Makinat celulare

Në vitin 2016, çmimi Nobel në Kimi u dha për një arritje mbresëlënëse - sintezën e molekulave që veprojnë si pajisje mekanike. Sidoqoftë, nuk mund të thuhet se ideja e krijimit të makinave në miniaturë është një ide origjinale njerëzore. Dhe këtë herë natyra ishte e para.

Makinat molekulare të vlerësuara (më shumë rreth tyre në artikullin nga botimi i janarit i MT) janë hapi i parë drejt një teknologjie të re që së shpejti mund të na kthejë përmbys jetën. Por trupat e të gjithë organizmave të gjallë janë plot me mekanizma në shkallë nano që i mbajnë qelizat të funksionojnë në mënyrë efikase.

Ne qender…

... qelizat përmbajnë një bërthamë, dhe informacioni gjenetik ruhet në të (bakteret nuk kanë një bërthamë të veçantë). Vetë molekula e ADN-së është e mahnitshme - përbëhet nga më shumë se 6 miliardë elementë (nukleotide: baza azotike + sheqer deoksiriboz + mbetje e acidit fosforik), duke formuar fije me një gjatësi totale prej rreth 2 metrash. Dhe ne nuk jemi kampionë në këtë drejtim, sepse ka organizma ADN-ja e të cilëve përbëhet nga qindra miliarda nukleotide. Në mënyrë që një molekulë e tillë gjigante të futet në bërthamë, e padukshme për syrin e lirë, fijet e ADN-së përdredhen së bashku në një spirale (spiralja e dyfishtë) dhe mbështillen rreth proteinave speciale të quajtura histone. Qeliza ka një grup të veçantë makinash për të punuar me këtë bazë të dhënash.

Ju duhet të përdorni vazhdimisht informacionin që përmban ADN-ja: lexoni sekuencat që kodojnë për proteinat që ju nevojiten aktualisht (transkriptim) dhe kopjoni të gjithë bazën e të dhënave herë pas here për të ndarë qelizën (përsëritje). Secili prej këtyre hapave përfshin zbërthimin e spirales së nukleotideve. Për këtë aktivitet përdoret enzima helikaza, e cila lëviz në spirale dhe - si një pykë - e ndan në fije të veçanta (e gjithë kjo i ngjan rrufesë). Enzima funksionon për shkak të energjisë së çliruar si rezultat i prishjes së bartësit universal të energjisë të qelizës - ATP (adenozinë trifosfat).

Modeli i molekulës ATP. Ngjitja dhe shkëputja e mbetjeve të fosfatit (majtas) siguron shkëmbimin e energjisë në reaksionet kimike qelizore.

Tani mund të filloni të kopjoni fragmente të zinxhirit, gjë që bën ARN polimeraza, e nxitur gjithashtu nga energjia që përmban ATP. Enzima lëviz përgjatë vargut të ADN-së dhe formon një rajon të ARN-së (që përmban sheqer, ribozë në vend të deoksiribozës), e cila është shabllon mbi të cilin sintetizohen proteinat. Si rezultat, ADN-ja ruhet (duke shmangur zbërthimin dhe leximin e vazhdueshëm të fragmenteve), dhe, përveç kësaj, proteinat mund të krijohen në të gjithë qelizën, jo vetëm në bërthamë.

Një kopje pothuajse pa gabime sigurohet nga ADN polimeraza, e cila vepron në mënyrë të ngjashme me ARN polimerazën. Enzima lëviz përgjatë fillit dhe ndërton homologun e saj. Kur një molekulë tjetër e kësaj enzime lëviz përgjatë vargut të dytë, rezultati janë dy vargje të plota të ADN-së. Enzima ka nevojë për disa "ndihmës" për të filluar kopjimin, lidhjen e fragmenteve dhe heqjen e strijave të panevojshme. Megjithatë, ADN polimeraza ka një "defekt prodhues". Mund të lëvizë vetëm në një drejtim. Replikimi kërkon krijimin e të ashtuquajturit starter, nga i cili fillon kopjimi aktual. Pasi të përfundojë, primerët hiqen dhe, duke qenë se polimeraza nuk ka rezervë, ajo shkurtohet me çdo kopje të ADN-së. Në skajet e fillit janë fragmente mbrojtëse të quajtura telomere që nuk kodojnë për asnjë proteinë. Pas konsumimit të tyre (te njerëzit, pas rreth 50 përsëritjesh), kromozomet ngjiten së bashku dhe lexohen me gabime, gjë që shkakton vdekjen e qelizave ose shndërrimin e saj në kancerogjene. Kështu, koha e jetës sonë matet me orën telomerike.

Kopjimi i ADN-së kërkon shumë enzima që të punojnë së bashku.

Një molekulë me madhësi të ADN-së i nënshtrohet dëmtimit të përhershëm. Një grup tjetër enzimash, që veprojnë gjithashtu si makineri të specializuara, merret me zgjidhjen e problemeve. Një shpjegim i rolit të tyre iu dha Çmimin e Kimisë 2015 (për më shumë informacion shihni artikullin e janarit 2016).

Brenda…

… qelizat kanë një citoplazmë - një pezullim përbërësish që i mbushin ato me funksione të ndryshme jetësore. E gjithë citoplazma është e mbuluar me një rrjet strukturash proteinike që përbëjnë citoskeletin. Mikrofibrat kontraktuese lejojnë qelizën të ndryshojë formën e saj, duke e lejuar atë të zvarritet dhe të lëvizë organelet e saj të brendshme. Citoskeleti përfshin edhe mikrotubulat, d.m.th. tuba të bërë nga proteina. Këta janë elementë mjaft të ngurtë (një tub i uritur është gjithmonë më i ngurtë se një shufër e vetme me të njëjtin diametër) që formojnë një qelizë, dhe disa nga makinat molekulare më të pazakonta lëvizin përgjatë tyre - proteinat në këmbë (fjalë për fjalë!).

Mikrotubulat kanë skaje të ngarkuara elektrike. Proteinat e quajtura dyneina lëvizin drejt fragmentit negativ, ndërsa kinesinat lëvizin në drejtim të kundërt. Falë energjisë së çliruar nga shpërbërja e ATP, forma e proteinave në këmbë (të njohura gjithashtu si proteina motorike ose transportuese) ndryshon në cikle, duke i lejuar ato të lëvizin si një rosë nëpër sipërfaqen e mikrotubulave. Molekulat janë të pajisura me një "fije" proteine, në fund të së cilës mund të ngjitet një tjetër molekulë e madhe ose një flluskë e mbushur me produkte të mbeturinave. E gjithë kjo i ngjan një roboti, i cili, duke u lëkundur, tërheq një tullumbace nga një fije. Proteinat rrotulluese transportojnë substancat e nevojshme në vendet e duhura në qelizë dhe lëvizin përbërësit e saj të brendshëm.

Pothuajse të gjitha reaksionet që ndodhin në qelizë kontrollohen nga enzimat, pa të cilat këto ndryshime nuk do të ndodhnin pothuajse kurrë. Enzimat janë katalizatorë që veprojnë si makina të specializuara për të bërë një gjë (shpesh ato përshpejtojnë vetëm një reagim të veçantë). Ata kapin nënshtresat e transformimit, i rregullojnë ato në mënyrë të përshtatshme me njëri-tjetrin dhe pas përfundimit të procesit lëshojnë produktet dhe fillojnë të punojnë përsëri. Lidhja me një robot industrial që kryen veprime pafundësisht të përsëritura është absolutisht e vërtetë.

Molekulat e bartësit të energjisë ndërqelizore formohen si nënprodukt i një sërë reaksionesh kimike. Sidoqoftë, burimi kryesor i ATP është puna e mekanizmit më kompleks të qelizës - ATP sintaza. Numri më i madh i molekulave të kësaj enzime gjendet në mitokondri, të cilat veprojnë si “centralet” qelizore.

ATP sintaza - sipër: pjesë fikse

në membranë, bosht lëvizës, fragment përgjegjës

për sintezën e ATP

Në procesin e oksidimit biologjik, jonet e hidrogjenit transportohen nga pjesa e brendshme e seksioneve individuale të mitokondrisë në pjesën e jashtme, gjë që krijon gradientin e tyre (diferencën e përqendrimit) në të dy anët e membranës mitokondriale. Kjo situatë është e paqëndrueshme dhe ka një tendencë të natyrshme që përqendrimet të barazohen, gjë nga e cila përfiton ATP sintaza. Enzima përbëhet nga disa pjesë të lëvizshme dhe fikse. Një fragment me kanale është fiksuar në membranë, përmes së cilës jonet e hidrogjenit nga mjedisi mund të depërtojnë në mitokondri. Ndryshimet strukturore të shkaktuara nga lëvizja e tyre rrotullojnë një pjesë tjetër të enzimës - një element i zgjatur që vepron si një bosht lëvizës. Në skajin tjetër të shufrës, brenda mitokondriut, një pjesë tjetër e sistemit është ngjitur me të. Rrotullimi i boshtit shkakton rrotullimin e fragmentit të brendshëm, të cilit, në disa nga pozicionet e tij, janë bashkangjitur nënshtresat e reaksionit të formimit ATP, dhe më pas, në pozicionet e tjera të rotorit, një përbërje e gatshme me energji të lartë. . liruar.

Dhe këtë herë nuk është e vështirë të gjesh një analogji në botën e teknologjisë njerëzore. Vetëm një gjenerator të energjisë elektrike. Rrjedha e joneve të hidrogjenit i bën elementët të lëvizin brenda motorit molekular të imobilizuar në membranë, si tehet e një turbine të drejtuar nga një rrymë avulli uji. Boshti e transferon makinën në sistemin aktual të gjenerimit ATP. Ashtu si shumica e enzimave, sintaza gjithashtu mund të veprojë në drejtimin tjetër dhe të shpërbëjë ATP. Ky proces vë në lëvizje një motor të brendshëm i cili drejton pjesët lëvizëse të fragmentit të membranës përmes një boshti. Kjo, nga ana tjetër, çon në pompimin e joneve të hidrogjenit nga mitokondria. Pra, pompa është e drejtuar elektrike. Mrekullia molekulare e natyrës.

Ne kufi…

... Midis qelizës dhe mjedisit ekziston një membranë qelizore që ndan rendin e brendshëm nga kaosi i botës së jashtme. Përbëhet nga një shtresë e dyfishtë molekulash, me pjesët hidrofile ("dashëse të ujit") nga jashtë dhe pjesët hidrofobe ("shmangëse të ujit") drejt njëra-tjetrës. Membrana gjithashtu përmban shumë molekula proteinike. Trupi duhet të bie në kontakt me mjedisin: të thithë substancat që i nevojiten dhe të çlirojë mbetje. Disa komponime kimike me molekula të vogla (për shembull, uji) mund të kalojnë nëpër membranë në të dy drejtimet sipas gradientit të përqendrimit. Difuzioni i të tjerëve është i vështirë dhe vetë qeliza rregullon thithjen e tyre. Më tej, makinat celulare përdoren për transmetim - transportues dhe kanale jonike.

Transportuesi lidh një jon ose molekulë dhe më pas lëviz me të në anën tjetër të membranës (kur vetë membrana është e vogël) ose - kur kalon nëpër të gjithë membranën - lëviz grimcën e mbledhur dhe e lëshon në skajin tjetër. Natyrisht, transportuesit funksionojnë në të dyja drejtimet dhe janë shumë "të pafuqishëm" - ata shpesh transportojnë vetëm një lloj lënde. Kanalet jonike tregojnë një efekt të ngjashëm pune, por një mekanizëm të ndryshëm. Ato mund të krahasohen me një filtër. Transporti përmes kanaleve jonike në përgjithësi ndjek një gradient përqendrimi (përqendrimet më të larta në më të ulëta të joneve derisa ato të rrafshohen). Nga ana tjetër, mekanizmat ndërqelizor rregullojnë hapjen dhe mbylljen e rrugëve. Kanalet jonike shfaqin gjithashtu selektivitet të lartë për kalimin e grimcave.

Kanali jonik (majtas) dhe tubacionet në funksion

Flagelumi bakterial është një mekanizëm i vërtetë lëvizës

Ekziston një makinë tjetër molekulare interesante në membranën qelizore - ngasja e flagjelit, e cila siguron lëvizjen aktive të baktereve. Ky është një motor proteinik i përbërë nga dy pjesë: një pjesë fikse (statori) dhe një pjesë rrotulluese (rotori). Lëvizja shkaktohet nga rrjedha e joneve të hidrogjenit nga membrana në qelizë. Ata hyjnë në kanal në stator dhe më tej në pjesën distale, e cila ndodhet në rotor. Për të hyrë brenda qelizës, jonet e hidrogjenit duhet të gjejnë rrugën e tyre për në seksionin tjetër të kanalit, i cili është përsëri në stator. Sidoqoftë, rotori duhet të rrotullohet në mënyrë që kanalet të konvergojnë. Fundi i rotorit, i zgjatur përtej kafazit, është i lakuar, një flagelum fleksibël është ngjitur në të, duke u rrotulluar si një helikë helikopteri.

Unë besoj se kjo pasqyrë domosdoshmërisht e shkurtër e mekanizmit qelizor do të bëjë të qartë se dizajnet fituese të fituesve të çmimit Nobel, pa u hequr dorë nga arritjet e tyre, janë ende larg përsosmërisë së krijimeve të evolucionit.