Proteiner og sandsynlighed!

For nogle år siden, da jeg gik på et kursus i bogtrykning, brugte jeg mange timer på håndsætning ét bogstav ad gangen. Da vi var ved at være færdig med kursuset, fik læreren arrangeret en tur til San Francisco, hvor vi aflagde besøg hos nogle store forlagsvirksomheder, og der så jeg for første gang en sættemaskine, som gjorde stort indtryk på mig. Der var ingen mennesker i lokalet, kun maskineri, der helt selv i stor fart klarede støbning og sætning af bogstaverne, der skulle trykkes i en bog.

Monotype sættemaskinen blev opfundet mange år før nogen fandt på ordet "automatisering", men den arbejder efter samme princip. Den får sine instruktioner fra en strimmel, hvori en sætter har prikket huller på en anden maskine. I vore dage har man raffinerede maskiner, der kan udføre langt mere komplicerede arbejder; men de kan ikke lave noget, hvis der ikke er nogen, der sætter et program med indkodede instruktioner i dem. Og disse programmer må udarbejdes af menneskelige intelligensvæsener.

Selvom de automatiske maskiner er en forholdsvis ny foreteelse, har automatisering som sådan eksisteret i lange tider. Alle levende væsener er automatiske molekylemaskiner", der arbejder efter instruktionsprogrammer, der er langt mere raffinerede end nogen menneskelig opfindelse.

Hvordan opstod disse yderst komplicerede programmer? Ved tilfældige processer i løbet af lange tider er der nogen, der siger. Men er det muligt? Før vi prøver på at besvare dette spørgsmål, vil vi se lidt på disse komplicerede, levende maskiner. For at forstå dem, må vi først vide noget om proteiners og mikleinsyrers kemi.

I levende organismer fungerer proteiner som byggemateriale; de fleste er enzymer disse livsgnister der holder legemets maskineri" i gang. Kemikerne kalder dem organiske katalysatorer stoffer som fremmer kemiske reaktioner, mens katalysatorerne selv ikke undergår nogen forandring. Således kan en ringe mængde enzymer omdanne en stor mængde af det stof, de indvirker på. Hvis man f. eks. blander stivelse med saltsyre, vil stivelsen langsomt nedbrydes og blive til to slags sukker, maltose og glukose, og et stof der kaldes dekstrin. Men i fordøjelseskanalen udfører disse stivelsesnedbrydende enzymer et mere effektivt arbejde, og de gør det hurtigt.

I alle levende celler findes proteiner; l en levercelle 53 milliarder molekyler

Hvert enzym har sit specielle arbejde at udføre. Hvert af dem kan kun katalysere en enkelt kemisk reaktion eller en enkelt slags reaktioner. Et stivelsesnedbrydende enzym har ingen virkning på et protein, og omvendt. Nogle enzymer kan kun nedbryde et proteinmolekyle et enkelt sted på molekylet. Molekylestrukturen i hvert enzym og protein må naturligvis være enestående for at kunne varetage så specielle funktioner.

Vi har her kun nævnt nogle få fordøjelsesenzymer, som indvirker på føden i fordøjelseskanalen; men hver eneste levende celle indeholder et fantastisk antal enzymer. Inde i en enkelt bakteriecelle (Escherichia coli) er der mellem 1.000.000 og 3.000.000 proteinmolekyler og mellem 2.000 og 10.000 forskellige enzymarter, alt inden for et område, der er 1/1000 mm i diameter og 3/1000 mm langt. En enkelt levercelle rummer ca. 53.000.000.000 protein molekyler og formodentlig mindst 10.000 forskellige slags enzymer, og det hele er organiseret som en letløbende celle "maskine".

Der er ingen, der ved, hvor mange slags, proteiner der findes i alle plante og dyrearter i verden, men der må være mange milliarder. Og dette er kun begyndelsen!

Aminosyrer, proteinernes byggemateriale

Hvordan kan der være så mange slags proteiner med hver sit specielle arbejdsområde? Hvad er proteiner i det hele taget lavet af? Proteinmolekyler er lange kæder af aminosyremolekyler, der er hægtet sammen. Da et enkelt proteinmolekyle kan bestå af flere hundrede aminosyrer, og da der er mere end tyve forskellige slags aminosyrer, kan der være tale om uendelig mange slags protein. Se diagrammet på næste side.

To aminosyrer, der er kædet sammen, udgør et dipeptid. Tre bliver til et tripeptid og længere kæder til polypeptider. Et protein er et polypeptid eller en kombination af flere med hver sin funktion i levende planter eller dyr.

Hormonet insulin, et protein, der tages af sukkersygepatienter, har ret små molekyler, som består af to polypeptidkæder med ialt 51 aminosyrer. Det menneskelige hærnoglobinmolekyle er mere kompliceret, da proteinet her består af 574 aminosyrer i 4 polypeptidkæder. Der er to a kæder med 141 aminosyrer i hver og to kæder med 146 aminosyrer i hver.

For at kunne udføre sit specielle arbejde må et protein have en ganske bestemt rækkefølge af aminosyrer. I tilfælde af større afvigelser kan proteinet ikke fungere. Rækkefølgen ved begyndelsen af kæden i normalt menneskeligt hæmoglobin (A) og to unormale hærnoglobiner (S og C) ser så. dan ud:

Hærnoglobin A valin, histidin, leucin, threonin, prolin, glutaminsyre.

Hærnoglobin S valin, histidin, leucin, threonin, prolin, valin, glutaminsyre.

Hæmoglobin C valin, histidin, leucin, threonin, prolin, lysin, glutaminsyre.

Man har udarbejdet arninosyrerækkefølger fra en halv snes unormale menneskehæmoglobiner, og i dem alle er der en enkelt aminosyre substitution. I hæmoglobin S ville visse substitutioner af blot én ud af 146 aminosyrer umuliggøre menneskeligt liv, mens nogle andre substitutioner ikke er så alvorlige.

En undersøgelse af kæderne i hærnoglobirunolekyler fra 14 hvirveldyrarter har afsløret aminosyresubstitutioner ved 54 af de 146 positioner. Selvom en given position normalt har en enkelt substitution, er der til tider to, ja endog tre. Dette illustreres også af aminosyrerækker i insulin fra kvæg, grise, får, heste og to hvalarter. Hos disse 6 dyrearte? er insulinmolekylerne ens med undtagelse af aminosyrerne i position 8, 9 og 10 i a kæden.

Det er klart, at proteinernes højt specifikke natur udelukkende skyldes en enestående nøjagtig rækkefølge af atninosyrerne. Hos mennesket er alle afvigelser fra rækkefølgen, der er gældende for hærnoglobin A, unormale, og mindst én er dødelig. Som regel drejer det sig om substitution af en enkelt aminosyre. Ved sammenligning af hærnoglobin fra forskellige dyrearter viser det sig, at der er ret stor forskel. Hvilken betydning disse forskelligheder kan have, vides ikke; men ud fra det materiale man har om mennesket må man formode, at hæmoglobinet er nøje tilpasset til at fungere hos de pågældende dyrearter. Det er sandsynligt, at det ikke ville fungere rigtigt i de røde blodlegemer hos en anden dyreart.

Vi ser heraf, at fl kæden i menneskeligt hæmoglobin, eller et hvilket som helst andet polypeptid, er et højst usandsynligt molekyle. Da der er 20 forskellige slags aminosyrer at vælge imellem, kan en polypeptidkæde af 146 aminosyrer sammensættes på 20 146 forskellige måder. For at forenkle tallet og give plads for mulige tilpasninger, der måtte være forårsaget af naturlig udvælgelse, vil vi anslå langt færre kombinationsmuligheder som f.eks. 10146 , d, v. s.: 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Materialet viser, at kun en enkelt, eller i hvert fald kun ganske få af disse kombinationer ville fungere rigtigt hos ligegyldigt hvilken dyreart.

Ligesom proteinerne er nukleinsyrerne lange kæder af mindre molekyler. Nukleinsyremolekylerne er opbygget af nukleotider, og disse er hægtet sammen i nukleinsyremolekylet på samme måde som aminosyrerne i en polypeptidkæde. Der findes 2 forskellige slags nukleinsyre: desoxydbonukleinsyre og ribonukleinsyre, også kaldet DNA og RNA.

I DNA indgår 4 forskellige nukleotider: adenin, thymin, guanin og cytosin, eller A, T, G, C. I RNA: adenin, uracil, guanin og cytosin, eller A, U, G, C. DNA oplagrer information, RNA kan udnytte den.

I en automatisk maskine oplagres information ofte i form af huller i en papirstrimmel eller i et sæt kort. Oplysningerne aflæses og omsættes til handling af maskinens indviklede mekanisme. I levende maskiner (celler) opbevares information i DNA molekyler gennem rækkefølgen af de fire nukleo. tider, som disse molekyler består af. Faktisk bliver hver eneste af enzymernes og proteinernes polypeptidbestanddele i cellen kodet fra en særlig afdeling i DNAkæden som kaldes et gen. 3 nukleotider på rad i en DNA kæde koder for en speciel aminosyre; de kaldes codons, og hver codon koder for en af de 20 aminosyrer. Det betyder, at den korrekte aminosyrerækkefølge i et menneskes hæmoglobin ~ kæde skyldes en nøjagtig rækkefølge af mindst 3 x 146 nukleotider i det gen, der er ansvarligt for dets syntese. (Der er mere end én codon for nogle af aminosyrerne),

Det er en forbløffende mængde oplysninger, der er indkodet i en organismes DNA. De oplysninger, menneskelig DNA i en enkelt celle indeholder, svarer til 1000 bøger å 600 sider med 500 ord pr. side. Hvis beregningen er rigtig, er det, hvad en detaljeret beskrivelse af det menneskelige legeme ville fylde. I lyset af de seneste opdagelser var det måske mere rigtigt at sammenligne cellens beholdning af oplysninger med flere eksemplarer af et mindre sæt bøger. DNA i den menneskelige celle kan med andre ord indeholde et kortere budskab gentaget flere gange. Men alligevel er den samlede sum af oplysninger utrolig stor.

Vi hører i vore dage om elektroniske maskiner, der bliver mindre og mindre, men hvad siger De til denne her? Hvis de 5.000.000.000 par menneskelige DNA nukleotider blev hægtet: sammen til en lang molekyle, ville den være omkring 1,5 m lang og 2% milliontedel mm i diameter, Hvis dette molekyle blev viklet rundt om et knappenålshoved til et sammenhængende lag på 2h milliontedel mm tykkelse, skulle der bruges 200 af disse molekyler til at dække knappenålshovedet.

Til skabelse af et nyt menneske skal samles en Imponerende mængde råmaterialer 'sammen tillige med en billiard (10 15) nukleotider i rigtig rækkefølge

Duplikeringsprocessen. må være utrolig nøjagtig. Under udviklingen af et befrugtet æg til et menneskeligt væsen sker der mange celledelinger, og hver gang må "de 1000 bind" oplysninger kopieres helt nøjagtigt. Der skal samles cirka en billiard - 1.000.000.000.000.000 nukleotider i rigtig rækkefølge.

Cellen behøver en imponerende mængde udstyr og råmateriale for at aflæse det budskab, et gen kommer med, og omsætte det til et polypeptid. Følgende molekyler må være til stede, for at en celle kan lave et enkelt protein: 1 DNA streng, 22 slags RNA, 9 slags nukleotider, 20 slags aminosyrer og mindst 24 slags enzymer, som hver er et protein. Dette vil resultere i opbygningen af et protein, men kun inden i en levende celle, eller i en forskers "cellefri system", som indeholder cellemaskineri fra levende celler.

En labyrint af forbundne strømkredse hvor hver enkelt del er afhængig af de andre

Aminosyrerne og nukleotiderne dannes ved en trinvis proces inde i cellen, hvor hvert trin katalyseres af et enzym. Andre enzymer er nødvendige ved omdannelse af nukleotiderne til nukleinsyrer og aminosyrerne til proteiner. Der må altsåå være mange proteiner til stede, før der kan dannes nye proteiner. Til proteinsyntesen skal der bruges en labyrint af indbyrdes forbundne kemiske kredsløb, og hver enkelt del kan kun fungere, når alle de andre fungerer, som de skal.

Når en arkæolog graver i et eller andet oldtidsfolks efterladenskaber, har han ikke svært ved at skelne en almindelig sten fra en pilespids, eller en lerklump fra et potteskår. Vi kan skelne mellem naturprodukter og menneskefrembringelser. Det forekommer mig mærkeligt, at videnskabsmænd, som uden vanskelighed kan identificere arbejder, fremstillet af fremmede folkeslag fra oldtidens kulturer, ikke kan se Skaberens mesterværk i alt det levendes forunderlige beskaffenhed.

Videnskabsmænd, der tror på en mekanistisk evolution, taler om kemisk udvikling gennemlange åremål, hvor primitive kulstof og kvælstofforbindelser i oldtidens døde have blev påvirket af varme, kraftudstrålinger og lignende under forhold, som ikke længere eksisterer. De siger, at disse forbindelser gradvis blev forenet til stadig mere komplicerede molekyler, indtil der opstod en molekylær organisme, som kunne formere sig ved egen kraft, og som dermed blev begyndelsen til liv.

Sandsynligheden herfor er utroligt fjern. Der er aldrig nogen, der har konstrueret et sådant system l teorien, langt mindre i praksis

Det forekommer mig, at den indbyrdes afhængighed af DNA, 3 slags RNA, aminosyrer, nukleotider og talrige enzymer i et proteinsyntesesystem er nok til at gøre denne tanke helt meningsløs. De dele, hvoraf dette lukkede system er sammensat, skulle alle sammen fremkomme på samme sted og til samme tid. jeg skal senere vise, at muligheden for en sådan begivenhed er så utrolig fjern, at man roligt kan se helt bort fra den.

Evolutionisterne vil nok hævde, at der fremkom et langt mere primitivt selvformeringssystern ved den kemiske udvikling, og at dette over lang tid efterhånden udviklede sig til det, vi kender i dag. Men kunne det primitive system fungere? Faktisk er der aldrig nogen, der har konstrueret noget sådant rent teoretisk, langt mindre i praksis.

Nogle videnskabsmænd har teoretiseret, at en begivenhed uundgåeligt vil forekomme, uanset hvor usandsynlig den måtte være, når blot der går tilstrækkelig lang tid. Hvis en abe ved et tilfælde skulle lære at skrive på maskine, siger det, ville den kunne skrive alle Shakespeares sonetter og skuespil, hvis den bare fik tid nok. Man kan beregne sandsynligheden for, at dette vil ske, men den er for lille til at komme i betragtning. Bortset herfra er Shakespeares arbejder skrevet af en mand med en meget god forstand. Der er ikke noget i menneskelig erfaring, der berettiger til den konklusion, at blot én eneste af hans inspirerende sætninger skulle være skrevet ved et tilfælde. Lad dette eksempel vise, hvorfor jeg ikke tror, at sandsynlighedsteorien kan gælde for udviklingen af et proteinsyntesesystem. Men lad os engang prøve for at gå ind på evolutionsteorierne at beregne sandsynligheden for syntese af én slags polypeptid ved en tilfældighed.

Hæmoglobinmolekylet, sandsynligheden og antallet af atomer i universet.

Lad os til denne beregning tage hærnoglobinmolekylets kæde med de 146 aminosyrer i rækkefølge. Hvis rækkefølgen skal være rigtig og helt uden fejl, vil sandsynligheden for at en række på 146 aminosyrer som resultat af tilfældige processer skulle være den rigtige være 1/20 146 . Lad os være flotte, også for at forenkle beregningen, og sætte sandsynligheden til 1/10 146.

En streng, som består af 146 aminosyrer skulle altså kunne sammensættes på 201- forskellige måder og blive til 20 146 slags polypeptid molekyler. (I forenklingen siger Vi 10 141, slags). Tallet 20 146 kan også udtrykkes som 10 190, d. v. s. meget større end 10 110, der er den anslåede mængde atomer i hele universet.

Hvor lang tid ville det tage at få lavet alle de mange slags molekyler ved mere eller mindre tilfældige kombinationer af aminosyrer? Lad os forudsætte et stort bassin med aktiverede aminosyrer. Lad os endvidere forudsætte, at de bliver sammenføjet med en fart af 5x10 11 kombinationer i sekundet, og at der er en eller anden "mekanisme" til stede, som begrænser kædens længde til 146 aninosyrer, hverken mere eller mindre. Da der skal 145 kombinationer til at frembringe ét molekyle, bliver det ca. 3,4x109 polypeptid molekyler i sekundet.

Der er rundt regnet 3 x 107 (30 millioner) sekunder på et år. Lad os ansætte 4 x 109 (fire milliarder) år til den kemiske evolution det er formodentlig mere end nogen ville forlange. Vore tal bliver så som følger:

3,4x109 molekyler pr. sekund
3,0X 107 sekunder pr. år
4,0 x 109 år.

Hvis vi ganger disse tal med hinanden, får vi 4,0 x 102,1 molekyler i løbet af 4 milliarder år. Da der er mulighed for 1x10'4' forskellige slags molekyler, vil sandsynligheden for skabelse af det rigtige i løbet af 4 milliarder år være 4x10 26/1x10 146 = 1/2,5x10 119. Der er altså en chance ud af 2,5 = 10 119 for at få dannet det rigtige molekyle i løbet af fire milliarder år.

Selvom denne usandsynlige begivenhed skulle finde sted, ville syntesen af et enkelt proteinmolekyle Ikke føre til noget

I sandhedens interesse skal det siges, at 4 x 10 26 molekyler er et anseligt tal, og det er vel ikke utænkeligt, at det rigtige skulle være imellem dem. Men syntese af et en kelt protein molekyle ville ikke føre til noget.

Nobelprisvinderen Lederberg halvdede, at det mest primitive proteinsyntese-system ville behøve ca. 24 forskellige enzymer, som alle er meget specifikke. Dertil kommer DNA og RNA'erne og forskellige andre bestanddele, som alle måtte være til stede på én gang og på ét bestemt sted i det rette strukturmæssige forhold.

Der er altså kun en fantastisk ringe sandsynlighed for syntese af én polypeptid streng ved tilfældige processer. Hvad skal vi så sige til sandsynligheden for, at de godt 30 molekyler, der ifølge Lederberg er "de mindste kemiske krav til en hypotetisk urtidsorganisnie" (se side 3438), vil være til stede på samme sted og tid?

Det forekommer indlysende, at der overhovedet ikke kan være tid i geologisk målestok til, at dette kan lade sig gøre ved tilfældige processer. Og hvor skal vi finde tid til udvikling af alle de komplicerede livsformer på jorden i dag, når geologien ikke en gang levner os tid til den kemiske evolution af den mest primitive, hypotetiske organisme? Husk på, at alle forandringer skyldes tilfældigheder ifølge den nu accepterede udviklingsplan; den naturlige udvælgelse udskiller blot det ineffektive. Det er tænkeligt, at den naturlige udvælgelse ville betyde nogen tidsbesparelse, men den kan ikke vælte ovenstående sandsynlighedsberegning.

Det er også svært at forstå, hvorledes den naturlige udvælgelse skulle påvirke den molekylære udvikling.

Mon et tilfældigt eksemplar af tilfældigt opståede molekyler ville indeholde 10.000 specifikke enzymer?

Nu er der måske nogen, der vil indvende, at polypeptid og andre yderst specifikke proteiner ikke var det givne mål for kemisk udvikling, men var noget af det, der tilfældigvis opstod, og at den naturlige udvælgelse i løbet af millioner af år udskilte det, der kunne kombineres til levende organismer. Det kunne se ud som et udmærket argument, men tænk lidt over dette spørgsmål: Ville et tilfældigt eksemplar af tilfældigt opståede molekyler indeholde 10.000 specifikke, biologisk aktive enzymer? Og hvis det var tilfældet, kunne de så indordnes i et enzymsystem, der var i stand til at opretholde en bakteriecelles liv? En sådan række af tilfældigheder forekommer mindre sandsynlig end en tilfældig syntese af hæmoglobinets kæde.

Den molekylære biologis kendsgerninger råber til os, at der er en Gud, en stor Ingeniør, som skabte de naturens vidundere, vi betragter

Det forekommer mig, at den eneste støtte for tanken om den molekylære udvikling findes i biologens stærke tro på evolutionsteorien. For mit eget vedkommende finder jeg det langt lettere at tro på den store Skaber og Hans Ord. Efter min opfattelse ville det være nok så rimeligt at forvente, at en elektronisk regnemaskine kunne udvikle sine egne programmer, som at antage, at levende celler skulle have udviklet deres.

I det mindste borteliminerer ovennævnte betragtninger for mig effektivt enhver mekanistisk udviklingsteori. Deister ville måske sige, at stof skabtes på en sådan måde, at den molekylære udvikling ikke var afhængig af tilfældigheder, men at stoffets natur ledte den molekylære udviklings forløb ind i mere tidsbesparende kanaler. Den teistiske evolutionist på sin side ville formodentlig hævde, at Gud styrede den molekylære udviklings forløb. Efter min mening er der ikke nogen af disse synspunkter, der holder stik, men da argumentationen falder ind under teologi og filosofi, ligger de uden for dette kapitels rammer.

Til slut vil jeg citere Romerbrevet 1,19-20: Det, som kan erkendes om Gud ligger nemlig åbent for dem; Gud har jo åbenbaret det for dem. Thi hans usynlige væsen, både hans evige kraft og hans guddommelighed, har kunnet ses fra verdens skabelse af, idet det forstås af hans gerninger, så de er uden undskyldning."

Ja, visselig råber den molekylære biologis kendsgerninger til os, at der er en Gud, en stor Ingeniør, som planlagde og udførte alle de vidundere, vi betragter i denne videnskabelige tidsalder.