Hücre makineleri

2016 Nobel Kimya Ödülü, mekanik cihazlar gibi davranan moleküllerin sentezlenmesindeki etkileyici başarı nedeniyle verildi. Ancak minyatür makineler yaratma fikrinin özgün bir insan fikri olduğu söylenemez. Ve bu kez doğa birinci oldu.

Ödül alan moleküler makineler (bunlar hakkında daha fazla bilgiyi MT'nin Ocak sayısındaki makalede bulabilirsiniz), yakında hayatımızda devrim yaratabilecek yeni bir teknolojiye doğru atılan ilk adımdır. Ancak tüm canlı organizmaların vücutları, hücrelerin verimli çalışmasını destekleyen nano boyutlu mekanizmalarla doludur.

Merkezinde…

... hücreler bir çekirdek içerir ve içinde genetik bilgi depolanır (bakterilerin ayrı bir çekirdeği yoktur). DNA molekülünün kendisi şaşırtıcıdır - toplam uzunluğu yaklaşık 6 metre olan iplikler oluşturan 2 milyardan fazla elementten (nükleotidler: azotlu baz + deoksiriboz şekeri + fosforik asit kalıntısı) oluşur. Ve biz bu konuda rekor sahibi değiliz. Çünkü DNA'sı yüz milyarlarca nükleotidden oluşan organizmalar var. Böylesine dev bir molekülün, çıplak gözle görülemeyen çekirdeğe sığdırılabilmesi için, DNA iplikçikleri bir sarmal (çift sarmal) şeklinde bükülerek histon adı verilen özel proteinlerin etrafına sarılır. Hücrenin bu veri tabanıyla çalışacak özel bir makine seti vardır.

DNA'nın içerdiği bilgiyi sürekli kullanmalısınız: Belirli bir anda ihtiyacınız olan proteinleri kodlayan dizileri okuyun (transkripsiyon) ve zaman zaman hücreyi bölmek için veri tabanının tamamını kopyalayın (çoğaltma). Bu adımların her biri nükleotid sarmalının çözülmesini içerir. Bu aktivite, spiral boyunca hareket eden ve onu bir kama gibi bireysel iplikçiklere ayıran helikaz enzimini kullanır (her şey yıldırıma benzer). Enzim, hücrenin evrensel enerji taşıyıcısı ATP'nin (adenozin trifosfat) parçalanması sonucu açığa çıkan enerjiyi kullanarak çalışır.

ATP molekülünün modeli. Fosfat kalıntılarının eklenmesi ve ayrılması (solda), hücresel kimyasal reaksiyonlarda enerji alışverişine aracılık eder.

Artık zincir parçalarını kopyalamaya başlayabilirsiniz; bu işlem, RNA polimeraz tarafından gerçekleştirilir ve yine ATP'nin içerdiği enerji tarafından yönlendirilir. Enzim, DNA zinciri boyunca hareket eder ve proteinlerin sentezlendiği şablon olan RNA'nın (deoksiriboz yerine şeker ve riboz içeren) bir bölümünü oluşturur. Sonuç olarak DNA korunur (parçaların sürekli çözülmesi ve okunması önlenir) ve ayrıca proteinler yalnızca çekirdekte değil, hücrenin her yerinde oluşturulabilir.

RNA polimeraza benzer şekilde davranan DNA polimeraz, neredeyse hatasız bir kopya sağlar. Enzim iplik boyunca hareket eder ve karşılığını oluşturur. Bu enzimin başka bir molekülü ikinci iplikçik boyunca hareket ettiğinde sonuç iki tam DNA sarmalı olur. Enzimin kopyalamaya başlaması, parçaları birbirine bağlaması ve gereksiz çatlak izlerini ortadan kaldırması için birkaç "yardımcıya" ihtiyacı vardır. Ancak DNA polimerazın bir "üretim hatası" vardır. Yalnızca tek yönde hareket edebilir. Çoğaltma, gerçek kopyalamanın başlayacağı başlatıcı adı verilen bir öğenin oluşturulmasını gerektirir. Tamamlandıktan sonra primerler çıkarılır ve polimerazın yedeği olmadığından her DNA kopyasıyla kısaltılır. İpliğin uçlarında telomer adı verilen ve herhangi bir proteini kodlamayan koruyucu parçalar bulunur. Tüketildikten sonra (insanlarda yaklaşık 50 tekrardan sonra) kromozomlar birbirine yapışır ve yanlış okunur, bu da hücrenin ölümüne veya kansere dönüşmesine neden olur. Böylece yaşam süremiz telomer saatiyle ölçülür.

DNA'nın kopyalanması birçok enzimin bir arada çalışmasını gerektirir.

DNA büyüklüğündeki bir molekül sürekli hasara maruz kalır. Aynı zamanda özel makineler gibi davranan diğer bir grup enzim ise arızalarla ilgilenir. Rollerine ilişkin bir açıklama 2015 yılında kimya ödülüne layık görüldü (daha fazla bilgi için Ocak 2016 tarihli makaleye bakın).

İçeri…

...hücrelerin sitoplazması vardır; onları çeşitli yaşamsal işlevlerle dolduran bileşenlerin bir süspansiyonu. Sitoplazmanın tamamı, hücre iskeletini oluşturan protein yapılarından oluşan bir ağ ile kaplıdır. Kasılabilen mikrofiberler hücrenin şeklini değiştirmesine izin vererek iç organellerini taramasına ve hareket ettirmesine olanak tanır. Hücre iskeleti ayrıca mikrotübülleri de içerir; protein moleküllerinden oluşan tüpler. Bunlar hücreyi oluşturan oldukça sert elementlerdir (içi boş bir tüp her zaman aynı çaptaki tek bir çubuktan daha serttir) ve en sıra dışı moleküler makinelerden biri bunlar boyunca hareket eder - yürüyen proteinler (kelimenin tam anlamıyla!).

Mikrotübüllerin elektrik yüklü uçları vardır. Dynein adı verilen proteinler negatif tarafa doğru hareket ederken, kinesinler ters yönde hareket eder. ATP'nin parçalanmasından açığa çıkan enerji sayesinde, yürüyen proteinlerin (motor veya taşıma proteinleri olarak da bilinir) şekli döngüsel olarak değişir ve mikrotübüllerin yüzeyi boyunca ördek gibi hareket etmelerine olanak tanır. Moleküller, ucuna başka bir büyük molekülün veya atık ürünlerle dolu bir balonun yapışabileceği bir protein "ipliği" ile donatılmıştır. Bütün bunlar sallanarak bir iple balonu çeken bir robota benziyor. Yuvarlanan proteinler, gerekli maddeleri hücre içinde doğru yerlere taşır ve hücrenin iç bileşenlerini hareket ettirir.

Bir hücrede meydana gelen hemen hemen tüm reaksiyonlar enzimler tarafından kontrol edilir ve onlar olmasaydı bu değişiklikler neredeyse hiçbir zaman meydana gelmezdi. Enzimler, tek bir şeyi yapmak için özel makineler gibi davranan katalizörlerdir (çoğunlukla yalnızca belirli bir reaksiyonu hızlandırırlar). Dönüşüm substratlarını yakalar, birbirlerine uygun şekilde konumlandırırlar ve işlem tamamlandıktan sonra ürünleri serbest bırakarak tekrar çalışmaya başlarlar. Sonsuzca tekrarlanan eylemler gerçekleştiren endüstriyel bir robotla bağlantı kurmak kesinlikle doğrudur.

Hücre içi enerji taşıyıcı moleküller bir dizi kimyasal reaksiyonun yan ürünü olarak oluşur. Bununla birlikte, ATP'nin ana kaynağı, en karmaşık hücre mekanizması olan ATP sentazının çalışmasıdır. Bu enzimin en büyük molekül sayısı, hücresel "enerji santralleri" görevi gören mitokondride bulunur.

ATP sentezi – üst: bağlantılı kısım

membranda, tahrik milinde, sorumlu parçada

ATP sentezi için

Biyolojik oksidasyon işlemi sırasında, mitokondrinin ayrı bölümlerinin içindeki hidrojen iyonları dışarıya doğru taşınır, bu da mitokondriyal membranın her iki tarafında gradyanlarını (konsantrasyon farkı) oluşturur. Bu durum kararsızdır ve konsantrasyonları eşitlemeye yönelik doğal bir eğilim vardır ve ATP sentazı bundan yararlanır. Bir enzim birçok hareketli ve sabit parçadan oluşur. Çevreden gelen hidrojen iyonlarının mitokondriye nüfuz edebileceği kanalların bulunduğu bir parça zara sabitlenir. Hareketlerinin neden olduğu yapısal değişiklikler, enzimin başka bir kısmını, yani tahrik mili görevi gören uzun bir elemanı döndürür. Çubuğun diğer ucunda, mitokondrinin içinde, sistemin başka bir parçası ona bağlı. Şaftın dönmesi, bazı konumlarda ATP oluşturucu reaksiyonun substratlarının bağlandığı iç parçanın ve ardından rotorun diğer konumlarında bitmiş yüksek enerjili bileşiğin bağlanmasına neden olur. piyasaya sürülmüş.

Ve bu sefer insan teknolojisi dünyasında bir benzetme bulmak zor değil. Sadece bir elektrik jeneratörü. Hidrojen iyonlarının akışı, elementlerin, su buharı akışıyla çalıştırılan türbin kanatları gibi, zar içinde hareketsiz hale getirilmiş bir moleküler motorun içinde hareket etmesine neden olur. Şaft, sürücüyü gerçek ATP üretim sistemine iletir. Çoğu enzim gibi sentaz da diğer yönde hareket edebilir ve ATP'yi parçalayabilir. Bu işlem, bir şaft aracılığıyla membran parçasının hareketli parçalarını çalıştıran dahili bir motoru çalıştırır. Bu da mitokondriden hidrojen iyonlarının pompalanmasına yol açar. Yani, bir elektrikli pompa. Doğanın moleküler mucizesi.

Sınırlara...

...Hücre ile çevre arasında, iç düzeni dış dünyanın kaosundan ayıran bir hücre zarı vardır. Hidrofilik ("su seven") kısımları dışarı bakan ve hidrofobik ("sudan kaçınan") kısımları birbirine bakan çift molekül katmanından oluşur. Membran ayrıca birçok protein molekülü içerir. Vücudun çevreyle temasa geçmesi gerekiyor: ihtiyaç duyduğu maddeleri emmeli ve atıkları dışarı atmalı. Bazı küçük moleküllü kimyasallar (su gibi) konsantrasyon gradyanına göre membrandan her iki yönde geçebilir. Diğerlerinin difüzyonu zordur ve hücrenin kendisi bunların emilimini düzenler. Daha sonra iletim için hücresel makineler (taşıyıcılar ve iyon kanalları) kullanılır.

Konveyör bir iyonu veya molekülü bağlar ve daha sonra onu kendisiyle birlikte zarın diğer tarafına taşır (kendisi küçük olduğunda) veya - zarın tamamından geçtiğinde - toplanan parçacığı hareket ettirir ve diğer uçtan serbest bırakır. Elbette konveyörler her iki yönde de çalışır ve çok "seçicidir"; genellikle yalnızca tek tür madde taşırlar. İyon kanalları benzer bir çalışma etkisi gösterir ancak farklı bir mekanizma gösterir. Bir filtreye benzetilebilirler. İyon kanalları yoluyla taşınma genellikle bir konsantrasyon gradyanını takip eder (daha yüksek iyon konsantrasyonlarından daha düşük iyon konsantrasyonlarına, seviyelenene kadar). Öte yandan hücre içi mekanizmalar geçitlerin açılıp kapanmasını düzenler. İyon kanalları aynı zamanda içinden geçen parçacıklara karşı da yüksek seçicilik sergiler.

İyon kanalı (solda) ve boru hatları iş başında

Bakteri kamçısı gerçek bir tahrik mekanizmasıdır

Hücre zarında başka bir ilginç moleküler makine daha var - bakterilerin aktif hareketini sağlayan flagellum tahriki. İki parçadan oluşan bir protein motorudur: sabit parça (stator) ve dönen parça (rotor). Hareket, hidrojen iyonlarının zardan hücreye akışından kaynaklanır. Statordaki kanala ve ardından rotorda bulunan uzak kısma girerler. Hidrojen iyonlarının hücrenin içine girebilmesi için kanalın yine statorda bulunan bir sonraki kısmına yolunu bulması gerekir. Ancak kanalların yakınlaşması için rotorun dönmesi gerekir. Rotorun hücrenin dışına çıkan ucu kavislidir ve ona helikopter rotoru gibi dönen esnek bir flagellum bağlanmıştır.

Hücresel mekanizmaya ilişkin bu zorunlu kısa genel bakışın, Nobel Ödülü kazananların kazanan tasarımlarının, başarılarına gölge düşürmeksizin, hâlâ evrimin mükemmel yaratımlarından uzak olduğunu açıkça ortaya koyacağına inanıyorum.