Mashine za seli

Mnamo 2016, Tuzo ya Nobel ya Kemia ilitolewa kwa mafanikio ya kuvutia - mchanganyiko wa molekuli zinazofanya kazi kama vifaa vya mitambo. Walakini, haiwezi kusemwa kuwa wazo la kuunda mashine ndogo ni wazo la asili la mwanadamu. Na wakati huu asili ilikuwa ya kwanza.

Mashine za molekuli zilizotunukiwa (zaidi kuzihusu katika makala kutoka toleo la Januari la MT) ni hatua ya kwanza kuelekea teknolojia mpya ambayo inaweza kubadilisha maisha yetu hivi karibuni. Lakini miili ya viumbe vyote hai imejaa mifumo ya nanoscale ambayo huweka seli kufanya kazi kwa ufanisi.

Katikati…

... seli zina kiini, na taarifa za maumbile huhifadhiwa ndani yake (bakteria hawana kiini tofauti). Molekuli ya DNA yenyewe ni ya kushangaza - ina vitu zaidi ya bilioni 6 (nyukleotidi: msingi wa nitrojeni + deoxyribose sukari + mabaki ya asidi ya fosforasi), kutengeneza nyuzi na urefu wa jumla wa mita 2. Na sisi si mabingwa katika suala hili, kwa sababu kuna viumbe ambao DNA ina mamia ya mabilioni ya nucleotides. Ili molekuli kubwa kama hiyo iingie kwenye kiini, isiyoonekana kwa macho, nyuzi za DNA husokota pamoja na kuwa helix (double helix) na kuzungushiwa protini maalum zinazoitwa histones. Seli ina seti maalum ya mashine za kufanya kazi na hifadhidata hii.

Ni lazima utumie mara kwa mara taarifa iliyo katika DNA: soma mfuatano ambao msimbo wa protini unazohitaji kwa sasa (unukuzi), na unakili hifadhidata nzima mara kwa mara ili kugawanya seli (replication). Kila moja ya hatua hizi inahusisha kufunua helix ya nucleotides. Kwa shughuli hii, enzyme ya helicase hutumiwa, ambayo husogea kwa ond na - kama kabari - huigawanya katika nyuzi tofauti (yote haya yanafanana na umeme). Enzyme hufanya kazi kwa sababu ya nishati iliyotolewa kama matokeo ya kuvunjika kwa mtoaji wa nishati ya seli - ATP (adenosine triphosphate).

Mfano wa molekuli ya ATP. Kiambatisho na kizuizi cha mabaki ya fosfeti (kushoto) hutoa ubadilishanaji wa nishati katika athari za kemikali za seli.

Sasa unaweza kuanza kunakili vipande vya mnyororo, ambavyo RNA polymerase hufanya, pia inaendeshwa na nishati iliyo katika ATP. Kimeng’enya husogea kando ya uzi wa DNA na kuunda eneo la RNA (iliyo na sukari, ribose badala ya deoxyribose), ambayo ni kiolezo ambacho protini huundwa. Matokeo yake, DNA imehifadhiwa (kuepuka kufunua mara kwa mara na kusoma kwa vipande), na, kwa kuongeza, protini zinaweza kuundwa katika kiini, si tu kwenye kiini.

Nakala karibu isiyo na hitilafu hutolewa na DNA polymerase, ambayo hufanya kazi sawa na RNA polymerase. Enzyme husogea kando ya uzi na kuunda mwenzake. Molekuli nyingine ya kimeng’enya hiki inaposonga kwenye uzi wa pili, tokeo ni nyuzi mbili kamili za DNA. Kimeng'enya kinahitaji "wasaidizi" wachache ili kuanza kunakili, kuunganisha vipande pamoja, na kuondoa alama za kunyoosha zisizo za lazima. Walakini, polymerase ya DNA ina "kasoro ya utengenezaji". Inaweza tu kusonga katika mwelekeo mmoja. Kuiga kunahitaji uundaji wa kinachojulikana kama mwanzilishi, ambayo kunakili halisi huanza. Mara baada ya kukamilika, primers huondolewa na, kwa kuwa polymerase haina chelezo, inafupisha kwa kila nakala ya DNA. Katika miisho ya uzi kuna vipande vya kinga vinavyoitwa telomeres ambavyo havina protini yoyote. Baada ya matumizi yao (kwa wanadamu, baada ya marudio 50), chromosomes hushikamana na kusoma na makosa, ambayo husababisha kifo cha seli au mabadiliko yake katika saratani. Kwa hivyo, wakati wa maisha yetu hupimwa na saa ya telomeri.

Kunakili DNA kunahitaji vimeng'enya vingi kufanya kazi pamoja.

Molekuli ya ukubwa wa DNA hupata uharibifu wa kudumu. Kikundi kingine cha vimeng'enya, pia hufanya kama mashine maalum, hushughulika na utatuzi wa shida. Ufafanuzi wa jukumu lao ulitunukiwa Tuzo la Kemia la 2015 (kwa habari zaidi angalia makala ya Januari 2016).

Ndani…

… seli zina saitoplazimu - kusimamishwa kwa vijenzi vinavyozijaza na kazi mbalimbali muhimu. Saitoplazimu nzima inafunikwa na mtandao wa miundo ya protini inayounda cytoskeleton. Microfibers za kuambukizwa huruhusu seli kubadilisha sura yake, ikiruhusu kutambaa na kusonga viungo vyake vya ndani. Cytoskeleton pia inajumuisha microtubules, i.e. mirija iliyotengenezwa kwa protini. Hizi ni vipengele vikali (tube yenye mashimo daima ni ngumu kuliko fimbo moja ya kipenyo sawa) ambayo huunda seli, na baadhi ya mashine zisizo za kawaida za Masi husogea kando yao - protini za kutembea (halisi!).

Microtubules zina ncha za kushtakiwa kwa umeme. Protini zinazoitwa dyneins husogea kuelekea kipande hasi, wakati kinesini husogea upande mwingine. Shukrani kwa nishati iliyotolewa kutokana na kuharibika kwa ATP, umbo la protini zinazotembea (pia hujulikana kama protini za magari au za usafiri) hubadilika katika mizunguko, na kuziruhusu kusogea kama bata kwenye uso wa mikrotubuli. Molekuli zina vifaa vya "thread" ya protini, hadi mwisho ambao molekuli nyingine kubwa au Bubble iliyojaa bidhaa za taka inaweza kushikamana. Yote hii inafanana na roboti, ambayo, ikicheza, huvuta puto kwa kamba. Protini zinazozunguka husafirisha vitu muhimu hadi mahali pazuri kwenye seli na kusonga sehemu zake za ndani.

Takriban miitikio yote inayotokea kwenye seli hudhibitiwa na vimeng'enya, bila ambayo mabadiliko haya karibu hayatatokea. Enzymes ni vichocheo ambavyo hufanya kama mashine maalum kufanya jambo moja (mara nyingi huharakisha tu athari fulani). Wanakamata substrates za mabadiliko, kuzipanga ipasavyo kwa kila mmoja, na baada ya mwisho wa mchakato wanatoa bidhaa na kuanza kufanya kazi tena. Uhusiano na roboti ya kiviwanda inayofanya vitendo vinavyojirudia-rudia ni kweli kabisa.

Molekuli za carrier wa nishati ya ndani ya seli huundwa kama bidhaa ya mfululizo wa athari za kemikali. Walakini, chanzo kikuu cha ATP ni kazi ya utaratibu ngumu zaidi wa seli - ATP synthase. Idadi kubwa ya molekuli za enzyme hii hupatikana katika mitochondria, ambayo hufanya kama "mimea ya nguvu" ya seli.

ATP synthase - juu: sehemu ya kudumu

katika membrane, shimoni ya gari, kipande cha kuwajibika

kwa usanisi wa ATP

Katika mchakato wa oxidation ya kibaiolojia, ioni za hidrojeni husafirishwa kutoka ndani ya sehemu za kibinafsi za mitochondria hadi nje, ambayo hujenga gradient yao (tofauti ya mkusanyiko) pande zote mbili za membrane ya mitochondrial. Hali hii si dhabiti na kuna tabia ya asili ya viwango kusawazisha, ambayo ndio ATP synthase inachukua faida. Enzyme ina sehemu kadhaa za kusonga na za kudumu. Kipande kilicho na njia kimewekwa kwenye membrane, ambayo ioni za hidrojeni kutoka kwa mazingira zinaweza kupenya ndani ya mitochondria. Mabadiliko ya kimuundo yanayosababishwa na harakati zao huzunguka sehemu nyingine ya kimeng'enya - kipengele kilichoinuliwa ambacho hufanya kama shimoni la gari. Katika mwisho mwingine wa fimbo, ndani ya mitochondrion, kipande kingine cha mfumo kinaunganishwa nayo. Mzunguko wa shimoni husababisha kuzunguka kwa kipande cha ndani, ambacho, katika baadhi ya nafasi zake, substrates za mmenyuko wa kutengeneza ATP zimeunganishwa, na kisha, katika nafasi nyingine za rotor, kiwanja cha juu cha nishati kilichopangwa tayari. . iliyotolewa.

Na wakati huu si vigumu kupata mlinganisho katika ulimwengu wa teknolojia ya binadamu. Jenereta ya umeme tu. Mtiririko wa ioni za hidrojeni hufanya vipengele kusogea ndani ya moshi ya molekuli isiyosonga katika utando, kama vile vile vya turbine vinavyoendeshwa na mkondo wa mvuke wa maji. Shaft huhamisha gari kwenye mfumo halisi wa kizazi cha ATP. Kama vimeng'enya vingi, synthase pia inaweza kutenda kwa upande mwingine na kuvunja ATP. Utaratibu huu huweka mwendo wa motor ya ndani ambayo huendesha sehemu zinazohamia za kipande cha membrane kupitia shimoni. Hii, kwa upande wake, inaongoza kwa kusukuma nje ya ioni za hidrojeni kutoka kwa mitochondria. Kwa hivyo, pampu inaendeshwa na umeme. Muujiza wa Masi ya asili.

Kwenye mpaka…

... Kati ya seli na mazingira kuna utando wa seli ambao hutenganisha utaratibu wa ndani kutoka kwa machafuko ya ulimwengu wa nje. Inajumuisha safu mbili za molekuli, na sehemu za hydrophilic ("zinazopenda maji") zikiwa za nje na sehemu za haidrofobi ("zinazoepuka maji") kuelekea kila mmoja. Utando pia una molekuli nyingi za protini. Mwili unapaswa kuwasiliana na mazingira: kunyonya vitu vinavyohitaji na kutoa taka. Baadhi ya misombo ya kemikali yenye molekuli ndogo (kwa mfano, maji) inaweza kupita kwenye utando katika pande zote mbili kulingana na gradient ya mkusanyiko. Kueneza kwa wengine ni vigumu, na seli yenyewe inasimamia kunyonya kwao. Zaidi ya hayo, mashine za mkononi hutumiwa kwa maambukizi - conveyors na njia za ion.

Conveyor hufunga ayoni au molekuli kisha husogea nayo hadi upande mwingine wa utando (wakati utando yenyewe ni mdogo) au - inapopita kwenye utando mzima - husogeza chembe iliyokusanywa na kuitoa mwisho mwingine. Bila shaka, conveyors hufanya kazi kwa njia zote mbili na ni "finicky" sana - mara nyingi husafirisha aina moja tu ya dutu. Njia za ion zinaonyesha athari sawa ya kufanya kazi, lakini utaratibu tofauti. Wanaweza kulinganishwa na chujio. Usafirishaji kupitia chaneli za ioni kwa ujumla hufuata upinde rangi wa ukolezi (juu hadi viwango vya chini vya ioni hadi ziko sawa). Kwa upande mwingine, taratibu za intracellular hudhibiti ufunguzi na kufungwa kwa vifungu. Vituo vya ioni pia vinaonyesha uteuzi wa hali ya juu kwa chembe kupita.

Chaneli ya Ion (kushoto) na mabomba yanayofanya kazi

Flagellum ya bakteria ni utaratibu wa kweli wa kuendesha gari

Kuna mashine nyingine ya kuvutia ya Masi katika membrane ya seli - gari la flagellum, ambalo linahakikisha harakati za kazi za bakteria. Hii ni injini ya protini inayojumuisha sehemu mbili: sehemu ya kudumu (stator) na sehemu inayozunguka (rotor). Harakati husababishwa na mtiririko wa ioni za hidrojeni kutoka kwa membrane hadi kwenye seli. Wanaingia kwenye kituo kwenye stator na zaidi kwenye sehemu ya mbali, ambayo iko kwenye rotor. Ili kuingia ndani ya seli, ioni za hidrojeni lazima zipate njia ya kwenda kwenye sehemu inayofuata ya chaneli, ambayo iko tena kwenye stator. Walakini, rota lazima izunguke ili chaneli ziungane. Mwisho wa rota, unaojitokeza zaidi ya ngome, umejipinda, flagellum inayoweza kubadilika imeunganishwa nayo, ikizunguka kama propeller ya helikopta.

Ninaamini kwamba muhtasari huu wa lazima wa utaratibu wa simu za mkononi utaweka wazi kwamba miundo iliyoshinda ya washindi wa Tuzo ya Nobel, bila kukengeusha mafanikio yao, bado iko mbali na ukamilifu wa ubunifu wa mageuzi.