Šūnu mašīnas

2016. gadā Nobela prēmija ķīmijā tika piešķirta par iespaidīgu sasniegumu - molekulu sintēzi, kas darbojas kā mehāniskas ierīces. Tomēr nevar teikt, ka ideja par miniatūru mašīnu radīšanu ir oriģināla cilvēka ideja. Un šoreiz daba bija pirmajā vietā.

Godalgotās molekulārās mašīnas (vairāk par tām rakstā no MT janvāra numura) ir pirmais solis ceļā uz jaunu tehnoloģiju, kas drīzumā var apgriezt mūsu dzīvi kājām gaisā. Bet visu dzīvo organismu ķermeņi ir pilni ar nanomēroga mehānismiem, kas nodrošina šūnu efektīvu darbību.

Centrā…

... šūnas satur kodolu, un tajā tiek glabāta ģenētiskā informācija (baktērijām nav atsevišķa kodola). Pati DNS molekula ir pārsteidzoša - tā sastāv no vairāk nekā 6 miljardiem elementu (nukleotīdi: slāpekļa bāze + dezoksiribozes cukurs + fosforskābes atlikums), veidojot pavedienus, kuru kopējais garums ir aptuveni 2 metri. Un šajā ziņā mēs neesam čempioni, jo ir organismi, kuru DNS sastāv no simtiem miljardu nukleotīdu. Lai šāda milzu molekula ietilptu ar neapbruņotu aci neredzamajā kodolā, DNS pavedieni tiek savīti kopā spirālē (dubultspirāle) un aptīti ap īpašiem proteīniem, ko sauc par histoniem. Šūnai ir īpašs iekārtu komplekts darbam ar šo datu bāzi.

Jums pastāvīgi jāizmanto DNS ietvertā informācija: izlasiet secības, kas kodē jums pašlaik nepieciešamās olbaltumvielas (transkripcija), un laiku pa laikam kopējiet visu datu bāzi, lai sadalītu šūnu (replikācija). Katrs no šiem soļiem ietver nukleotīdu spirāles atšķetināšanu. Šai darbībai tiek izmantots helikāzes enzīms, kas pārvietojas pa spirāli un - kā ķīlis - sadala to atsevišķos pavedienos (tas viss atgādina zibeni). Enzīms darbojas, pateicoties enerģijai, kas izdalās šūnas universālā enerģijas nesēja - ATP (adenozīntrifosfāta) - sadalīšanās rezultātā.

ATP molekulas modelis. Fosfātu atlieku piestiprināšana un atdalīšana (pa kreisi) nodrošina enerģijas apmaiņu šūnu ķīmiskajās reakcijās.

Tagad jūs varat sākt kopēt ķēdes fragmentus, ko dara RNS polimerāze, ko arī virza ATP esošā enerģija. Enzīms pārvietojas pa DNS virkni un veido RNS reģionu (satur cukuru, ribozi dezoksiribozes vietā), kas ir veidne, uz kuras tiek sintezēti proteīni. Rezultātā DNS tiek saglabāta (izvairoties no pastāvīgas fragmentu atšķetināšanas un nolasīšanas), turklāt olbaltumvielas var izveidoties visā šūnā, ne tikai kodolā.

Gandrīz bez kļūdām kopiju nodrošina DNS polimerāze, kas darbojas līdzīgi kā RNS polimerāze. Enzīms pārvietojas pa pavedienu un veido savu ekvivalentu. Kad cita šī enzīma molekula pārvietojas pa otro virkni, rezultāts ir divas pilnīgas DNS virknes. Enzīmam ir nepieciešami daži "palīgi", lai sāktu kopēt, sasaistīt fragmentus un noņemt nevajadzīgas strijas. Tomēr DNS polimerāzei ir "ražošanas defekts". Tas var pārvietoties tikai vienā virzienā. Replicēšanai nepieciešams izveidot tā saukto starteri, no kura sākas faktiskā kopēšana. Kad tas ir pabeigts, primeri tiek noņemti, un, tā kā polimerāzei nav rezerves, tā saīsinās ar katru DNS kopiju. Vītnes galos ir aizsargfragmenti, ko sauc par telomēriem, kas nekodē nekādus proteīnus. Pēc to lietošanas (cilvēkiem pēc aptuveni 50 atkārtojumiem) hromosomas salīp kopā un tiek nolasītas ar kļūdām, kas izraisa šūnu nāvi vai tās pārveidošanu par vēzi. Tādējādi mūsu dzīves laiku mēra ar telomērisko pulksteni.

DNS kopēšanai nepieciešami daudzi enzīmi, lai tie darbotos kopā.

DNS izmēra molekula tiek pakļauta neatgriezeniskiem bojājumiem. Cita fermentu grupa, kas darbojas arī kā specializētas iekārtas, nodarbojas ar problēmu novēršanu. Viņu lomas skaidrojums tika apbalvots ar 2015. gada balvu ķīmijā (plašāku informāciju skatiet 2016. gada janvāra rakstā).

Iekšā…

… šūnām ir citoplazma – sastāvdaļu suspensija, kas piepilda tās ar dažādām dzīvībai svarīgām funkcijām. Visa citoplazma ir pārklāta ar olbaltumvielu struktūru tīklu, kas veido citoskeletu. Saraujošās mikrošķiedras ļauj šūnai mainīt savu formu, ļaujot tai rāpot un pārvietot iekšējos organellus. Citoskeletā ietilpst arī mikrotubulas, t.i. caurules, kas izgatavotas no olbaltumvielām. Tie ir diezgan stingri elementi (doba caurule vienmēr ir stingrāka par vienu tāda paša diametra stieni), kas veido šūnu, un pa tiem pārvietojas dažas no visneparastākajām molekulārajām mašīnām - staigājošie proteīni (burtiski!).

Mikrotubulām ir elektriski uzlādēti gali. Olbaltumvielas, ko sauc par dyneīniem, virzās uz negatīvo fragmentu, bet kinezīni virzās pretējā virzienā. Pateicoties ATP sadalīšanās rezultātā atbrīvotajai enerģijai, staigājošo proteīnu (pazīstami arī kā motora vai transporta proteīni) forma mainās ciklos, ļaujot tiem pārvietoties kā pīle pa mikrotubulu virsmu. Molekulas ir aprīkotas ar proteīna "pavedienu", kura galā var pielipt cita liela molekula vai burbulis, kas piepildīts ar atkritumu produktiem. Tas viss atgādina robotu, kurš, šūpojoties, velk balonu aiz auklas. Ripojošie proteīni transportē nepieciešamās vielas uz pareizajām vietām šūnā un pārvieto tās iekšējās sastāvdaļas.

Gandrīz visas šūnā notiekošās reakcijas kontrolē fermenti, bez kuriem šīs izmaiņas gandrīz nekad nenotiktu. Fermenti ir katalizatori, kas darbojas kā specializētas iekārtas, lai veiktu vienu darbību (ļoti bieži tie tikai paātrina vienu konkrētu reakciju). Viņi uztver transformācijas substrātus, sakārto tos atbilstoši viens otram un pēc procesa beigām atbrīvo produktus un atsāk darboties. Asociācija ar industriālo robotu, kas veic bezgalīgi atkārtotas darbības, ir pilnīga patiesība.

Intracelulārā enerģijas nesēja molekulas veidojas kā ķīmisku reakciju virknes blakusprodukts. Tomēr galvenais ATP avots ir šūnas sarežģītākā mehānisma - ATP sintāzes - darbs. Lielākais šī fermenta molekulu skaits atrodas mitohondrijās, kas darbojas kā šūnu "elektrostacijas".

ATP sintāze - augšā: fiksētā daļa

membrānā, piedziņas vārpsta, atbildīgais fragments

ATP sintēzei

Bioloģiskās oksidācijas procesā ūdeņraža joni tiek transportēti no atsevišķu mitohondriju sekciju iekšpuses uz ārpusi, kas rada to gradientu (koncentrācijas starpību) abās mitohondriju membrānas pusēs. Šī situācija ir nestabila, un pastāv dabiska tendence koncentrācijām izlīdzināties, ko izmanto ATP sintāze. Enzīms sastāv no vairākām kustīgām un fiksētām daļām. Membrānā tiek fiksēts fragments ar kanāliem, caur kuriem ūdeņraža joni no vides var iekļūt mitohondrijās. Strukturālās izmaiņas, ko izraisa to kustība, rotē citu fermenta daļu - iegarenu elementu, kas darbojas kā piedziņas vārpsta. Otrā stieņa galā, mitohondrija iekšpusē, tam ir piestiprināts vēl viens sistēmas gabals. Vārpstas griešanās izraisa iekšējā fragmenta rotāciju, pie kura - dažās tā pozīcijās - tiek piestiprināti ATP veidojošās reakcijas substrāti, bet pēc tam - citās rotora pozīcijās - gatavais augstas enerģijas savienojums. atbrīvots.

Un šoreiz nav grūti atrast līdzību cilvēku tehnoloģiju pasaulē. Vienkārši elektrības ģenerators. Ūdeņraža jonu plūsma liek elementiem pārvietoties membrānā imobilizētā molekulārā motora iekšpusē, piemēram, turbīnas lāpstiņām, ko darbina ūdens tvaiku straume. Vārpsta nodod piedziņu faktiskajai ATP ģenerēšanas sistēmai. Tāpat kā lielākā daļa enzīmu, sintāze var darboties arī pretējā virzienā un noārdīt ATP. Šis process iedarbina iekšējo motoru, kas virza membrānas fragmenta kustīgās daļas caur vārpstu. Tas savukārt noved pie ūdeņraža jonu izsūknēšanas no mitohondrijiem. Tātad sūknis tiek darbināts ar elektrisko piedziņu. Dabas molekulārais brīnums.

Līdz robežām...

... Starp šūnu un vidi atrodas šūnu membrāna, kas atdala iekšējo kārtību no ārējās pasaules haosa. Tas sastāv no dubultā molekulu slāņa ar hidrofilajām ("ūdeni mīlošajām") daļām uz āru un hidrofobajām ("izvairās no ūdens") daļām viena pret otru. Membrānā ir arī daudzas olbaltumvielu molekulas. Ķermenim ir jāsazinās ar vidi: jāuzsūc tam nepieciešamās vielas un jāizdala atkritumi. Daži ķīmiski savienojumi ar mazām molekulām (piemēram, ūdens) var iziet cauri membrānai abos virzienos atbilstoši koncentrācijas gradientam. Citu difūzija ir sarežģīta, un šūna pati regulē to uzsūkšanos. Turklāt pārraidei tiek izmantotas mobilās mašīnas - konveijeri un jonu kanāli.

Konveijers saista jonu vai molekulu un pēc tam pārvietojas ar to uz otru membrānas pusi (kad pati membrāna ir maza) vai - kad tas iet cauri visai membrānai - pārvieto savākto daļiņu un atbrīvo to otrā galā. Protams, konveijeri darbojas abos virzienos un ir ļoti "smalki" - tie bieži pārvadā tikai viena veida vielas. Jonu kanāliem ir līdzīgs darbības efekts, bet atšķirīgs mehānisms. Tos var salīdzināt ar filtru. Transportēšana pa jonu kanāliem parasti notiek pēc koncentrācijas gradienta (no lielākas uz zemāku jonu koncentrāciju, līdz tās izlīdzinās). No otras puses, intracelulārie mehānismi regulē eju atvēršanu un aizvēršanu. Jonu kanāliem ir arī augsta selektivitāte, lai daļiņas varētu iziet cauri.

Jonu kanāls (pa kreisi) un cauruļvadi darbojas

Baktēriju flagellum ir īsts virzītājspēks

Šūnu membrānā ir vēl viena interesanta molekulārā mašīna - flagellum piedziņa, kas nodrošina baktēriju aktīvu kustību. Šis ir olbaltumvielu dzinējs, kas sastāv no divām daļām: fiksētas daļas (stators) un rotējošas daļas (rotora). Kustību izraisa ūdeņraža jonu plūsma no membrānas šūnā. Tie nonāk kanālā statorā un tālāk distālajā daļā, kas atrodas rotorā. Lai iekļūtu šūnā, ūdeņraža joniem jāatrod ceļš uz nākamo kanāla posmu, kas atkal atrodas statorā. Tomēr rotoram ir jāgriežas, lai kanāli saplūstu. Rotora gals, kas izvirzīts ārpus būra, ir izliekts, tam piestiprināts elastīgs flagellum, kas griežas kā helikoptera propelleris.

Es uzskatu, ka šis obligāti īsais pārskats par šūnu mehānismu skaidri parādīs, ka Nobela prēmijas laureātu uzvarējušie dizaini, nemazinot viņu sasniegumus, joprojām ir tālu no evolūcijas radīto darbu pilnības.