Мобилни машини

Нобеловата награда за хемија за 2016 година беше доделена за импресивното достигнување на синтетизирање на молекули кои дејствуваат како механички уреди. Сепак, не може да се каже дека идејата за создавање минијатурни машини е оригинална човечка идеја. И овој пат природата беше прва.

Наградените молекуларни машини (повеќе за нив во написот од јануарското издание на МТ) се првиот чекор кон нова технологија која наскоро би можела да ги револуционизира нашите животи. Но, телата на сите живи организми се полни со механизми со нано големина кои го поддржуваат ефикасното функционирање на клетките.

Во Центар…

... клетките содржат јадро, а во него се чуваат генетски информации (бактериите немаат посебно јадро). Самата молекула на ДНК е неверојатна - се состои од повеќе од 6 милијарди елементи (нуклеотиди: азотна база + деоксирибозен шеќер + остаток на фосфорна киселина), формирајќи нишки со вкупна должина од околу 2 метри. И ние не сме рекордери во овој поглед, бидејќи постојат организми чија ДНК се состои од стотици милијарди нуклеотиди. За да се вклопи таква џиновска молекула во јадрото, кое е невидливо со голо око, нишките на ДНК се искривуваат заедно во спирала (двојна спирала) и се обвиткуваат околу специјални протеини наречени хистони. Ќелијата има посебен сет на машини за работа со оваа база на податоци.

Мора постојано да ги користите информациите содржани во ДНК: читајте ги секвенците што ги кодираат протеините што ви се потребни во даден момент (транскрипција) и од време на време копирајте ја целата база на податоци за да ја поделите клетката (репликација). Секој од овие чекори вклучува разоткривање на нуклеотидната спирала. Оваа активност го користи ензимот хеликаза, кој се движи по спиралата и - како клин - ја дели на поединечни нишки (целата работа наликува на молња). Ензимот работи користејќи енергија ослободена како резултат на распаѓањето на универзалниот енергетски носач на клетката - АТП (аденозин трифосфат).

Модел на молекулата АТП. Додавањето и одвојувањето на остатоците од фосфат (лево) посредува во размената на енергија во клеточните хемиски реакции.

Сега можете да започнете со копирање фрагменти од синџири, што го прави РНК полимеразата, исто така поттикната од енергијата содржана во АТП. Ензимот се движи по должината на жицата на ДНК и формира дел од РНК (содржи шеќер, рибоза наместо деоксирибоза), што е шаблон на кој се синтетизираат протеините. Како резултат на тоа, ДНК е зачувана (избегнувајќи постојано расплетување и читање на фрагменти) и, дополнително, протеините може да се создадат низ клетката, не само во јадрото.

Речиси без грешка копија е обезбедена од ДНК полимеразата, која делува слично на РНК полимеразата. Ензимот се движи по конецот и го гради својот пандан. Кога друга молекула од овој ензим се движи по втората влакно, резултатот е два целосни ДНК спирали. На ензимот му требаат неколку „помошници“ за да започне со копирање, поврзување на фрагментите и отстранување на непотребните стрии. Сепак, ДНК полимеразата има „производен дефект“. Може да се движи само во една насока. Репликацијата бара создавање на таканаречен стартер, од кој започнува вистинското копирање. Откако ќе се завршат, прајмерите се отстрануваат и, бидејќи полимеразата нема резервна копија, таа се скратува со секоја копија на ДНК. На краевите на конецот има заштитни фрагменти наречени теломери, кои не кодираат никакви протеини. По нивното консумирање (кај луѓето, по околу 50 повторувања), хромозомите се лепат и неправилно се читаат, што предизвикува клеточна смрт или нејзина трансформација во рак. Така, нашето животно време се мери со теломерскиот часовник.

За копирање на ДНК потребни се многу ензими за да работат заедно.

Молекулата со големина на ДНК е подложна на постојано оштетување. Друга група ензими, кои исто така дејствуваат како специјализирани машини, се справуваат со дефекти. Објаснувањето за нивната улога беше наградено со награда за хемија во 2015 година (видете ја статијата од јануари 2016 година за повеќе информации).

Внатре…

...клетките имаат цитоплазма - суспензија на компоненти кои ги исполнуваат со различни витални функции. Целата цитоплазма е покриена со мрежа од протеински структури кои го сочинуваат цитоскелетот. Контрактилните микровлакна и овозможуваат на клетката да ја промени својата форма, овозможувајќи и да ползи и да ги движи внатрешните органели. Цитоскелетот вклучува и микротубули, т.е. цевки кои се состојат од протеински молекули. Станува збор за прилично крути елементи (шупливата цевка е секогаш поцврста од една прачка со ист дијаметар) кои ја формираат клетката, а една од најнеобичните молекуларни машини се движи по нив - протеините за одење (буквално!).

Микротубулите имаат електрично наполнети краеви. Протеините наречени динеини се движат кон негативната половина, додека кинезините се движат во спротивна насока. Благодарение на енергијата ослободена од разградувањето на АТП, обликот на протеините за одење (познати и како моторни или транспортни протеини) се менува циклично, овозможувајќи им да се движат како патка по површината на микротубулите. Молекулите се опремени со протеинска „нишка“, до чиј крај може да се залепи друга голема молекула или меур исполнет со отпадни производи. Сето ова наликува на робот кој, нишајќи се, влече балон за конец. Протеините што се тркалаат ги транспортираат потребните материи на вистинските места во клетката и ги движат нејзините внатрешни компоненти.

Речиси сите реакции што се случуваат во клетката се контролирани од ензими, без кои овие промени речиси никогаш не би се случиле. Ензимите се катализатори кои дејствуваат како специјализирани машини за да направат една работа (многу често тие забрзуваат само една специфична реакција). Тие ги фаќаат трансформациските подлоги, ги поставуваат соодветно еден на друг и по завршувањето на процесот, ги ослободуваат производите и почнуваат повторно да работат. Асоцијацијата со индустриски робот кој изведува бескрајно повторувани дејства е апсолутно точна.

Молекулите на интрацелуларните носители на енергија се формираат како нуспроизвод на низа хемиски реакции. Сепак, главниот извор на АТП е работата на најкомплексниот клеточен механизам - АТП синтаза. Најголем број на молекули на овој ензим се наоѓаат во митохондриите, кои дејствуваат како клеточни „електрани“.

АТП синтаза – врвот: закотвен дел

во мембраната, погонска осовина, одговорен фрагмент

за синтеза на АТП

За време на процесот на биолошка оксидација, водородните јони од внатрешноста на поединечните делови на митохондриите се транспортираат нанадвор, што го создава нивниот градиент (разлика во концентрацијата) на двете страни на митохондријалната мембрана. Оваа ситуација е нестабилна и постои природна тенденција за изедначување на концентрациите, што е она што го користи АТП синтазата. Ензимот се состои од неколку подвижни и неподвижни делови. Фрагмент со канали преку кои водородните јони од околината можат да навлезат во митохондриите е фиксиран во мембраната. Структурните промени предизвикани од нивното движење ротираат друг дел од ензимот - издолжен елемент кој делува како погонска осовина. На другиот крај на шипката, во внатрешноста на митохондриите, на неа е прикачен уште еден дел од системот. Вртењето на вратилото предизвикува ротација на внатрешниот фрагмент, на кој - во некои позиции - се прикачени подлогите на реакцијата за формирање на АТП, а потоа - во други позиции на роторот - готовиот високоенергетски соединение. ослободен.

И овој пат не е тешко да се најде аналогија во светот на човечката технологија. Само генератор на струја. Протокот на водородни јони предизвикува елементите да се движат во молекуларен мотор имобилизиран во мембраната, како лопатките на турбината управувани од струја на водена пареа. Оската го пренесува погонот до вистинскиот систем за генерирање ATP. Како и повеќето ензими, синтазата може да дејствува во друга насока и да го разгради АТП. Овој процес придвижува внатрешен мотор, кој преку вратило ги придвижува подвижните делови на фрагментот на мембраната. Ова, пак, доведува до пумпање на водородни јони од митохондриите. Значи, електрична пумпа. Молекуларно чудо на природата.

До границите...

...Помеѓу клетката и околината постои клеточна мембрана која го дели внатрешниот поредок од хаосот на надворешниот свет. Се состои од двоен слој на молекули, со хидрофилни („водољубиви“) делови свртени нанадвор и хидрофобни („избегнувајќи вода“) делови свртени еден кон друг. Мембраната содржи и многу протеински молекули. Телото треба да дојде во контакт со околината: да ги апсорбира супстанциите што му се потребни и да го излачува отпадот. Некои хемикалии со мали молекули (како што е водата) можат да поминат низ мембраната во двете насоки според градиентот на концентрацијата. Дифузијата на другите е тешка, а самата клетка ја регулира нивната апсорпција. Следно, мобилните машини - транспортери и јонски канали - се користат за пренос.

Транспортерот врзува јон или молекула и потоа го придвижува со него на другата страна на мембраната (кога и самиот е мал) или - кога ќе помине низ целата мембрана - ја придвижува собраната честичка и ја ослободува на другиот крај. Се разбира, транспортерите работат на двата начина и се многу „пребирливи“ - тие често транспортираат само еден вид супстанција. Јонските канали покажуваат сличен оперативен ефект, но различен механизам. Тие можат да се споредат со филтер. Транспортот низ јонските канали генерално следи концентрационен градиент (од повисоки кон помали концентрации на јони додека не се израмнат). Од друга страна, интрацелуларните механизми го регулираат отворањето и затворањето на пасуси. Јонските канали, исто така, покажуваат висока селективност кон честичките низ кои минуваат.

Јонски канал (лево) и цевководи во акција

Бактерискиот флагелум е вистински механизам за возење

Постои уште една интересна молекуларна машина во клеточната мембрана - погонот на флагелумот, кој обезбедува активно движење на бактериите. Тоа е протеински мотор кој се состои од два дела: стационарен дел (статор) и ротирачки дел (ротор). Движењето е предизвикано од протокот на водородни јони од мембраната во клетката. Тие влегуваат во каналот во статорот, а потоа во дисталниот дел, кој се наоѓа во роторот. За да влезат во клетката, водородните јони мора да го најдат патот до следниот дел од каналот, кој повторно е во статорот. Сепак, роторот мора да ротира за каналите да се спојат. Крајот на роторот, испакнат надвор од ќелијата, е закривен, а на него е прикачен флексибилен флагел, кој ротира како ротор на хеликоптер.

Верувам дека овој нужно краток преглед на клеточниот механизам ќе стави до знаење дека победничките дизајни на добитниците на Нобеловата награда, без да се нарушат нивните достигнувања, сè уште се далеку од совршените креации на еволуцијата.