Mașini cu celule

Premiul Nobel pentru Chimie 2016 a fost acordat pentru realizarea impresionantă de a sintetiza molecule care acționează ca dispozitive mecanice. Cu toate acestea, nu se poate spune că ideea de a crea mașini în miniatură este o idee umană originală. Și de data aceasta natura a fost prima.

Mașinile moleculare premiate (mai multe despre ele în articolul din numărul din ianuarie al revistei MT) sunt primul pas către o nouă tehnologie care ar putea revoluționa în curând viața noastră. Dar corpurile tuturor organismelor vii sunt pline de mecanisme de dimensiuni nanometrice care susțin funcționarea eficientă a celulelor.

In centru…

... celulele conțin un nucleu, iar informația genetică este stocată în el (bacteriile nu au un nucleu separat). Molecula de ADN în sine este uimitoare - este formată din peste 6 miliarde de elemente (nucleotide: bază azotată + zahăr dezoxiriboză + reziduu de acid fosforic), formând fire cu o lungime totală de aproximativ 2 metri. Și nu suntem deținători de record în acest sens, pentru că există organisme al căror ADN este format din sute de miliarde de nucleotide. Pentru a potrivi o astfel de moleculă uriașă în nucleu, care este invizibil cu ochiul liber, firele de ADN sunt răsucite împreună într-o helix (dublă helix) și înfășurate în jurul unor proteine ​​speciale numite histone. Celula are un set special de mașini pentru a lucra cu această bază de date.

Trebuie să utilizați constant informațiile conținute în ADN: citiți secvențele care codifică proteinele de care aveți nevoie la un moment dat (transcripție), iar din când în când copiați întreaga bază de date pentru a diviza celula (replicare). Fiecare dintre acești pași implică desfacerea spiralei nucleotidice. Această activitate folosește enzima helicaza, care se mișcă de-a lungul spiralei și - ca o pană - o separă în fire individuale (totul seamănă cu fulgerul). Enzima funcționează folosind energia eliberată ca urmare a defalcării purtătorului de energie universal al celulei - ATP (adenozin trifosfat).

Modelul moleculei de ATP. Adăugarea și detașarea reziduurilor de fosfat (stânga) mediază schimbul de energie în reacțiile chimice celulare.

Acum puteți începe să copiați fragmente de lanțuri, ceea ce este realizat de ARN polimerază, condusă și de energia conținută în ATP. Enzima se deplasează de-a lungul catenei de ADN și formează o secțiune de ARN (conținând zahăr, riboză în loc de deoxiriboză), care este șablonul pe care sunt sintetizate proteinele. Ca urmare, ADN-ul este păstrat (evitând desfacerea și citirea constantă a fragmentelor) și, în plus, proteinele pot fi create în întreaga celulă, nu doar în nucleu.

O copie aproape fără erori este furnizată de ADN polimeraza, care acționează similar cu ARN polimeraza. Enzima se deplasează de-a lungul firului și își formează omologul său. Când o altă moleculă a acestei enzime se mișcă de-a lungul celei de-a doua catene, rezultatul sunt două elice complete de ADN. Enzima are nevoie de mai mulți „ajutoare” pentru a începe copierea, legarea fragmentelor între ele și îndepărtarea vergeturilor inutile. Cu toate acestea, ADN polimeraza are un „defect de fabricație”. Se poate mișca doar într-o singură direcție. Replicarea necesită crearea unui așa-numit starter, de la care începe copiarea propriu-zisă. Odată terminați, primerii sunt îndepărtați și, deoarece polimeraza nu are rezervă, este scurtată cu fiecare copie de ADN. La capetele firului se află fragmente protectoare numite telomeri, care nu codifică nicio proteină. După consumul lor (la om, după aproximativ 50 de repetări), cromozomii se lipesc împreună și sunt citiți incorect, ceea ce provoacă moartea celulei sau transformarea acesteia în cancer. Astfel, timpul vieții noastre este măsurat de ceasul telomeric.

Copierea ADN-ului necesită multe enzime pentru a lucra împreună.

O moleculă de dimensiunea ADN-ului este supusă unei leziuni constante. Un alt grup de enzime, acționând și ca mașini specializate, se ocupă de eșecuri. O explicație a rolului lor a primit un premiu pentru chimie în 2015 (a se vedea articolul din ianuarie 2016 pentru mai multe informații).

Interior…

...celulele au citoplasmă - o suspensie de componente care le umple cu diverse funcții vitale. Întreaga citoplasmă este acoperită cu o rețea de structuri proteice care alcătuiesc citoscheletul. Microfibrele contractile permit celulei să-și schimbe forma, permițându-i să se târască și să-și miște organelele interne. Citoscheletul include, de asemenea, microtubuli, adică. tuburi formate din molecule de proteine. Acestea sunt elemente destul de rigide (un tub gol este întotdeauna mai rigid decât o singură tijă de același diametru) care formează celula și una dintre cele mai neobișnuite mașini moleculare se mișcă de-a lungul lor - proteinele care merg (la propriu!).

Microtubulii au capete încărcate electric. Proteinele numite dineine se deplasează spre fragmentul negativ, în timp ce kinesinele se deplasează în direcția opusă. Datorită energiei eliberate din descompunerea ATP, forma proteinelor de mers (cunoscută și sub numele de proteine ​​motorii sau de transport) se schimbă ciclic, permițându-le să se miște ca o rață de-a lungul suprafeței microtubulilor. Moleculele sunt echipate cu un „fir” proteic, la capătul căruia se poate lipi o altă moleculă mare sau un balon plin cu produse reziduale. Toate acestea seamănă cu un robot care, legănându-se, trage un balon de o sfoară. Proteinele rulante transportă substanțele necesare în locurile potrivite din celulă și își mută componentele interne.

Aproape toate reacțiile care apar într-o celulă sunt controlate de enzime, fără de care aceste modificări nu ar avea loc aproape niciodată. Enzimele sunt catalizatori care acționează ca mașini specializate pentru a face un singur lucru (foarte des accelerează o singură reacție specifică). Aceștia captează substraturile de transformare, le poziționează corespunzător unul față de celălalt și, după finalizarea procesului, eliberează produsele și încep să lucreze din nou. Asocierea cu un robot industrial care efectuează acțiuni repetate la nesfârșit este absolut corectă.

Moleculele purtătoare de energie intracelulare sunt formate ca un produs secundar al unei serii de reacții chimice. Cu toate acestea, principala sursă de ATP este opera celui mai complex mecanism celular - ATP sintetaza. Cel mai mare număr de molecule ale acestei enzime se găsesc în mitocondrii, care acționează ca „centrale electrice” celulare.

ATP sintetaza – vârf: parte ancorată

în membrană, arbore de antrenare, fragment responsabil

pentru sinteza ATP

În timpul procesului de oxidare biologică, ionii de hidrogen din interiorul părților individuale ale mitocondriilor sunt transportați în exterior, ceea ce creează gradientul lor (diferența de concentrație) pe ambele părți ale membranei mitocondriale. Această situație este instabilă și există o tendință naturală de egalizare a concentrațiilor, de care profită ATP sintaza. O enzimă este formată din mai multe părți mobile și staționare. În membrană este fixat un fragment cu canale prin care ionii de hidrogen din mediu pot pătrunde în mitocondrii. Modificările structurale cauzate de mișcarea lor rotesc o altă parte a enzimei - un element alungit care acționează ca un arbore de antrenare. La celălalt capăt al tijei, în interiorul mitocondriilor, este atașată o altă piesă a sistemului. Rotirea arborelui determină rotația fragmentului intern, la care - în unele dintre pozițiile sale - sunt atașate substraturile reacției de formare a ATP, iar apoi - în alte poziții ale rotorului - compusul de înaltă energie finit. eliberată.

Și de data aceasta nu este greu să găsești o analogie în lumea tehnologiei umane. Doar un generator de electricitate. Fluxul de ioni de hidrogen face ca elementele să se miște în interiorul unui motor molecular imobilizat în membrană, ca palele de turbină conduse de un curent de vapori de apă. Arborele transmite antrenamentul către sistemul real de generare a ATP. La fel ca majoritatea enzimelor, sintaza poate acționa în cealaltă direcție și poate descompune ATP. Acest proces antrenează un motor intern, care, printr-un arbore, antrenează părțile mobile ale fragmentului de membrană. Aceasta, la rândul său, duce la pomparea ionilor de hidrogen din mitocondrii. Deci, o pompă electrică. Miracolul molecular al naturii.

Până la granițe...

...Între celulă și mediu există o membrană celulară care separă ordinea internă de haosul lumii exterioare. Este alcătuit dintr-un strat dublu de molecule, cu părțile hidrofile ("iubitoare de apă") îndreptate spre exterior și părțile hidrofobe ("care evită apa") față în față. Membrana conține, de asemenea, multe molecule de proteine. Organismul trebuie să intre în contact cu mediul: absoarbe substanțele de care are nevoie și excretă deșeurile. Unele substanțe chimice cu molecule mici (cum ar fi apa) pot trece prin membrană în ambele direcții în funcție de un gradient de concentrație. Difuzia altora este dificilă, iar celula însăși reglează absorbția acestora. În continuare, mașinile celulare - transportoare și canale ionice - sunt folosite pentru transmisie.

Transportorul leagă un ion sau o moleculă și apoi îl mută cu acesta în cealaltă parte a membranei (când este el însuși mic) sau - când trece prin întreaga membrană - mișcă particula colectată și o eliberează la celălalt capăt. Desigur, transportoarele funcționează în ambele sensuri și sunt foarte „pretențioase” - transportă adesea doar un singur tip de substanță. Canalele ionice prezintă un efect de operare similar, dar un mecanism diferit. Ele pot fi comparate cu un filtru. Transportul prin canalele ionice urmează, în general, un gradient de concentrație (de la concentrații de ioni mai mari la cele mai scăzute până când se nivelează). Pe de altă parte, mecanismele intracelulare reglează deschiderea și închiderea pasajelor. Canalele ionice prezintă, de asemenea, o selectivitate ridicată față de particulele care trec prin.

Canalul ionic (stânga) și conductele în acțiune

Flagelul bacterian este un adevărat mecanism de conducere

Există o altă mașină moleculară interesantă în membrana celulară - unitatea flagelului, care asigură mișcarea activă a bacteriilor. Este un motor proteic format din două părți: o parte staționară (stator) și o parte rotativă (rotor). Mișcarea este cauzată de fluxul ionilor de hidrogen din membrană în celulă. Ele intră în canal în stator și apoi în partea distală, care este situată în rotor. Pentru a intra în interiorul celulei, ionii de hidrogen trebuie să-și găsească drumul către următoarea secțiune a canalului, care se află din nou în stator. Cu toate acestea, rotorul trebuie să se rotească pentru ca canalele să convergă. Capătul rotorului, care iese dincolo de celulă, este curbat și un flagel flexibil este atașat de el, care se rotește ca un rotor de elicopter.

Cred că această scurtă privire de ansamblu asupra mecanismului celular va arăta clar că desenele câștigătoare ale laureaților Premiului Nobel, fără a diminua realizările lor, sunt încă departe de creațiile perfecte ale evoluției.