Ćelijske mašine

Godine 2016. Nobelova nagrada za hemiju dodijeljena je za impresivno dostignuće – sintezu molekula koji djeluju kao mehanički uređaji. Međutim, ne može se reći da je ideja stvaranja minijaturnih mašina originalna ljudska ideja. I ovoga puta priroda je bila prva.

Nagrađene molekularne mašine (više o njima u članku iz januarskog broja MT-a) prvi su korak ka novoj tehnologiji koja bi nam uskoro mogla preokrenuti živote. Ali tijela svih živih organizama puna su mehanizama na nanorazmjerima koji održavaju ćelije da funkcionišu efikasno.

U centru…

... ćelije sadrže jezgro, a u njemu su pohranjene genetske informacije (bakterije nemaju posebno jezgro). Sama molekula DNK je nevjerovatna - sastoji se od više od 6 milijardi elemenata (nukleotidi: dušična baza + dezoksiriboza šećer + ostatak fosforne kiseline), formirajući niti ukupne dužine oko 2 metra. I mi nismo šampioni u tom pogledu, jer postoje organizmi čija se DNK sastoji od stotina milijardi nukleotida. Da bi takav gigantski molekul stao u jezgro, nevidljiv golim okom, lanci DNK se uvijaju zajedno u spiralu (dvostruki heliks) i omotavaju se oko posebnih proteina zvanih histoni. Ćelija ima poseban skup mašina za rad sa ovom bazom podataka.

Morate stalno koristiti informacije sadržane u DNK: pročitajte sekvence koje kodiraju proteine ​​koji su vam trenutno potrebni (transkripcija) i kopirajte cijelu bazu podataka s vremena na vrijeme da biste podijelili ćeliju (replikacija). Svaki od ovih koraka uključuje otkrivanje heliksa nukleotida. Za ovu aktivnost koristi se enzim helikaza, koji se kreće spiralno i - poput klina - dijeli ga na zasebne niti (sve to podsjeća na munju). Enzim djeluje zahvaljujući energiji koja se oslobađa kao rezultat razgradnje univerzalnog energetskog nosioca stanice - ATP-a (adenozin trifosfat).

Model ATP molekula. Vezanje i odvajanje fosfatnih ostataka (lijevo) osiguravaju razmjenu energije u ćelijskim hemijskim reakcijama.

Sada možete početi kopirati fragmente lanca, što radi RNA polimeraza, također vođena energijom sadržanom u ATP-u. Enzim se kreće duž lanca DNK i formira regiju RNK (koja sadrži šećer, ribozu umjesto deoksiriboze), koja je šablon na kojem se sintetiziraju proteini. Kao rezultat toga, DNK je očuvan (izbjegavajući stalno rasplitanje i čitanje fragmenata), a osim toga, proteini se mogu stvoriti u cijeloj ćeliji, a ne samo u jezgru.

Skoro bez grešaka kopiju daje DNK polimeraza, koja djeluje slično RNA polimerazi. Enzim se kreće duž niti i izgrađuje svoj parnjak. Kada se drugi molekul ovog enzima kreće duž drugog lanca, rezultat su dva kompletna lanca DNK. Enzimu je potrebno nekoliko "pomoćnika" da počne kopirati, povezivati ​​fragmente zajedno i uklanjati nepotrebne strije. Međutim, DNK polimeraza ima "proizvodni nedostatak". Može se kretati samo u jednom smjeru. Replikacija zahtijeva stvaranje takozvanog pokretača, od kojeg počinje stvarno kopiranje. Kada se završi, prajmeri se uklanjaju i, pošto polimeraza nema rezervnu kopiju, skraćuje se sa svakom kopijom DNK. Na krajevima niti su zaštitni fragmenti zvani telomeri koji ne kodiraju nikakve proteine. Nakon konzumiranja (kod ljudi, nakon oko 50 ponavljanja), hromozomi se spajaju i očitavaju se s greškama, što uzrokuje smrt ćelije ili njenu transformaciju u kancerogenu. Dakle, vrijeme našeg života mjeri se telomernim satom.

Kopiranje DNK zahtijeva mnogo enzima da rade zajedno.

Molekul veličine DNK podliježe trajnom oštećenju. Druga grupa enzima, također djelujući kao specijalizirane mašine, bavi se rješavanjem problema. Objašnjenje njihove uloge nagrađeno je nagradom za hemiju 2015. (za više informacija pogledajte članak iz januara 2016.).

Unutra…

… ćelije imaju citoplazmu - suspenziju komponenti koje ih ispunjavaju različitim vitalnim funkcijama. Čitava citoplazma je prekrivena mrežom proteinskih struktura koje čine citoskelet. Mikrovlakna koja se skupljaju omogućavaju ćeliji da promijeni svoj oblik, omogućavajući joj da puzi i pomjera svoje unutrašnje organele. Citoskelet takođe uključuje mikrotubule, tj. cijevi napravljene od proteina. To su prilično kruti elementi (šuplja cijev je uvijek čvršća od jednog štapa istog prečnika) koji formiraju ćeliju, a po njima se kreću neke od najneobičnijih molekularnih mašina - hodajući proteini (bukvalno!).

Mikrotubule imaju električno nabijene krajeve. Proteini zvani dineini kreću se prema negativnom fragmentu, dok se kinezini kreću u suprotnom smjeru. Zahvaljujući energiji oslobođenoj razgradnjom ATP-a, oblik hodajućih proteina (također poznatih kao motorni ili transportni proteini) se mijenja u ciklusima, omogućavajući im da se kreću poput patke po površini mikrotubula. Molekule su opremljene proteinskom "nit", na čiji se kraj može zalijepiti drugi veliki molekul ili mjehur ispunjen otpadnim proizvodima. Sve to podsjeća na robota koji, njišući se, vuče balon za konce. Kotrljajući proteini transportuju potrebne supstance na prava mesta u ćeliji i pomeraju njene unutrašnje komponente.

Gotovo sve reakcije koje se dešavaju u ćeliji su kontrolirane enzimima, bez kojih do ovih promjena gotovo nikada ne bi došlo. Enzimi su katalizatori koji se ponašaju kao specijalizirane mašine za obavljanje jedne stvari (vrlo često samo ubrzavaju jednu određenu reakciju). Oni hvataju supstrate transformacije, međusobno ih slažu na odgovarajući način, a nakon završetka procesa oslobađaju proizvode i ponovo počinju s radom. Povezanost s industrijskim robotom koji izvodi beskonačno ponavljajuće radnje je apsolutno istinita.

Molekule intracelularnog nosioca energije nastaju kao nusproizvod niza hemijskih reakcija. Međutim, glavni izvor ATP-a je rad najkompleksnijeg mehanizma ćelije - ATP sintaze. Najveći broj molekula ovog enzima nalazi se u mitohondrijima, koji djeluju kao ćelijske "elektrane".

ATP sintaza - gore: fiksni dio

u membrani, pogonsko vratilo, odgovorni fragment

za sintezu ATP-a

U procesu biološke oksidacije ioni vodonika se transportuju iz unutrašnjosti pojedinih dijelova mitohondrija prema van, što stvara njihov gradijent (razliku koncentracije) na obje strane mitohondrijske membrane. Ova situacija je nestabilna i postoji prirodna tendencija da se koncentracije izjednače, što koristi ATP sintaza. Enzim se sastoji od nekoliko pokretnih i fiksnih dijelova. U membrani je fiksiran fragment sa kanalima kroz koje ioni vodonika iz okoline mogu prodrijeti u mitohondrije. Strukturne promjene uzrokovane njihovim kretanjem rotiraju drugi dio enzima - izduženi element koji djeluje kao pogonsko vratilo. Na drugom kraju štapa, unutar mitohondrija, na njega je pričvršćen još jedan dio sistema. Rotacija osovine izaziva rotaciju unutrašnjeg fragmenta, za koji su u nekim svojim položajima pričvršćeni supstrati reakcije stvaranja ATP-a, a zatim, u drugim pozicijama rotora, gotov visokoenergetski spoj . pušten.

I ovoga puta nije teško pronaći analogiju u svijetu ljudske tehnologije. Samo generator struje. Protok vodikovih jona pokreće elemente unutar molekularnog motora imobiliziranog u membrani, poput lopatica turbine koju pokreće mlaz vodene pare. Osovina prenosi pogon na stvarni sistem za generisanje ATP-a. Kao i većina enzima, sintaza također može djelovati u drugom smjeru i razgraditi ATP. Ovaj proces pokreće unutrašnji motor koji pokreće pokretne dijelove fragmenta membrane kroz osovinu. To, zauzvrat, dovodi do ispumpavanja vodonikovih jona iz mitohondrija. Dakle, pumpa je na električni pogon. Molekularno čudo prirode.

Na granici…

... Između ćelije i okoline postoji ćelijska membrana koja odvaja unutrašnji poredak od haosa spoljašnjeg sveta. Sastoji se od dvostrukog sloja molekula, sa hidrofilnim ("vodoljubivim") dijelovima prema van i hidrofobnim ("koji izbjegavaju") dijelovima jedan prema drugom. Membrana također sadrži mnogo proteinskih molekula. Tijelo mora doći u kontakt sa okolinom: apsorbirati tvari koje su mu potrebne i otpustiti otpad. Neki hemijski spojevi s malim molekulima (na primjer, voda) mogu proći kroz membranu u oba smjera prema gradijentu koncentracije. Difuzija drugih je otežana, a sama ćelija reguliše njihovu apsorpciju. Nadalje, za prijenos se koriste ćelijske mašine - transporteri i jonski kanali.

Transporter veže ion ili molekul i zatim se s njim pomiče na drugu stranu membrane (kada je sama membrana mala) ili - kada prođe kroz cijelu membranu - pomiče sakupljenu česticu i oslobađa je na drugom kraju. Naravno, transporteri rade u oba smjera i vrlo su "izbirljivi" - često transportuju samo jednu vrstu tvari. Ionski kanali pokazuju sličan radni efekat, ali drugačiji mehanizam. Mogu se uporediti sa filterom. Transport kroz jonske kanale općenito prati gradijent koncentracije (veće do niže koncentracije jona dok se ne izjednače). S druge strane, intracelularni mehanizmi regulišu otvaranje i zatvaranje prolaza. Jonski kanali takođe pokazuju visoku selektivnost za prolazak čestica.

Jonski kanal (lijevo) i cjevovodi u radu

Bakterijski flagelum je pravi pokretački mehanizam

Postoji još jedna zanimljiva molekularna mašina u ćelijskoj membrani - pogon flageluma, koji osigurava aktivno kretanje bakterija. Ovo je proteinski motor koji se sastoji od dva dijela: fiksnog dijela (stator) i rotacionog dijela (rotor). Kretanje je uzrokovano protokom vodikovih jona iz membrane u ćeliju. Ulaze u kanal u statoru i dalje u distalni dio koji se nalazi u rotoru. Da bi ušli u ćeliju, joni vodonika moraju pronaći put do sljedećeg dijela kanala, koji je opet u statoru. Međutim, rotor se mora rotirati da bi se kanali konvergirali. Kraj rotora, koji strši izvan kaveza, je zakrivljen, na njega je pričvršćen fleksibilni flagelum koji se okreće poput propelera helikoptera.

Vjerujem da će ovaj nužno kratak pregled ćelijskog mehanizma jasno pokazati da su pobjednički dizajni dobitnika Nobelove nagrade, bez umanjivanja njihovih dostignuća, još uvijek daleko od savršenstva kreacija evolucije.