უჯრედის მანქანები

2016 წელს ნობელის პრემია ქიმიაში მიენიჭა შთამბეჭდავი მიღწევისთვის - მოლეკულების სინთეზისთვის, რომლებიც მოქმედებენ როგორც მექანიკური მოწყობილობები. თუმცა, არ შეიძლება ითქვას, რომ მინიატურული მანქანების შექმნის იდეა ადამიანის ორიგინალური იდეაა. და ამჯერად ბუნება იყო პირველი.

დაჯილდოვებული მოლეკულური მანქანები (დაწვრილებით მათ შესახებ სტატიაში MT იანვრის ნომრიდან) არის პირველი ნაბიჯი ახალი ტექნოლოგიისკენ, რომელმაც შესაძლოა მალე ჩვენი ცხოვრება თავდაყირა დაამყაროს. მაგრამ ყველა ცოცხალი ორგანიზმის სხეული სავსეა ნანომასშტაბიანი მექანიზმებით, რომლებიც უჯრედებს ეფექტურად ფუნქციონირებს.

Ცენტრში…

... უჯრედები შეიცავს ბირთვს და მასში ინახება გენეტიკური ინფორმაცია (ბაქტერიებს არ აქვთ ცალკე ბირთვი). დნმ-ის მოლეკულა თავისთავად გასაოცარია - ის შედგება 6 მილიარდზე მეტი ელემენტისგან (ნუკლეოტიდები: აზოტოვანი ბაზა + დეზოქსირიბოზა შაქარი + ფოსფორის მჟავის ნარჩენი), რომლებიც ქმნიან ძაფებს, რომელთა საერთო სიგრძე დაახლოებით 2 მეტრია. და ჩვენ არ ვართ ჩემპიონები ამ მხრივ, რადგან არსებობენ ორგანიზმები, რომელთა დნმ ასობით მილიარდი ნუკლეოტიდისგან შედგება. იმისათვის, რომ ასეთი გიგანტური მოლეკულა შეესაბამებოდეს შეუიარაღებელი თვალით უხილავ ბირთვს, დნმ-ის ძაფები ერთმანეთში ტრიალდება სპირალში (ორმაგი სპირალი) და ახვევენ სპეციალურ ცილებს, რომლებსაც ჰისტონები ეწოდება. უჯრედს აქვს მანქანების სპეციალური ნაკრები ამ მონაცემთა ბაზასთან მუშაობისთვის.

თქვენ მუდმივად უნდა გამოიყენოთ დნმ-ში შემავალი ინფორმაცია: წაიკითხეთ თანმიმდევრობა, რომელიც კოდირებს თქვენთვის საჭირო ცილებს (ტრანსკრიფცია) და დროდადრო დააკოპირეთ მთელი მონაცემთა ბაზა უჯრედის გასაყოფად (რეპლიკაცია). თითოეული ეს ნაბიჯი მოიცავს ნუკლეოტიდების სპირალის ამოხსნას. ამ აქტივობისთვის გამოიყენება ჰელიკაზის ფერმენტი, რომელიც სპირალურად მოძრაობს და - სოლივით - ყოფს მას ცალკეულ ძაფებად (ეს ყველაფერი ელვას წააგავს). ფერმენტი მუშაობს უჯრედის უნივერსალური ენერგიის მატარებლის - ატფ-ის (ადენოზინტრიფოსფატის) დაშლის შედეგად გამოთავისუფლებული ენერგიის გამო.

ATP მოლეკულის მოდელი. ფოსფატის ნარჩენების მიმაგრება და გამოყოფა (მარცხნივ) უზრუნველყოფს ენერგიის გაცვლას უჯრედულ ქიმიურ რეაქციებში.

ახლა თქვენ შეგიძლიათ დაიწყოთ ჯაჭვის ფრაგმენტების კოპირება, რასაც აკეთებს რნმ პოლიმერაზა, რომელიც ასევე გამოწვეულია ATP-ში შემავალი ენერგიით. ფერმენტი მოძრაობს დნმ-ის ჯაჭვის გასწვრივ და ქმნის რნმ-ის უბანს (შეიცავს შაქარს, რიბოზას დეზოქსირიბოზის ნაცვლად), რომელიც არის შაბლონი, რომელზედაც ცილები სინთეზირდება. შედეგად, დნმ შენარჩუნებულია (აიცილებს ფრაგმენტების მუდმივ გახსნას და კითხვას) და, გარდა ამისა, ცილები შეიძლება შეიქმნას მთელ უჯრედში და არა მხოლოდ ბირთვში.

თითქმის უშეცდომო ასლი მოცემულია დნმ პოლიმერაზას მიერ, რომელიც მოქმედებს რნმ პოლიმერაზას მსგავსად. ფერმენტი მოძრაობს ძაფის გასწვრივ და აყალიბებს თავის კოლეგას. როდესაც ამ ფერმენტის სხვა მოლეკულა მოძრაობს მეორე ჯაჭვის გასწვრივ, შედეგი არის დნმ-ის ორი სრული ჯაჭვი. ფერმენტს სჭირდება რამდენიმე „დამხმარე“ კოპირების დასაწყებად, ფრაგმენტების ერთმანეთთან შეკვრასა და არასაჭირო სტრიების მოსაშორებლად. თუმცა, დნმ პოლიმერაზას აქვს „წარმოების დეფექტი“. მას შეუძლია გადაადგილება მხოლოდ ერთი მიმართულებით. რეპლიკაცია მოითხოვს ეგრეთ წოდებული სტარტერის შექმნას, საიდანაც იწყება ფაქტობრივი კოპირება. დასრულების შემდეგ, პრაიმერები ამოღებულია და, ვინაიდან პოლიმერაზას არ აქვს სარეზერვო საშუალება, ის მცირდება დნმ-ის თითოეულ ასლთან ერთად. ძაფის ბოლოებში არის დამცავი ფრაგმენტები, რომელსაც ეწოდება ტელომერები, რომლებიც არ იწერენ არცერთ ცილას. მათი მოხმარების შემდეგ (ადამიანებში, დაახლოებით 50 გამეორების შემდეგ), ქრომოსომა ერთმანეთს ეწებება და შეცდომით იკითხება, რაც იწვევს უჯრედის სიკვდილს ან მის გარდაქმნას კიბოს უჯრედში. ამრიგად, ჩვენი ცხოვრების დრო იზომება ტელომერული საათით.

დნმ-ის კოპირება მოითხოვს ბევრ ფერმენტს ერთად მუშაობისთვის.

დნმ-ის ზომის მოლეკულა განიცდის მუდმივ დაზიანებას. ფერმენტების კიდევ ერთი ჯგუფი, რომელიც ასევე მოქმედებს როგორც სპეციალიზებული მანქანები, ეხება პრობლემების მოგვარებას. მათი როლის განმარტება დაჯილდოვდა 2015 წლის ქიმიის პრიზით (დამატებითი ინფორმაციისთვის იხილეთ 2016 წლის იანვრის სტატია).

შიგნით…

… უჯრედებს აქვთ ციტოპლაზმა - კომპონენტების სუსპენზია, რომელიც ავსებს მათ სხვადასხვა სასიცოცხლო ფუნქციებით. მთელი ციტოპლაზმა დაფარულია ცილოვანი სტრუქტურების ქსელით, რომლებიც ქმნიან ციტოჩონჩხს. შეკუმშული მიკრობოჭკოები უჯრედს საშუალებას აძლევს შეცვალოს მისი ფორმა, რაც საშუალებას აძლევს მას ცოცვისა და შიდა ორგანელების გადაადგილების საშუალებას. ციტოჩონჩხი ასევე მოიცავს მიკროტუბულებს, ე.ი. ცილებისგან დამზადებული მილები. ეს არის საკმაოდ ხისტი ელემენტები (ღრუ მილი ყოველთვის უფრო მკაცრია, ვიდრე ერთი და იგივე დიამეტრის ერთი ღერო), რომლებიც ქმნიან უჯრედს და ზოგიერთი ყველაზე უჩვეულო მოლეკულური მანქანა მათ გასწვრივ მოძრაობს - მოსიარულე ცილები (სიტყვასიტყვით!).

მიკროტუბულებს აქვთ ელექტრული დამუხტული ბოლოები. ცილები, რომელსაც დინეინები ეწოდება, მოძრაობენ უარყოფითი ფრაგმენტისკენ, ხოლო კინესინები საპირისპირო მიმართულებით. ATP-ის დაშლის შედეგად გამოთავისუფლებული ენერგიის წყალობით, მოსიარულე ცილების ფორმა (ასევე ცნობილია როგორც საავტომობილო ან სატრანსპორტო ცილები) იცვლება ციკლებში, რაც მათ საშუალებას აძლევს იხვივით გადაადგილდნენ მიკროტუბულების ზედაპირზე. მოლეკულები აღჭურვილია ცილოვანი „ძაფით“, რომლის ბოლოში კიდევ ერთი დიდი მოლეკულა ან ნარჩენებით სავსე ბუშტი შეიძლება მიეკრას. ეს ყველაფერი რობოტს წააგავს, რომელიც რხევით ბუშტს ძაფით ათრევს. მოძრავი პროტეინები გადააქვთ საჭირო ნივთიერებებს უჯრედის სწორ ადგილებში და გადაადგილებენ მის შიდა კომპონენტებს.

უჯრედში მიმდინარე თითქმის ყველა რეაქცია კონტროლდება ფერმენტებით, რომელთა გარეშეც ეს ცვლილებები თითქმის არასოდეს მოხდებოდა. ფერმენტები არის კატალიზატორები, რომლებიც სპეციალიზებული მანქანებივით მოქმედებენ ერთი საქმის გასაკეთებლად (ხშირად ისინი აჩქარებენ მხოლოდ ერთ კონკრეტულ რეაქციას). ისინი იჭერენ ტრანსფორმაციის სუბსტრატებს, აწყობენ მათ სათანადოდ ერთმანეთზე და პროცესის დასრულების შემდეგ გამოყოფენ პროდუქტებს და კვლავ იწყებენ მუშაობას. ასოციაცია ინდუსტრიულ რობოტთან, რომელიც ასრულებს უსასრულოდ განმეორებად მოქმედებებს, აბსოლუტურად მართალია.

უჯრედშიდა ენერგიის მატარებლის მოლეკულები წარმოიქმნება, როგორც ქიმიური რეაქციების სერიის გვერდითი პროდუქტი. თუმცა, ატფ-ის ძირითადი წყარო უჯრედის ყველაზე რთული მექანიზმის - ატფ სინთაზას მუშაობაა. ამ ფერმენტის მოლეკულების ყველაზე დიდი რაოდენობა განლაგებულია მიტოქონდრიებში, რომლებიც მოქმედებენ როგორც ფიჭური „ელექტროსადგურები“.

ატფ სინთაზა - ზედა: ფიქსირებული ნაწილი

მემბრანაში, წამყვანი ლილვი, პასუხისმგებელი ფრაგმენტი

ATP სინთეზისთვის

ბიოლოგიური დაჟანგვის პროცესში წყალბადის იონები ტრანსპორტირდება მიტოქონდრიის ცალკეული მონაკვეთების შიგნიდან გარედან, რაც ქმნის მათ გრადიენტს (კონცენტრაციის განსხვავებას) მიტოქონდრიის მემბრანის ორივე მხარეს. ეს სიტუაცია არასტაბილურია და არსებობს კონცენტრაციების გათანაბრების ბუნებრივი ტენდენცია, რითაც სარგებლობს ატფ სინთაზა. ფერმენტი შედგება რამდენიმე მოძრავი და ფიქსირებული ნაწილისგან. მემბრანაში ფიქსირდება არხებით ფრაგმენტი, რომლის მეშვეობითაც გარემოდან წყალბადის იონები შეაღწევენ მიტოქონდრიაში. მათი მოძრაობით გამოწვეული სტრუქტურული ცვლილებები ბრუნავს ფერმენტის სხვა ნაწილს - წაგრძელებულ ელემენტს, რომელიც მოქმედებს როგორც წამყვანი ლილვი. ღეროს მეორე ბოლოში, მიტოქონდრიის შიგნით, მასზე სისტემის კიდევ ერთი ნაწილია მიმაგრებული. ლილვის ბრუნვა იწვევს შიდა ფრაგმენტის ბრუნვას, რომელსაც მის ზოგიერთ პოზიციაზე მიმაგრებულია ATP წარმომქმნელი რეაქციის სუბსტრატები, შემდეგ კი როტორის სხვა პოზიციებზე მზა მაღალი ენერგიის ნაერთი. . გაათავისუფლეს.

ამჯერად კი ადამიანური ტექნოლოგიების სამყაროში ანალოგიის პოვნა არ არის რთული. უბრალოდ ელექტროენერგიის გენერატორი. წყალბადის იონების ნაკადი აიძულებს ელემენტებს გადაადგილდეს მემბრანაში უმოძრაო მოლეკულური ძრავის შიგნით, ისევე როგორც ტურბინის პირები, რომლებიც ამოძრავებს წყლის ორთქლის ნაკადს. ლილვი გადასცემს დისკს ფაქტობრივად ATP წარმოების სისტემაში. ფერმენტების უმეტესობის მსგავსად, სინთაზას შეუძლია სხვა მიმართულებითაც იმოქმედოს და დაშალოს ATP. ეს პროცესი ამოქმედებს შიდა ძრავას, რომელიც ამოძრავებს მემბრანის ფრაგმენტის მოძრავ ნაწილებს ლილვის მეშვეობით. ეს, თავის მხრივ, იწვევს წყალბადის იონების ამოტუმბვას მიტოქონდრიიდან. ასე რომ, ტუმბო ელექტრომოძრავებულია. ბუნების მოლეკულური სასწაული.

Საზღვარზე…

... უჯრედსა და გარემოს შორის არის უჯრედის მემბრანა, რომელიც გამოყოფს შინაგან წესრიგს გარე სამყაროს ქაოსისგან. იგი შედგება მოლეკულების ორმაგი ფენისგან, ჰიდროფილური („წყლის მოყვარული“) ნაწილები გარედან და ჰიდროფობიური („წყლის აცილება“) ნაწილები ერთმანეთის მიმართ. მემბრანა ასევე შეიცავს ბევრ ცილის მოლეკულას. ორგანიზმი უნდა დაუკავშირდეს გარემოს: აითვისოს მისთვის საჭირო ნივთიერებები და გამოუშვას ნარჩენები. ზოგიერთ ქიმიურ ნაერთს მცირე მოლეკულებით (მაგალითად, წყალი) შეუძლია მემბრანაში გაიაროს ორივე მიმართულებით კონცენტრაციის გრადიენტის მიხედვით. სხვების დიფუზია რთულია და უჯრედი თავად არეგულირებს მათ შეწოვას. გარდა ამისა, გადაცემისთვის გამოიყენება ფიჭური მანქანები - კონვეიერები და იონური არხები.

კონვეიერი აკავშირებს იონს ან მოლეკულას და შემდეგ გადადის მასთან ერთად მემბრანის მეორე მხარეს (როდესაც მემბრანა თავისთავად პატარაა) ან - როდესაც ის მთელ მემბრანაში გადის - მოძრაობს შეგროვებულ ნაწილაკს და ათავისუფლებს მას მეორე ბოლოში. რასაკვირველია, კონვეიერები მუშაობს ორივე მიმართულებით და არის ძალიან „მოხვეწილი“ - ისინი ხშირად მხოლოდ ერთი ტიპის ნივთიერების ტრანსპორტირებას ახდენენ. იონური არხები აჩვენებენ მსგავს სამუშაო ეფექტს, მაგრამ განსხვავებულ მექანიზმს. ისინი შეიძლება შევადაროთ ფილტრს. ტრანსპორტირება იონური არხებით, როგორც წესი, მიჰყვება კონცენტრაციის გრადიენტს (იონების კონცენტრაცია უფრო მაღალიდან დაბალამდე, სანამ ისინი გასწორდებიან). მეორეს მხრივ, უჯრედშიდა მექანიზმები არეგულირებს გადასასვლელების გახსნას და დახურვას. იონური არხები ასევე აჩვენებენ მაღალ სელექციურობას ნაწილაკების გასავლელად.

იონური არხი (მარცხნივ) და მილსადენები ექსპლუატაციაში

ბაქტერიული ფლაგელუმი ნამდვილი მამოძრავებელი მექანიზმია

უჯრედის მემბრანაში არის კიდევ ერთი საინტერესო მოლეკულური მანქანა - ფლაგელუმის ამძრავი, რომელიც უზრუნველყოფს ბაქტერიების აქტიურ მოძრაობას. ეს არის ცილოვანი ძრავა, რომელიც შედგება ორი ნაწილისგან: ფიქსირებული ნაწილისგან (სტატორი) და მბრუნავი ნაწილისგან (როტორი). მოძრაობა გამოწვეულია წყალბადის იონების მემბრანიდან უჯრედში შემოდინებით. ისინი არხში შედიან სტატორში და შემდგომ დისტალურ ნაწილში, რომელიც მდებარეობს როტორში. უჯრედის შიგნით მოსახვედრად წყალბადის იონები უნდა იპოვონ გზა არხის შემდეგი მონაკვეთისკენ, რომელიც ისევ სტატორშია. თუმცა, როტორი უნდა შემობრუნდეს იმისათვის, რომ არხები გადაიზარდოს. როტორის ბოლო, გალიის მიღმა გამოსული, მოხრილია, მასზე მიმაგრებულია მოქნილი ფლაგელი, რომელიც ბრუნავს ვერტმფრენის პროპელერივით.

მე მჯერა, რომ ეს აუცილებლად მოკლე მიმოხილვა ფიჭური მექანიზმის შესახებ ცხადყოფს, რომ ნობელის პრემიის ლაურეატთა გამარჯვებული დიზაინები, მათი მიღწევების შემცირების გარეშე, ჯერ კიდევ შორს არის ევოლუციის ქმნილებების სრულყოფისაგან.