Μηχανές κυττάρων

Το 2016, απονεμήθηκε το Νόμπελ Χημείας για ένα εντυπωσιακό επίτευγμα - τη σύνθεση μορίων που λειτουργούν ως μηχανικές συσκευές. Ωστόσο, δεν μπορεί να ειπωθεί ότι η ιδέα της δημιουργίας μηχανών μινιατούρας είναι μια πρωτότυπη ανθρώπινη ιδέα. Και αυτή τη φορά η φύση ήταν πρώτη.

Οι βραβευμένες μοριακές μηχανές (περισσότερα για αυτές στο άρθρο από το τεύχος Ιανουαρίου του MT) είναι το πρώτο βήμα προς μια νέα τεχνολογία που σύντομα μπορεί να ανατρέψει τη ζωή μας. Αλλά τα σώματα όλων των ζωντανών οργανισμών είναι γεμάτα από μηχανισμούς νανοκλίμακας που διατηρούν τα κύτταρα να λειτουργούν αποτελεσματικά.

Στο κέντρο…

... τα κύτταρα περιέχουν έναν πυρήνα και σε αυτόν αποθηκεύονται γενετικές πληροφορίες (τα βακτήρια δεν έχουν ξεχωριστό πυρήνα). Το ίδιο το μόριο DNA είναι εκπληκτικό - αποτελείται από περισσότερα από 6 δισεκατομμύρια στοιχεία (νουκλεοτίδια: αζωτούχα βάση + σάκχαρο δεοξυριβόζης + υπόλειμμα φωσφορικού οξέος), σχηματίζοντας νήματα συνολικού μήκους περίπου 2 μέτρων. Και δεν είμαστε πρωταθλητές από αυτή την άποψη, γιατί υπάρχουν οργανισμοί των οποίων το DNA αποτελείται από εκατοντάδες δισεκατομμύρια νουκλεοτίδια. Για να χωρέσει ένα τέτοιο γιγάντιο μόριο στον πυρήνα, αόρατο με γυμνό μάτι, οι κλώνοι του DNA συστρέφονται μαζί σε μια έλικα (διπλή έλικα) και τυλίγονται γύρω από ειδικές πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες. Το κελί έχει ένα ειδικό σύνολο μηχανημάτων για να λειτουργεί με αυτήν τη βάση δεδομένων.

Πρέπει να χρησιμοποιείτε συνεχώς τις πληροφορίες που περιέχονται στο DNA: να διαβάζετε τις αλληλουχίες που κωδικοποιούν τις πρωτεΐνες που χρειάζεστε αυτήν τη στιγμή (μεταγραφή) και να αντιγράφετε ολόκληρη τη βάση δεδομένων από καιρό σε καιρό για να διαιρέσετε το κύτταρο (αντιγραφή). Κάθε ένα από αυτά τα βήματα περιλαμβάνει την αποκάλυψη της έλικας των νουκλεοτιδίων. Για τη δραστηριότητα αυτή χρησιμοποιείται το ένζυμο ελικάση, το οποίο κινείται σε σπείρα και -σαν σφήνα- το χωρίζει σε ξεχωριστά νήματα (όλα αυτά μοιάζουν με κεραυνό). Το ένζυμο λειτουργεί λόγω της ενέργειας που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα της διάσπασης του παγκόσμιου ενεργειακού φορέα του κυττάρου - ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη).

Μοντέλο του μορίου ATP. Η προσκόλληση και η αποκόλληση των υπολειμμάτων φωσφορικών αλάτων (αριστερά) παρέχει ανταλλαγή ενέργειας στις κυτταρικές χημικές αντιδράσεις.

Τώρα μπορείτε να αρχίσετε να αντιγράφετε θραύσματα αλυσίδας, κάτι που κάνει η RNA πολυμεράση, επίσης καθοδηγούμενη από την ενέργεια που περιέχεται στο ATP. Το ένζυμο κινείται κατά μήκος του κλώνου του DNA και σχηματίζει μια περιοχή RNA (που περιέχει ζάχαρη, ριβόζη αντί για δεοξυριβόζη), η οποία είναι το πρότυπο πάνω στο οποίο συντίθενται οι πρωτεΐνες. Ως αποτέλεσμα, το DNA διατηρείται (αποφεύγοντας το συνεχές ξετύλιγμα και ανάγνωση θραυσμάτων) και, επιπλέον, πρωτεΐνες μπορούν να δημιουργηθούν σε όλο το κύτταρο, όχι μόνο στον πυρήνα.

Ένα αντίγραφο σχεδόν χωρίς σφάλματα παρέχεται από την πολυμεράση DNA, η οποία δρα παρόμοια με την RNA πολυμεράση. Το ένζυμο κινείται κατά μήκος του νήματος και δημιουργεί το αντίστοιχο του. Όταν ένα άλλο μόριο αυτού του ενζύμου κινείται κατά μήκος του δεύτερου κλώνου, το αποτέλεσμα είναι δύο πλήρεις κλώνοι DNA. Το ένζυμο χρειάζεται μερικούς «βοηθούς» για να αρχίσει να αντιγράφει, να δένει θραύσματα μεταξύ τους και να αφαιρεί τις περιττές ραγάδες. Ωστόσο, η DNA πολυμεράση έχει ένα "παραγωγικό ελάττωμα". Μπορεί να κινηθεί μόνο προς μία κατεύθυνση. Η αναπαραγωγή απαιτεί τη δημιουργία ενός λεγόμενου starter, από τον οποίο ξεκινά η πραγματική αντιγραφή. Μόλις ολοκληρωθούν, οι εκκινητές αφαιρούνται και, καθώς η πολυμεράση δεν έχει εφεδρικό, συντομεύεται με κάθε αντίγραφο DNA. Στα άκρα του νήματος υπάρχουν προστατευτικά θραύσματα που ονομάζονται τελομερή και δεν κωδικοποιούν καμία πρωτεΐνη. Μετά την κατανάλωσή τους (στον άνθρωπο, μετά από περίπου 50 επαναλήψεις), τα χρωμοσώματα κολλάνε μεταξύ τους και διαβάζονται με λάθη, γεγονός που προκαλεί κυτταρικό θάνατο ή μετατροπή του σε καρκινικό. Έτσι, ο χρόνος της ζωής μας μετριέται με το τελομερικό ρολόι.

Η αντιγραφή του DNA απαιτεί πολλά ένζυμα για να συνεργαστούν.

Ένα μόριο μεγέθους DNA υφίσταται μόνιμη βλάβη. Μια άλλη ομάδα ενζύμων, που λειτουργούν επίσης ως εξειδικευμένα μηχανήματα, ασχολείται με την αντιμετώπιση προβλημάτων. Μια επεξήγηση του ρόλου τους απονεμήθηκε το Βραβείο Χημείας 2015 (για περισσότερες πληροφορίες δείτε το άρθρο του Ιανουαρίου 2016).

Μέσα…

… τα κύτταρα έχουν ένα κυτταρόπλασμα - ένα εναιώρημα συστατικών που τα γεμίζουν με διάφορες ζωτικές λειτουργίες. Ολόκληρο το κυτταρόπλασμα καλύπτεται από ένα δίκτυο πρωτεϊνικών δομών που αποτελούν τον κυτταροσκελετό. Οι μικροΐνες που συστέλλονται επιτρέπουν στο κύτταρο να αλλάξει το σχήμα του, επιτρέποντάς του να σέρνεται και να μετακινεί τα εσωτερικά του οργανίδια. Ο κυτταροσκελετός περιλαμβάνει επίσης μικροσωληνίσκους, δηλ. σωλήνες από πρωτεΐνες. Αυτά είναι αρκετά άκαμπτα στοιχεία (ένας κοίλος σωλήνας είναι πάντα πιο άκαμπτος από μια μονή ράβδο της ίδιας διαμέτρου) που σχηματίζουν ένα κύτταρο και μερικές από τις πιο ασυνήθιστες μοριακές μηχανές κινούνται κατά μήκος τους - πρωτεΐνες περπατήματος (κυριολεκτικά!).

Οι μικροσωληνίσκοι έχουν ηλεκτρικά φορτισμένα άκρα. Οι πρωτεΐνες που ονομάζονται dyneins κινούνται προς το αρνητικό θραύσμα, ενώ οι κινεσίνες κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Χάρη στην ενέργεια που απελευθερώνεται από τη διάσπαση του ATP, το σχήμα των περιπατητών πρωτεϊνών (γνωστές και ως πρωτεΐνες κινητήρα ή μεταφοράς) αλλάζει σε κύκλους, επιτρέποντάς τους να κινούνται σαν πάπια στην επιφάνεια των μικροσωληνίσκων. Τα μόρια είναι εξοπλισμένα με ένα πρωτεϊνικό «νήμα», στο άκρο του οποίου μπορεί να κολλήσει ένα άλλο μεγάλο μόριο ή μια φυσαλίδα γεμάτη με απόβλητα. Όλα αυτά μοιάζουν με ρομπότ, το οποίο, ταλαντευόμενο, τραβάει ένα μπαλόνι από ένα κορδόνι. Οι κυλιόμενες πρωτεΐνες μεταφέρουν τις απαραίτητες ουσίες στα σωστά σημεία του κυττάρου και μετακινούν τα εσωτερικά του συστατικά.

Σχεδόν όλες οι αντιδράσεις που συμβαίνουν στο κύτταρο ελέγχονται από ένζυμα, χωρίς τα οποία αυτές οι αλλαγές δεν θα συνέβαιναν σχεδόν ποτέ. Τα ένζυμα είναι καταλύτες που δρουν σαν εξειδικευμένες μηχανές για να κάνουν ένα πράγμα (πολύ συχνά επιταχύνουν μόνο μια συγκεκριμένη αντίδραση). Αιχμαλωτίζουν τα υποστρώματα της μεταμόρφωσης, τα τακτοποιούν κατάλληλα μεταξύ τους και μετά το τέλος της διαδικασίας απελευθερώνουν τα προϊόντα και αρχίζουν να λειτουργούν ξανά. Η σχέση με ένα βιομηχανικό ρομπότ που εκτελεί ατελείωτα επαναλαμβανόμενες ενέργειες είναι απολύτως αληθινή.

Τα μόρια του ενδοκυτταρικού φορέα ενέργειας σχηματίζονται ως υποπροϊόν μιας σειράς χημικών αντιδράσεων. Ωστόσο, η κύρια πηγή του ATP είναι το έργο του πιο πολύπλοκου μηχανισμού του κυττάρου - της συνθάσης ATP. Ο μεγαλύτερος αριθμός μορίων αυτού του ενζύμου βρίσκεται στα μιτοχόνδρια, τα οποία λειτουργούν ως κυτταρικά «ηλεκτρικά εργοστάσια».

ATP συνθάση - πάνω: σταθερό μέρος

στη μεμβράνη, κινητήριος άξονας, υπεύθυνο θραύσμα

για τη σύνθεση ATP

Στη διαδικασία της βιολογικής οξείδωσης, τα ιόντα υδρογόνου μεταφέρονται από το εσωτερικό των επιμέρους τμημάτων των μιτοχονδρίων προς τα έξω, γεγονός που δημιουργεί την κλίση τους (διαφορά συγκέντρωσης) και στις δύο πλευρές της μιτοχονδριακής μεμβράνης. Αυτή η κατάσταση είναι ασταθής και υπάρχει μια φυσική τάση για εξίσωση των συγκεντρώσεων, κάτι που εκμεταλλεύεται η συνθάση ATP. Το ένζυμο αποτελείται από πολλά κινούμενα και σταθερά μέρη. Ένα θραύσμα με κανάλια στερεώνεται στη μεμβράνη, μέσω της οποίας ιόντα υδρογόνου από το περιβάλλον μπορούν να διεισδύσουν στα μιτοχόνδρια. Οι δομικές αλλαγές που προκαλούνται από την κίνησή τους περιστρέφουν ένα άλλο μέρος του ενζύμου - ένα επίμηκες στοιχείο που λειτουργεί ως κινητήριος άξονας. Στο άλλο άκρο της ράβδου, μέσα στο μιτοχόνδριο, ένα άλλο κομμάτι του συστήματος είναι προσαρτημένο σε αυτό. Η περιστροφή του άξονα προκαλεί την περιστροφή του εσωτερικού θραύσματος, στο οποίο - σε ορισμένες από τις θέσεις του - συνδέονται τα υποστρώματα της αντίδρασης σχηματισμού ATP, και στη συνέχεια - σε άλλες θέσεις του ρότορα - η τελική ένωση υψηλής ενέργειας. απελευθερώθηκε.

Και αυτή τη φορά δεν είναι δύσκολο να βρεις μια αναλογία στον κόσμο της ανθρώπινης τεχνολογίας. Απλά μια γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας. Η ροή των ιόντων υδρογόνου κάνει τα στοιχεία να κινούνται μέσα στον μοριακό κινητήρα που είναι ακινητοποιημένος στη μεμβράνη, όπως τα πτερύγια ενός στροβίλου που κινείται από ένα ρεύμα υδρατμών. Ο άξονας μεταφέρει την κίνηση στο πραγματικό σύστημα παραγωγής ATP. Όπως τα περισσότερα ένζυμα, η συνθετάση μπορεί επίσης να δράσει προς την άλλη κατεύθυνση και να διασπάσει το ATP. Αυτή η διαδικασία θέτει σε κίνηση έναν εσωτερικό κινητήρα που οδηγεί τα κινούμενα μέρη του θραύσματος της μεμβράνης μέσω ενός άξονα. Αυτό, με τη σειρά του, οδηγεί στην άντληση ιόντων υδρογόνου από τα μιτοχόνδρια. Έτσι, η αντλία κινείται ηλεκτρικά. Μοριακό θαύμα της φύσης.

Στα σύνορα...

... Ανάμεσα στο κύτταρο και στο περιβάλλον υπάρχει μια κυτταρική μεμβράνη που διαχωρίζει την εσωτερική τάξη από το χάος του εξωτερικού κόσμου. Αποτελείται από ένα διπλό στρώμα μορίων, με τα υδρόφιλα («υδατοαγαπημένα») μέρη προς τα έξω και τα υδρόφοβα («αποφεύγοντας το νερό») μέρη το ένα προς το άλλο. Η μεμβράνη περιέχει επίσης πολλά μόρια πρωτεΐνης. Το σώμα πρέπει να έρθει σε επαφή με το περιβάλλον: να απορροφήσει τις ουσίες που χρειάζεται και να απελευθερώσει τα απόβλητα. Ορισμένες χημικές ενώσεις με μικρά μόρια (για παράδειγμα, νερό) μπορούν να περάσουν μέσα από τη μεμβράνη και προς τις δύο κατευθύνσεις ανάλογα με τη βαθμίδα συγκέντρωσης. Η διάχυση των άλλων είναι δύσκολη και το ίδιο το κύτταρο ρυθμίζει την απορρόφησή τους. Περαιτέρω, χρησιμοποιούνται κυψελωτά μηχανήματα για μετάδοση - μεταφορείς και κανάλια ιόντων.

Ο μεταφορέας δεσμεύει ένα ιόν ή μόριο και στη συνέχεια μετακινείται μαζί του στην άλλη πλευρά της μεμβράνης (όταν η ίδια η μεμβράνη είναι μικρή) ή - όταν περνάει από ολόκληρη τη μεμβράνη - μετακινεί το συλλεγμένο σωματίδιο και το απελευθερώνει στο άλλο άκρο. Φυσικά, οι μεταφορείς λειτουργούν και με τους δύο τρόπους και είναι πολύ «λεπτομερείς» - συχνά μεταφέρουν μόνο έναν τύπο ουσίας. Τα κανάλια ιόντων παρουσιάζουν παρόμοιο λειτουργικό αποτέλεσμα, αλλά διαφορετικό μηχανισμό. Μπορούν να συγκριθούν με ένα φίλτρο. Η μεταφορά μέσω διαύλων ιόντων ακολουθεί γενικά μια κλίση συγκέντρωσης (υψηλές προς χαμηλότερες συγκεντρώσεις ιόντων μέχρι να εξομαλυνθούν). Από την άλλη πλευρά, οι ενδοκυτταρικοί μηχανισμοί ρυθμίζουν το άνοιγμα και το κλείσιμο των διόδων. Τα κανάλια ιόντων παρουσιάζουν επίσης υψηλή επιλεκτικότητα για τη διέλευση των σωματιδίων.

Κανάλι ιόντων (αριστερά) και αγωγοί σε λειτουργία

Το βακτηριακό μαστίγιο είναι ένας πραγματικός μηχανισμός οδήγησης

Υπάρχει μια άλλη ενδιαφέρουσα μοριακή μηχανή στην κυτταρική μεμβράνη - η κίνηση μαστιγών, η οποία εξασφαλίζει την ενεργό κίνηση των βακτηρίων. Αυτός είναι ένας πρωτεϊνικός κινητήρας που αποτελείται από δύο μέρη: ένα σταθερό μέρος (στάτορας) και ένα περιστρεφόμενο μέρος (ρότορας). Η κίνηση προκαλείται από τη ροή ιόντων υδρογόνου από τη μεμβράνη στο κύτταρο. Εισέρχονται στο κανάλι στον στάτορα και περαιτέρω στο απομακρυσμένο τμήμα, το οποίο βρίσκεται στον ρότορα. Για να μπουν μέσα στο κύτταρο, τα ιόντα υδρογόνου πρέπει να βρουν το δρόμο τους προς το επόμενο τμήμα του καναλιού, το οποίο βρίσκεται και πάλι στον στάτορα. Ωστόσο, ο ρότορας πρέπει να περιστρέφεται για να συγκλίνουν τα κανάλια. Το άκρο του ρότορα, που προεξέχει πέρα ​​από τον κλωβό, είναι κυρτό, ένα εύκαμπτο μαστίγιο είναι προσαρτημένο σε αυτό, που περιστρέφεται σαν έλικα ελικοπτέρου.

Πιστεύω ότι αυτή η αναγκαστικά σύντομη επισκόπηση του κυτταρικού μηχανισμού θα καταστήσει σαφές ότι τα νικητήρια σχέδια των νικητών του βραβείου Νόμπελ, χωρίς να μειώνουν τα επιτεύγματά τους, απέχουν ακόμη πολύ από την τελειότητα των δημιουργιών της εξέλιξης.