Жасушалық машиналар

2016 жылы химия бойынша Нобель сыйлығы әсерлі жетістік – механикалық құрылғылар ретінде әрекет ететін молекулалардың синтезі үшін берілді. Дегенмен, миниатюралық машиналарды жасау идеясы адамның түпнұсқа идеясы деп айтуға болмайды. Ал бұл жолы табиғат бірінші болды.

Марапатталған молекулалық машиналар (олар туралы толығырақ МТ-ның қаңтар айындағы мақаласында) біздің өмірімізді жақын арада түбегейлі өзгертуі мүмкін жаңа технологияға алғашқы қадам болып табылады. Бірақ барлық тірі ағзалардың денесі жасушалардың тиімді жұмыс істеуін қамтамасыз ететін наноөлшемді механизмдерге толы.

Ортада…

... жасушаларда ядро ​​болады, ал генетикалық ақпарат онда сақталады (бактериялардың жеке ядросы болмайды). ДНҚ молекуласының өзі таң қалдырады – ол 6 миллиардтан астам элементтерден тұрады (нуклеотидтер: азотты негіз + дезоксирибоза қант + фосфор қышқылының қалдығы), жалпы ұзындығы шамамен 2 метр жіптерді құрайды. Ал біз бұл жағынан чемпион емеспіз, өйткені ДНҚ-сы жүздеген миллиард нуклеотидтерден тұратын организмдер бар. Көзге көрінбейтін осындай алып молекуланың ядроға қонуы үшін ДНҚ жіптері бір-бірімен бұралған (қос спираль) және гистондар деп аталатын арнайы белоктардың айналасына оралған. Ұяшықта осы деректер қорымен жұмыс істеу үшін арнайы машиналар жинағы бар.

Сіз ДНҚ-дағы ақпаратты үнемі пайдалануыңыз керек: қазіргі уақытта қажет ақуыздарды кодтайтын тізбектерді оқып шығыңыз (транскрипция) және жасушаны бөлу (репликация) үшін мезгіл-мезгіл бүкіл дерекқорды көшіріп алыңыз. Бұл қадамдардың әрқайсысы нуклеотидтердің спиральін ашуды қамтиды. Бұл белсенділік үшін спираль түрінде қозғалатын және - сына тәрізді - оны бөлек жіптерге бөлетін (бұның бәрі найзағайға ұқсайды) геликаз ферменті қолданылады. Фермент жасушаның әмбебап энергия тасымалдаушысы - АТФ (аденозинтрифосфат) ыдырауы нәтижесінде бөлінетін энергия есебінен жұмыс істейді.

АТФ молекуласының моделі. Фосфат қалдықтарының қосылуы және бөлінуі (сол жақта) жасушалық химиялық реакцияларда энергия алмасуды қамтамасыз етеді.

Енді сіз АТФ құрамындағы энергиямен басқарылатын РНҚ полимераза жасайтын тізбек фрагменттерін көшіруді бастай аласыз. Фермент ДНҚ тізбегі бойымен қозғалады және белоктар синтезделетін шаблон болып табылатын РНҚ аймағын (құрамында қант, дезоксирибозаның орнына рибоза) құрайды. Нәтижесінде ДНҚ сақталады (үздіктердің үзілуін және оқылуын болдырмайды), сонымен қатар, ақуыздар тек ядрода ғана емес, бүкіл жасушада жасалуы мүмкін.

Қатесіз дерлік көшірмені РНҚ полимеразасына ұқсас әрекет ететін ДНҚ-полимераза қамтамасыз етеді. Фермент жіп бойымен қозғалады және оның аналогын түзеді. Бұл ферменттің басқа молекуласы екінші тізбек бойымен қозғалғанда, нәтижесінде ДНҚ-ның екі толық тізбегі пайда болады. Көшіруді бастау, фрагменттерді біріктіру және қажетсіз созылу белгілерін жою үшін ферментке бірнеше «көмекші» қажет. Дегенмен, ДНҚ-полимеразада «өндірістік ақау» бар. Ол тек бір бағытта қозғала алады. Көшіру нақты көшіру басталатын стартер деп аталатынды жасауды талап етеді. Аяқтағаннан кейін праймерлер жойылады және полимеразаның резервтік көшірмесі болмағандықтан, ол әрбір ДНҚ көшірмесімен қысқарады. Жіптің ұштарында теломерлер деп аталатын қорғаныш фрагменттері бар, олар ешқандай ақуызды кодтамайды. Оларды тұтынудан кейін (адамда, шамамен 50 қайталаудан кейін) хромосомалар бір-біріне жабысып, қателермен оқылады, бұл жасуша өліміне немесе оның қатерлі ісікке айналуына әкеледі. Осылайша, біздің өміріміздің уақыты теломерлік сағатпен өлшенеді.

ДНҚ-ны көшіру көптеген ферменттердің бірге жұмыс істеуін талап етеді.

ДНҚ көлеміндегі молекула тұрақты зақымдануға ұшырайды. Арнайы машиналар ретінде әрекет ететін басқа ферменттер тобы ақауларды жоюмен айналысады. Олардың рөлін түсіндіру 2015 жылғы химия сыйлығымен марапатталды (қосымша ақпаратты 2016 жылғы қаңтардағы мақаланы қараңыз).

Ішінде…

... жасушалардың цитоплазмасы бар - оларды әртүрлі өмірлік қызметтермен толтыратын компоненттер суспензиясы. Бүкіл цитоплазма цитоскелетті құрайтын белок құрылымдарының желісімен жабылған. Жиырылатын микроталшықтар жасушаның пішінін өзгертуге мүмкіндік береді, бұл оның ішкі органоидтарын жылжытуға және жылжытуға мүмкіндік береді. Цитоскелет микротүтікшелерді де қамтиды, яғни. белоктардан жасалған түтіктер. Бұл өте қатты элементтер (қуыс түтік әрқашан бірдей диаметрлі бір таяқшадан қаттырақ) жасушаны құрайды және олардың бойымен ең ерекше молекулалық машиналар қозғалады - жүретін ақуыздар (сөзбе-сөз!).

Микротүтікшелердің ұштары электрлік зарядталған. Динеиндер деп аталатын белоктар теріс фрагментке қарай жылжиды, ал кинезиндер қарама-қарсы бағытта қозғалады. АТФ ыдырауынан бөлінетін энергияның арқасында жүретін белоктардың пішіні (қозғалтқыш немесе көлік белоктары деп те аталады) циклдар бойынша өзгеріп, олардың микротүтікшелердің бетінде үйрек сияқты қозғалуына мүмкіндік береді. Молекулалар ақуыз «жіпімен» жабдықталған, оның соңына басқа үлкен молекула немесе қалдықтармен толтырылған көпіршік жабысып қалуы мүмкін. Мұның бәрі теңселіп шарды жіппен тартып алатын роботқа ұқсайды. Домалаушы белоктар қажетті заттарды жасушаның керек жерлеріне тасымалдап, оның ішкі компоненттерін жылжытады.

Жасушада болатын барлық дерлік реакциялар ферменттер арқылы басқарылады, оларсыз бұл өзгерістер ешқашан дерлік болмайды. Ферменттер бір нәрсені орындау үшін арнайы машиналар сияқты әрекет ететін катализаторлар (көбінесе олар тек бір реакцияны жылдамдатады). Олар трансформация субстраттарын басып алады, оларды бір-біріне сәйкес орналастырады және процесс аяқталғаннан кейін олар өнімдерді босатып, қайтадан жұмыс істей бастайды. Үздіксіз қайталанатын әрекеттерді орындайтын өнеркәсіптік роботпен байланыс мүлдем дұрыс.

Жасуша ішілік энергия тасымалдаушысының молекулалары химиялық реакциялар қатарының жанама өнімі ретінде түзіледі. Алайда АТФ-ның негізгі көзі жасушаның ең күрделі механизмі – АТФ синтазасының жұмысы болып табылады. Бұл ферменттің молекулаларының ең көп саны жасушалық «электр станциялары» қызметін атқаратын митохондрияларда орналасқан.

АТФ синтаза - жоғарғы: қозғалмайтын бөлік

мембранада, жетек білігінде, жауапты фрагментте

АТФ синтезі үшін

Биологиялық тотығу процесінде сутегі иондары митохондриялардың жеке бөлімдерінің ішінен сыртқа тасымалданады, бұл олардың митохондрия мембранасының екі жағында градиент (концентрация айырмашылығы) жасайды. Бұл жағдай тұрақсыз және концентрациялардың теңестіруінің табиғи үрдісі бар, бұл ATP синтазасының артықшылығын пайдаланады. Фермент бірнеше қозғалатын және қозғалмайтын бөліктерден тұрады. Мембранада арналары бар фрагмент бекітіледі, ол арқылы қоршаған ортадан сутегі иондары митохондрияға енеді. Олардың қозғалысы нәтижесінде пайда болатын құрылымдық өзгерістер ферменттің басқа бөлігін – жетек білігінің қызметін атқаратын ұзартылған элементті айналдырады. Таяқшаның екінші ұшында митохондрия ішінде оған жүйенің тағы бір бөлігі бекітілген. Біліктің айналуы ішкі фрагменттің айналуын тудырады, оған оның кейбір позицияларында АТФ түзетін реакцияның субстраттары, содан кейін ротордың басқа позицияларында дайын жоғары энергиялық қосылыс бекітіледі. . босатылған.

Ал бұл жолы адамдық технология әлемінен ұқсастық табу қиын емес. Жай ғана электр генераторы. Сутегі иондарының ағыны элементтерді су буының ағынымен қозғалатын турбинаның қалақтары сияқты мембранада қозғалмайтын молекулалық қозғалтқыштың ішінде жылжытады. Білік жетекті нақты ATP генерациялау жүйесіне береді. Көптеген ферменттер сияқты синтаза да басқа бағытта әрекет етіп, АТФ-ны ыдыратуы мүмкін. Бұл процесс мембраналық фрагменттің қозғалатын бөліктерін білік арқылы жүргізетін ішкі қозғалтқышты қозғалысқа келтіреді. Бұл, өз кезегінде, митохондриялардан сутегі иондарының сорылуына әкеледі. Сонымен, сорғы электрлік жетекпен жұмыс істейді. Табиғаттың молекулалық кереметі.

Шекарада…

...Жасуша мен қоршаған ортаның арасында ішкі тәртіпті сыртқы дүниенің хаосынан ажырататын жасушалық қабықша бар. Ол гидрофильді («суды жақсы көретін») бөліктері сыртқа және гидрофобты («судан аулақ») бөліктері бір-біріне қарайтын қос қабат молекулалардан тұрады. Сондай-ақ мембранада көптеген ақуыз молекулалары бар. Дене қоршаған ортамен байланыста болуы керек: өзіне қажетті заттарды сіңіріп, қалдықтарды шығарады. Кішкентай молекулалары бар кейбір химиялық қосылыстар (мысалы, су) концентрация градиентіне сәйкес мембрана арқылы екі бағытта да өте алады. Басқалардың диффузиясы қиын, ал олардың сіңуін жасуша өзі реттейді. Әрі қарай, тасымалдау үшін ұялы машиналар қолданылады - конвейерлер мен иондық арналар.

Конвейер ионды немесе молекуланы байланыстырады, содан кейін онымен мембрананың екінші жағына (мембрананың өзі кішкентай болғанда) қозғалады немесе - ол бүкіл мембрана арқылы өткенде - жиналған бөлшекті жылжытады және оны екінші ұшына шығарады. Әрине, конвейерлер екі жолмен де жұмыс істейді және өте «қатты» - олар көбінесе бір ғана зат түрін тасымалдайды. Иондық арналар ұқсас жұмыс әсерін көрсетеді, бірақ басқа механизм. Оларды фильтрмен салыстыруға болады. Иондық арналар арқылы тасымалдау әдетте концентрация градиентін (жоғарыдан төмен ион концентрациялары деңгейге жеткенше) бақылайды. Екінші жағынан, жасушаішілік механизмдер өту жолдарының ашылуы мен жабылуын реттейді. Иондық арналар бөлшектердің өтуі үшін жоғары селективтілікті көрсетеді.

Иондық арна (сол жақта) және жұмыс істеп тұрған құбырлар

Бактериялық жгутика нағыз қозғаушы механизм болып табылады

Жасуша мембранасында тағы бір қызықты молекулалық машина бар - бактериялардың белсенді қозғалысын қамтамасыз ететін флагельді жетек. Бұл екі бөліктен тұратын ақуыз қозғалтқышы: қозғалмайтын бөлік (статор) және айналмалы бөлік (ротор). Қозғалыс сутегі иондарының мембранадан жасушаға түсуінен туындайды. Олар статордағы арнаға және одан әрі роторда орналасқан дистальды бөлікке енеді. Жасушаның ішіне ену үшін сутегі иондары қайтадан статорда орналасқан арнаның келесі бөлігіне жол табуы керек. Дегенмен, арналар біріктірілуі үшін ротор айналуы керек. Ротордың тордан шығып тұрған ұшы қисық, оған тікұшақ винті сияқты айналатын икемді жгутика бекітілген.

Менің ойымша, бұл ұялы механизмнің қысқаша шолуы Нобель сыйлығының лауреаттарының жеңімпаз дизайндары, олардың жетістіктерін төмендетпестен, эволюция туындыларының кемелдігінен әлі де алыс екенін көрсетеді деп ойлаймын.