Stanični strojevi

Godine 2016. Nobelova nagrada za kemiju dodijeljena je za impresivno postignuće – sintezu molekula koje djeluju kao mehanički uređaji. Međutim, ne može se reći da je ideja stvaranja minijaturnih strojeva izvorna ljudska ideja. I ovoga puta priroda je bila prva.

Nagrađeni molekularni strojevi (više o njima u članku iz siječanjskog broja MT-a) prvi su korak prema novoj tehnologiji koja bi nam uskoro mogla preokrenuti život. Ali tijela svih živih organizama prepuna su mehanizama na nanorazmjerima koji održavaju učinkovito funkcioniranje stanica.

U središtu…

... stanice sadrže jezgru, a u njoj su pohranjene genetske informacije (bakterije nemaju zasebnu jezgru). Sama molekula DNK je nevjerojatna - sastoji se od više od 6 milijardi elemenata (nukleotidi: dušična baza + deoksiriboza šećer + ostatak fosforne kiseline), tvoreći niti ukupne duljine oko 2 metra. I nismo prvaci u tom pogledu, jer postoje organizmi čija se DNK sastoji od stotina milijardi nukleotida. Kako bi takva divovska molekula stala u jezgru, nevidljiva golim okom, lanci DNK se zajedno uvijaju u spiralu (dvostruki helix) i omotavaju oko posebnih proteina zvanih histoni. Ćelija ima poseban skup strojeva za rad s ovom bazom podataka.

Morate stalno koristiti informacije sadržane u DNK: čitati sekvence koje kodiraju proteine ​​koji su vam trenutno potrebni (transkripcija) i kopirati cijelu bazu podataka s vremena na vrijeme kako biste podijelili stanicu (replikacija). Svaki od ovih koraka uključuje razotkrivanje spirale nukleotida. Za ovu aktivnost koristi se enzim helikaza koji se kreće spiralno i poput klina dijeli na zasebne niti (sve to nalikuje munji). Enzim djeluje zahvaljujući energiji koja se oslobađa kao rezultat razgradnje univerzalnog prijenosnika energije stanice - ATP (adenozin trifosfat).

Model ATP molekule. Pričvršćivanje i odvajanje fosfatnih ostataka (lijevo) osiguravaju izmjenu energije u staničnim kemijskim reakcijama.

Sada možete početi kopirati fragmente lanca, što čini RNA polimeraza, također potaknuta energijom sadržanom u ATP-u. Enzim se kreće duž lanca DNA i tvori regiju RNA (koja sadrži šećer, ribozu umjesto deoksiriboze), koja je šablon na kojem se sintetiziraju proteini. Kao rezultat, DNA je očuvana (izbjegavanje stalnog rasplitanja i čitanja fragmenata), a osim toga, proteini se mogu stvoriti u cijeloj stanici, a ne samo u jezgri.

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

Kopiranje DNK zahtijeva mnogo enzima da rade zajedno.

Molekula veličine DNK podliježe trajnom oštećenju. Druga skupina enzima, također djelujući kao specijalizirani strojevi, bavi se otklanjanjem problema. Objašnjenje njihove uloge nagrađeno je nagradom za kemiju 2015. (za više informacija pogledajte članak iz siječnja 2016.).

Iznutra…

… stanice imaju citoplazmu - suspenziju komponenti koje ih ispunjavaju različitim vitalnim funkcijama. Cijela citoplazma prekrivena je mrežom proteinskih struktura koje čine citoskelet. Mikrovlakna koja se skupljaju omogućuju stanici da promijeni svoj oblik, dopuštajući joj da puzi i pomiče svoje unutarnje organele. Citoskelet također uključuje mikrotubule, tj. cijevi napravljene od proteina. To su prilično kruti elementi (šuplja cijev je uvijek čvršća od jedne šipke istog promjera) koji tvore stanicu, a po njima se kreću neki od najneobičnijih molekularnih strojeva - hodajući proteini (doslovno!).

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) mijenja se u ciklusima, omogućujući im da se kreću poput patke po površini mikrotubula. Molekule su opremljene proteinskom "nit", na čiji se kraj može zalijepiti još jedna velika molekula ili mjehurić ispunjen otpadnim tvarima. Sve to nalikuje robotu, koji, njišući se, vuče balon za uže. Kotrljajući proteini transportiraju potrebne tvari na prava mjesta u stanici i pomiču njezine unutarnje komponente.

Gotovo sve reakcije koje se događaju u stanici kontroliraju enzimi, bez kojih se te promjene gotovo nikada ne bi dogodile. Enzimi su katalizatori koji djeluju kao specijalizirani strojevi za obavljanje jedne stvari (vrlo često samo ubrzavaju jednu određenu reakciju). Zahvaćaju podloge transformacije, međusobno ih prikladno slažu, a nakon završetka procesa oslobađaju proizvode i ponovno počinju s radom. Povezanost s industrijskim robotom koji izvodi beskrajno ponavljajuće radnje je apsolutno istinita.

Molekule intracelularnog prijenosnika energije nastaju kao nusprodukt niza kemijskih reakcija. Međutim, glavni izvor ATP-a je rad najsloženijeg mehanizma stanice - ATP sintaze. Najveći broj molekula ovog enzima nalazi se u mitohondrijima, koji djeluju kao stanične “elektrane”.

ATP sintaza - vrh: fiksni dio

u membrani, pogonsko vratilo, odgovorni fragment

za sintezu ATP-a

U procesu biološke oksidacije, vodikovi ioni se transportiraju iz unutrašnjosti pojedinih dijelova mitohondrija prema van, što stvara njihov gradijent (razliku koncentracije) s obje strane mitohondrijske membrane. Ova situacija je nestabilna i postoji prirodna tendencija izjednačavanja koncentracija, što koristi ATP sintaza. Enzim se sastoji od nekoliko pokretnih i fiksnih dijelova. U membrani je fiksiran fragment s kanalima kroz koje ioni vodika iz okoline mogu prodrijeti u mitohondrije. Strukturne promjene uzrokovane njihovim kretanjem zakreću još jedan dio enzima – izduženi element koji djeluje kao pogonsko vratilo. Na drugom kraju štapića, unutar mitohondrija, na njega je pričvršćen još jedan dio sustava. Rotacija osovine uzrokuje rotaciju unutarnjeg fragmenta, na 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 iona tjera elemente da se kreću unutar molekularnog motora imobiliziranog u membrani, poput lopatica turbine koju pokreće mlaz vodene pare. Osovina prenosi pogon na stvarni sustav za generiranje ATP-a. Kao i većina enzima, sintaza također može djelovati u drugom smjeru i razgraditi ATP. Ovaj proces pokreće unutarnji motor koji pokreće pokretne dijelove fragmenta membrane kroz osovinu. To, pak, dovodi do ispumpavanja vodikovih iona iz mitohondrija. Dakle, pumpa je na električni pogon. Molekularno čudo prirode.

Na granici…

... Između stanice i okoline nalazi se stanična membrana koja odvaja unutarnji red od kaosa vanjskog svijeta. Sastoji se od dvostrukog sloja molekula, s hidrofilnim dijelovima (koji "vole vodu") prema van i hidrofobnim dijelovima (koji "izbjegavaju vodu") jedan prema drugome. Membrana također sadrži mnoge proteinske molekule. Tijelo mora doći u kontakt s okolinom: apsorbirati tvari koje su mu potrebne i otpustiti otpad. Neki kemijski spojevi s malim molekulama (primjerice voda) mogu proći kroz membranu u oba smjera prema koncentracijskom gradijentu. Difuzija drugih je otežana, a stanica sama regulira njihovu apsorpciju. Nadalje, za prijenos se koriste stanični strojevi - transporteri i ionski kanali.

Transporter veže ion ili molekulu 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 otpušta je na drugom kraju. Naravno, transporteri rade u oba smjera i vrlo su "izbirljivi" - često transportiraju samo jednu vrstu tvari. Ionski kanali pokazuju sličan radni učinak, ali drugačiji mehanizam. Mogu se usporediti s filterom. Prijevoz kroz ionske kanale općenito slijedi gradijent koncentracije (od viših do nižih koncentracija iona dok se ne izjednače). S druge strane, unutarstanični mehanizmi reguliraju otvaranje i zatvaranje prolaza. Ionski kanali također pokazuju visoku selektivnost za prolazak čestica.

Ionski kanal (lijevo) i cjevovodi u pogonu

Bakterijski flagelum je pravi pokretački mehanizam

U staničnoj membrani postoji još jedan zanimljiv molekularni stroj - pogon bića, koji osigurava aktivno kretanje bakterija. Ovo je proteinski motor koji se sastoji od dva dijela: fiksnog dijela (statora) i rotacionog dijela (rotora). Kretanje je uzrokovano strujanjem vodikovih iona iz membrane u stanicu. Ulaze u kanal u statoru i dalje u distalni dio koji se nalazi u rotoru. Da bi ušli u ćeliju, vodikovi ioni moraju pronaći put do sljedećeg dijela kanala, koji je opet u statoru. Međutim, rotor se mora rotirati kako 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 staničnog mehanizma jasno pokazati da su pobjednički nacrti dobitnika Nobelove nagrade, ne umanjujući njihova postignuća, još uvijek daleko od savršenstva kreacija evolucije.