Բջջային մեքենաներ
Պարունակություն
2016 թվականին քիմիայի ոլորտում Նոբելյան մրցանակը շնորհվեց տպավորիչ նվաճման համար՝ մոլեկուլների սինթեզ, որոնք գործում են որպես մեխանիկական սարքեր։ Այնուամենայնիվ, չի կարելի ասել, որ մանրանկարչության մեքենաներ ստեղծելու գաղափարը բնօրինակ մարդկային գաղափար է: Եվ այս անգամ բնությունն առաջինն էր։
Պարգևատրված մոլեկուլային մեքենաները (դրանց մասին մանրամասն՝ MT-ի հունվարյան թողարկման հոդվածում) առաջին քայլն են դեպի նոր տեխնոլոգիա, որը շուտով կարող է գլխիվայր շուռ տալ մեր կյանքը։ Սակայն բոլոր կենդանի օրգանիզմների մարմինները լի են նանոմաշտաբով մեխանիզմներով, որոնք ապահովում են բջիջների արդյունավետ աշխատանքը:
Կենտրոնում…
... բջիջները պարունակում են միջուկ, և դրանում պահպանվում է գենետիկական տեղեկատվություն (բակտերիաները չունեն առանձին միջուկ): ԴՆԹ-ի մոլեկուլն ինքնին զարմանալի է. այն բաղկացած է ավելի քան 6 միլիարդ տարրերից (նուկլեոտիդներ՝ ազոտային հիմք + դեզօքսիրիբոզ շաքար + ֆոսֆորաթթվի մնացորդ), որոնք կազմում են թելեր մոտ 2 մետր ընդհանուր երկարությամբ։ Եվ մենք այս հարցում չեմպիոններ չենք, քանի որ կան օրգանիզմներ, որոնց ԴՆԹ-ն բաղկացած է հարյուր միլիարդավոր նուկլեոտիդներից։ Որպեսզի նման հսկա մոլեկուլը տեղավորվի անզեն աչքով անտեսանելի միջուկում, ԴՆԹ-ի շղթաները ոլորվում են իրար՝ դառնալով պարույր (կրկնակի պարույր) և փաթաթվում հատուկ սպիտակուցների շուրջ, որոնք կոչվում են հիստոններ: Բջիջն ունի մեքենաների հատուկ հավաքածու այս տվյալների բազայի հետ աշխատելու համար:
Դուք պետք է անընդհատ օգտագործեք ԴՆԹ-ում պարունակվող տեղեկատվությունը. կարդացեք այն հաջորդականությունները, որոնք կոդավորում են ձեզ ներկայումս անհրաժեշտ սպիտակուցները (տառադարձում), և ժամանակ առ ժամանակ պատճենեք ամբողջ տվյալների բազան՝ բջիջը բաժանելու համար (կրկնօրինակում): Այս քայլերից յուրաքանչյուրը ներառում է նուկլեոտիդների պարույրի բացահայտումը: Այս գործունեության համար օգտագործվում է հելիկազի ֆերմենտը, որը շարժվում է պարույրով և, սեպի նման, այն բաժանում է առանձին թելերի (այս ամենը կայծակի է հիշեցնում)։ Ֆերմենտը գործում է բջջի ունիվերսալ էներգիայի կրիչի՝ ATP-ի (ադենոզին տրիֆոսֆատ) քայքայման արդյունքում արձակված էներգիայի շնորհիվ։
ATP մոլեկուլի մոդելը. Ֆոսֆատի մնացորդների կցումը և անջատումը (ձախից) ապահովում են էներգիայի փոխանակում բջջային քիմիական ռեակցիաներում:
Այժմ դուք կարող եք սկսել շղթայի բեկորների պատճենումը, ինչը անում է ՌՆԹ պոլիմերազը, որը նույնպես պայմանավորված է ATP-ում պարունակվող էներգիայով: Ֆերմենտը շարժվում է ԴՆԹ-ի շղթայի երկայնքով և ձևավորում ՌՆԹ-ի շրջան (պարունակում է շաքար, ռիբոզ՝ դեզօքսիրիբոզի փոխարեն), որը այն ձևանմուշն է, որի վրա սինթեզվում են սպիտակուցները։ Արդյունքում, ԴՆԹ-ն պահպանվում է (խուսափելով բեկորների անընդհատ բացահայտումից և ընթերցումից), և, ի լրումն, սպիտակուցներ կարող են ստեղծվել ողջ բջջում, ոչ միայն միջուկում:
Գրեթե առանց սխալների պատճենը տրամադրվում է ԴՆԹ պոլիմերազի կողմից, որը գործում է ՌՆԹ պոլիմերազի նման: Ֆերմենտը շարժվում է թելի երկայնքով և ձևավորում իր նմանակը: Երբ այս ֆերմենտի մեկ այլ մոլեկուլ շարժվում է երկրորդ շղթայի երկայնքով, ստացվում է ԴՆԹ-ի երկու ամբողջական շղթա: Ֆերմենտը մի քանի «օգնականների» կարիք ունի, որպեսզի սկսի պատճենել, բեկորները միմյանց կապել և հեռացնել ավելորդ ձգվող նշանները: Այնուամենայնիվ, ԴՆԹ պոլիմերազը «արտադրական թերություն» ունի։ Այն կարող է շարժվել միայն մեկ ուղղությամբ. Replication-ը պահանջում է այսպես կոչված մեկնարկիչի ստեղծում, որից սկսվում է իրական պատճենումը։ Ավարտվելուց հետո այբբենարանները հանվում են, և քանի որ պոլիմերազը կրկնօրինակում չունի, այն կրճատվում է ԴՆԹ-ի յուրաքանչյուր պատճենի հետ: Թելի ծայրերում կան պաշտպանիչ բեկորներ, որոնք կոչվում են տելոմերներ, որոնք չեն ծածկում որևէ սպիտակուց: Դրանց սպառումից հետո (մարդկանց մոտ մոտ 50 կրկնությունից հետո) քրոմոսոմները կպչում են իրար և ընթերցվում սխալներով, ինչը հանգեցնում է բջիջների մահվան կամ վերածվում քաղցկեղի: Այսպիսով, մեր կյանքի ժամանակը չափվում է տելոմերային ժամացույցով։
ԴՆԹ-ի պատճենումը պահանջում է բազմաթիվ ֆերմենտներ միասին աշխատելու համար:
ԴՆԹ-ի չափ մոլեկուլը մշտական վնաս է կրում։ Ֆերմենտների մեկ այլ խումբ, որը նույնպես գործում է որպես մասնագիտացված մեքենաներ, զբաղվում է անսարքությունների վերացմամբ: Նրանց դերի բացատրությունը արժանացել է 2015 թվականի Քիմիայի մրցանակին (լրացուցիչ տեղեկությունների համար տե՛ս 2016 թվականի հունվարի հոդվածը)։
Ներսում…
… բջիջներն ունեն ցիտոպլազմա՝ բաղադրիչների կասեցում, որոնք լրացնում են դրանք կենսական տարբեր գործառույթներով: Ամբողջ ցիտոպլազմը ծածկված է սպիտակուցային կառուցվածքների ցանցով, որոնք կազմում են ցիտոկմախքը։ Կծկվող միկրոթելերը թույլ են տալիս բջիջին փոխել իր ձևը՝ թույլ տալով նրան սողալ և շարժել իր ներքին օրգանելները։ Բջջային կմախքը ներառում է նաև միկրոխողովակներ, այսինքն. սպիտակուցներից պատրաստված խողովակներ. Սրանք բավականին կոշտ տարրեր են (սնամեջ խողովակը միշտ ավելի կոշտ է, քան նույն տրամագծով մեկ ձողը), որոնք կազմում են բջիջ, և ամենաանսովոր մոլեկուլային մեքենաներից մի քանիսը շարժվում են դրանց երկայնքով՝ քայլող սպիտակուցներ (բառացիորեն!):
Միկրոխողովակները ունեն էլեկտրական լիցքավորված ծայրեր: Դինեյն կոչվող սպիտակուցները շարժվում են դեպի բացասական հատվածը, իսկ կինեզինները՝ հակառակ ուղղությամբ։ ATP-ի քայքայումից ազատված էներգիայի շնորհիվ քայլող սպիտակուցների ձևը (նաև հայտնի է որպես շարժիչ կամ տրանսպորտային սպիտակուցներ) փոխվում է ցիկլերով՝ թույլ տալով նրանց բադի պես շարժվել միկրոխողովակների մակերևույթով: Մոլեկուլները հագեցած են սպիտակուցային «թելով», որի ծայրին կարող է կպչել մեկ այլ մեծ մոլեկուլ կամ թափոններով լցված պղպջակ։ Այս ամենը հիշեցնում է ռոբոտի, որը, օրորվելով, պարանով քաշում է օդապարիկը։ Գլորվող սպիտակուցները անհրաժեշտ նյութերը տեղափոխում են բջջի ճիշտ վայրեր և տեղափոխում դրա ներքին բաղադրիչները։
Բջջում տեղի ունեցող գրեթե բոլոր ռեակցիաները վերահսկվում են ֆերմենտներով, առանց որոնց այդ փոփոխությունները գրեթե երբեք չէին լինի: Ֆերմենտները կատալիզատորներ են, որոնք գործում են որպես մասնագիտացված մեքենաներ՝ մեկ բան անելու համար (շատ հաճախ դրանք արագացնում են միայն մեկ կոնկրետ ռեակցիա): Նրանք գրավում են փոխակերպման սուբստրատները, դրանք համապատասխան դասավորում միմյանց, և գործընթացի ավարտից հետո թողարկում են արտադրանքը և նորից սկսում աշխատել։ Անվերջ կրկնվող գործողություններ կատարող արդյունաբերական ռոբոտի հետ կապը միանգամայն ճիշտ է:
Ներբջջային էներգիայի կրիչի մոլեկուլները ձևավորվում են որպես մի շարք քիմիական ռեակցիաների կողմնակի արտադրանք։ Սակայն ATP-ի հիմնական աղբյուրը բջջի ամենաբարդ մեխանիզմի՝ ATP սինթազայի աշխատանքն է։ Այս ֆերմենտի ամենամեծ թվով մոլեկուլները գտնվում են միտոքոնդրիումներում, որոնք հանդես են գալիս որպես բջջային «էլեկտրակայաններ»։
ATP սինթազա - վերև՝ ֆիքսված մաս
թաղանթում, շարժիչ լիսեռ, պատասխանատու բեկոր
ATP սինթեզի համար
Կենսաբանական օքսիդացման գործընթացում ջրածնի իոնները փոխադրվում են միտոքոնդրիայի առանձին հատվածների ներսից դեպի արտաքին, ինչը ստեղծում է դրանց գրադիենտը (կենտրոնացման տարբերությունը) միտոքոնդրիալ մեմբրանի երկու կողմերում։ Այս իրավիճակը անկայուն է և առկա է կոնցենտրացիաների հավասարեցման բնական միտում, ինչից օգտվում է ATP սինթազը: Ֆերմենտը բաղկացած է մի քանի շարժվող և ֆիքսված մասերից։ Մեմբրանում ամրացվում է ալիքներով մի հատված, որի միջոցով շրջակա միջավայրից ջրածնի իոնները կարող են ներթափանցել միտոքոնդրիաներ։ Նրանց շարժման հետևանքով առաջացած կառուցվածքային փոփոխությունները պտտում են ֆերմենտի մեկ այլ մաս՝ երկարաձգված տարր, որը գործում է որպես շարժիչ լիսեռ: Ձողի մյուս ծայրում՝ միտոքոնդրիոնի ներսում, դրան ամրացված է համակարգի մեկ այլ հատված։ Լիսեռի պտույտը առաջացնում է ներքին բեկորի պտույտ, որին նրա որոշ դիրքերում կցվում են ATP առաջացնող ռեակցիայի ենթաշերտերը, իսկ հետո՝ ռոտորի այլ դիրքերում՝ պատրաստի բարձր էներգիայի միացությունը։ ազատ է արձակվել.
Եվ այս անգամ դժվար չէ նմանություն գտնել մարդկային տեխնիկայի աշխարհում։ Ուղղակի էլեկտրաէներգիայի գեներատոր: Ջրածնի իոնների հոսքը ստիպում է տարրերին շարժվել թաղանթում անշարժացած մոլեկուլային շարժիչի ներսում, ինչպես ջրային գոլորշու հոսքով շարժվող տուրբինի շեղբերները: Լիսեռը շարժիչը փոխանցում է իրական ATP-ի արտադրության համակարգին: Ինչպես ֆերմենտների մեծ մասը, սինթազը նույնպես կարող է գործել այլ ուղղությամբ և քայքայել ATP-ն: Այս գործընթացը շարժման մեջ է դնում ներքին շարժիչը, որը մղում է մեմբրանի բեկորի շարժվող մասերը լիսեռի միջով: Սա իր հերթին հանգեցնում է ջրածնի իոնների դուրս մղմանը միտոքոնդրիայից: Այսպիսով, պոմպը էլեկտրական շարժիչ է: Բնության մոլեկուլային հրաշք.
Դեպի սահմաններ...
... Բջջի և շրջակա միջավայրի միջև կա բջջային թաղանթ, որը բաժանում է ներքին կարգը արտաքին աշխարհի քաոսից: Այն բաղկացած է մոլեկուլների կրկնակի շերտից՝ հիդրոֆիլ («ջրասեր») մասերը դեպի դուրս, իսկ հիդրոֆոբ («ջրից խուսափող») մասերը՝ միմյանց։ Մեմբրանը պարունակում է նաև բազմաթիվ սպիտակուցային մոլեկուլներ։ Մարմինը պետք է շփվի շրջակա միջավայրի հետ՝ կլանել իրեն անհրաժեշտ նյութերը և ազատել թափոնները: Փոքր մոլեկուլներով որոշ քիմիական միացություններ (օրինակ՝ ջուր) կարող են թաղանթով անցնել երկու ուղղություններով՝ ըստ կոնցենտրացիայի գրադիենտի։ Ուրիշների դիֆուզիան դժվար է, և բջիջն ինքն է կարգավորում դրանց կլանումը։ Ավելին, փոխանցման համար օգտագործվում են բջջային մեքենաներ՝ փոխակրիչներ և իոնային ալիքներ:
Փոխակրիչը կապում է իոնը կամ մոլեկուլը և այնուհետև նրա հետ շարժվում դեպի մեմբրանի մյուս կողմը (երբ թաղանթն ինքնին փոքր է) կամ, երբ այն անցնում է ամբողջ թաղանթով, տեղափոխում է հավաքված մասնիկը և արձակում այն մյուս ծայրում: Անշուշտ, փոխակրիչներն աշխատում են երկու ձևով և շատ «փխրուն» են. նրանք հաճախ տեղափոխում են միայն մեկ տեսակի նյութ: Իոնային ալիքները ցույց են տալիս նմանատիպ աշխատանքային ազդեցություն, բայց այլ մեխանիզմ: Դրանք կարելի է համեմատել ֆիլտրի հետ։ Տրանսպորտը իոնային ալիքներով, ընդհանուր առմամբ, հետևում է կոնցենտրացիայի գրադիենտին (իոնների կոնցենտրացիաներից բարձրից ցածր, մինչև դրանք հարթվեն): Մյուս կողմից, ներբջջային մեխանիզմները կարգավորում են անցուղիների բացումն ու փակումը։ Իոնային ալիքները նաև բարձր ընտրողականություն են ցուցաբերում մասնիկների միջով անցնելու համար:
Իոնային ալիքը (ձախից) և խողովակաշարերը գործում են
Բակտերիալ դրոշակը իսկական շարժիչ մեխանիզմ է
Բջջաթաղանթում կա ևս մեկ հետաքրքիր մոլեկուլային մեքենա՝ դրոշակակիր, որն ապահովում է բակտերիաների ակտիվ շարժումը։ Սա սպիտակուցային շարժիչ է, որը բաղկացած է երկու մասից՝ ֆիքսված մասից (ստատոր) և պտտվող մասից (ռոտոր)։ Շարժումն առաջանում է թաղանթից բջիջ ջրածնի իոնների հոսքից: Նրանք մտնում են ալիքը ստատորի մեջ և ավելի ուշ դեպի հեռավոր հատված, որը գտնվում է ռոտորում: Բջջի ներս մտնելու համար ջրածնի իոնները պետք է ճանապարհ գտնեն դեպի ալիքի հաջորդ հատվածը, որը կրկին ստատորում է: Այնուամենայնիվ, ռոտորը պետք է պտտվի, որպեսզի ալիքները միանան: Վանդակից դուրս ցցված ռոտորի ծայրը կոր է, վրան ամրացված է ճկուն դրոշակ, որը պտտվում է ուղղաթիռի պտուտակի նման։
Կարծում եմ, որ բջջային մեխանիզմի այս պարտադիր հակիրճ ակնարկը պարզ կդարձնի, որ Նոբելյան մրցանակակիրների հաղթող նախագծերը, չշեղելով նրանց ձեռքբերումները, դեռ հեռու են էվոլյուցիայի ստեղծագործությունների կատարելությունից:
