Paradoks Levinthala

Jak na osobę interesującą się naukami przyrodniczymi, a do tego – filozofią i teologią, “odkryłem” go bardzo późno.

Może jednak nie jestem odosobniony, bo jeśli mnie pamięć nie myli, nikt nie wspomniał o nim podczas dyskusji na temat teorii ewolucji, która miała miejsce na tym portalu kilka lat temu.

Z góry przepraszam, za wszelkie błędy i uproszczenia. Nie jestem kompetentnym przewodnikiem, popularyzatorem nauki, jedynie dzielę się własnymi fascynacjami i odkryciami. Na pewno popełniam błędy. Zachęcam do weryfikacji i własnych poszukiwań.

Zaczniemy od kilku informacji na temat białek – podstawowego budulca organizmów żywych.

Są to łańcuchy cząsteczek związków organicznych zwanych aminokwasami. Tworzą one struktury i maszyny molekularne, które wypełniają różne kluczowe funkcje. Transport substancji odżywczych (np. hemoglobina), odporność (przeciwciała), metabolizm (enzymy), budulec i wzmocnienie konstrukcji (np. błony, kolagen), procesy układu nerwowego (neuroprzekaźniki) – to kilka najbardziej znanych przykładów. Można powiedzieć, że przepis na dany organizm zapisany w DNA realizowany jest właśnie przez produkcję odpowiednich białek (translacja DNA polega dosłownie na wyprodukowaniu danego białka zaprogramowanego przez kod odpowiedniego genu).

Funkcje białek nie zależą od ich składu (w każdym razie – nie bezpośrednio), ale konfiguracji przestrzennej, zwanej strukturą trzecio- i czwartorzędową. Struktury te zdeterminowane są w dużym stopniu kolejnością aminokwasów w łańcuchu, choć na ich formowanie się ma wpływ wiele czynników, takich jak pH, temperatura, obecność innych białek (zwanych pięknie opiekuńczymi – ang. chaperone), czy nawet oświetlenie.

Łańcuchy białek mają różną długość, od kilkunastu do tysięcy aminokwasów. I tutaj pojawia się tytułowy paradoks:

pod koniec lat 60′ Cyrus Levinthal oszacował, że w przypadku dużych białek (jak np. RuBisCO – enzym odpowiedzialny za część procesu fotosyntezy odbywającą się w ciemności) ilość kombinacji przestrzennych jest rzędu 10 do 300 potęgi (10^300). Ułożenie się (znalezienie najstabilniejszej, czyli posiadającej najniższą energię konfiguracji) cząsteczki produkowanej sekwencyjnie, przed dodawanie kolejnych aminokwasów do łańcucha, zajęłoby – w przypadku procesu losowego – więcej czasu niż wiek wszechświata, podczas gdy w rzeczywistości zajmuje to kilka milisekund. Wynika z tego kolejny paradoks: znalezienie w drodze losowych mutacji konfiguracji aminokwasów, która spełnia jakąś określoną, pożyteczną funkcję w organizmie wymagałoby tego samego rzędu ilości prób. Tymczasem w przypadku bardziej skomplikowanych form życia (takich jak np. człowiek) potrzebujemy kilkadziesiąt tysięcy różnych białek. Dla porównania – szacuje się, że ilość wszelkich obiektów, w całym obserwowalnym wszechświecie, na których mogłoby dojść do biogenezy, czyli planet, planetoid, księżyców itp. wynosi 10^33 (10 do 33 potęgi).

Ciekawe, prawda?

O autorze: Marek Sas-Kulczycki

Poprzednio - Asadow i "niepoczytalny?" (ze znakiem zapytania - niech Czytelnik osądzi sam).