Клітинні машини
У 2016 році Нобелівську премію з хімії було присуджено за вражаючі досягнення – синтез молекул, що діють як механічні пристрої. Проте, не можна сказати, що ідея створення мініатюрних машин є оригінальною людською ідеєю. І цього разу природа була першою.
Нагороджені молекулярні машини (докладніше про них – у статті зі січневого номера МТ) – це перший крок до нової технології, яка незабаром може перевернути наше життя. Але тіла всіх живих організмів сповнені нанорозмірних механізмів, що підтримують ефективне функціонування клітин.
У центрі…
... клітини містять ядро, і в ньому зберігається генетична інформація (бактерії не мають окремого ядра). Сама молекула ДНК дивовижна — вона складається з більш ніж 6 мільярдів елементів (нуклеотидів: азотна основа + цукор дезоксирибозу + залишок фосфорної кислоти), що утворюють нитки загальною довжиною близько 2 метрів. І ми не рекордсмени у цьому плані, бо є організми, ДНК яких складається із сотень мільярдів нуклеотидів. Щоб така гігантська молекула помістилася у невидимому неозброєним оком ядрі, нитки ДНК скручуються разом у спіраль (подвійну спіраль) та намотуються на спеціальні білки, які називають гістонами. В осередку є спеціальний набір машин для роботи з базою даних.
Ви повинні постійно використовувати інформацію, що міститься в ДНК: зчитувати послідовності, що кодують необхідні вам зараз білки (транскрипція), і іноді копіювати всю базу даних, щоб розділити клітину (реплікація). Кожен з цих кроків включає розплутування спіралі нуклеотидів. Для цієї діяльності використовується фермент геліказу, який рухається спіраллю і — подібно клину — поділяє її на окремі нитки (все це нагадує блискавку). Фермент працює за рахунок енергії, що вивільняється внаслідок розпаду універсального енергоносія клітини – АТФ (аденозинтрифосфату).
Модель молекули АТФ. Приєднання та від'єднання залишків фосфатів (ліворуч) забезпечує обмін енергією у клітинних хімічних реакціях.
Тепер ви можете почати копіювати фрагменти ланцюгів, що робить РНК-полімераза, що також рухається енергією, що міститься в АТФ. Фермент переміщається ланцюгом ДНК і утворює ділянку РНК (містить цукор, рибозу замість дезоксирибози), який є матрицею, де синтезуються білки. В результаті ДНК зберігається (уникаючи постійного розплутування та читання фрагментів), та, крім того, білки можуть створюватися у всій клітині, а не тільки в ядрі.
Практично безпомилкову копію забезпечує ДНК-полімераза, що діє аналогічно до РНК-полімерази. Фермент рухається нитками і нарощує свій аналог. Коли інша молекула цього ферменту переміщається з другого ланцюга, у результаті утворюються дві повні спіралі ДНК. Ферменту потрібно кілька «помічників», щоб розпочати копіювання, зв'язування фрагментів разом та видалення непотрібних розтяжок. Однак ДНК-полімераза має "виробничий дефект". Він може рухатися лише в одному напрямку. Реплікація вимагає створення так званого starter, з якого починається копіювання. Після завершення праймери видаляються, і, оскільки полімерази немає резервної копії, вона коротшає з кожною копією ДНК. На кінцях нитки знаходяться захисні фрагменти, які називаються теломерами, які не кодують жодних білків. Після їх споживання (у людини після приблизно 50 повторень) хромосоми злипаються і зчитуються з помилками, що спричиняє загибель клітини або її трансформацію на ракову. Таким чином, час нашого життя вимірюється тіломірним годинником.
Копіювання ДНК потребує спільної роботи багатьох ферментів.
Молекула розміром із ДНК піддається постійному пошкодженню. Інша група ферментів, що також діють як спеціалізовані машини, займається усуненням збоїв. Пояснення їхньої ролі було удостоєне у 2015 році хімічної премії (додаткову інформацію див. у статті від січня 2016 року).
Усередині...
… клітини мають цитоплазму – завись компонентів, що наповнюють їх різними життєвими функціями. Вся цитоплазма покрита мережею білкових структур, що становлять цитоскелет. Мікроволокна, що скорочуються, дозволяють клітині змінювати свою форму, дозволяючи їй повзати і переміщати свої внутрішні органели. Цитоскелет також включає микротрубочки, тобто. трубки, що складаються із білкових молекул. Це досить жорсткі елементи (порожниста трубка завжди жорсткіша, ніж одиночний стрижень того ж діаметра), що формують клітину, і по них пересуваються одні з найнезвичайніших молекулярних машин — білки, що крокують (у буквальному сенсі!).
Мікротрубочки мають електрично заряджені кінці. Білки, які називають динеїнами, рухаються до негативного фрагмента, а кінезини — у протилежному напрямку. Завдяки енергії, що вивільняється в результаті розпаду АТФ, форма ходячих білків (також відомих як моторні або транспортні білки) циклічно змінюється, що дозволяє їм пересуватися качиною ходою поверхнею мікротрубочок. Молекули забезпечені білковою «ниткою», до кінця якої може прилипнути інша велика молекула або пляшечка, наповнена продуктами життєдіяльності. Все це нагадує робота, який, погойдуючись, тягне за мотузку повітряну кульку. Білки, що перекочуються, транспортують необхідні речовини в потрібні місця клітини і переміщують її внутрішні компоненти.
Майже всі реакції, що відбуваються у клітині, контролюються ферментами, без яких ці зміни практично ніколи не відбувалися б. Ферменти - це каталізатори, які діють як спеціалізовані машини для виконання однієї дії (дуже часто вони прискорюють лише одну конкретну реакцію). Вони захоплюють субстрати трансформації, мають у своєму розпорядженні відповідним чином один до одного, а після закінчення процесу випускають продукти і знову починають працювати. Асоціація з промисловим роботом, що виконує дії, що нескінченно повторюються, абсолютно правильна.
Молекули внутрішньоклітинного енергоносія утворюються як побічний продукт низки хімічних реакцій. Проте основним джерелом АТФ є робота найскладнішого механізму клітини – АТФ-синтази. Найбільша кількість молекул цього ферменту перебуває у мітохондріях, виконують роль клітинних «електростанцій».
АТФ-синтаза – вгорі: закріплена частина
у мембрані, приводний вал, відповідальний фрагмент
для синтезу АТФ
У процесі біологічного окислення іони водню зсередини окремих ділянок мітохондрії транспортуються назовні, що створює їх градієнт (різницю концентрацій) з обох боків мітохондріальної мембрани. Ця ситуація є нестійкою і має місце природна тенденція до вирівнювання концентрацій, чим і користується АТФ-синтаза. Фермент складається з кількох рухомих та нерухомих частин. У мембрані закріплений фрагмент з каналами, якими іони водню з довкілля можуть проникати всередину мітохондрій. Структурні зміни, викликані їх рухом, обертають іншу частину ферменту - подовжений елемент, що виконує роль приводного валу. На іншому кінці стрижня всередині мітохондрії до нього прикріплюється ще один шматок системи. Обертання валу викликає обертання внутрішнього фрагмента, до якого в одних його положеннях прикріплюються субстрати АТФ-утворюючої реакції, а потім в інших положеннях ротора готове високоенергетичне з'єднання. випущений.
І цього разу неважко знайти аналогію у світі людських технологій. Просто генератор електроенергії. Потік іонів водню змушує елементи рухатися всередині молекулярного мотора, іммобілізованого в мембрані, подібно до лопатям турбіни, що приводять у рух потоком водяної пари. Вал передає привід фактичну систему генерації АТФ. Як і більшість ферментів, синтаза може діяти і в іншому напрямку та розщеплювати АТФ. Цей процес приводить у рух внутрішній двигун, який через вал приводить у рух рухомі частини фрагмента мембрани. Це, у свою чергу, призводить до відкачування іонів водню з мітохондрій. Отже, насос із електроприводом. Молекулярне природне диво.
На кордоні…
…Між клітиною та довкіллям знаходиться клітинна мембрана, що відокремлює внутрішній порядок від хаосу зовнішнього світу. Він складається з подвійного шару молекул, гідрофільними («люблячими воду») частинами назовні та гідрофобними («уникаючими води») частинами один до одного. У мембрані також є безліч білкових молекул. Організму доводиться контактувати з довкіллям: поглинати необхідні йому речовини та виділяти відходи. Деякі хімічні сполуки з невеликими молекулами (наприклад вода) можуть проходити через мембрану в обох напрямках відповідно до градієнта концентрації. Дифузія інших утруднена, і клітина сама регулює їхнє поглинання. Далі передачі використовують клітинні машини – конвеєри і іонні канали.
Конвеєр зв'язує іон або молекулу, а потім переміщається з нею на інший бік мембрани (коли вона найменша) або коли він проходить через всю мембрану переміщає зібрану частинку і вивільняє її на іншому кінці. Звичайно, конвеєри працюють в обидва боки і дуже «вибагливі» — найчастіше вони перевозять лише один тип речовини. Іонні канали показують аналогічний ефект, але інший механізм. Їх можна порівняти із фільтром. Транспорт через іонні канали в основному слідує градієнту концентрації (від вищої до нижчої концентрації іонів до вирівнювання). З іншого боку, внутрішньоклітинні механізми регулюють відкриття та закриття проходів. Іонні канали також виявляють високу селективність по відношенню до частин, що пропускаються.
Іонний канал (ліворуч) та конвеєри в роботі
Бактеріальний джгутик – справжній приводний механізм
У клітинній мембрані є ще одна цікава молекулярна машина – привід джгутика, що забезпечує активний рух бактерій. Це білковий двигун, що складається з двох частин: нерухомої частини (статора) і частини, що обертається (ротора). Рух викликається потоком іонів водню від мембрани усередину клітини. Вони входять у канал у статорі і далі в дистальну частину, що у роторі. Щоб потрапити всередину клітини, іони водню повинні знайти шлях до наступної ділянки каналу, який знову знаходиться у статорі. Однак ротор повинен обертатися, щоб канали зійшлися. Кінець ротора, що виступає за межі клітини, зігнутий, до нього прикріплений гнучкий джгутик, що обертається на зразок гвинта вертольота.
Я вважаю, що цей обов'язково короткий огляд клітинного механізму дозволить зрозуміти, що переможні конструкції лауреатів Нобелівської премії, не применшуючи їх досягнень, все ще далекі від досконалості творів еволюції.
