ماشین های سلولی

در سال 2016، جایزه نوبل شیمی برای یک دستاورد چشمگیر - سنتز مولکول هایی که به عنوان دستگاه های مکانیکی عمل می کنند، اعطا شد. با این حال، نمی توان گفت که ایده ایجاد ماشین های مینیاتوری یک ایده اصیل بشری است. و این بار طبیعت اول بود.

ماشین‌های مولکولی اهدا شده (اطلاعات بیشتر در مورد آنها در مقاله شماره ژانویه MT) اولین گام به سوی فناوری جدیدی هستند که ممکن است به زودی زندگی ما را زیر و رو کند. اما بدن همه موجودات زنده مملو از مکانیسم‌های نانومقیاس است که سلول‌ها را به طور موثر حفظ می‌کند.

در مرکز…

... سلول ها حاوی یک هسته هستند و اطلاعات ژنتیکی در آن ذخیره می شود (باکتری ها هسته جداگانه ای ندارند). مولکول DNA به خودی خود شگفت انگیز است - از بیش از 6 میلیارد عنصر (نوکلئوتیدها: پایه نیتروژنی + قند دئوکسی ریبوز + باقیمانده اسید فسفریک) تشکیل شده است که رشته هایی با طول کلی حدود 2 متر را تشکیل می دهد. و ما در این زمینه قهرمان نیستیم، زیرا موجوداتی وجود دارند که DNA آنها از صدها میلیارد نوکلئوتید تشکیل شده است. برای اینکه چنین مولکولی غول‌پیکر در هسته جای بگیرد، رشته‌های DNA به شکل یک مارپیچ (مارپیچ دوتایی) به هم پیچیده شده و در اطراف پروتئین‌های خاصی به نام هیستون پیچیده می‌شوند. سلول دارای مجموعه ماشین های خاصی برای کار با این پایگاه داده است.

شما باید دائماً از اطلاعات موجود در DNA استفاده کنید: دنباله هایی را بخوانید که پروتئین هایی را که در حال حاضر به آن نیاز دارید کد می کند (رونویسی)، و هر از گاهی کل پایگاه داده را برای تقسیم سلول (تکثیر) کپی کنید. هر یک از این مراحل شامل باز کردن مارپیچ نوکلئوتیدها است. برای این فعالیت، از آنزیم هلیکاز استفاده می شود که به صورت مارپیچی حرکت می کند و - مانند یک گوه - آن را به رشته های جداگانه تقسیم می کند (همه اینها شبیه رعد و برق است). این آنزیم به دلیل انرژی آزاد شده در نتیجه تجزیه حامل انرژی جهانی سلول - ATP (آدنوزین تری فسفات) کار می کند.

مدل مولکول ATP اتصال و جدا شدن بقایای فسفات (سمت چپ) تبادل انرژی را در واکنش های شیمیایی سلولی فراهم می کند.

اکنون می توانید شروع به کپی کردن قطعات زنجیره ای کنید، کاری که RNA پلیمراز انجام می دهد، همچنین توسط انرژی موجود در ATP هدایت می شود. آنزیم در امتداد رشته DNA حرکت می کند و ناحیه ای از RNA (حاوی قند، ریبوز به جای دئوکسی ریبوز) تشکیل می دهد که الگوی سنتز پروتئین ها است. در نتیجه، DNA حفظ می شود (جلوگیری از باز شدن و خواندن مداوم قطعات)، و علاوه بر این، پروتئین ها می توانند در سراسر سلول، نه فقط در هسته، ایجاد شوند.

یک نسخه تقریباً بدون خطا توسط DNA پلیمراز ارائه می شود که مشابه RNA پلیمراز عمل می کند. آنزیم در طول نخ حرکت می کند و همتای خود را می سازد. هنگامی که مولکول دیگری از این آنزیم در امتداد رشته دوم حرکت می کند، نتیجه دو رشته کامل DNA است. آنزیم برای شروع کپی کردن، گره زدن قطعات به هم و از بین بردن علائم کشش غیر ضروری به چند "کمک کننده" نیاز دارد. با این حال، DNA پلیمراز "نقص تولید" دارد. فقط می تواند در یک جهت حرکت کند. تکثیر مستلزم ایجاد یک شروع کننده است که کپی واقعی از آن شروع می شود. پس از تکمیل، پرایمرها حذف می شوند و از آنجایی که پلیمراز پشتیبان ندارد، با هر کپی DNA کوتاه می شود. در انتهای نخ قطعات محافظی به نام تلومر وجود دارد که هیچ پروتئینی را کد نمی کند. کروموزوم ها پس از مصرف (در انسان پس از حدود 50 تکرار) به هم می چسبند و با اشتباه خوانده می شوند که باعث مرگ سلولی یا تبدیل آن به سرطانی می شود. بنابراین، زمان زندگی ما با ساعت تلومری اندازه گیری می شود.

کپی کردن DNA به آنزیم های زیادی نیاز دارد تا با هم کار کنند.

یک مولکول به اندازه DNA دچار آسیب دائمی می شود. گروه دیگری از آنزیم ها که به عنوان ماشین های تخصصی نیز عمل می کنند، به عیب یابی می پردازند. توضیح نقش آنها برنده جایزه شیمی 2015 شد (برای اطلاعات بیشتر به مقاله ژانویه 2016 مراجعه کنید).

داخل…

... سلول ها دارای سیتوپلاسم هستند - تعلیق اجزایی که آنها را با عملکردهای مختلف حیاتی پر می کند. کل سیتوپلاسم با شبکه ای از ساختارهای پروتئینی پوشیده شده است که اسکلت سلولی را تشکیل می دهند. ریز فیبرهای منقبض به سلول اجازه می دهد شکل خود را تغییر دهد و به آن اجازه می دهد بخزد و اندامک های داخلی خود را حرکت دهد. اسکلت سلولی همچنین شامل میکروتوبول ها می شود، یعنی. لوله های ساخته شده از پروتئین اینها عناصر نسبتاً سفت و سختی هستند (یک لوله توخالی همیشه سفت تر از یک میله با همان قطر است) که یک سلول را تشکیل می دهند و برخی از غیر معمول ترین ماشین های مولکولی در امتداد آنها حرکت می کنند - پروتئین های راه رفتن (به معنای واقعی کلمه!).

ریز لوله ها دارای انتهای بار الکتریکی هستند. پروتئین هایی به نام داینئین ها به سمت قطعه منفی حرکت می کنند، در حالی که کینزین ها در جهت مخالف حرکت می کنند. به لطف انرژی آزاد شده از تجزیه ATP، شکل پروتئین های راه رفتن (که به عنوان پروتئین های حرکتی یا حمل و نقل نیز شناخته می شود) در چرخه تغییر می کند و به آنها اجازه می دهد مانند یک اردک در سطح میکروتوبول ها حرکت کنند. مولکول ها مجهز به یک "رشته" پروتئینی هستند که به انتهای آن یک مولکول بزرگ دیگر یا یک حباب پر از مواد زائد می تواند بچسبد. همه اینها شبیه یک ربات است که با تاب خوردن، بادکنکی را توسط یک نخ می کشد. پروتئین های غلتشی مواد لازم را به مکان های مناسب در سلول منتقل می کنند و اجزای داخلی آن را به حرکت در می آورند.

تقریباً تمام واکنش‌هایی که در سلول اتفاق می‌افتد توسط آنزیم‌هایی کنترل می‌شوند که بدون آن‌ها این تغییرات تقریباً هرگز رخ نمی‌دهند. آنزیم ها کاتالیزورهایی هستند که مانند ماشین های تخصصی برای انجام یک کار عمل می کنند (اغلب آنها فقط یک واکنش خاص را سرعت می بخشند). آنها زیرلایه های تبدیل را می گیرند، آنها را به طور مناسب با یکدیگر مرتب می کنند و پس از پایان فرآیند، محصولات را آزاد می کنند و دوباره شروع به کار می کنند. ارتباط با یک ربات صنعتی که اقدامات تکراری بی پایان انجام می دهد کاملاً درست است.

مولکول های حامل انرژی درون سلولی به عنوان یک محصول جانبی از یک سری واکنش های شیمیایی تشکیل می شوند. با این حال، منبع اصلی ATP کار پیچیده ترین مکانیسم سلول - ATP سنتاز است. بیشترین تعداد مولکول های این آنزیم در میتوکندری ها قرار دارد که به عنوان «نیروگاه» سلولی عمل می کنند.

ATP سنتاز - بالا: قسمت ثابت

در غشاء، محور محرک، قطعه مسئول

برای سنتز ATP

در فرآیند اکسیداسیون بیولوژیکی، یون های هیدروژن از داخل بخش های منفرد میتوکندری به خارج منتقل می شوند که باعث ایجاد گرادیان (اختلاف غلظت) آنها در دو طرف غشای میتوکندری می شود. این وضعیت ناپایدار است و تمایل طبیعی برای یکسان شدن غلظت ها وجود دارد، که ATP سنتاز از آن بهره می برد. آنزیم از چندین بخش متحرک و ثابت تشکیل شده است. قطعه ای با کانال ها در غشاء ثابت شده است که از طریق آن یون های هیدروژن از محیط می توانند به داخل میتوکندری نفوذ کنند. تغییرات ساختاری ناشی از حرکت آنها بخش دیگری از آنزیم را می چرخاند - یک عنصر دراز که به عنوان یک محور محرک عمل می کند. در انتهای دیگر میله، در داخل میتوکندری، قطعه دیگری از سیستم به آن متصل شده است. چرخش شفت باعث چرخش قطعه داخلی می شود که در برخی از موقعیت های آن، زیرلایه های واکنش تشکیل دهنده ATP به آن متصل می شود و سپس در سایر موقعیت های روتور، یک ترکیب آماده با انرژی بالا. . منتشر شد.

و این بار یافتن یک قیاس در دنیای فناوری بشر کار دشواری نیست. فقط یک ژنراتور برق جریان یون های هیدروژن باعث می شود که عناصر در داخل موتور مولکولی بی حرکت در غشاء حرکت کنند، مانند پره های یک توربین که توسط جریانی از بخار آب به حرکت در می آید. شفت درایو را به سیستم تولید واقعی ATP منتقل می کند. مانند بسیاری از آنزیم ها، سنتاز نیز می تواند در جهت دیگر عمل کند و ATP را تجزیه کند. این فرآیند یک موتور داخلی را به حرکت در می‌آورد که بخش‌های متحرک قطعه غشا را از طریق یک شفت به حرکت در می‌آورد. این به نوبه خود منجر به پمپاژ یون های هیدروژن از میتوکندری می شود. بنابراین، پمپ به صورت الکتریکی هدایت می شود. معجزه مولکولی طبیعت

در مرز…

... بین سلول و محیط یک غشای سلولی وجود دارد که نظم درونی را از هرج و مرج دنیای بیرون جدا می کند. از یک لایه دوگانه مولکول تشکیل شده است که بخش های آبدوست ("عاشق آب") به سمت بیرون و بخش های آبگریز ("اجتناب از آب") به سمت یکدیگر هستند. غشاء همچنین حاوی بسیاری از مولکول های پروتئین است. بدن باید با محیط در تماس باشد: مواد مورد نیاز خود را جذب کرده و مواد زائد را آزاد می کند. برخی از ترکیبات شیمیایی با مولکول های کوچک (مثلاً آب) می توانند با توجه به گرادیان غلظت در هر دو جهت از غشاء عبور کنند. انتشار دیگران دشوار است و خود سلول جذب آنها را تنظیم می کند. علاوه بر این، ماشین های سلولی برای انتقال استفاده می شود - نوار نقاله و کانال های یونی.

نوار نقاله یک یون یا مولکول را متصل می کند و سپس با آن به سمت دیگر غشاء حرکت می کند (زمانی که خود غشاء کوچک است) یا - وقتی از کل غشاء عبور می کند - ذره جمع آوری شده را حرکت داده و در انتهای دیگر آن را آزاد می کند. البته، نوار نقاله ها به هر دو صورت کار می کنند و بسیار "سرسخت" هستند - آنها اغلب فقط یک نوع ماده را حمل می کنند. کانال های یونی اثر کاری مشابهی را نشان می دهند، اما مکانیسم متفاوتی دارند. آنها را می توان با یک فیلتر مقایسه کرد. حمل و نقل از طریق کانال های یونی معمولاً از یک گرادیان غلظت پیروی می کند (غلظت های یونی بالاتر به پایین تر تا زمانی که سطح آنها از بین برود). از سوی دیگر مکانیسم های درون سلولی باز و بسته شدن معابر را تنظیم می کنند. کانال های یونی نیز گزینش پذیری بالایی برای عبور ذرات از خود نشان می دهند.

کانال یونی (سمت چپ) و خطوط لوله در حال کار

تاژک باکتریایی یک مکانیسم محرک واقعی است

ماشین مولکولی جالب دیگری در غشای سلولی وجود دارد - محرک تاژک که حرکت فعال باکتری ها را تضمین می کند. این یک موتور پروتئینی است که از دو قسمت تشکیل شده است: یک قسمت ثابت (استاتور) و یک قسمت چرخان (روتور). حرکت در اثر جریان یون هیدروژن از غشاء به داخل سلول ایجاد می شود. آنها وارد کانال در استاتور و بیشتر وارد قسمت دیستال می شوند که در روتور قرار دارد. برای ورود به داخل سلول، یون های هیدروژن باید راه خود را به بخش بعدی کانال که دوباره در استاتور است پیدا کنند. با این حال، روتور باید بچرخد تا کانال ها همگرا شوند. انتهای روتور که از قفس بیرون زده است، منحنی است، یک تاژک انعطاف پذیر به آن متصل است و مانند یک پروانه هلیکوپتر می چرخد.

من معتقدم که این بررسی اجمالی لزوماً از مکانیسم سلولی روشن خواهد کرد که طرح های برنده جایزه نوبل، بدون اینکه از دستاوردهای آنها کم شود، هنوز از کمال آفریده های تکامل فاصله دارد.