Raugoties mikroskopā

ŠŪNU mēdz dēvēt par dzīvības pamatvienību. Dzīvās būtnes — augi, kukaiņi, dzīvnieki, cilvēki — sastāv no šūnām. Gadu gaitā zinātnieki ir cītīgi pētījuši norises, kas notiek šūnu iekšienē, un ir atraduši atbildes uz daudzām molekulārbioloģijas un ģenētikas mīklām. Papētīsim šūnas tuvāk un aplūkosim, ko zinātnieki ir izdibinājuši par šīm mikroskopiskajām dzīvības vienībām.

Ieskats mikroskopiskajā pasaulē

Šūnām ir dažāda forma: vienas ir taisnstūrainas, citas — kvadrātveidīgas, vēl citas — apaļas vai ovālas, vai neregulāras. Tādam vienšūnas organismam kā amēbai vispār nav noteiktas formas. Amēbai pārvietojoties, tās apveidi mainās. Interesanti, ka bieži vien pēc šūnas formas var spriest par tās funkcijām. Piemēram, daļa muskuļu šūnu ir garas un tievas, un, veicot savu darbu, tās saraujas. Savukārt nervu šūnām, kas vada nervu impulsus pa visu ķermeni, ir zariem līdzīgi izaugumi.

Arī šūnu izmēri ir atšķirīgi, bet vairākums no tām ir pārāk mazas, lai tās varētu redzēt ar neapbruņotu aci. Lai aptuveni iztēlotos vidēji lielas šūnas izmērus, paskatieties uz punktu šī teikuma beigās: uz tā varētu novietot ap 500 vidēja lieluma šūnu. Ja šie izmēri šķiet ļoti niecīgi, padomājiet par to, ka dažu baktēriju šūnas ir vēl kādas 50 reizes mazākas. Bet kura ir vislielākā šūna? Šis gods pieder strausa olas dzeltenumam — gigantiskai šūnai apmēram tenisa bumbiņas lielumā.

Tā kā lielākā daļa šūnu ar neapbruņotu aci nav saskatāmas, to pētīšanai zinātnieki izmanto dažādus instrumentus, piemēram, mikroskopu.a Tomēr pat ar tiem daudzus sarežģītus šūnas struktūrelementus nav iespējams pilnībā izšķirt. Ar elektronmikroskopu šūnas attēlu var palielināt ap 200 000 reižu — tādā palielinājumā maza skudriņa izskatītos gandrīz kilometru gara. Taču pat tik daudzkārtīgs palielinājums nav pietiekams, lai redzētu visus šūnas elementus.

Zinātnieki ir konstatējuši, ka šūna ir apbrīnojami sarežģīta. Fiziķis Pols Deiviss savā grāmatā The Fifth Miracle (Piektais brīnums) raksta: ”Ikviena šūna ir pilna ar sīciņiem veidojumiem, kas varētu būt nākuši taisnā ceļā no kādas mehāniķa rokasgrāmatas. Tur ir papilnam visvisādu mazītiņu pincešu, šķērīšu, sūkņu, motoru, sviru, vārstu, cauruļu, ķēžu un pat transportlīdzekļu. Bet, protams, šūna nav tikai instrumentu soma. Dažādie komponenti veido saskaņoti funkcionējošu, vienotu sistēmu, kas atgādina rūpīgi projektētu ražošanas līniju.”

DNS — iedzimtības molekula

Cilvēki, tāpat kā daudzšūnu augi un dzīvnieki, sākas no vienas šūnas. Sasniegusi noteiktu lielumu, tā dalās, un rodas divas šūnas. Tad šīs divas šūnas dalās, un rodas četras šūnas. Turpinot dalīties, šūnas diferencējas — kļūst atšķirīgas un veidojas par muskuļu šūnām, nervu šūnām, ādas šūnām un tā tālāk. Šim procesam virzoties uz priekšu, daudzas šūnas apvienojas grupās un veido audus, piemēram, muskuļu šūnas veido muskuļaudus. No dažādiem audiemveidojas orgāni — sirds, plaušas, acis un citi.

Zem plānā apvalciņa, kas sedz šūnu, ir želejveidīgs šķidrums, ko sauc par citoplazmu. Tajā atrodas kodols, ko no citoplazmas atdala plāna membrāna. Kodolu mēdz saukt par šūnas vadības centru, jo tas vada gandrīz visu, kas šūnā notiek. Kodolā glabājas šūnas ģenētiskā programma, kas ierakstīta dezoksiribonukleīnskābē jeb DNS.

Savītas ciešā spirālē, DNS molekulas atrodas šūnas hromosomās. Mūsu gēni — DNS molekulu sektori — satur visu informāciju, kas nepieciešama, lai mēs būtu tādi, kādi esam. ”Ģenētiskā programma, kas ietverta DNS, atšķir ikvienu dzīvu būtni no visām citām,” sacīts The World Book Encyclopedia. ”Šī programma padara suni atšķirīgu no zivs, zebru — no rozes un vītolu — no lapsenes. Tā padara katru cilvēku atšķirīgu no visiem citiem cilvēkiem uz zemes.”

Informācijas daudzums, ko satur vienas vienīgas cilvēka šūnas DNS, ir milzīgs. Šī informācija varētu aizņemt apmēram miljonu tik lielu lappušu kā šī. Tā kā DNS pārzina iedzimtības informācijas nodošanu no vienas šūnu paaudzes nākamajai, to mēdz dēvēt par visas dzīvības ģenerālplānu. Bet kā izskatās DNS?

DNS sastāv no diviem pavedieniem, kas apvijušies viens ap otru, un pēc formas līdzinās spirālē sagrieztām virvju kāpnēm. Savā starpā šos pavedienus savieno četru par bāzēm sauktu komponentu kombinācijas. Katra bāze, kas atrodas uz viena pavediena, ir savienota pārī ar bāzi uz otra pavediena. Šie bāzu pāri veido spirālē savīto DNS kāpņu kāpšļus. Ģenētiskā informācija, ko glabā DNS molekula, ir atkarīga no kārtības, kādā ir sarindotas tās bāzes. Vienkārši sakot, šī secība mūsos nosaka gandrīz visu, sākot ar matu krāsu un beidzot ar deguna formu.

DNS, RNS un olbaltumvielas

Olbaltumvielas ir makromolekulas, ko šūnas satur vislielākajā daudzumā. Ir aprēķināts, ka lielākajai daļai organismu tās veido vairāk nekā pusi no sausnes kopējā svara. Olbaltumvielas sastāv no komponentiem, ko sauc par aminoskābēm. Dažas aminoskābes mūsu organisms ražo pats, turpretī citas ir jāiegūst no uzņemtās pārtikas.

Olbaltumvielas pilda daudz dažādu uzdevumu. Piemēram, tāda olbaltumviela kā hemoglobīns, ko satur sarkanie asinsķermenīši, iznēsā skābekli pa visu organismu. Antivielas savukārt palīdz organismam atvairīt slimības. Citas olbaltumvielas, piemēram, insulīns, palīdz pārstrādāt uzturvielas un regulē dažādas šūnu funkcijas. Kopumā cilvēka organismā ir tūkstošiem dažādu olbaltumvielu, un vienā pašā šūnā to skaits var sasniegt vairākus simtus.

Katra olbaltumviela pilda savu īpašo uzdevumu, ko nosaka attiecīgais DNS gēns. Bet kā DNS gēnā iekodētā ģenētiskā informācija tiek atšifrēta, lai izveidotu konkrēto olbaltumvielu? Kā attēlots shēmā ”Kā tiek sintezētas olbaltumvielas”, DNS ietvertā ģenētiskā informācija vispirms ir jāpārnes no šūnas kodola uz citoplazmu, kur atrodas ribosomas — olbaltumvielu ražošanas ”fabrikas”. Šī pārnešana tiek īstenota ar starpnieka — ribonukleīnskābes (RNS) — palīdzību. Citoplazmā novietotās ribosomas ”izlasa” RNS instrukcijas un savieno aminoskābes pareizajā secībā, lai radītu konkrēto olbaltumvielu. Kā redzams, starp DNS, RNS un olbaltumvielu sintēzi pastāv cieša saistība.

Kā ir sākusies dzīvība?

Zinātnieki jau gadu desmitiem aizrautīgi nododas pētījumiem ģenētikas un molekulārbioloģijas jomā. Fiziķis Pols Deiviss skeptiski raugās uz to, ka visa cēlonis varētu būt Dievs, tomēr viņš atzīst: ”Ikvienai molekulai ir konkrēts uzdevums un noteikta vieta vispārējā sistēmā, tā ka tiek ražoti pareizie objekti. Visu laiku notiek pārvietošanās šurp turp. Molekulām ir jāšķērso šūna un jāsatiekas ar citām molekulām īstajā vietā un laikā, lai pareizi veiktu savu darbu. Tas viss norisinās bez jebkāda priekšnieka, kas izrīkotu molekulas un virzītu tās uz turieni, kur tām jānonāk. Nav nekāda uzrauga, kas kontrolētu molekulu darbību. Tās gluži vienkārši dara to, kas molekulām jādara: akli mētājas apkārt, saskrienas, atlec cita no citas, savienojas. [..] ..kaut kā šiem nesaprātīgajiem atomiem izdodas apvienot savus pūliņus un kopīgiem spēkiem nevainojami precīzi izdejot dzīvības deju.”

Pamatotu iemeslu dēļ daudzi, kas ir pētījuši šūnu iekšējo uzbūvi un darbību, ir nonākuši pie secinājuma, ka jābūt kādam saprātīgam spēkam, kas to visu ir radījis. Aplūkosim, kādi ir šie iemesli.

[Zemsvītras piezīme]

[Papildmateriāls/Shēma 5. lpp.]

Ieskats šūnas iekšienē

Katrā šūnā ir kodols — šūnas vadības centrs. Kodolā atrodas hromosomas, kas sastāv no ciešā spirālē savītām DNS molekulām un olbaltumvielām. Mūsu gēni atrodas šajās DNS molekulās. Ribosomas, olbaltumvielu sintēzes ”fabrikas”, ir izvietotas šūnas citoplazmā, kas ietver kodolu.

[Shēma]

(Pilnībā noformētu tekstu skatīt publikācijā)

Šūna

Ribosomas

Citoplazma

Kodols

Hromosomas

DNS — dzīvības kāpnes

[Shēma 7. lpp.]

(Pilnībā noformētu tekstu skatīt publikācijā)

Kā DNS replicējas

Uzskatāmības dēļ DNS spirāle attēlota atvīta un plakana

1 Pirms šūnas dalās, lai radītu nākamo šūnu paaudzi, tām ir jāreplicē (jādubulto) DNS. Vispirms olbaltumvielas palīdz atvienot DNS dubultspirāles pavedienus.

Olbaltumviela

2 Pēc tam, ievērojot stingrus pāru veidošanas likumus, brīvās bāzes, kas atrodas šūnā, tiek piesaistītas atbilstošajām bāzēm abos šajos pavedienos.

Brīvās bāzes

3 Visbeidzot ir izveidotas divas ģenētiskā plāna kopijas. Līdz ar to, šūnai daloties, ikviena jaunā šūna saņem identisku DNS iekodēto ģenētisko informāciju.

Olbaltumviela

Olbaltumviela

DNS bāzu pāru veidošanas likumi:

A tikai ar T

A T Timīns

T A Adenīns

C tikai ar G

C G Guanīns

G C Citozīns

[Shēma 8., 9. lpp.]

(Pilnībā noformētu tekstu skatīt publikācijā)

Kā tiek sintezētas olbaltumvielas

Vienkāršības labad ilustrācijā attēlota olbaltumviela, kas sastāv no 10 aminoskābēm. Lielākajā daļā olbaltumvielu ietilpst vairāk nekā 100 aminoskābju.

1 Īpaša olbaltumviela kādā sektorā atdala DNS molekulas pavedienus vienu no otra.

Olbaltumviela

2 Brīvās RNS bāzes saistās pie DNS bāzēm tikai uz viena no atdalītajiem pavedieniem, izveidojot matrices RNS pavedienu.

Brīvās RNS bāzes

3 Jaunizveidotā matrices RNS atdalās un dodas uz ribosomām.

4 Transporta RNS piesaista aminoskābi un nogādā to ribosomā.

Transporta RNS

Ribosoma

5 Ribosomai slīdot pa matrices RNS, tiek veidota aminoskābju virkne.

Aminoskābes

6 Veidošanās gaitā aminoskābju virkne sāk salocīties tā, lai olbaltumvielas molekula varētu pareizi funkcionēt. Pēc tam jaunizveidotā virkne atstāj ribosomu.

Transporta RNS ir divi gali, kam ir būtiska nozīme šajā procesā:

Viens ”nolasa” matrices RNS kodu

Otrs piesaista atbilstošo aminoskābi

Transporta RNS

RNS molekulā T vietā tiek izmantots U, U veido pāri ar A

A U Uracils

U A Adenīns