Cellmaskiner

2016 delades Nobelpriset i kemi ut för en imponerande prestation - syntesen av molekyler som fungerar som mekaniska anordningar. Det kan dock inte sägas att idén om att skapa miniatyrmaskiner är en originell mänsklig idé. Och den här gången var naturen först.

De prisbelönta molekylära maskinerna (mer om dem i artikeln från januarinumret av MT) är första steget mot en ny teknik som snart kan vända upp och ner på våra liv. Men alla levande organismers kroppar är fulla av mekanismer i nanoskala som gör att cellerna fungerar effektivt.

I mitten…

... celler innehåller en kärna, och genetisk information lagras i den (bakterier har ingen separat kärna). DNA-molekylen i sig är fantastisk - den består av mer än 6 miljarder element (nukleotider: kvävebas + deoxiribossocker + fosforsyrarester), som bildar trådar med en total längd på cirka 2 meter. Och vi är inte mästare i detta avseende, eftersom det finns organismer vars DNA består av hundratals miljarder nukleotider. För att en sådan gigantisk molekyl ska få plats i kärnan, osynlig för blotta ögat, tvinnas DNA-strängar ihop till en helix (dubbelhelix) och viras runt speciella proteiner som kallas histoner. Cellen har en speciell uppsättning maskiner för att arbeta med denna databas.

Du måste hela tiden använda informationen som finns i DNA: läs sekvenserna som kodar för de proteiner du för närvarande behöver (transkription), och kopiera hela databasen då och då för att dela cellen (replikation). Vart och ett av dessa steg innebär att reda ut nukleotidernas helix. För denna aktivitet används helikasenzymet, som rör sig i en spiral och - som en kil - delar upp det i separata trådar (allt detta påminner om blixtar). Enzymet fungerar på grund av den energi som frigörs som ett resultat av nedbrytningen av cellens universella energibärare - ATP (adenosintrifosfat).

Modell av ATP-molekylen. Vidfästning och lossning av fosfatrester (till vänster) ger energiutbyte i cellulära kemiska reaktioner.

Nu kan du börja kopiera kedjefragment, vilket RNA-polymeras gör, också drivna av energin som finns i ATP. Enzymet rör sig längs DNA-strängen och bildar en region av RNA (innehållande socker, ribos istället för deoxiribos), som är mallen på vilken proteiner syntetiseras. Som ett resultat av detta bevaras DNA (undviker konstant upplösning och läsning av fragment), och dessutom kan proteiner skapas i hela cellen, inte bara i kärnan.

En nästan felfri kopia tillhandahålls av DNA-polymeras, som fungerar på samma sätt som RNA-polymeras. Enzymet rör sig längs tråden och bygger upp sin motsvarighet. När en annan molekyl av detta enzym rör sig längs den andra strängen, blir resultatet två kompletta strängar av DNA. Enzymet behöver några "hjälpare" för att börja kopiera, knyta ihop fragment och ta bort onödiga bristningar. DNA-polymeras har dock en "tillverkningsdefekt". Den kan bara röra sig i en riktning. Replikering kräver skapandet av en så kallad starter, från vilken själva kopieringen börjar. När de är klara tas primrarna bort och eftersom polymeraset inte har någon backup förkortas det med varje DNA-kopia. I ändarna av tråden finns skyddande fragment som kallas telomerer som inte kodar för några proteiner. Efter deras konsumtion (hos människor, efter cirka 50 repetitioner), håller kromosomerna ihop och avläses med fel, vilket orsakar celldöd eller dess omvandling till en cancerform. Sålunda mäts tiden för vårt liv av den telomera klockan.

Att kopiera DNA kräver många enzymer för att samverka.

En molekyl i DNA-storlek genomgår permanent skada. En annan grupp enzymer, som också fungerar som specialiserade maskiner, sysslar med felsökning. En förklaring av deras roll belönades med 2015 års kemipris (för mer information se artikeln från januari 2016).

Inuti…

… celler har en cytoplasma - en suspension av komponenter som fyller dem med olika vitala funktioner. Hela cytoplasman är täckt av ett nätverk av proteinstrukturer som utgör cytoskelettet. De sammandragande mikrofibrerna tillåter cellen att ändra sin form, vilket gör att den kan krypa och flytta sina inre organeller. I cytoskelettet ingår även mikrotubuli, d.v.s. rör gjorda av proteiner. Dessa är ganska stela element (ett ihåligt rör är alltid styvare än en enda stav med samma diameter) som bildar en cell, och några av de mest ovanliga molekylära maskinerna rör sig längs dem - promenadproteiner (bokstavligen!).

Mikrotubuli har elektriskt laddade ändar. Proteiner som kallas dyneiner rör sig mot det negativa fragmentet, medan kinesiner rör sig i motsatt riktning. Tack vare energin som frigörs från nedbrytningen av ATP förändras formen på gångproteiner (även känd som motor- eller transportproteiner) i cykler, vilket gör att de kan röra sig som en anka över ytan av mikrotubuli. Molekyler är utrustade med en "proteintråd" till vars ände en annan stor molekyl eller en bubbla fylld med avfallsprodukter kan fastna. Allt detta liknar en robot, som svajande drar en ballong i ett snöre. Rullande proteiner transporterar de nödvändiga ämnena till rätt ställen i cellen och flyttar dess inre komponenter.

Nästan alla reaktioner som sker i cellen styrs av enzymer, utan vilka dessa förändringar nästan aldrig skulle inträffa. Enzymer är katalysatorer som fungerar som specialiserade maskiner för att göra en sak (mycket ofta påskyndar de bara en viss reaktion). De fångar transformationens substrat, arrangerar dem på lämpligt sätt för varandra, och efter processens slut släpper de produkterna och börjar arbeta igen. Sambandet med en industrirobot som utför oändligt repetitiva handlingar är helt sant.

Molekyler av den intracellulära energibäraren bildas som en biprodukt av en serie kemiska reaktioner. Men huvudkällan till ATP är arbetet med den mest komplexa mekanismen i cellen - ATP-syntas. Det största antalet molekyler av detta enzym finns i mitokondrierna, som fungerar som cellulära "kraftverk".

ATP-syntas - topp: fast del

i membranet, drivaxel, ansvarigt fragment

för ATP-syntes

I processen för biologisk oxidation transporteras vätejoner från insidan av enskilda sektioner av mitokondrierna till utsidan, vilket skapar deras gradient (koncentrationsskillnad) på båda sidor av mitokondriernas membran. Denna situation är instabil och det finns en naturlig tendens att koncentrationerna utjämnas, vilket är vad ATP-syntas drar fördel av. Enzymet består av flera rörliga och fasta delar. Ett fragment med kanaler är fixerat i membranet, genom vilket vätejoner från omgivningen kan tränga in i mitokondrierna. Strukturella förändringar orsakade av deras rörelse roterar en annan del av enzymet - ett långsträckt element som fungerar som en drivaxel. I den andra änden av staven, inuti mitokondrien, är en annan del av systemet fäst vid den. Rotationen av axeln orsakar rotationen av det inre fragmentet, till vilket, i vissa av dess positioner, substrat för den ATP-bildande reaktionen är fästa, och sedan, i andra positioner av rotorn, en färdig högenergiförening . släppte.

Och den här gången är det inte svårt att hitta en analogi i världen av mänsklig teknik. Bara en elgenerator. Flödet av vätejoner gör att elementen rör sig inuti den molekylära motorn som är immobiliserad i membranet, som bladen på en turbin som drivs av en ström av vattenånga. Axeln överför drivningen till själva ATP-genereringssystemet. Liksom de flesta enzymer kan syntas också verka åt andra hållet och bryta ner ATP. Denna process sätter igång en intern motor som driver de rörliga delarna av membranfragmentet genom en axel. Detta leder i sin tur till att vätejoner pumpas ut från mitokondrierna. Så pumpen är elektriskt driven. Naturens molekylära mirakel.

På gränsen…

... Mellan cellen och miljön finns ett cellmembran som skiljer den inre ordningen från den yttre världens kaos. Den består av ett dubbelt lager av molekyler, med de hydrofila ("vattenälskande") delarna utåt och de hydrofoba ("vattenundvikande") delarna mot varandra. Membranet innehåller också många proteinmolekyler. Kroppen måste komma i kontakt med miljön: ta upp de ämnen den behöver och släppa ut avfall. Vissa kemiska föreningar med små molekyler (till exempel vatten) kan passera genom membranet i båda riktningarna enligt koncentrationsgradienten. Diffusion av andra är svårt, och cellen själv reglerar deras absorption. Vidare används cellulära maskiner för överföring - transportörer och jonkanaler.

Transportören binder en jon eller molekyl och förflyttar sig sedan med den till andra sidan av membranet (när själva membranet är litet) eller - när det passerar genom hela membranet - flyttar den uppsamlade partikeln och släpper den i andra änden. Naturligtvis fungerar transportörer åt båda hållen och är väldigt "pyssliga" - de transporterar ofta bara en typ av ämne. Jonkanaler visar en liknande arbetseffekt, men en annan mekanism. De kan jämföras med ett filter. Transport genom jonkanaler följer i allmänhet en koncentrationsgradient (högre till lägre jonkoncentrationer tills de planar ut). Å andra sidan reglerar intracellulära mekanismer öppning och stängning av passager. Jonkanalerna uppvisar också hög selektivitet för partiklar att passera igenom.

Jonkanal (vänster) och rörledningar i drift

Den bakteriella flagellen är en sann drivmekanism

Det finns en annan intressant molekylär maskin i cellmembranet - flagelldrivningen, som säkerställer aktiv rörelse av bakterier. Detta är en proteinmotor som består av två delar: en fast del (stator) och en roterande del (rotor). Rörelse orsakas av flödet av vätejoner från membranet in i cellen. De går in i kanalen i statorn och vidare in i den distala delen, som ligger i rotorn. För att komma in i cellen måste vätejoner leta sig till nästa avsnitt av kanalen, som återigen finns i statorn. Dock måste rotorn rotera för att kanalerna ska konvergera. Änden av rotorn, som sticker ut utanför buren, är krökt, en flexibel flagell är fäst vid den, roterande som en helikopterpropeller.

Jag tror att denna med nödvändighet korta översikt av den cellulära mekanismen kommer att göra det klart att de vinnande designerna av nobelpristagarna, utan att förringa deras prestationer, fortfarande är långt ifrån perfektionen av evolutionens skapelser.