Ląstelių mašinos

2016 metais Nobelio chemijos premija buvo skirta už įspūdingą pasiekimą – molekulių, veikiančių kaip mechaniniai įrenginiai, sintezę. Tačiau negalima teigti, kad miniatiūrinių mašinų kūrimo idėja yra originali žmogaus idėja. Ir šį kartą gamta buvo pirmoji.

Apdovanotos molekulinės mašinos (apie jas plačiau – straipsnyje iš sausio mėnesio MT) – pirmas žingsnis link naujos technologijos, kuri netrukus gali apversti mūsų gyvenimą aukštyn kojomis. Tačiau visų gyvų organizmų kūnai yra pilni nanoskalės mechanizmų, kurie palaiko efektyvų ląstelių funkcionavimą.

Centre…

... ląstelėse yra branduolys, o jame saugoma genetinė informacija (bakterijos neturi atskiro branduolio). Pati DNR molekulė yra nuostabi – ją sudaro daugiau nei 6 milijardai elementų (nukleotidų: azoto bazė + dezoksiribozės cukrus + fosforo rūgšties liekanos), sudarančių siūlus, kurių bendras ilgis yra apie 2 metrai. Ir mes šiuo atžvilgiu nesame čempionai, nes yra organizmų, kurių DNR susideda iš šimtų milijardų nukleotidų. Kad tokia milžiniška molekulė tilptų į branduolį, nematomą plika akimi, DNR grandinės susukamos į spiralę (dvigubą spiralę) ir apvyniojamos specialiais baltymais, vadinamais histonais. Ląstelėje yra specialus mašinų rinkinys, skirtas dirbti su šia duomenų baze.

Turite nuolat naudoti DNR esančią informaciją: skaityti sekas, kurios koduoja šiuo metu jums reikalingus baltymus (transkripcija), karts nuo karto nukopijuoti visą duomenų bazę, kad padalintumėte ląstelę (replikacija). Kiekvienas iš šių žingsnių apima nukleotidų spiralės atskleidimą. Šiai veiklai naudojamas helikazės fermentas, kuris juda spirale ir – kaip pleištas – padalija jį į atskirus siūlus (visa tai primena žaibą). Fermentas veikia dėl energijos, išsiskiriančios suskaidžius universalų ląstelės energijos nešiklį - ATP (adenozino trifosfatą).

ATP molekulės modelis. Fosfato likučių prijungimas ir atsiskyrimas (kairėje) užtikrina energijos mainus ląstelių cheminėse reakcijose.

Dabar galite pradėti kopijuoti grandinės fragmentus, ką daro RNR polimerazė, taip pat skatinama ATP esančios energijos. Fermentas juda išilgai DNR grandinės ir sudaro RNR sritį (kurioje yra cukraus, ribozės, o ne dezoksiribozės), kuri yra šablonas, ant kurio sintetinami baltymai. Dėl to DNR išsaugoma (išvengiama nuolatinio fragmentų išnarpliojimo ir skaitymo), be to, baltymai gali būti kuriami visoje ląstelėje, o ne tik branduolyje.

Beveik be klaidų kopiją suteikia DNR polimerazė, kuri veikia panašiai kaip RNR polimerazė. Fermentas juda išilgai sriegio ir kaupia savo atitikmenį. Kai kita šio fermento molekulė juda išilgai antrosios grandinės, susidaro dvi visos DNR grandinės. Fermentui reikia kelių „pagalbininkų“, kad pradėtų kopijuoti, surišti fragmentus ir pašalinti nereikalingas strijas. Tačiau DNR polimerazė turi „gamybos defektą“. Jis gali judėti tik viena kryptimi. Replikacijai reikia sukurti vadinamąjį starterį, nuo kurio prasideda tikrasis kopijavimas. Baigę pradmenys pašalinami ir, kadangi polimerazė neturi atsarginės kopijos, ji trumpėja su kiekviena DNR kopija. Siūlo galuose yra apsauginiai fragmentai, vadinami telomerais, kurie nekoduoja jokių baltymų. Po jų suvartojimo (žmonėms po maždaug 50 pakartojimų) chromosomos sulimpa ir nuskaitomos su klaidomis, dėl kurių ląstelės žūva arba virsta vėžine. Taigi, mūsų gyvenimo laikas matuojamas telomeriniu laikrodžiu.

Norint kopijuoti DNR, reikia daug fermentų, kad jie veiktų kartu.

DNR dydžio molekulė nuolat pažeidžiama. Kita fermentų grupė, taip pat veikianti kaip specializuotos mašinos, yra susijusi su trikčių šalinimu. Jų vaidmens paaiškinimas buvo apdovanotas 2015 m. chemijos premija (daugiau informacijos rasite 2016 m. sausio mėn. straipsnyje).

Viduje…

… ląstelės turi citoplazmą – komponentų suspensiją, kuri jas užpildo įvairiomis gyvybinėmis funkcijomis. Visa citoplazma yra padengta baltymų struktūrų tinklu, kuris sudaro citoskeletą. Susitraukiantys mikropluoštai leidžia ląstelei pakeisti savo formą, todėl ji gali šliaužti ir perkelti vidines organeles. Citoskeletui priklauso ir mikrovamzdeliai, t.y. vamzdeliai, pagaminti iš baltymų. Tai gana standūs elementai (tuščiaviduris vamzdis visada yra standesnis už vieną tokio paties skersmens strypą), kurie sudaro ląstelę, o išilgai jų juda kai kurios neįprastiausios molekulinės mašinos – vaikščiojantys baltymai (tiesiogine prasme!).

Mikrovamzdeliai turi elektriškai įkrautus galus. Baltymai, vadinami dyneinais, juda link neigiamo fragmento, o kinezinai juda priešinga kryptimi. Dėl energijos, išsiskiriančios skaidant ATP, vaikštančių baltymų (dar vadinamų motoriniais arba transportiniais baltymais) forma keičiasi ciklais, todėl jie gali judėti kaip antis mikrotubulių paviršiumi. Molekulėse įtaisytas baltyminis „siūlas“, prie kurio galo gali prilipti kita didelė molekulė ar burbulas, pripildytas atliekų. Visa tai primena robotą, kuris siūbuodamas tempia balioną už virvelės. Riedantys baltymai perneša reikiamas medžiagas į reikiamas ląstelės vietas ir perkelia jos vidinius komponentus.

Beveik visas ląstelėje vykstančias reakcijas kontroliuoja fermentai, be kurių šie pokyčiai beveik niekada neįvyktų. Fermentai yra katalizatoriai, kurie veikia kaip specializuotos mašinos, kurios atlieka vieną dalyką (labai dažnai jie tik pagreitina vieną konkrečią reakciją). Jie užfiksuoja transformacijos substratus, atitinkamai juos sutvarko vienas su kitu, o pasibaigus procesui išleidžia produktus ir vėl pradeda veikti. Asociacija su pramoniniu robotu, atliekančiu be galo pasikartojančius veiksmus, yra visiškai teisinga.

Ląstelėje esančios energijos nešiklio molekulės susidaro kaip šalutinis daugelio cheminių reakcijų produktas. Tačiau pagrindinis ATP šaltinis yra sudėtingiausio ląstelės mechanizmo – ATP sintazės – darbas. Daugiausia šio fermento molekulių yra mitochondrijose, kurios veikia kaip ląstelių „elektrinės“.

ATP sintazė – viršuje: fiksuota dalis

membranoje, pavaros velenas, atsakingas fragmentas

ATP sintezei

Biologinės oksidacijos procese vandenilio jonai iš atskirų mitochondrijų sekcijų vidaus yra išnešami į išorę, o tai sukuria jų gradientą (koncentracijos skirtumą) abiejose mitochondrijų membranos pusėse. Ši situacija yra nestabili ir yra natūrali koncentracijų išlyginimo tendencija, o ATP sintazė tuo ir naudojasi. Fermentas susideda iš kelių judančių ir fiksuotų dalių. Membranoje fiksuojamas fragmentas su kanalais, per kuriuos vandenilio jonai iš aplinkos gali prasiskverbti į mitochondrijas. Struktūriniai pokyčiai, kuriuos sukelia jų judėjimas, sukasi kitą fermento dalį – pailgą elementą, kuris atlieka varančiojo veleno vaidmenį. Kitame strypo gale, mitochondrijos viduje, prie jo pritvirtinta kita sistemos dalis. Veleno sukimasis sukelia vidinio fragmento sukimąsi, prie kurio - kai kuriose jo padėtyse - pritvirtinami ATP formavimo reakcijos substratai, o vėliau - kitose rotoriaus padėtyse - baigtas didelės energijos junginys. paleistas.

Ir šį kartą nesunku rasti analogiją žmonių technologijų pasaulyje. Tiesiog elektros generatorius. Dėl vandenilio jonų srauto elementai juda membranoje imobilizuotame molekuliniame variklyje, kaip turbinos mentės, varomos vandens garų srauto. Velenas perduoda pavarą į tikrąją ATP generavimo sistemą. Kaip ir dauguma fermentų, sintazė taip pat gali veikti kita kryptimi ir suskaidyti ATP. Šis procesas įjungia vidinį variklį, kuris per veleną varo judančias membranos fragmento dalis. Tai savo ruožtu veda prie vandenilio jonų išsiurbimo iš mitochondrijų. Taigi, siurblys yra varomas elektra. Molekulinis gamtos stebuklas.

Ant sienos…

... Tarp ląstelės ir aplinkos yra ląstelės membrana, kuri skiria vidinę tvarką nuo išorinio pasaulio chaoso. Jį sudaro dvigubas molekulių sluoksnis, kurio hidrofilinės („vandenį mėgstančios“) dalys nukreiptos į išorę, o hidrofobinės („vandens vengiančios“) dalys nukreiptos viena į kitą. Membranoje taip pat yra daug baltymų molekulių. Organizmas turi kontaktuoti su aplinka: pasisavinti jam reikalingas medžiagas ir išleisti atliekas. Kai kurie cheminiai junginiai su mažomis molekulėmis (pavyzdžiui, vanduo) gali praeiti pro membraną abiem kryptimis pagal koncentracijos gradientą. Kitų difuzija yra sunki, o ląstelė pati reguliuoja jų įsisavinimą. Be to, perdavimui naudojamos korinio ryšio mašinos - konvejeriai ir jonų kanalai.

Konvejeris suriša joną ar molekulę, o po to kartu su juo juda į kitą membranos pusę (kai pati membrana yra maža) arba – kai praeina per visą membraną – perkelia surinktą dalelę ir paleidžia ją kitame gale. Žinoma, konvejeriai veikia abiem kryptimis ir yra labai „sudėtingi“ – dažnai jie gabena tik vienos rūšies medžiagas. Jonų kanalai rodo panašų veikimo efektą, bet skirtingą mechanizmą. Juos galima palyginti su filtru. Transportavimas jonų kanalais paprastai vyksta pagal koncentracijos gradientą (nuo didesnės iki mažesnės jonų koncentracijos, kol jos išsilygins). Kita vertus, tarpląsteliniai mechanizmai reguliuoja praėjimo takų atidarymą ir uždarymą. Jonų kanalai taip pat pasižymi dideliu selektyvumu dalelėms praeiti.

Veikia jonų kanalas (kairėje) ir vamzdynai

Bakterinis žiogelis yra tikras varomasis mechanizmas

Ląstelės membranoje yra dar viena įdomi molekulinė mašina – žvynelių pavara, užtikrinanti aktyvų bakterijų judėjimą. Tai baltyminis variklis, susidedantis iš dviejų dalių: fiksuotos dalies (statoriaus) ir besisukančios dalies (rotoriaus). Judėjimą sukelia vandenilio jonų srautas iš membranos į ląstelę. Jie patenka į statoriaus kanalą ir toliau į distalinę dalį, esančią rotoriuje. Kad patektų į ląstelę, vandenilio jonai turi rasti kelią į kitą kanalo atkarpą, kuri vėl yra statoriuje. Tačiau rotorius turi suktis, kad kanalai susilietų. Rotoriaus galas, išsikišęs už narvelio, yra išlenktas, prie jo pritvirtintas lankstus žiogelis, besisukantis kaip malūnsparnio sraigtas.

Manau, kad ši būtinai trumpa korinio mechanizmo apžvalga leis aiškiai suprasti, kad Nobelio premijos laureatų laimėjimų projektai, nesumenkindami jų laimėjimų, vis dar yra toli nuo evoliucijos kūrinių tobulumo.