Το χημικό «αλφάβητο» της ζωής στη Γη

Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί στη Γη κατάγονται από έναν κοινό πρόγονο – μια μονοκυτταρική μορφή ζωής που έζησε πριν από 3,5 με 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια και από την οποία κατάγεται κάθε βακτήριο, κάθε ζωύφιο, κάθε άνθρωπος που ζει ή έζησε ποτέ σ’ αυτόν τον πλανήτη.

Από αυτούς τους μικροσκοπικούς προγόνους, η ζωή στη Γη κληρονόμησε ό,τι χρειαζόταν για τον πολλαπλασιασμό και την επιβίωσή της: προστατευμένα μέσα σε μεμβράνες από λιπίδια, αυτά τα μικροσκοπικά κύτταρα είχαν φυλαγμένη τη γενετική πληροφορία, γραμμένη σ’ ένα χημικό αλφάβητο που μπορούσε να μεταφραστεί σε πρωτεΐνες, απαραίτητα συστατικά της ζωής. Ηταν πλέον έτοιμα να κατακτήσουν τον κόσμο.

Το αλφάβητο της γενετικής πληροφορίας έχει μόνο τέσσερα γράμματα -οι δομικοί του λίθοι, τα νουκλεοτίδια, είναι σάκχαρα παρόμοια με τη γλυκόζη, τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους γιατί είναι ενωμένα με τέσσερις διαφορετικές χημικές βάσεις- για το γνωστό μας DNA ή δεσοξυριβονουκλεϊκό οξύ, αυτές είναι οι αδενίνη (A), θυμίνη (T), γουανίνη (G) και κυτοσίνη (C).

Το άλλο νουκλεϊκό οξύ, το RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ), έχει στη θέση της θυμίνης την ουρακίλη (U). Με αυτά τα τέσσερα γράμματα στη σειρά είναι γραμμένη όλη η πληροφορία που χρειάζεται ένας οργανισμός για να ζήσει και να αναπαραχθεί – οι αλυσίδες του ανθρώπινου DNA σε κάθε κύτταρο έχουν μήκος 2 μέτρων.

Η επιτυχία αυτών των μορίων ως αποθηκευτικών μέσων ήρθε χάρη στην ιδιότητά τους να αντιγράφουν τον εαυτό τους: ζευγαρώνοντας τις βάσεις τους με «τουβλάκια» με τα οποία έχουν χημική συγγένεια (το Α με το Τ, το G με το C) φτιάχνουν ένα «συμπληρωματικό» μόριο που φέρει την ίδια γενετική πληροφορία.

Το DNA, σε αντίθεση με το RNA, είναι «δίκλωνο» -τα δύο συμπληρωματικά μόρια είναι τυλιγμένα μεταξύ τους στη διάσημη «διπλή έλικα», προστατεύοντας και σταθεροποιώντας το ένα το άλλο- γι’ αυτό και το DNA παραγκώνισε το ριβονουκλεϊκό οξύ, που εμφανίστηκε πρώτο, ως ο αποθηκευτικός «σκληρός δίσκος» των οργανισμών.

Όμως η δουλειά του RNA δεν είχε τελειώσει – αυτό το σχετικά ασταθές μόριο είναι ο ενδιάμεσος κρίκος ανάμεσα στη γενετική πληροφορία και τη σύνθεση των πρωτεϊνών. Φανταστείτε το γενετικό υλικό σαν ένα βιβλίο, από το οποίο το κύτταρο θέλει να διαβάσει μια παράγραφο-γονίδιο.

Αν έπρεπε να διαβάσει τις χιλιάδες σελίδες του βιβλίου για μα μόνο πρωτεΐνη θα ήταν σπατάλη χρόνου και πόρων – γι’ αυτό το κύτταρο «βγάζει φωτοτυπίες» από το γενετικό του υλικό: φτιάχνει μόρια ριβονουκλεϊκού οξέος συμπληρωματικά προς την πληροφορία που θέλει να χρησιμοποιήσει. Όμως, η ποικιλία των διαφορετικών πρωτεϊνών, που αποτελούν το δομικό υλικό, τους καταλύτες και τις μοριακές μηχανές των οργανισμών, απαιτεί περισσότερες επιλογές από τους συνδυασμούς που μπορούν να δώσουν οι τέσσερις βάσεις του γενετικού υλικού.

Έτσι ως δομικός λίθος των πρωτεϊνών επιλέχθηκαν 20 κύρια αμινοξέα, τα οποία μπορούν να δώσουν ακόμα περισσότερους συνδυασμούς. Η μετάβαση από τις τέσσερις βάσεις του χημικού υλικού στα 20 γράμματα των πρωτεϊνών έγινε χάρη σε έναν κώδικα – τον γενετικό κώδικα, που είναι κοινός σε όλους τους οργανισμούς πάνω στη Γη.

Μ’ αυτόν τον τρόπο μπορούμε σήμερα να φτιάξουμε την τεχνητή ινσουλίνη, που έχει σώσει εκατομμύρια ζωές δίνοντας σε ταπεινά βακτήρια την απαραίτητη γενετική πληροφορία από το ανθρώπινο γονίδιο – κι αυτά μπορούν να τη διαβάσουν και να μας δώσουν μια πανομοιότυπη πρωτεΐνη…

Ο γενετικός κώδικας και το χτίσιμο των πρωτεϊνών

Οι πρωτεΐνες όλων των οργανισμών, από την απαρχή της ζωής, χτίζονται με 22 χημικές ενώσεις, τα πρωτεϊνογόνα αμινοξέα, μικρά χημικά μόρια τα οποία ο οργανισμός δέχεται από την τροφή του ή συνθέτει από απλούστερες ενώσεις. Η επιλογή της σειράς των αμινοξέων για τη συναρμολόγηση των πρωτεϊνών γίνεται σε αντιστοιχία με την πληροφορία του γενετικού υλικού.

Το RNA «διαβάζεται» από ειδικά οργανίδια του κυττάρου, τα ριβοσώματα, ανά τρία νουκλεοτίδια /γράμματα. Οι τέσσερις βάσεις (Α, U, G, C) μπορούν έτσι να συνδυαστούν σε 64 διαφορετικές τριάδες – καθεμία από αυτές τις 64 «λέξεις», γνωστές ως «κωδικόνια» αντιστοιχεί σε ένα από τα 20 κύρια πρωτεϊνικά αμινοξέα. Η αντιστοιχία καθορίζεται από τον καθολικό κώδικα της γενετικής πληροφορίας.

Όπως είναι ευνόητο, υπάρχουν περισσότερα «ονόματα» απ’ ό,τι αμινοξέα – έτσι ο κώδικας είναι εκφυλισμένος, δηλαδή ένα αμινοξύ μπορεί να αντιστοιχεί σε παραπάνω από μία τριάδες. Αυτή είναι μια «κρυφή» δικλίδα ασφαλείας: Οταν σε ένα αμινοξύ αντιστοιχούν παραπάνω από μία τριάδες, αυτές διαφέρουν στη δεύτερη ή, πιο συνηθισμένα, μόνο στην τρίτη βάση του.

Έτσι, ακόμα και όταν ένα λάθος στην αντιγραφή του γενετικού υλικού οδηγήσει σε αλλαγή μιας βάσης, υπάρχει αυξημένη πιθανότητα αυτή να οδηγήσει στο ίδιο αμινοξύ, άρα στην ίδια τελικά πρωτεΐνη. Πρόκειται για μια «σιωπηλή μετάλλαξη», έναν από τους πολλούς τρόπους με τους οποίους το γενετικό υλικό προστατεύει την πληροφορία (και τον οργανισμό μας) από τα τυχαία λάθη των χημικών αντιδράσεων.

* Κάθε ημέρα, οι συνεργάτες του μη κερδοσκοπικού οργανισμού επικοινωνίας επιστημονικών θεμάτων στο ευρύ κοινό SciCo παρουσιάζουν με απλά λόγια ένα θέμα που φέρνει την επιστήμη πιο κοντά μας.

** Το άρθρο δημοσιεύθηκε στην εφημερίδα «Φιλελεύθερος», αρ. φύλλου 63.