Клетъчни машини

През 2016 г. беше присъдена Нобеловата награда за химия за впечатляващо постижение – синтеза на молекули, които действат като механични устройства. Не може обаче да се каже, че идеята за създаване на миниатюрни машини е оригинална човешка идея. И този път природата беше първа.

Наградените молекулярни машини (повече за тях в статията от януарския брой на МТ) са първата стъпка към нова технология, която скоро може да преобърне живота ни. Но телата на всички живи организми са пълни с наномащабни механизми, които поддържат клетките да функционират ефективно.

В центъра…

... клетките съдържат ядро ​​и в него се съхранява генетична информация (бактериите нямат отделно ядро). Самата ДНК молекула е удивителна – тя се състои от повече от 6 милиарда елемента (нуклеотиди: азотна основа + дезоксирибозна захар + остатък от фосфорна киселина), образуващи нишки с обща дължина около 2 метра. И ние не сме шампиони в това отношение, защото има организми, чиято ДНК се състои от стотици милиарди нуклеотиди. За да може такава гигантска молекула да се побере в ядрото, невидима с просто око, ДНК нишките се усукват заедно в спирала (двойна спирала) и се увиват около специални протеини, наречени хистони. Клетката има специален набор от машини за работа с тази база данни.

Трябва постоянно да използвате информацията, съдържаща се в ДНК: да прочетете последователностите, които кодират протеините, от които се нуждаете в момента (транскрипция), и да копирате цялата база данни от време на време, за да разделите клетката (репликация). Всяка от тези стъпки включва разплитане на спиралата от нуклеотиди. За тази дейност се използва ензимът хеликаза, който се движи спираловидно и като клин го разделя на отделни нишки (всичко това наподобява светкавица). Ензимът работи благодарение на енергията, освободена в резултат на разграждането на универсалния енергиен носител на клетката - АТФ (аденозин трифосфат).

Модел на молекулата на АТФ. Прикрепването и отделянето на фосфатните остатъци (вляво) осигуряват обмен на енергия в клетъчните химични реакции.

Сега можете да започнете да копирате фрагменти от веригата, което прави РНК полимеразата, също задвижвана от енергията, съдържаща се в АТФ. Ензимът се движи по веригата на ДНК и образува област от РНК (съдържаща захар, рибоза вместо дезоксирибоза), която е матрицата, върху която се синтезират протеини. В резултат на това ДНК се запазва (избягва се постоянното разплитане и разчитане на фрагменти), а освен това могат да се създават протеини в цялата клетка, а не само в ядрото.

Почти безгрешно копие се осигурява от ДНК полимераза, която действа подобно на РНК полимеразата. Ензимът се движи по нишката и изгражда своя аналог. Когато друга молекула на този ензим се движи по втората верига, резултатът е две пълни вериги на ДНК. Ензимът се нуждае от няколко „помощници“, за да започне да копира, да завързва фрагменти заедно и да премахва ненужните стрии. Въпреки това ДНК полимеразата има "производствен дефект". Може да се движи само в една посока. Репликацията изисква създаването на така наречения стартер, от който започва същинското копиране. След завършване, праймерите се отстраняват и тъй като полимеразата няма резервно копие, тя се скъсява с всяко копие на ДНК. В краищата на нишката има защитни фрагменти, наречени теломери, които не кодират никакви протеини. След консумацията им (при хората след около 50 повторения) хромозомите се слепват и се четат с грешки, което причинява клетъчна смърт или превръщането й в раково. Така времето на нашия живот се измерва с теломерния часовник.

Копирането на ДНК изисква много ензими, за да работят заедно.

Молекула с размер на ДНК претърпява трайно увреждане. Друга група ензими, също действащи като специализирани машини, се занимават с отстраняване на неизправности. Обяснение на тяхната роля беше удостоено с наградата по химия за 2015 г. (за повече информация вижте статията от януари 2016 г.).

Вътре…

… клетките имат цитоплазма – суспензия от компоненти, които ги изпълняват с различни жизнени функции. Цялата цитоплазма е покрита с мрежа от протеинови структури, които изграждат цитоскелета. Свиващите се микрофибри позволяват на клетката да промени формата си, позволявайки й да пълзи и да движи вътрешните си органели. Цитоскелетът включва и микротубули, т.е. тръби, направени от протеини. Това са доста твърди елементи (една куха тръба винаги е по-твърда от единичен прът със същия диаметър), които образуват клетка и някои от най-необичайните молекулярни машини се движат по тях - ходещи протеини (буквално!).

Микротубулите имат електрически заредени краища. Протеините, наречени динеини, се движат към отрицателния фрагмент, докато кинезините се движат в обратна посока. Благодарение на енергията, освободена от разграждането на АТФ, формата на ходещите протеини (известни също като моторни или транспортни протеини) се променя в цикли, което им позволява да се движат като патица по повърхността на микротубулите. Молекулите са снабдени с протеинова "нишка", към чийто край може да залепне друга голяма молекула или балон, пълен с отпадъчни продукти. Всичко това прилича на робот, който, люлеейки се, дърпа балон за връв. Подвижните протеини транспортират необходимите вещества до правилните места в клетката и преместват вътрешните й компоненти.

Почти всички реакции, протичащи в клетката, се контролират от ензими, без които тези промени почти никога не биха се случили. Ензимите са катализатори, които действат като специализирани машини, за да направят едно нещо (много често те ускоряват само една конкретна реакция). Те улавят субстратите на трансформацията, подреждат ги подходящо един спрямо друг и след края на процеса освобождават продуктите и започват да работят отново. Асоциацията с индустриален робот, извършващ безкрайно повтарящи се действия, е абсолютно вярна.

Молекулите на вътреклетъчния енергиен носител се образуват като страничен продукт от поредица от химични реакции. Основният източник на АТФ обаче е работата на най-сложния механизъм на клетката - АТФ синтазата. Най-голям брой молекули на този ензим се намират в митохондриите, които действат като клетъчни "електроцентрали".

АТФ синтаза - отгоре: фиксирана част

в мембраната, задвижващ вал, отговорен фрагмент

за синтез на АТФ

В процеса на биологично окисление водородните йони се транспортират от вътрешността на отделните участъци на митохондриите навън, което създава техния градиент (разлика в концентрацията) от двете страни на митохондриалната мембрана. Тази ситуация е нестабилна и има естествена тенденция за изравняване на концентрациите, от което се възползва АТФ синтазата. Ензимът се състои от няколко подвижни и неподвижни части. В мембраната е фиксиран фрагмент с канали, през които водородните йони от околната среда могат да проникнат в митохондриите. Структурните промени, причинени от тяхното движение, завъртат друга част от ензима - удължен елемент, който действа като задвижващ вал. В другия край на пръчката, вътре в митохондриите, към нея е прикрепена друга част от системата. Въртенето на вала причинява въртене на вътрешния фрагмент, към който в някои от неговите позиции са прикрепени субстрати на реакцията, образуваща АТФ, а след това, в други позиции на ротора, готово високоенергийно съединение . освободен.

И този път не е трудно да се намери аналогия в света на човешките технологии. Просто генератор на ток. Потокът от водородни йони кара елементите да се движат вътре в молекулярния двигател, имобилизиран в мембраната, подобно на лопатките на турбина, задвижвана от поток от водна пара. Валът прехвърля задвижването към действителната система за генериране на ATP. Подобно на повечето ензими, синтазата може да действа и в друга посока и да разгражда АТФ. Този процес задвижва вътрешен двигател, който задвижва движещите се части на мембранния фрагмент през вал. Това от своя страна води до изпомпване на водородни йони от митохондриите. Така че помпата е с електрическо задвижване. Молекулно чудо на природата.

На границата…

... Между клетката и околната среда има клетъчна мембрана, която разделя вътрешния ред от хаоса на външния свят. Състои се от двоен слой от молекули, като хидрофилните („любиви водата“) части са насочени навън, а хидрофобните („избягват водата“) части една към друга. Мембраната също съдържа много протеинови молекули. Тялото трябва да влезе в контакт с околната среда: да абсорбира веществата, от които се нуждае, и да освободи отпадъците. Някои химични съединения с малки молекули (например вода) могат да преминават през мембраната и в двете посоки според концентрационния градиент. Дифузията на други е затруднена, а клетката сама регулира тяхното усвояване. Освен това се използват клетъчни машини за предаване - конвейери и йонни канали.

Конвейерът свързва йон или молекула и след това се придвижва с него от другата страна на мембраната (когато самата мембрана е малка) или – когато преминава през цялата мембрана – премества събраната частица и я освобождава в другия край. Разбира се, конвейерите работят и в двете посоки и са много "взискателни" - често транспортират само един вид вещество. Йонните канали показват подобен работен ефект, но различен механизъм. Те могат да бъдат сравнени с филтър. Транспортирането през йонни канали обикновено следва градиент на концентрация (от по-високи към по-ниски концентрации на йони, докато се изравнят). От друга страна, вътреклетъчните механизми регулират отварянето и затварянето на пасажите. Йонните канали също показват висока селективност за преминаване на частици.

Йонния канал (вляво) и тръбопроводи в експлоатация

Бактериалният флагел е истински задвижващ механизъм

В клетъчната мембрана има още една интересна молекулярна машина – задвижването на флагела, което осигурява активното движение на бактериите. Това е протеинов двигател, състоящ се от две части: неподвижна част (статор) и въртяща се част (ротор). Движението се причинява от потока на водородни йони от мембраната в клетката. Те влизат в канала в статора и по-нататък в дисталната част, която се намира в ротора. За да влязат вътре в клетката, водородните йони трябва да намерят пътя си до следващия участък от канала, който отново е в статора. Роторът обаче трябва да се върти, за да могат каналите да се сближат. Краят на ротора, излизащ извън клетката, е извит, към него е прикрепен гъвкав флагел, въртящ се като витло на хеликоптер.

Вярвам, че този непременно кратък преглед на клетъчния механизъм ще покаже ясно, че печелившите проекти на носителите на Нобелова награда, без да омаловажават техните постижения, все още са далеч от съвършенството на творенията на еволюцията.