Ћелијске машине

Нобелова награда за хемију за 2016. додељена је за импресивно достигнуће у синтези молекула који делују као механички уређаји. Међутим, не може се рећи да је идеја стварања минијатурних машина оригинална људска идеја. И овога пута природа је била прва.

Награђене молекуларне машине (више о њима у чланку из јануарског броја МТ-а) су први корак ка новој технологији која би ускоро могла да револуционише наше животе. Али тела свих живих организама су пуна механизама нано величине који подржавају ефикасно функционисање ћелија.

У центру…

... ћелије садрже језгро, а у њему се чувају генетске информације (бактерије немају посебно језгро). Сам молекул ДНК је невероватан - састоји се од више од 6 милијарди елемената (нуклеотиди: азотна база + дезоксирибоза шећер + остатак фосфорне киселине), формирајући нити укупне дужине око 2 метра. А ми нисмо рекордери у том погледу, јер постоје организми чија се ДНК састоји од стотина милијарди нуклеотида. Да би се такав џиновски молекул уклопио у језгро, које је невидљиво голим оком, ланци ДНК се увијају заједно у спиралу (двоструки хеликс) и омотавају око посебних протеина званих хистони. Ћелија има посебан скуп машина за рад са овом базом података.

Морате стално да користите информације садржане у ДНК: прочитајте секвенце које кодирају протеине који су вам потребни у датом тренутку (транскрипција), и с времена на време копирајте целу базу података да бисте поделили ћелију (репликација). Сваки од ових корака укључује откривање спирале нуклеотида. Ова активност користи ензим хеликазу, који се креће дуж спирале и - као клин - раздваја је на појединачне нити (цела ствар личи на муњу). Ензим ради користећи енергију ослобођену као резултат распада универзалног енергетског носиоца ћелије - АТП (аденозин трифосфат).

Модел молекула АТП. Додавање и одвајање фосфатних остатака (лево) посредује у размени енергије у ћелијским хемијским реакцијама.

Сада можете почети да копирате фрагменте ланаца, што ради РНК полимераза, такође вођена енергијом садржаном у АТП-у. Ензим се креће дуж ланца ДНК и формира део РНК (који садржи шећер, рибозу уместо дезоксирибозе), што је шаблон на коме се синтетишу протеини. Као резултат, ДНК је очувана (избегавајући константно откривање и читање фрагмената) и, поред тога, протеини се могу створити у целој ћелији, а не само у језгру.

Скоро без грешака копију даје ДНК полимераза, која делује слично РНК полимерази. Ензим се креће дуж нити и изграђује свој парњак. Када се други молекул овог ензима креће дуж другог ланца, резултат су две комплетне ДНК спирале. Ензиму је потребно неколико "помоћника" да започне копирање, повезивање фрагмената заједно и уклањање непотребних стрија. Међутим, ДНК полимераза има "производни недостатак". Може се кретати само у једном правцу. Репликација захтева стварање такозваног покретача, од којег почиње стварно копирање. Када се заврши, прајмери ​​се уклањају и, пошто полимераза нема резервну копију, скраћује се са сваком копијом ДНК. На крајевима нити су заштитни фрагменти звани теломери, који не кодирају никакве протеине. Након њихове конзумације (код људи, после око 50 понављања), хромозоми се спајају и читају се погрешно, што изазива смрт ћелије или њену трансформацију у рак. Дакле, време нашег живота се мери теломерним сатом.

Копирање ДНК захтева много ензима да раде заједно.

Молекул величине ДНК подлеже сталним оштећењима. Друга група ензима, такође делујући као специјализоване машине, баве се кваровима. Објашњење њихове улоге је награђено наградом за хемију 2015. (погледајте чланак из јануара 2016. за више информација).

У…

...ћелије имају цитоплазму – суспензију компоненти које их испуњавају разним виталним функцијама. Цела цитоплазма је прекривена мрежом протеинских структура које чине цитоскелет. Контрактилна микровлакна омогућавају ћелији да промени свој облик, омогућавајући јој да пузи и помера своје унутрашње органеле. Цитоскелет укључује и микротубуле, тј. цеви које се састоје од протеинских молекула. То су прилично крути елементи (шупља цев је увек чвршћа од једног штапа истог пречника) који формирају ћелију, а дуж њих се креће једна од најнеобичнијих молекуларних машина - ходајући протеини (буквално!).

Микротубуле имају електрично наелектрисане крајеве. Протеини који се називају динеини крећу се ка негативном делу, док се кинезини крећу у супротном смеру. Захваљујући енергији ослобођеној разградњом АТП-а, облик ходајућих протеина (такође познатих као моторни или транспортни протеини) се циклично мења, омогућавајући им да се крећу попут патке дуж површине микротубула. Молекули су опремљени протеинском "нит", на чијем крају се може залепити други велики молекул или мехур испуњен отпадним производима. Све ово личи на робота који, њишући се, вуче балон за конце. Котрљајући протеини транспортују неопходне супстанце на права места у ћелији и померају њене унутрашње компоненте.

Готово све реакције које се дешавају у ћелији контролишу ензими, без којих до ових промена готово никада не би дошло. Ензими су катализатори који делују као специјализоване машине за обављање једне ствари (врло често убрзавају само једну специфичну реакцију). Они хватају трансформационе супстрате, постављају их на одговарајући начин један према другом, а након што је процес завршен, ослобађају производе и поново почињу да раде. Асоцијација на индустријског робота који изводи бесконачно понављане радње је апсолутно тачна.

Интрацелуларни молекули носиоца енергије настају као нуспроизвод низа хемијских реакција. Међутим, главни извор АТП-а је рад најсложенијег ћелијског механизма - АТП синтазе. Највећи број молекула овог ензима налази се у митохондријима, који делују као ћелијске „електране“.

АТП синтаза – врх: усидрени део

у мембрани, погонско вратило, одговорни фрагмент

за синтезу АТП-а

Током процеса биолошке оксидације, јони водоника из унутрашњости појединих делова митохондрија се транспортују напоље, што ствара њихов градијент (разлику концентрације) на обе стране митохондријалне мембране. Ова ситуација је нестабилна и постоји природна тенденција да се изједначе концентрације, што је оно што АТП синтаза користи. Ензим се састоји од неколико покретних и непокретних делова. У мембрани је фиксиран фрагмент са каналима кроз које јони водоника из околине могу да продру у митохондрије. Структурне промене изазване њиховим кретањем ротирају други део ензима - издужени елемент који делује као погонско вратило. На другом крају штапа, унутар митохондрија, на њега је причвршћен још један део система. Ротација осовине изазива ротацију унутрашњег фрагмента, за који су - у неким од његових положаја - причвршћени супстрати реакције формирања АТП-а, а затим - у другим позицијама ротора - готово високоенергетско једињење. ослобођени.

И овога пута није тешко пронаћи аналогију у свету људске технологије. Само генератор струје. Проток водоникових јона узрокује да се елементи крећу унутар молекуларног мотора имобилизираног у мембрани, попут лопатица турбине које покреће млаз водене паре. Осовина преноси погон на стварни систем за генерисање АТП-а. Као и већина ензима, синтаза може деловати у другом правцу и разградити АТП. Овај процес покреће унутрашњи мотор, који кроз осовину покреће покретне делове фрагмента мембране. Ово, заузврат, доводи до пумпања водоничних јона из митохондрија. Дакле, електрична пумпа. Молекуларно чудо природе.

На границе…

...Између ћелије и околине постоји ћелијска мембрана која одваја унутрашњи поредак од хаоса спољашњег света. Састоји се од двоструког слоја молекула, са хидрофилним („водољубивим“) деловима окренутим напоље и хидрофобним („који избегавају воду“) деловима окренутим један према другом. Мембрана такође садржи много протеинских молекула. Тело мора да дође у контакт са околином: апсорбује потребне супстанце и излучује отпад. Неке хемикалије малих молекула (као што је вода) могу да прођу кроз мембрану у оба смера у складу са градијентом концентрације. Дифузија других је отежана, а сама ћелија регулише њихову апсорпцију. Затим, за пренос се користе ћелијске машине — транспортери и јонски канали.

Транспортер везује јон или молекул и затим га заједно са њим помера на другу страну мембране (када је и сам мали) или – када прође кроз целу мембрану – помера сакупљену честицу и ослобађа је на другом крају. Наравно, транспортери раде у оба смера и веома су "избирљиви" - често транспортују само једну врсту супстанце. Јонски канали показују сличан радни ефекат, али другачији механизам. Могу се упоредити са филтером. Транспорт кроз јонске канале генерално прати градијент концентрације (од виших ка нижим концентрацијама јона док се не изједначе). С друге стране, интрацелуларни механизми регулишу отварање и затварање пролаза. Јонски канали такође показују високу селективност према честицама које пролазе.

Јонски канал (лево) и цевоводи у акцији

Бактеријски флагелум је прави покретачки механизам

У ћелијској мембрани постоји још једна занимљива молекуларна машина - погон флагелума, који обезбеђује активно кретање бактерија. То је протеински мотор који се састоји од два дела: стационарног дела (статора) и ротационог дела (ротора). Кретање је узроковано протоком водоничних јона из мембране у ћелију. Они улазе у канал у статору, а затим у дистални део, који се налази у ротору. Да би ушли у ћелију, јони водоника морају пронаћи пут до следећег дела канала, који је поново у статору. Међутим, ротор мора да се ротира да би се канали конвергирали. Крај ротора, који вири изван ћелије, је закривљен, а за њега је причвршћен флексибилни флагелум који се окреће попут ротора хеликоптера.

Верујем да ће овај нужно кратак преглед ћелијског механизма јасно показати да су победнички дизајни добитника Нобелове награде, без умањивања њихових достигнућа, још увек далеко од савршених креација еволуције.