Cellemaskiner
I 2016 blev Nobelprisen i kemi tildelt for en imponerende præstation - syntesen af molekyler, der fungerer som mekaniske anordninger. Det kan dog ikke siges, at ideen om at skabe miniaturemaskiner er en original menneskelig idé. Og denne gang var naturen først.
De præmierede molekylære maskiner (mere om dem i artiklen fra januarudgaven af MT) er det første skridt mod en ny teknologi, der snart kan vende op og ned på vores liv. Men alle levende organismers kroppe er fulde af mekanismer i nanoskala, der holder cellerne i funktion effektivt.
I centrum…
... celler indeholder en kerne, og genetisk information er lagret i den (bakterier har ikke en separat kerne). Selve DNA-molekylet er fantastisk - det består af mere end 6 milliarder elementer (nukleotider: nitrogenholdig base + deoxyribosesukker + fosforsyrerest), der danner tråde med en samlet længde på omkring 2 meter. Og vi er ikke mestre i denne henseende, for der er organismer, hvis DNA består af hundredvis af milliarder af nukleotider. For at sådan et kæmpe molekyle kan passe ind i kernen, usynligt for det blotte øje, snoes DNA-strenge sammen til en helix (dobbelt helix) og vikles rundt om specielle proteiner kaldet histoner. Cellen har et særligt sæt maskiner til at arbejde med denne database.
Du skal konstant bruge informationen i DNA: Læs sekvenserne, der koder for de proteiner, du har brug for i øjeblikket (transskription), og kopier hele databasen fra tid til anden for at dele cellen (replikation). Hvert af disse trin involverer optrævling af helixen af nukleotider. Til denne aktivitet bruges helicase-enzymet, som bevæger sig i en spiral og - som en kile - deler det i separate tråde (alt dette ligner lyn). Enzymet virker på grund af den energi, der frigives som følge af nedbrydningen af cellens universelle energibærer - ATP (adenosintrifosfat).
Model af ATP-molekylet. Vedhæftning og frigørelse af fosfatrester (til venstre) giver energiudveksling i cellulære kemiske reaktioner.
Nu kan du begynde at kopiere kædefragmenter, hvilket RNA-polymerase gør, også drevet af energien indeholdt i ATP. Enzymet bevæger sig langs DNA-strengen og danner en region af RNA (indeholdende sukker, ribose i stedet for deoxyribose), som er skabelonen, hvorpå proteiner syntetiseres. Som et resultat heraf bevares DNA (undgå konstant optrævling og læsning af fragmenter), og derudover kan proteiner dannes i hele cellen, ikke kun i kernen.
En næsten fejlfri kopi leveres af DNA-polymerase, som virker på samme måde som RNA-polymerase. Enzymet bevæger sig langs tråden og opbygger sin pendant. Når et andet molekyle af dette enzym bevæger sig langs den anden streng, er resultatet to komplette DNA-strenge. Enzymet har brug for et par "hjælpere" for at begynde at kopiere, binde fragmenter sammen og fjerne unødvendige strækmærker. Imidlertid har DNA-polymerase en "fabrikationsfejl". Den kan kun bevæge sig i én retning. Replikering kræver oprettelse af en såkaldt starter, hvorfra selve kopieringen starter. Når de er færdige, fjernes primerne, og da polymerasen ikke har nogen backup, forkortes den med hver DNA-kopi. I enderne af tråden er beskyttende fragmenter kaldet telomerer, der ikke koder for nogen proteiner. Efter deres indtagelse (hos mennesker, efter ca. 50 gentagelser), klæber kromosomerne sammen og aflæses med fejl, hvilket forårsager celledød eller dens transformation til en kræftsygdom. Således er tidspunktet for vores liv målt af det telomere ur.
Kopiering af DNA kræver mange enzymer for at arbejde sammen.
Et molekyle på størrelse med DNA undergår permanent skade. En anden gruppe enzymer, der også fungerer som specialiserede maskiner, beskæftiger sig med fejlfinding. En forklaring på deres rolle blev tildelt Kemiprisen 2015 (for mere information se januar 2016-artiklen).
Inde…
… celler har et cytoplasma - en suspension af komponenter, der fylder dem med forskellige vitale funktioner. Hele cytoplasmaet er dækket af et netværk af proteinstrukturer, der udgør cytoskelettet. De sammentrækkende mikrofibre gør det muligt for cellen at ændre sin form, så den kan kravle og bevæge sine indre organeller. Cytoskelettet omfatter også mikrotubuli, dvs. rør lavet af proteiner. Disse er ret stive elementer (et hult rør er altid stivere end en enkelt stang med samme diameter), der danner en celle, og en af de mest usædvanlige molekylære maskiner bevæger sig langs dem - gående proteiner (bogstaveligt talt!).
Mikrotubuli har elektrisk ladede ender. Proteiner kaldet dyneiner bevæger sig mod det negative fragment, mens kinesiner bevæger sig i den modsatte retning. Takket være den energi, der frigives fra nedbrydningen af ATP, ændres formen af gående proteiner (også kendt som motor- eller transportproteiner) i cyklusser, så de kan bevæge sig som en and hen over overfladen af mikrotubuli. Molekyler er udstyret med en protein-"tråd", til enden af hvilken et andet stort molekyle eller en boble fyldt med affaldsstoffer kan sætte sig fast. Alt dette ligner en robot, der svajende trækker en ballon i en snor. Rullende proteiner transporterer de nødvendige stoffer til de rigtige steder i cellen og flytter dens indre komponenter.
Næsten alle reaktioner, der forekommer i cellen, styres af enzymer, uden hvilke disse ændringer næsten aldrig ville forekomme. Enzymer er katalysatorer, der fungerer som specialiserede maskiner til at gøre én ting (meget ofte fremskynder de kun én bestemt reaktion). De fanger transformationens substrater, arrangerer dem passende til hinanden, og efter afslutningen af processen frigiver de produkterne og begynder at arbejde igen. Associationen med en industrirobot, der udfører uendeligt gentagne handlinger, er helt sandt.
Molekyler af den intracellulære energibærer dannes som et biprodukt af en række kemiske reaktioner. Imidlertid er hovedkilden til ATP arbejdet i cellens mest komplekse mekanisme - ATP-syntase. Det største antal molekyler af dette enzym er placeret i mitokondrierne, som fungerer som cellulære "kraftværker".
ATP syntase - top: fast del
i membranen, drivaksel, ansvarligt fragment
til ATP-syntese
I processen med biologisk oxidation transporteres hydrogenioner fra indersiden af individuelle sektioner af mitokondrierne til ydersiden, hvilket skaber deres gradient (koncentrationsforskel) på begge sider af mitokondriemembranen. Denne situation er ustabil, og der er en naturlig tendens til, at koncentrationerne udlignes, hvilket ATP-syntase udnytter. Enzymet består af flere bevægelige og faste dele. Et fragment med kanaler er fikseret i membranen, hvorigennem brintioner fra miljøet kan trænge ind i mitokondrierne. Strukturelle ændringer forårsaget af deres bevægelse roterer en anden del af enzymet - et aflangt element, der fungerer som en drivaksel. I den anden ende af stangen, inde i mitokondriet, er et andet stykke af systemet fastgjort til den. Rotationen af akslen forårsager rotationen af det indre fragment, hvortil - i nogle af dets positioner - substraterne for den ATP-dannende reaktion er fastgjort, og derefter - i andre positioner af rotoren - den færdige højenergiforbindelse. frigivet.
Og denne gang er det ikke svært at finde en analogi i verden af menneskelig teknologi. Bare en el-generator. Strømmen af brintioner får grundstofferne til at bevæge sig inde i den molekylære motor, der er immobiliseret i membranen, ligesom vingerne på en turbine drevet af en strøm af vanddamp. Akslen overfører drevet til det egentlige ATP-genereringssystem. Som de fleste enzymer kan syntase også virke i den anden retning og nedbryde ATP. Denne proces sætter en indre motor i gang, som driver de bevægelige dele af membranfragmentet gennem en aksel. Dette fører igen til udpumpning af brintioner fra mitokondrierne. Så pumpen er elektrisk drevet. Naturens molekylære mirakel.
Til grænserne...
... Mellem cellen og miljøet er der en cellemembran, der adskiller den indre orden fra den ydre verdens kaos. Den består af et dobbelt lag af molekyler, med de hydrofile ("vandelskende") dele udadtil og de hydrofobe ("vandundgående") dele mod hinanden. Membranen indeholder også mange proteinmolekyler. Kroppen skal kontakte miljøet: optage de stoffer, den har brug for, og frigive affald. Nogle kemiske forbindelser med små molekyler (f.eks. vand) kan passere gennem membranen i begge retninger i henhold til koncentrationsgradienten. Diffusion af andre er vanskelig, og cellen regulerer selv deres absorption. Yderligere bruges cellulære maskiner til transmission - transportører og ionkanaler.
Transportøren binder en ion eller et molekyle og bevæger sig derefter med den til den anden side af membranen (når selve membranen er lille) eller - når den passerer gennem hele membranen - flytter den opsamlede partikel og frigiver den i den anden ende. Selvfølgelig fungerer transportbånd begge veje og er meget "pænt" - de transporterer ofte kun én type stof. Ionkanaler viser en lignende arbejdseffekt, men en anden mekanisme. De kan sammenlignes med et filter. Transport gennem ionkanaler følger generelt en koncentrationsgradient (højere til lavere ionkoncentrationer, indtil de udjævnes). På den anden side regulerer intracellulære mekanismer åbning og lukning af passager. Ionkanalerne udviser også høj selektivitet for partikler at passere igennem.
Ionkanal (venstre) og rørledninger i drift
Den bakterielle flagellum er en sand drivmekanisme
Der er en anden interessant molekylær maskine i cellemembranen - flagellumdrevet, som sikrer aktiv bevægelse af bakterier. Dette er en proteinmotor, der består af to dele: en fast del (stator) og en roterende del (rotor). Bevægelse er forårsaget af strømmen af brintioner fra membranen ind i cellen. De kommer ind i kanalen i statoren og videre ind i den distale del, som er placeret i rotoren. For at komme ind i cellen skal brintioner finde vej til næste afsnit af kanalen, som igen er i statoren. Rotoren skal dog rotere for at kanalerne kan konvergere. Enden af rotoren, der rager ud over buret, er bøjet; en fleksibel flagel er fastgjort til den, der roterer som en helikopterpropel.
Jeg tror, at denne nødvendigvis korte oversigt over den cellulære mekanisme vil gøre det klart, at de vindende designs af nobelprisvinderne, uden at forringe deres præstationer, stadig er langt fra perfektionen af evolutionens skabelser.
