Mesin sel

Pada 2016, Hadiah Nobel dalam Kimia telah dianugerahkan untuk pencapaian yang mengagumkan - sintesis molekul yang bertindak sebagai peranti mekanikal. Walau bagaimanapun, tidak boleh dikatakan bahawa idea untuk mencipta mesin kecil adalah idea asli manusia. Dan kali ini alam adalah yang pertama.

Mesin molekul yang dianugerahkan (lebih lanjut mengenainya dalam artikel dari edisi Januari MT) adalah langkah pertama ke arah teknologi baharu yang mungkin akan mengubah hidup kita tidak lama lagi. Tetapi badan semua organisma hidup penuh dengan mekanisme skala nano yang memastikan sel berfungsi dengan cekap.

Di tengah…

... sel mengandungi nukleus, dan maklumat genetik disimpan di dalamnya (bakteria tidak mempunyai nukleus yang berasingan). Molekul DNA itu sendiri menakjubkan - ia terdiri daripada lebih daripada 6 bilion unsur (nukleotida: bes nitrogen + gula deoksiribosa + sisa asid fosforik), membentuk benang dengan jumlah panjang kira-kira 2 meter. Dan kita bukanlah juara dalam hal ini, kerana terdapat organisma yang DNAnya terdiri daripada ratusan bilion nukleotida. Agar molekul gergasi seperti itu dapat dimuatkan dalam nukleus, tidak dapat dilihat dengan mata kasar, untaian DNA dipintal bersama menjadi heliks (double helix) dan dililit di sekeliling protein khas yang dipanggil histon. Sel ini mempunyai set mesin khas untuk berfungsi dengan pangkalan data ini.

Anda mesti sentiasa menggunakan maklumat yang terkandung dalam DNA: baca urutan yang mengekod untuk protein yang anda perlukan pada masa ini (transkripsi), dan salin keseluruhan pangkalan data dari semasa ke semasa untuk membahagikan sel (replikasi). Setiap langkah ini melibatkan pembongkaran heliks nukleotida. Untuk aktiviti ini, enzim helikase digunakan, yang bergerak dalam lingkaran dan - seperti baji - membahagikannya kepada benang yang berasingan (semua ini menyerupai kilat). Enzim berfungsi kerana tenaga yang dibebaskan akibat daripada pecahan pembawa tenaga sejagat sel - ATP (adenosine triphosphate).

Model molekul ATP. Lampiran dan detasmen sisa fosfat (kiri) menyediakan pertukaran tenaga dalam tindak balas kimia selular.

Kini anda boleh mula menyalin serpihan rantai, yang RNA polimerase lakukan, juga didorong oleh tenaga yang terkandung dalam ATP. Enzim bergerak di sepanjang helai DNA dan membentuk kawasan RNA (mengandungi gula, ribosa bukannya deoksiribosa), yang merupakan templat di mana protein disintesis. Akibatnya, DNA dipelihara (mengelakkan pembongkaran dan pembacaan serpihan yang berterusan), dan, sebagai tambahan, protein boleh dicipta di seluruh sel, bukan hanya dalam nukleus.

Salinan hampir bebas ralat disediakan oleh polimerase DNA, yang bertindak serupa dengan polimerase RNA. Enzim bergerak di sepanjang benang dan membina rakan sejawatannya. Apabila molekul lain enzim ini bergerak di sepanjang helai kedua, hasilnya ialah dua helai DNA yang lengkap. Enzim memerlukan beberapa "pembantu" untuk mula menyalin, mengikat serpihan bersama-sama, dan menghilangkan tanda regangan yang tidak perlu. Walau bagaimanapun, polimerase DNA mempunyai "kecacatan pembuatan". Ia hanya boleh bergerak ke satu arah. Replikasi memerlukan penciptaan yang dipanggil pemula, dari mana penyalinan sebenar bermula. Setelah selesai, primer dikeluarkan dan, kerana polimerase tidak mempunyai sandaran, ia memendekkan dengan setiap salinan DNA. Di hujung benang terdapat serpihan pelindung yang dipanggil telomer yang tidak mengodkan sebarang protein. Selepas penggunaannya (pada manusia, selepas kira-kira 50 ulangan), kromosom melekat bersama dan dibaca dengan ralat, yang menyebabkan kematian sel atau perubahannya menjadi kanser. Oleh itu, masa hidup kita diukur dengan jam telomerik.

Menyalin DNA memerlukan banyak enzim untuk bekerja bersama.

Molekul bersaiz DNA mengalami kerosakan kekal. Satu lagi kumpulan enzim, juga bertindak sebagai mesin khusus, berurusan dengan penyelesaian masalah. Penjelasan tentang peranan mereka telah dianugerahkan Hadiah Kimia 2015 (untuk maklumat lanjut lihat artikel Januari 2016).

Dalam…

… sel mempunyai sitoplasma - penggantungan komponen yang mengisinya dengan pelbagai fungsi penting. Seluruh sitoplasma diliputi dengan rangkaian struktur protein yang membentuk sitoskeleton. Gentian mikro yang mengecut membolehkan sel menukar bentuknya, membolehkannya merangkak dan menggerakkan organel dalamannya. Sitoskeleton juga termasuk mikrotubulus, i.e. tiub yang diperbuat daripada protein. Ini adalah unsur-unsur yang agak tegar (tiub berongga sentiasa lebih keras daripada batang tunggal dengan diameter yang sama) yang membentuk sel, dan beberapa mesin molekul yang paling luar biasa bergerak di sepanjang mereka - protein berjalan (secara harfiah!).

Microtubules mempunyai hujung bercas elektrik. Protein yang dipanggil dynein bergerak ke arah serpihan negatif, manakala kinesin bergerak ke arah yang bertentangan. Terima kasih kepada tenaga yang dibebaskan daripada pecahan ATP, bentuk protein berjalan (juga dikenali sebagai protein motor atau pengangkutan) berubah dalam kitaran, membolehkan mereka bergerak seperti itik merentasi permukaan mikrotubulus. Molekul dilengkapi dengan "benang" protein, di mana satu lagi molekul besar atau gelembung yang dipenuhi dengan bahan buangan boleh melekat. Semua ini menyerupai robot, yang, bergoyang, menarik belon dengan tali. Protein bergolek mengangkut bahan yang diperlukan ke tempat yang betul dalam sel dan menggerakkan komponen dalamannya.

Hampir semua tindak balas yang berlaku dalam sel dikawal oleh enzim, tanpanya perubahan ini hampir tidak akan berlaku. Enzim ialah pemangkin yang bertindak seperti mesin khusus untuk melakukan satu perkara (selalunya ia hanya mempercepatkan satu tindak balas tertentu). Mereka menangkap substrat transformasi, menyusunnya dengan sewajarnya antara satu sama lain, dan selepas tamat proses mereka melepaskan produk dan mula bekerja semula. Perkaitan dengan robot industri yang melakukan tindakan berulang tanpa henti adalah benar.

Molekul pembawa tenaga intraselular terbentuk sebagai hasil sampingan daripada satu siri tindak balas kimia. Walau bagaimanapun, sumber utama ATP adalah kerja mekanisme sel yang paling kompleks - ATP sintase. Bilangan terbesar molekul enzim ini terletak di mitokondria, yang bertindak sebagai "loji kuasa" selular.

ATP sintase - atas: bahagian tetap

dalam membran, aci pemacu, serpihan yang bertanggungjawab

untuk sintesis ATP

Dalam proses pengoksidaan biologi, ion hidrogen diangkut dari bahagian dalam bahagian individu mitokondria ke luar, yang mewujudkan kecerunan mereka (perbezaan kepekatan) pada kedua-dua belah membran mitokondria. Keadaan ini tidak stabil dan terdapat kecenderungan semula jadi untuk kepekatan menyamakan, yang mana ATP synthase mengambil kesempatan. Enzim terdiri daripada beberapa bahagian yang bergerak dan tetap. Serpihan dengan saluran dipasang dalam membran, di mana ion hidrogen dari persekitaran boleh menembusi ke dalam mitokondria. Perubahan struktur yang disebabkan oleh pergerakannya memutarkan bahagian lain enzim - unsur memanjang yang bertindak sebagai aci pemacu. Di hujung batang yang lain, di dalam mitokondria, sekeping sistem lain dilekatkan padanya. Putaran aci menyebabkan putaran serpihan dalaman, di mana, dalam beberapa kedudukannya, substrat tindak balas pembentukan ATP dilampirkan, dan kemudian, di kedudukan lain pemutar, sebatian tenaga tinggi siap pakai. . dilepaskan.

Dan kali ini tidak sukar untuk mencari analogi dalam dunia teknologi manusia. Hanya penjana elektrik. Aliran ion hidrogen menjadikan unsur-unsur bergerak di dalam motor molekul yang tidak bergerak dalam membran, seperti bilah turbin yang digerakkan oleh aliran wap air. Aci memindahkan pemacu ke sistem penjanaan ATP sebenar. Seperti kebanyakan enzim, sintase juga boleh bertindak ke arah lain dan memecahkan ATP. Proses ini menggerakkan motor dalaman yang menggerakkan bahagian serpihan membran yang bergerak melalui aci. Ini, seterusnya, membawa kepada pengepaman keluar ion hidrogen daripada mitokondria. Jadi, pam itu digerakkan secara elektrik. Molekul keajaiban alam semula jadi.

Di sempadan…

... Di antara sel dan persekitaran terdapat membran sel yang memisahkan susunan dalaman daripada kekacauan dunia luar. Ia terdiri daripada lapisan dua molekul, dengan bahagian hidrofilik ("mencintai air") ke luar dan bahagian hidrofobik ("mengelakkan air") ke arah satu sama lain. Membran juga mengandungi banyak molekul protein. Badan perlu bersentuhan dengan alam sekitar: menyerap bahan yang diperlukan dan membebaskan bahan buangan. Sesetengah sebatian kimia dengan molekul kecil (contohnya, air) boleh melalui membran dalam kedua-dua arah mengikut kecerunan kepekatan. Penyebaran orang lain adalah sukar, dan sel itu sendiri mengawal penyerapannya. Selanjutnya, mesin selular digunakan untuk penghantaran - penghantar dan saluran ion.

Penghantar mengikat ion atau molekul dan kemudian bergerak bersamanya ke bahagian lain membran (apabila membran itu sendiri kecil) atau - apabila ia melalui seluruh membran - menggerakkan zarah yang terkumpul dan melepaskannya di hujung yang lain. Sudah tentu, penghantar berfungsi kedua-dua cara dan sangat "relek" - mereka sering mengangkut hanya satu jenis bahan. Saluran ion menunjukkan kesan kerja yang serupa, tetapi mekanisme yang berbeza. Mereka boleh dibandingkan dengan penapis. Pengangkutan melalui saluran ion secara amnya mengikut kecerunan kepekatan (kepekatan ion yang lebih tinggi ke lebih rendah sehingga ia mendatar). Sebaliknya, mekanisme intraselular mengawal pembukaan dan penutupan laluan. Saluran ion juga menunjukkan selektiviti yang tinggi untuk zarah melaluinya.

Saluran ion (kiri) dan saluran paip sedang beroperasi

Flagellum bakteria adalah mekanisme pemanduan sebenar

Terdapat satu lagi mesin molekul yang menarik dalam membran sel - pemacu flagellum, yang memastikan pergerakan aktif bakteria. Ini adalah enjin protein yang terdiri daripada dua bahagian: bahagian tetap (pemegun) dan bahagian berputar (rotor). Pergerakan disebabkan oleh pengaliran ion hidrogen dari membran ke dalam sel. Mereka memasuki saluran di stator dan seterusnya ke bahagian distal, yang terletak di pemutar. Untuk masuk ke dalam sel, ion hidrogen mesti mencari jalan ke bahagian saluran seterusnya, yang sekali lagi berada di stator. Walau bagaimanapun, pemutar mesti berputar supaya saluran dapat menumpu. Hujung pemutar, menonjol di luar sangkar, melengkung, flagel yang fleksibel dilekatkan padanya, berputar seperti kipas helikopter.

Saya percaya bahawa gambaran keseluruhan ringkas mengenai mekanisme selular ini akan menjelaskan dengan jelas bahawa reka bentuk pemenang Hadiah Nobel, tanpa menjejaskan pencapaian mereka, masih jauh daripada kesempurnaan ciptaan evolusi.