Bunkové stroje

V roku 2016 bola udelená Nobelova cena za chémiu za pôsobivý úspech – syntézu molekúl, ktoré fungujú ako mechanické zariadenia. Nemožno však povedať, že myšlienka vytvorenia miniatúrnych strojov je originálny ľudský nápad. A tentoraz bola na prvom mieste príroda.

Ocenené molekulárne stroje (viac o nich v článku z januárového vydania MT) sú prvým krokom k novej technológii, ktorá nám už čoskoro môže prevrátiť život naruby. Ale telá všetkých živých organizmov sú plné mechanizmov nanometrov, ktoré udržujú bunky efektívne.

V centre…

... bunky obsahujú jadro, a v ňom je uložená genetická informácia (baktérie nemajú samostatné jadro). Samotná molekula DNA je úžasná - pozostáva z viac ako 6 miliárd prvkov (nukleotidy: dusíkatá báza + deoxyribózový cukor + zvyšok kyseliny fosforečnej), tvoriacich vlákna s celkovou dĺžkou asi 2 metre. A v tomto smere nie sme šampiónmi, pretože existujú organizmy, ktorých DNA pozostáva zo stoviek miliárd nukleotidov. Aby sa takáto obrovská molekula zmestila do jadra, ktoré je voľným okom neviditeľné, reťazce DNA sa skrútia do špirály (dvojzávitnice) a omotajú sa okolo špeciálnych proteínov nazývaných históny. Bunka má špeciálnu sadu strojov na prácu s touto databázou.

Musíte neustále používať informácie obsiahnuté v DNA: čítať sekvencie kódujúce proteíny, ktoré momentálne potrebujete (transkripcia), a z času na čas skopírovať celú databázu, aby ste rozdelili bunku (replikácia). Každý z týchto krokov zahŕňa rozlúštenie špirály nukleotidov. Na túto činnosť sa využíva enzým helikáza, ktorý sa špirálovito pohybuje a – ako klin – ju rozdeľuje na samostatné vlákna (to všetko pripomína blesk). Enzým funguje vďaka energii uvoľnenej v dôsledku rozpadu univerzálneho energetického nosiča bunky - ATP (adenozíntrifosfát).

Model molekuly ATP. Pripájanie a oddeľovanie fosfátových zvyškov (vľavo) zabezpečuje výmenu energie v bunkových chemických reakciách.

Teraz môžete začať kopírovať fragmenty reťazca, čo robí RNA polymeráza, tiež poháňaná energiou obsiahnutou v ATP. Enzým sa pohybuje pozdĺž reťazca DNA a vytvára oblasť RNA (obsahujúca cukor, ribózu namiesto deoxyribózy), ktorá je templátom, na ktorom sa syntetizujú proteíny. Výsledkom je, že DNA sa zachová (vyhne sa neustálemu rozpletaniu a čítaniu fragmentov) a navyše sa proteíny môžu vytvárať v celej bunke, nielen v jadre.

Takmer bezchybnú kópiu poskytuje DNA polymeráza, ktorá pôsobí podobne ako RNA polymeráza. Enzým sa pohybuje pozdĺž vlákna a vytvára svoj náprotivok. Keď sa ďalšia molekula tohto enzýmu pohybuje pozdĺž druhého vlákna, výsledkom sú dve úplné vlákna DNA. Enzým potrebuje niekoľko „pomocníkov“, aby začali kopírovať, spájať úlomky a odstraňovať nepotrebné strie. DNA polymeráza má však „výrobnú chybu“. Môže sa pohybovať iba jedným smerom. Replikácia vyžaduje vytvorenie takzvaného štartéra, od ktorého sa začína samotné kopírovanie. Po dokončení sa priméry odstránia a keďže polymeráza nemá žiadnu zálohu, skracuje sa s každou kópiou DNA. Na koncoch vlákna sú ochranné fragmenty nazývané teloméry, ktoré nekódujú žiadne proteíny. Po ich konzumácii (u človeka po cca 50 opakovaniach) sa chromozómy zlepia a čítajú sa s chybami, čo spôsobuje bunkovú smrť alebo jej premenu na rakovinovú. Čas nášho života teda merajú telomerické hodiny.

Kopírovanie DNA vyžaduje veľa enzýmov, aby spolupracovali.

Molekula veľkosti DNA podlieha trvalému poškodeniu. Ďalšia skupina enzýmov, pôsobiaca tiež ako špecializované stroje, sa zaoberá riešením problémov. Vysvetlenie ich úlohy bolo ocenené cenou za chémiu za rok 2015 (viac informácií nájdete v článku z januára 2016).

Vnútri…

…bunky majú cytoplazmu – suspenziu zložiek, ktoré ich plnia rôznymi životnými funkciami. Celá cytoplazma je pokrytá sieťou proteínových štruktúr, ktoré tvoria cytoskelet. Zmršťujúce sa mikrovlákna umožňujú bunke meniť svoj tvar, čo jej umožňuje plaziť sa a presúvať vnútorné organely. Súčasťou cytoskeletu sú aj mikrotubuly, t.j. rúrky vyrobené z bielkovín. Sú to dosť tuhé prvky (dutá trubica je vždy tuhšia ako jedna tyč rovnakého priemeru), ktoré tvoria bunku a pohybujú sa po nich niektoré z najneobvyklejších molekulárnych strojov – chodiace proteíny (doslova!).

Mikrotubuly majú elektricky nabité konce. Proteíny nazývané dyneíny sa pohybujú smerom k negatívnemu fragmentu, zatiaľ čo kinezíny sa pohybujú opačným smerom. Vďaka energii uvoľnenej pri rozklade ATP sa tvar kráčajúcich proteínov (známych aj ako motorické alebo transportné proteíny) v cykloch mení, čo im umožňuje pohybovať sa ako kačica po povrchu mikrotubulov. Molekuly sú vybavené proteínovým „vláknom“, na ktorého konci sa môže nalepiť ďalšia veľká molekula alebo bublina naplnená odpadovými látkami. Všetko to pripomína robota, ktorý kývaním ťahá balónik za šnúrku. Rolovacie proteíny transportujú potrebné látky na správne miesta v bunke a posúvajú jej vnútorné zložky.

Takmer všetky reakcie prebiehajúce v bunke sú riadené enzýmami, bez ktorých by tieto zmeny takmer nikdy nenastali. Enzýmy sú katalyzátory, ktoré fungujú ako špecializované stroje na jednu vec (veľmi často urýchľujú iba jednu konkrétnu reakciu). Zachytia substráty premeny, vhodne ich k sebe usporiadajú a po skončení procesu uvoľnia produkty a začnú opäť pracovať. Spojenie s priemyselným robotom, ktorý vykonáva nekonečne sa opakujúce činnosti, je absolútne pravdivé.

Molekuly intracelulárneho nosiča energie vznikajú ako vedľajší produkt série chemických reakcií. Hlavným zdrojom ATP je však práca najkomplexnejšieho mechanizmu bunky – ATP syntázy. Najväčší počet molekúl tohto enzýmu sa nachádza v mitochondriách, ktoré fungujú ako bunkové „elektrárne“.

ATP syntáza - horná časť: pevná časť

v membráne, hnací hriadeľ, zodpovedný fragment

pre syntézu ATP

V procese biologickej oxidácie dochádza k transportu vodíkových iónov z vnútra jednotlivých úsekov mitochondrií smerom von, čím sa vytvára ich gradient (rozdiel koncentrácie) na oboch stranách mitochondriálnej membrány. Táto situácia je nestabilná a existuje prirodzená tendencia k vyrovnávaniu koncentrácií, čo využíva ATP syntáza. Enzým sa skladá z niekoľkých pohyblivých a pevných častí. V membráne je fixovaný fragment s kanálikmi, cez ktoré môžu vodíkové ióny z prostredia prenikať do mitochondrií. Štrukturálne zmeny spôsobené ich pohybom otáčajú ďalšiu časť enzýmu - predĺžený prvok, ktorý funguje ako hnací hriadeľ. Na druhom konci tyče, vo vnútri mitochondrií, je k nej pripojený ďalší kus systému. Rotácia hriadeľa spôsobuje rotáciu vnútorného fragmentu, ku ktorému sú v niektorých jeho polohách pripojené substráty reakcie tvoriacej ATP a následne v iných polohách rotora hotová vysokoenergetická zlúčenina. . prepustený.

A tentoraz nie je ťažké nájsť analógiu vo svete ľudskej techniky. Len generátor elektriny. Prúdenie vodíkových iónov spôsobuje, že sa prvky pohybujú vo vnútri molekulárneho motora imobilizovaného v membráne, ako lopatky turbíny poháňané prúdom vodnej pary. Hriadeľ prenáša pohon na skutočný systém generovania ATP. Ako väčšina enzýmov, aj syntáza môže pôsobiť aj opačným smerom a rozkladať ATP. Tento proces uvedie do pohybu vnútorný motor, ktorý poháňa pohyblivé časti fragmentu membrány cez hriadeľ. To zase vedie k čerpaniu vodíkových iónov z mitochondrií. Čerpadlo je teda poháňané elektricky. Molekulárny zázrak prírody.

K hraniciam...

... Medzi bunkou a prostredím je bunková membrána, ktorá oddeľuje vnútorný poriadok od chaosu vonkajšieho sveta. Pozostáva z dvojitej vrstvy molekúl, pričom hydrofilné ("vodu milujúce") časti sú smerom von a hydrofóbne ("vodu obchádzajú") časti smerom k sebe. Membrána obsahuje aj veľa proteínových molekúl. Telo musí prísť do kontaktu s prostredím: absorbovať látky, ktoré potrebuje, a uvoľniť odpad. Niektoré chemické zlúčeniny s malými molekulami (napríklad voda) môžu prechádzať membránou v oboch smeroch podľa koncentračného gradientu. Difúzia iných je ťažká a bunka sama reguluje ich absorpciu. Ďalej sa na prenos využívajú bunkové stroje - dopravníky a iónové kanály.

Dopravník viaže ión alebo molekulu a potom sa s nimi pohybuje na druhú stranu membrány (keď je samotná membrána malá) alebo - keď prechádza cez celú membránu - posúva zhromaždenú časticu a uvoľňuje ju na druhom konci. Samozrejme, dopravníky fungujú obojsmerne a sú veľmi „vychytené“ – často prepravujú len jeden druh látky. Iónové kanály vykazujú podobný pracovný efekt, ale odlišný mechanizmus. Možno ich prirovnať k filtru. Transport iónovými kanálmi sa vo všeobecnosti riadi koncentračným gradientom (od vyšších po nižšie koncentrácie iónov, kým sa nevyrovnajú). Na druhej strane vnútrobunkové mechanizmy regulujú otváranie a zatváranie priechodov. Iónové kanály tiež vykazujú vysokú selektivitu pre prechod častíc.

Iónový kanál (vľavo) a potrubia v prevádzke

Bakteriálny bičík je skutočným hnacím mechanizmom

V bunkovej membráne je ešte jeden zaujímavý molekulárny stroj – bičíkový pohon, ktorý zabezpečuje aktívny pohyb baktérií. Ide o proteínový motor pozostávajúci z dvoch častí: pevnej časti (stator) a rotačnej časti (rotor). Pohyb je spôsobený tokom vodíkových iónov z membrány do bunky. Vstupujú do kanála v statore a ďalej do distálnej časti, ktorá sa nachádza v rotore. Aby sa vodíkové ióny dostali do bunky, musia si nájsť cestu do ďalšej časti kanála, ktorá je opäť v statore. Rotor sa však musí otáčať, aby sa kanály zbiehali. Koniec rotora, vyčnievajúci za klietku, je zakrivený, je na ňom pripevnený pružný bičík, ktorý sa otáča ako vrtuľa helikoptéry.

Domnievam sa, že tento nevyhnutne stručný prehľad bunkového mechanizmu objasní, že víťazné návrhy nositeľov Nobelovej ceny, bez toho, aby uberali na ich úspechoch, sú stále ďaleko od dokonalosti výtvorov evolúcie.