetyzowane są substancje, które wiążą

il

y

/

/

I

wyzwoloną energię w formie tak zwanych makroergicznych wiązań (bogatych w energię). Same zaś substancje, nośniki takich wiązań noszą nazwę związków makroergicz­nych.

„AKUMULATOR” PRZYRODY ŻYWEJ

Znamy dziś całą grupę substancji makroergicznych, ale jej głównym przedstawicielem jest adenozynotrójfosforan (skrót: ATP) — uniwersalny akumulator i przenośnik energii w żywych komórkach. W cząsteczce ATP bogate w energię są dwa wiązania estrowe, oznaczane znakiem między grupami fosforowymi. Podczas gdy przy rozpadzie substancji organicz­nych ze zwykłych wiązań kowalencyjnych wyzwala się energia 2000—4000 kalorii na mol, to przy hydrolizie wiązań makro­ergicznych ATP wyzwala się znacznie większa ilość energii: około 10 000 kalorii/mol.

Bogate w energię wiązania ATP czynią z niego wyjątkowo ekonomiczny chemiczny akumulator energii. Z drugiej strony, wielka ilość wolnej energii, wydzielanej przy rozkładzie tych wiązań stwarza dogodne warunki termodynamiczne do zużytko­wania energii w pracy (syntezy chemiczne, potencjały elektrycz­ne, praca mechaniczna, światło itd.). ATP jest ponadto, jako związek niskocząsteczkowy, bardzo odpowiedni do przenosze­nia energii w komórce z miejsca, gdzie jest wytwarzana, do użyt­kownika. Pozostałe związki makroergiczne w komórce służą jedynie do pomocy i pośredniczenia przy ATP w energetycznych przemianach w komórce.

ATP syntetyzuje się z adenozynodwufosforanu i kwasu fos­forowego w czasie utleniania biologicznego substancji orga­nicznych w mitochondriach kosztem energii, która zostaje wyzwolona przy rozkładzie substancji organicznych. Dlatego proces ten nosi nazwę fosforylacji utleniającej. Mecha­nizm cząsteczkowy przenoszenia energii na makroergiczne wiązania ATP nie jest wyjaśniony, ale wiadomo, że to skom­plikowany proces enzymatyczny. Poza tym ATP powstaje

też przy fotosyntezie. Jest on pierwotnym akumulatorem energii słonecznej, która dzięki ATP może być potem użytkowana do syntez w komórkach roślinnych.

Tak więc podstawowe zasady bioenergetyki to:

1. Wieloetapowe enzymatyczne rozkładanie substancji or­ganicznych połączone ze stopniowym wyzwalaniem energii ich wiązań chemicznych.

2. Równoległe przenoszenie i wiązanie wyzwolonej energii w wiązania makroergiczne ATP poprzez mechanizm fosfory- lacji oksydatywnej.

3. Transport energii wewnątrz komórki za pomocą cząste­czek ATP.

4. Bezpośrednio wykorzystanie energii chemicznej wiązań makroergicznych do pożytecznej pracy.

KOMÓRKOWA KASKADA ENERGETYCZNA

Zbadajmy teraz bardziej szczegółowo etapy i bilans energe­tyczny przy wielostopniowym utlenianiu biologicznym sub­stancji. Cały ten proces możemy porównać do budowy hydro- energetycznego systemu kaskad. W etapie wstępnym, przygotowawczym, wielkie cząsteczki substancji orga­nicznych rozkładają się na swoje podstawowe bloki konstytutywne: białka na aminokwasy, tłuszcze na kwasy tłuszczowe i gliceryny, glikogen na glukozę. Na tym etapie wydziela się znikoma ilość energii, mniej niż 1%, nie wykonując żadnej pracy i przekształcając się wprost w ciepło. Ten etap można porównać do ujęcia wody nad elektrownią.

W ciągu drugiej fazy glukoza, kwasy tłuszczowe i aminokwasy poddane zostają częściowemu roz­kładowi, przy czym powstaje z nich parę charak­terystycznych substancji niskocząsteczkowych — odłamków metabolicznych. Najważniejsze między nimi 146 miejsce przypada kwasowi octowemu w postaci tak zwanego

„aktywnego octanu” lub acetylowanego koenzymu A (acetylo- -CoA). Ważny ten związek powstaje przy utlenianiu kwasów tłuszczowych i prawie połowy aminokwasów, a także przy rozszczepieniu glukozy w warunkach tlenowych. Z pozostałej części aminokwasów przy rozkładzie powstaje kwas a-keto- glutarowy lub szczawiooctowy,

Zdumiewające jest to, że cała różnorodność substancji odżywczych: węglowodanów, tłuszczów i białek, powstaje z trzech tylko odłamków metabolitycznych: acetylo- koenzymu A, kwasu a-ketoglutarowego i kwasu szczawioocto- wego. Jest to wspaniały przykład ekonomicznych zasad energe­tyki komórkowej.

Wszystkie te trzy odłamki metaboliczne, w których wciąż jeszcze kryje się większa część energii substancji odżyw­czych, przechodzą następnie na wspólny krańcowy szlak utleniania biologicznego — cykl kwasów trój- karboksylowych lub cykl Krebsa, nazwany tak od nazwiska angielskiego biochemika Hansa Krebsa, który przyczynił się najbardziej do jego zbadania, za co otrzymał nagrodę Nobla w zakresie fizjologii i medycyny za rok 1953. Cykl Krebsa sta­nowi prawdziwy „młyn energetyczny”, w którym z włączonych do niego metabolitów stopniowo wycofywane są atomy wodoru i wydziela się dwutlenek węgla.

Każdy etap odwodornienia stanowi stopień utlenienia. Wy­cofany wodór zostaje przeniesiony ku tlenowi przechodząc przez nowy stopień energetyczny — tak zwany łańcuch transportu elektronowego, który stanowi system enzymów— cytochro- mów. W tym łańcuchu oddzielnie poruszają się elektrony wo­doru i jego jądro — proton. W końcowym etapie łańcucha jądro wodorowe — proton, wiąże się z tlenem, który poprzednio został zaktywowany przez ostatni enzym naszej taśmy — oksy­dazę cytochromową.

W kaskadzie elektrowni wodnej użyteczną energię ze spadku wody otrzymuje się nie wszędzie, lecz jedynie tam, gdzie można zbudować elektrownię. Przy utlenianiu biologicznym także nie każdy etap może zostać wykorzystany dla utworzenia wiązań makroergicznych ATP. Właśnie liczba utworzonych cząsteczek

ATP przy rozpadzie jednego mola substancji określa współ- 1 czynnik sprawności utleniania biologicznego. ^

Przy fermentacji, przy rozpadzie beztlenowym glukozy — ■ tak zwanym procesie glikolizy, z powodu braku tlenu | rozszczepienie jest niepełne i dochodzi jedynie do kwasu mle­kowego, lub alkoholu etylowego. Na tym etapie z jednej cząs- j teczki glukozy uzyskane zostają jedynie dwie cząsteczki ATP. Przy pełnym utlenieniu glukozy do C0₂ i H₂0 z jednego mola glukozy uzyskuje się 690 000 kalorii. Jeżeli glukoza rozszczepi j się jedynie do kwasu mlekowego, to wyzwala się tylko 56 000 j kalorii. Z nich w obu stacjach energetycznych kaskady (obu cząsteczek ATP) wyzyskane zostaje na pracę jedynie 20 000 kalorii. Czyli inaczej mówiąc przy rozszczepianiu do kwasu mlekowego wykorzystane zostaje jedynie około 3% energii glukozy.

Oczywiste jest, jak nieopłacalny jest bilans energetyczny przy beztlenowym rozszczepianiu substancji. Ale w ten sposób zdobywają energię wszystkie te rodzaje komórek, które nie używają tlenu (tak zwane organizmy beztlenowe — anaeroby). Należą do nich np. niektóre rodzaje drożdży, powodujące różne rodzaje fermentacji, wiele bakterii.

„SKOK” EMER.GEITCZNY W EWOLUCJI KOMÓRKI

Hh '

W przeciągu przeszło miliarda lat rozpad beztlenowy był jedy­nym źródłem energii dla komórek. Atmosfera nie zawierała tlenu, komórki jeszcze nie nauczyły się oddychać. Później, kiedy w wyniku fotosyntezy atmosfera wzbogaciła się w tlen, w przyrodzie żywej nastąpiła prawdziwa „rewolucja energe­tyczna”. Powstały warunki do pełnego rozszczepiania substancji organicznych i do wyzwalania ich energii.

Zobaczmy, jak to się odbiło na bilansie energetycznym glukozy

— podstawowego paliwa żywych komórek. Przy jej rozpadzie beztlenowym na dwie cząsteczki kwasu mlekowego powstają jedynie dwie cząsteczki ATP, wykorzystana zostaje jedynie w 3% energia. Przeważająca część energii zostaje zamknięta

w cząsteczce kwasu mlekowego. Z pojawieniem się oddychania tlenowego kwas mlekowy utlenia się całkowicie do wody i dwu­tlenku węgla. Na każdą cząsteczkę kwasu mlekowego przypa­dają nowe cząsteczki ATP w liczbie 18. Inaczej mówiąc na jedną cząsteczkę glukozy liczba „central energetycznych” wzdłuż szlaku wzrasta z dwóch do trzydziestu ośmiu! A przez to i zu­żytkowana energia, w przeliczeniu na mol glukozy wzrasta z 20 000 do 380 000 kalorii. I tak wraz z przejściem komórek z systemu anaerobnego utleniania na system oddychania tle­nowego współczynnik sprawności kaskady energetycznej ko­mórki nagle podskoczył z 3% do 60%! Oto co znaczy prawdziwa rewolucja techniczna. Przeskok od motyki wprost do traktora, od ogniska człowieka pierwotnego do elektrowni!

Konsekwencje tej „rewolucji energetycznej” dla rozwoju komórki i w ogóle dla życia na Ziemi były naprawdę olbrzymie. Niesłychanie wzrosła ogólna wydajność produkcyjna komórki, powstały możliwości specjalizacji produkcji. Tylko dzięki pracy tlenowego systemu energetycznego możliwe są zdumie­wające osiągnięcia komórek nerwowych wątroby, nerki, mięśnia sercowego, wyższych organizmów w ogóle.

STACJE ENERGETYCZNE KOMÓRKI

Po rozpatrzeniu zasad przemiany energii w żywych komórkach zapoznajmy się teraz też ze stacjami energetycznymi komórki: z tymi organellami, w których energia przekształca się w postać odpowiednią dla potrzeb komórki — w wiązania makroergiczne cząsteczki ATP. Często przy rozpatrywaniu tego procesu mówi się nie o przekształcaniu, lecz o generowaniu, o wytwarzaniu energii w komórce. Nikt oczywiście w to wyrażenie nie wkłada sensu jakiegoś perpetum mobile, wytwarzającego energię z ni­czego. Przez generowanie energii w komórce rozumiemy zawsze wytwarzanie związków makroergicznych, w których energia jest przekształcona w postać dogodną dla komórki, podobnie jak kiedy mówiąc o produkcji energii elektrycznej dla potrzeb gospodarki narodowej, wiemy bardzo dobrze, że w elektrowniach

energia elektryczna nie powstaje z niczego, lecz że w hydro­elektrowniach przekształca się energię wody, a w elektrowniach węglowych energię cieplną paliw w energię elektryczną.

W procesie ewolucji w komórce ukształtowały się trzy pod­stawowe systemy generowania energii: enzymatyczne systemy glikolizy oraz dwa typy specjalnych organelli — chloroplasty i mitochondria. Przy glikolizie, jak już wiemy, energia jest generowana dzięki wiązaniom chemicznym glu­kozy w początkowej beztlenowej fazie jej rozkładu. Proces ten, odbywający się w matriks hialoplazmy stanowi naj­prostszy i filogenetycznie najstarszy ale równocześnie najbar­dziej niedoskonały sposób „produkcji” energii.

Dostarczanie energii w drodze fotosyntezy w chloroplastach jest mechanizmem późniejszym, który pojawił się wtedy, kiedy przyroda żywa musiała pokonać „kryzys energetyczny”, po­wstały z chwilą wyczerpania substancji organicznych, powstałych w drodze samorództwa w oceanie pierwotnym.

Najmłodszym pod względem filogenetycznym i najbardziej uniwersalnym sposobem dostarczania energii jest sposób, trzeci:

I przez fosforylację oksydatywną przy aerobowym rozkładzie I substancji organicznych. Ten mechanizm jest najmłodszy, ponieważ wymaga obecności tlenu w atmosferze. A tlen atmos- I feryczny jest wynikiem fotosyntetycznej działalności roślin I zielonych.

Stacją energetyczną, dokonującą fosforylacji oksy- I dacyjnej są mitochondria. Stanowią one uniwersalne organellum do generowania energii kosztem rozbijanych sub­stancji odżywczych zarówno u roślin, jak i u zwierząt. Zalety tego systemu wytwarzania energii dla komórki, zwłaszcza w or­ganizmach wielokomórkowych, są oczywiste. Na to, żeby synteza nastąpiła, muszą do komórki przeniknąć kwanty światła słońca. Gdyby wszystkie komórki w ten sposób musiały zdobywać potrzebną im energię, to jasne jest, że życie przestałoby istnieć już po pierwszym zachodzie słońca. Przez mitochondria jednak komórki mogą czerpać energię z energetycznego zbiornika or­ganizmów — z pożywienia — o każdym czasie i w każdym miejscu, jeżeli tylko dociera do nich tlen.

Mitochondria odkryto we wszystkich typach komórek orga­nizmów wielokomórkowych i jednokomórkowych z wyjątkiem niektórych pierwotniaków — całkowitych beztlenowców. Liczba mitochondriów w komórkach wyspecjalizowanych (nerka, wą­troba, mięśnie serca) jest duża, a w komórkach szybko rosnących oraz nowotworowo zwyrodniałych — mała. Mitochondria nie są przypadkowo rozrzucone w ciele komórki, lecz zwykle skupiają się w tej jej części, gdzie przemiana materii jest naj­bardziej intensywna. Przy wszystkich zmianach w stanie funkcjonalnym komórki mitochondria mogą zmieniać swoje rozmieszczenie.

Mikroskop elektronowy pokazuje nam mitochondria jako owalne ciałka o średnicy około 5000 A i długości około 15 000 A. Ich powłoka stanowi całkowicie zamknięty system, złożony z dwu warstw, z których każda ma charakter elementarnej trzywarstwowej błony. Przestrzeń między tymi dwiema bło­nami, a także wnętrze mitochondrium jest wypełnione bardziej miękką zawartością, noszącą nazwę matriks mitochondriów. Ogólna grubość powłoki mitochondriów wynosi od 140 do 220 A, z czego po 50—70 A przypada na dwie błony elementarne i około 60—80 A na przestrzeń między nimi. Błony mitochon- drialne różnią się między sobą budową i funkcjami: zewnętrzna, oddzielająca mitochondrium od hialoplazmy uważana jest za zbliżoną charakterem do błon siateczki endoplazmatycznej; błona wewnętrzna jest rzeczywistą błoną mitochondrialną, nośnikiem funkcji energetycznych. Z niej właśnie ku środkowi komórki skierowane są przegródki (grzebienie, łac. cristae), których liczba i kształt są różne w mitochondriach komórek różnych typów.

W ostatnich czasach przy zastosowaniu 500 000-krotnych powiększeń i jeszcze silniejszych, odkryto na powierzchni błon mitochondrialnych mnóstwo małych cząstek (od 10 do 100 ty­sięcy w każdym mitochondrium), którym nadano nazwę ciałek elementarnych. Przypuszcza się, że ciałka te są taśmą enzyma­tyczną przenoszącą elektrony z wodoru do tlenu (enzymy łań­cucha transportującego elektrony).

Przypuszczenie, że to właśnie mitochondria są stacją energe­

tyczną komórki, zostało sformułowane już pod koniec ubiegłego wieku. Ale dowiedzione na pewno zostało dopiero w roku 1934, kiedy to R. Bensley i N. Hoer zdołali wyodrębnić mito- chondria i odtworzyć w probówce procesy utleniania biologicz­nego. Opanowawszy metody uzyskiwania wyodrębnionych mitochondriów, biochemicy przystąpili z zapałem do badania ich funkcji, a przede wszystkim interesowało ich podstawowe zagadnienie: jakie jest rozmieszczenie i organizacja cząsteczkowa taśm enzymatycznych w mitochondriach. W tym celu, wyko­rzystując ultradźwięki, zmiany koncentracji soli w środowisku oraz inne metody, poddawali oni mitochondria stopniowemu rozbiciu i studiowali sposoby pracy poszczególnych systemów enzymatycznych w różnych cząstkach submitochondrialnych. Ten tryb pracy jest nader podobny do sekcji anatomicznej na poziomie cząsteczkowym, przy czym bada się tu nie tylko formę, ale przede wszystkim funkcję „organów” mitochondrialnych. A wymaga to, mimo oddziaływań chemicznych w czasie „ampu­tacji”, także i tego, żeby poszczególne części zachowały w stanie nienaruszonym swoje funkcje biochemiczne. Zadanie prawie niewykonalne. Na mapie mitochondriów trzeba było oznaczyć położenie przeszło siedemdziesięciu enzymów! Dodajmy to tego jeszcze mnóstwo witamin, kofaktorów, jonów metali i innych!

Mimo takich trudności większość zagadek tego trudnego re­busu molekularnego jest już dzisiaj rozwiązana. Stwierdzono, źe w rozpuszczalnych białkach matriks skupione są enzymy młyna energetycznego — cyklu Krebsa. Matriks zawiera też liczne koenzymy oraz jony nieorganiczne (potasu, kwasu fos­forowego, magnezu itd.). Znajdują się też tutaj pewne enzymy, biorące udział w „pobocznych” funkcjach mitochondriów: syntezie niektórych lipidów i białek.

Po usunięciu matriks, pozostają nierozpuszczalne białka błon. Rozmieszczone są w nich w dokładnie określonej kolej­ności enzymy innych dwu taśm kaskady energetycznej: enzymy transportu elektronów do tlenu oraz enzymy fosforylacji oksy­dacyjnej (synteza ATP). Przez odpowiednie oddziaływanie te

nm

dwa szlaki mogą się rozłączyć i wtedy pozostają tylko cząstki, zawierające enzymy transportu elektronów. Te cząstki według wszelkiego prawdopodobieństwa odpowiadają ciałkom elemen­tarnym, których istnienie na powierzchni błon stwierdzono ostatnio za pomocą mikroskopu elektronowego.

Co do fosforylacji oksydacyjnej, to jej mechanizm pozostaje dotychczas największą zagadką. Enzymy uczestniczące w tym procesie wciąż jeszcze nie zostały wyodrębnione, ani też nie wiadomo nic bardziej konkretnego o ich charakterze i dzia­łaniu.

• Znaczna część bakterii to organizmy beztlenowe. Do niedawna nie było jasne, czy w bakteriach istnieją mitochondria. Dopiero w ostatnich czasach stwierdzono, że enzymy łańcucha oddy­chania rozmieszczone są na wewnętrznej stronie błony ko­mórkowej bakterii. Można więc powiedzieć, że cała bakteria jest jak gdyby odpowiednikiem jednego mitochondrium w ko­mórkach eukariotycznych. Nawiasem mówiąc bakterie i mito­chondria są zbliżone rozmiarami. Ostatnio w mitochondriach wykryto RNA i DNA (przy tym co do składu różniące się od tych kwasów w jądrze!). Przez to analogia między mitochondria- mi i bakteriami pogłębia się jeszcze. I oto zmartwychwstała pewna stara teoria, według której mitochondria to bakterie, które przystosowały się do pełnej symbiozy, do istnienia całkowicie w ciele komórek eukariotycznych. Niestety możliwość „wyko­palisk archeologicznych” w komórce jest ogromnie ograniczo­na, tak że tej hipotezy nie można ani odrzucić ani przyjąć.

Zagadnienie tworzenia się w komórce nowych mitochondriów nie jest dotychczas wyjaśnione. Odkryto ostatnio mitochon- drialny DNA różny od tego, który występuje w jądrach, a to potwierdza pogląd, że powstają one przez reprodukcję. Kon­kretne mechanizmy tego procesu są najzupełniej nieznane, ale zainteresowanie nimi jest tym większe, zwłaszcza że mito­chondria są jednym z głównych nosicieli dziedzicz-

ności pozachromosomowej — dziedziczności cyto- plazmatycznej.

Ostatnio w błonie mitochondrialnej odkryto białko, które przy wiązaniu z ATP może się kurćzyć podobnie, jak aktomio- zyna we włókienkach mięśniowych. Zmienia się w ten sposób przepuszczalność powłoki mitochondrialnej i powstają możli­wości pęcznienia i kurczenia się mitochondriów. W ten sposób jest regulowane przenikanie substancji z mitochondriów i do nich, a przez to i szybkość zachodzącej w nich przemiany ener­getycznej.

w PUNKCIE DOWODZENIA

Biosynteza białka jest najważniejszym i najbardziej dla życia specyficznym procesem. Nie istnieje takie organellum (od błony komórkowej aż po jądro), które by bez­pośrednio nie było w ten proces włączone. Końcowy etap tego procesu — synteza łańcuchów polipeptydowych, formowanie cząsteczek białkowych, odbywa się w cytoplazmie, na rybo­somach. Ale po to, aby kolejno prześledzić wszystkie wyda­rzenia, będziemy musieli skierować się najpierw ku jądru ko­mórki. Bo to tutaj właśnie opracowuje się „scenariusz” tego imponującego widowiska, tutaj są konstruowane i stąd wyruszają na scenę główne postacie dramatu. W języku genetyki molekularnej synteza białek oznacza realizację informacji dzie­dzicznej. A siedzibą tej informacji jest jądro.

Zainteresowanie cytologów tym organellum komórki datuje się jeszcze z czasów o wiele wcześniejszych niż nawet przypusz­czenia o istnieniu chromosomów, białek, kwasów nukleinowych, niż przejście wyrazu „dziedziczność” ze słownictwa potocznego do terminologii naukowej. Jądro jest największym organellum komórki. Można je łatwo obserwować w komórkach żywych i dlatego zostało odkryte najwcześniej (R. Brown, 1831). Łatwość zabarwiania jądra także uprościła jego wczesne badania. W końcu XIX wieku zostały odkryte dziwne, ale ściśle regularne przemiany w jądrze w czasie podziału komórki: tworzenie chromosomów, mitoza, mejoza.

Kiedy w początku naszego wieku te prawidłowo przebiegające zjawiska zestawiono z odkrytymi ponownie przez K. Corrensa, E. Tschermaka i H. de Vriesa prawami Mendla o przeka­zywaniu cech dziedzicznych, jasne się stało, że właśnie jądro a dokładniej chromosomy są podstawowym materialnym noś­nikiem dziedziczności. Przypuszczono nowy szturm na jądro. Dwie najważniejsze gałęzie biologii — cytologia i genetyka, rozwijające się dotychczas niezależnie od siebie, nagle znalazły wspólny język i połączyły wysiłki dla rozwiązania tajemnic dziedziczności. Płodem tej wspólnej pracy była nowa nauka biologiczna: cytogenetyka, nauka o komórkowych pod-

stawach dziedziczności. Najważniejszym osiągnięciem było dowiedzenie w sposób bezsporny, że dziedziczne cechy or­ganizmu są prawie całkowicie określane przez nośnik materialny, 166 geny, ułożone linearnie wzdłuż chromosomów.

Przeszło czterdzieści lat jednak natura chemiczna genów pozostawała najzupełniejszą zagadką. Niemniej trudne było i drugie pytanie: w jaki sposób geny, znajdujące się w jądrze i nie wydobywające się na zewnątrz, kierują przemianą materii w komórkach i określają specyficzne cechy całego organizmu? Usilne poszukiwania odpowiedzi na te pytania pozostawały bez rezultatu. Dlatego nic dziwnego, że niektórzy badacze za­częli wątpić w ogólnobiologiczną wagę chromosomowej teorii dziedziczności i w realne istnienie genów, a znaleźli się nawet „uczeni”, którzy ze względów nie mających nic wspólnego z nauką, okrzyczeli tę teorię za naukową szarlatanerię.

Dziwne są żarty, które przyroda robi sobie z niewiedzy ludz­kiej. Naukowcy podobni są czasem do ślepców, którzy uparcie i bezskutecznie szukają czegoś, co się znajduje tuż pod nosem.

Tak też i w historii wieloletnich błądzeń i poszukiwań substancji dziedzicznej najdziwniejsze jest nie to, że niektórzy negowali jej istnienie, lecz fakt, że w rzeczywistości materialny nośnik cech dziedzicznych został nie tylko dawno odkryty, lecz był także bardzo dokładnie zbadany ... ale tylko jako substancja che­miczna!

Już w roku 1869 (niedawno obchodziliśmy stulecie tej ważnej daty) chemik szwajcarski F. Miescher wyodrębnił z jąder komórek zwierzęcych swoistą półpłynną substancję. Z powodu jej jądrowego pochodzenia została ona z początku nazwana nukleiną, a później, po stwierdzeniu jej kwasowego charakteru — kwasem nukleinowym. Ponieważ zaś kwas ten najłatwiej się wyodrębnia z grasicy, otrzymał on nazwę kwasu tymonukleino- wego lub zwierzęcego kwasu nukleinowego. Odkryty też został drugi kwas nukleinowy, wydzielony najpierw z drożdży i dla­tego nazwany kwasem zymonukleinowym, lub roślinnym kwa­sem nukleinowym. W latach trzydziestych naszego wieku che­micy ustalili skład chemiczny tych obu kwasów nukleinowych: kwas fosforowy, jeden monosacharyd o pięciu atomach wodoru (pentoza) i zasady azotowe. Monosacharyd kwasu tymonuklei- nowego stanowi dezoksyryboza (dezoksyrybonukleinowy kwas

— DNA), a kwasu zymonukleinowego — ryboza (kwas rybo­nukleinowy — RNA). Ale wskutek ustalonej tradycji historycznej 167

oba kwasy nadal nazywano tymonukleinowym i zymonuklei- nowym i niesłusznie przeciwstawiano „zwierzęcy” kwas „ro­ślinnemu”. Ten błąd na długo stał się przeszkodą w wyjaś­nianiu prawdziwego miejsca obu kwasów nukleinowych w ko­mórce i ich biologicznych funkcji. Ale już w latach dwudziestych naszego wieku R. Feulgen odkrywszy reakcję barwienia wska­zał, że kwas tymonukleinowy, znany nam teraz jako DNA, znajduje się zawsze tylko w jądrze, tylko w chromosomach. Mimo to nikt się nie domyślał, że właśnie ta substancja jest tak uporczywie poszukiwanym materialnym nośnikiem dziedziczności.

W rozwoju poznania naukowego działa pewna pod­stępna prawidłowość. Kiedy jakaś w zasadzie słuszna idea naukowa przekroczy swe rzeczywiste prawa, staje się nie bodź­cem, lecz hamulcem w rozwoju nauki. Nie istnieje nic gorszego, niż przekształcenie słusznego zasadniczo twierdzenia nauko­wego w dogmat. I im ważniejsze jest takie uogólnienie, tym trudniej jest we właściwym czasie zrozumieć, że przekroczy­liśmy granice jego ważności i popadamy w błąd.

Rolę takiego dogmatu przy poszukiwaniu natury chemicznej genu odegrało pojmowanie białka jako materialnego nośnika życia. Już pod koniec ubiegłego wieku jasne się stało, że życie jest wynikiem skomplikowanej struktury i różnorodności cząs­teczek białka. Nie było nic prostszego i bardziej „logicznego” niż wniosek, że materialnymi nośnikami dziedziczności winny się okazać także jakieś białka. Twórcy genetyki byli przekonani

o białkowej naturze genu. To prawda, że wkrótce po odkryciu DNA przenikliwi cytologowie wyrazili przypuszczenie o jego roli genetycznej. Ale kandydatura ta została zdecydowanie odrzucona przez samego Mieschera i później twórcy genetyki z T. Morganem na czele jednomyślnie zgadzali się z białkową naturą genu.

JAK UDOWODNIONO ROLĘ DNA

Dopiero w latach czterdziestych naszego wieku badania zostały skierowane na właściwą drogę. Pierwsze dane były tylko po­średnie. Okazało się, że DNA znajduje się nie tylko w komórkach zwierzęcych. Został on odkryty we wszystkich komórkach — roślinnych i zwierzęcych — od bakterii aż po człowieka. I zawsze w jądrach, w chromosomach. Czy nie ma to związku ze zja­wiskami dziedziczności ? Podejrzenia wzmogły się jeszcze bar­dziej, gdy zbadano wpływ promieni ultrafioletowych na powstawanie mutacji. Światło ultrafioletowe pochła­niane jest przez komórki i wywołuje w nich różne dziedziczne zmiany. Białka najsilniej pochłaniają promienie ultrafioletowe

o długości fali około 280 m/x. Gdyby materialnymi nośnikami dziedziczności były białka, to promienie o fali 280 m/i musia­łyby najsilniej oddziaływać na powstawanie mutacji. Wbrew oczekiwaniom okazało się, że najsilniejsze zmiany dziedziczne wywołują promienie o długości fali 260 m/i. Jaka zbieżność — właśnie w strefie, w której znajduje się maksimum pochłaniania kwasów nukleinowych. Zbieżność ? Czy też prawidłowość, znak kierujący nas na drogę ku tajemniczej substancji dziedzicznej ?

Jak w powieści kryminalnej, poszlaki co do roli DNA jako nośnika cech dziedzicznych zaczęły się szybko gromadzić. Kiedy cytolodzy nauczyli się obliczać ilość białek i kwasów nukleinowych w poszczególnych komórkach i jądrach, nieo­czekiwanie stwierdzono, że podczas gdy zawartość białka w ją­drach jest bardzo rozmaita, to zawartość kwasu nukleinowego we wszystkich jądrach diploidalnych jakichkolwiek komórek danego gatunku jest zawsze jednakowa, w haploidalnych ko­mórkach płciowych wynosi zawsze połowę (odpowiednio do ich zredukowanej liczby chromosomów), a w poliploidalnych komórkach stanowi odpowiednią wielokrotność. Wreszcie z po­mocą znakowanych prekursorów DNA ustalono, że jest to je­dyna substancja w komórkach, która syntetyzuje się w nich w czasie podziału — wtedy, kiedy chromosomy i geny według teorii chromosomowej się podwajają. W odróżnieniu od wszyst­kich innych substancji w komórce włącznie z RNA i białkami,

w komórkach nie ulegających podziałowi DNA nie ulega zna­kowaniu radioaktywnymi prekursorami, czyli w takich komór­kach nie tylko się on nie syntetyzuje, ale nawet nie wymienia.

Mimo wszystko były to wciąż tylko pośrednie dane, wciąż tylko poszlaki. A w nauce, jak w kryminalistyce, siłę dowodową mają tylko bezpośrednie fakty, których obalić nie można.

W roku 1944 nadszedł wreszcie długo oczekiwany dzień, kiedy naukowcy uzyskali najzupełniej pewne dowody na to, aby „chwycić za kołnierz” DNA i powiedzieć: „Stać! Nie ma 170 się co ukrywać! Za Pana skromną powierzchownością ukrywa

się z dawna poszukiwany agent — nosiciel tajemniczego szyfru życia!”

Dowód uzyskali O. Avery, C. Mc Leod i M. Mc Carthy. Stwierdzono, że jeżeli do środowiska odżywczego, w którym rozwijają się bakterie danego szczepu, dodać DNA wyodręb­niony z innego szczepu, to bakterie zmieniają się uzyskując niektóre właściwości szczepu — źródła DNA. Zmiany te są przekazywane następnym pokoleniom, to znaczy, że są dzie­dziczne. To zjawisko, nazwane transformacją bakteryjną nie

było w rzeczywistości nowe w nauce. Jeszcze w roku 1928 bakteriolog angielski F. Griffith zdołał wywołać transformację bakterii w doświadczeniach in nitro, nie mógł jednak wyjaśnić istoty tego zjawiska. Zasługą Avery’ego i jego współpracowni­ków było to, że w sposób nie podlegający obaleniu dowiedli roli DNA jako jedynego czynnika wywołującego transforma­cję. Wniosek z ich doświadczeń był jasny i kategoryczny: mate­rialnym nośnikiem cech dziedzicznych jest DNA.

Tak to wreszcie na wpół mityczne geny przekształciły się w kon- ¹ kretną substancję chemiczną.

Innym bezpośrednim dowodem był sposób, w jaki przekazy­wana jest infekcja wirusowa i fagowa. Fag (bakteryjny wirus) składa się z nitki DNA, owiniętej białkową otoczką. Przez po­mysłowe doświadczenia z fagami, w których białko i DNA zna­kowano za pomocą dwu różnych izotopów radioaktywnych, zostało dowiedzione, że do zarażonej komórki przenika tylko DNA, a otoczka białkowa służy jedynie jako swoisty przewodnik, odkrywający komórkę-ofiarę, przyczepia się do niej i przebijając ściankę bakterii wtryskuje w ciało bakterii DNA. Kiedy fagowy DNA dostanie się do środka, organizuje tam okrutną i dla komórki zgubną dyktaturę. Przez mechanizmy zakazu, do dziś jeszcze nie wyjaśnione w pełni, fagowy DNA zmusza komórkowy aparat syntezy białka do przerwania produkcji własnych białek i podjęcia syntezy białek faga. A z pomocą aparatu enzyma­tycznego, źródeł energii i materiałów budowlanych swej ofiary, fagowy DNA powiela się znacznie. Z wyprodukowanych białek i DNA formują się nowe cząstki, które rozbijają komórkę, dostają się do otaczającego środowiska i napadają inne komórki.

Badania te w sposób stanowczy wykazują, że nośnikiem cech dziedzicznych jest DNA, że zawiera on program, który określa syntezę specyficznych białek.

Zupełnie pewne dowody genetycznej roli DNA uzyskano także przy badaniu mechanizmów procesu płciowego u bakterii (koniugacja bakteryjna) oraz zjawiska transdukcji — przeno­szenia części bakteryjnego DNA z jednych komórek do drugich przez fagi.

Szczytem osiągniętym w badaniach nad DNA jako material­nym nośnikiem cech dziedzicznych są trzy wybitne odkrycia ostatnich czasów. W roku 1968 w laboratorium A. Kornberga dokonano syntezy enzymatycznej in vitro wirusowego DNA. Ten DNA został znowu in vitro związany z odpowiednimi wirusowymi białkami. Uzyskanymi w ten sposób „sztucznymi” wirusami uczeni zdołali zarazić komórki bakteryjne w taki sposób, w jaki ulegają one zarażeniu wirusami naturalnymi. W tym samym roku zrealizowane zostało jeszcze jedno wypiesz­

czone marzenie dawnych genetyków — z ogólnego „pęku” genów wydostać jeden tylko gen. Dzięki pomysłowym metodom J. Backvith zdołał izolować z bakterii jelitowej w czystej postaci gen, odpowiedzialny za syntezę enzymów rozkładających laktozę, tak zwany operon laktozy. Wkrótce potem hinduski uczony G. K ho rana ze współpracownikami doprowadzili po raz pierwszy do wytworzenia genu w drodze syntezy chemicz­nej (1970 rok).

CZTERY ZAGADKI GENETYKI MOLEKULARNEJ

Stwierdzenie, że DNA jest materialnym nośnikiem informacji dziedzicznej natychmiast postawiło szereg nowych zagadnień. W jaki sposób cząsteczka substancji chemicznej może spełnić tak skomplikowane funkcje biologiczne, jakimi są przechowy­wanie i przekazywanie cech dziedzicznych? I co w istocie znaczy — materialny nośnik informacji dziedzicznej ?

Aby jakaś substancja mogła być materialnym nośnikiem cech dziedzicznych, informacji dziedzicznej, musi koniecznie spełniać kilka podstawowych funkcji:

1. Właściwości dziedziczne nie tylko danej komórki, lecz i całego organizmu (ponieważ i jego rozwój zaczyna się od jednej komórki) powinny być w jakiś sposób „zapisane”, „zaprogra­mowane” w substancji-nośniku dziedziczności. Nie trzeba tu specjalnie podkreślać, że geny nie stanowią zmniejszonych makiet cech dziedzicznych, a ich „symbole chemiczne”, tak jak litery są symbolami dźwięków mowy. Powstaje zagadnienie: w jaki sposób w cząsteczce DNA są „zapisane” specyficzne właściwości komórek, program dziedziczny całego organizmu? To jest pierwsza zagadka genetyki molekularnej.

2. Drugą podstawową funkcją materialnego nośnika dzie­dziczności jest: przekazywanie cech dziedzicznych następnym pokoleniom. Rozmnażanie organizmów dokonuje się przez podział komórek. Przy każdym podziale z jednej komórki ma­cierzystej powstają dwie pochodne. Oczywiste jest, że aby obie pochodne komórki mogły otrzymać pełen zestaw informacji

dziedzicznej, materialne nośniki dziedziczności, substangr dziedziczna komórki macierzystej musi się podwoić jak w naj­dokładniejszy sposób. Druga molekularna zagadka w związku z dziedzicznością jest następująca: Jaki jest mechanizm, przez który cząsteczki DNA mogą się podwajać i to tak, żeby re­plikować dokładne kopie siebie samych, żeby się samood- twarzać.

3. DNA znajduje się w jądrach komórek, a cechy dziedziczne przejawiają się w całej komórce, w całym organizmie. I u ich podstawy leży specyfika białek budujących jego ciało. Aby zreali­zować przenoszoną przez siebie informację dziedziczną, DNA musi w jakiś sposób kierować produkcją białek w organizmie. Jaki jest mechanizm przekazywania informacji biologicznej z cząsteczek DNA cząsteczkom białka — oto trzecia moleku­larna zagadka dziedziczności.

4. Ostatnia zagadka genetyki molekularnej. Zycie nie jest nieskończonym powtarzaniem identycznych form i zjawisk. Życie to rozwój. A żeby byl rozwój, żeby była ewolucja orga­nizmów, muszą ulegać zmianom ich właściwości dziedziczne. Przez jakie mechanizmy ulega zmianom informacja zapisana w cząsteczkach DNA?

Oto cztery pytania, które trudnością znacznie przewyższają słynne zagadki tebańskiego Sfinksa. Odpowiedzi na te cztery pytania składają się na słynną kronikę genetyki molekularnej w ostatnim dwudziestoleciu.

Klucz do rozwiązania tych zagadek ukryty jest w strukturze przestrzennej cząsteczki DNA.

SPIRALA ŻYCIA

Model podwójnej spirali DNA został stworzony w roku 1953 przez młodego genetyka amerykańskiego J. Watsona, ucznia

S. Luriego i angielskiego fizyka F. Cricka w laboratorium W. Bragga w Cambridge, podstawowym ośrodku badań rentge- nostrukturalnych nad biopolimerami. Jest coś symbolicznego w fakcie, że model ten powstał jako owoc wspólnej pracy mło­dych „rewolucyjnie” nastrojonych przedstawicieli podstawowych kierunków w biologii molekularnej owych czasów: kierunku informacyjno-genetycznego, szkoły fagowej w Stanach Zjedno­czonych i kierunku strukturalnego angielskiej szkoły w Cam­bridge. Cudowny przykład bogatych owoców jakie daje wza­jemne przenikanie uzupełniających się idei i wiadomości nau­kowych 1

DNA stanowi gigantyczny polimer o wadze cząsteczkowej ponad 10 milionów. Jest to największa cząsteczka, jaką dotych­czas zna człowiek. Składa się ona z kwasu fosforowego, mono- sacharydu o pięciu atomach wodoru w cząsteczce — dezoksy- rybozy, i z czterech różnych zasad azotowych: adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy. Dezoksyryboza związana z kwasem fosfo­rowym i z jedną z tych zasad tworzy podstawowe ogniwa kon­stytutywne — monomery kwasu. Te monomery, zwane nukJeo- tydami, są cztery, odpowiednio do liczby zasad.

Istotną właściwością DNA, odróżniającą go od wszelkich innych biopolimerów jest to, że jego cząsteczka składa się nie z jednego, lecz z dwu łańcuchów, które skręcone są spiralnie jeden wokół drugiego, mniej więcej tak jak schody kręcone.

Obie ściany schodów zbudowane są z ułożonych na przemian cząsteczek kwasu fosforowego i dezoksyrybozy. Najbardziej interesująca jest budowa stopni poprzecznych. Każdy z nich utworzony jest z dwu zasad — po jednej z każdego łańcucha. Sposób, w jaki położone naprzeciw siebie zasady są powiązane, stanowi dodatkową subtelność w cząsteczkowej tajemnicy po­dwójnej spirali. Wzajemne oddziaływanie między nimi realizuje się przez wiązania wodorowe na zasadzie komplementarności (dopełniania się), tak że jeżeli z jednego łańcucha wysuwa się adenina (A), to z drugiego może tu wystąpić tylko tymina (T); naprzeciw każdej cytozynie (C) może stać tylko guanina (G).

Wzdłuż całej tej podwójnej spirali związek między dwoma łańcuchami utrzymują tylko wiązania wodorowe między leżą­cymi naprzeciw siebie, komplementarnymi wzajemnie zasadami. Tu wiązanie wodorowe święci swój największy tryumf. Ani jednego wiązania kowalencyjnego między tymi dwoma łańcu­chami! Największa cząsteczka w przyrodzie, cząsteczka DNA zawdzięcza swoją strukturę przestrzenną, swoje przedziwne właściwości biologiczne słabym wiązaniom wodorowym!

Ciekawy jest fakt, że twórcy podwójnej spirali sami nie wy­konali ani jednego doświadczenia, jeżeli nie liczyć konstrukcji i montażu modeli atomowych. Zdołali oni jednak w sposób błyskotliwy i pomysłowy zsyntetyzować i uogólnić wszystkie dane eksperymentalne o strukturze i składzie DNA i wyjaśnić je w świetle nowych pomysłów o roli słabych wiązań chemicz­nych w spiralnej strukturze przestrzennej białek.

Ale na czym polegają zalety podwójnej spirali DNA ? Dlaczego zrobiono wokół niej tyle hałasu, dlaczego stała się emblematem kongresów, zdobi okładki książek, czasopism i katalogów, po­jawiła się na znaczkach pocztowych, a niektórzy przedsiębiorczy byznesmeni zaczęli nawet produkować krawaty z rysunkiem podwójnej spirali?

Zalety tej podwójnej spirali wkrótce poddamy ocenie, kiedy przyjrzymy się, jak cząsteczka DNA rozwiązuje cztery nasze zagadki genetyki molekularnej.

W jaki sposób informacja dziedziczna zapisana jest w cząsteczce DNA ? Żeby odpowiedzieć na to pytanie, przeprowadźmy po­równanie ze sposobem, w jaki wyrażamy słowo ludzkie na piśmie. Alfabet nasz zawiera mniej więcej 30 znaków (liter) i przez różny sposób ich układania w słowach i zdaniach można zapisać i przechować całe bogactwo słowa ludzkiego. W tym wypadku ilość liter nie jest taka ważna. Posługujemy się przecież i dla zapisywania informacji, innymi systemami (alfabetami) zawierającymi znacznie mniejszą ilość „liter”. Alfabet Morse’a ma tylko trzy znaki (kreska, kropka, pauza), a pamięć maszyn elektronowych — dwa: jedynkę i zero (impuls i brak impulsu). Ale i z ich pomocą można wyrazić i zapisać nieograniczoną ilość informacji, podobnie jak za pomocą zwykłego alfabetu.

W „alfabecie” dziedziczności rolę „liter” odgrywają cztery wymienione wyżej nukleotydy składające się na cząsteczkę DNA. Podobnie jak kropki i kreski na taśmie telegraficznej układają się one .wzdłuż łańcucha w ściśle określony sposób, nadając każdej cząstecze DNA określoną treść biologiczną. Cząsteczki DNA podobne są do długich taśm telegraficznych, na których przez różne kombinacje między tymi czterema znakami — nu- kleotydami zapisany jest cały plan budowy i funkcji nie tylko poszczególnych komórek, ale i całego organizmu-indywiduum.

W przeszłości, w epoce genetyki klasycznej, trudno było sobie wyobrazić, czym w rzeczywistości są geny. Niektórzy krytycy chromosomowej teorii dziedziczności drwiąco porównywali je do jakichś „homunculusów”, pomniejszonych makiet cech dziedzicznych i wychodząc od takiego wyobrażenia, słusznie oskarżali teorię chromosomową o preformację i mechanicyzm. Dziś wiemy już, że geny nie są wcale makietami cech, lecz makro­cząsteczkami DNA, w których poprzez specyficzny układ nu- kleotydów zapisane są nie same cechy, lecz tylko to, jakie rodzaje białek może wyprodukować dana komórka.

Ale czy rzeczywiście ilość DNA w komórce jest wystarcza­jąca do zapisania w niej całej genetycznej informacji ? Na pier­wszy rzut oka może się nam to wydać wręcz nieprawdopodobne.

Ogólna ilość DNA w jednej, komórce ludzkiej wynosi tylko parę pikogramów (kilka milionowych części milionowej części grama I). Ale alfabet dziedziczności jest molekularny, a nukleo- tydami-literami zawartego w jednym jądrze DNA można za­pisać tekst, który w razie potrzeby przekazania go naszym alfa­betem zająłby około trzech tysięcy tomów po 1000 stron każdy!

do budowy brakującej mu uzupełniającej połowy. W ten sposób z jednej „macierzystej” podwójnej spirali powstają dwie po­chodne, zupełnie podobne do siebie nawzajem i do spirali macierzystej. Poglądowo proces ten przedstawia nam rysunek na str. 187. W określonych warunkach wiązania wodorowe między dwoma łańcuchami spirali mogą zostać stosunkowo łatwo zer­wane. Zasady azotowe dwu otwartych łańcuchów dobierają i przyłączają do siebie odpowiednie nukleotydy komplemen­tarne: do adeniny przyłącza się zawsze tymina, do cytozyny — guanina. Specjalny enzym polimeraza — DNA kolejno zeszywa przyłączające się mononukleotydy. I tak jedna macierzysta cząsteczka DNA tworzy dwie pochodne, stanowiące pod wzglę­dem składu chemicznego, struktury molekularnej i właściwości biologicznych absolutną kopię cząsteczki macierzystej. Dlatego też proces reprodukcji DNA nazywany jest repli- kacją, podwajaniem. Każda cząsteczka pochodna składa się z jednej starej — macierzystej połówki i z jednej wytworzonej na nowo w drodze syntezy •— pochodnej. Taki sposób repli­kacji 'nosi nazwę półkonserwatywnego. W szeregu pomysło­wych doświadczeń dowiedziono, że zarówno poszczególne cząs­teczki DNA jak i chromosomy jako całość podwajają się dzięki mechanizmowi półkonserwatywnemu.

Dzisiaj replikacja DNA może zachodzić nie tylko w ży­wych komórkach. Jeżeli w warunkach laboratoryjnych in vitro umieścić wyjściowe elementy konstytutywne DNA, jony magne­zu, enzym polimerazę — DNA i pewną ilość DNA, to system zaczyna działać i na cząsteczkach dostarczonego DNA repro­dukują się nowe cząsteczki, które pod względem składu chemicz­nego i kolejności nukleotydów całkowicie podobne są do pod­stawowego DNA umieszczonego w probówce na początku.

ZAGADKA TRZECIA

REALIZACJA PLANU GENETYCZNEGO

Jak jest realizowana informacja dziedziczna ? Cechy dziedziczne zaszyfrowane są w cząsteczce DNA. A same te cechy są rezul­tatem specyficznych właściwości przemiany materii w organiz­mie. Przemiana materii zależy od rodzaju i ilości enzymów, które są wytwarzane w różnych rodzajach komórek. Tak więc informacja dziedziczna realizowana jest w toku życia komórki i organizmu przez wytwarzanie specyficznych białek-enzymów, ściśle uregulowane w czasie i przestrzeni.

Ale DNA znajduje się w jądrze, a synteza białek odbywa się w cytoplazmie. W jaki więc sposób DNA ustala specyfikę cząs­teczek białkowych ? Jakiż jest ten tajemniczy sposób przekazy­wania rozkazu na odległość ? Odpowiedzi na te pytania uzyskano dopiero w ostatnich latach. DNA wytwarza cząsteczki-pośredni- ków, przenoszące informację dziedziczną z jądra do rybosomów. Cząsteczki te to specjalny typ kwasu rybonukleinowego, zwa­nego informacyjnym RNA, RNA matrycowym lub RNA-po- średnikiem.

Kwas rybonukleinowy jest, mówiąc obrazowo, młodszym bratem DNA. Pod względem składu chemicznego różnica między tymi dwoma braćmi nie jest wielka: zamiast dezoksyrybozy RNA zawiera rybozę, a zamiast azotowej zasady tyminy-uracyl. Różnica polega jedynie na jednej hydroksylowej grupie cukru i jednej bocznej grupie w cząsteczce jednej z zasad. Ale te „nie­znaczne” różnice prowadzą do ogromnych różnic struktury przestrzennej. Cząsteczka RNA nie może tworzyć symetry­cznej podwójnej spirali jak DNA, ponieważ nie ma warun­ków dla stworzenia wiązań wodorowych pomiędzy uzupełnia­jącymi się zasadami wzdłuż całego łańcucha. RNA jest bardziej giętki i ruchliwszy, „niespokojny”. Właśnie te jego właściwości są źródłem jego roli pośredniczącej między DNA i białkami. Przez wiązania wodorowe swoich zasad azotowych znajduje on wspólny język z cząsteczkami DNA i może odczytywać tekst zapisanej w nich informacji. A niższy jego ciężar cząstecz­kowy i wyższa aktywność metaboliczna czynią z niego odpo­

wiedniego partnera białek i jedną z głównych postaci dramatu w ich syntezie.

Każda komórka zawiera trzy rodzaje RNA: rybosomowy, transportowy i informacyjny. Różnią się one między sobą cię­żarem cząsteczkowym i funkcjami. Najwięcej jest RNA rybo- somowego (około 80% całej ilości RNA w komórce). Wraz z białkami tworzy on rybosomy. Drugi rodzaj RNA — trans­portowy, wynosi około 15%. Jak zobaczymy w następnym roz­dziale, odgrywa on ważną rolę przy syntezie białek. Trzeci typ RNA — informacyjny występuje w najmniejszej ilości, jedynie paru procent.

Dzisiaj już dowiedzione jest, że wszystkie trzy rodzaje RNA powstają w drodze syntezy w jądrze na cząsteczkach DNA. Mechanizm tej syntezy w ogólnych zarysach podobny jest do syntezy samego DNA. W niewyjaśniony jeszcze sposób w pew­nych miejscach podwójna spirala DNA otwiera się. Przypuszcza się, że to otwieranie następuje dzięki specjalnemu enzymowi — polimerazie RNA. Do uwolnionych zasad azotowych jednego z łańcuchów DNA przyczepiają się wiązaniami wodorowymi komplementarne mononukleotydy. Ale tym razem nie są to nukleotydy DNA, lecz RNA. Z udziałem enzymu-polimerazy RNA — przyczepione nukleotydy wiążą się i tak powstaje jednołańcuchowy RNA, stanowiący „odlew” jednego z łańcu­chów DNA i dokładną „kopię” drugiego z pominięciem jednak zawartej w łańcuchu DNA tyminy, którą w RNA zastępuje uracyl. Dlatego synteza RNA na cząsteczce DNA stanowi proces wytwarzania kopii z dziedzicznego tekstu DNA, proces trans­krypcji, przepisywania informacji dziedzicznej. Uzyskane cząs- teczki-kopie przechodzą z jądra do cytoplazmy i tam na rybo­somach same służą jako matryca do budowy cząsteczek amino­kwasów i białek. W taki sposób specyficzna kolejność nukleoty- dów w cząsteczce DNA przenosi się na RNA i określa specy­ficzność układu aminokwasów w cząsteczce białkowej. Oto jak przebiega elementarny akt realizacji informacji dziedzicznej: ograniczony segment DNA (gen)' 1 informacyjny RNA > synteza specyficz­nego białka. Jeden gen ► jeden informacyjny

RNA ► jeden łańcuch polipeptydów — oto

prawidłowość biologiczna, dzięki której realizowana jest informacja dziedziczna.

Chociaż replikacja DNA i transkrypcja RNA opierają się na tej samej zasadzie komplementamości między zasadami

i odbywają się w oparciu o tę samą matrycę — DNA, to między tymi dwoma procesami istnieje zasadnicza różnica.

DNA się replikuje jedynie w przygotowaniu komórki do po­dwojenia jej masy przy podziale. W procesie biorą udział wszystkie cząsteczki DNA, każda z nich replikuje się w całej swej długości w jądrze, to znaczy, że cały genom komórki zostaje ściśle podwojony i co do ilości i co do rodzaju cząsteczek.

Transkrypcja RNA jest procesem bardziej ograniczonym. W danym rodzaju komórek i w danym momencie życia komórki „otwarte” są tylko poszczególne odcinki DNA — dokładnie te, które zawierają kod białek charakterystycznych dla danej komórki. Ten sam odcinek produkuje kolejno wiele jednakowych kopii — cząsteczek RNA. Przy tym kopie te są reprodukowane tylko na jednym łańcuchu podwójnej spirali. Na którym z dwu ?

I co się dzieje w tym czasie z drugim łańcuchem ? Oto pytania, które jeszcze czekają na odpowiedź.

Opisany wyżej mechanizm stanowi jedynie elementarny akt molekularny realizacji informacji dziedzicznej. W ten sposób określona zostaje specyfika jedynie jednego białka. Organizm ludzki zawiera ponad 100 000 różnych rodzajów białek. Każda komórka wytwarza równocześnie dziesiątki rodzajów białek,

a w ciągu swego życia wielokrotnie przestawia produkcję z jednych rodzajów białek na inne. Różne komórki organizmu wytwarzają różnorodne białka, mimo że zawierają DNA jedna­kowy co do ilości i jakości, to znaczy mimo tego, że informacja dziedziczna tych komórek jest jednakowa.

Wszystko to pokazuje, że w komórkach istnieją me­chanizmy regulujące, które z zadziwiającą dokładnością umieją włączać i wyłączać z działania poszczególne odcinki cząsteczek DNA, poszczególne geny. Na czym polega istota tego mechanizmu ?

Pytanie to stanowi drugą połowę zagadki o sposobie, w jaki realizowana jest informacja dziedziczna. Jest to wielki problem mechanizmów regulowania syntezy białka i różnicowania ko­mórek, który omówimy w następnym rozdziale.

ZAGADKA CZWARTA. ZMIENNOŚĆ

Jak zmienia się informacja dziedziczna? Innymi słowy, jakie są podstawy molekularne zmienności organizmów? Od roz- trzygnięcia tego problemu zależy to, czy pewnego dnia człowiek będzie mógł zmieniać właściwości dziedziczne w pożądanym dla siebie kierunku u wszelkich organizmów włącznie z ludz­kimi. Na poziomie molekularnym odpowiedź na to pytanie jest prosta i jasna. Przyczyną zmian w cechach dziedzicznych są zmiany w kodzie genetycznym, w kolejności nukleotydów wzdłuż cząsteczek DNA. Takie zmiany powstać mogą w wyniku zmniejszenia lub powiększenia liczby nukleotydów, w wyniku przemieszczenia ich lub z powodu chemicznych zmian nie­których nukleotydów. We wszystkich wypadkach wynik będzie taki sam: naruszona zostaje treść zawartego w cząsteczce DNA tekstu. RN A, który jest wytwarzany w oparciu o taki błędny tekst, jest także błędny. W wyniku zostaje wytworzone w drodze syntezy białko o zmienionej kolejności aminokwasów, ze zmie­nioną strukturą pierwszorzędową, a wskutek tego ze zmienio­nymi właściwościami biologicznymi. Niekiedy wystarczy zmie­nić jeden tylko nukleotyd, zmienić jeden tylko aminokwas w jednym z tych stu tysięcy rodzajów białek, jakie organizm wytwarza, aby nastąpiły poważne zmiany dziedziczne. Różne czynniki powodujące mutacje (substancje chemiczne, promienie rentgenowskie i radowe, promienie ultrafioletowe itp.) wywo­łują zmiany dziedziczne (mutacje) właśnie poprzez ten me­chanizm. Jak to wkrótce zobaczymy, aparat dziedziczny komórki ma różne poziomy organizacyjne: od cząsteczek DNA poprzez chromosomy do jądra. Każdemu z tych poziomów odpowiadają odpowiednie mechanizmy mutacyjne. I tak na przykład na po­ziomie chromosomów mutacje mogą pojawiać się dlatego, że

zanikły lub pojawiły się na nowo poszczególne chromosomy, lub cały zestaw; cząsteczki DNA mogą się rozmieścić wewnątrz w jednym lub między różnymi chromosomami. Jest wiele takich możliwości, ale nie będziemy się na nich zatrzymywali bardziej szczegółowo. Ważne jest jedno: niezależnie od poziomu zmian mutacyjnych istota ich jest jedna: zmiana w ilości, jakości lub wzajemnym układzie cząsteczek DNA tworzących aparat dzie­dziczny danej komórki.

Ale jeżeli wszystko to jest tak jasne, to dlaczego dotychczas ciągle jeszcze zmienianie organizmów jest celem nieosiągalnym ? Przyczyną jest przypadkowy charakter mutacji. Kiedy poddajemy komórki działaniu promieni ultrafioletowych, lub rentgenows­kich, albo jeżeli działamy na nie substancjami chemicznymi, to nie wiemy, które i ile z milionów nukleotydów w łańcuchach DNA zostaną tym działaniem dotknięte i wobec tego nie mo­żemy przepowiedzieć charakteru zmian dziedzicznych jakie uzyskamy. Oto dlaczego dopiero gdy naukowcy potrafią kie­rować „pociski” czynników mutagennych jedynie na ściśle określone cele (ściśle określony nukleotyd, ściśle określone miejsca w danych cząsteczkach DNA) zrealizują oni wypiesz­czone marzenie biologii: kierowanie zmiennością organizmów. Dopiero wtedy człowiek będzie mógł z czystym sumieniem powiedzieć, że stał się panem i władcą przyrody żywej. Warto poświęcić życie dla zrealizowania tego marzenia! Droga do tego prowadzi przez biologię molekularną!

CENTRALNY DOGMAT

I tak informacja dziedziczna przechowywana jest w kolejnym układzie nukleotydów w DNA, przekazywana jest następnym pokoleniom przez replikację DNA i realizowana w syntezie białek za pośrednictwem RNA. DNA ► DNA przy po­dziale komórek, DNA 1 RNA 1 białko przy two­rzeniu cząsteczki białkowej — wszystkie dane naukowe z ostat­niego ćwierćwiecza stanowczo potwierdzają, że to jest właśnie generalny kierunek przenoszenia informacji dziedzicznej między

makrocząsteczkami biologicznymi, obowiązujący we wszelkich komórkach, od bakterii aż po człowieka. Czy nie istnieją jednak i inne jakieś kierunki i mechanizmy przechowywania i przeno­szenia informacji dziedzicznej ? Niektóre odkrycia ostatnich lat spowodowały, że na nowo wybuchły na ten temat dyskusje, a w gazetach, a nawet w czasopismach naukowych pojawiły się sensacyjne nagłówki zapowiadające omalże obalenie całej bio­logii molekularnej.

W czym tkwi istota sporu i co dało powód do tych dyskusji ? Żehy wyjaśnić zagadnienie, przyjrzyjmy się uważnie schematom przedstawionym na str. 201. Na schemacie (str. 201) pierwszym (A) przedstawione są wszystkie możliwe kierunki przekazywania informacji dziedzicznej: każdy z trzech biopolimerów (DNA, RN A, białko) mógłby być reprodukowany sam przez siebie, a także pi zekazywaę informację pozostałym swym „współbra­ciom”. Pytanie polega na tym: które ze wszystkich tych możli­wości istnieją x: przyrodzie żywej. W roku 1958 F. Crick sfor­mułował ten problem i rozpatrzywszy wszystkie w owym czasie dostępne dane, ustalił tak zwany „centralny dogmat biologii molekularnej” (schemat B, str. 201). którego istota polega na tym, że potok informacji dziedzicznej płynie od kwasów nukleinowych ku białku, ale nie odwrotnie. Informacja zawarta w cząsteczce białkowej polega na kolejności jej aminokwasów. Według „centralnego dogmatu” Cricka kolejność ta nie może być prze­kazywana przez jedną cząsteczkę białka drugiej (to znaczy białka nie mogą się samoodtwarzać), ani też kolejność amino­kwasów danego białka nie może posłużyć jako podstawa do wytworzenia RN A lub DNA.

W tym szerokim i słusznym sposobie interpretowania „cen­tralnego dogmatu” nie wyklucza się, że poza powszechnie panującym 'szlakiem DNA-> RNA-»- białko istnieć mogą jako szczególne przypadki także i inne kierunki przenoszenia infor­macji między kwasami nukleinowymi lub od nich ku białku, na przykład kierunki RNA —*■ RN A, RNA albo DNA —> białko. Istnieje duża grupa wirusów RNA. Dla wyjaśnienia ich roz­mnażania trzeba przyjąć istnienie kierunku RNA-»- RNA. Niektórzy badacze przypuszczali, że taki kierunek występuje

także w komórkach eukariotycznych, że na przykład jądro wytwarza małą liczbę kopii informacyjnego RNA, które potem rozmnażają się w cytoplazmie do potrzebnej ilości w zależności od wymagań komórki. Dotychczas otwarte pozostaje pytanie, czy istnieje w komórkach szlak DNA —> białko, to znaczy czy możliwe jest, żeby niektóre białka składały się bezpośrednio na DNA bez pośrednictwa informacyjnego RN A?

Jedną z takich prawdopodobnych, ale niedowiedzionych możliwości stanowił też szlak RNA -> DNA. W roku 1964 H. Temin rozpatrując mechanizmy nowotworowych zwyrod­nień komórek pod wpływem RNA-wirusów przyjął hipo­tezę, że w komórkach zarażonych takimi wirusami syntetyzo­wany jest szczególny DNA, który przyjmuje informację od wirusowego RNA. Innymi słowy, istnieje tu przenoszenie informacji od RNA do DNA. Temin przytaczał też pewne dowody eksperymentalne na istnienie w zakażonych komórkach DNA komplementarnego w stosunku do wirusowego RNA.

Świat nauki powitał hipotezę Temina z niedowierzaniem i sceptycyzmem. Częściowo powodem była tu niedostateczna siła dowodowa jego doświadczeń. Głównym jednak powodem był fakt, że w świadomości niemal wszystkich naukowców dog­mat Cricka utrwalił się rzeczywiście w sposób dogmatyczny i to w swoim najwęższym sensie, jakoby istniał jedynie szlak DNA -> RNA białko i żadnej innej drogi przepływu infor­macji nie było!

W tym stanie rzeczy nadszedł rok 1970. Po sześciu latach cierpliwej i upartej pracy przeżył H. Temin radość z uznania jego wielkiego odkrycia naukowego. W kilku laboratoriach jednocześnie i niezależnie stwierdzono, że rakotwórcze wirusy RNA zawierają enzym: RNA-zależną polimerazę DNA, który dokonuje syntezy DNA używając jako matrycy nie DNA, lecz właśnie wirusowego RNA! W ten sposób dowiedzione zostało w bezsporny sposób istnienie kierunku RNA -*■ DNA. To właśnie odkrycie stało się — dla żądnych sensacji dziennikarzy i skłonnych do przesadnej oryginalności uczonych, lub po prostu tych, którzy mieli „na pieńku" z biologią molekularną lub jej poszczególnymi przedstawicielami — powodem do podnie-

sienią krzyku: „Kryzys w biologii molekularnej I”. „Biologia molekularna do góry nogami!”. „Rewolucja w poglądach na mechanizmy dziedziczności”.

Nie ma naukowych podstaw do podobnych twierdzeń! Cała ta historia jest jedynie dobrym potwierdzeniem starej prawdy

0 rozwoju poznania ludzkiego, pięknie wyrażonej przez E. Char- gaffa: „Nauka kroczy od skrajnych uproszczeń ku skrajnym uogólnieniom, a w rzadkich wypadkach — ku prawdzie”. Tak też zdarzyło się z „centralnym dogmatem” i jego krytykami. Zamiast jego prawdziwego sensu naukowego — że informacja dziedziczna płynie od kwasów nukleinowych ku białkom, za­sada Cricka została sprowadzona do schematu DNA —> RN A -» białko (skrajne uproszczenie) i schemat ten został zabsolutyzo- wany nie jako główny, lecz jako jedyny kierunek przenoszenia informacji (skrajne uogólnienie). Później zaś, kiedy stwierdzono kierunek RNA —*■ DNA, ujawniła się tendencja do skrajnego uproszczenia w odwrotnym kierunku: negowania z powodu tego szczegółowego wypadku jednej z najważniejszych prawidło­wości przyrody żywej po uprzednim przedstawieniu tej prawidło­wości w skrajnie uproszczonej postaci. Przykład ten naocznie pokazuje, jak nie powinniśmy się odnosić do faktów i uogólnień naukowych. Nie jest rzeczą zasadniczą, jaką nazwę nadamy wiel­kiemu naukowemu uogólnieniu — prawidłowość, reguła, teoria, lub — jak to było w tym konkretnym wypadku, wyzywająco

1 niezbyt odpowiednio — dogmat. Ważniejszą rzeczą jest to, jak się do tego uogólnienia będziemy odnosić, jak je będziemy stosować do dalszych poszukiwań naukowych i jak będziemy przyjmować fakty naukowe zwłaszcza wtedy, kiedy one przeczą stwierdzonym prawidłowościom naukowym.

Odkrycie Temina wcale nie wywraca ,,do góry nogami” biologii molekularnej, ponieważ kierunek RNA -»■ DNA mieści się całkowicie w dopuszczanych przez Centralny dogmat kie­runkach. Trzeba będzie dopiero wyjaśnić, w jakim stopniu zachodzi tu szczególny przypadek, ważny tylko dla mechanizmu rozmnażania rakotwórczych wirusów -RNA, i ich wzajemnego oddziaływania z genomem zakażonych komórek. Czy też, jak to przypuszczają niektórzy, jest to mechanizm szerzej roz-

powszechniony, istniejący też w normalnych komórkach. Gene­tyka molekularna zostałaby rzeczywiście wywrócona do góry nogami i biologia rzeczywiście przeżyłaby rewolucję tylko wtedy, jeżeliby wykryto mechanizm, przy którym informacja dzie­dziczna byłaby przekazywana z białka do kwasów nukleinowych. Dotychczas nie istnieją ani dane z doświadczeń, ani żadne teore­tyczne względy, dla których trzeba by przyjąć taką hipotezę. Wkrótce zapoznamy się w sposób bardziej szczegółowy z orga­nellami i mechanizmami biochemicznymi, które realizują znaną teraz drogę: kwasy nukleinowebiałko. „Stanowisko pracy”, które one zajmują, stanowi większość ciała komórki. Droga odwrotna: białko -*■ kwasy nukleinowe wymagałaby jakiegoś innego mechanizmu, komórka musiałaby mieć inne „przyrządy produkcyjne” dla realizacji tego procesu. Ani mikroskop elek­tronowy, ani badania biochemiczne nie dają żadnych wskazówek co do istnienia w komórce takich mechanizmów!

Ale jeżeli odkrycie Temina nie stanowiło całkowitego wywró­cenia biologii molekularnej, to ma ono jednak ogromne znaczenie dla wyjaśnienia mechanizmów nowotworowego zwy­rodnienia komórek pod wpływem wirusów. Wirusowo-gene- tyczna teoria raka, sformułowana najwcześniej i najpełniej przez radzieckiego onkowirusologa L. Zilbera zyskuje szersze zna­czenie. Otwierają się możliwości stworzenia nowych skutecz­nych metod diagnostyki, zapobiegania rakowi i leczenia tej choroby.

Kiedy mówimy o DNA jako materialnym nośniku dziedzicz­ności, musimy w to twierdzenie wkładać odpowiednią ścisłość. Tytuły w rodzaju „Dyktatura podwójnej spirali” nie brzmią źle jako chwyty literackie w dziełkach popularnonaukowych. Ale nie są ścisłe. W rzeczywistości DNA sam nie może zreali­zować ani jednego z przejawów dziedziczności. Nawet tak elementarny akt jak własna reprodukcja, nie może być dokonany przez same cząsteczki DNA. Umieśćcie czysty roztwór DNA w probówce. Jego cząsteczki nigdy się same nie zreplikują. Żeby to mogło nastąpić, potrzebna jest energia, potrzebne są enzymy, materiały budowlane. Wszystko to DNA otrzymuje 200 od komórki. Realizacja informacji dziedzicznej — które odcinki

DNA w danej komórce i w danym momencie będą pracowały — także nie zależy jedynie od DNA. DNA wcale nie jest jakimś władcą, dyktatorem, który dowolnie rozporządza losem komórek i ich procesami życiowymi. Jako składnik ciała komórki DNA jest ściśle związany z całokształtem przemiany materii. Czynności aparatu dziedziczności określane są nie przez cząsteczkę DNA, lecz przez skomplikowany system wzajemnych oddziaływań między DNA i pozostałymi składnikami jądra, między jądrem i cytoplazmą, między komórką i otaczającymi ją komórkami zgodnie z sygnałami przenikającymi do organizmu z otaczającego środowiska. W tym właśnie sensie ku DNA płynie nieprzerwany potok informacji: informacji o odwrotnym kierunku, ale nie jest to informacja genetyczna! fiadanie tych wszystkich wzajem­nych stosunków stanowi jedną z najbardziej pociągających i peł­nych zagadek dziedzin dla tego, kto pragnie poświęcić się roz­wiązywaniu nieodkrytych tajemnic komórki.

JAK JEST ZORGANIZOWANA „BIBLIOTEKA” DZIEDZICZNOŚCI

Aby wyjaśnić mechanizmy, dzięki którym regulowana jest aktywność genów, konieczne jest przede wszystkim szczegółowe zbadanie systemu działania jądra komórki. 201

W rozwoju przyrody żywej ten „punkt dowodzenia” komórki przeszedł długą ewolucję. Prymitywne komórki prokariotyczne (bakterie) nie mają ukształtowanego jądra. Materiał jądrowy, tak zwany nukleotyd, nie jest ograniczony przez błonę, brak też wydzielonego jąderka. W komórkach bakteryjnych nie występuje cała ważna grupa białek, tak zwanych histonów lub białek zasadowych. W komórkach zawierających jądra białka te w połączeniu z DNA tworzą nici nukleoproteidowe i chromo­somy jądra. W bakteriach DNA jest wolny, lub też tylko częś­ciowo związany z poliaminami. Dlatego właśnie nie ma w nich prawdziwych chromosomów, nie występuje też podział kario- kinetyczny — mitoza. Funkcjonalnym wyrazem tej niedosko­nałości w systemie działania aparatu genetycznego jest nie­zdolność bakterii do różnicowania i specjalizacji.

Jak jest zorganizowane i jak działa jądro komórek eukario­tycznych ? Pokładano wielkie nadzieje w mikroskopie elektro­nowym przypuszczając, że pozwoli on przeniknąć budowę jądra. Niestety nadzieje te potwierdziły się dotychczas tylko częściowo. W czasie interfazy materiał genetyczny jest tak rozproszony, że trudno ustalić jego strukturę za pomocą mikro­skopu elektronowego. Przeciwnie, w czasie podziału jest on tak ściśle opakowany w chromosomach, że szczegóły budowy nie mogą zostać ujawnione. Z dotychczasowych badań jednak zupełnie jasno wynika, że materiał genetyczny jądra na wszyst­kich poziomach organizacji — od cząsteczek DNA aż po chromo­somy — zbudowany jest ze spiralnych nici.

Poziom molekularny organizacji stanowią podwójne spirale DNA o przekroju około 20 A. Spirale te wraz z owiniętymi wokół nich białkami histonowymi tworzą nici nukleoproteidowe

o przekroju około 40—50 A i długości około 4000 A. Przy sil­nych powiększeniach nici te można zobaczyć w jądrze w postaci ziam lub krótkich nitek. Nici nukleoproteidowe tworzą ze swej strony wiązki, zwane mikrofibryllami o przekroju około 100 A. Zespoły mikrofibrylli tworzą z kolei najcieńsze dostępne ob­serwacji pod mikroskopem optycznym nici samych chromo­somów, tak zwane chromonemy. Kiedy zaczyna się podział

komórki — w czasie profazy, chromonemy zwijają się spiralnie i tworzą zwartą strukturę chromosomów.

Do niedawna niektórzy cytolodzy twierdzili, że w czasie interfazy chromosomy zatracają swoją indywidualność. Jest to nieprawda. W rzeczywistości w czasie interfazy chromosomów nie widać, ale chromatyna jądra interfazy nie jest bezładną plątaniną nitek nukleoproteidowych. Nitki te bowiem zacho­wują tę samą kolejność i układ, jaką miały też w morfologicznie widocznym chromosomie. Poszczególnie nitki należą do kon­kretnych chromosomów. Rozluźnienie struktury chromoso­mowej w interfazie jest konieczne dla „pracy” samego chro­mosomu. Tylko wtedy podwójna spirala DNA może się rozdzie­lić, żeby zsyntetyzować RNA lub żeby się replikować. Gdyby stopień zwinięcia nukleoproteidowych nitek podniósł się już w interfazie (tak zwana heterochromatyna), to stałyby się one nieaktywne pod względem genetycznym i metabolicznym. Jak widzimy, funkcjonalna aktywność aparatu genetycznego jest ściśle powiązana, zależna od nadmolekularnej struktury jądra.

Z tego, cośmy powiedzieli, można wyciągnąć najbardziej ogólny wniosek, że na wszystkich poziomach organizacji — od cząsteczek DNA do chromosomów, materiał genetyczny wy­kazuje trzy podstawowe właściwości: jest on zorganizowany w twory niciowe, nici te są podwójne (lub wielokrotne) i wykazują zdolność do zwijania się w spirale. Najwyraźniej wszystkie te trzy właściwości są odbiciem ważnych zasad budowy materiału genetycznego i warunkują jego funkcje biologiczne. Mówiąc w sposób najogólniejszy, materiał nitkowaty jest odbiciem za­sady liniowego zapisu informacji genetycznej: podwójny cha­rakter nici jest prawdopodobnie związany z półkonserwatywnym mechanizmem reprodukowania DNA i chromosomów; co zaś do zwijania się w spiralę, to się przypuszcza, że jest to jeden z mechanizmów regulacji aktywności genów.

Niestety nie wiemy wciąż jeszcze, w jaki sposób cząsteczki DNA i nitki nukleoproteidowe są ułożone w chromosomach. Proponowano cały szereg modeli, ale wszystkie one są wyni­

m f - k+z t k

V /-’jf w' //

%y

kiem bardziej rozważań teoretycznych, niż ścisłych i szczegóło­wych danych eksperymentalnych. Według jednych modeli chromosom składa się z jednej jedynej wielokrotnie zwiniętej spiralnie nici nukleoproteidowej, według innych zaś — nitek jest wiele i są rozmieszczone poprzecznie lub wzdłuż.

Przyczyną istnienia tak wielkiej ilości hipotez jest brak od­powiedniej metody badania struktury przestrzennej chromo-

^8r»nice

komórki

somów. Analiza rentgenostrukturalna, służąca do badania struk­tury makrocząsteczek, nie może tu zostać zastosowana. Dla tej metody chromosom jest tworem zbyt dużym i skompliko­wanym. Mikroskop elektronowy także nie może tu* pomóc: chromosom jest albo zbyt osłonięty, albo rozszczepiony, pu­szysty, żeby go można ogarnąć przestrzennie. Jednym słowem dotychczas chromosom znajduje się na „ziemi niczyjej”. Nie może on być badany ani metodami stosowanymi dla badania cząsteczek, ani metodami, które się stosuje dla struktur komór­kowych. Dopóki nie zawładniemy tą „niczyją ziemią” nie wyjaśnimy dokładnie budowy chromosomu. I dlatego też nie będzie dla nas jasny dokładny mechanizm jego funkcji, przede wszystkim zaś sposób regulowania aktywności genowej jądra, sposób realizacji zróżnicowania i specjalizacji komórek.

CHROMOSOMY — DOWÓD OSOBISTY GATUNKU

Liczba i kształt chromosomów w komórkach — tak zwany komplet chromosomów stanowi charakterystyczną właściwość gatunku. Komplet chromosomów w normalnych komórkach somatycznych składa się z dokładnie określonej liczby chromo­somów zgrupowanych parami po jednym chromosomie macierzyńskim i jednym ojcowskim w każdej parze. Taki ze­staw chromosomów nosi nazwę diploidalnego. Komórki diploidalne człowieka mają po 46 chromosomów (23 pary), myszy — 40, szczura — 42, muszki owocowej — 8 itd. W doj-

rzałych komorkach płciowych w wyniku podziałów związanych z dojrzewaniem, tak zwanej mejozy, liczba chromosomów zo­staje zredukowana do połowy — tylko po jednym chromosomie z każdej pary. Taki komplet chromosomów nosi nazwę haploi- dalnego. Odwrotnie, niektóre komórki zróżnicowane mają liczbę chromosomów wyższą, ale zawsze wielokrotną w stosunku do liczby haploidalnej. Takie komórki nazywamy poliploi- dalnymi.

U większości gatunków liczba i forma chromosomów są tak typowe, że po właściwościach kompletu chromosomów można rozpoznać, do jakiego gatunku należą dane komórki. Ale stałość liczby chromosomów nie ma charakteru absolutnego. Rozmaite przyczyny mogą wywołać zaburzenia w podwajaniu i rozmiesz­czeniu chromosomów w komórkach pochodnych w czasie po­działu. Tak powstają komórki ze zmienioną liczbą chromosomów zwane aneuploidalnymi. W normalnych tkankach ich liczba może sięgać do 1 na 10 000. W nowotworach złośliwych liczba chromosomów prawie zawsze odbiega od normy. Nasuwa to przypuszczenie, że między nowotworowymi właściwościami komórek i odchyleniami w liczbie chromosomów istnieje związek przyczynowy.

Kiedy liczba chromosomów zmieni się już w komórkach płciowych, to rozwijają się jednostki, w których wszystkie ko­mórki są aneuoploidalne. Jednostki takie cierpią na szereg zaburzeń, łączonych dziś pod ogólną nazwą „chorób chromoso­mowych”. Większość z nich dotyczy chromosomów płciowych i wyraża się w zaburzeniach rozwoju płciowego. Rzeczywistą płeć takich osobników można określić dopiero po analizie komple­tu ich chromosomów.

GDZIE SIĘ TWORZĄ RYBOSOMY

W mikroskopie elektronowym widzimy jąderko jako zwartą masę licznych ziarenek o przekroju około 150 A, podobnych do rybosomów. Poza nimi zawiera ono nieukształtowaną (amor­ficzną) masę, prawdopodobnie białka, a przy specjalnym ba-

daniu można też dostrzec i nitkowate twory, podobne do mikro- fibrylli chromatyny. Bardzo ciekawą właściwością jest brak jakiejkolwiek błony, oddzielającej jąderko od pozostałych substancji jądra. Jąderko jest oryginalne jeszcze pod jednym względem: jest ono najbardziej zwartym organellum. Co do składu chemicznego to bogate jest w RNA i białka.

Jeszcze dziesięć lat temu funkcja jąderka stanowiła zagadkę. Wiedziano tylko, że odgrywa ono ważną rolę w syntezie białek. Komórki, które wytwarzają wiele białka, mają duże jąderka i jest ich w nich więcej. Dzisiaj wiemy, że jąderko to stanowisko pro­dukcyjne, na którym zaczyna się budowanie rybosomów — uniwersalnej maszyny do produkcji białek w komórce. W ją- derku wytwarza się w procesie syntezy szczególny typ RNA — rybosomowy, ważna składowa część rybosomów. Ten RNA, podobnie jak informacyjny, wytwarzany jest na matrycy DNA. Mimo, że większość RNA w komórce (ponad 80%) stanowi RNA rybosomowy, to dla jego wytworzenia przewidziana jest 210 znikoma część ogólnej „powierzchni produkcyjnej” chromoso-

mów. Cząsteczki DNA, na których syntetyzowany jest ryboso- mowy RNA, stanowią mniej niż 1% (nawet tylko 0,01%) ogólnej ilości DNA w jądrze.

Ta część DNA, w której syntetyzowany jest rybosomowy RNA i kształtuje się jądro, znajduje się w ściśle określonym miejscu w niektórych chromosomach. U pewnych gatunków roślin i zwierząt miejsce to zostało dokładnie określone i nosi nazwę organizatora nukleolarnego. U niektórych organizmów (Dr oso- phila, rośliny ziemnowodne), powstały przez mutacje osobniki, u których w chromosomach brak organizatora nukleolarnego. Jądra takich mutantów nie zawierają jąderek, nie zachodzi w nich synteza rybosomowego RNA i nie są wytwarzane rybosomy. Osobniki takie giną już jako zarodki we wczesnych stadiach rozwoju embrionalnego.

Jąderko zawiera dużą ilość białek, z których część służy bu­dowie cząstek rybosomowych. Miejsce syntezy tych białek nie zostało ustalone, ale jest prawie pewne, że dokonuje się ona w cytoplazmie i dopiero potem białka przedostają się do jądra.

Tu w jąderku rozpoczyna się montowanie rybosomowych cząstek z rybosomowego RN A i białka. N iedobudowan© rybo­somy kierowane są do cytoplazmy, przenikając prawdopodobnie przez pory. W cytoplazmie otrzymują dodatkową ilość białek i przekształcają się w dojrzałe, funkcjonalnie wydajne rybosomy.

Obok RNA informacyjnego i rybosomowego jądro produkuje też trzeci typ RNA — transportowy. RNA transportowy sta­nowi około 15% ogólnej ilości RNA w komórce, ale jego pro­dukcją zajmuje się jedynie skromna część DNA (mniej niż 1%). Dotychczas nie wiadomo, które mianowicie odcinki jądra i chromosomów biorą udział w jego wytwarzaniu.

Poza trzemar „klasycznymi” już typami RNA — informacyj­nym, rybosomowym i transportowym — odkryto w ostatnich latach w komórce wiele nowych rodzajów RNA, różniących się od siebie ciężarem cząsteczkowym i przemianą. Tak na przykład znaleziono w jądrze RNA wysokomolekularny, gi­gantyczny, którego większa część rozpada się w jądrze. Funkcja tych nowych członków rodziny RNA jest nieznana. Jedno tylko jest jasne. Stosunki wzajemne między DNA i RNA i wy­darzenia rozgrywające się w komórce przy realizacji informacji genetycznej są znacznie bardziej skomplikowane niż te proste schematy, które dziś kreślimy.

Naszą znajomość z jądrem zawarliśmy. Wraz z rybosomami i cząsteczkami informacyjnego i transportowego RNA możemy wyruszyć teraz w odwrotną drogę — ku cytoplazmie, żeby się dowiedzieć jak jej wysiłkiem budowane są cząsteczki białkowe.

DZIEDZICZNOŚĆ POZA JĄDREM

Oszałamiające sukcesy chromosomowej teorii dziedziczności nie powinny nas skłaniać do zapominania o tym, że dziedzicz­ność istnieje też poza jądrem. Już w roku 1908 C. Correns stwierdził, że są wypadki, kiedy cechy dziedziczne uwarunko­wane są czynnikami dziedzicznymi rozmieszczonymi w cyto­plazmie. Dzisiaj znamy kilkaset wiarogodnych wypadków takiej pozachromosomowej, cytoplazmatycznej dziedziczności u owa­

dów, roślin wyżej zorganizowanych, wodorostów, drożdży, bakterii. Charakterystyczne dla dziedziczności cytoplazmatycznej jest to, że takie cechy przekazywane są jedynie przez matkę. Można to łatwo wyjaśnić: przy zapłodnieniu do jaja przenika jedynie jądro ojcowskiej komórki płciowej. Istnienie dziedzicz­ności cytoplazmatycznej dowodzi, że poza chromosomami ko­mórka posiada też inne systemy informacji genetycznej. Dzisiaj wiadomo, że nośnikami dziedziczności cytoplazmatycznej są chloroplasty, mitochondria, centriole.

Prawie nic nie wiadomo o podstawach chemicznych i moleku­larnych dziedziczności cytoplazmatycznej. Wielkie zaintereso­wanie wzbudza fakt, że zarówno mitochondria, jak chloroplasty, a również (według niektórych danych) i centriole zawierają DNA, różniący się składem od tego DNA, który zawarty jest w jądrze. Oto dlaczego przypuszcza się, że w tych wypadkach molekularnym nośnikiem informacji genetycznej jest także DNA. Przed nami jest jeszcze odkrycie związku między chro­mosomami i innymi systemami genetycznymi komórki. W wielu wypadkach do rozwoju pewnych cech dziedzicznych przyczy­niają się obok jądra także cytoplazmatyczne czynniki dzie­dziczności.

Co do biologicznego sensu cytoplazmatycznych systemów genetycznych, jest jasne, że rozporządzanie częścią informacji genetycznej związanej z działalnością niektórych organelli, nie w jądrze, lecz w tych właśnie organellach, zapewnia większą elastyczność, szybkość w reakcjach i pewność działania takich ważnych organelli jak mitochondria, chloroplasty, centriole.

WIELKA

TAJEMNICA-

BUDOWANIE

CZĄSTECZKI

BIAŁKOWEJ

AMINOKWASY DOSTAJĄ SIĘ NA TAŚMĘ PRODUKCYJNĄ

Gdyby książka ta została napisana przed 15 laty, to mecha­nizmy biosyntezy białek zostałyby w niej zaliczone do nieod- gadnionych jeszcze tajemnic komórki i tego rozdziału w ogóle by nie było w spisie rzeczy. Prawie wszystkie wiadomości, które poniżej podajemy, stanowią osiągnięcia biologii molekularnej ostatniego okresu.

Większość bohaterów biorących udział w budowie cząsteczki białkowej to postaci już nam znane. Przypomnijmy je jeszcze raz. Plac budowy — rybosomy. Materiały wyjściowe (surowce)

— dwadzieścia omawianych już aminokwasów. Przenosiciel surowców z soku komórkowego do rybosomów — cząsteczki przenośnikowego (transportowego) RNA (tRNA). Energia do produkcji — nasz stary znajomy ATP. Plan inżynieryjny, program produkcji — cząsteczki informacyjnego RNA (i-RNA). Wysoka mechanizacja — cały komplet specjalnych enzymów. I pomysłowe mechanizmy koordynacji i regulacji procesu, w czym istotną rolę odgrywają specjalne białka — tak zwane faktory.

Początek rozgrywa się poza rybosomami, w płynie komór­kowym, gdzie „pływają” surowce wyjściowe, cząsteczki naszych dwudziestu aminokwasów. Najpierw musi zostać podniesiony poziom energetyczny tych cząsteczek. Jest to ogólna zasada przy procesach biochemicznych zwłaszcza wtedy, kiedy idzie o syn­tezy: proces zaczyna się od zaktywowania cząsteczek biorących udział w reakcji przez wniesienie do nich energii. Źródłem energii są cząsteczki ATP. Potrzebne są też jeszcze en­zymy, które by »katalizowały reakcję między aminokwasami i ATP. Stanowią one całą brygadę; dla każdego aminokwasu jest przynajmniej jeden specyficzny enzym. Enzymy te noszą nazwę enzymów aktywujących (ponieważ aktywizują amino­kwasy) lub inaczej — syntetaz aminoacylowych tRNA, ponieważ ich podstawową funkcją jest katalizowanie wiązania się amino­kwasu z odpowiednim przenoszącym go RNA. Proces ten zaczyna się w taki sposób, że na centrum aktywnym enzymu

dokonuje się „zawarcie małżeństwa” między aminokwasem i ATP. Nowo powstała „para małżeńska” — związek amino- acylo- AMP otrzymuje w prezencie ślubnym dziedzictwo ener­getyczne ATP — bogate w energię wiązania makroergiczne.

Aminokwasy są już zaktywowane. Z energetycznego punktu widzenia nie ma przeszkód do tego, żeby połączyły się w łań­cuch białkowy. Wystarczy, żeby wtrącił się tylko jeszcze jeden enzym, który by dopomógł w szczepieniu wiązań peptydowych między zaktywowanymi aminokwasami, i białko jest gotowe. Białko ? Z chemicznego punktu widzenia — tak, ale z biologicz­nego jeszcze nie. A to dlatego, że układ aminokwasów w takim białku miałby charakter przypadkowy, a nie zgodny z gene­tycznym programem i potrzebami organizmu. Tak więc białko takie pozbawione by było specyficzności biologicznej.

Dalsze wędrówki aminokwasów na taśmie produkcyjnej aparatu syntezy białka są konieczne właśnie dlatego, żeby za­pewnić ich specyficzne ułożenie w kolejności w cząsteczce biał­kowej zgodnie z planem genetycznym organizmu. W tym celu zaktywowane aminokwasy zostają związane z odpowiednimi typami przenośnikowego RNA (tRNA), przenoszącymi je do rybosomów. Tam za pomocą tych samych RNA aminokwasy rozpoznają swoje miejsca wzdłuż łańcucha informacyjnego RNA, ustawiają się w tej kolejności i łączą się w łańcuch już specy­ficznego białka.

Tak więc montaż cząsteczki białkowej odbywa się na zasadzie matrycowej. Cząsteczka informacyjnego RNA służy jako sche­mat, określający kolejność układu aminokwasów. Ale właśnie w tym miejscu powstaje nowy problem.

PO CO JEST POTRZEBNY TŁUSZCZ

Program genetyczny komórki zapisany jest w sposób, w jaki ułożone są nukleotydy w cząsteczce DNA. Mechanizm prze­kazywania tego programu z DNA informacyjnemu RNA nie jest trudny do zrozumienia. Obie cząsteczki — DNA i RNA — mówią wspólnym językiem, językiem kwasów nukleinowych,

językiem komplementarności między ich nukleotydami. Infor­macyjny RNA stanowi kopię, odpis szyku nukleotydów w odpo­wiednim odcinku DNA. Dlatego proces ten słusznie otrzymał nazwę transkrypcji, przepisywania. Kiedy jednak nadchodzi moment aby program genetyczny — biologiczną specyficzność makrocząsteczki — przekazać z cząsteczki pośredniczącego RNA na białko, sprawa staje się bardziej skomplikowana. Bo przecież kwasy nukleinowe i białka używają dwu zupełnie różnych ję­zyków. Między cząsteczkami aminokwasów i nukleotydów nie ma żadnego podobieństwa przestrzennego, po którym mogłyby się rozpoznać. Jak więc specyficzność biologiczna przenosi się z cząsteczki RNA-pośrednika na białko ? W jedyny możliwy sposób, przy użyciu tłumacza, który musi znać oba te języki. Na poziomie molekularnym tłumacz znaczy: związek, który może rozpoznać i nukleotyd RNA i aminokwas, jakiego takie nukleotydy wymagają. Tłumacz w tym wypadku gra też rolę adaptatora, łagodzącego przestrzenny brak odpowiedniości między nukleotydami informacyjnego RNA i aminokwasami oraz układa te ostatnie w odpowiednim porządku dokładnie na tych miejscach, jakie są dla nich przewidziane w programie genetycznym. Rolę tłumacza, rolę adaptatora przy odczytywa­niu kodu genetycznego grają cząsteczki przenośnikowe RNA, te same, które przenoszą zaktywowane aminokwasy z płynu komórkowego do rybosomów. Warto bliżej zapoznać się z ta­kimi „wybitnymi bohaterami pracy”.

„MAŁA” CZĄSTECZKA OLBRZYMIA

O WIELU ZALETACH

W porównaniu ze swoimi współbraćmi — cząsteczkami infor­macyjnego i rybosomowego RNA cząsteczki przenośnikowe RNA są karzełkami: zbudowane są jedynie z około 80 nukleo­tydów i ich ciężar cząsteczkowy wynosi około 25 000. Odpo- , wiada to ich funkcji: powinny być zwinne, ruchliwe, aby móc nieustannie snuć się między płynem komórkowym i rybosomami, 216 przenosić aminokwasy i tłumaczyć im tekst informacyjnego

RNA. Przenośnikowy ANR pełni funkcję cząsteczkowego tłu­macza za pomocą dwu specyficznych odcinków — jednego, przez który rozpoznaje enzym, który ma go powiązać z odpowied­nim aminokwasem, oraz drugiego, tak zwanego antykodonu, poprzez który rozpoznaje odpowiednią kombinację trzech nukleo- tydów (kodon) wzdłuż informacyjnego RNA, określającą (kodującą) dany aminokwas. Poszczególne transportowe RNA noszą nazwy zależne od imienia aminokwasu, który przenoszą, na przykład przenośnikowy RNA alaniny, tRNA waliny itp.

Jako najmniejsi wzrostem przedstawiciele rodziny RNA prze­nośnikowe RNA pierwsze stały się obiektem badań struktury pierwszorzędowej. W ciągu ostatnich siedmiu lat określono przeszło 10 rodzajów tRNA. Najwcześniej ustalono ją dla tRNA alaniny, bo w roku 1965 (R. Holley, nagroda Nobla za rok 1968). Badacze zdołali uzyskać też kryształy nie­których przenośnikowych RNA, dzięki czemu dziś poważnie już zajęto się kwestią wyjaśnienia ich struktury przestrzennej za pomocą analizy rentgenostrukturalnej. A to pozwoli ujawnić mechanizmy molekularne specyficzności w oddziaływaniach między danym transportowym RNA, przenoszonym przez niego aminokwasem i wiążącymi je enzymami.

I tak nowy uczestnik akcji przedstawiony został publiczności. Przedstawienie może toczyć się dalej. Zatrzymaliśmy się w mo­mencie, kiedy na cząsteczce aktywującego enzymu powstaje związek aminoacylo- AMP. Żywot tego związku jest krótki. A to dlatego, że nie może on ani przenieść aminokwasów do rybosomów, ani przetłumaczyć tekstu kodu dziedziczności. Dlatego też opuszcza on scenę i jego miejsce zostaje zajęte przez odpowiedni przenośnikowy RNA. Odbywa się to na centrum aktywnym tego samego aktywującego enzymu. Związek, po­wstający między aminokwasem i transportowym RNA (tRNA aminoacylu) dostaje w spadku po aminoacylo-AMP wiązanie bogate w energię. Związek ten oddziela się od enzymu i wyrusza ku rybosomom.

PLAC BUDOWY

Rybosomy to cząstki o wymiarach 200 do 300 A i ciężarze czą­steczkowym około 3—4 milionów. Składają się prawie wyłącznie z białka i RNA w prawie jednakowych ilościach. Pod silnym powiększeniem w mikroskopie elektronowym widzimy rybosom jako grzybek z grubą nóżką i płaską czapeczką. Zarówno nóżka jak czapeczka (lub też, jak się rzeczywiście nazywają — duża i mała podjednostka rybosomu) są zbudowane każda dla siebie z jednej cząsteczki rybosomowego RNA i kilkudziesięciu różnych rodzajów cząsteczek białkowych. Białka nóżki i cza­peczki są różne, poza tym każda podjednostka zawiera jedynie po jednej cząsteczce białka każdego rodzaju. Rybosomy RNA nóżki i czapeczki są różne: jeden ma ciężar cząsteczkowy około 1,2 miliona i nosi nazwę ciężkiego, a drugi — o ciężarze cząstecz­kowym około 600 tysięcy — lekkiego rybosomowego RNA. Nóżka i czapeczka złączone są przez działanie jonów magnezu. Jeżeli jonów jest w środowisku niewiele, to nóżka oddziela się od czapeczki; jeżeli koncentracja jonów się powiększy, to obie podjednostki rybosomu łączą się ze sobą ponownie. Białko jest więc syntetyzowane tylko na kompletnej cząstce rybosomo- wej.

Szereg doświadczeń dowiodło, że rybosomy są rzeczywiście tym miejscem, gdzie syntetyzowane są białka, że więc są one placem budowy białek. Pierwszy dowód na to uzyskano za pomocą znakowanych aminokwasów. Zagadnienie postawione zostało jasno: to organellum, w którym najwcześniej pojawi się znakowane (radioaktywne) białko, będzie miejscem, w którym oznakowane aminokwasy wiążą się w cząstki białkowe. Ze wszystkich części składowych komórki (jądro, mitochondria, rybosomy, płyn komórkowy) białko radioaktywne pojawia się najwcześniej w rybosomach. Dzisiaj rola rybosomów w syntezie białka jest już w pełni dowiedziona. Wyizolowane rybosomy odpowiednio zaprogramowane przez matrycowy RNA w obec­ności aminokwasów i substancji dostarczających energii mogą syntetyzować białko także w probówce! Przy tym wytworzone

białko odpowiada nie organizmowi, z którego wyodrębniono rybosomy, lecz dodanemu matrycowemu RNA. Jest to dowód, źe jako matryca do syntezy białka służy nie sam rybosom, lecz informacyjny RNA.

Tak więc machina syntetyzująca białko — rybosom, zaprogra­mowany jest za pomocą odpowiedniego (informacyjnego) RNA. Zaktywowane aminokwasy wraz ze swoimi przewodni- kami-tłumaczami, czyli specyficznymi przenośnikowymi RNA, krążą w płynie komórkowym wokół rybosomu. Ale jak amino­kwasy odnajdują swoje miejsca na matrycy?

Sam aminokwas jest „niepiśmienny”, nie może on czytać tekstu informacyjnego RNA. Oto dlaczego, kiedy aminokwas jest już przyczepiony do swego przewodnika — przenośniko­wego RNA, oddaje mu też w ręce całkowicie swe dalsze losy. Aminokwas przypomina niewidomego, który idzie tam, gdzie go prowadzi jego przewodnik — przenośnikowy RNA.

Odcinek transportowego RNA odczytujący tekst informa­cyjnego RNA składa się z trzech nukleotydów. Nukleotydy te są komplementarne w stosunku do odpowiedniej trójki (try- pletu) nukleotydów informacyjnego RNA. Tryplety nukleo­tydów w cząsteczce informacyjnego RNA noszą nazwę kodo- nów, a ich komplementarne odcinki w RNA przenośnikowym — to antykodony. Jasne jest, że do danego kodonu może doczepić się jedynie ten transportowy RNA, którego antykodon jest komplementarny w stosunku do kodonu. W wyniku na odpo­wiednim miejscu tworzącego się łańcucha polipeptydów może się umieścić tylko jeden ściśle określony aminokwas.

Jak jednak dowieść, że aminokwasy rzeczywiście nie umieją same odnaleźć swego miejsca? Skąd możemy mieć pewność, że nie umieją one dzięki jakiemuś jeszcze nieznanemu mechaniz­mowi odczytywać tekstu kwasów nukleinowych same bez pomocy tłumacza ?

Jak byście sprawdzili ślepotę człowieka ? Prowadząc go błędną drogą i obserwując, czy dostrzeże błąd. Na tej samej zasadzie F. Chapville i F. Lip mann w świetnie pomyślanym i świetnie przeprowadzonym doświadczeniu dowiedli „śle­poty” aminokwasów przy ich rozmieszczaniu w łańcuchu biał­kowym.

Przyjrzyjmy się teraz bardziej dokładnie sposobowi, w jaki cząsteczka białkowa powstaje na taśmie rybosomowej. Pomoże nam w tym także wkładka barwna na str. 230 — 231. Chociaż bardzo uproszczony, schemat ten jednak jasno pokazuje, że jest to proces skomplikowany, wieloetapowy, w którym przyroda musiała wykazać wiele pomysłowości, aby rozwiązać całą masę skomplikowanych problemów konstruktorskich i cyberne­tycznych. Najważniejszym wymaganiem jest to, aby cząsteczka białkowa, która ma być wytworzona, odpowiadała ściśle pla­nowi konstrukcyjnemu, przeniesionemu z odpowiedniego genu za pośrednictwem informacyjnego RNA. A to wymaga, aby tekst informacji dziedzicznej, zapisany w kolejności nukleoty- dów i -RNA, został przeniesiony w sposób najzupełniej bez­błędny na kolejność aminokwasów w powstającym białku. Każdy błąd w przekładzie cząsteczkowym doprowadziłby do zmiany kolejności aminokwasów, do błędów w I-rzędowej strukturze białka, co w konsekwencji zmieniłoby też jego właś­ciwości biologiczne.

Prawidłowe odczytanie jakiegoś tekstu oznacza przede wszyst­kim, że proces ten zacznie się od ściśle ustalonego początku. Zilustrujmy to najprostszym przykładem zwykłego pisma. Mamy przed sobą połączenie liter ANARAKOM. Jeżeli zacz­niemy czytanie od pierwszej litery, otrzymamy połączenia ANA RAK itd., jeżeli od drugiej, to mamy NAR AKO ..., od trzeciej — ARA KOM, czyli tekst ma zupełnie inny sens.

W piśmie ludzkim zagadnienie to zostało rozwiązane przez rozdzielanie liter na wyrazy i zdania znakami przestankowymi.

Ale w łańcuchu informacyjnego RNA nukleotydy idą jeden za drugim bez żadnych znaków przestankowych. W jaki więc sposób rybosomy dowiadują się, skąd się ma zacząć od­czytywanie tekstu molekularnego ?

Początek tekstu odnajduje wspólnymi siłami kilku bohaterów.

Ze wszystkich przenośnikowych RNA tylko ten, który prze­nosi aminokwas metioninę, może jako pierwszy przyłączyć się do rybosomu (dokładniej — do mniejszej podjednostki rybo- 223

somu) i do informacyjnego RNA tworząc początkowy kompleks, którym zaczyna się budowa łańcucha białka. Na dodatek ten RNA różni się od tego przenośnikowego RNA, który transpor­tuje metioninę do wnętrza łańcucha. U bakterii wybiórczość w zaczynaniu procesu zapewniona jest jeszcze i w ten sposób, że pierwsza cząsteczka metioniny, od której zaczyna się łańcuch białkowy, jest zmodyfikowana w postaci związku formyl-metio- nina. Kodon dla metioniny aminokwasowej stanowi połączenie trzech nukleotydów — AUG. Połączenie to znajdujące się na początku i RNA odgrywa rolę „dużej litery” i nosi nazwę kodonu początkowego.

Synteza każdej cząsteczki białkowej zaczyna się od wytwo­rzenia tak zwanego kompleksu początkowego. Odbywa się to tak, że mała podjednostka, za pomocą specjalnych białek — czynników początkowych, przymocowuje się do informacyj­nego RNA. Równocześnie przyłącza się do nich, również z po­mocą czynnika białkowego, przenośnikowy RNA naładowany metioniną, umieszczając się naprzeciw kodonu początkowego. Żaden inny przenośnikowy RNA nie może wytworzyć kompleksu początkowego! Dopiero wtedy do tego kompleksu dołącza się też duża podjednostka rybosomu. W jej skład wchodzi specjalne białko-enzym, który powoduje wytworzenie wiązania peptydo- wego. Aminokwas zostaje umieszczony w jego centrum ak­tywnym.

Na tym kończy się pierwszy akt — rozpoczęcie akcji. Zaczyna się akt drugi-— ruch rybosomów wzdłuż informacyjnego RNA i stopniowe montowanie łańcucha białkowego. Proces ten nosi nazwę wydłużania. W wolnym odcinku rybosomu umieszcza się drugi przenośnikowy RNA, odpowiadający drugiemu kodo- nowi informacyjnego RNA. Przeniesiony w ten sposób drugi aminokwas zostaje umieszczony w centrum aktywnym enzymu, gdzie już na niego oczekuje jego pierwszy współbrat. Między tymi dwoma aminokwasami powstaje wiązanie peptydowe. Pierwszy przenośnikowy RNA już nie jest potrzebny, odczepi się więc od rybosomu, a na jego miejsce w uwolnionym od­cinku przychodzi drugi przenośnikowy RNA, tak aby z kolei następny transportowy RNA mógł zająć miejsce w wolnym 225

odcinku wejściowym. Równocześnie z przenośnikowym RNA sam ryb osom też się przesuwa o jeden kodon na prawo w sto­sunku do informacyjnego RNA tak, że naprzeciw odcinka dostarczającego znajduje się drugi kodon, a naprzeciw zwol­nionego odcinka przyjmującego — następny, trzeci kodon. Ten proces nosi nazwę przemieszczania. Teraz zaczyna się nowy cykl przyłączania następnego aminokwasu: do odcinka przyjmującego wchodzi nowy RNA przenośnikowy odpowia­dający znajdującemu się tam już kodonowi, tworzy się nowe wiązanie peptydowe, rybosom przemieszcza się o jeszcze jeden kodon w prawo. I tak na zasadzie taśmy produkcyjnej rybosom przesuwa się wzdłuż informacyjnego RNA i odczytując i tłu­macząc cały tekst buduje odpowiednią specyficzną cząsteczkę. Jak najwłaściwiej nadano temu procesowi nazwę przekładu (translacji) informacji dziedzicznej.

Ale jak się ten proces kończy ? Podobnie jak na końcu zdania znajduje się kropka, tak koniec tekstu informacyjnego RNA oznaczony jest tak zwanymi kodonami końcowymi, połącze­niami UAA, UAG, UGA. Noszą one jeszcze nazwę kodonów niedorzecznych, ponieważ nie istnieje przenośnikowy RNA z odpowiednimi antykodonami i wobec tego połączenia te nie kodują żadnego aminokwasu. Kiedy rybosom przesuwając się wzdłuż taśmy dojdzie do takiego połączenia, wydłużanie łańcucha ustaje. Następuje nowy proces. Zamiast nowego prze­nośnikowego RNA do rybosomu przyłączają się nowe specjalne białka, zwane czynnikami uwalniającymi. Ich interwencja wy­wołuje rozpad całego kompleksu: zbudowany łańcuch białka i ostatni przenośnikowy RNA odczepiają się od rybosomu, rybosom ze swej strony oddziela się od informacyjnego RNA, przy czym jednocześnie jego dwie podjednostki oddzielają się od siebie. Dalszy ich los zależy od napięcia w planie produkcyj­nym komórki. Przy intensywnej syntezie białek, mała podjed- nostka zostaje włączona znów do początkowego kompleksu za pomocą początkowych czynników białkowych: zaczyna się cykl budowy nowej cząsteczki białkowej. Jeżeli jednak napięcie produkcyjne w komórce jest niskie, to mała podjednostka zamiast stworzyć kompleks początkowy wiąże się wprost z więk-

Szą podjednostką i w ten sposób powstaje nieaktywny rybosom. Takie rybosomy istnieją w komórce jako zapas sił wytwórczych do czasu^ kiedy zwiększone potrzeby syntezy białka nie zmobilizują ich znowu do taśmy. Wygląda na to, że podział rybosomów między taśmę produkcyjną i „rezerwy robocze” regulowany jest przez koncentrację pewnych począt­kowych czynników białkowych.

Jak widać, w rzeczywistości rybosom nie jest wcale biernym placykiem budowy, lecz aktywnie działającą postacią, jest zbudo­wanym w sposób skomplikowany reaktorem, który stowa­rzyszony z odkrytymi niedawno czynnikami białkowymi za­pewnia dokładne współdziałanie między wszystkimi składo­wymi częściami taśmy produkcyjnej i regulację całego procesu.

Przyroda jest oszczędna. A produkcja białek wymaga wiel­kiego wysiłku. Przy sprzyjających warunkach bakterie mogą zbudować białka swego ciała w ciągu niecałej pół godziny. Nawet skomplikowane komórki organizmów wyższych podwa­jają swą masę komórkową w niecałą dobę. Kolosalne ilości białek wytwarzają też komórki wyspecjalizowane. Białka plazmy krwi są w ciągu kilku dni zastępowane nowymi.

Aby podołać temu wysiłkowi produkcyjnemu, komórka zor­ganizowała syntezę białka w taki sposób, żeby maksymalnie wykorzystać wydajność aparatu syntetyzującego białko. Czy jest możliwe, aby ta sama taśma filmowa była równocześnie wyświetlana w kilku kinach ? Tak. Jeżeli sale kinowe są umiesz­czone jedna obok drugiej i jeżeli taśma po przejściu przez pierwszy aparat projekcyjny nie zostanie nawinięta, lecz prze­rzucona na drugi aparat do wyświetlania jej w sąsiedniej sali.

I tak z małym przesunięciem w czasie widzowie kilku sal kino­wych mogą oglądać film, zapisany na tej samej taśmie. Synteza białek w komórce zorganizowana jest w podobnie ekonomiczny sposób. Na jednej cząsteczce informacyjnego RNA umieszczony jest nie jeden, ale kilka rybosomów. W ten sposób powstają złożone taśmy produkcyjne, zwane polirybosomami (poliso­mami), widoczne dobrze pod mikroskopem elektronowym. Przypuszcza się, że poruszając się stopniowo po cząsteczce infor­macyjnego RNA rybosomy jeden po drugim kolejno odczytują

jego tekst. To parokrotnie zwiększa szybkość przekładu gene­tycznego w komórce. Wyrażono też przypuszczenie, że poli- rybosomy pełnią też funkcje regulacyjne w biosyntezie białek.

JAK ZOSTAŁ ODCZYTANY TAJNY ALFABET ŻYCIA

I tak cząsteczki przenośnikowego RNA służą jako tłumacz z ję­zyka kwasów nukleinowych na język białka. Fakt, że przyroda zdołała stworzyć powiązanie molekularne między tymi dwoma alfabetami, między tymi dwoma rodzajami cząsteczek, między którymi nie zachodzi żadne podobieństwo przestrzenne, jest jednym z największych cudów przyrody żywej i jednym z naj­bardziej podstawowych warunków powstania życia! Niemniej zadziwiająca jest jednak szybkość, z jaką uczeni rozwiązali tajemnicę tego powiązania, tajemnicę kodu genetycznego —- szyfr życia. Oczywiście szyfr życia nie jest pierwszym tajnym pismem, odczytanym przez człowieka. Przecież na tym właśnie polega codzienna praca operatywnych pracowników kontrwy­wiadu. Współzawodniczą z nimi w mistrzostwie liczni języko­znawcy, którzy poświęcili całe życie odczytaniu zapomnianego piśmiennictwa wymarłych narodów starożytności. Przypomnijmy sobie tylko hieroglify egipskie, asyryjsko-babilońskie pismo klinowe, pismo węzłowe dawnych Inków, zapomnianą litera­turę Majów i tak dalej.

Kiedy jasne się stało, ż& informacja dziedziczna zapisana jest poprzez kolejność nukleotydów w DNA i że w toku syntezy białka jest ona tłumaczona na język białka z języka kwasów nukleinowych, postawione zostało pytanie: W jaki dokładnie sposób to się odbywa? W jaki sposób pismo białka, składające się z 20 znaków (20 aminokwasów) jest zaszyfrowane w kwasach nukleinowych jedynie za pomocą kombinacji czterech znaków

— nukleotydów ? I rzeczywiście, zakodować piśmiennictwo posługujące się dwudziestoma znakami za pomocą tylko czterech znaków nie jest specjalnie trudno. Alfabet Morse’a posiada tylko cztery znaki: kropkę, kreskę, krótką i długą pauzę, a mimo to

można za jego pomocą bez ograniczeń przekazywać całą informację wiedzy ludzkiej. Ale na to, aby odczytać tekst zapi­sany na taśmie, musimy znać klucz, pokazujący, jakie połączenia tych czterech znaków odpowiadają poszczególnym literom naszego alfabetu.

Ale klucz do rozszyfrowania kodu genetycznego nie był znany. Uczeni nie widzieli też doświadczalnej drogi rozwiąza­nia tego zagadnienia. Nie pozostawało więc nic innego, jak rozumowanie. Niektórzy naukowcy, zwłaszcza fizycy-teoretycy oraz matematycy rozpatrywali prawdopodobne modele kodu genetycznego. Wyniki nie były zbyt zachęcające: możliwa była ogromna ilość wariantów, ale który z nich przyroda wybrała w procesie doboru naturalnego ?

Tylko jedno było pewne już na tym etapie rozważań teore­tycznych: kod genetyczny winien składać się z trypletów, czyli dany aminokwas musi być kodowany za pomocą połączenia trzech nukleotydów. Gdyby kod był pojedynczy, to znaczy gdyby jeden aminokwas był kodowany za pomocą jednego nukleotydu, to oczywiście cztery nukleotydy mogłyby zakodować tylko cztery aminokwasy. Nie wystarczyłoby też kombinacji podwójnych między nukleotydami, 4² = 16. A aminokwasów jest dwadzieścia. Jasne więc jest, że kodowanie musi następować przez kombinacje trzech nukleotydów. Ale 4⁸ wynosi 64. Teraz powstaje nadwyżka: 64 kombinacje dla 20 aminokwasów. Jak komórka rozwiązała zagadnienie tej nadwyżki? Czy istnieją bezsensowne połączenia nukleotydów, czy też kilka różnych kombinacji nukleotydów koduje jeden aminokwas (w termino­logii szyfrów nazywamy to kodem zdegenerowanym) — nad wszystkimi tymi problemami teoretycy załamali bezradnie ręce.

Rok 1960. Niespodziewanie i w znacznym stopniu dzięki przypadkowi do rąk biochemików dostał się prosty i przystępny klucz do rozwiązania kodu genetycznego na drodze eksperymen­talnej. Parę lat wcześniej biochemiczka francuska M. Grun- berg-Manago i uczony amerykański S. Ochoa odkryli enzym — polinukleotydofosforyiazę, za pomocą której w syste­mie bezkomórkowym, bez obecności matrycy DNA, poszcze- 230 gólne rybonukleotydy mogą się wiązać ze sobą, tworząc sztuczne

polinukleotydy, sztuczny RNA. Przez zmienianie nukleotydów umieszczanych na podłożu, można uzyskać różne sztuczne cząsteczki RNA o różnym i bardzo charakterystycznym zesta­wie nukleotydów: na przykład polinukleotyd złożony jedynie z kwasu urydylowego, tak zwany kwas poliurydylowy — poliU, lub jedynie z kwasu adenilowego — poliA, lub zawierający gdzieniegdzie wśród kwasu urydylowego poszczególne cząs­teczki innego nukleotydu (w zależności od stosunków pro­centowych między ilością dwu nukleotydów umieszczonych w mieszance inkubacyjnej) itd.

W roku 1961 M. Nirenberg i J. Matthaei stwierdzili, że takie sztuczne polinukleotydy mogą zastępować naturalny informacyjny RNA i służyć jako matryca do budowy łańcuchów peptydowych. A to oznacza, że jeżeli umieścimy na przykład poliU, to na rybosomach zostanie przeprowadzona synteza łańcucha polipeptydów, złożonego jedynie z jednego amino­kwasu, i to właśnie tego, który zakodowany jest przez połączenie UUU. Nie istnieje żadna inna możliwość! Wyniki potwierdziły te oczekiwania. Kiedy rybosomy zostały zaprogramowane za pomocą poliU, to system bezkomórkowy zawsze wytwarzał jeden i tylko jeden rodzaj polipeptydu, złożony tylko i jedynie z jednego aminokwasu. I ten aminokwas to fenyloalanina. Innymi słowy, kod nukleotydowy aminokwasu — fenyloalaniny stanowi tryplet UUU.

W ten sposób jeden ze znaków tajemniczego szyfru życia został odczytany. Więcej jeszcze...

Znaleziona została metoda eksperymentalna — klucz do od­czytania całego tajemnego alfabetu. Konieczne było jedynie zsyntetyzowanie polinukleotydów o określonym składzie i kolej­ności nukleotydów i prześledzenie przy programowaniu rybo­somów danym sztucznym polinukleotydem, jakie aminokwasy zostaną włączone do łańcucha polipeptydowego. Oczywiście cała sprawa nie jest w rzeczywistości taka prosta, jak to się opisuje w książkach popularyzatorskich. Trudności w syntetyzo­waniu polinukleotydów, niepewność —jaka jest w nich właściwie kolejność nukleotydów, nie zawsze pełna czystość eksperymentów przy programowaniu rybosomów, przy określaniu kolejności 231

aminokwasów polipeptydu uzyskanego w drodze syntezy itd. Dlatego też w pierwszych latach wyniki uzyskiwane przez różnych autorów były nader rozbieżne. Szczególnie trudno było ustalić kolejność nukleotydów danego trypletu. Bo przecież oczywiste jest, że jeżeli dany tryplet składa się z trzech róż­nych nukleotydów, na przykład C, U, G, to nukleotydy te mogą być ustawione w tryplecie w sześć różnych sposobów: UGC, UCG, CUG, CGU, GCU, GUC. Z tych powodów synteza enzymatyczna sztucznych polinukleotydów nie zapowiadała szybkiego rozszyfrowania całego kodu genetycznego.

Ale w roku 1964 znalezione zostało wyjście z tej sytuacji. Stwierdzono, że jeżeli do rybosomu przyczepiony jest nie długi łańcuch informacyjnego RNA, lecz nawet tylko trójnukleotyd, to taki kompleks rybosom-trójnukleotyd przyłącza odpowiedni RNA przenośnikowy. I tak na przykład jeżeli do rybosomów do­dać trójnukleotyd UUU, to stworzony kompleks wiąże w sposób specyficzny fenyloalaninowy RNA przenośnikowy; rybosomy plus trójnukleotyd CCC wiąże prolinowy RNA przenośnikowy; dodanie trójnukleotydu AAA gwarantuje związanie lizynowego RNA przenośnikowego itd. Dzięki tym odkryciom do rozszy­frowania kodu genetycznego z powodzeniem włączyła się chemia syntetyczna. W drodze syntetycznej uzyskano naj­rozmaitsze trój nukleotydy o znanej kolejności nukleotydów i dla każdego z nich sprawdzono, jaki przenośnikowy RNA związuje. W ten sposób na początku roku 1967 kod genetyczny został prawie całkowicie odczytany.

Kod ten na stronie 234 tej książki przedstawiony jest w postaci tablicy-szyfru, w którym naprzeciw każdego połączenia trzech nukleotydów (tak zwanego kodonu) podany jest odpowiedni aminokwas, ulegający zakodowaniu.

Przy studiowaniu tablicy ujawniamy szereg ogólnych właści­wości kodu. Wszystkie kodony stanowią tryplety. Prawie wszystkie aminokwasy są zakodowane za pomocą więcej niż jednego trypletu — to znaczy, że kod jest silnie zdegenerowany.

I tak na przykład aminokwasy leucyna i seryna zakodowane są przez sześć różnych trypletów, inne aminokwasy przez cztery lub dwa. Wyjątek stanowią jedynie dwa aminokwasy — metio-

nina i tryptofan, które zakodowane są jednym kodonem każdy. Zdegenerowanie kodu ma charakter niezwykle prawidłowy — spowodowane jest ono wzajemnym wymienianiem się trzeciego nukleotydu w kodonie. Wymienialność taka może być pełna lub częściowa.

Ta „tolerancyjność” kodu w stosunku do trzeciej litery oraz niektóre inne dane dały podstawę niektórym badaczom do przy­puszczenia, że pierwotnie, na jakimś dawnym stopniu ewolucji, kod był dwójkowy i w skład białek wchodziło jedynie 16 amino­kwasów. Później, wraz z przejściem do kodu trypletowego liczba aminokwasów mogła zostać zwiększona, skład białek skom­plikował się. Wyjaśnienie tych problemów stanowi interesującą dziedzinę biochemii ewolucyjnej.

Trzy z kodonów — UAA, UAG i UGA noszą nazwę „nie­dorzecznych”, ponieważ nie istnieje przenośnikowy RNA,

posiadający odpowiednie antykodony i wobec tego te połączenia nie określają ani jednego aminokwasu. Zostało dowiedzione, że kodony niedorzeczne pełnią ważną funkcję w kodzie gene­tycznym — stanowią one „kropki” w tekście informacji gene­tycznej, miejsca, gdzie przerywa się synteza łańcucha białko­wego. Dlatego noszą one jeszcze nazwę kodonów „stop”.

DLACZEGO JACOB I MONOD OTRZYMALI NAGRODĘ NOBLA

Bez względu na to, jak skomplikowany byłby mechanizm bio­syntezy białka, z którym zapoznaliśmy się przed chwilą, musimy przyznać, że z punktu widzenia przemiany materii w komórce wypadek przez nas rozpatrywany jest skrajnie elementarny. DNA wyprodukował na jakimś swoim odcinku jakiś informa­cyjny RNA, a ten zaprogramował rybosomy i w ten sposób powstało w drodze syntezy jakieś specyficzne białko. Ale przez chwilę zastanówmy się, co w rzeczywistości dzieje się w ko­mórce ? Prawie w każdej komórce w tym samym czasie na róż­nych rybosomach syntetyzowane są nie dziesiątki, lecz setki różnych białek w rozmaitych ilościach, a może nawet z różną szybkością. W każdej chwili komórka musi umieć powiększyć lub zmniejszyć, zacząć lub przerwać produkcję danego białka. I to nie tylko ze względu na swoje własne potrzeby, lecz przede wszystkim zgodnie z potrzebami całego organizmu. Kiedy rodzi się dziecko, komórki gruczołu mlecznego matki zaczynają nie według własnego rozeznania produkcję białka mlecznego (kaze­iny) i w ogóle mleka, lecz na wyraźny rozkaz organizmu, docie­rający do tych komórek w postaci substancji — hormonów, wyprodukowanych w zupełnie innym organie. Przy samym tylko przygotowaniu komórki do podziału w ciągu dwudziestu mniej więcej godzin włącza się i wyłącza z działania kolejno synteza dziesiątków rodzajów białka. A wszystko to odbywa się z precyzyjną chronologiczną kolejnością przewyższającą naj­bardziej precyzyjny mechanizm zegarowy.

Mechanizmy, poprzez które regulowana jest produkcja białek w komórce, zaczęto wyjaśniać dopiero w ostatnim dziesięcioleciu. Ale nawet pierwsze kroki w tej dziedzinie były tak udane, że jak najsłuszniej dały trojgu badaczy — F. Jacob, J. Monod i A. Lvoff — nagrodę Nobla w roku 1966.

Badając mechanizmy syntezy tak zwanych enzymów induko­wanych w bakteriach i genetyczną kontrolę nad tymi zjawiskami Jacob i Monod ujawnili szereg ważnych prawidłowości, po czym

na ich podstawie opracowali ogólną teorię regulacji biosyntezy białka. Jakie są podstawowe tezy tej teorii ?

Według tej teorii nie wszystkie odcinki DNA w jądrze są równowartościowe co do swego przeznaczenia. Pewna część DNA wytwarza informacyjny RNA dla syntezy określonych białek. Odcinki te noszą nazwę genów strukturalnych (cystro- nów). Wiemy już, że synteza jakiejś substancji zwykle odbywa się w kilku kolejnych reakcjach chemicznych, katalizowanych przez różne enzymy. Geny strukturalne, programujące syntezę takich kompleksowo działających enzymów rozmiesz­czone są jeden koło drugiego tak, że tworzą blok zwany operonem. Aktywność operonu kontrolowana jest przez koń­cowy odcinek, bloku, w którym umieszczony jest tak zwany gen- -operator. Możemy go porównać do dźwigni, która włącza i wyłącza cały szereg czynności produkcyjnych na taśmie. Przypuszczalne mechanizmy, regulujące działalność operonu, pokazane są na kolorowych wkładkach. Wyjaśniają one prawie równoczesne pojawianie się wszystkich enzymów niezbędnych dla danego procesu biochemicznego. Wyjaśniają także, dlaczego niektóre mutacje, dotyczące jedynie jednego odcinka DNA mogą hamować syntezę kilku enzymów.

Jak jednak odbywa się włączanie i wyłączanie dźwigni dla całej taśmy produkcyjnej, to znaczy w jaki sposób regulowana jest aktywność genu-operatora ?

Według schematu Jacoba i Monoda gen-operator, a przez to i ea|y operon, znajduje się pod kontrolą innego odcinka, DNA zwanego genem-regulatorem. W niektórych wypadkach gen-regulator jest umieszczony w bezpośrednim sąsiedztwie operonu, ale nie jest to konieczne — może się on bowiem znaj­dować także daleko od niego, nawet w innych chromosomach. Gen-regulator warunkuje syntezę specjalnego biał­ka — regulatora. Takie białka wiążą się w sposób odwracalny z genem-operatorem i w ten sposób włączają lub wyłączają z działania cały operon.

Doświadczenia wykazują, że możemy mieć dwa wypadki re­gulacji: przed indukcję lub przez represję.

Rozpatrzmy pierwszy przypadek. Gen-regulator produkuje

białko-represor, które blokuje gen-operator i dlatego operon nie działa. W danej chwili do komórki dostaje się (lub zostaje wytworzona w wyniku jej własnej działalności) substancja, która winna zostać rozłożona i to właśnie przez enzymy zabloko­wanego operonu. Następuje autoregulacja. Substancja, która przedostała się do komórki, nazwijmy ją induktorem, wiąże się z represorem. Odbywa się to prawdopodobnie poprzez znany nam już mechanizm efektu allosterycznego: przez związanie jakiejś bocznej grupy białka-represora niskocząsteczkowy in- duktor zmienia konformację jego cząsteczki. Zdeformowany represor nie może już blokować operatora (znowu z powodu naruszonego podobieństwa przestrzennego), represja ustaje, operon zaczyna działać, wytwarzanie odpowiednich enzymów rozpoczyna się.

W innych wypadkach gen-regulator wytwarza represor w postaci nieaktywnej, operator jest wolny, operon działa, komórka wytwarza odpowiednie enzymy, reakcje biochemiczne toczą się, gromadzi się jakiś produkt końcowy. Kiedy produkt ten osiągnie pewną koncentrację przekraczającą określony próg, wiąże się z nieaktywnym represorem, tworzy się aktywny kom­pleks blokujący następnie operator i wyłączający cały operon z działania. Synteza enzymów zostaje przerwana, zatrzymuje się też wytwarzanie odpowiedniego produktu.

W obu wypadkach mamy do czynienia z pełną automatyzacją produkcji białek poprzez systemy cybernetyczne, działające na zasadzie sprzężeń zwrotnych.

Teoria Jacoba i Monoda zbudowana na podstawie szeregu zjawisk biochemicznych i genetycznych u mikroorganizmów pozostawała przez kilka lat jedynie spekulatywną, chociaż w pełni logiczną, konstrukcją myślową. Potem nadeszły też bezpośrednie dowody eksperymentalne. W roku 1966 W. Gil­bert i B. Müller-Hill zdołali wyodrębnić w postaci czystej białko-represor operonu laktozy w E.coli i dać jego szczegółową charakterystykę. Nieco później, w roku 1968 J. Beckwitt przez pomysłowe połączenie metod wirusologii, genetyki i bio­chemii zdołał „wydostać” z genomu E.coli i wyodrębnić w po­staci czystej tę część DNA, która stanowi właściwy operon lak-

tozy. Pierwszy gen, wyodrębniony w postaci czystej! Operony i bialka-regulatory były już w rękach genetyków molekularnych jako określone substancje chemiczne! Doświadczenia potwier­dziły zachodzące pomiędzy nimi stosunki tak, jak je przedsta­wiła teoria Jacoba i Monoda. I tak dowiedzione zostało, że białko-regulator ma o wiele silniejszą skłonność do związywania się z operonem laktozy, niż z pozostałą częścią DNA bakterii jelitowej. Wiąże się on mocno także z niskocząsteczkowymi substancjami-efektorami. Co więcej, jeżeli poprzednio białko- -regulator zmiesza się z efektorem, to jego powinowactwo do DNA operonu poważnie maleje; zostało więc w sposób doświad­czalny odtworzone allosteryczne przechodzenie represora w nie­aktywną formę pod wpływem induktora!

I tak wszystkie podstawowe tezy teorii Jacoba i Monoda, poprzednio nakreślone jedynie w postaci schematów, zostały w pełni potwierdzone w znakomitych i przekonujących ekspe­rymentach.

JAK KOMÓRKA WYBIERA SOBIE ZAWÓD

Zaraz postawione zostało pytanie: mechanizmy regulacyjne Jacoba i Monoda — czy to nie jest czasem sposób, w jaki re­gulowana jest aktywność genów także przy komórkach euka­riotycznych, czy nie jest to mechanizm różnicowania komórek ? Wielu badaczy popiera ten pogląd sformułowany w aforyzmie Monoda: „To, co ważne jest dla bakterii jelitowej, ważne jest i dla słonia”. Niestety aforyzm, chociaż słuszny, nie daje właści­wej odpowiedzi na pytanie. Bo jeżeli rozpatrzymy sprawy z prze­ciwnej strony, żeby tak powiedzieć „z punktu widzenia słonia”, to musimy zaraz dodać w duchu tego samego aforyzmu: „Dla słonia ważne są i takie rzeczy, których brak jest bakterii jeli­towej”. Inaczej mówiąc teoria Jacoba i Monoda może być odniesiona i do komórek eukariotycznych, ale nie wyczerpuje ona wszystkich mechanizmów, poprzez które regulowana jest aktywność ich genów, a przede wszystkim mechanizmy ustalone przez Jacoba i Monoda nie mogą wyjaśnić zjawisk różnicowania się komórek.

A jest tak dlatego, że chociaż zarówno indukcja i represja u bakterii, jak i różnicowanie komórek u organizmów wyższych są wynikiem przemian w aktywności ich genów, zmian w typie wytwarzanych białek (to znaczy zmian w komórkowym pro­gramie syntezy białek, reprogramowaniu syntezy białek), to między tymi dwoma zjawiskami istnieją zasadnicze różnice jakościowe. Indukcja i represja u bakterii to procesy szybkie

i odwracalne, nie zmieniające ani formy ani podstawowych funkcji komórki bakteryjnej (bakteria nadal pozostaje bakterią!). Różnicowanie komórek zaś przeciwnie, jest procesem powolnym, wieloetapowym i w normalnych warunkach nieodwracalnym, prowadzącym do pojawienia się komórek różnych jakościowo

i pod względem budowy i formy oraz funkcji. Inaczej mówiąc, podczas gdy przy indukcji i represji zmienia się jedynie stan funkcjonalny komórki, to przy różnicowaniu zmienia się sam typ komórki. Mówiąc obrazowo, bakterie są na niskim poziomie kwalifikacji zawodowych, na poziomie „pracownika do wszyst­kiego” i represja oraz derepresja nie pomagają w podwyższeniu kwalifikacji, specjalizacji komórki bakteryjnej. Zróżnicowane komórki eukariotyczne są wysoko wyspecjalizowane w różnych zawodach i w normalnych warunkach zawodu już zmienić nie mogą. Komórka mięśniowa nie tylko nie wytwarza, ale w ogóle nie może wytworzyć hemoglobiny, ani komórka ner­wowa — aktiomizyny, zaś erytrocyt nawet wtedy, kiedy nie utracił jeszcze jądra, nie może się przeorganizować tak aby zamiast przenosić tlen, przekazywał bodźce nerwowe. Mimo że wszystkie te różne typy komórek zawierają w jądrze infor- mację genetyczną o wszystkich rodzajach działania! I chociaż zawierają pełny komplet genów zapłodnionej komórki płciowej!

Oto dlaczego ostatnio coraz więcej zwolenników reprezentuje pogląd, że u podstawy różnicowania komórek leżą bardziej skomplikowane mechanizmy regulacyjne, takie, jakich komórka bakteryjna w ogóle nie posiada. Najprawdopodobniej mecha­nizmy te są powiązane i uwarunkowane przez skomplikowaną strukturę aparatu genetycznego komórek eukariotycznych - jądro, chromatyna, chromosomy, w których DNA znajduje się w kompleksie i wzajemnym oddziaływaniu z obszernym

zestawem białek, których znaczna część jest jeszcze zupełnie niezbadana. Część tych białek nazwanych histonami ma cha­rakter zasadowy. Już w roku 1942 wyrażone zostało przypusz­czenie, że to właśnie histony są regulatorami aktywności genowej w komórkach eukariotycznych. Przed około dziesięciu laty wydawało się prawdopodobne, że hipoteza ta okaże się praw­dziwa. Stwierdzono, że histony silnie hamują aktywność ma­trycową DNA. Jeżeli DNA zostanie wyodrębniony z komórki wraz z histonami, w postaci nukleoproteidu, to nie może on służyć jako matryca w syntezie RN A. Jeżeli histony zostaną usunięte, matrycowa aktywność DNA szybko wzrasta. Jeżeli znowu dodać histony, synteza RNA zostaje zahamowana.

Hipoteza ta jednak okazała się błędna. Stwierdzono, że te same typy histonów mogą współżyć z DNA w jądrach zarówno komórek zwierzęcych jak i roślinnych. Kolejność aminokwasowa histonów wyodrębnionych z korzonków grochu i z grasicy cie­lęcia jest taka sama! Taka jednolitość postaci histonów sprzeczna jest całkowicie z przypuszczaną funkcją białek-regulatorów, które winny by być specyficzne nie tylko dla gatunków, ale

i dla poszczególnych organów i tkanek. Dlatego też kandyda­tura histonów jako specyficznych regulatorów aktywności genowej została odrzucona. O uwolnione miejsce współza­wodniczyć zaczęły dwie grupy związków wysokocząsteczkowych jądra komórkowego! na pierwszym miejscu tak zwane białka kwaśne i reszta chromatyny, a ponadto niektóre rodzaje RNA zawartego w jądrze.

Na str. 242 podane są trzy przypuszczalne modele me­chanizmów, dzięki którym takie substancje mogłyby regu­lować aktywność genów.

Szczególnie ciekawy jest model uczonych bułgarskich — R. Canewa i B. Sendowa. W modelu tym histony spełniają funkcję niespecyficznych blokatorów genów. Równocześnie przypuszcza się, że są one uporządkowane w ściśle specyficzny sposób wzdłuż łańcucha DNA, tworząc swoisty kod epigene- tyczny, który stwarza możliwość, aby specyficzne regulatory — kwaśne białka, mogły rozpoznać określone miejsca DNA. W iążąc się z tymi odcinkami kwaśne białka neutralizują blokujące

działanie histonów, odpowiedni gen przechodzi w stan aktywny. Według takich wyobrażeń w komórkach eukariotycznych dzia­łają równocześnie dwa mechanizmy regulujące. Pierwszy to mechanizm represji i derepresji zgodny z teorią Jacoba i Mo- noda, odpowiadający za szybkie i odwracalne zmiany w pro­gramie syntezy białka w komórkach eukariotycznych, za zmiany w ich stanie funkcjonalnym, ale bez zmiany typu komórki. Takie przemiany istnieją — na przykład ta sama komórka wą­troby w różnych okresach swego życia może syntetyzować różne enzymy, lub też, jak to jest podczas regeneracji wątroby, stopniowo reprodukować wszystkie białka niezbędne do po­działu komórek. Ale we wszystkich tych wypadkach komórka ta nadal jest komórką wątrobową, nie zmienia ona swojego „zawodu”. Tak samo jak malarz pozostaje nadal malarzem bez względu na to, czy maluje portrety, krajobrazy, plakaty czy ilustracje do książek popularnonaukowych.

Wybór „zawodu”, różnicowanie komórek eukariotycznych, uwarunkowane jest innymi mechanizmami — trwałym i nie­odwracalnym zablokowaniem i odblokowaniem, wynikiem współ­działania między DNA, histonami i specyficznymi białkami- -regulatorami, najprawdopodobniej białkami kwaśnymi. Jest to proces jakościowo nowy, wynik dalszego rozwoju filogene­tycznego komórki i skomplikowania się składu i budowy jej aparatu genetycznego.

Istnieją wszelkie podstawy do oczekiwania, że jeżeli minione dwudziestolecie było dwudziestoleciem genetyki bakteryjnej i fagowej i odkrywania molekularnych mechanizmów syntezy białka, to nadchodzące dwudziestolecie będzie należało do ge­netyki komórek eukariotycznych, do odkrywania molekularnych mechanizmów regulacji aktywności genowej, będzie dwudziesto­leciem wyjaśniania mechanizmów molekularnych różnicowania komórek.

I

1

/

I

I

KOMÓRKA „PRZECHYTRZA” CZAS I PRZESTRZEŃ

Komórka nie jest nieśmiertelna. Od chwili jej pojawienia nie­ubłagany czas odmierza jej życie — godziny, dni, niekiedy nawet lata. Ale tylko w niektórych komórkach ich droga życia kończy się śmiercią. Natura stworzyła przedziwny mechanizm podziału komórkowego, przez który życie oszukuje czas. Po podziale komórka macierzysta przestaje istnieć, ale nie ginie. Powstają z niej dwie komórki pochodne, zbudowane z jej ciała, dzie­dziczące jej właściwości, jej aparat genetyczny. Ale są to młode, odnowione, pełne sił życiowych komórki. A przy tym są dwie.

Zysk jest podwójny. Przez podział komórki nie tylko odmładzają się, ale też wzrasta ich ilość. Zycie zdobywa nową „przestrzeń życiową”. I tak przez swój podział komórki przechytrzają nie tylko czas, ale i przestrzeń.

Podział komórek często porównywany jest do sztafety spor­towej. Na torze biegacze przekazują sobie sztafetę-pałeczkę. Przez podział komórki przekazują swoim potomkom coś o wiele ważniejszego -— ścisłą kopię swoich struktur dziedzicznych, pełny komplet swojej informacji dziedzicznej, całe swe doświad­czenie życiowe — i swoje i swoich poprzedniczek. Tak reali­zowana jest ciągłość" życia w czasie.

Na torze biegacz przekazuje sztafetę swemu partnerowi i sam wychodzi z gry. Po podziale komórka macierzysta tworzy nie jednego, lecz dwu „biegaczy” i to odmłodzonych. I tak dzięki podziałowi komórki od chwili powstania pierwszej komórki póki życie istnieje, liczba biegaczy na torze życia nieustannie wzrastała i nadal będzie wzrastać. Powiększa się zarówno masa żywych organizmów (wzrost), jak i ich ilość (rozmnażanie).

Komórka nie jest nieśmiertelna. Ale przez jej podział zapew­niona jest nieśmiertelność samego życia i jeszcze coś nie mniej ważnego — jego rozwój, ewolucja organizmów żywych. Przeka­zując potomkom swoją informację dziedziczną dzieląca się komórka przekazuje im też wszelkie zmiany dziedziczne, które nastąpiły na jej drodze życiowej. Przemiany te stają się przed­miotem doboru naturalnego i podstawą zmienności i rozwoju 245

żywych organizmów. Sztafeta sportowa przekazywana jest na zamkniętym kręgu toru. Jej uczestnik robi to, co robił jego poprzednik. Przez podział komórek sztafeta życia toczy się jednak nie w zamkniętym kręgu, lecz po wznoszącej się, rozwi­jającej się spirali ewolucji.

UWAGA — KOMÓRKA SIĘ DZIELI

Podstawowy sposób podziału komórek to podział złożony, czyli kariokinetyczny (mitoza). Jest on właściwy jedynie komórkom eukariotycznym, posiadającym jądro. Biologiczny sens po­działu złożonego polega na zapewnieniu ścisłego podziału ma­teriału genetycznego komórki macierzystej między dwie komórki pochodne.

Poza podziałem przez mitozę niektóre komórki organizmów wielokomórkowych znają też podział prosty (amitoza), przy którym zaobserwować można brak tworzenia i podłużnego podziału chromosomów. Mimo że ćb do biologicznego sensu amitozy wciąż jeszcze poglądy są podzielone, przeważa jednak opinia, że jest to prymitywny sposób podziału i że w więk­szości wypadków jest on spowodowany uszkodzeniem, degene­racją komórek.

W komórkach prokariotycznych nie obserwujemy podziału złożonego. Badania jednak w ostatnich kilku latach wykazały, że także przy podziale bakterii ich materiał genetyczny, tak zwany chromosom bakteryjny, stanowiący w rzeczywistości jedną cząsteczkę DNA zamkniętą w kształt pierścienia, także dzieli się wzdłuż na dwie jednakowe połowy. Tak więc i przy podziale bakterii zachowane jest podstawowe wymaganie z punktu wi­dzenia genetyki: równy podział materiału genetycznego po­między dwie komórki pochodne.

Na preparatach barwionych obserwowano poszczególne fazy mitozy już w końcu ubiegłego wieku. Od roku 1942, czyli od zbudowania mikroskopu fazowo-kontrastowego możemy też obserwować mitozę bezpośrednio na żywych komorkach po­zostających poza organizmem. Podobnie jak w wypadku pino-

cytozy może tu zostać zastosowana metoda zdjęć zwolnionych (mikrofotografia).

Kiedy obserwujemy podział żywej komórki, i dziś zdumiewa nas jeszcze i zachwyca ścisłość i złożoność tego mechanizmu. Pod mikroskopem znajdują się komórki z hodowli tkanki. Widzialnym wyrazem życia, które wre w nich, są ich ruchy. Porusza się nieustannie powierzchnia komórki. Przemieszcza się cała komórka. Części płynu komórkowego, zawierające roz­maite ziarenka nieustannie przelewają się z miejsca na miejsce.

Ale cóż to się dzieje ? Oto jedna z komórek „uspokaja” się. Ruchliwa falistość, wypukłości na jej powierzchni znikają, ko­mórka się zaokrągla. Uwaga! Są to objawy nadchodzącego podziału. I rzeczywiście struktura jądra staje się bardziej wyrazi­sta, formują się nici. Z początku cienkie, długie, ledwie dostrze­galne, stopniowo skracają się. Zarysowują się dobrze nam znane chromosomy. Równocześnie w dwu przeciwległych krańcach komórki pojawiają się dwie jaśniejsze strefy (bieguny), z których promieniście rozchodzą się jasne i ciemne smużki — nici. Więk­szość z nich przechodzi przez środek komórki (równik) i wiąże ze sobą oba bieguny. To są nitki wrzeciona mitotycznego. Ko­mórka coraz bardziej zatraca znane nam oblicze. Zanikają ją- derka, jak gdyby roztapiając się, rozpada się też błona komórko­wa. Nie ma już cytoplazmy, nie ma jądra. Jest jedna pomieszana plazma (miksoplazma), w której zarysowują się chromosomy i struktury aparatu podziału.

Ale co się dzieje z chromosomami ? Popychane przez niewi­dzialne siły układają się w środku komórki w powierzchni „równikowej”, pionowo w stosunku do nici wrzeciona. Chro­mosomy są już maksymalnie skrócone, zgrubiałe. Widać wy­raźnie, że każdy z nich składa się z dwu jednakowych podłużnych połówek powiązanych ze sobą w jednym tylko punkcie. Te dwie połówki noszą nazwę chromatyd i są przyszłymi chromosoma­mi pochodnymi. Punkt, który je łączy, to centromer lub kine- .tochor — jedyne miejsce, którym chromosomy mogą przylgnąć do nici wrzeciona mitotycznego.

Nagle jakby na dany sygnał rozdzielają się też kinetochory. Dwie połówki każdego chromosomu uwolnione do siebie na­

wzajem, kierują się grupami do dwu przeciwstawnych biegunów. A w tym czasie w rejonie równikowym zaczyna się nowe zja­wisko. Tu komorka- zaczyna się kurczyć, przewężać, a równo­cześnie wydłuża się w kierunku biegunów, które jak gdyby nady­mają się i oddalają od siebie. Tak kształtują się ciała dwu ko­mórek pochodnych. Wreszcie przerywa się i ostatni mostek cytoplazmy między nimi w rejonie równika. Macierzysta ko­mórka znika. Pojawiają się dwie komórki pochodne. Stopniowo nabierają znanego nam wyglądu komórki w interfazie. Chromo­somy pęcznieją i splątują się ze sobą w łączne jądro, pojawia się też jąderko i błona jądrowa, promieniste struktury wrze­ciona znikają, pojawia się znowu ziarnistość charakterystyczna dla cytoplazmy. Dwie nowe komórki zaczynają własną drogę życia.

KOMÓRKA UJAWNIA SWOJĄ „AUTOBIOGRAFIĘ”

Już pod koniec ubiegłego wieku cytolodzy podzielili drogę życia komórki na dwa wielkie okresy: interfazę — okres „spo­kojnej” komórki i mitozę — okres komórki dzielącej się. Nie­którzy badacze od dawna podejrzewali, że tak skomplikowany proces, jak mitoza, nie może zaczynać się nagle, że przygotowanie do podziału zaczyna się na długo wcześniej. Ale przez same tylko obserwacje mikroskopowe, nawet przy powiększeniach, jakie daje mikroskop elektronowy, nie można stwierdzić, kiedy to przygotowanie się zaczyna i na czym polega.

Dopiero w ciągu ostatnich kilkunastu lat przy zastosowaniu szeregu nowych metod badania, komórka została zmuszona do ujawnienia tajemnicy swej „autobiografii”. Potwierdzona zo­stała w sposób bezsporny hipoteza, że sam podział komórki, mitoza, to jedynie ostatni etap długiego łańcucha procesów zaczynających się o wiele wcześniej — jeszcze w okresie inter­fazy. Łącznie procesy te przebiegające w ścisłym następstwie chronologicznym stanowią tak zwany cykl mitotyczny.

Cykl mitotyczny zaczyna się przygotowaniem komórki do podziału, a kończy się zamknięciem samej mitozy. Może on być

podzielony na dwie wielkie części: okres przygotowania bioche­micznego komórki do podziału obejmujący interfazę, oraz okres samego podziału komórki — mitozę. Mitoza trwa nie więcej niż

1,5 do dwóch godzin. Ale przygotowanie do podziału zajmuje nie mniej niż dwadzieścia do trzydziestu godzin. Komórki, w których odbywa się takie przygotowanie, pozornie niczym się nie różnią od pozostałych komórek interfazowych, wyko- nujących wyspecjalizowane funkcje. Ale właśnie w okresie przygotowania rozgrywają się w komórce ważne wydarzenia cyklu mitotycznego. Najważniejszym z nich jest reprodukcja materiału genetycznego komórki — synteza DNA i histonów. Poza tym powiększa się masa komórki (synteza RNA i białek), wytwarzane są białka, które następnie składają się na strukturę aparatu podziału. I wreszcie w toku interfazy komórka gromadzi zapasy energii, niezbędnej jej później do wszystkich przekształ­ceń strukturalnych i ruchów w czasie samej mitozy.

Komórka musi wykazywać taką „zapobiegliwość” i z góry przygotować się do podziału, ponieważ w czasie mitozy procesy syntezy w komórce prawie całkowicie ustają. Wtedy jest ona

całkowicie zajęta strukturalnymi praaksatałceniamt i ruchami, a jej główne oddziały produkcyjne (rybosomy, jądro, mitochon- dria) H tymczasem wyłączone t działania, t*i jądro i jądcrko nawet na jakiś czas przestają w ogóle istnieć jako odrębne orga- mHc.

C ykl podziału jest zorganizowany w sposób najprostszy u ko­mórek prokariotycznych — bakterii i sinic. U nich przygoto­wanie do nowego podziału zaczyna się. natychmiast po zakoń­czeniu podziału poprzedniego. Jedyną pracą, jaką komórki te mogą wykonywać, jest rozmnażanie. Ich „biografia” lub też według terminologii naukowej — cykl życiowy — pokrywa się całkowicie z cyklem podziału i w nim się wyczerpuje. Ciało bakterii jest małe i zbudowane w sposób prosty. Dlatego przy­gotowanie do podziału trwa krótko. Przy sprzyjających warun­kach bakterie mogą się dzielić co dwadzieścia minut. Znaczy to, że w ciągu doby jedna bakteria mogłaby teoretycznie dać 72 po­kolenia. Liczba jej potomków wyrażałaby się cyfrą o dwudziestu zerach.

WIECZNY DYLEMAT —

PODZIAŁ CZY RÓŻNICOWANIE

Niektóre komórki eukariotyczne także wstępują w cykl mito- tyczny natychmiast po zakończeniu poprzedniego podziału. Wtedy, podobnie jak u bakterii, cykl podziału pokrywa się z życiowym cyklem komórki. Taki wypadek zachodzi z ko­mórkami hodowanymi na sztucznych podłożach poza orga­nizmami, z komórkami embrionalnymi, z komórkami zarodko­wymi tkanek, odbywających nieustanną regenerację fizjolo­giczną (np. szpik kostny, jelito cienkie, skóra itp.), a także a komórkami rakowymi. Co trzy sekundy w ciele małych dzieci- ••tiaesków powstaje przez podział po parę dziesiątek do paruset tysięcy komórek I

Bodajże mało kto z Czytelników dokładnie zdaje sobie sptawę i olbrzymiego zakresu regeneracji fizjologicznej także w orga- anmach dojrzałych. Weźmy na przykład czerwone ciałka

krwi — erytrocyty. Csłowiek dorosły nu około 6 litrów krwi. Zawarte w niej czerwone ciałka wyrażają się liczbą 30 000 000 000 000 (30 trylionów). Jeden erytrocyt żyje około 120 dni. Znaczy to, że codziennie upik kostny człowieka pro­dukuje 250 miliardów nowych czerwonych ciałek, czyli około

2,5 miliona na sekundę! 2,5 miliona podziałów komórkowych na sekundę — oto wynik wymiany jednego tylko rodzaju ko­mórek. Jeszcze bardziej intensywnie dzielą się komórki nabłonka jelitowego wymieniające się całkowicie w przeciągu kilku dni.

Tym jednak, co najbardziej zadziwia, nie jest ilość podziałów komórek zachodzących w ludzkim organizmie, lecz absolutna harmonia istniejąca między wytwarzaniem i niszczeniem ko­mórek tego organizmu! Potrzeba nieprawdopodobnie dokład­nych mechanizmów regulacyjnych, aby podtrzymać pełną har­monię między zapotrzebowaniem organizmu na nowe komórki i ilością podziałów komórkowych. Każde uszkodzenie tych mechanizmów powoduje ciężkie schorzenia. Jeżeli na przykład organizm zmniejszy wytwarzanie nowych komórek krwi, po­jawia się ciężka anemia, czyli brak białych ciałek krwi. Stan taki występuje przy chorobie popromiennej. Niemniej zgubny jest też wypadek, kiedy wytwarzanie komórek przestaje być kon­trolowane przez organizm i przekracza jego potrzeby. Taka niezgodność prowadzi do powstawania nowotworów złośliwych.

Większość komórek wielokomórkowego dorosłego organizmu zaczyna życie nie przygotowaniami do nowego podziału, lecz różnicowaniem się i specjalizacją. W takich wypadkach cykl życiowy komórki nie pokrywa się z cyklem mi to tycznym. W niektórych komórkach specjalizacja posuwa się tak dalece, że tracą one w ogóle zdolność podziału (np. komórki nerwowe, erytrocyty, zróżnicowane komórki tkanki nabłonkowej itp.). Inne komórki, mimo że działanie ich jest wysoko wyspecjali­zowane i w normalnych warunkach nie są zdolne one do po­działu, mogą pod wpływem zmienionych warunków t łatwością przestawić się na realizację nowego programu i znowu zacząć się dzielić. 1 tak na przykład komórki wątroby dorosłego ssaka z reguły nie ulegają podziałom. Wypełniają one skomplikowane 2M2 i odpowiedzialne zadania laboratorium chemicznego rozdzie-

łającego, przerabiającego i unieszkodliwiającego najrozmaitsze substancje, które przenikają tu z systemu trawiennego lub z innych tkanek i narządów. Ale jeżeli część wątroby zostanie usunięta, to w pozostałej części tego narządu komórki wkraczają w cykl mitotyczny, następuje parodniowy okres gwałtownych podziałów i wątroba odtwarza pierwotną swą wagę. W takich tkankach więc droga życiowa komórek wije się między różnicowaniem i podziałami w zależności od potrzeb całego organizmu.

WZROST I PODZIAŁ

Najważniejszym wydarzeniem w cyklu mitotycznym jest po­dwajanie materiału genetycznego — reprodukcja DNA, re­plikacja wszystkich chromosomów. Dzięki izotopom radio­aktywnym poprzez zastosowanie techniki autoradiograficznęj możemy dziś nawet zobaczyć dokładnie, jak odbywa się ten proces. Stwierdzono, że DNA syntetyzowany jest jedynie w ściśle określonym okresie cyklu mitotycznego, zwanym okre­sem S, czyli syntetycznym. U komórek roślinnych i zwierzę­cych okres ten trwa 6—8 godzin, obejmuje mniej więcej środek cyklu mitotycznego i kończy się na parę godzin przed tym, zanim zacznie się sam podział. Jednocześnie z syntezą DNA wytwa­rzane są też zasadowe (a prawdopodobnie i inne) białka jądra — histony. Innymi słowy komórka reprodukuje równocześnie chro­mosom jako całościową strukturę genetyczną. Proces ten prze­biega ze zdumiewającą dokładnością i wewnętrzną koordynacją. Każdy chromosom, każda część chromosomu reprodukowana jest zawsze w ściśle określonym momencie okresu S. Dopóki nie zostaną odtworzone wszystkie chromosomy, komórka nie może wejść w stadium mitozy. Taka dokładność jest konieczna po to, aby do minimum zmniejszyło się niebezpieczeństwo błędów przy odtwarzaniu i podziale materiału genetycznego między komórki pochodne. Bo przecież każdy błąd oznacza mutację, zmianę we właściwościach dziedzicznych. Poza tym, jeżeli błędy takie dotyczą całych chromosomów, są one o wiele bardziej niebezpieczne, niż wtedy kiedy odnoszą się do jednego

tylko nukleotydu w jakiejś cząsteczce DNA. W takich bowiem wypadkach mutacje obejmują nie jeden gen, lecz większe grupy genów. Dlatego też mutacje chromosomowe związane są zwykle ze śmiercią lub ciężkimi rozstrojami w przemianie materii. Jeżeli zaś zmiany takie porażą komórki płciowe, to wynikiem jest zguba lub też zwyrodnienia przyszłego 0rgani7.m11

Tak więc chromosomy w rzeczywistości są reprodukowane już w okresie syntezy w interfazie, zaś podczas mitozy jedynie się rozdzielają i rozmieszczają w dwu pochodnych komórkach. Nie zawsze jednak reprodukcja materiału genetycznego w in­terfazie kończy się pełnym podziałem komórki. W szeregu wypadków jako normalne zjawisko fizjologiczne, bądź też pod wpływem różnych oddziaływań z zewnątrz zdarza się, że komórka może tkwić gdzieś na trasie cyklu mitotycznego i nie dotrzeć do końcowego momentu utworzenia dwu komórek pochodnych. Takie wypadki niedokończenia cyklu mitotycznego to też postać wzrostu komórki, ale bez podziału i powiększenia liczby komórek. Z funkcjonalnego punktu widzenia równają się jednak te wypadki podziałowi. A to dlatego, że jeżeli materiał genetyczny został podwojony, to może on kierować dwukrot­nie większą produkcją, dwa razy większą „powierzchnią fa­bryczną”. Dlatego po podwojeniu DNA (resp. chromosomów) z reguły następuje też podwojenie samej masy komórki i odpo­wiednie powiększenie jej możliwości funkcjonalnych niezależ­nie od tego, czy masa ta zostanie podzielona na dwie komórki pochodne, czy też nie.

Jeżeli DNA zostanie podwojony wielokrotnie, ale nie nastąpi odpowiednia do tego replikacja chromosomów, to powstają znane już chromosomy olbrzymie. Ta forma zwiększenia ma­teriału genetycznego i wzrostu komórki nosi nazwę politenii.

W innych wypadkach przebieg cyklu mitotycznego w ko­mórkach może zostać zatrzymany później — w metafazie. Naj­łatwiej wywołać to w sposób eksperymentalny, poddając ko­mórki obróbce za pomocą trującej kolchicyny. Niszczy ona nitki wrzeciona mitotycznego. Dlateg® chromosomy rozdzie­lają się, ale nie mogą przemieścić się ku biegunom. Pozostają w jednym jądrze i komórka nie ulega podziałowi. W ten sposób

i narządach komórki • W nowotworach ploi potworne wielojądrowe Rzeczą wspólną diai czonego cyklu mitotycz jenia wydolności genet —ich masy i ichfunk zupełne podziały kon wzrostu organów w orj

KOMÓRKA PRZYGC

pojawiają się powiększone komórki, z powiększoną liczbą chro­mosomów. Noszą one nazwę poliploidalnych a samo zjawisko to poliploidia.

Jeżeli poliploidia dotknie komórki płciowe, powstają orga­nizmy poliploidalne. Poliploidia przynosi organizmowi i ko­mórce szereg korzyści, a przede wszystkim większą wytrzy­małość genetyczną w nie sprzyjających warunkach. Tym się tłumaczy odporność wielu roślin w rejonach pustynnych i po­larnych. Wiele organizmów zamieszkujących te rejony to poli- ploidy. W wielu wypadkach podwyższona liczba chromosomów i większa masa komórkowa związane są z większymi rozmiarami całego organizmu. Przeważająca część naszych roślin uprawnych i kwiatów dekoracyjnych to właśnie poliploidy. Dlatego też doświadczalnie wywołana poliploidia stosowana jest dziś szeroko dla uzyskiwania nowych gatunków roślin.

Mitoza może się zatrzymać też po przesunięciu się obu po­chodnych kompletów chromosomów ku przeciwległym biegu­nom. Jeżeli w tym stadium nie nastąpi podział także i ciała komórkowego (cytokineza), to powstaje powiększona komórka

o dwu (a czasem i większej liczbie) jądrach. W wielu tkankach

Ale wróćmy do wydarz komórce, tych mianov Zapoznaliśmy się już i z mechanizmem ją DNA replikuje się j< zachodzi podział. Kiedy rezerw enzymów i mai A to powoduje koniec morkę takich materiałó kacji DNA. Jest to skon łem wielu enzymów, i enzymy redukujące ryt iylujące nukleotydy na skomplikowany sposób a wreszcie enzym polimj oący pochodny łańcuc| enzymów brak w komo Kolejne pojawianie się najwcześniejszym znanyi zmierza do podziału. Na.* mitotycznego, które pop nazywa się okresem pres morkach stadium to trw. całe stadium G_x odbywa a

i narządach komórki dwujądrowe są zjawiskiem normalnym. W nowotworach złośliwych często występują zwyrodniałe, potworne wielojądrowe gigantyczne komórki.

Rzeczą wspólną dla wszystkich tych wypadków niezakoń- czonego cyklu mitotycznego jest to, że prowadzą one do podwo­jenia wydolności genetycznej komórek, a odpowiednio do tego

— ich masy i ich funkcjonalnych możliwości. Dlatego takie nie­zupełne podziały komórkowe są ekonomicznym sposobem wzrostu organów w organizmach wielokomórkowych.

KOMÓRKA PRZYGOTOWUJE SIĘ DO PODZIAŁU

Ale wróćmy do wydarzeń zachodzących w ulegającej podziałowi komórce, tych mianowicie, które wiążą się z syntezą DNA. Zapoznaliśmy się już ze strukturą molekularną tego kwasu i z mechanizmem jego replikacji. Trzeba przypomnieć, że DNA replikuje się jedynie w tych komórkach, w których zachodzi podział. Kiedy komórki się nie dzielą, nie przechowują rezerw enzymów i materiału budulcowego do syntezy DNA. A to powoduje konieczność wyprodukowania przez samą ko­mórkę takich materiałów przedtem, zanim przystąpi do repli­kacji DNA. Jest to skomplikowany wieloetapowy proces z udzia­łem wielu enzymów. Rolę kluczową odgrywają między nimi enzymy redukujące rybozę na dezoksyrybozę, enzymy fosfo- rylujące nukleotydy na trójfosforany, enzymy, które w bardzo skomplikowany sposób prowadzą do utworzenia tymidyny, a wreszcie enzym polimeraza DNA, wiążący nukleotydy w ros­nący pochodny łańcuch polinukleotydów. Wszystkich tych enzymów brak w komórkach nie ulegających podziałom.

Kolejne pojawianie się w komórce tych właśnie enzymów jest najwcześniejszym znanym nam dziś objawem, że dana komórka zmierza do podziału. Następuje to zwykle w tym stadium cyklu mitotycznego, które poprzedza stadium syntetyczne i dlatego nazywa się okresem presyntetycznym lub Gj. W rożnych ko­mórkach stadium to trwa od paru godzin do paru dni. Przez całe stadium G_x odbywa się intensywna synteza RN A z jednej

strony dla nowych typów białek, a z drugiej — dla produkcji nowych rybosomów, dla powiększeni a rozmiarów ciała komórki.

W okresie syntetycznym, kiedy replikuje się DNA, przeciwnie, prawie nie występuje synteza RNA. Można to łatwo wytłuma­czyć. Wiemy już, że kiedy cząsteczka DNA zajęta jest własną reprodukcją, to nie może ona jednocześnie stanowić matrycy do syntezy RNA. Po zakończeniu replikacji DNA komórka nie wkracza natychmiast w stadium podziału. Konieczna jest jeszcze przerwa około 2 godzin, zwana okresem G₂. Mimo, że okres ten jest tak krótki, zachodzą wtedy ważne wypadki. Dokonuje się intensywna synteza białek koniecznych do zbu­dowania konstrukcji aparatu podziału. Ogólna ilość RNA i białek, a więc i ogólna masa komórki znacznie wzrasta. W ciągu sta­dium G₂ komórka gromadzi zapasy energii, potrzebnej jej potem do podziału, czyli czas ten to okres „napełniania zbiornika” energetycznego mitozy.

DEFILADA W KOMÓRCE SIĘ ZACZYNA

Przygotowanie komórki do podziału kończy się, zaczyna się sama mitoza. Zadanie stojące przed komórką nie jest łatwe. Konieczne jest równomierne rozdzielenie materiału genetycz­nego między dwie komórki pochodne. Liczba jednostek dzie­dzicznych w chromosomach komórki jest rzędu dziesiątków tysięcy do milionów. W jądrze w interfazie w czasie działania geny te są rozproszone wzdłuż maksymalnie rozwiniętych nici chromosomów interfkzowych, w których ogólna długość DNA sięga metra i więcej. Przy tak szeroko rozstawionej tyralierze nie jest możliwe równomierne rozmieszczenie setek tysięcy cząsteczek. Jasne jest, że trzeba je najpierw zgrupować w nie­wielką liczbę jednostek strukturalnych. Na tym polega biolo­giczny sens „zawijania” materiału genetycznego w czasie po­działu w zgęszczone struktury chromosomów. Ale chromosomy same nie mogą się poruszać. Wywołuje to potrzebę budowania urządzeń, które by podzieliły i przeniosły zreplikowane chro­mosomy ściśle równomiernie do dwu komórek pochodnych.

Wszystko to wymaga podstawowych przekształceń struktural­nych w komórce i mobilizacji wszystkich jej sił. Dlatego też wraz z rozpoczęciem się mitozy działalność produkcyjna, cha­rakterystyczna dla komórki w interfazie, ustaje prawie całko­wicie: zmniejsza się do minimum wchłanianie substancji po­przez błonę, wytwarzanie energii, synteza białek i innych sub­stancji, synteza RNA w jądrze itp.

Przez swą złożoność i chronologiczną dokładność kolejnych etapów mitoza podobna jest do olbrzymiej, dobrze zaplanowanej i ściśle wykonanej defilady. Defilada ta zaczyna się przegrupo­waniem cząsteczkowej armii komórki, co wypełnia całą profazę. W tym stadium materiał genetyczny zostaje stopniowo zwinięty w chromosomy. Odbywa się to tak, że puszyste nitki nukleo- proteidów chromosomów z interfazy zwijają się spiralnie i skrę- cają. W tym tylko czasie, od kiedy można je dojrzeć pod m- kroskopem, do anafazy, chromosomy skracają się około dwiu- dziestopięciokrotnie! Równocześnie komórka buduje aparat ruchowy. Są to promieniste struktury i nici wrzeciona mito- tycznego. Wychodzą one z obu biegunów, na których rozmiesz­czony jest centriol.

DZIWNE CIAŁKO

Centriol — organizator-konstruktor i mechanik-kierowca ru­chów aparatu podziału stanowi bardzo szczególne organellum. Przy użyciu mikroskopu optycznego w preparatach barwionych widać centriol jako ledwie dostrzegalne zabarwione ziarenko. Badania elektronowo-mikroskopowe od roku 1956 wykazały stopniowo, że to niewielkich rozmiarów ciałko ma strukturę niezwykle skomplikowaną: walcowate ciało o średnicy około 1500 A (0,15 mk) i długości od 3500 A do 5000 A (0,35 do 0,5 mk), o ścianie zbudowanej z 9 cieniutkich, rownolegle rozmieszczonych rureczek lub też z 9 grup po kilka rureczek. W komórkach roślinnych centriole dotychczas nie zostały od­kryte, ale mimo to aparat podziału w nich zbudowany jest w ten sam sposób i działa tak samo w czasie mitozy, jak w komórkach

zwierzęcych. Dlatego wielu cytologów przypuszcza, że podobne organellum zostanie odkryte także u roślin.

Każda komórka w interfazie zawiera dwa centriole, umiesz­czone w stosunku do siebie pod kątem prostym. Pod koniec interfazy bezpośrednio przed rozpoczęciem się mitozy centriole się reprodukują, dzielą. Proces ten ma charakter pączkowania — pochodny centriol pojawia się w pozycji pionowej w sto­sunku do macierzystego i rosnąc stopniowo się oddziela. Mechanizmy wywołujące ten skomplikowany proces są całko­wicie nieznane. Niejasne jest też, z jakich substancji chemicz­nych składa się centriol. Wiadomo tylko, że zawiera białka i małą ilość RNA.

Tak więc bezpośrednio przed rozpoczęciem mitozy komórka posiada dwie pary centriol. Na początku profazy obie pary kierują się w przeciwnych kierunkach i zaznaczają dwa bieguny aparatu podziału. Wskutek jakich mechanizmów białka ciała komórki pod działaniem centrioli składają się na aparat podziału, pozostaje rzeczą niejasną.

Szczególne zainteresowanie budzi pokrewieństwo co do po­chodzenia, struktury i funkcji między centriolem i szeregiem innych organelli o wyspecjalizowanych funkcjach ruchowych: ciałka bazalne rzęsek i wici itd. Stwierdzono, że centriole i ciałka bazalne mają taką samą budowę elektronowo-mikroskopową. Co więcej, w procesie dojrzewania plemnika centriol przekształca się w ciałko bazalne jego witki. U niektórych jednokomórkowców zarówno wrzeciono mitotyczne jak i witka powstają z ogólnego olbrzymiego centriolu. Wszystkie te dane przemawiają za tym, że różne organelle ruchowe komórek powiązane są strukturalnie i funkcjonalnie. To powiązanie wzmacniane jest jeszcze przez podobieństwo budowy chemicznej białek, tworzących aparat mitotyczny i inne organelle ruchowe. Białka te, podobnie jak aktomizyna mięśni zdolne są do rozkładania na drodze enzy­matycznej akumulatora energii w komórce — ATP i do uwal­niania w ten sposób energii potrzebnej do kurczenia.

Reorganizacji ciała komórki w profazie towarzyszy nie tylko budowa nowych struktur — chromosomów i aparatu podziału, lecz także burzenie większości organelii, typowych dla komórki

w interfazie: jąderka, błony jądrowej, znacznej części błon sia­teczki endoplazmatycznej. Resztki tych błon, a także mitochon- dria zostają przemieszczone na peryferie komórki. Przynajmniej częściowo jasny jest sens tych przemieszczeń: trzeba uwolnić miejsce dla swobodnego i niehamowanego ruchu chromo­somów.

Tym przegrupowaniem organelli kończy się też najważ­niejsza ceremonia „defilady”: rozdzielenie i przesunięcie się chromosomów ku obu biegunom komórki może się już rozpocząć.

MARSZ CHROMOSOMÓW

Podstawową zasadą przestrzeganą przy tej ceremonii jest to, żeby każdy chromosom ustawił się w płaszczyźnie równikowej w taki sposób, aby po podzieleniu się obie chromatydy, prze­kształcone od tego momentu w niezależne od siebie nawzajem chromosomy komórek pochodnych, przemieściły się w stronę przeciwległych biegunów. Tylko w taki sposób każda z komórek otrzymuje po połówce każdego macierzystego chromosomu, czyli materiał genetyczny rozdzielony zostaje równo między obie komórki, przez co zrealizowany zostaje też podstawowy biologiczny cel mitozy.

W normalnych warunkach mechanizm ten działa z zadzi­wiającą dokładnością. Jednak w razie uszkodzenia komórek (napromieniowanie, oddziaływania chemiczne i inne nieznane jeszcze przyczyny), a także w komórkach rakowych niektóre z chromosomów mogą „pomylić drogę” i dostać się do przeciwnej komórki. W wyniku czego powstają komórki, w których jest

o jeden lub kilka chromosomów mniej (komórki hipodiploida- lne), lub więcej (hiperdiploidalne). Konsekwencje takich pomyłek w uroczystym marszu chromosomów są znacznie poważniejsze, niż poplątanie kolumn wojska w czasie defilady. Brak lub nadmiar chromosomów poważnie narusza bilans genetyczny komórki. W większości wypadków komórki takie giną. Kiedy podobne zmiany zajdą w komórkach płciowych, to powstają osobniki

z poważnymi zaburzeniami fizycznymi, psychicznymi i płcio­wymi.

Same chromosomy są pod względem ruchowym bierne. Podobne są do marionetek poruszających się za pociągnięciem sznureczków. Rolę tych sznureczków odgrywają nitki wrzeciona mitotycznego. W anafazie nici te stopniowo się kurczą, a za nimi dążą chromosomy. Nici wrzeciona mogą ciągnąć za sobą chromosomy tylko za pomocą jakiegoś „haczyka” do ich za­czepienia. Jedynym odcinkiem chromosomu, który może służyć do zaczepienia, jest kinetochor, służący jako taki haczyk.

Rolę kinetochor jako jedynego aktywnego odcinka chromo­somu można wykazać w prostym doświadczeniu. Chromosomy, albo części chromosomów pozbawione kinetochor nie biorą udziału w ruchu chromosomów i pod koniec podziału pozostają poza jądrem i zostają usunięte. Powstałe komórki mają zmniej­szoną liczbę chromosomów. Jest to także jeden z mechanizmów mogących wpłynąć w czasie podziału na zmianę dziedzicznych właściwości komórki.

Przez zgromadzenie chromosomów na dwu biegunach kończy się najważniejszy etap mitozy. Zaczyna się proces odtwarzania. Obejmuje on telofazę — powrót do normalnej struktury jądra interfazy. W tym samym czasie następuje też podział ciała komórki — cytokineza. Proces ten w różny sposób przebiega w komórkach roślinnych i zwierzęcych. U komórek zwierzę­cych cytoplazma w płytce równikowej czynnie się przewęża. W komórkach roślinnych z powodu obecności twardej celulo­zowej powłoki przewężanie nie jest możliwe i dwie komórki pochodne zostają oddzielone przegrodą tworzącą się między nimi (nową błoną komórkową). Dokładny mechanizm wszystkich tych procesów jest nader niejasny, mimo że istnieje cały szereg pomysłowych hipotez usiłujących go wyjaśnić.

Równolegle z podziałem ciała komórki chromosomy i aparat podziału zanikają i stopniowo odtworzone zostają charakterys­tyczne dla komórki w interfazie organelle: jądro, błona jądrowa, jąderko, błony siateczki endoplazmatycznej. Równocześnie zaczyna działać cały program produkcyjny nowej komórki.

DROGA DO ROZWIĄZANIA PROBLEMU RAKA

Jak widać z tego, cośmy tu przedstawili, cykl mitotyczny sta­nowi zadziwiająco zharmonizowany w czasie i w przestrzeni łańcuch wydarzeń. Dziś znamy już wiele biologicznie czynnych substancji, które mogą zwalniać lub przyspieszać bieg tych wy­darzeń. Jedne z tych oddziałują na wytwarzanie energii w ko- morce (napełnianie zbiornika energetycznego mitozy), inne

— na strukturę aparatu podziału (np. kolchicyna), jeszcze inne na syntezę RNA i białek. Najliczniejsza i najciekawsza jest jednak grupa substancji blokujących podstawowy proces podziału komórki, syntezę DNA. Niektóre z nich są wykorzys­tywane dzisiaj do leczenia nowotworów złośliwych. Niestety atakują one nie tylko komórki rakowe, ale i wszystkie normalne komórki ulegające podziałowi. Dlatego jednak, że w komórkach rakowych mitozy są często, komórki te są uszkadzane bardziej, niż normalne. Ta droga leczenia raka, ostatnio głośno rekla­mowana, nie otwiera wielkich perspektyw. A to dlatego, że komórki rakowe nie różnią się w sposób zasadniczy od normal­nych pod względem przebiegu cyklu mitotycznego. Dlatego też substancje, które hamują podział komórek rakowych, zmniejszają też tempo rozmnażania się normalnych komórek. Powoduje to anemie, spadek ilości leukocytów i szereg innych zaburzeń. Dlatego właśnie ostatnio uwaga kieruje się raczej ku mecha­nizmom regulującym samo wchodzenie komórek w cykl mito­tyczny i wychodzenie z niego.

Przy rozwiązywaniu problemów raka, musimy się dziś do­wiedzieć, w jaki sposób nowe komórki pochodne wybierają swą drogę życiową — zróżnicowanie i specjalizację czy też raczej podział. Komórki normalne dokonują wyboru ze względu na potrzeby organizmu i pod jego kontrolą, oraz mają zdolność przechodzenia na dany sygnał z jednego stanu w inny.

Przypomnijmy sobie mechanizmy, regulujące produkcję białek w komórce. Są to mechanizmy aktywacji lub tłumienia funkcji aparatu genetycznego. W tym właśnie kierunku powin­niśmy szukać też rozwiązania zagadki regulacji podziału ko­mórkowego. Mogliśmy zobaczyć, że cykl mitotyczny zaczyna

się pojawieniem enzymów, biorących udział w replikacji DNA. W komórkach nie dzielących się, enzymów takich brak. Dlaczego ? Dlatego, że ta część aparatu genetycznego, na której produkowane są odpowiednie informacyjne RNA, niezbędne do syntezy tych enzymów, nie jest aktywna. Przypuszcza się, że komórki nie ulegające podziałom zawierają szczególne subs- tancje-represory, prawdopodobnie białka, hamujące działania operonów odpowiedzialnych za cykl mitotyczny. Pod wpływem bodźców fizjologicznych podziału komórkowego (hormonów) lub po uszkodzeniu komórki (np. przez zranienie) inhibitory te są usuwane, lub też spada ich koncentracja w komórce, albo też one same przechodzą w postać nieaktywną. Wskutek tego zachodzi depresja genów (operonów) podziału komórkowego, zaczyna się wytwarzanie wszystkich specyficznych białek zwią­zanych z podziałem komórki i wchodzi ona w cykl mitotyczny. Ten proces jednak pozostaje pod kontrolą aparatu genetycznego komórki i całego organizmu. Po zakończeniu podziału w za­leżności od wzajemnych oddziaływań aparatu genetycznego jądra z cytoplazmą i środowiskiem, do którego dostała się nowa komórka, i w związku z sygnałami nadawanymi przez cały organizm, nowe komórki albo zaczynają nowy cykl podziału, albo też operony podziału komórkowego zostają zablokowane i komórka kieruje się ku różnicowaniu i specjalizacji.

Wszystko wskazuje na to, że komórki rakowe charakteryzuje nieodwracalne zablokowanie tego właśnie mechanizmu kontroli nad podziałem komórki. Jak to się dokładnie dzieje, nie wiemy jeszcze. Przypuszcza się dwie możliwości. Hipoteza pierwsza brzmi, że w komórkach rakowych w wyniku mutacji brak jest tej części genomu, która odpowiedzialna jest za podziały ko­mórkowe. Na rzecz tej teorii mutacyjnej przemawia też fakt, że oddziaływania fizyczne i chemiczne wywołujące raka, tak zwane czynniki rakotwórcze, są też z reguły czynnikami mutagennymi. Szereg nowotworów złośliwych u zwierząt i człowieka wywołują różne wirusy. Stwierdzone zostało, że takie onkogenne (rako­twórcze) wirusy oddziałują na aparat genetyczny komórki, tak że i geneza wirusowa raka może zostać włączona do ogólnej

teorii o mutacyjno-genetycznym pochodzeniu komórek rako­wych.

Istnieje też inna możliwość. Bardzo możliwe jest, że czynniki rakotwórcze nie wywołują raka w drodze mutacji przez pozba­wienie komórki operonów realizujących kontrolę nad jej po­działem, lecz że jedynie blokują w sposób nieodwracalny te operony. W takim wypadku ostatecznym wynikiem będzie pojawienie się komórek, których wzrost i podziały nie mogą być regulowane. Według takiego poglądu komórka rakowa jest analogiczna do każdej innej wysoko zróżnicowanej komórki, gdzie większa część genomu także jest trwale i w sposób nie­odwracalny zablokowana. Jednakże przy normalnym różnico­waniu operony, związane z regulacją podziału komórki, nie są objęte blokowaniem, podczas gdy „różnicowanie” komórek rakowych blokuje te właśnie operony. W myśl tego poglądu u podstawy raka leżą więc nie trwałe zmiany genetyczne, lecz nieodwracalne zmiany epigenetyczne — blokada. Innymi słowy, rak to „choroba różnicowania”. Na rzecz tej teorii epigenetycznej raka przemawia ustalony ostatnio fakt, że jeżeli do pozbawionej jądra komórki jajowej przeszczepione zostanie jądro komórki rakowej, to z jaj rozwija się normalny zarodek. Nie byłoby to możliwe, gdyby jądro komórki rakowej było genetycznie zmie­nione wskutek mutacji.

Zarówno teoria genetyczna jak i epigenetyczna powstania raka wymagają pełnego ujawnienia mechanizmów regulujących działanie genów i normalne różnicowanie komórek eukario­tycznych. Z drugiej strony obie te teorie otwierają nowe stra­tegiczne podejścia do radykalnego leczenia raka. Jeżeli jego przyczyną są mutacje związane z zanikiem, brakiem pewnych genów, to trzeba odkryć, o jakie to geny chodzi, wyizolować je w postaci czystej i wprowadzić na nowo do komórek rakowych. W ten sposób terapia genowa nie należy już do fantastyki nau­kowej, lecz stanowi naukowe podejście, całkowicie uzasadnione teoretycznie i możliwe do technicznej realizacji w nie bardzo dalekiej przyszłości.

Jeżeli zaś zostanie stwierdzone, że rak jest wywołany epigene-

tycznym zablokowaniem możliwości wykonywania funkcji okre­ślonych genów, zadaniem będzie odkrycie białek odpowiedzial­nych za tę blokadę i znalezienie odpowiednich substancji-re- gulatorów, które po wprowadzeniu do komórek zaktywizowa­łyby znowu wyłączone z działania geny. I takie podejście jest dziś w pełni realne. Jak widzieliśmy, pierwsze białka-regulatory u bakterii zostały już wyizolowane w postaci czystej 1

Oto w jaki sposób najnowsze osiągnięcia biologii molekularnej rozpraszają chmury na horyzoncie nawet najbardziej pesymis­tycznego zagadnienia współczesnej medycyny — choroby nowo­tworowej.

SPOJRZENIE W PRZESZŁOŚĆ NADZIEJE I PERSPEKTYWY

Autor nie ma wątpliwości, że jeszcze zanim książka ta dotrze do Czytelnika, szereg faktów i hipotez, przedstawionych w niej, będzie wymagało już uzupełnień i uściśleń, a niektóre — może nawet bardziej gruntownej rewizji. Ale to nas może tylko cieszyć. Szybkie starzenie się publikacji w danej dziedzinie wiedzy jest jednym z najbardziej przekonujących dowodów szybkiego rozwoju tej gałęzi nauki. A współczesna biologia komórkowa i molekularna to rzeczywiście dziedziny, w których „kipi i wre”. Nie przypadkiem wybitni uczeni — biologowie, fizycy, chemicy — nazwali drugą połowę dwudziestego wie­ku — wiekiem biologii. Biologia komórki jest dziś areną, na której ze zderzenia się pomysłów i metod kilku podstawowych nauk — biologii, chemii, fizyki, cybernetyki, matematyki — kształtuje się nasza wiedza o budowie i funkcjach „żywej ma­terii” — komórki, o istocie zjawisk życia, podobnie jak z wrzenia w fizyce w początku naszego wieku zrodziły się mechanika kwan­towa, teoria względności, współczesna wiedza o budowie ma­terii.

Postaraliśmy się na stronicach tej książki powiedzieć pokrótce

o niektórych najważniejszych zwycięstwach, które już przyniósł zdecydowany atak na tajemnice komórki. Przeniknęliśmy już bardzo głęboko w istotę i rolę najważniejszych dla życia substan­cji — olbrzymich cząsteczek białka i kwasów nukleinowych. A co jeszcze ważniejsze, zaczyna się coraz bardziej wyjaśniać związek między budową chemiczną i właściwościami biologicz­nymi tych cząsteczek. Zaczyna być zrozumiałe, dlaczego i jak te substancje spełniają na poziomie molekularnym rolę material­nego nośnika samego życia.

Dzisiaj materialistyczne rozumienie istoty żyda jako formy istnienia makrocząsteczek biologicznych * jest już nie tylko

poglądem filozoficznym, lecz także zwartą podstawą naukową i laboratoryjną codziennością w biologii molekularnej i komór­kowej !

Podziw i zachwyt budzi szybkość, z jaką zostały ujawnione podstawowe drogi i zasady przemiany materii i energii w żywej komórce oraz rola enzymów — przedziwnych katalizatorów życia — w tych procesach. Dzisiaj znaczna część chemicz­nych przekształceń substancji w komórce jest znana. Przy tym patrzymy na nie już nie jako szereg izolowanych reakcji che­micznych, lecz jako na skomplikowaną i poprzeplataną sieć procesów, których każde ogniwo jest pod kontrolą komórki jako całości. Sukcesy w badaniu budowy i sposobu działania enzymów w ogromnym zakresie przyczyniły się do przenik­nięcia istoty mechanizmów regulujących przemianę materii w komórce. A przecież badania w tej dziedzinie ledwie się za­czynają.

Prowadzone są intensywne badania mechanizmów moleku­larnych wszystkich ogólnych oraz wyspecjalizowanych funkcji komórki: przenikanie i przenoszenie substancji przez błonę komórkową, fotosynteza, kurczenie mięśni, ruchy komórkowe, pobudzanie komórek, powstawanie i przekazywanie bodźców nerwowych itd., itd. Sukcesy tych badań są tak wielkie, że je­dynie wąsko wyspecjalizowani badacze są w stanie śledzić nadal szybki rozwój biologii komórkowej w każdej z tych dziedzin.

Na czele tego niepowstrzymanego postępu wybijają się zwłasz­cza trzy podstawowe osiągnięcia: należą one do najwięk­szych zwycięstw nauki w ostatnim dwudziestoleciu. Pierwszym z nich jest odkrycie mechanizmu najbardziej zadziwiającego procesu chemicznego w komórce — biosyntezy białka. Drugim zwycięstwem jest stworzenie konsekwentnej teorii chemicznych podstaw dziedziczności. Czynniki dzie­dziczności — geny, przestały być mitem, przekształciły się w realną substancję chemiczną. Dzięki sukcesom genetyki molekularnej znana jest nam dziś istota jednej z najważniej­

szych i do niedawna najbardziej tajemniczych właściwości życia — dziedziczności. Wiemy już, w jaki sposób w komórce zapisany jest jej dziedziczny program, znany nam jest mecha­nizm przekazywania tego programu następnym pokoleniom, zaczynamy przenikać też skomplikowane procesy różnicowania komórek, dzięki którym program ten jest realizowany w drodze biosyntezy specyficznych białek w toku indywidualnego roz­woju komórek i organizmu.

Trzecim wielkim sukcesem jest zgłębienie mecha­nizmów regulujących przemianę materii w komórce, służących celowości i harmonii funkcji życiowych komórki.

Choć jeszcze ciągle niepełne, sukcesy te stanowią już realną i mocną podstawę naukową zrozumienia jednej z największych tajemnic natury — życia. I nie tylko zrozumienia. Nadszedł wreszcie czas, kiedy przed ludzkością otwiera się możliwość nie tylko badania i rozumienia tego, co się dzieje w żywej ko­mórce, lecz także kierowania jej programem biologicznym w myśl własnych życzeń i w wybranym przez siebie kierunku. A to oznacza też kierowanie funkcjami i dziedzicznością i roz­wojem żywych organizmów!

Wszystko to napawa nas radością, zaufaniem i nadziejami.

Nieogarnione są perspektywy, które biologia komórkowa i molekularna otwiera przed ludzkością, ogromne są korzyści, jakich oczekujemy od tych nauk dla zdrowia, dobrobytu i udo­skonalenia człowieka. Dalsze perspektywy to na razie jeszcze tylko śmiałe marzenia lub pomysły dla powieści fantastyczno- -naukowych. Ale nawet najbliższe perspektywy stanowiące już przedmiot konkretnych poszukiwań naukowych, powszedniości laboratoryjnej, wystarczają aby obudzić w nas większe zain­teresowania, szacunek i troskę o rozwój biologii komórkowej i molekularnej. Śmiało można powiedzieć, że prawie wszystkie najbardziej dokuczliwe problemy współczesnej medycyny i rol­nictwa są ściśle związane lub też wprost uzależnione w swym rozwiązywaniu od osiągnięć w badaniu komórki. Więcej jeszcze. Powinno być dla nas najzupełniej oczywiste, że właśnie dziś, w wieku rewolucji naukowo-technicznej, energii atomowej, wielkiej chemii i lotów kosmicznych ujawnienie we właściwym

czasie tajemnic życia staje się istotnym, pilnym i nie cierpiącym zwłoki zadaniem. Jeżeli człowiek współczesny nie zdoła roz­winąć nauki o życiu równocześnie z ogólnym postępem technicz­nym, to ryzykuje tym, że zamiast być władcą przyrody stanie się bezbronną zabawką potężnych sił natury, którymi dziś (niestety nie zawsze dosyć rozsądnie) włada.

Możemy się spodziewać, że w ciągu następnych kilkudzie­sięciu lat tajemnice życia będą szturmowane po kilku zasad­niczych liniach strategicznych. Na pierwszym miejscu ujawnie­nie mechanizmów molekularnych regulowania aktywności ge­nów w komórkach eukariotycznych, ujawnienie mechanizmów molekularnych różnicowania komórek. Już dziś dostrzec można wyraźne przegrupowanie sił w armii biologów molekularnych i komórkowych zmierzające do zdecydowanego ataku na to zagadnienie. Wielu najwybitniejszych uczonych świata, wiele najbardziej znanych laboratoriów przestawia swe badania z biologii molekularnej i genetyki wirusów, fagów i bakterii na problemy różnicowania komórek eukariotycznych. Drugim zasadniczym kierunkiem będzie bardziej gruntowne wyjaśnienie budowy i funkcji komórkowych systemów błon i związanych z nimi procesów transportu wybiórczego, przekształceń energe­tycznych, pobudzania i przekazywania bodźców. Trzecim pod­stawowym kierunkiem strategicznym, który ostatnio szybko gromadzi siły, jest ujawnienie mechanizmów molekularnych wyższych czynności nerwowych, materialnych podstaw pamięci i świadomości. Możliwe są tutaj też bardziej nieoczekiwane odkrycia. Nie będzie dziwne, jeżeli przy badaniu molekularnych tajemnic komórki nerwowej i mózgu odkryte zostaną nowe, nie przewidywane dotychczas mechanizmy przechowywania i ob­róbki informacji, różniące się od znanych nam dotychczas pra­widłowości przechowywania i realizacji informacji dziedzicznej. Czwartym kierunkiem strategicznym będzie badanie konkret­nych mechanizmów, które doprowadziły niegdyś do pojawienia się życia. Zdobycze tej dziedziny wiedzy wraz z pozostałymi już zdobytymi wiadomościami posłużą do tego, aby ten kierunek strategiczny powiązać też z wysiłkami zmierzającymi do stwo­rzenia żywych organizmów w sposób sztuczny.

Poza tym wszystkim w ciągu najbliższych dziesięcioleci nauka przekroczy zdecydowanie próg cząsteczek, przystąpi do systematycznego badania subcząsteczkowych podstaw zjawisk życia. Badania te będą miały ogromne znaczenie dla wyjaśnienia mechanizmów katalizy enzymatycznej, istoty regulacyjnych oddziaływań między cząsteczkami itp. Na tej podstawie stanie się możliwe przewidywanie właściwości danej makrocząsteczki na podstawie jej składu i struktury, można będzie tworzyć cząsteczki według z góry ustalonego planu przewidującego określone właściwości. Pierwsze kroki do stworzenia takich cząsteczek w drodze chemicznej już zostały zrobione. Na czysto chemicznej drodze zostały zsyntetyzowane już pierwsze enzymy, pierwsze geny!

Na podstawie rozwoju biologii molekularnej w tych podsta­wowych kierunkach strategicznych, a także na podstawie tego, co dotychczas zostało osiągnięte, możemy się spodziewać, że do końca naszego wieku ludzkość rozwiąże szereg zasadni­czych, życiowo dla niej ważnych problemów, związanych z bio­logią. Są to problemy, od których zależy zdrowie, dobrobyt, przyszły rozwój i udoskonalenie człowieka.

Przyjrzyjmy się teraz w skrócie niektórym z najbardziej istot­nych problemów, których rozwiązanie zależy od sukcesów bio­logii komórkowej i molekularnej.

Zacznijmy od schorzeń wirusowych. Przed około stu laty Ludwik Pasteur z właściwym sobie optymizmem oznajmił, że niedaleki już jest czas, kiedy człowiek usunie z powierzchni ziemi choroby zakaźne. Dzięki sukcesom mikrobiologii i immu­nologii, za pomocą chemoterapii i antybiotyków optymistyczne proroctwo Pasteura jest w znacznym stopniu już zrealizowane, ale jedynie w stosunku do infekcji bakteryjnych. Niestety, sprawa inaczej wygląda z chorobami wirusowymi. Weźmy za przykład choćby banalną grypę, której epidemie okresowo zalewają całe kraje i kontynenty, a w niektórych latach stają się prawdziwą klęską narodów i całej ludzkości. A żółtaczka wirusowa, która z każdym rokiem staje się chorobą coraz bardziej masową? A choroby wirusowe systemu nerwowego? Niestety ludzkość nie dysponuje jeszcze skutecznymi środkami antybiotycznymi

przeciwko wirusom, ani też innymi leczniczymi środkami che­micznymi. Przyczyna tych trudności przy leczeniu chorób wiru­sowych jest dzisiaj dobrze znana, wyjaśniły ją biologia komór­kowa i molekularna. Trudność stanowi istota cząstek wiruso­wych, sposób w jaki odbywa się ich oddziaływanie na komórki. Wirusy są zbudowane w sposób znacznie prostszy niż najbar­dziej prymitywne komórki, nie posiadają one własnych orga­nelli, własnych systemów enzymatycznych, własnego aparatu do syntezy białka. Właśnie z powodu tak prostej budowy mole­kularnej nie mogą wirusy zostać zaatakowane obecnie istnieją­cymi środkami chemoterapii i antybiotykami. Na podstawie już nagromadzonej wiedzy o budowie molekularnej wirusów i o mechanizmach wzajemnych oddziaływań wirus-komórka bio­logia molekularna już wytycza drogi do bardziej skutecznej walki ze schorzeniami wirusowymi. Jednym z pierwszych suk­cesów w tej dziedzinie jest uzyskanie tak zwanego interferonu. Jest to substancja białkowa, wytwarzana w komórkach zakażo­nych wirusami i przeszkadzająca przenikaniu innych rodzajów wirusów do tych komórek. Tak więc działa ona nie na zasadzie przeciwciał.

Musimy dokładnie zdawać sobie sprawę z tego, że od sukcesów biologii komórkowej i molekularnej zależy też rozwiązanie problemu raka. Opowiedzieliśmy już o tym, że u podstawy nowo­tworowego zwyrodnienia komórek leży nieodwracalne, uzasad­nione genetycznie uszkodzenie mechanizmów regulujących ich wzrost i podział. Mechanizmy te stanowią szczegółowy wypadek ogólnych zasad regulacji aktywności genów i syntezy białek w komórkach eukariotycznych. Wszystko wskazuje na to, że różne czynniki: substancje chemiczne, oddziaływania fizyczne lub specjalna grupa wirusów (wirusy rakotwórcze), mogą w sposób nieodwracalny uszkadzać te mechanizmy regulujące i przekształcać normalne komórki w rakowe. Właśnie dlatego w pełni uzasadnione jest rozpatrywanie dziś choroby rakowej nie tylko jako problemu medycyny, lecz także jako problemu biologii komórkowej i genetyki molekularnej. Problemu tego nie można opanować ani przez udoskonalenie techniki chirur­gicznej, ani przez ulepszenie konstrukcji aparatów rentge-

nowskich i izotopowych do leczenia promieniami (radioterapii), ani też w żadnym stopniu za pomocą „lekarstw” przeciwrako- wych, które nieucy, albo nieuczciwi lub nie całkiem normalni psychicznie „odkrywcy” co roku oferują chorym, społeczeństwu i państwu.

Kiedy poznamy jakieś zło, to jeszcze przez to jego szkodli­wość nie maleje, nie staje się ono bardziej niewinne. Ale otwie­rają się drogi do walki z nim. Podobna sytuacja panuje dziś w dziedzinie chorób nowotworowych. Tylko biologia moleku­larna daje możliwość wyjaśnienia istoty raka jako zjawiska biologicznego, a przez to odkrycia też drogi do jego racjonalnego leczenia. Do tego celu konieczne jest jeszcze dokładniejsze wyjaśnienie mechanizmów molekularnych, przez które tak zwane czynniki rakotwórcze — substancje chemiczne, oddziały­wania fizyczne lub wirusy onkogenne — wywołują nowotworowe zwyrodnienie komórek. Pod tym względem w ostatnich latach osiągnięto poważne sukcesy, zwłaszcza w odniesieniu do mecha­nizmu działania wirusów rakotwórczych. Napełniają też nas nadzieją osiągnięcia w badaniu mechanizmów regulujących podziały komórek. Na podstawie tego wszystkiego ufamy, że w najbliższym dziesięcioleciu odkryte zostaną rzeczywiście racjonalne metody walki z chorobą nowotworową. Na razie za wcześnie jeszcze, aby przepowiedzieć, jaka metoda tutaj okaże się najbardziej skuteczna. Wielkie nadzieje pokładane są w chemoterapii, w leczeniu raka za pomocą antymetabolitów. Szereg preparatów stosuje się już w klinikach z pewnym powo­dzeniem. Ale wciąż jeszcze nie wiadomo, czy w komórkach rakowych istnieją jakieś specyficzne jedynie dla nich ogniwa w przemianie materii, na które te antymetabolity mogłyby po­działać z taką samą siłą i wybiórczością, jak to jest przy choro­bach bakteryjnych. Pod tym względem w najnowszym czasie pojawiły się nowe dodatnie możliwości, kiedy dowiedzione zostało, że do rozmnażania rakotwórczych wirusów RNA ko­nieczny jest specjalny enzym nie występujący w normalnych komórkach. To już jest realna tarcza, do której można by „strze­lać” bez niebezpieczeństwa uszkodzenia samych komórek i nie ulega wątpliwości, że chemoterapia wkrótce wykorzysta 281

tę nową możliwość racjonalnego ataku na chorobę nowotwo­rową.

Sukcesy wirusologii w badaniu raka umożliwiają inne jeszcze ciekawe podejście w walce z tą chorobą. Już mówiliśmy o tym, że w wielu wypadkach obecność w komórce danego wirusa przeszkadza innemu wirusowi w jej zaatakowaniu. Przez takie konkurencyjne oddziaływania wzajemne pomiędzy wirusami być może pewnego dnia — zwłaszcza jeżeli się okaże, że więk­szość wypadków raka wywołana jest przez wirusy — zacznie się masowe stosowanie szczepień noworodków specjalnymi nieszkodliwymi sztucznie uzyskanymi wirusami, których obec­ność w komórkach przeszkadzałaby zaatakowaniu ich przez inne wirusy, niebezpieczne, bo wywołujące raka.

Współczesna biologia molekularna i genetyka pokazują jeszcze inną drogę leczenia chorób nowotworowych: nie przez niszczenie komórek rakowych, lecz przez ich leczenie, przez przywracanie im normalności. I rzeczywiście, jeżeli komórki rakowe z powodu nieodwracalnych zmian genetycznych — mutacji, nie mogą produkować białek-regulatorów wzrostu i podziału, to czy nie mogłyby takie komórki otrzymać z ze­wnątrz tych brakujących im białek-regulatorów? Albo — co jest jeszcze ciekawsze — czy nie można ich zmusić, żeby znowu zaczęły syntetyzować te białka ? Czy nie jest możliwe w tym celu, na wzór transformacji genetycznej, transdukcji lub też infekcji wirusowej, wprowadzenie do komórek rakowych tego kwasu nukleinowego, którego im brak, a który odpowiada za syntezę białek-regulatorów rozmnażania komórek? Są to oczy­wiście tylko niektóre z możliwości oferowanych przez biologię do walki z rakiem.

Cały szereg innych problemów krzyżuje się na terenie nieroz­wiązanych jeszcze tajemnic komórki. Społeczeństwo ludzkie nie inoże nie niepokoić się faktem, że 2% noworodków (a stanowi to około 1,5 miliona rocznie) cierpi na kalectwa wrodzone i zwyrodnienia lub też na choroby odziedziczone. Dzisiaj wiemy, że źródłem tych schorzeń są mutacje, które dotknęły aparat genetyczny komórek somatycznych lub płcio­wych. Pojawienie się na świecie każdego takiego dziecka to

ciężka tragedia osobista i rodzinna, a jako całość uszkodzenia genetyczne ludzkości stanowią najpoważniejszy pro­blem społeczny, ekonomiczny i etyczny. Z każdym rokiem problem ten się zaostrza, ponieważ wraz z postępem techniki i przemysłu niebezpieczeństwo genetycznych uszkodzeń i cho­rób dziedzicznych wzrasta. Oto parę tylko przykładów: zastoso­wanie energii atomowej; szerokie stosowanie promieni rentge­nowskich i izotopów radioaktywnych w medycynie, nauce i technice; gwałtowny rozwój przemysłu chemicznego, z każdym rokiem zwiększające liczbę najróżniejszych substancji chemicz­nych, z którymi człowiek wchodzi w styczność; zastraszające rozmiary, jakie przybiera zanieczyszczanie wód, powietrza i gleby zwłaszcza w wielkich rejonach przemysłowych, gdzie też koncentracja ludności jest największa. Wszystko to po­większa ilość mutacji w komórkach somatycznych i płciowych, a przez to i ilość wrodzonych oraz dziedzicznych schorzeń.

Zadaniem biologii jest ujawnienie we właściwym czasie roz­miarów grożącego nam niebezpieczeństwa i zaproponowanie środków, które by je usunęły. Poza wszelkimi posunięciami socjalno-ekonomicznymi i sanitarno-higienicznymi ważne zna­czenie dla ochrony człowieka i usunięcia następstw genetycz­nych uszkodzeń będzie miało gruntowne badanie komórkowych i molekularnych podstaw dziedziczności. W tym zakresie już także istnieją pierwsze wyniki o znaczeniu praktycznym.

Równocześnie coraz bardziej realne stają się perspektywy terapii genowej chorób dziedzicznych. Już wspominaliśmy o ta­kiej terapii rozpatrując problem raka. Ale podobna terapia znajdzie też szerokie zastosowanie przy wielu chorobach dzie­dzicznych. A to dlatego, że istota molekularna szeregu z nich polega na braku lub zmianie w jednym genie lub ich grupie. Trzeba więc będzie poprawić błąd, popełniony przez naturę, wprowadzając do jądra komórki w sztuczny sposób ten gen, którego w niej brakuje. Zadanie to teoretycznie i pod względem praktycznym wydaje się dziś w pełni wykonalne, ponieważ ba­dacze zdołali już w sztuczny sposób skonstruować aktywny wirus, a w swojej istocie terapia genowa jest odmianą zarażenia sztucznie wyprodukowanymi wirusami-genami.

Wytworzenie sztucznych genów i znalezienie sposobu ich udanego włączenia do aparatu genetycznego komórek rozwiąże też drugie szczególnie ważne zadanie nauk biologicznych — kie­rowanie zmiennością organizmów. Wiadomo, że zmiany dzie­dziczne, mutacje, mają charakter przypadkowy. Je­dynym znanym dotychczas sposobem uzyskania właściwego kierunku zmienności jest dobór, selekcja organizmów o pożą­danych dla człowieka kierunkach zmian. Skok jakościowy, prawdziwa rewolucja w genetyce stosowanej nastąpi wtedy, kiedy człowiek nauczy się uzyskiwać określone, pożądane dla siebie mutacje poprzez kontrolowane przemiany w ściśle okreś­lonych wycinkach genomu. Optymistycznie nastrojeni badacze przypuszczają, że na podstawie dalszych sukcesów genetyki molekularnej zadanie to, dziś brzmiące niemal fantastycznie, zostanie z powodzeniem zrealizowane w ciągu nadchodzących kilkudziesięciu lat. Można przypuszczać, że kiedy to nastąpi, pojawi się zagadnienie zastosowania tej kierowanej zmienności i do samego człowieka. Chyba ludzkość zwłaszcza na bardziej zaawansowanym szczeblu rozwoju społeczno-ekonomicznego i moralnego, nie wyrzeknie się podobnie potężnej metody po­lepszania właściwości biologicznych człowieka jako gatunku. Trudno, prawie niemożliwe jest już teraz rozpatrzyć wszystkie problemy o charakterze socjalnym, z którymi w praktyce zwią­zane będzie zastosowanie metod kierowania zmiennością gatunku ludzkiego. Możemy sobie jedynie życzyć, aby kiedy ludzkość dostanie w ręce taką możliwość, była na dostatecznie wysokim poziomie w swym rozwoju na to, żeby na nią zasłużyć i wyko­rzystać ją w sposób rozsądny. Dlatego, że sztuczne geny

i sztuczne wirusy w rękach nieuczciwych uczonych i polityków mogą stać się straszną bronią biologiczną. Niektórzy naukowcy już ostrzegają przed podobnym niebezpieczeństwem.

W znacznym stopniu właśnie od rozwoju biologii komórkowej

i molekularnej zależy, kiedy zostanie zrealizowane jedno z marzeń ludzkości — opanowanie Kosmosu. Bo przecież realizacja tego marzenia to nie tylko sprawa potężnych rakiet i doskonałej techniki. Długi pobyt w przestrzeni kosmicznej stawia komórki [ organizmy wobec szeregu niezwykłych warunków i oddziały­

wań, których biologiczny efekt nie tylko nie jest dotychczas opanowany, ale nie jest nawet dokładnie znany. Starczy, jeżeli przypomnimy o wpływie promieniowania kosmicznego na komórki. Oto dlaczego przy opanowywaniu Kosmosu równo­legle z rozwojem techniki trzeba dążyć do szybkiego rozwoju biologu i medycyny kosmicznej. A ich sukcesy zależą od roz­woju biologii komórkowej i molekularnej.

Najnowsze sukcesy w rozwoju badań nad komórką napełniły nową treścią jeszcze jedno zagadnienie biologiczne, medyczne

i społeczne i stworzyły nowe możliwości jego rozwiązania: problem starzenia się organizmów i człowieka. U organizmów wielokomórkowych starzenie się jest nieuniknionym etapem w ich rozwoju indywidualnym (ontogenetycznym). Już pod koniec ubiegłego wieku jasne się stało, że i organizmy jedno­komórkowe się starzeją, że jest to więc proces biologiczny właś­ciwy wszystkim komórkom. W poprzednim rozdziale mówiliśmy, już o tym, że komórki „odmładzają się” w procesie podziału a zwłaszcza przez mechanizm zapłodnienia.

Ale jeżeli u podstawy starzenia się organizmów wielokomór­kowych leży zużycie, starzenie komórek, to jasne jest, że w osta­tecznym rachunku także walka ze starzeniem się wymaga ujawnie­nia molekularnych i komórkowych podstaw tego procesu. Istnieje mnóstwo danych dowodzących, że nawet na poziomie komórki starzenie się stanowi proces ogromnie złożony, wielostronny, dotyczący struktury i funkcji prawie wszystkich organelli. Coraz więcej zwolenników ostatnio zdobywa sobie pogląd, że podstawową przyczyną starzenia się komórek są zmiany w biopolimerach — białkach i kwasach nukleinowych. Według tak zwanej genetycznej teorii starzenia się z biegiem czasu z powodu mutacji lub też zmian epigenetycznych w cytoplazmie, dokładność procesów transkrypcji i translacji programu gene­tycznego w komórce, czyli dokładność biosyntezy białka, maleje i co do jakości i co do ilości. Innymi słowy starzenie komórki wynika z tego, że zaczyna ona „popełniać błędy” w produkcji białka. A ponieważ większość białek to enzymy, jasne jest, że w starzejących się komórkach naruszona zostaje całość procesów przemiany materii, jej struktura i funkcje.

Stopniowo proces ten obejmuje coraz więcej komórek, poraża stosunki między komórkami, funkcje tkanek, narządów, całego organizmu.

W związku ze sprawą starzenia się warto też wspomnieć

o perspektywach otwierających się w najbliższych dziesięciole­ciach przed rozwojem problemu pobudzania i hamowania życiowych funkcji komórek. Przed półwieczem wybitny buł­garski biolog Metody Po po w stworzył pierwszą ogólnobiolo- giczną teorię pobudzania komórkowych procesów życiowych. Dzisiaj, kiedy docieramy do molekularnych mechani2hiów tych procesów, powstają nowe możliwości owocnego, rozwoju badań nad tą ważną dziedziną biologii komórkowej.

Spodziewane jest w niedalekiej przyszłości dostarczenie przez biologię komórkową ważnych danych do zbadania jednego z naj­bardziej zagadkowych procesów życia — zjawisk psychicznych. Nadszedł już czas, kiedy można przystąpić do badania material­nego nośnika pamięci. Wszystkie dane wskazują na to, że ślady zapamiętywania znajdują się w samych komórkach nerwowych. W ostatnich latach pojawiły się sensacyjne komunikaty o tym, że nosicielem substancjalnym pamięci jest RNA komórek ner­wowych. Dowody doświadczalne na to są jednak jeszcze nie­wystarczające. Mimo to jasne jest, że materialnym nośnikiem pamięci jako odmiany informacji biologicznej może być jedynie któryś z biopolimerów komórki, najprawdopodobniej RNA, a może kompleks RNA-białko. Problem ten jest już dziś nie przedmiotem abstrakcyjnych rozważań teoretycznych, lecz konkretnych badań eksperymentalnych. Nie jest już od­legły dzień, w którym zwierzęta doświadczalne, a później i sam człowiek, będą mogły pobierać naukę za pomocą substancji chemicznych. Wtedy obrazowe wyrażenie „nalać komuś oleju do głowy” nabierze najzupełniej konkretnego sensu z tą tylko różnicą, że nalewanie będzie się odbywało nie przez lejek, lecz strzykawką lub w inny jeszcze bardziej subtelny sposób.

Sukcesy w badaniach nad syntezą białek w komórkach dają nam podstawę do rozważania innego jeszcze problemu: pro­blemu kierowania biosyntezą białka. Nazwisko profesora K. Barnarda, słynnego chirurga, który jako pierwszy w sposób

udany przeszczepił serce ludzkie, znane jest dziś nawet dzieciom. Ale niewielu jest takich, którzy w dostatecznym stopniu zdają sobie sprawę z tego, że udane i trwałe przeszczepienie i prze­trwanie w stanie żywym takich organów i tkanek zależy nie od zręczności chirurga, lecz od tego, jak zostanie przezwyciężona ochronna bariera immunologiczna organizmu. Jedną z naj­bardziej charakterystycznych i konserwatywnych biologicznych właściwości wyższych zwierząt wielokomórkowych jest ich zdolność do „rozpoznawania” swoich komórek, odróżniania ich od obcych. Dzięki temu organizmy takie zwalczają z powodze­niem obce mikroorganizmy, które się do nich przedostały. Ten sam mechanizm służy organizmowi do uporczywej walki z każdą obcą tkanką, którą mu usiłujemy zaszczepić, i do jej usunięcia. Wiemy dziś, że likwidacja obcych komórek — mikro­bów czy tkanek przeszczepionych — spowodowana jest wytwa­rzaniem w organizmie specjalnych białek — przeciwciał. Z bio­chemicznego punktu widzenia proces ten jest szczególnym przy­padkiem syntezy białek specyficznych. Ważnym zadaniem naj­bliższych lat, zadaniem, nad którym i teraz wre uporczywa praca, jest to żebyśmy nauczyli się regulować wytwarzaniem przeciwciał w pożądanym dla nas kierunku: w jednych wypadkach, jak przy chorobach zakaźnych, pobudzać ich wytwarzanie, ale w innych, jak w wypadku przeszczepienia obcych tlkanek — hamować to wytwarzanie, czynić organizm niewrażliwym, immunoto- lerancyjnym wobec przeszczepionej tkanki. Środki, stosowane dzisiaj dla stłumienia reakcji odpornościowych organizmu, nie są zadowalające. Czytelnicy pamiętają, że w tym celu zastoso­wano u pierwszego pacjenta prof. Barnarda — L. Waskan- skiego — promienie rentgenowskie. Stosowane są też hormony w rodzaju kortyzonu i inne preparaty. We wszystkich tych wy­padkach porażona zostaje odporność jako całość, organizm nie może się bronić nie tylko przeciw przeszczepionej tkance, ale też przeciwko wszelkim obcym mikroorganizmom. Dlatego

i Waskanski łatwo padł ofiarą infekcji bakteryjnej.

Dzisiaj dokonywane są pierwsze uwieńczone powodzeniem kroki do znalezienia środków tłumiących odporność jedynie w stosunku do określonej obcej tkanki. Stwierdzone zostało,

że komórki wytwarzające przeciwciała stają się kompetentne immunologicznie (to znaczy mogą rozpoznawać obce anty­geny i wytwarzać przeciw nim przeciwciała) dopiero na krótko przed narodzeniem. Komórki zarodka takiej zdolności nie posiadają. Co więcej, jeżeli do embrionu wprowadzone zostaną obce komórki, obcy antygen, to jego komórki przyswajają ten antygen jako własny i jeżeli później dorosłemu organizmowi przeszczepić znów komórki tego samego rodzaju, z takimi sa­mymi właściwościami antygenowymi, to organizm nie odrzuca transplantatu, stał się bowiem tolerancyjny immunologicznie. Jednocześnie przeciw wszelkim innym obcym komórkom i anty­genom organizm taki działa z pełną siłą. Te badania, za które Medawar otrzymał w roku 1960 nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny, otwierają drogę do stworzenia stosowanych w praktyce metod specyficznej tolerancji immunologicznej. Żeby to zadanie zrealizować, potrzeba będzie o wiele więcej wiedzy o mechanizmach pobudzania i tłumienia produkcji przeciwciał w komórkach.

Szybkość, z jaką rozwijają się badania nad biosyntezą białek, daje nam podstawy do rozważań także nad drugą rokującą na­dzieje dziedziną przyszłości nauki: problemem sztucznej syn­tezy białek. Problem ten związany jest nie tylko z wielkim za­gadnieniem wyżywienia ludzkości, ale też z zadaniem podwyż­szenia produkcji niektórych wartościowych białek naturalnych. W roku 1964 po raz pierwszy zrealizowano chemiczną syntezę białka. Wyprodukowano insulinę — stosunkowo prosty poli- peptyd, złożony z 51 reszt aminokwasowych. To co w komórce dokonuje się w ciągu najwyżej kilku sekund, zostało po trzylet­nich wysiłkach przez cały kolektyw chemików dokonane przez przeprowadzenie 223 kolejnych reakcji chemicznych. To porów­nanie jasno wykazujące przewagę matrycowej syntezy białka w komórce nad chemiczną syntezą w retorcie stanowiącą re­zultat chaotycznego zderzania się cząsteczek, wykazuje, że w przyszłości także przy syntezie białek in vitro chemicy będą woleli stosować przede wszystkim zasadę matrycową. Zbliżymy się znacznie do rozwiązania tego zadania wtedy, kiedy zdołamy uzyskać różne rodzaje matrycowego (informacyjnego) RNA

z różnych typów zróżnicowanych komórek w postaci czystej, za zachowaniem ich aktywności biologicznej i w dostatecznej ilości. Da to możliwość przystąpienia do produkcji in vitro niektórych cennych białek naturalnych. Z drugiej strony przez wykorzystanie jako matryc syntetycznie wyprodukowanych polinukleotydów będzie można otrzymywać też nowe rodzaje białek, nie spotykane w przyrodzie, o nieznanych dotychczas właściwościach biologicznych. Wkraczamy tu już w dziedzinę fantastyki. Ale czyż w czasach WtJhlera dzisiejsze możliwości wytwórcze chemii syntetycznej nie wyglądałyby na fantastykę?

Na tym zakończymy naszą przechadzkę po przyszłości. Spodziewam się, że tego co tu powiedziałem wystarczy, żeby przekonać Czytelnika o tym, że czasy, w których biologię uwa­żano za suchą, gabinetową naukę, minęły bezpowrotnie. Nauka współczesna o życiu, biologia komórkowa i molekularna owiane są tchem romantyki, słychać w nich zew nieznanych światów, obiecują one radość z odkrywania spowitych jeszcze mgłą ta­jemnic. Mimo że wciąż jeszcze nie cieszą się tak masową po­pularnością, nauki te dzisiaj nie ustępują co do znaczenia i sto­jących przed nimi zadań, ani też co do rozmachu poszukiwań naukowych, co do rozległości pomysłowości i odwagi idei ba­dawczych, badaniom w dziedzinie lotów kosmicznych, fizyce atomowej ani naukom technicznym.

Jeżeli i wy, drodzy Czytelnicy, zamykając tę książkę przyłą­czycie się do tego poglądu, jeżeli to, czegoście się z niej dowie­dzieli, obudziło przynajmniej w niektórych z was pragnienie stanięcia w szeregach szturmujących nieodkryte jeszcze tajem­nice komórki, będzie to najpiękniejszą nagrodą za włożony w nią przez autora wysiłek.