Cell vélar

Árið 2016 voru Nóbelsverðlaunin í efnafræði veitt fyrir glæsilegan árangur - myndun sameinda sem virka sem vélræn tæki. Hins vegar er ekki hægt að segja að hugmyndin um að búa til smávélar sé frumleg mannleg hugmynd. Og að þessu sinni var náttúran fyrst.

Hinar verðlaunuðu sameindavélar (nánar um þær í greininni úr janúarhefti MT) eru fyrsta skrefið í átt að nýrri tækni sem gæti brátt snúið lífi okkar á hvolf. En líkamar allra lífvera eru fullir af nanóskala aðferðum sem halda frumum í starfi á skilvirkan hátt.

Í miðjunni…

... frumur innihalda kjarna og erfðaupplýsingar eru geymdar í honum (bakteríur hafa ekki sérstakan kjarna). DNA sameindin sjálf er mögnuð - hún samanstendur af meira en 6 milljörðum frumefna (kirni: köfnunarefnisbasi + deoxýríbósasykur + fosfórsýruleifar), sem myndar þræði með heildarlengd um það bil 2 metra. Og við erum ekki meistarar í þessum efnum, vegna þess að það eru lífverur sem DNA samanstendur af hundruðum milljarða núkleótíða. Til þess að svona risastór sameind komist inn í kjarnann, ósýnilega með berum augum, eru DNA þræðir snúnir saman í helix (tvöfaldur helix) og vafið utan um sérstök prótein sem kallast histon. Hólfið hefur sérstakt sett af vélum til að vinna með þennan gagnagrunn.

Þú verður stöðugt að nota upplýsingarnar sem eru í DNA: lestu raðirnar sem kóða fyrir próteinin sem þú þarft núna (umritun) og afritaðu allan gagnagrunninn af og til til að skipta frumunni (afritun). Hvert þessara skrefa felur í sér að afhjúpa helix kirna. Fyrir þessa virkni er helicasa ensímið notað, sem hreyfist í spíral og - eins og fleygur - skiptir því í aðskilda þræði (allt líkist þetta eldingum). Ensímið virkar vegna orkunnar sem losnar við niðurbrot á alhliða orkubera frumunnar - ATP (adenósín þrífosfat).

Líkan af ATP sameindinni. Festing og losun fosfatleifa (vinstri) veita orkuskipti í frumuefnahvörfum.

Nú getur þú byrjað að afrita keðjubrot, sem RNA-pólýmerasi gerir, einnig knúið áfram af orkunni sem er í ATP. Ensímið hreyfist meðfram DNA strengnum og myndar svæði RNA (inniheldur sykur, ríbósa í stað deoxýríbósa), sem er sniðmátið sem prótein eru mynduð á. Fyrir vikið er DNA varðveitt (forðast stöðuga upprifjun og lestur á brotum) og að auki geta prótein orðið til um alla frumuna, ekki bara í kjarnanum.

Næstum villulaust eintak fæst með DNA pólýmerasi, sem virkar svipað og RNA pólýmerasi. Ensímið hreyfist eftir þræðinum og byggir upp hliðstæðu sína. Þegar önnur sameind þessa ensíms hreyfist meðfram öðrum strengnum verður niðurstaðan tveir heilir DNA-þræðir. Ensímið þarf nokkra „hjálpara“ til að byrja að afrita, binda saman brot og fjarlægja óþarfa húðslit. Hins vegar hefur DNA pólýmerasi "framleiðslugalla". Það getur aðeins farið í eina átt. Afritunar krefst þess að búið sé til svokallaðan ræsi, sem raunveruleg afritun hefst frá. Þegar því er lokið eru primerarnir fjarlægðir og þar sem pólýmerasinn hefur ekkert varaefni styttist hann með hverju DNA eintaki. Á endum þráðsins eru hlífðarbrot sem kallast telómer sem kóða ekki fyrir nein prótein. Eftir neyslu þeirra (hjá mönnum, eftir u.þ.b. 50 endurtekningar) haldast litningarnir saman og eru lesnir með villum, sem veldur frumudauða eða umbreytingu hans í krabbamein. Þannig er tími lífs okkar mældur með telómera klukkunni.

Til að afrita DNA þarf mörg ensím til að vinna saman.

Sameind á stærð við DNA verður fyrir varanlegum skaða. Annar hópur ensíma, sem einnig virkar sem sérhæfðar vélar, fjallar um bilanaleit. Útskýring á hlutverki þeirra hlaut efnafræðiverðlaunin 2015 (fyrir frekari upplýsingar sjá janúar 2016 grein).

Inni í…

… frumur hafa umfrymi - sviflausn af íhlutum sem fylla þær ýmsum mikilvægum hlutverkum. Allt umfrymið er þakið neti próteinbygginga sem mynda frumubeinagrindina. Samdráttarörtrefjarnar gera frumunni kleift að breyta lögun sinni, gera henni kleift að skríða og hreyfa innri frumulíffæri. Í frumubeinagrindinni eru einnig örpíplar, þ.e. rör úr próteinum. Þetta eru frekar stífir þættir (hol rör er alltaf stífari en ein stöng með sama þvermál) sem mynda frumu og sumar óvenjulegustu sameindavélarnar hreyfast eftir þeim - gangandi prótein (bókstaflega!).

Örpíplur hafa rafhlaðna enda. Prótein sem kallast dyneín færast í átt að neikvæða brotinu en kinesín í gagnstæða átt. Þökk sé orkunni sem losnar við niðurbrot ATP breytist lögun gangpróteina (einnig þekkt sem hreyfi- eða flutningsprótein) í hringrásum, sem gerir þeim kleift að hreyfast eins og önd yfir yfirborð örpípla. Sameindir eru búnar próteini "þráði" sem önnur stór sameind eða kúla fyllt með úrgangsefnum getur fest sig við enda hans. Allt þetta líkist vélmenni, sem sveiflast og dregur blöðru í band. Veltandi prótein flytja nauðsynleg efni á rétta staði í frumunni og færa innri hluti hennar.

Næstum öllum viðbrögðum sem eiga sér stað í frumunni er stjórnað af ensímum, án þeirra myndu þessar breytingar nánast aldrei eiga sér stað. Ensím eru hvatar sem virka eins og sérhæfðar vélar til að gera eitt (mjög oft flýta þeir bara fyrir einu tilteknu viðbragði). Þeir fanga hvarfefni umbreytingarinnar, raða þeim á viðeigandi hátt hvert við annað og eftir lok ferlisins losa þeir vörurnar og byrja aftur að vinna. Sambandið við iðnaðarvélmenni sem framkvæmir endalaust endurteknar aðgerðir er algjörlega satt.

Sameindir innanfrumuorkuberans myndast sem aukaafurð röð efnahvarfa. Hins vegar er aðaluppspretta ATP verk flóknasta kerfis frumunnar - ATP synthasa. Stærsti fjöldi sameinda þessa ensíms er staðsettur í hvatberum, sem virka sem frumu "virkjanir".

ATP synthasi - efst: fastur hluti

í himnu, drifskaft, ábyrgt brot

fyrir ATP myndun

Í líffræðilegri oxunarferli eru vetnisjónir fluttar innan frá einstökum hlutum hvatberanna út á við, sem skapar halla þeirra (styrkmismunur) beggja vegna hvatberahimnunnar. Þetta ástand er óstöðugt og það er eðlileg tilhneiging til að styrkurinn jafnist, sem er það sem ATP synthasi nýtir sér. Ensímið samanstendur af nokkrum hreyfanlegum og föstum hlutum. Brot með rásum er fest í himnunni sem vetnisjónir úr umhverfinu komast í gegnum inn í hvatberana. Skipulagsbreytingar af völdum hreyfingar þeirra snúa öðrum hluta ensímsins - aflangt frumefni sem virkar sem drifskaft. Á hinum enda stöngarinnar, inni í hvatberanum, er annar hluti kerfisins festur við hann. Snúningur skaftsins veldur snúningi innra brotsins, sem - í sumum stöðum þess - hvarfefni ATP-myndandi hvarfsins eru fest við, og síðan - í öðrum stöðum snúningsins - fullunnið háorkuefnasambandið. sleppt.

Og að þessu sinni er ekki erfitt að finna hliðstæðu í heimi mannlegrar tækni. Bara rafmagnsframleiðsla. Flæði vetnisjóna gerir það að verkum að frumefnin hreyfast inni í sameindamótornum sem er óhreyfður í himnunni, eins og blöð túrbínu sem knúin er áfram af vatnsgufu. Skaftið flytur drifið í hið raunverulega ATP kynslóðarkerfi. Eins og flest ensím getur syntasi einnig virkað í hina áttina og brotið niður ATP. Þetta ferli setur innri mótor af stað sem knýr hreyfanlega hluta himnubrotsins í gegnum skaft. Þetta leiðir aftur til þess að vetnisjónir dælast út úr hvatberum. Þannig að dælan er rafdrifin. Sameindakraftaverk náttúrunnar.

Til landamæranna...

... Milli frumunnar og umhverfisins er frumuhimna sem aðskilur innri skipan frá glundroða ytri heimsins. Það samanstendur af tvöföldu lagi af sameindum, með vatnssæknu ("vatnselskandi") hlutunum út á við og vatnsfælin ("vatns-forðast") hlutunum í átt að hvor öðrum. Himnan inniheldur einnig margar próteinsameindir. Líkaminn þarf að komast í snertingu við umhverfið: gleypa þau efni sem hann þarfnast og losa úrgang. Sum efnasambönd með litlar sameindir (til dæmis vatn) geta farið í gegnum himnuna í báðar áttir í samræmi við styrkleikastigann. Dreifing annarra er erfið og fruman stjórnar sjálf frásogi þeirra. Ennfremur eru farsímavélar notaðar til flutnings - færibönd og jónagöng.

Færibandið bindur jón eða sameind og færist síðan með henni yfir á hina hlið himnunnar (þegar himnan sjálf er lítil) eða - þegar hún fer í gegnum alla himnuna - færir safnaða ögnina og losar hana á hinum endanum. Auðvitað virka færibönd á báða vegu og eru mjög "fínicky" - þeir flytja oft aðeins eina tegund af efni. Jónarásir sýna svipuð verkunaráhrif, en öðruvísi vélbúnaður. Það má líkja þeim við síu. Flutningur um jónagöng fylgir almennt styrkleikahalla (hærri til lægri jónastyrkur þar til þau jafnast). Aftur á móti stjórna innanfrumukerfi opnun og lokun ganganna. Jónagöngurnar sýna einnig mikla sértækni fyrir agnir að fara í gegnum.

Jónarás (vinstri) og leiðslur í gangi

Bakteríuflagillinn er sannkallaður drifbúnaður

Það er önnur áhugaverð sameindavél í frumuhimnunni - flagellum drifið, sem tryggir virka hreyfingu baktería. Þetta er próteinvél sem samanstendur af tveimur hlutum: föstum hluta (stator) og snúningshluta (snúning). Hreyfing stafar af flæði vetnisjóna frá himnunni inn í frumuna. Þeir fara inn í rásina í statornum og lengra inn í fjarlæga hlutann, sem er staðsettur í snúningnum. Til að komast inn í frumuna þurfa vetnisjónir að komast í næsta hluta rásarinnar sem er aftur í statornum. Hins vegar verður snúningurinn að snúast til þess að rásirnar nái saman. Endi snúningsins, sem skagar út fyrir búrið, er sveigður, sveigjanlegur flagellur festur við hann sem snýst eins og þyrluskrúfa.

Ég tel að þetta nauðsynlega stutta yfirlit yfir frumukerfið muni gera það ljóst að sigurhönnun Nóbelsverðlaunahafa, án þess að draga úr afrekum þeirra, eru enn langt frá því að vera fullkomnuð í sköpunarverkum þróunarinnar.