Mga cell machine

Noong 2016, iginawad ang Nobel Prize sa Chemistry para sa isang kahanga-hangang tagumpay - ang synthesis ng mga molekula na kumikilos bilang mga mekanikal na aparato. Gayunpaman, hindi masasabi na ang ideya ng paglikha ng mga miniature na makina ay isang orihinal na ideya ng tao. At sa pagkakataong ito ang kalikasan ang una.

Ang mga iginawad na molecular machine (higit pa tungkol sa mga ito sa artikulo mula sa Enero na isyu ng MT) ay ang unang hakbang tungo sa isang bagong teknolohiya na maaaring magbaliktad sa ating buhay sa lalong madaling panahon. Ngunit ang mga katawan ng lahat ng nabubuhay na organismo ay puno ng mga nanoscale na mekanismo na nagpapanatili sa mga cell na gumagana nang mahusay.

Sa gitna…

... ang mga cell ay naglalaman ng isang nucleus, at ang genetic na impormasyon ay naka-imbak sa loob nito (ang bakterya ay walang hiwalay na nucleus). Ang molekula ng DNA mismo ay kamangha-manghang - binubuo ito ng higit sa 6 bilyong elemento (nucleotides: nitrogenous base + deoxyribose sugar + phosphoric acid residue), na bumubuo ng mga thread na may kabuuang haba na halos 2 metro. At hindi tayo mga kampeon sa bagay na ito, dahil may mga organismo na ang DNA ay binubuo ng daan-daang bilyong nucleotides. Upang ang isang higanteng molekula ay magkasya sa nucleus, na hindi nakikita ng mata, ang mga hibla ng DNA ay pinagsasama-sama sa isang helix (double helix) at nakabalot sa mga espesyal na protina na tinatawag na histones. Ang cell ay may isang espesyal na hanay ng mga makina upang gumana sa database na ito.

Dapat mong patuloy na gamitin ang impormasyong nakapaloob sa DNA: basahin ang mga pagkakasunud-sunod na naka-code para sa mga protina na kasalukuyan mong kailangan (transkripsyon), at kopyahin ang buong database paminsan-minsan upang hatiin ang cell (pagtitiklop). Ang bawat isa sa mga hakbang na ito ay nagsasangkot ng pag-unraveling ng helix ng mga nucleotides. Para sa aktibidad na ito, ginagamit ang helicase enzyme, na gumagalaw sa isang spiral at - tulad ng isang wedge - hinahati ito sa magkahiwalay na mga thread (lahat ito ay kahawig ng kidlat). Gumagana ang enzyme dahil sa enerhiya na inilabas bilang resulta ng pagkasira ng unibersal na carrier ng enerhiya ng cell - ATP (adenosine triphosphate).

Modelo ng molekula ng ATP. Ang attachment at detachment ng phosphate residues (kaliwa) ay nagbibigay ng palitan ng enerhiya sa mga cellular chemical reactions.

Ngayon ay maaari mong simulan ang pagkopya ng mga fragment ng chain, na ginagawa ng RNA polymerase, na hinihimok din ng enerhiya na nasa ATP. Ang enzyme ay gumagalaw sa kahabaan ng DNA strand at bumubuo ng isang rehiyon ng RNA (naglalaman ng asukal, ribose sa halip na deoxyribose), na siyang template kung saan ang mga protina ay synthesize. Bilang isang resulta, ang DNA ay napanatili (naiwasan ang patuloy na pag-unrave at pagbabasa ng mga fragment), at, bilang karagdagan, ang mga protina ay maaaring malikha sa buong cell, hindi lamang sa nucleus.

Isang halos walang error na kopya ang ibinibigay ng DNA polymerase, na gumaganap nang katulad ng RNA polymerase. Ang enzyme ay gumagalaw sa kahabaan ng thread at bumubuo ng katapat nito. Kapag ang isa pang molekula ng enzyme na ito ay gumagalaw kasama ang pangalawang strand, ang resulta ay dalawang kumpletong hibla ng DNA. Ang enzyme ay nangangailangan ng ilang "katulong" upang simulan ang pagkopya, pagtali ng mga fragment, at pag-alis ng mga hindi kinakailangang stretch mark. Gayunpaman, ang DNA polymerase ay may "manufacturing defect". Maaari lamang itong gumalaw sa isang direksyon. Ang pagtitiklop ay nangangailangan ng paglikha ng isang tinatawag na starter, kung saan nagsisimula ang aktwal na pagkopya. Kapag nakumpleto na, ang mga panimulang aklat ay aalisin at, dahil ang polymerase ay walang backup, ito ay umiikli sa bawat kopya ng DNA. Sa dulo ng thread ay may mga proteksiyon na fragment na tinatawag na telomeres na hindi nagko-code para sa anumang mga protina. Pagkatapos ng kanilang pagkonsumo (sa mga tao, pagkatapos ng humigit-kumulang 50 na pag-uulit), ang mga chromosome ay magkakadikit at binabasa nang may mga pagkakamali, na nagiging sanhi ng pagkamatay ng cell o ang pagbabago nito sa isang kanser. Kaya, ang oras ng ating buhay ay sinusukat ng telomeric na orasan.

Ang pagkopya ng DNA ay nangangailangan ng maraming enzyme upang gumana nang magkasama.

Ang isang molekulang kasing laki ng DNA ay sumasailalim sa permanenteng pinsala. Ang isa pang pangkat ng mga enzyme, na kumikilos din bilang mga dalubhasang makina, ay tumatalakay sa pag-troubleshoot. Ang paliwanag sa kanilang tungkulin ay ginawaran ng 2015 Chemistry Prize (para sa karagdagang impormasyon tingnan ang artikulong Enero 2016).

Sa loob…

… ang mga cell ay may cytoplasm - isang suspensyon ng mga sangkap na pumupuno sa kanila ng iba't ibang mahahalagang function. Ang buong cytoplasm ay sakop ng isang network ng mga istruktura ng protina na bumubuo sa cytoskeleton. Pinahihintulutan ng mga nagkukontratang microfiber ang cell na baguhin ang hugis nito, na nagpapahintulot dito na gumapang at ilipat ang mga panloob na organel nito. Kasama rin sa cytoskeleton ang mga microtubule, i.e. mga tubo na gawa sa mga protina. Ang mga ito ay medyo matibay na mga elemento (ang isang guwang na tubo ay palaging mas matigas kaysa sa isang solong baras ng parehong diameter) na bumubuo ng isang cell, at ang ilan sa mga pinaka-hindi pangkaraniwang molekular na makina ay gumagalaw sa kanila - naglalakad na mga protina (literal!).

Ang mga microtubule ay may mga dulong may kuryente. Ang mga protina na tinatawag na dynein ay lumilipat patungo sa negatibong fragment, habang ang mga kinesin ay gumagalaw sa kabaligtaran na direksyon. Salamat sa enerhiya na inilabas mula sa pagkasira ng ATP, ang hugis ng mga walking protein (kilala rin bilang motor o transport protein) ay nagbabago sa mga cycle, na nagpapahintulot sa kanila na gumalaw tulad ng isang pato sa ibabaw ng microtubule. Ang mga molekula ay nilagyan ng isang "thread" ng protina, hanggang sa dulo kung saan maaaring dumikit ang isa pang malaking molekula o isang bula na puno ng mga basura. Ang lahat ng ito ay kahawig ng isang robot, na, umiindayog, humihila ng isang lobo sa pamamagitan ng isang string. Ang mga rolling protein ay nagdadala ng mga kinakailangang sangkap sa mga tamang lugar sa cell at inililipat ang mga panloob na bahagi nito.

Halos lahat ng mga reaksyon na nagaganap sa cell ay kinokontrol ng mga enzyme, kung wala ang mga pagbabagong ito ay halos hindi mangyayari. Ang mga enzyme ay mga catalyst na kumikilos tulad ng mga dalubhasang makina upang gawin ang isang bagay (kadalasan ay pinapabilis lamang nila ang isang partikular na reaksyon). Kinukuha nila ang mga substrate ng pagbabagong-anyo, ayusin ang mga ito nang naaangkop sa bawat isa, at pagkatapos ng pagtatapos ng proseso ay inilabas nila ang mga produkto at nagsimulang magtrabaho muli. Ang kaugnayan sa isang robot na pang-industriya na gumaganap ng walang katapusang paulit-ulit na mga aksyon ay ganap na totoo.

Ang mga molekula ng intracellular energy carrier ay nabuo bilang isang by-product ng isang serye ng mga kemikal na reaksyon. Gayunpaman, ang pangunahing mapagkukunan ng ATP ay ang gawain ng pinaka kumplikadong mekanismo ng cell - ATP synthase. Ang pinakamalaking bilang ng mga molekula ng enzyme na ito ay matatagpuan sa mitochondria, na kumikilos bilang cellular na "power plants".

ATP synthase - itaas: nakapirming bahagi

sa lamad, drive shaft, responsable fragment

para sa synthesis ng ATP

Sa proseso ng biological oxidation, ang mga hydrogen ions ay dinadala mula sa loob ng mga indibidwal na seksyon ng mitochondria patungo sa labas, na lumilikha ng kanilang gradient (pagkakaiba sa konsentrasyon) sa magkabilang panig ng mitochondrial membrane. Ang sitwasyong ito ay hindi matatag at may likas na posibilidad na magkapantay ang mga konsentrasyon, na siyang sinasamantala ng ATP synthase. Ang enzyme ay binubuo ng ilang gumagalaw at nakapirming bahagi. Ang isang fragment na may mga channel ay naayos sa lamad, kung saan ang mga hydrogen ions mula sa kapaligiran ay maaaring tumagos sa mitochondria. Ang mga pagbabago sa istruktura na dulot ng kanilang paggalaw ay umiikot sa isa pang bahagi ng enzyme - isang pinahabang elemento na nagsisilbing drive shaft. Sa kabilang dulo ng baras, sa loob ng mitochondrion, isa pang piraso ng sistema ang nakakabit dito. Ang pag-ikot ng baras ay nagiging sanhi ng pag-ikot ng panloob na fragment, kung saan, sa ilang mga posisyon nito, ang mga substrate ng reaksyon na bumubuo ng ATP ay nakakabit, at pagkatapos, sa iba pang mga posisyon ng rotor, isang handa na high-energy compound. . pinakawalan.

At sa pagkakataong ito ay hindi mahirap makahanap ng pagkakatulad sa mundo ng teknolohiya ng tao. Generator lang ng kuryente. Ang daloy ng mga hydrogen ions ay nagpapagalaw sa mga elemento sa loob ng molecular motor na hindi kumikilos sa lamad, tulad ng mga blades ng isang turbine na hinimok ng isang stream ng singaw ng tubig. Inililipat ng shaft ang drive sa aktwal na sistema ng pagbuo ng ATP. Tulad ng karamihan sa mga enzyme, ang synthase ay maaari ding kumilos sa kabilang direksyon at masira ang ATP. Ang prosesong ito ay nagpapakilos ng panloob na motor na nagtutulak sa mga gumagalaw na bahagi ng fragment ng lamad sa pamamagitan ng isang baras. Ito naman ay humahantong sa pumping out ng mga hydrogen ions mula sa mitochondria. Kaya, ang bomba ay hinihimok ng kuryente. Molekular na himala ng kalikasan.

Sa hangganan…

... Sa pagitan ng cell at ng kapaligiran ay mayroong cell membrane na naghihiwalay sa panloob na kaayusan mula sa kaguluhan ng panlabas na mundo. Binubuo ito ng dobleng patong ng mga molekula, na may mga bahaging hydrophilic ("mahilig sa tubig") at ang mga bahaging hydrophobic ("pag-iwas sa tubig") patungo sa isa't isa. Ang lamad ay naglalaman din ng maraming molekula ng protina. Ang katawan ay kailangang makipag-ugnayan sa kapaligiran: sumipsip ng mga sangkap na kailangan nito at naglalabas ng basura. Ang ilang mga kemikal na compound na may maliliit na molekula (halimbawa, tubig) ay maaaring dumaan sa lamad sa parehong direksyon ayon sa gradient ng konsentrasyon. Ang pagsasabog ng iba ay mahirap, at ang cell mismo ang kumokontrol sa kanilang pagsipsip. Dagdag pa, ang mga cellular machine ay ginagamit para sa paghahatid - mga conveyor at ion channel.

Ang conveyor ay nagbibigkis ng isang ion o molekula at pagkatapos ay gumagalaw kasama nito sa kabilang panig ng lamad (kapag ang lamad mismo ay maliit) o ​​- kapag ito ay dumaan sa buong lamad - ginagalaw ang nakolektang particle at ilalabas ito sa kabilang dulo. Siyempre, gumagana ang mga conveyor sa magkabilang paraan at napaka-"makulit" - kadalasan ay isang uri lamang ng substance ang dala nila. Ang mga channel ng Ion ay nagpapakita ng katulad na epekto sa pagtatrabaho, ngunit ibang mekanismo. Maaari silang ihambing sa isang filter. Ang transportasyon sa pamamagitan ng mga channel ng ion ay karaniwang sumusunod sa isang gradient ng konsentrasyon (mas mataas hanggang sa mas mababang mga konsentrasyon ng ion hanggang sa mag-level off ang mga ito). Sa kabilang banda, kinokontrol ng mga mekanismo ng intracellular ang pagbubukas at pagsasara ng mga daanan. Ang mga channel ng ion ay nagpapakita rin ng mataas na selektibidad para sa mga particle na dumaan.

Ion channel (kaliwa) at mga pipeline na gumagana

Ang bacterial flagellum ay isang tunay na mekanismo sa pagmamaneho

May isa pang kawili-wiling molecular machine sa cell membrane - ang flagellum drive, na nagsisiguro sa aktibong paggalaw ng bakterya. Ito ay isang makina ng protina na binubuo ng dalawang bahagi: isang nakapirming bahagi (stator) at isang umiikot na bahagi (rotor). Ang paggalaw ay sanhi ng pagdaloy ng mga hydrogen ions mula sa lamad papunta sa cell. Pumasok sila sa channel sa stator at higit pa sa distal na bahagi, na matatagpuan sa rotor. Upang makapasok sa loob ng cell, ang mga hydrogen ions ay dapat mahanap ang kanilang daan patungo sa susunod na seksyon ng channel, na muli sa stator. Gayunpaman, ang rotor ay dapat paikutin upang ang mga channel ay magsalubong. Ang dulo ng rotor, na nakausli sa kabila ng hawla, ay hubog, isang nababaluktot na flagellum ay nakakabit dito, umiikot tulad ng isang helicopter propeller.

Naniniwala ako na ang maikling pangkalahatang-ideya na ito ng mekanismo ng cellular ay magpapalinaw na ang mga nanalong disenyo ng mga nanalo ng Nobel Prize, nang hindi nababawasan ang kanilang mga tagumpay, ay malayo pa rin sa pagiging perpekto ng mga likha ng ebolusyon.