Intrikathet og Design: Enzymer -dechiffrering av molekylær koreografi av livet

Av Otangelo Gtrasso via FB.

Bilde 1. Enzymer -omtale

Wimmer, E., & Martin, W. (2022): I 1910 konkluderte den russiske biologen Constantin Mereschkowsky at de første cellene sannsynligvis var anaerober som hadde evnen til å overleve temperaturer nær kokepunktet for vann og som var i stand til å syntetisere proteiner og karbohydrater fra uorganiske forbindelser uten hjelp av klorofyll.. Ved tørrvekt er en typisk celle (en livsenhet) laget av omtrent 50 % protein, 20 % RNA, 3 % DNA, CA. 10 % sakkarider og cellevegg, CA. 10 % lipider, og noen metabolitter. Cellen inneholder omtrent 10.000 ribosomer, som lager proteinene, og prosessen med proteinsyntese bruker omtrent 75 % av det biosyntetiske ATP -budsjettet med proteinene som hovedsakelig tjener som enzymer som katalyserer reaksjonene som gjør mer av ribosomene som gjør mer av proteinene Det gjør mer av cellen osv. I det som noen ganger virker som et uendelig kylling- og eggproblem designet for å frustrere forskere som prøver å forstå livets opprinnelse.

Celler selvorganiserer materie til å ligne på seg selv. Den selvorganisasjons-egenskapen til celler er ikke åpenbar. For Schrödinger så det ut til at selvorganiseringsaspektet motvirker entropibegrepet. Det er rettferdig å si at katalysatorer var essensielle i opprinnelse, fordi uten katalysatorer er for mange kjemiske reaksjoner i livet, bare for trege. Uten enzymer som katalysatorer, ville mange av reaksjonene i en celle være mer enn 10 størrelsesordrer tregere enn uten enzymet. Hvis bare en essensiell reaksjon av en celle er 10 størrelsesordner tregere enn de andre, endres doblingstiden for vekst fra omtrent 20 minutter til omtrent 150 000 år. (2)

Bilde 2. Enzymer -fint tilpasset substratet

Kommentar: Man kan ikke la være å bli overrasket av den rene kompleksiteten og presisjonen som eksisterer i selv de mest grunnleggende enhetene i livet, cellen. Når man dykker inn i de indre virkningene av disse mikrokosmosene, er den forbløffende harmonien og orden som finnes innenfor tydelig. Hvordan, kan man lure på, kan så presise, koordinerte systemer oppstå gjennom bare sjanse? Tenk på den første hypotesen som ble stilt i 1910 av den russiske biologen, Constantin Mereschkowsky. Han trodde de første cellene sannsynligvis var hardføre anaerober, i stand til å motstå nær kokende temperaturer, lage proteiner og karbohydrater uten bruk av klorofyll. En slik original celle virker nesten som et vidunder av ingeniørfag - effektiv, spenstig og utrolig flink. Når vi går fremover i kompleksitet, når vi analyserer sammensetningen av en typisk celle, er intrikatet igjen tydelig. Omtrent halvparten av tørrvekten er protein. Men dette er ikke bare noen proteiner. Dette er høyt spesialiserte molekylære maskiner, hver designet for spesifikke oppgaver i cellen. Forholdet mellom komponenter, fra proteiner til RNA og DNA, og til og med lipider og sakkarider, antyder en bevisst balanse. Komponentene blir ikke tilfeldig kastet sammen, men er i forhold som lar cellen fungere optimalt. Videre er cellens proteinsyntesemaskiner, ribosomene, et annet vidunder. At omtrent 75% av cellens biosyntetiske ATP -budsjett forbrukes i denne prosessen er et vitnesbyrd om hvor avgjørende det er. Og likevel virker denne prosessen nesten paradoksal, ettersom proteiner lager ribosomer som igjen lager flere proteiner. Det er en vakkert orkestrert syklus som virker nesten uendelig i designet, en mesterlig dans av molekylære komponenter.

Kanskje et av de mest dyptgripende mysteriene er den selvorganiserende egenskapen til celler. I et univers som styres av den andre termodynamiske loven, der systemer har en tendens til å bevege seg mot uorden, står cellen som et fyrtårn for orden og organisering. Det tar inn råvarer og lager dem til presise, funksjonelle strukturer, trosser entropi på en måte som ville ha undret seg selv store sinn som Schrödinger. Til slutt kan betydningen av katalysatorer i dette storslåtte designet ikke undervurderes. Uten enzymer for å fremskynde reaksjoner, ville cellulære prosesser være så trege at livet som vi vet at det ville være umulig. Det faktum at man bremset reaksjonen kan endre en celles vekstrate fra minutter til årtusener understreker presisjonen som kreves for at livet skal eksistere. Et av de mest forvirrende spørsmålene i biologi angår fremveksten av katalysatorer, spesifikt enzymer, som kan akselerere reaksjoner med flere størrelsesordener. Slik effektivitet er ikke umiddelbart intuitiv når man vurderer tilfeldigheten som ligger i det tidlige molekylære miljøet. Enzymer i dag viser bemerkelsesverdig spesifisitet, og virker på bestemte underlag med en presisjon som stemmer overens med en lås og nøkkelmekanisme. Denne høye spesialiseringsgraden antyder en prosess med finjustering som går utover bare prøving og feiling. Det første utseendet til rudimentære katalysatorer utgjør et annet puslespill. Hvordan forener man eksistensen av tidlige molekyler som er i stand til å akselerere reaksjoner, til og med litt, uten rammen av komplekse metabolske veier som vi observerer i moderne celler? Intrikatheten i disse traséene, der ett enzym forbereder et underlag for et annet, i et enormt sammenkoblet nettverk, speiler planleggingen som er observert i byinfrastruktur.

Bilde 3. Enzymer samvirker for bedre funksjon

Akkurat som byveier, motorveier og kryss er lagt ut med et klart mål i tankene, viser sekvensene og tilbakemeldingssløyfene i metabolske veier et nivå av framsyn. Sekvensene er så nøye orkestrert at til og med en mindre forstyrrelse kan føre til en kaskade av feil, noe som understreker viktigheten av hver komponents rolle og timing. Dessuten kan miljøet som disse reaksjonene oppstår i, ikke overses. Moderne celler er innkapslet i spesialiserte membraner som opprettholder homeostase, noe som sikrer at forholdene er optimale for utallige reaksjoner som finner sted innenfor. Det tidlige utseendet til slike beskyttende barrierer, selv i en rudimentær form, reiser spørsmål om deres fremvekst. Disse barrierer konsentrerer ikke bare essensielle molekyler, men beskytter dem også mot ytre motganger, noe som gir mulighet for den typen presisjonskjemi som understøtter livet. Graden av presisjon, framsyn og sammenkobling observert i enzymatiske reaksjoner, metabolske veier og det cellulære miljøet peker på et orkestrasjonsnivå som utfordrer konvensjonelle forklaringer, utelukkende basert på ikke-styrt tilfeldighet. De grundige arrangementene og avhengighetene som er observert i disse systemene, antyder en ledende intelligens bak deres dannelse og optimalisering.