Zjawisko molekularnej komplementarności odkrył laureat Nagrody Nobla Paul Ehrlich. Jako student pracował z nowoodkrytymi barwnikami anilinowymi, których używał do barwienia komórek biologicznych. Stwierdził, że każdy barwnik barwił tylko określony typ tkanki albo określony gatunek bakterii, ale nie inne. Cząsteczki barwnika krążą w roztworze aż znajdą miejsce wiążące, dokładnie pasujące do wzoru atomów w jednym z jego bocznych łańcuchów. Dla stabilności komplementarność „zamka" i „klucza" nie powinna być tylko przestrzenna, ale także elektrostatyczna; inaczej specyficzność nie jest bardzo mocna. Nie tylko dwa kształty powinny być komplementarne, także regiony nadmiarowego ładunku dodatniego na jednej cząsteczce powinny być komplementarne do regionów nadmiarowego ładunku ujemnego na drugiej. Poniżej podaję kilka przykładów przestrzennej i ładunkowej komplementarności w Naturze:

· Komplementarność między aktywnym miejscem w enzymie i substratem enzymu.
· Dobrze znana „komplementarność par zasad" w DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy). [Omówię to później].
· Samoporządkowanie wirusów i organelli wewnątrzkomórkowych.
· Receptory ulokowane na powierzchni komórek wiążą tylko bardzo ograniczoną liczbę substratów (często tylko jeden). Receptor jest zwykle znacznie bardziej złożony (większy) niż substrat (hormon), który się z nim wiąże, jak wskazuje załączony szkic.

Zespoły supramolekularne, tworzące się normalnie w niemal zwykłych warunkach, zazwyczaj nie wymagają oddziaływania kowalentnego. Zamiast tego rządzą nimi słabe, tj. niekowalentne lub drugorzędne oddziaływania (van der Waalsa; słabe Coulomba; wiązanie wodorowe; hydrofobowe itd.). Ze względu na tę cechę wiązania w zespołach supramolekularnych w temperaturze pokojowej lub jej bliskiej mogą zostać z łatwością rozrywane i przekształcane w sposób dający się odwrócić w czasie, aż cały układ znajdzie najbardziej stabilną konfigurację. Odwracalność wiązania jest bardzo ważną cechą samoporządkowania się przez rozpoznawanie molekularne.

Materiały biologiczne i inne miękkie materiały mogą samo porządkować się w rozmaite kształty i w szeroki wachlarz skal długości. Zazwyczaj jest tam trochę wody, a najważniejszym czynnikiem pośredniczącym w samoporządkowaniu jest oddziaływanie hydrofobowe. Nawiasem mówiąc, samoporządkowanie per se jest znacznie bardziej powszechnym zjawiskiem niż tylko samoporządkowanie molekularne. Oto niektóre przykłady: kolonie bakterii; ule; mrowiska; ławice ryb; wzory pogodowe; także galaktyki.

Samoporządkowanie może być albo statyczne, albo dynamiczne. To pierwsze zachodzi w układach, które są w stanie lokalnej lub globalnej równowagi i które nie rozpraszają energii (np. kryształy). Dynamiczne samoporządkowanie jest istotniejsze z punktu widzenia ewolucji złożoności i zawsze obejmuje rozpraszanie energii. Oto niektóre przykłady: reakcje oscylujące i dyfuzyjne; wzory pogody; galaktyki.

Słabe oddziaływania z energiami porównywalnymi do energii temperaturowych zapewniają, że wiązania mogą tworzyć się i rozpadać aż osiągnięta zostanie uporządkowana konfiguracja o najniższej energii.

Wzrost kryształów molekularnych jest tego przykładem. Odwracalność implikuje także, że powstający (samoporządkujący się) układ jest przez cały czas bliski stanu równowagi.

8.5 Ewolucyjne projektowanie leków

Jako małą dygresję chcę tutaj wspomnieć użycie idei „zamka i klucza" do tworzenia leków. Bardzo często, żeby lek był skuteczny, jego struktura molekularna powinna być taka, by dokładnie pasował w odpowiednią szczelinę w cząsteczce białka. Bardziej ogólnie, działanie leku osiąga się przez wiązanie jednej cząsteczki tj. „liganda" do kieszonki drugiej, zazwyczaj większej cząsteczki — receptora. W swojej wiążącej konformacji cząsteczki wykazują komplementarność geometryczną i chemiczną, a obie są niezbędne, by lek działał.

Syntetyzowanie wszystkich tych próbnych leków i testowanie ich zgodności z szczeliną w cząsteczce białka potrafi być bardzo kosztowne. Dlatego też używa się komputerów do przeprowadzania tak zwanego "ewolucyjnego obliczania". Kody komputerowe generują losowo cząsteczki leku, które testują wobec szczeliny w białku. Jedna taka wyobrażona cząsteczka może zawierać miejsce, które pasuje do jednego z, powiedzmy, sześciu miejsc w szczelinie. Ta cząsteczka zostaje „dobrana" (daje „korzyść ewolucyjną") i tworzy się miliard jej odmian, po czym testuje je odpowiednim „testem dostosowania". Kontynuuje się to w następnym pokoleniu próbnych cząsteczek aż osiągnie się najlepszy kształt leku. W kolejnym artykule, po wprowadzeniu podstaw ewolucji biologicznej, omówię taką „sztuczną ewolucję". Jak powiedział Kevin Kelly (1994): „Ewolucyjne hodowanie leków jest przyszłością biotechnologii".

8.6 Wirus mozaiki tytoniowej

Rozważam tutaj przykład wirusa mozaiki tytoniowej (TMV), żeby zilustrować mglistą, być może nieistniejącą, linię między życiem i nie-życiem. Każdy wirus (włącznie z TMV) ma typowo trzon z RNA i otoczkę z białka. Można rozdzielić te dwa składniki, oczyścić je i zmagazynować w laboratorium. W dowolnym późniejszym czasie można zmieszać i inkubować te składniki i TMV zrekonstruuje się przez samoporządkowanie. Zrekonstruowany TMV nie tylko powraca do „życia", ale może także rozmnażać się, jeśli umieści się go na liściu tytoniu!

8.7 Zawdzięczamy życie wiązaniu wodorowemu

Życie i jego ewolucja zależą od wiązania wodorowego. To wiązanie jest znacznie słabsze niż wiązanie kowalentne, niemniej wystarczająco silne, by podtrzymać samoporzadkujące się struktury biologiczne, umożliwiając im wytrzymanie niszczących wpływów fluktuacji temperaturowych i innych zakłóceń. Wiązanie wodorowe i związane z nim oddziaływanie hydrofobowe ma właściwy rodzaj siły, by umożliwić samoporządkowanie się superstruktur bez potrzeby nieodwracalnych reakcji chemicznych. Istnieje silny element odwracalności związany z tymi słabymi oddziaływaniami, które umożliwiają spontaniczne tworzenie i rozłamywanie zespołów, aż osiągną konfigurację o najniższej energii swobodnej.

8.8 Samoorganizacja

Ilość informacji zawarta w zorganizowanej lub złożonej materii jest bardzo wysoka. Ta informacja rozkłada się w kształtach cząsteczek składowych i we wzorach interakcji między nimi. Nagromadzanie się tej informacji wymaga serii kolejnych etapów: rozpoznanie molekularne; samoporządkowanie; samoorganizacja (self-organisation); adaptacja chemiczna i ewolucja. Już rozważaliśmy dwie pierwsze. Skupmy się teraz na samoorganizacji.

Lehn (2002) zdefiniował samoorganizację jako „spontaniczne, ale kierowane informacją tworzenie zorganizowanych, funkcjonalnych struktur w warunkach równowagi". Informacja („kodowanie") niezbędna do samoorganizacji zawarta jest w rozpoznaniu molekularnym i skłonnościach do samoporządkowania cząstek składowych. To kodowanie określa także jak samoporządkująca się budowla samoorganizuje się w funkcjonalną strukturę w stanie równowagi. W mojej książce Smart Structures: Blurring the Distinction between the Living and the Nonliving (2007) znajduje się przegląd różnych typów kodowania dla samoorganizacji.

Samoorganizacja jest zjawiskiem znacznie bardziej wszechobecnym niż tylko coś, co dzieje się na poziomie molekularnym. Oto kilka przykładów:

· Laser jest samozorganizowanym systemem. We właściwie skonstruowanych warunkach fotony spontanicznie grupują się w konfigurację, w której wszystkie poruszają się w fazie, czego wynikiem jest potężna wiązka laserowa.
· Huragan jest samozorganizowanym systemem. Stały przypływ energii ze Słońca, ciągnie wodę z oceanów, jak również napędza wiatr. Łagodne wiatry tropikalne mogą wyrosnąć w zorganizowaną konfigurację huraganu, kiedy przekraczają pewien krytyczny próg.
· Żywa komórka jest samozorganizowanym systemem, który organizuje się cały czas, zależnie od środowiska.
· Gospodarka jest samoorganizującym się systemem. Popyt na dobra i usługi, jak również popyt na siłę roboczą nieustannie organizuje gospodarkę w spontaniczny sposób bez żadnej kontrolującej władzy centralnej.

8.9 Adaptacja chemiczna i ewolucja

Przy danym zestawie warunków cząsteczki w układzie mają tendencję do samoorganizowania się tak, by zminimalizować ogólną energię swobodną. To jest adaptacja chemiczna. Załóżmy teraz, że ten zestaw warunków zmienia się. Jest to bardzo prawdopodobne, właściwie nieuniknione, bo mamy do czynienia z otwartym systemem. Musi nastąpić kolejna runda samoorganizacji, jak zawsze rządzona przez drugą zasadę termodynamiki. To jest chemiczna ewolucja. Ponadto zestaw zmieniających się warunków, tj. zmieniające się środowiska, jakiego doświadczają cząsteczki, niekoniecznie musi być zewnętrzne dla zestawu cząsteczek. Także wewnętrzne zmiany w systemie molekularnym stanowią zmienione środowisko dla każdego członka tego zestawu. A konfiguracje molekularne zmieniają się bez przerwy. Tak więc, adaptacja i ewolucja chemiczna zdarza się w otwartym systemie cząsteczek (włącznie z naszym ekosystemem) przez cały czas.

Można szukać analogii z ewolucją darwinowską, żeby zobaczyć, czy „dobór naturalny" (tj. selekcja molekularna) i „przetrwanie najlepiej przystosowanych" zdarzają się także w ewolucji chemicznej. Odpowiedź brzmi „tak", ponieważ kiedy zasoby są ograniczone, istnieje konkurencja między alternatywnymi ścieżkami molekularnych reakcji i tylko najlepiej przystosowane ścieżki mogą przetrwać, jeśli chodzi o konsumpcję cząsteczek prekursorowych i bogatych w energię. Takie rozważania wzbudziły specjalne zainteresowanie pochodzeniem cząsteczek podtrzymujących życie. Pionierską pracę w tym kierunku wykonał Melvin Calvin (1969), który wprowadził koncepcję autokatalizy jako mechanizmu doboru molekularnego. Będę omawiał autokatalizę w następnym artykule.

8.10 Uwagi końcowe

Idea zamka i klucza jest zasadnicza dla wyjaśnienia ewolucji w Naturze cząsteczek i zespołów molekularnych o wzrastającej złożoności. Dwie cząsteczki mogą normalnie oddziaływać na siebie tylko w słaby sposób, ale dokładne dopasowanie części tych dwóch cząsteczek do siebie może prowadzić do znacznie silniejszego stopnia spoistości (kohezji) między nimi, ponieważ „dotykają się" lub przyciągają wzajemnie w wielu punktach.

Po przeczytaniu tego tekstu, czytelnicy często wybierają też: Złożoność wyjaśniona. Część 9 Petycja uczniów w sprawie symboli religijnych w szkole

Zobacz komentarze (6)..

Wyślij mailem..

Wersja do druku    PDF    MS Word

Vinod K. Wadhawan Induski emerytowany fizyk atomowy, współwydawca portalu PHASE TRANSITIONS, publicysta, autor wielu książek.  Strona www autora  Liczba tekstów na portalu: 20  Pokaż inne teksty autora  Najnowszy tekst autora: Brzytwa Ockhama