Celični stroji

Leta 2016 je bila Nobelova nagrada za kemijo podeljena za impresiven dosežek – sintezo molekul, ki delujejo kot mehanske naprave. Vendar pa ni mogoče reči, da je ideja o ustvarjanju miniaturnih strojev izvirna človeška ideja. In tokrat je bila narava prva.

Nagrajeni molekularni stroji (več o njih v članku iz januarske številke MT) so prvi korak k novi tehnologiji, ki nam lahko kmalu postavi življenje na glavo. Toda telesa vseh živih organizmov so polna nanometrskih mehanizmov, ki skrbijo za učinkovito delovanje celic.

V središču…

... celice vsebujejo jedro, v njem pa so shranjene genetske informacije (bakterije nimajo ločenega jedra). Sama molekula DNK je neverjetna - sestavljena je iz več kot 6 milijard elementov (nukleotidi: dušikova baza + deoksiriboza sladkor + ostanek fosforne kisline), ki tvorijo niti s skupno dolžino približno 2 metra. In v tem pogledu nismo prvaki, saj obstajajo organizmi, katerih DNK je sestavljen iz stotin milijard nukleotidov. Da bi se tako velikanska molekula prilegala v jedro, nevidno s prostim očesom, so verige DNK zvite skupaj v vijačnico (dvojna vijačnica) in ovite okoli posebnih beljakovin, imenovanih histoni. Celica ima poseben nabor strojev za delo s to bazo podatkov.

Nenehno morate uporabljati informacije, ki jih vsebuje DNK: brati zaporedja, ki kodirajo proteine, ki jih trenutno potrebujete (transkripcija), in od časa do časa kopirati celotno zbirko podatkov, da razdelite celico (replikacija). Vsak od teh korakov vključuje razpletanje vijačnice nukleotidov. Za to aktivnost se uporablja encim helikaza, ki se giblje spiralno in jo - kot klin - deli na ločene niti (vse to spominja na strelo). Encim deluje zaradi energije, ki se sprosti kot posledica razpada univerzalnega nosilca energije celice - ATP (adenozin trifosfat).

Model molekule ATP. Pritrditev in ločevanje fosfatnih ostankov (levo) zagotavljata izmenjavo energije v celičnih kemijskih reakcijah.

Zdaj lahko začnete kopirati fragmente verige, kar počne RNA polimeraza, ki jo poganja tudi energija, ki jo vsebuje ATP. Encim se premika vzdolž verige DNA in tvori regijo RNA (ki vsebuje sladkor, ribozo namesto deoksiriboze), ki je matrica, na kateri se sintetizirajo beljakovine. Posledično se ohrani DNK (izogibamo se nenehnemu razpletanju in branju fragmentov), ​​poleg tega pa lahko beljakovine nastajajo po celi celici, ne le v jedru.

Skoraj brez napak poskrbi DNA polimeraza, ki deluje podobno kot RNA polimeraza. Encim se premika vzdolž niti in gradi svoj dvojnik. Ko se druga molekula tega encima premakne vzdolž druge verige, sta rezultat dve popolni verigi DNK. Encim potrebuje nekaj "pomočnikov", da začne kopirati, povezovati drobce skupaj in odstranjevati nepotrebne strije. Vendar pa ima DNA polimeraza "proizvodno napako". Lahko se premika le v eno smer. Replikacija zahteva izdelavo tako imenovanega zaganjalnika, iz katerega se začne dejansko kopiranje. Ko je končano, se primerji odstranijo in ker polimeraza nima rezervne kopije, se skrajša z vsako kopijo DNK. Na koncih niti so zaščitni fragmenti, imenovani telomeri, ki ne kodirajo nobenih beljakovin. Po njihovem zaužitju (pri človeku po približno 50 ponovitvah) se kromosomi zlepijo in berejo z napakami, kar povzroči odmrtje celice ali njeno preobrazbo v rakavo. Tako se čas našega življenja meri s telomerno uro.

Kopiranje DNK zahteva sodelovanje številnih encimov.

Molekula velikosti DNK se trajno poškoduje. Druga skupina encimov, ki prav tako delujejo kot specializirani stroji, se ukvarja z odpravljanjem težav. Pojasnilo njihove vloge je prejelo nagrado za kemijo 2015 (za več informacij glejte članek iz januarja 2016).

Znotraj…

… celice imajo citoplazmo – suspenzijo sestavin, ki jih izpolnjujejo z različnimi življenjskimi funkcijami. Celotna citoplazma je prekrita z mrežo beljakovinskih struktur, ki sestavljajo citoskelet. Mikrovlakna, ki se skrčijo, omogočajo celici, da spremeni svojo obliko, kar ji omogoči plazenje in premikanje notranjih organelov. Citoskelet vključuje tudi mikrotubule, tj. cevi iz beljakovin. Gre za dokaj toge elemente (votla cev je vedno trša od ene palice enakega premera), ki tvorijo celico, po njih pa se premikajo nekateri najbolj nenavadni molekularni stroji – hodeči proteini (dobesedno!).

Mikrotubuli imajo električno nabite konce. Proteini, imenovani dineini, se premikajo proti negativnemu fragmentu, kinezini pa v nasprotni smeri. Zahvaljujoč energiji, ki se sprosti pri razgradnji ATP, se oblika hodečih beljakovin (znanih tudi kot motorični ali transportni proteini) spreminja v ciklih, kar jim omogoča, da se premikajo kot raca po površini mikrotubulov. Molekule so opremljene z beljakovinsko »nitjo«, na konec katere se lahko prilepi druga velika molekula ali mehurček, napolnjen z odpadnimi snovmi. Vse to spominja na robota, ki z vrvico vleče balon. Kotaleči se proteini prenašajo potrebne snovi na prava mesta v celici in premikajo njene notranje komponente.

Skoraj vse reakcije, ki se dogajajo v celici, nadzorujejo encimi, brez katerih do teh sprememb skoraj nikoli ne bi prišlo. Encimi so katalizatorji, ki delujejo kot specializirani stroji za eno stvar (zelo pogosto pospešijo samo eno določeno reakcijo). Zajamejo substrate preoblikovanja, jih primerno razvrstijo drug do drugega, po končanem procesu pa produkte sprostijo in ponovno začnejo delovati. Povezava z industrijskim robotom, ki izvaja neskončno ponavljajoče se akcije, popolnoma drži.

Molekule znotrajceličnega nosilca energije nastanejo kot stranski produkt niza kemičnih reakcij. Vendar pa je glavni vir ATP delo najbolj zapletenega mehanizma celice - ATP sintaze. Največje število molekul tega encima se nahaja v mitohondrijih, ki delujejo kot celične »elektrarne«.

ATP sintaza - vrh: fiksni del

v membrani, pogonski gredi, odgovornem fragmentu

za sintezo ATP

V procesu biološke oksidacije se vodikovi ioni prenašajo iz notranjosti posameznih odsekov mitohondrijev navzven, kar ustvarja njihov gradient (koncentracijsko razliko) na obeh straneh mitohondrijske membrane. To stanje je nestabilno in obstaja naravna težnja po izenačevanju koncentracij, kar ATP sintaza izkorišča. Encim je sestavljen iz več gibljivih in fiksnih delov. V membrani je fiksiran delček s kanali, skozi katere lahko vodikovi ioni iz okolja prodrejo v mitohondrije. Strukturne spremembe, ki jih povzroča njihovo gibanje, zavrtijo še en del encima - podolgovat element, ki deluje kot pogonska gred. Na drugem koncu palice, znotraj mitohondrija, je nanjo pritrjen še en del sistema. Vrtenje gredi povzroči vrtenje notranjega fragmenta, na katerega so - v nekaterih njegovih položajih - pritrjeni substrati reakcije tvorbe ATP, nato pa - v drugih položajih rotorja - končna visokoenergijska spojina. izpuščen.

In tokrat ni težko najti analogije v svetu človeške tehnologije. Samo generator električne energije. Zaradi toka vodikovih ionov se elementi premikajo znotraj molekularnega motorja, imobiliziranega v membrani, kot lopatice turbine, ki jo poganja tok vodne pare. Gred prenaša pogon na dejanski sistem za ustvarjanje ATP. Kot večina encimov lahko tudi sintaza deluje v drugo smer in razgradi ATP. Ta proces sproži notranji motor, ki poganja gibljive dele fragmenta membrane skozi gred. To pa vodi do črpanja vodikovih ionov iz mitohondrijev. Črpalka je torej na električni pogon. Molekularni čudež narave.

Do meja...

... Med celico in okoljem je celična membrana, ki ločuje notranji red od kaosa zunanjega sveta. Sestavljen je iz dvojne plasti molekul, pri čemer so hidrofilni ("ljubi vodo") deli obrnjeni navzven in hidrofobni ("izogibajo se vodi") deli drug proti drugemu. Membrana vsebuje tudi veliko beljakovinskih molekul. Telo mora stopiti v stik z okoljem: absorbirati potrebne snovi in ​​sprostiti odpadne snovi. Nekatere kemične spojine z majhnimi molekulami (na primer voda) lahko prehajajo skozi membrano v obe smeri glede na koncentracijski gradient. Difuzija drugih je otežena, celica pa sama uravnava njihovo absorpcijo. Nadalje se za prenos uporabljajo celični stroji - transporterji in ionski kanali.

Transporter veže ion ali molekulo in se nato z njim premakne na drugo stran membrane (ko je membrana sama majhna) ali – ko gre skozi celotno membrano – premakne zbrani delec in ga sprosti na drugem koncu. Seveda transporterji delujejo v obe smeri in so zelo "izbirčni" - pogosto prenašajo samo eno vrsto snovi. Ionski kanali kažejo podoben delovni učinek, vendar drugačen mehanizem. Lahko jih primerjamo s filtrom. Prenos skozi ionske kanale na splošno sledi koncentracijskemu gradientu (od višjih do nižjih koncentracij ionov, dokler se ne izravnajo). Po drugi strani pa znotrajcelični mehanizmi uravnavajo odpiranje in zapiranje prehodov. Ionski kanali kažejo tudi visoko selektivnost za prehajanje delcev.

Ionski kanal (levo) in cevovodi v delovanju

Bakterijski biček je pravi pogonski mehanizem

V celični membrani je še en zanimiv molekularni stroj - bičkov pogon, ki zagotavlja aktivno gibanje bakterij. To je proteinski motor, sestavljen iz dveh delov: fiksnega dela (statorja) in vrtljivega dela (rotorja). Gibanje nastane zaradi pretoka vodikovih ionov iz membrane v celico. Vstopajo v kanal v statorju in naprej v distalni del, ki se nahaja v rotorju. Da pridejo v celico, morajo vodikovi ioni najti pot do naslednjega dela kanala, ki je spet v statorju. Vendar pa se mora rotor vrteti, da se kanali zbližajo. Konec rotorja, ki štrli izven kletke, je ukrivljen, nanj je pritrjen upogljiv flagelum, ki se vrti kot propeler helikopterja.

Verjamem, da bo ta nujno kratek pregled celičnega mehanizma razjasnil, da so zmagoviti načrti Nobelovih nagrajencev, ne da bi zmanjšali njihove dosežke, še vedno daleč od popolnosti kreacij evolucije.