Sejtgépek

2016-ban a kémiai Nobel-díjat egy lenyűgöző eredményért – a mechanikai eszközként működő molekulák szintéziséért – ítélték oda. Nem mondhatjuk azonban, hogy a miniatűr gépek létrehozásának ötlete eredeti emberi ötlet. És ezúttal a természet volt az első.

A díjazott molekuláris gépek (az MT januári számának cikkében bővebben róluk) jelentik az első lépést egy új technológia felé, amely hamarosan felforgathatja az életünket. De minden élő szervezet teste tele van nanoméretű mechanizmusokkal, amelyek fenntartják a sejtek hatékony működését.

A központban…

... a sejtek tartalmaznak egy sejtmagot, és ebben tárolódnak a genetikai információk (a baktériumoknak nincs külön magjuk). Maga a DNS-molekula lenyűgöző - több mint 6 milliárd elemből áll (nukleotidok: nitrogénbázis + dezoxiribóz cukor + foszforsavmaradék), körülbelül 2 méter teljes hosszúságú szálakat képezve. És ebben a tekintetben nem vagyunk bajnokok, mert vannak organizmusok, amelyek DNS-e több száz milliárd nukleotidból áll. Annak érdekében, hogy egy ilyen óriásmolekula beleférjen a szabad szemmel láthatatlan sejtmagba, a DNS-szálakat spirálba (kettős hélix) csavarják össze, és speciális fehérjék, úgynevezett hisztonok köré tekerik. A cella rendelkezik egy speciális gépkészlettel, amely ezzel az adatbázissal működik.

Folyamatosan fel kell használnia a DNS-ben található információkat: olvassa el az éppen szükséges fehérjéket kódoló szekvenciákat (transzkripció), és időnként másolja át a teljes adatbázist a sejtosztódás érdekében (replikáció). Ezen lépések mindegyike magában foglalja a nukleotidok hélixének feloldását. Ehhez a tevékenységhez a helikáz enzimet használják, amely spirálisan mozog, és - ékszerűen - külön szálakra osztja (mindez villámra emlékeztet). Az enzim a sejt univerzális energiahordozójának - ATP-nek (adenozin-trifoszfát) - lebomlása következtében felszabaduló energia miatt működik.

Az ATP molekula modellje. A foszfátmaradékok rögzítése és leválása (balra) energiacserét biztosít a sejtkémiai reakciókban.

Most elkezdheti a láncfragmensek másolását, amit az RNS-polimeráz is végez, szintén az ATP-ben lévő energia hajtja. Az enzim a DNS-szál mentén mozog, és RNS-régiót képez (amely dezoxiribóz helyett cukrot, ribózt tartalmaz), amely a fehérjék szintetizálásának templátja. Ennek eredményeként a DNS megmarad (elkerülve a töredékek folyamatos feloldását és kiolvasását), ráadásul a fehérjék a sejt egészében képződhetnek, nem csak a sejtmagban.

Szinte hibamentes másolatot biztosít a DNS polimeráz, amely az RNS polimerázhoz hasonlóan működik. Az enzim a fonal mentén mozog, és felépíti megfelelőjét. Amikor ennek az enzimnek egy másik molekulája mozog a második szál mentén, az eredmény két teljes DNS-szál. Az enzimnek szüksége van néhány "segítőre", hogy elkezdhesse a másolást, a töredékek összefűzését és a felesleges striák eltávolítását. A DNS-polimeráznak azonban "gyártási hibája" van. Csak egy irányba tud mozogni. A replikációhoz szükség van egy úgynevezett starter létrehozására, amelytől a tényleges másolás kezdődik. Miután elkészült, a primereket eltávolítják, és mivel a polimeráznak nincs tartaléka, minden DNS-kópiával lerövidül. A szál végein telomereknek nevezett védőfragmensek találhatók, amelyek nem kódolnak semmilyen fehérjét. Elfogyasztásuk után (emberben kb. 50 ismétlés után) a kromoszómák összetapadnak és hibásan olvasódnak le, ami sejthalált vagy rákossá alakulását okozza. Így életünk idejét a telomer óra méri.

A DNS másolásához sok enzim szükséges az együttműködéshez.

Egy DNS-méretű molekula maradandó károsodáson megy keresztül. Az enzimek másik csoportja, amely szintén speciális gépként működik, a hibaelhárítással foglalkozik. Szerepük magyarázatát a 2015-ös Kémiai Díjjal jutalmazták (további információért lásd a 2016. januári cikket).

Belül…

… a sejteknek van citoplazmája – olyan komponensek szuszpenziója, amelyek különféle létfontosságú funkciókkal töltik fel őket. Az egész citoplazmát fehérjeszerkezetek hálózata borítja, amelyek a citoszkeletont alkotják. Az összehúzódó mikroszálak lehetővé teszik a sejt számára, hogy megváltoztassa alakját, lehetővé téve, hogy mászkáljon és mozgassa belső organellumát. A citoszkeleton mikrotubulusokat is tartalmaz, azaz. fehérjékből készült csövek. Ezek meglehetősen merev elemek (egy üreges cső mindig merevebb, mint egyetlen azonos átmérőjű rúd), amelyek sejtet alkotnak, és a legszokatlanabb molekuláris gépek némelyike ​​mozog rajtuk - sétáló fehérjék (szó szerint!).

A mikrotubulusoknak elektromosan töltött végei vannak. A dyneinnek nevezett fehérjék a negatív fragmentum felé, míg a kinezinek az ellenkező irányba mozognak. Az ATP lebomlásából felszabaduló energiának köszönhetően a sétáló fehérjék (más néven motoros vagy transzportfehérjék) alakja a ciklusok során megváltozik, lehetővé téve számukra, hogy kacsa módjára mozogjanak a mikrotubulusok felületén. A molekulák fehérje "szállal" vannak felszerelve, aminek a végére egy másik nagy molekula vagy salakanyagokkal teli buborék tapadhat. Mindez egy robothoz hasonlít, amely ringatózva zsinórnál fogva húz egy léggömböt. A gördülő fehérjék a sejt megfelelő helyeire szállítják a szükséges anyagokat, és mozgatják belső komponenseit.

A sejtben lezajló reakciók szinte mindegyikét enzimek szabályozzák, amelyek nélkül ezek a változások szinte soha nem következnének be. Az enzimek olyan katalizátorok, amelyek speciális gépekként működnek, és egy dolgot hajtanak végre (nagyon gyakran csak egy adott reakciót gyorsítanak fel). Felfogják az átalakulás szubsztrátjait, egymáshoz megfelelően elrendezik, majd a folyamat befejeztével kiengedik a termékeket és újra elkezdik a munkát. A végtelenül ismétlődő műveleteket végrehajtó ipari robottal való asszociáció teljesen igaz.

Az intracelluláris energiahordozó molekulái kémiai reakciók sorozatának melléktermékeként jönnek létre. Az ATP fő forrása azonban a sejt legösszetettebb mechanizmusának, az ATP-szintáznak a munkája. Ennek az enzimnek a legnagyobb számú molekulája a mitokondriumokban található, amelyek sejtes "erőműként" működnek.

ATP szintáz - felül: rögzített rész

a membránban, hajtótengely, felelős töredék

az ATP szintézishez

A biológiai oxidáció során a hidrogénionok a mitokondriumok egyes szakaszainak belsejéből kifelé szállítódnak, ami a mitokondriális membrán mindkét oldalán létrehozza gradiensüket (koncentrációkülönbségüket). Ez a helyzet instabil, és természetes tendencia van a koncentrációk kiegyenlítődésére, amit az ATP-szintáz kihasznál. Az enzim több mozgó és rögzített részből áll. A membránban egy csatornákkal ellátott fragmentum rögzül, amelyen keresztül a környezetből származó hidrogénionok behatolhatnak a mitokondriumokba. A mozgásuk által okozott szerkezeti változások az enzim egy másik részét forgatják - egy megnyúlt elemet, amely hajtótengelyként működik. A rúd másik végén, a mitokondrium belsejében a rendszer egy másik darabja kapcsolódik hozzá. A tengely forgása a belső töredék elfordulását idézi elő, amelyhez egyes pozícióiban az ATP-képző reakció szubsztrátjai, majd a forgórész többi helyzetében egy kész nagyenergiás vegyületet rögzítenek. . kiadták.

És ezúttal nem nehéz analógiát találni a humán technológia világában. Csak egy áramfejlesztő. A hidrogénionok áramlása a membránba rögzített molekulamotor belsejében mozgatja az elemeket, mint a vízgőzárammal hajtott turbina lapátjai. A tengely továbbítja a hajtást a tényleges ATP-generáló rendszerhez. A legtöbb enzimhez hasonlóan a szintáz is képes a másik irányba hatni, és lebontani az ATP-t. Ez a folyamat egy belső motort indít el, amely a membrándarab mozgó részeit egy tengelyen keresztül hajtja meg. Ez viszont a hidrogénionok kiszivattyúzásához vezet a mitokondriumokból. Tehát a szivattyú elektromos hajtású. A természet molekuláris csodája.

A határon…

... A sejt és a környezet között van egy sejthártya, amely elválasztja a belső rendet a külső világ káoszától. Kétrétegű molekulákból áll, a hidrofil ("vízszerető") részek kifelé, a hidrofób ("vízkerülő") részek pedig egymás felé néznek. A membrán számos fehérjemolekulát is tartalmaz. A szervezetnek kapcsolatba kell lépnie a környezettel: fel kell vennie a számára szükséges anyagokat, és hulladékot szabadítania. Néhány kis molekulájú kémiai vegyület (például víz) mindkét irányban átjuthat a membránon a koncentrációgradiens szerint. Mások diffúziója nehéz, és a sejt maga szabályozza a felszívódásukat. Továbbá cellás gépeket használnak átvitelre - szállítószalagok és ioncsatornák.

A szállítószalag megköt egy iont vagy molekulát, majd átmegy vele a membrán másik oldalára (amikor maga a membrán kicsi), vagy - amikor áthalad a teljes membránon - megmozgatja az összegyűjtött részecskét és a másik végén kiengedi. Természetesen a szállítószalagok mindkét irányban működnek, és nagyon "finomok" - gyakran csak egyféle anyagot szállítanak. Az ioncsatornák hasonló működési hatást mutatnak, de eltérő mechanizmust mutatnak. Összehasonlíthatóak egy szűrővel. Az ioncsatornákon keresztül történő szállítás általában koncentrációgradiens szerint történik (magasabbtól alacsonyabb ionkoncentrációig, amíg azok kiegyenlítődnek). Másrészt az intracelluláris mechanizmusok szabályozzák a járatok nyitását és zárását. Az ioncsatornák nagy szelektivitást mutatnak a részecskék átjutása tekintetében is.

Ioncsatorna (balra) és csővezetékek üzemelnek

A bakteriális flagellum igazi hajtómechanizmus

Van egy másik érdekes molekuláris gépezet a sejtmembránban - a flagellum meghajtó, amely biztosítja a baktériumok aktív mozgását. Ez egy fehérjemotor, amely két részből áll: egy rögzített részből (állórész) és egy forgó részből (rotor). A mozgást a hidrogénionok áramlása okozza a membránból a sejtbe. Bejutnak az állórész csatornájába, majd tovább a disztális részbe, amely a rotorban található. A cellába való bejutáshoz a hidrogénionoknak utat kell találniuk a csatorna következő szakaszához, amely ismét az állórészben van. A rotornak azonban forognia kell ahhoz, hogy a csatornák összeérjenek. A forgórész kalitkán túlnyúló vége ívelt, rá egy flexibilis flagellum van rögzítve, amely helikopter légcsavarként forog.

Úgy gondolom, hogy a sejtmechanizmusnak ez a szükségszerűen rövid áttekintése világossá teszi, hogy a Nobel-díjasok nyertes tervei – anélkül, hogy ez rontaná eredményeiket – még mindig messze vannak az evolúció alkotásainak tökéletességétől.