Клетачныя машыны
У 2016 годзе Нобелеўская прэмія па хіміі была прысуджана за ўражальныя дасягненні - сінтэз малекул, якія дзейнічаюць як механічныя прылады. Аднак нельга сказаць, што ідэя стварэння мініятурных машын з'яўляецца арыгінальнай чалавечай ідэяй. І на гэты раз прырода была першай.
Узнагароджаныя малекулярныя машыны (падрабязней пра іх - у артыкуле са студзеньскага нумара МТ) - гэта першы крок да новай тэхналогіі, якая неўзабаве можа перавярнуць наша жыццё. Але целы ўсіх жывых арганізмаў поўныя нанапамерных механізмаў, якія падтрымліваюць эфектыўнае функцыянаванне клетак.
У цэнтры…
… клеткі ўтрымоўваюць ядро, і ў ім захоўваецца генетычная інфармацыя (у бактэрый няма асобнага ядра). Сама малекула ДНК дзіўная - яна складаецца з больш чым 6 мільярдаў элементаў (нуклеатыдаў: азоцістая падстава + цукар дэзаксірыбозу + рэштка фосфарнай кіслаты), якія ўтвараюць ніткі агульнай даўжынёй каля 2 метраў. І мы не рэкардсмены ў гэтым плане, таму што ёсць арганізмы, ДНК якіх складаецца з сотняў мільярдаў нуклеатыдаў. Каб такая гіганцкая малекула змясцілася ў нябачным няўзброеным вокам ядры, ніткі ДНК скручваюцца разам у спіраль (двайную спіраль) і намотваюцца на адмысловыя вавёркі, званыя гістонамі. У вочку ёсць спецыяльны набор машын для працы з гэтай базай дадзеных.
Вы павінны ўвесь час выкарыстоўваць інфармацыю, якая змяшчаецца ў ДНК: счытваць паслядоўнасці, кадавальныя патрэбныя вам у дадзены момант вавёркі (транскрыпцыя), і час ад часу капіяваць усю базу дадзеных, каб падзяліць клетку (рэплікацыя). Кожны з гэтых крокаў уключае ў сябе разблытванне спіралі нуклеатыдаў. Для гэтай дзейнасці выкарыстоўваецца фермент геліказа, які рухаецца па спіралі і - падобна кліну - падзяляе яе на асобныя ніткі (усё гэта нагадвае маланку). Фермент працуе за кошт энергіі, якая вызваляецца ў выніку распаду ўніверсальнага энерганосьбіта клеткі - АТФ (аденозинтрифосфата).
Мадэль малекулы АТФ. Далучэнне і адлучэнне рэшткаў фасфатаў (злева) забяспечвае абмен энергіяй у клеткавых хімічных рэакцыях.
Цяпер вы можаце пачаць капіяваць фрагменты ланцугоў, што робіць РНК-полимераза, таксама рухомая энергіяй, якая змяшчаецца ў АТФ. Фермент перамяшчаецца па ланцугу ДНК і ўтварае ўчастак РНК (якая змяшчае цукар, рыбозу замест дэзаксірыбозы), які з'яўляецца матрыцай, на якой сінтэзуюцца вавёркі. У выніку ДНК захоўваецца (пазбягаючы сталага разблытвання і чытанні фрагментаў), і, акрамя таго, вавёркі могуць стварацца ва ўсёй клетцы, а не толькі ў ядры.
Практычна беспамылковую копію забяспечвае ДНК-полимераза, якая дзейнічае аналагічна РНК-полимеразе. Фермент рухаецца па нітцы і нарошчвае свой аналаг. Калі іншая малекула гэтага фермента перамяшчаецца па другім ланцугу, у выніку ўтворацца дзве поўныя спіралі ДНК. Ферменту патрабуецца некалькі "памочнікаў", каб пачаць капіраванне, звязванне фрагментаў разам і выдаленне непатрэбных расцяжак. Аднак ДНК-полимераза мае "вытворчы дэфект". Ён можа рухацца толькі ў адным напрамку. Рэплікацыя патрабуе стварэння так званага starter, з якога пачынаецца ўласна капіраванне. Пасля завяршэння праймер выдаляюцца, і, паколькі ў полимеразы няма рэзервовай копіі, яна кароціцца з кожнай копіяй ДНК. На канцах ніткі знаходзяцца ахоўныя фрагменты, званыя целамерамі, якія не кадуюць ніякіх бялкоў. Пасля іх спажывання (у чалавека пасля прыкладна 50 паўтораў) храмасомы зліпаюцца і счытваюцца з памылкамі, што выклікае гібель клеткі або яе трансфармацыю ў ракавую. Такім чынам, час нашага жыцця вымяраецца целамерным гадзіннікам.
Капіраванне ДНК патрабуе сумеснай працы многіх ферментаў.
Малекула памерам з ДНК падвяргаецца сталаму пашкоджанню. Іншая група ферментаў, таксама дзейсных як спецыялізаваныя машыны, займаецца ўхіленнем збояў. Тлумачэнне іх ролі было ўдастоена ў 2015 годзе хімічнай прэміі (дадатковую інфармацыю гл. у артыкуле ад студзеня 2016 года).
Унутры…
… клеткі маюць цытаплазму – завісь кампанентаў, якія напаўняюць іх рознымі жыццёвымі функцыямі. Уся цытаплазма пакрыта сеткай бялковых структур, якія складаюць цітошкілет. Скарачаюцца мікравалакна дазваляюць клетцы змяняць сваю форму, дазваляючы ёй поўзаць і перамяшчаць свае ўнутраныя арганэлы. Цыташкілет таксама ўключае мікратрубачкі, г.зн. трубкі, якія складаюцца з бялковых малекул. Гэта досыць цвёрдыя элементы (полая трубка заўсёды цвярдзей, чым адзінкавы стрыжань таго ж дыяметра), якія фармуюць клетку, і па іх перасоўваюцца адны з самых незвычайных малекулярных машын - крочачыя вавёркі (у літаральным сэнсе!).
Мікратрубачкі маюць электрычнаму зараджаныя канцы. Вавёркі, званыя дынеінамі, рухаюцца да адмоўнага фрагмента, а кинезины - у процілеглым кірунку. Дзякуючы энергіі, якая вызваляецца ў выніку распаду АТФ, форма хадзячых бялкоў (таксама вядомых як маторныя ці транспартныя вавёркі) цыклічна змяняецца, што дазваляе ім перасоўвацца качынай хадой па паверхні мікратрубачак. Малекулы забяспечаны бялковай "ніткай", да канца якой можа прыліпнуць іншая буйная малекула або бурбалка, напоўнены прадуктамі жыццядзейнасці. Усё гэта нагадвае робата, які, калыхаючыся, цягне за вяровачку паветраны шарык. Перакочваюцца вавёркі транспартуюць неабходныя рэчывы ў патрэбныя месцы клеткі і перамяшчаюць яе ўнутраныя кампаненты.
Амаль усе рэакцыі, якія адбываюцца ў клетцы, кантралююцца ферментамі, без якіх гэтыя змены практычна ніколі не адбываліся б. Ферменты - гэта каталізатары, якія дзейнічаюць як спецыялізаваныя машыны для выканання аднаго дзеяння (вельмі часта яны паскараюць толькі адну канкрэтную рэакцыю). Яны захопліваюць субстраты трансфармацыі, размяшчаюць іх якая адпавядае выявай сябар да сябра, а пасля канчатка працэсу выпускаюць прадукты і зноў пачынаюць працаваць. Асацыяцыя з прамысловым робатам, які выконвае бясконца паўтараюцца дзеянні, абсалютна дакладная.
Малекулы ўнутрыклеткавага энерганосьбіта ўтвараюцца як пабочны прадукт шэрагу хімічных рэакцый. Аднак асноўнай крыніцай АТФ з'яўляецца праца самага складанага механізму клеткі - АТФ-сінтазы. Найбольшая колькасць малекул гэтага фермента знаходзіцца ў мітахондрыях, якія выконваюць ролю клеткавых «электрастанцый».
АТФ-сінтаза - уверсе: замацаваная частка
у мембране, прывадны вал, адказны фрагмент
для сінтэзу АТФ
У працэсе біялагічнага акіслення іёны вадароду знутры асобных участкаў мітахондрыі транспартуюцца вонкі, што стварае іх градыент (рознасць канцэнтрацый) па абодвум бакам мітахандрыяльнай мембраны. Гэтая сітуацыя няўстойлівая і мае месца натуральная тэндэнцыя да выраўноўвання канцэнтрацый, чым і карыстаецца АТФ-сінтазу. Фермент складаецца з некалькіх рухомых і нерухомых частак. У мембране замацаваны фрагмент з каналамі, па якіх іёны вадароду з навакольнага асяроддзя могуць пранікаць унутр мітахондрый. Структурныя змены, выкліканыя іх рухам, круцяць іншую частку фермента - падоўжаны элемент, які выконвае ролю прываднага вала. На іншым канцы стрыжня, усярэдзіне мітахондрыі, да яго прымацоўваецца яшчэ адзін кавалак сістэмы. Кручэнне вала выклікае кручэнне ўнутранага фрагмента, да якога - у адных яго палажэннях - прымацоўваюцца субстраты АТФ-ўтваральнай рэакцыі, а затым - у іншых палажэннях ротара - гатовае высокаэнергетычнае злучэнне. выпушчаны.
І на гэты раз няцяжка знайсці аналогію ў свеце чалавечых тэхналогій. Проста генератар электрычнасці. Струмень іёнаў вадароду прымушае элементы рухацца ўсярэдзіне малекулярнага матора, імабілізаванага ў мембране, падобна лопасцям турбіны, прыводным у рух струменем вадзяной пары. Вал перадае прывад на фактычную сістэму генерацыі АТФ. Як і большасць ферментаў, сінтазу можа дзейнічаць і ў іншым кірунку і расшчапляць АТФ. Гэты працэс прыводзіць у рух унутраны рухавік, які праз вал прыводзіць у рух якія рухаюцца часткі фрагмента мембраны. Гэта, у сваю чаргу, прыводзіць да адпампоўкі іёнаў вадароду з мітахондрый. Такім чынам, помпа з электрапрывадам. Малекулярны цуд прыроды.
Да межаў...
…Паміж клеткай і навакольным асяроддзем знаходзіцца клеткавая мембрана, якая адлучае ўнутраны парадак ад хаосу навакольнага свету. Ён складаецца з падвойнага пласта малекул, гідрафільнымі («якія кахаюць ваду») часткамі вонкі і гідрафобнымі («якія пазбягаюць воды») часткамі сябар да сябра. У мембране таксама ёсць мноства бялковых малекул. Арганізму даводзіцца кантактаваць з навакольным асяроддзем: паглынаць неабходныя яму рэчывы і выдзяляць адходы. Некаторыя хімічныя злучэнні з невялікімі малекуламі (напрыклад, вада) могуць праходзіць праз мембрану ў абодвух напрамках у адпаведнасці з градыентам канцэнтрацыі. Дыфузія іншых абцяжарана, і клетка сама рэгулюе іх паглынанне. Далей для перадачы выкарыстоўваюцца клеткавыя машыны - канвееры і іённыя каналы.
Канвеер звязвае іён ці малекулу, а затым перамяшчаецца з ёй на іншы бок мембраны (калі яна сама малая) ці - калі ён праходзіць праз усю мембрану - перамяшчае сабраную часціцу і вызваляе яе на іншым канцы. Вядома, канвееры працуюць у абодва бакі і вельмі "пераборлівыя" - часцяком яны перавозяць толькі адзін тып рэчыва. Іённыя каналы паказваюць аналагічны эфект працы, але іншы механізм. Іх можна параўнаць з фільтрам. Транспарт праз іённыя каналы ў асноўным варта градыенту канцэнтрацыі (ад больш высокай да ніжэйшай канцэнтрацыі іёнаў да іх выраўноўвання). З іншага боку, унутрыклеткавыя механізмы рэгулююць адкрыццё і зачыненне праходаў. Іённыя каналы таксама праяўляюць высокую селектыўнасць па стаўленні да прапускаемых часціц.
Іённы канал (злева) і канвееры ў працы
Бактэрыяльны жгутик - сапраўдны прывадны механізм
У клеткавай мембране ёсць яшчэ адна цікавая малекулярная машына - прывад жгутика, які забяспечвае актыўны рух бактэрый. Гэта бялковы рухавік, які складаецца з двух частак: нерухомай часткі (статара) і якая верціцца часткі (ротара). Рух выклікаецца патокам іёнаў вадароду ад мембраны ўнутр клеткі. Яны ўваходзяць у канал у статары і далей у дыстальную частку, якая знаходзіцца ў ротары. Каб патрапіць унутр клеткі, іёны вадароду павінны знайсці шлях да наступнага ўчастку канала, які зноў знаходзіцца ў статары. Аднак ротар павінен круціцца, каб каналы сышліся. Канец ротара, які выступае за межы клеткі, выгнуты, да яго прымацаваны гнуткі жгутик, які верціцца накшталт шрубы верталёта.
Я мяркую, што гэты абавязкова кароткі агляд клеткавага механізму дазволіць зразумець, што пераможныя канструкцыі лаўрэатаў Нобелеўскай прэміі, не прымяншаючы іх дасягненняў, усё яшчэ далёкія ад дасканаласці тварэнняў эвалюцыі.
