Solukoneet

Vuonna 2016 kemian Nobel-palkinto myönnettiin vaikuttavasta saavutuksesta - mekaanisina laitteina toimivien molekyylien synteesistä. Ei kuitenkaan voida sanoa, että idea pienoiskoneiden luomisesta olisi alkuperäinen ihmisen idea. Ja tällä kertaa luonto oli ensimmäinen.

Palkitut molekyylikoneet (niistä lisää MT:n tammikuun numeron artikkelissa) ovat ensimmäinen askel kohti uutta teknologiaa, joka saattaa pian kääntää elämämme ylösalaisin. Mutta kaikkien elävien organismien kehot ovat täynnä nanomittakaavan mekanismeja, jotka pitävät solut toiminnassa tehokkaasti.

Keskustassa…

... solut sisältävät ytimen, johon on tallennettu geneettistä tietoa (bakteerilla ei ole erillistä ydintä). Itse DNA-molekyyli on hämmästyttävä - se koostuu yli 6 miljardista elementistä (nukleotidit: typpiemäs + deoksiriboosisokeri + fosforihappojäännös), jotka muodostavat lankoja, joiden kokonaispituus on noin 2 metriä. Emmekä ole mestareita tässä suhteessa, koska on organismeja, joiden DNA koostuu sadoista miljardeista nukleotideista. Jotta tällainen jättimäinen molekyyli mahtuisi paljaalla silmällä näkymättömään ytimeen, DNA-säikeet kierretään yhteen kierteeksi (kaksoisheliksi) ja kiedotaan erityisten proteiinien, joita kutsutaan histoneiksi, ympärille. Solussa on erityinen joukko koneita, jotka toimivat tämän tietokannan kanssa.

Sinun on käytettävä jatkuvasti DNA:n sisältämää tietoa: lue sekvenssit, jotka koodaavat tällä hetkellä tarvitsemiasi proteiineja (transkriptio), ja kopioi koko tietokanta aika ajoin solun jakamiseksi (replikaatio). Jokainen näistä vaiheista sisältää nukleotidien heliksin purkamisen. Tähän toimintaan käytetään entsyymi helikaasia, joka liikkuu spiraalina ja - kuten kiila - jakaa sen erillisiksi säikeiksi (kaikki tämä muistuttaa salamaa). Entsyymi toimii solun yleisen energian kantajan - ATP:n (adenosiinitrifosfaatin) - hajoamisen seurauksena vapautuvan energian ansiosta.

ATP-molekyylin malli. Fosfaattijäämien kiinnittäminen ja irrottaminen (vasemmalla) tarjoaa energian vaihtoa solukemiallisissa reaktioissa.

Nyt voit aloittaa ketjufragmenttien kopioimisen, mitä RNA-polymeraasi tekee myös ATP:n sisältämän energian ohjaamana. Entsyymi liikkuu DNA-juostetta pitkin ja muodostaa RNA-alueen (sisältää sokeria, riboosia deoksiriboosin sijaan), joka on templaatti, jolla proteiinit syntetisoidaan. Tämän seurauksena DNA säilyy (välttäen jatkuvaa purkamista ja fragmenttien lukemista), ja lisäksi proteiineja voidaan luoda koko soluun, ei vain ytimeen.

Lähes virheettömän kopion tarjoaa DNA-polymeraasi, joka toimii samalla tavalla kuin RNA-polymeraasi. Entsyymi liikkuu lankaa pitkin ja rakentaa vastineensa. Kun toinen tämän entsyymin molekyyli liikkuu toista juostetta pitkin, tuloksena on kaksi täydellistä DNA-juostetta. Entsyymi tarvitsee muutaman "auttajan" aloittaakseen kopioinnin, sitoakseen fragmentteja yhteen ja poistaakseen tarpeettomat venytysmerkit. DNA-polymeraasilla on kuitenkin "valmistusvirhe". Se voi liikkua vain yhteen suuntaan. Replikointi vaatii ns. starterin luomisen, josta varsinainen kopiointi alkaa. Kun se on valmis, alukkeet poistetaan ja koska polymeraasilla ei ole varmuuskopiota, se lyhenee jokaisen DNA-kopion yhteydessä. Langan päissä on suojaavia fragmentteja, joita kutsutaan telomeereiksi, jotka eivät koodaa mitään proteiineja. Niiden nauttimisen jälkeen (ihmisillä noin 50 toiston jälkeen) kromosomit tarttuvat yhteen ja niitä luetaan virheellisesti, mikä aiheuttaa solukuoleman tai sen muuttumisen syöpäsoluksi. Näin ollen elämämme aika mitataan telomeerikellolla.

DNA:n kopiointi vaatii monia entsyymejä toimiakseen yhdessä.

DNA:n kokoinen molekyyli vaurioituu pysyvästi. Toinen entsyymien ryhmä, joka toimii myös erikoiskoneina, käsittelee vianetsintää. Selitys heidän roolistaan ​​palkittiin vuoden 2015 kemianpalkinnolla (lisätietoja tammikuun 2016 artikkelista).

Sisällä…

… soluissa on sytoplasma – suspensio komponenteista, jotka täyttävät ne erilaisilla elintoiminnoilla. Koko sytoplasma on peitetty proteiinirakenteiden verkostolla, jotka muodostavat sytoskeleton. Supistuvat mikrokuidut sallivat solun muuttaa muotoaan, jolloin se voi ryömiä ja siirtää sisäisiä organellejaan. Sytoskeletoni sisältää myös mikrotubuluksia, ts. proteiineista valmistettuja putkia. Nämä ovat melko jäykkiä elementtejä (ontto putki on aina jäykempi kuin yksittäinen halkaisijaltaan samanlainen sauva), jotka muodostavat solun, ja jotkut epätavallisimmista molekyylikoneista liikkuvat niitä pitkin - kävelyproteiinit (kirjaimellisesti!).

Mikrotubuleilla on sähköisesti varautuneet päät. Dyneiineiksi kutsutut proteiinit liikkuvat kohti negatiivista fragmenttia, kun taas kinesiinit liikkuvat vastakkaiseen suuntaan. ATP:n hajoamisesta vapautuvan energian ansiosta kävelyproteiinien (tunnetaan myös nimellä moottori- tai kuljetusproteiineja) muoto muuttuu sykleissä, jolloin ne voivat liikkua kuin ankka mikrotubulusten pinnalla. Molekyylit on varustettu proteiini "langalla", jonka päähän voi tarttua toinen iso molekyyli tai jätetuotteilla täytetty kupla. Kaikki tämä muistuttaa robottia, joka heilutessaan vetää ilmapalloa narusta. Pyörivä proteiini kuljettaa tarvittavat aineet oikeisiin paikkoihin solussa ja siirtää sen sisäisiä komponentteja.

Lähes kaikkia solussa tapahtuvia reaktioita säätelevät entsyymit, joita ilman näitä muutoksia ei tapahtuisi lähes koskaan. Entsyymit ovat katalyyttejä, jotka toimivat erikoiskoneiden tavoin yhden asian tekemiseksi (hyvin usein ne nopeuttavat vain yhtä tiettyä reaktiota). Ne kaappaavat transformaation substraatit, järjestävät ne sopivasti toisiinsa ja prosessin päätyttyä ne vapauttavat tuotteet ja alkavat toimia uudelleen. Yhteys teollisuusrobottiin, joka suorittaa loputtomasti toistuvia toimintoja, on täysin totta.

Solunsisäisen energian kantajan molekyylit muodostuvat kemiallisten reaktioiden sarjan sivutuotteena. ATP:n päälähde on kuitenkin solun monimutkaisimman mekanismin - ATP-syntaasin - työ. Suurin määrä tämän entsyymin molekyylejä sijaitsee mitokondrioissa, jotka toimivat solujen "voimalaitoksina".

ATP-syntaasi - yläosa: kiinteä osa

kalvossa, vetoakseli, vastuullinen fragmentti

ATP-synteesiä varten

Biologisessa hapettumisprosessissa vetyionit kuljetetaan mitokondrioiden yksittäisten osien sisältä ulos, mikä luo niiden gradientin (pitoisuusero) mitokondrioiden kalvon molemmille puolille. Tämä tilanne on epävakaa ja pitoisuuksilla on luonnollinen taipumus tasaantua, mitä ATP-syntaasi hyödyntää. Entsyymi koostuu useista liikkuvista ja kiinteistä osista. Kalvoon kiinnittyy fragmentti, jossa on kanavia, joiden kautta ympäristön vetyionit voivat tunkeutua mitokondrioihin. Niiden liikkeen aiheuttamat rakenteelliset muutokset pyörittävät toista entsyymin osaa - pitkänomaista elementtiä, joka toimii käyttöakselina. Sauvan toisessa päässä, mitokondrioiden sisällä, siihen on kiinnitetty toinen osa järjestelmää. Akselin pyöriminen aiheuttaa sen sisäisen fragmentin pyörimisen, johon joissain asemissa kiinnittyy ATP:tä muodostavan reaktion substraatteja ja sitten roottorin muissa asennoissa valmis korkeaenerginen yhdiste. . vapautettu.

Ja tällä kertaa ei ole vaikea löytää analogiaa ihmisen teknologian maailmasta. Vain sähkögeneraattori. Vetyionien virtaus saa elementit liikkumaan kalvoon immobilisoidun molekyylimoottorin sisällä, kuten vesihöyryvirran ohjaaman turbiinin siivet. Akseli siirtää käyttövoiman varsinaiseen ATP-sukupolvijärjestelmään. Kuten useimmat entsyymit, syntaasi voi toimia myös toiseen suuntaan ja hajottaa ATP:tä. Tämä prosessi saa liikkeelle sisäisen moottorin, joka ajaa kalvofragmentin liikkuvat osat akselin läpi. Tämä puolestaan ​​johtaa vetyionien pumppaamiseen pois mitokondrioista. Eli pumppu on sähkökäyttöinen. Luonnon molekyyli-ihme.

Rajalla…

... Solun ja ympäristön välissä on solukalvo, joka erottaa sisäisen järjestyksen ulkomaailman kaaoksesta. Se koostuu kaksinkertaisesta molekyylikerroksesta, jossa hydrofiiliset ("vettä rakastavat") osat ovat ulospäin ja hydrofobiset ("vettä välttävät") osat toisiaan kohti. Kalvo sisältää myös monia proteiinimolekyylejä. Kehon tulee joutua kosketuksiin ympäristön kanssa: imeä tarvitsemansa aineet ja vapauttaa jätettä. Jotkut pienimolekyyliset kemialliset yhdisteet (esim. vesi) voivat kulkea kalvon läpi molempiin suuntiin pitoisuusgradientin mukaan. Muiden diffuusio on vaikeaa, ja solu itse säätelee niiden imeytymistä. Lisäksi siirtoon käytetään solukkokoneita - kuljettimia ja ionikanavia.

Kuljetin sitoo ionin tai molekyylin ja siirtyy sitten sen mukana kalvon toiselle puolelle (kun itse kalvo on pieni) tai - kun se kulkee koko kalvon läpi - siirtää kerätyn hiukkasen ja vapauttaa sen toisesta päästä. Tietenkin kuljettimet toimivat molempiin suuntiin ja ovat erittäin "niukoita" - ne kuljettavat usein vain yhden tyyppistä ainetta. Ionikanavilla on samanlainen toimintavaikutus, mutta erilainen mekanismi. Niitä voidaan verrata suodattimeen. Kuljetus ionikanavien läpi noudattaa yleensä pitoisuusgradienttia (korkeimmasta pienempään ionipitoisuuteen, kunnes ne tasoittuvat). Toisaalta solunsisäiset mekanismit säätelevät kanavien avaamista ja sulkemista. Ionikanavat osoittavat myös suurta selektiivisyyttä hiukkasten läpikulkua varten.

Ionikanava (vasemmalla) ja putkistot käytössä

Bakteerisiima on todellinen ajomekanismi

Solukalvossa on toinen mielenkiintoinen molekyylikoneisto - flagellum-käyttö, joka varmistaa bakteerien aktiivisen liikkeen. Tämä on proteiinimoottori, joka koostuu kahdesta osasta: kiinteästä osasta (staattori) ja pyörivästä osasta (roottori). Liikkuminen johtuu vetyionien virtauksesta kalvosta soluun. Ne menevät staattorissa olevaan kanavaan ja edelleen distaaliseen osaan, joka sijaitsee roottorissa. Päästäkseen kennon sisään vetyionien on löydettävä tiensä kanavan seuraavaan osaan, joka on jälleen staattorissa. Roottorin on kuitenkin pyörittävä, jotta kanavat lähentyvät. Roottorin häkin yli työntyvä pää on kaareva, siihen on kiinnitetty joustava siima, joka pyörii kuin helikopterin potkuri.

Uskon, että tämä välttämättömästi lyhyt katsaus solumekanismiin tekee selväksi, että Nobel-palkinnon saajien voittajasuunnitelmat ovat edelleen kaukana evoluution luomusten täydellisyydestä heidän saavutuksiaan heikentämättä.