Rakumasinad

2016. aastal anti Nobeli keemiaauhind muljetavaldava saavutuse – mehaaniliste seadmetena toimivate molekulide sünteesi eest. Siiski ei saa öelda, et miniatuursete masinate loomise idee oleks inimese algne idee. Ja seekord oli loodus esikohal.

Auhinnatud molekulaarmasinad (nende kohta lähemalt MT jaanuarinumbri artiklis) on esimene samm uue tehnoloogia poole, mis võib peagi meie elu pea peale pöörata. Kuid kõigi elusorganismide kehad on täis nanomõõtmelisi mehhanisme, mis hoiavad rakke tõhusalt toimimas.

Keskel…

... rakud sisaldavad tuuma, millesse talletub geneetiline informatsioon (bakteritel ei ole eraldi tuuma). DNA molekul ise on hämmastav – see koosneb enam kui 6 miljardist elemendist (nukleotiidid: lämmastikalus + desoksüriboossuhkur + fosforhappejääk), moodustades niite kogupikkusega umbes 2 meetrit. Ja me ei ole selles osas meistrid, sest on organisme, mille DNA koosneb sadadest miljarditest nukleotiididest. Selleks, et selline hiiglaslik molekul palja silmaga nähtamatusse tuuma ära mahuks, keeratakse DNA ahelad kokku heeliksiks (topeltheeliksiks) ja mähitakse ümber spetsiaalsete valkude, mida nimetatakse histoonideks. Lahtril on selle andmebaasiga töötamiseks spetsiaalne masinate komplekt.

Peate pidevalt kasutama DNA-s sisalduvat teavet: lugema järjestusi, mis kodeerivad teile parasjagu vajalikke valke (transkriptsioon), ja kopeerige aeg-ajalt kogu andmebaas, et rakk jagada (replikatsioon). Kõik need etapid hõlmavad nukleotiidide heeliksi lahtiharutamist. Selle tegevuse jaoks kasutatakse helikaasi ensüümi, mis liigub spiraalselt ja jagab selle - nagu kiil - eraldi lõimedeks (kõik see meenutab välku). Ensüüm töötab tänu raku universaalse energiakandja – ATP (adenosiintrifosfaadi) – lagunemise tulemusena vabanevale energiale.

ATP molekuli mudel. Fosfaadijääkide kinnitumine ja eraldumine (vasakul) tagab energiavahetuse raku keemilistes reaktsioonides.

Nüüd saate alustada ahela fragmentide kopeerimist, mida RNA polümeraas teeb, samuti ajendatuna ATP-s sisalduvast energiast. Ensüüm liigub mööda DNA ahelat ja moodustab RNA piirkonna (sisaldab desoksüriboosi asemel suhkrut, riboosi), mis on matriitsiks, millel sünteesitakse valke. Tänu sellele säilib DNA (vältides pidevat lahtiharutamist ja fragmentide lugemist) ning lisaks saab valke luua kogu rakus, mitte ainult tuumas.

Peaaegu veatu koopia annab DNA polümeraas, mis toimib sarnaselt RNA polümeraasiga. Ensüüm liigub mööda niiti ja loob oma vaste. Kui selle ensüümi teine ​​molekul liigub mööda teist ahelat, on tulemuseks kaks täielikku DNA ahelat. Ensüüm vajab kopeerimise alustamiseks, fragmentide kokku sidumiseks ja tarbetute venitusarmide eemaldamiseks mõnda "abimeest". DNA polümeraasil on aga "tootmisdefekt". See saab liikuda ainult ühes suunas. Replikatsiooniks on vaja luua nn starter, millest algab tegelik kopeerimine. Pärast lõpetamist praimerid eemaldatakse ja kuna polümeraasil pole varukoopiat, lüheneb see iga DNA koopiaga. Niidi otstes on kaitsvad fragmendid, mida nimetatakse telomeerideks, mis ei kodeeri ühtegi valku. Pärast nende tarbimist (inimesel umbes 50 kordust) kleepuvad kromosoomid kokku ja loetakse vigadega, mis põhjustab rakusurma või selle muutumist vähiks. Seega mõõdetakse meie eluaega telomeerse kellaga.

DNA kopeerimine nõuab paljude ensüümide koostöötamiseks.

DNA-suurune molekul saab püsiva kahjustuse. Teine ensüümide rühm, mis toimib ka spetsiaalsete masinatena, tegeleb tõrkeotsinguga. Nende rolli selgitamine pälvis 2015. aasta keemiaauhinna (vt lisateavet 2016. aasta jaanuari artiklist).

Sees…

… rakkudel on tsütoplasma – komponentide suspensioon, mis täidavad neid erinevate elutähtsate funktsioonidega. Kogu tsütoplasma on kaetud valgustruktuuride võrgustikuga, mis moodustavad tsütoskeleti. Kokkutõmbuvad mikrokiud võimaldavad rakul oma kuju muuta, võimaldades tal roomata ja liigutada oma siseorganelle. Tsütoskelett sisaldab ka mikrotuubuleid, st. valkudest valmistatud torud. Need on üsna jäigad elemendid (õõnes toru on alati jäigem kui üks sama läbimõõduga varras), mis moodustavad raku ja mööda neid liiguvad mõned kõige ebatavalisemad molekulaarmasinad – kõndivad valgud (sõna otseses mõttes!).

Mikrotuubulitel on elektriliselt laetud otsad. Düneiinideks nimetatud valgud liiguvad negatiivse fragmendi poole, kinesiinid aga vastupidises suunas. Tänu ATP lagunemisel vabanevale energiale muutub kõnnivalkude (tuntud ka kui motoorsete või transportvalkude) kuju tsüklite kaupa, võimaldades neil pardil liikuda mööda mikrotuubulite pinda. Molekulid on varustatud valgu "niidiga", mille otsa saab kleepuda mõni teine ​​suur molekul või jääkainetega täidetud mull. Kõik see meenutab robotit, mis õõtsudes tõmbab nöörist õhupalli. Veerevad valgud transpordivad vajalikud ained rakus õigetesse kohtadesse ja liigutavad selle sisemisi komponente.

Peaaegu kõiki rakus toimuvaid reaktsioone kontrollivad ensüümid, ilma milleta neid muutusi peaaegu kunagi ei toimuks. Ensüümid on katalüsaatorid, mis toimivad nagu spetsiaalsed masinad ühe asja tegemiseks (väga sageli kiirendavad nad ainult ühte konkreetset reaktsiooni). Nad hõivavad transformatsiooni substraadid, paigutavad need üksteisega sobivalt ja pärast protsessi lõppu vabastavad tooted ja hakkavad uuesti tööle. Seos lõputult korduvaid toiminguid sooritava tööstusrobotiga on täiesti tõsi.

Intratsellulaarse energiakandja molekulid tekivad keemiliste reaktsioonide jada kõrvalsaadusena. Peamiseks ATP allikaks on aga raku kõige keerulisema mehhanismi – ATP süntaasi – töö. Suurim hulk selle ensüümi molekule asub mitokondrites, mis toimivad rakuliste "jõujaamadena".

ATP süntaas – ülemine: fikseeritud osa

membraanis, veovõll, vastutav fragment

ATP sünteesi jaoks

Bioloogilise oksüdatsiooni käigus transporditakse vesinikuioonid mitokondrite üksikute osade seest väljapoole, mis tekitab nende gradiendi (kontsentratsiooni erinevus) mitokondriaalse membraani mõlemal küljel. See olukord on ebastabiilne ja kontsentratsioonide loomulik kalduvus ühtlustada, mida ATP süntaas ära kasutab. Ensüüm koosneb mitmest liikuvast ja fikseeritud osast. Membraanis on fikseeritud kanalitega fragment, mille kaudu saavad keskkonnast pärit vesinikuioonid tungida mitokondritesse. Nende liikumisest tingitud struktuurimuutused panevad pöörlema ​​ensüümi teise osa – pikliku elemendi, mis toimib veovõllina. Varda teises otsas, mitokondri sees, on selle külge kinnitatud veel üks osa süsteemist. Võlli pöörlemine põhjustab sisemise fragmendi pöörlemise, mille mõnes asendis kinnituvad ATP-d moodustava reaktsiooni substraadid ja seejärel rootori teistes asendites valmis suure energiaga ühend. . vabastatud.

Ja seekord pole raske leida analoogiat inimtehnoloogia maailmast. Lihtsalt elektrigeneraator. Vesinikuioonide vool paneb elemendid liikuma membraani immobiliseeritud molekulaarses mootoris, nagu veeauru vooluga juhitud turbiini labad. Võll kannab ajami üle tegelikule ATP genereerimissüsteemile. Nagu enamik ensüüme, võib süntaas toimida ka teises suunas ja lagundada ATP-d. See protsess paneb käima sisemise mootori, mis juhib membraanifragmendi liikuvaid osi läbi võlli. See omakorda viib vesinikioonide väljapumpamiseni mitokondritest. Seega on pump elektriajamiga. Looduse molekulaarne ime.

Piiri peal…

... Raku ja keskkonna vahel on rakumembraan, mis eraldab sisemise korra välismaailma kaosest. See koosneb kahekordsest molekulide kihist, mille hüdrofiilsed ("vett armastavad") osad on väljapoole ja hüdrofoobsed ("vett vältivad") osad üksteise poole. Membraan sisaldab ka palju valgu molekule. Keha peab keskkonnaga kokku puutuma: omastama vajalikke aineid ja eraldama jääkaineid. Mõned väikeste molekulidega keemilised ühendid (näiteks vesi) võivad vastavalt kontsentratsioonigradiendile läbida membraani mõlemas suunas. Teiste difusioon on keeruline ja rakk ise reguleerib nende imendumist. Lisaks kasutatakse edastamiseks mobiilseadmeid - konveierid ja ioonkanalid.

Konveier seob iooni või molekuli ja liigub seejärel koos sellega membraani teisele poole (kui membraan ise on väike) või – kui see läbib kogu membraani – liigutab kogutud osakest ja vabastab selle teisest otsast. Loomulikult töötavad konveierid mõlemal viisil ja on väga "peened" - sageli transpordivad nad ainult ühte tüüpi aineid. Ioonkanalitel on sarnane tööefekt, kuid erinev mehhanism. Neid võib võrrelda filtriga. Transport läbi ioonikanalite järgib üldiselt kontsentratsioonigradienti (ioonide kontsentratsioon on suurem kuni madalam, kuni need ühtlustuvad). Teisest küljest reguleerivad rakusisesed mehhanismid läbipääsude avamist ja sulgemist. Ioonikanalitel on ka suur selektiivsus osakeste läbimiseks.

Ioonikanal (vasakul) ja torustikud töökorras

Bakteriaalne flagellum on tõeline edasiviiv mehhanism

Rakumembraanis on veel üks huvitav molekulaarmasin – flagellum drive, mis tagab bakterite aktiivse liikumise. See on valgumootor, mis koosneb kahest osast: fikseeritud osast (staator) ja pöörlevast osast (rootor). Liikumine on põhjustatud vesinikioonide voolust membraanilt rakku. Nad sisenevad kanalisse staatoris ja edasi distaalsesse ossa, mis asub rootoris. Rakku sisenemiseks peavad vesinikuioonid leidma tee kanali järgmisse sektsiooni, mis on jällegi staatoris. Kanalite koondumiseks peab rootor aga pöörlema. Rootori puurist välja ulatuv ots on kõver, selle külge on kinnitatud painduv lipp, mis pöörleb nagu helikopteri propeller.

Usun, et see vältimatult lühike ülevaade rakumehhanismist teeb selgeks, et Nobeli preemia laureaatide võitnud kavandid on nende saavutusi vähendamata siiski kaugel evolutsiooni loomingu täiuslikkusest.