Maszyny komórkowe

Nagroda Nobla w dziedzinie chemii w 2016 r. została przyznana za imponujące osiągnięcie w zakresie syntezy cząsteczek, które działają jak urządzenia mechaniczne. Nie można jednak powiedzieć, że pomysł tworzenia miniaturowych maszyn jest oryginalnym pomysłem ludzkim. I tym razem natura była pierwsza.

Nagrodzone maszyny molekularne (więcej o nich w artykule ze styczniowego numeru MT) to pierwszy krok w stronę nowej technologii, która już wkrótce może zrewolucjonizować nasze życie. Jednak ciała wszystkich żywych organizmów są pełne nanomechanizmów, które wspierają efektywne funkcjonowanie komórek.

W centrum…

...komórki zawierają jądro, w którym przechowywana jest informacja genetyczna (bakterie nie mają oddzielnego jądra). Sama cząsteczka DNA jest niesamowita - składa się z ponad 6 miliardów elementów (nukleotydy: zasada azotowa + cukier deoksyryboza + reszta kwasu fosforowego), tworząc nici o łącznej długości około 2 metrów. I nie jesteśmy pod tym względem rekordzistami, bo istnieją organizmy, których DNA składa się z setek miliardów nukleotydów. Aby zmieścić tak gigantyczną cząsteczkę w jądrze, niewidocznym gołym okiem, nici DNA są skręcone ze sobą w helisę (podwójną helisę) i otulone specjalnymi białkami zwanymi histonami. Komórka posiada specjalny zestaw maszyn do pracy z tą bazą danych.

Musisz stale korzystać z informacji zawartych w DNA: odczytywać sekwencje kodujące potrzebne Ci w danej chwili białka (transkrypcja), a od czasu do czasu kopiować całą bazę danych, aby podzielić komórkę (replikacja). Każdy z tych etapów polega na rozwikłaniu helisy nukleotydów. Do tego działania wykorzystywany jest enzym helikaza, który porusza się po spirali i – jak klin – dzieli ją na osobne nitki (wszystko to przypomina błyskawicę). Enzym działa dzięki energii uwalnianej w wyniku rozpadu uniwersalnego nośnika energii komórki – ATP (trójfosforanu adenozyny).

Model cząsteczki ATP. Dodawanie i odłączanie reszt fosforanowych (po lewej) pośredniczy w wymianie energii w komórkowych reakcjach chemicznych.

Teraz można przystąpić do kopiowania fragmentów łańcuchów, za co odpowiada polimeraza RNA, również napędzana energią zawartą w ATP. Enzym porusza się wzdłuż nici DNA i tworzy odcinek RNA (zawierający cukier, rybozę zamiast dezoksyrybozy), który jest matrycą, na której syntetyzowane są białka. W rezultacie DNA zostaje zachowane (unika się ciągłego rozplatania i odczytywania fragmentów), a ponadto białka mogą być tworzone w całej komórce, a nie tylko w jądrze.

Prawie bezbłędną kopię zapewnia polimeraza DNA, która działa podobnie do polimerazy RNA. Enzym przemieszcza się wzdłuż nici i tworzy swój odpowiednik. Kiedy kolejna cząsteczka tego enzymu przemieszcza się wzdłuż drugiej nici, powstają dwie kompletne helisy DNA. Enzym potrzebuje kilku „pomocników”, aby rozpocząć kopiowanie, łączenie ze sobą fragmentów i usuwanie niepotrzebnych rozstępów. Jednakże polimeraza DNA ma „wadę produkcyjną”. Może poruszać się tylko w jednym kierunku. Replikacja wymaga stworzenia tzw. startera, od którego rozpoczyna się właściwe kopiowanie. Po zakończeniu startery są usuwane, a ponieważ polimeraza nie ma kopii zapasowej, jest skracana z każdą kopią DNA. Na końcach nici znajdują się fragmenty ochronne zwane telomerami, które nie kodują żadnych białek. Po ich spożyciu (u człowieka po około 50 powtórzeniach) chromosomy sklejają się i są nieprawidłowo odczytywane, co powoduje śmierć komórki lub jej przekształcenie w nowotwór. Zatem czas naszego życia mierzy się zegarem telomerowym.

Kopiowanie DNA wymaga współpracy wielu enzymów.

Cząsteczka wielkości DNA podlega ciągłym uszkodzeniom. Inna grupa enzymów, pełniąca także rolę wyspecjalizowanych maszyn, radzi sobie z awariami. Wyjaśnienie ich roli zostało nagrodzone nagrodą chemiczną w 2015 r. (więcej informacji można znaleźć w artykule ze stycznia 2016 r.).

Wewnątrz…

… komórki posiadają cytoplazmę – zawiesinę składników, które wypełniają je różnymi funkcjami życiowymi. Cała cytoplazma pokryta jest siecią struktur białkowych tworzących cytoszkielet. Kurczące się mikrowłókna umożliwiają komórce zmianę kształtu, umożliwiając jej pełzanie i poruszanie jej wewnętrznymi organellami. Cytoszkielet zawiera również mikrotubule, tj. rurki z białek. Są to raczej sztywne elementy (pusta rurka jest zawsze sztywniejsza niż pojedynczy pręcik o tej samej średnicy), które tworzą komórkę, a wzdłuż nich porusza się jedna z najbardziej niezwykłych maszyn molekularnych - chodzące białka (dosłownie!).

Mikrotubule mają naładowane elektrycznie końce. Białka zwane dyneinami poruszają się w kierunku reszty ujemnej, podczas gdy kinezyny poruszają się w przeciwnym kierunku. Dzięki energii uwalnianej w wyniku rozkładu ATP kształt chodzących białek (zwanych również białkami motorycznymi lub transportowymi) zmienia się cyklicznie, umożliwiając im poruszanie się niczym kaczka po powierzchni mikrotubul. Cząsteczki wyposażone są w białkową „nić”, do której końca może przylgnąć kolejna duża cząsteczka lub bańka wypełniona odpadami. Wszystko to przypomina robota, który kołysząc się, ciągnie balon za sznurek. Białka rolujące transportują niezbędne substancje we właściwe miejsca w komórce i przemieszczają jej wewnętrzne składniki.

Prawie wszystkie reakcje zachodzące w komórce są kontrolowane przez enzymy, bez których te zmiany prawie nigdy nie wystąpiłyby. Enzymy to katalizatory, które działają jak wyspecjalizowane maszyny do jednego celu (bardzo często przyspieszają tylko jedną konkretną reakcję). Wychwytują substraty transformacji, ustawiają je odpowiednio względem siebie, a po zakończeniu procesu uwalniają produkty i ponownie rozpoczynają pracę. Skojarzenie z robotem przemysłowym wykonującym nieskończenie powtarzalne czynności jest jak najbardziej trafne.

Wewnątrzkomórkowe cząsteczki nośnika energii powstają jako produkt uboczny szeregu reakcji chemicznych. Jednak głównym źródłem ATP jest praca najbardziej złożonego mechanizmu komórkowego – syntazy ATP. Najwięcej cząsteczek tego enzymu znajduje się w mitochondriach, które pełnią funkcję komórkowych „elektrowni”.

Syntaza ATP - góra: część stała

w membranie, wale napędowym, odpowiedzialnym fragmencie

do syntezy ATP

W procesie biologicznego utleniania jony wodorowe z wnętrza poszczególnych części mitochondriów są transportowane na zewnątrz, co tworzy ich gradient (różnicę stężeń) po obu stronach błony mitochondrialnej. Sytuacja ta jest niestabilna i występuje naturalna tendencja do wyrównywania stężeń, co wykorzystuje syntaza ATP. Enzym składa się z kilku ruchomych i nieruchomych części. W błonie utrwalony jest fragment posiadający kanały, którymi jony wodoru z otoczenia mogą przedostać się do mitochondriów. Zmiany strukturalne spowodowane ich ruchem powodują obrót kolejnej części enzymu – wydłużonego elementu pełniącego rolę wału napędowego. Na drugim końcu pręta, wewnątrz mitochondriów, przymocowana jest kolejna część układu. Obrót wału powoduje obrót wewnętrznego fragmentu, do którego w niektórych jego położeniach przyczepiają się substraty reakcji tworzenia ATP, a następnie w innych położeniach wirnika gotowy związek wysokoenergetyczny. wydany.

I tym razem nietrudno znaleźć analogię w świecie ludzkiej technologii. Po prostu generator prądu. Przepływ jonów wodoru powoduje, że pierwiastki poruszają się wewnątrz molekularnego silnika unieruchomionego w membranie, niczym łopatki turbiny napędzane strumieniem pary wodnej. Wał przekazuje napęd do rzeczywistego systemu wytwarzania ATP. Podobnie jak większość enzymów, syntaza może działać w przeciwnym kierunku i rozkładać ATP. Proces ten napędza wewnętrzny silnik, który poprzez wał napędza ruchome części fragmentu membrany. To z kolei prowadzi do pompowania jonów wodoru z mitochondriów. Czyli pompa elektryczna. Molekularny cud natury.

Do granic...

... Pomiędzy komórką a środowiskiem znajduje się błona komórkowa, która oddziela porządek wewnętrzny od chaosu świata zewnętrznego. Składa się z podwójnej warstwy cząsteczek, z częściami hydrofilowymi („lubiącymi wodę”) na zewnątrz i częściami hydrofobowymi („unikającymi wody”) skierowanymi do siebie. Błona zawiera również wiele cząsteczek białka. Organizm musi wejść w kontakt ze środowiskiem: wchłonąć potrzebne mu substancje i uwolnić odpady. Niektóre związki chemiczne o małych cząsteczkach (np. woda) mogą przechodzić przez membranę w obu kierunkach zgodnie z gradientem stężeń. Dyfuzja innych jest utrudniona, a sama komórka reguluje ich wchłanianie. Ponadto do transmisji wykorzystywane są maszyny komórkowe - przenośniki i kanały jonowe.

Przenośnik wiąże jon lub cząsteczkę, a następnie przenosi ją wraz z nią na drugą stronę membrany (gdy sama jest mała) lub - gdy przechodzi przez całą membranę - przemieszcza zebraną cząsteczkę i uwalnia ją na drugim końcu. Oczywiście przenośniki działają w obie strony i są bardzo „wybredne” – często przewożą tylko jeden rodzaj substancji. Kanały jonowe wykazują podobny efekt działania, ale inny mechanizm. Można je porównać do filtra. Transport przez kanały jonowe zazwyczaj odbywa się zgodnie z gradientem stężeń (od wyższych do niższych stężeń jonów, aż do ich wyrównania). Z drugiej strony mechanizmy wewnątrzkomórkowe regulują otwieranie i zamykanie kanałów. Kanały jonowe wykazują również wysoką selektywność w stosunku do przepuszczanych cząstek.

Kanał jonowy (po lewej) i rurociągi w akcji

Wić bakteryjna jest prawdziwym mechanizmem napędowym

W błonie komórkowej znajduje się jeszcze jedna interesująca maszyna molekularna - napęd wici, który zapewnia aktywny ruch bakterii. Jest to silnik białkowy składający się z dwóch części: części stacjonarnej (stojana) i części obrotowej (wirnika). Ruch ten powodowany jest przepływem jonów wodorowych z membrany do ogniwa. Wchodzą one do kanału w stojanie, a następnie do części dystalnej, która znajduje się w rotorze. Aby dostać się do wnętrza ogniwa, jony wodoru muszą przedostać się do kolejnej części kanału, czyli ponownie do stojana. Jednak wirnik musi się obracać, aby kanały się zbiegły. Koniec wirnika wystający poza komórkę jest zakrzywiony, do którego przymocowana jest elastyczna wici, obracająca się jak wirnik helikoptera.

Wierzę, że ten koniecznie krótki przegląd mechanizmu komórkowego wyjaśni, że zwycięskie projekty laureatów Nagrody Nobla, nie umniejszając ich osiągnięć, są wciąż dalekie od doskonałych wytworów ewolucji.