Cellemaskiner

I 2016 ble Nobelprisen i kjemi delt ut for en imponerende prestasjon – syntesen av molekyler som fungerer som mekaniske enheter. Imidlertid kan det ikke sies at ideen om å lage miniatyrmaskiner er en original menneskelig idé. Og denne gangen kom naturen først.

De tildelte molekylære maskinene (mer om dem i artikkelen fra januarutgaven av MT) er første skritt mot en ny teknologi som snart kan snu opp ned på livene våre. Men kroppene til alle levende organismer er fulle av nanoskalamekanismer som holder cellene i funksjon.

I midten…

... celler inneholder en kjerne, og genetisk informasjon er lagret i den (bakterier har ikke en egen kjerne). DNA-molekylet i seg selv er fantastisk - det består av mer enn 6 milliarder elementer (nukleotider: nitrogenholdig base + deoksyribosesukker + fosforsyrerest), og danner tråder med en total lengde på omtrent 2 meter. Og vi er ikke forkjempere i denne forbindelse, fordi det er organismer hvis DNA består av hundrevis av milliarder nukleotider. For at et slikt gigantisk molekyl skal få plass i kjernen, usynlig for det blotte øye, tvinnes DNA-tråder sammen til en helix (dobbelthelix) og vikles rundt spesielle proteiner som kalles histoner. Cellen har et spesielt sett med maskiner for å jobbe med denne databasen.

Du må hele tiden bruke informasjonen som finnes i DNA: les sekvensene som koder for proteinene du trenger for øyeblikket (transkripsjon), og kopier hele databasen fra tid til annen for å dele cellen (replikasjon). Hvert av disse trinnene innebærer å nøste opp helixen av nukleotider. Til denne aktiviteten brukes helikaseenzymet, som beveger seg i en spiral og - som en kile - deler det i separate tråder (alt dette ligner lyn). Enzymet virker på grunn av energien som frigjøres som følge av nedbrytningen av cellens universelle energibærer - ATP (adenosintrifosfat).

Modell av ATP-molekylet. Festing og løsgjøring av fosfatrester (til venstre) gir energiutveksling i cellulære kjemiske reaksjoner.

Nå kan du begynne å kopiere kjedefragmenter, som RNA-polymerase gjør, også drevet av energien som finnes i ATP. Enzymet beveger seg langs DNA-tråden og danner en region av RNA (som inneholder sukker, ribose i stedet for deoksyribose), som er malen som proteiner syntetiseres på. Som et resultat blir DNA bevart (unngår konstant opptrevling og lesing av fragmenter), og i tillegg kan proteiner lages i hele cellen, ikke bare i kjernen.

En nesten feilfri kopi leveres av DNA-polymerase, som virker på samme måte som RNA-polymerase. Enzymet beveger seg langs tråden og bygger opp motstykket. Når et annet molekyl av dette enzymet beveger seg langs den andre tråden, er resultatet to komplette DNA-tråder. Enzymet trenger noen få «hjelpere» for å begynne å kopiere, binde sammen fragmenter og fjerne unødvendige strekkmerker. Imidlertid har DNA-polymerase en "produksjonsfeil". Den kan bare bevege seg i én retning. Replikering krever opprettelse av en såkalt starter, hvorfra selve kopieringen starter. Når den er fullført, fjernes primerne, og siden polymerasen ikke har noen backup, forkortes den med hver DNA-kopi. I endene av tråden er det beskyttende fragmenter kalt telomerer som ikke koder for noen proteiner. Etter inntak (hos mennesker, etter ca. 50 repetisjoner), holder kromosomene seg sammen og leses med feil, noe som forårsaker celledød eller transformasjon til kreft. Dermed blir tiden av livet vårt målt av den telomere klokken.

DNA-kopiering krever mange enzymer for å fungere sammen.

Et molekyl på størrelse med DNA får permanent skade. En annen gruppe enzymer, som også fungerer som spesialiserte maskiner, omhandler feilsøking. En forklaring på deres rolle ble tildelt kjemiprisen 2015 (for mer informasjon se artikkelen fra januar 2016).

Innsiden…

… celler har et cytoplasma - en suspensjon av komponenter som fyller dem med ulike vitale funksjoner. Hele cytoplasmaet er dekket med et nettverk av proteinstrukturer som utgjør cytoskjelettet. De sammentrekkende mikrofibrene lar cellen endre form, slik at den kan krype og flytte sine indre organeller. Cytoskjelettet omfatter også mikrotubuli, dvs. rør laget av proteiner. Dette er ganske stive elementer (et hult rør er alltid stivere enn en enkelt stang med samme diameter) som danner en celle, og noen av de mest uvanlige molekylære maskinene beveger seg langs dem - vandreproteiner (bokstavelig talt!).

Mikrotubuli har elektrisk ladede ender. Proteiner kalt dyneiner beveger seg mot det negative fragmentet, mens kinesiner beveger seg i motsatt retning. Takket være energien som frigjøres fra nedbrytningen av ATP, endres formen til gangproteiner (også kjent som motor- eller transportproteiner) i sykluser, slik at de kan bevege seg som en and over overflaten av mikrotubuli. Molekyler er utstyrt med en protein-"tråd", til enden av denne kan et annet stort molekyl eller en boble fylt med avfallsprodukter feste seg. Alt dette ligner en robot, som svaiende trekker en ballong i en snor. Rullende proteiner transporterer de nødvendige stoffene til de riktige stedene i cellen og flytter dens indre komponenter.

Nesten alle reaksjoner som skjer i cellen styres av enzymer, uten hvilke disse endringene nesten aldri ville forekomme. Enzymer er katalysatorer som fungerer som spesialiserte maskiner for å gjøre én ting (svært ofte fremskynder de bare én bestemt reaksjon). De fanger opp transformasjonssubstratene, arrangerer dem hensiktsmessig til hverandre, og etter slutten av prosessen slipper de produktene og begynner å virke igjen. Assosiasjonen med en industrirobot som utfører uendelige repeterende handlinger er helt sant.

Molekyler av den intracellulære energibæreren dannes som et biprodukt av en rekke kjemiske reaksjoner. Imidlertid er hovedkilden til ATP arbeidet til den mest komplekse mekanismen til cellen - ATP-syntase. Det største antallet molekyler av dette enzymet er lokalisert i mitokondriene, som fungerer som cellulære "kraftverk".

ATP-syntase - topp: fast del

i membranen, drivakselen, ansvarlig fragment

for ATP-syntese

I prosessen med biologisk oksidasjon transporteres hydrogenioner fra innsiden av individuelle seksjoner av mitokondriene til utsiden, noe som skaper deres gradient (konsentrasjonsforskjell) på begge sider av mitokondriemembranen. Denne situasjonen er ustabil og det er en naturlig tendens til at konsentrasjonene utjevnes, noe ATP-syntase utnytter. Enzymet består av flere bevegelige og faste deler. Et fragment med kanaler er festet i membranen, gjennom hvilke hydrogenioner fra miljøet kan trenge inn i mitokondriene. Strukturelle endringer forårsaket av deres bevegelse roterer en annen del av enzymet - et langstrakt element som fungerer som en drivaksel. I den andre enden av stangen, inne i mitokondriene, er en annen del av systemet festet til den. Rotasjonen av akselen forårsaker rotasjonen av det indre fragmentet, som i noen av dets posisjoner er festet underlag for den ATP-dannende reaksjonen, og deretter, i andre posisjoner av rotoren, en ferdiglaget høyenergiforbindelse . løslatt.

Og denne gangen er det ikke vanskelig å finne en analogi i verden av menneskelig teknologi. Bare en strømgenerator. Strømmen av hydrogenioner får elementene til å bevege seg inne i den molekylære motoren som er immobilisert i membranen, som bladene til en turbin drevet av en strøm av vanndamp. Akselen overfører drivverket til det faktiske ATP-genereringssystemet. Som de fleste enzymer kan syntase også virke i den andre retningen og bryte ned ATP. Denne prosessen setter i gang en intern motor som driver de bevegelige delene av membranfragmentet gjennom en aksel. Dette fører igjen til utpumping av hydrogenioner fra mitokondriene. Så pumpen er elektrisk drevet. Naturens molekylære mirakel.

På grensen…

... Mellom cellen og miljøet er det en cellemembran som skiller den indre orden fra kaoset i den ytre verden. Den består av et dobbelt lag med molekyler, med de hydrofile ("vannelskende") delene utover og de hydrofobe ("vannunngående") delene mot hverandre. Membranen inneholder også mange proteinmolekyler. Kroppen må komme i kontakt med miljøet: absorbere stoffene den trenger og frigjøre avfall. Noen kjemiske forbindelser med små molekyler (for eksempel vann) kan passere gjennom membranen i begge retninger i henhold til konsentrasjonsgradienten. Diffusjon av andre er vanskelig, og cellen selv regulerer deres absorpsjon. Videre brukes cellulære maskiner for overføring - transportører og ionekanaler.

Transportøren binder et ion eller molekyl og beveger seg deretter med det til den andre siden av membranen (når selve membranen er liten) eller - når den passerer gjennom hele membranen - flytter den oppsamlede partikkelen og frigjør den i den andre enden. Selvfølgelig fungerer transportbånd begge veier og er veldig "pirkete" - de transporterer ofte bare én type stoff. Ionekanaler viser en lignende arbeidseffekt, men en annen mekanisme. De kan sammenlignes med et filter. Transport gjennom ionekanaler følger vanligvis en konsentrasjonsgradient (høyere til lavere ionekonsentrasjoner til de flater ut). På den annen side regulerer intracellulære mekanismer åpning og lukking av passasjer. Ionekanalene viser også høy selektivitet for partikler å passere gjennom.

Ionekanal (til venstre) og rørledninger i drift

Den bakterielle flagellen er en sann drivmekanisme

Det er en annen interessant molekylær maskin i cellemembranen - flagelldriften, som sikrer aktiv bevegelse av bakterier. Dette er en proteinmotor som består av to deler: en fast del (stator) og en roterende del (rotor). Bevegelse er forårsaket av flyten av hydrogenioner fra membranen inn i cellen. De kommer inn i kanalen i statoren og videre inn i den distale delen, som er plassert i rotoren. For å komme inn i cellen må hydrogenioner finne veien til neste del av kanalen, som igjen er i statoren. Imidlertid må rotoren rotere for at kanalene skal konvergere. Enden av rotoren, som stikker utover buret, er buet, en fleksibel flagell er festet til den, som roterer som en helikopterpropell.

Jeg tror at denne nødvendigvis korte oversikten over den cellulære mekanismen vil gjøre det klart at de vinnende designene til nobelprisvinnerne, uten å forringe deres prestasjoner, fortsatt er langt fra perfeksjonen til evolusjonens skapninger.