Hujayra mashinalari

Kimyo bo'yicha 2016 yilgi Nobel mukofoti mexanik qurilmalar rolini o'ynaydigan molekulalarni sintez qilishdagi ajoyib muvaffaqiyati uchun berildi. Biroq, miniatyura mashinalarini yaratish g'oyasi insonning o'ziga xos g'oyasi deb aytish mumkin emas. Va bu safar tabiat birinchi bo'ldi.

Mukofotlangan molekulyar mashinalar (ular haqida MTning yanvar sonidagi maqolada) tez orada hayotimizni inqilob qilishi mumkin bo'lgan yangi texnologiya sari birinchi qadamdir. Ammo barcha tirik organizmlarning tanasi hujayralarning samarali ishlashini ta'minlaydigan nano o'lchamdagi mexanizmlarga to'la.

Markazda…

... hujayralar yadrodan iborat bo'lib, unda genetik ma'lumotlar saqlanadi (bakteriyalar alohida yadroga ega emas). DNK molekulasining o'zi hayratlanarli - u 6 milliarddan ortiq elementlardan iborat (nukleotidlar: azotli asos + dezoksiriboza shakar + fosfor kislotasi qoldig'i), umumiy uzunligi taxminan 2 metr bo'lgan iplarni hosil qiladi. Va biz bu borada rekordchi emasmiz, chunki DNKsi yuzlab milliardlab nukleotidlardan iborat organizmlar mavjud. Yalang'och ko'zga ko'rinmaydigan yadroga bunday ulkan molekulani joylashtirish uchun DNK iplari bir-biriga buralib, spiral (qo'sh spiral) shaklida o'raladi va gistonlar deb ataladigan maxsus oqsillarga o'raladi. Hujayrada ushbu ma'lumotlar bazasi bilan ishlash uchun maxsus mashinalar to'plami mavjud.

Siz doimiy ravishda DNK tarkibidagi ma'lumotlardan foydalanishingiz kerak: ma'lum bir vaqtda sizga kerak bo'lgan oqsillarni kodlaydigan ketma-ketlikni o'qing (transkripsiya) va vaqti-vaqti bilan hujayrani bo'lish uchun butun ma'lumotlar bazasidan nusxa oling (replikatsiya). Ushbu bosqichlarning har biri nukleotid spiralini ochishni o'z ichiga oladi. Ushbu faoliyat spiral bo'ylab harakatlanadigan va uni takoz kabi alohida iplarga ajratadigan (hamma narsa chaqmoqqa o'xshaydi) ferment spiralidan foydalanadi. Ferment hujayraning universal energiya tashuvchisi - ATP (adenozin trifosfat) parchalanishi natijasida chiqarilgan energiya yordamida ishlaydi.

ATP molekulasi modeli. Fosfat qoldiqlarining qo'shilishi va ajralishi (chapda) hujayra kimyoviy reaktsiyalarida energiya almashinuviga vositachilik qiladi.

Endi siz RNK polimeraza tomonidan amalga oshiriladigan, shuningdek, ATP tarkibidagi energiya bilan boshqariladigan zanjir parchalarini nusxalashni boshlashingiz mumkin. Ferment DNK zanjiri bo'ylab harakatlanadi va oqsillar sintezlanadigan shablon bo'lgan RNK qismini (tarkibida shakar, dezoksiriboza o'rniga riboza) hosil qiladi. Natijada, DNK saqlanib qoladi (doimiy ravishda parchalanish va parchalarni o'qishdan qochadi) va bundan tashqari, oqsillar nafaqat yadroda, balki butun hujayrada yaratilishi mumkin.

Deyarli xatosiz nusxa DNK polimeraza tomonidan ta'minlanadi, bu RNK polimeraza kabi ishlaydi. Ferment ip bo'ylab harakatlanadi va uning hamkasbini hosil qiladi. Ushbu fermentning boshqa molekulasi ikkinchi zanjir bo'ylab harakat qilganda, natijada ikkita to'liq DNK spirallari paydo bo'ladi. Nusxalashni boshlash, parchalarni bir-biriga bog'lash va keraksiz cho'zish belgilarini olib tashlash uchun fermentga bir nechta "yordamchilar" kerak. Biroq, DNK polimerazasida "ishlab chiqarish nuqsoni" mavjud. U faqat bitta yo'nalishda harakatlanishi mumkin. Replikatsiya haqiqiy nusxalash boshlanadigan boshlang'ich deb ataladigan narsani yaratishni talab qiladi. Tugallangandan so'ng, primerlar chiqariladi va polimeraza zaxiraga ega bo'lmagani uchun u DNKning har bir nusxasi bilan qisqartiriladi. Ipning uchlarida telomerlar deb ataladigan himoya bo'laklari mavjud bo'lib, ular hech qanday oqsillarni kodlamaydi. Ularni iste'mol qilgandan so'ng (odamlarda, taxminan 50 marta takrorlangandan keyin) xromosomalar bir-biriga yopishadi va noto'g'ri o'qiladi, bu hujayraning o'limiga yoki uning saratonga aylanishiga olib keladi. Shunday qilib, bizning hayotimiz telomer soati bilan o'lchanadi.

DNKni nusxalash ko'plab fermentlarning birgalikda ishlashini talab qiladi.

DNK kattaligidagi molekula doimiy ravishda shikastlanadi. Ixtisoslashgan mashinalar vazifasini bajaradigan boshqa fermentlar guruhi nosozliklar bilan shug'ullanadi. Ularning rolini tushuntirish 2015 yilda kimyo mukofotiga sazovor bo'ldi (qo'shimcha ma'lumot uchun 2016 yil yanvar maqolasiga qarang).

Ichkarida…

...hujayralar sitoplazmaga ega - ularni turli hayotiy funktsiyalar bilan to'ldiradigan tarkibiy qismlar suspenziyasi. Butun sitoplazma sitoskeletonni tashkil etuvchi oqsil tuzilmalari tarmog'i bilan qoplangan. Qisqaruvchi mikrofiberlar hujayraning shaklini o'zgartirishga imkon beradi, bu esa uning ichki organellalarini emaklash va harakatlantirish imkonini beradi. Sitoskelet ham mikrotubullarni o'z ichiga oladi, ya'ni. oqsil molekulalaridan tashkil topgan naychalar. Bular juda qattiq elementlardir (ichi bo'sh trubka har doim bir xil diametrli bitta novdadan qattiqroq) va ular bo'ylab eng g'ayrioddiy molekulyar mashinalardan biri - yuradigan oqsillar (so'zma-so'z!).

Mikronaychalarning uchlari elektr zaryadlangan. Dineinlar deb ataladigan oqsillar manfiy qism tomon, kinezinlar esa teskari yo'nalishda harakat qiladi. ATP parchalanishidan ajralib chiqadigan energiya tufayli yuruvchi oqsillarning shakli (shuningdek, motor yoki transport oqsillari deb ham ataladi) tsiklik ravishda o'zgarib, ularning mikronaychalar yuzasi bo'ylab o'rdak kabi harakatlanishiga imkon beradi. Molekulalar oqsil "ipi" bilan jihozlangan, uning oxiriga yana bir katta molekula yoki chiqindi mahsulotlar bilan to'ldirilgan pufakcha yopishishi mumkin. Bularning barchasi chayqalib, sharni ipdan tortib oladigan robotga o'xshaydi. Rolling oqsillar zarur moddalarni hujayraning kerakli joylariga olib boradi va uning ichki qismlarini harakatga keltiradi.

Hujayrada sodir bo'ladigan deyarli barcha reaktsiyalar fermentlar tomonidan boshqariladi, ularsiz bu o'zgarishlar deyarli sodir bo'lmaydi. Fermentlar katalizatorlar bo'lib, ular bitta ishni bajarish uchun maxsus mashinalar rolini o'ynaydi (ko'pincha ular faqat bitta o'ziga xos reaktsiyani tezlashtiradi). Ular transformatsion substratlarni ushlaydi, ularni bir-biriga mos ravishda joylashtiradi va jarayon tugagandan so'ng, ular mahsulotlarni chiqaradi va yana ishlay boshlaydi. Sanoat robotining cheksiz takroriy harakatlarni amalga oshirishi bilan bog'liqligi mutlaqo to'g'ri.

Hujayra ichidagi energiya tashuvchi molekulalar bir qator kimyoviy reaktsiyalarning qo'shimcha mahsuloti sifatida hosil bo'ladi. Biroq, ATP ning asosiy manbai eng murakkab hujayra mexanizmi - ATP sintazasining ishi. Ushbu fermentning eng ko'p molekulalari hujayrali "elektr stantsiyalari" vazifasini bajaradigan mitoxondriyalarda joylashgan.

ATP sintazasi - yuqori: langar qismi

membranada, qo'zg'aysan mili, mas'ul bo'lak

ATP sintezi uchun

Biologik oksidlanish jarayonida mitoxondriyaning alohida qismlari ichidagi vodorod ionlari tashqariga ko'chiriladi, bu esa mitoxondriyal membrananing har ikki tomonida ularning gradientini (kontsentratsiya farqi) hosil qiladi. Bu holat beqaror va konsentratsiyalarni tenglashtirishning tabiiy tendentsiyasi mavjud, bu ATP sintazasining afzalliklaridan foydalanadi. Ferment bir necha harakatlanuvchi va harakatsiz qismlardan iborat. Membranada atrof-muhitdan vodorod ionlari mitoxondriyaga o'tishi mumkin bo'lgan kanallari bo'lgan fragment mahkamlangan. Ularning harakati natijasida yuzaga keladigan strukturaviy o'zgarishlar fermentning boshqa qismini - harakatlantiruvchi mil vazifasini bajaradigan cho'zilgan elementni aylantiradi. Tayoqning boshqa uchida, mitoxondriya ichida, tizimning yana bir qismi unga biriktirilgan. Milning aylanishi ichki qismning aylanishiga olib keladi, uning ba'zi pozitsiyalarida - ATP hosil qiluvchi reaktsiyaning substratlari, so'ngra - rotorning boshqa pozitsiyalarida - tayyor yuqori energiyali birikma. ozod qilingan.

Va bu safar inson texnologiyasi olamida o'xshashlik topish qiyin emas. Faqat elektr generatori. Vodorod ionlari oqimi elementlarning suv bug'i oqimi bilan boshqariladigan turbina pichoqlari kabi membranada harakatsizlangan molekulyar motor ichida harakatlanishiga olib keladi. Mil haydovchini haqiqiy ATP ishlab chiqarish tizimiga uzatadi. Aksariyat fermentlar singari, sintaza boshqa yo'nalishda harakat qilishi va ATPni parchalashi mumkin. Ushbu jarayon ichki dvigatelni boshqaradi, u mil orqali membrana bo'lagining harakatlanuvchi qismlarini harakatga keltiradi. Bu, o'z navbatida, mitoxondriyadan vodorod ionlarining pompalanishiga olib keladi. Shunday qilib, elektr nasos. Tabiatning molekulyar mo''jizasi.

Chegaralargacha...

...Hujayra va atrof-muhit o'rtasida ichki tartibni tashqi dunyoning tartibsizligidan ajratib turuvchi hujayra membranasi mavjud. U ikki qavatli molekulalardan iborat bo‘lib, gidrofil (“suvni yaxshi ko‘radigan”) qismlari tashqariga qaragan va hidrofobik (“suvdan qochadigan”) qismlari bir-biriga qaragan. Membranada ko'plab oqsil molekulalari ham mavjud. Tana atrof-muhit bilan aloqada bo'lishi kerak: kerakli moddalarni o'zlashtiradi va chiqindilarni chiqaradi. Ba'zi kichik molekulali kimyoviy moddalar (masalan, suv) kontsentratsiya gradientiga ko'ra membranadan har ikki yo'nalishda ham o'tishi mumkin. Boshqalarning tarqalishi qiyin va hujayraning o'zi ularning so'rilishini tartibga soladi. Keyinchalik, uzatish uchun uyali mashinalar - konveyerlar va ion kanallari ishlatiladi.

Konveyer ion yoki molekulani bog'laydi va keyin u bilan membrananing boshqa tomoniga (uning o'zi kichik bo'lganda) yoki - butun membranadan o'tganda - yig'ilgan zarrachani harakatga keltiradi va uni boshqa uchida chiqaradi. Albatta, konveyerlar ikkala yo'nalishda ishlaydi va juda "tanlangan" - ular ko'pincha faqat bitta turdagi moddalarni tashiydilar. Ion kanallari shunga o'xshash ish ta'sirini ko'rsatadi, ammo boshqa mexanizm. Ularni filtr bilan solishtirish mumkin. Ion kanallari orqali tashish odatda kontsentratsiya gradienti bo'yicha (yuqori ion kontsentratsiyasidan pastgacha, ular tekislangunga qadar) amalga oshiriladi. Boshqa tomondan, hujayra ichidagi mexanizmlar o'tish joylarini ochish va yopishni tartibga soladi. Ion kanallari, shuningdek, o'tayotgan zarrachalarga nisbatan yuqori selektivlikni namoyish etadi.

Ion kanali (chapda) va quvurlar harakatda

Bakterial flagellum haqiqiy harakatlantiruvchi mexanizmdir

Hujayra membranasida yana bir qiziqarli molekulyar mashina mavjud - bakteriyalarning faol harakatini ta'minlaydigan flagellum haydovchi. Bu ikki qismdan iborat oqsilli vosita: statsionar qism (stator) va aylanadigan qism (rotor). Harakat vodorod ionlarining membranadan hujayraga oqib tushishi natijasida yuzaga keladi. Ular statordagi kanalga, so'ngra rotorda joylashgan distal qismga kiradilar. Hujayra ichiga kirish uchun vodorod ionlari kanalning yana statorda joylashgan keyingi qismiga yo'l topishlari kerak. Shu bilan birga, kanallar birlashishi uchun rotor aylanishi kerak. Rotorning hujayradan tashqariga chiqadigan uchi qiyshiq bo'lib, unga vertolyot rotori kabi aylanadigan egiluvchan flagellum biriktirilgan.

O'ylaymanki, uyali aloqa mexanizmining bu qisqacha sharhi Nobel mukofoti sovrindorlarining g'olib dizaynlari, ularning yutuqlaridan mahrum bo'lmagan holda, evolyutsiyaning mukammal ijodidan hali ham uzoq ekanligini aniq ko'rsatib beradi.