Máy di động

Năm 2016, giải Nobel Hóa học được trao cho một thành tựu ấn tượng - tổng hợp các phân tử hoạt động như một thiết bị cơ học. Tuy nhiên, không thể nói rằng ý tưởng tạo ra những cỗ máy thu nhỏ là một ý tưởng ban đầu của con người. Và lần này bản chất là trên hết.

Những cỗ máy phân tử được trao giải thưởng (sẽ nói thêm về chúng trong bài báo từ số tháng XNUMX của MT) là bước đầu tiên hướng tới một công nghệ mới có thể sớm khiến cuộc sống của chúng ta bị đảo lộn. Nhưng cơ thể của tất cả các sinh vật sống có đầy đủ các cơ chế kích thước nano để giữ cho các tế bào hoạt động hiệu quả.

Ở Trung tâm…

... tế bào có chứa nhân, và thông tin di truyền được lưu trữ trong đó (vi khuẩn không có nhân riêng biệt). Bản thân phân tử DNA đã rất tuyệt vời - nó bao gồm hơn 6 tỷ phần tử (nucleotide: bazơ nitơ + đường deoxyribose + cặn axit photphoric), tạo thành các sợi chỉ có tổng chiều dài khoảng 2 mét. Và chúng ta không phải là nhà vô địch trong vấn đề này, bởi vì có những sinh vật có DNA bao gồm hàng trăm tỷ nucleotide. Để một phân tử khổng lồ như vậy nằm gọn trong nhân mà mắt thường không thể nhìn thấy, các sợi DNA được xoắn lại với nhau thành một chuỗi xoắn (chuỗi xoắn kép) và quấn quanh các protein đặc biệt gọi là histone. Ô có một nhóm máy đặc biệt để làm việc với cơ sở dữ liệu này.

Bạn phải liên tục sử dụng thông tin có trong DNA: đọc các trình tự mã hóa cho các protein bạn hiện đang cần (phiên mã) và sao chép toàn bộ cơ sở dữ liệu theo thời gian để phân chia tế bào (sao chép). Mỗi bước này liên quan đến việc làm sáng tỏ chuỗi xoắn của nucleotide. Đối với hoạt động này, enzyme helicase được sử dụng, di chuyển theo hình xoắn ốc và - giống như một cái nêm - chia nó thành các sợi riêng biệt (tất cả điều này giống như tia chớp). Enzyme hoạt động nhờ năng lượng được giải phóng do sự phân hủy chất mang năng lượng phổ quát của tế bào - ATP (adenosine triphosphate).

Mô hình của phân tử ATP. Sự gắn và tách ra của các dư lượng photphat (trái) cung cấp sự trao đổi năng lượng trong các phản ứng hóa học của tế bào.

Bây giờ bạn có thể bắt đầu sao chép các đoạn chuỗi, mà RNA polymerase thực hiện, cũng được điều khiển bởi năng lượng có trong ATP. Enzyme di chuyển dọc theo sợi DNA và tạo thành một vùng RNA (chứa đường, ribose thay vì deoxyribose), là khuôn mẫu để tổng hợp protein. Kết quả là, DNA được bảo toàn (tránh liên tục tháo ra và đọc các đoạn), và ngoài ra, protein có thể được tạo ra trong toàn bộ tế bào, không chỉ trong nhân.

Một bản sao gần như không có lỗi được cung cấp bởi DNA polymerase, hoạt động tương tự như RNA polymerase. Enzyme di chuyển dọc theo sợi chỉ và tạo thành đối tác của nó. Khi một phân tử khác của enzyme này di chuyển dọc theo sợi thứ hai, kết quả là tạo ra hai sợi DNA hoàn chỉnh. Enzyme cần một vài "người trợ giúp" để bắt đầu sao chép, liên kết các mảnh lại với nhau và loại bỏ các vết rạn da không cần thiết. Tuy nhiên, DNA polymerase có một "khiếm khuyết sản xuất". Nó chỉ có thể di chuyển theo một hướng. Việc sao chép yêu cầu tạo ra một cái gọi là bộ khởi động, từ đó bắt đầu sao chép thực sự. Sau khi hoàn thành, các đoạn mồi bị loại bỏ và vì polymerase không có bản sao lưu nên nó sẽ ngắn lại với mỗi bản sao DNA. Ở các đầu của sợi là các đoạn bảo vệ được gọi là telomere không mã hóa cho bất kỳ protein nào. Sau khi tiêu thụ chúng (ở người, sau khoảng 50 lần lặp lại), các nhiễm sắc thể dính lại với nhau và được đọc với lỗi, gây ra cái chết của tế bào hoặc biến đổi nó thành một tế bào ung thư. Do đó, thời gian của cuộc đời chúng ta được đo bằng đồng hồ điện tử.

Việc sao chép DNA cần nhiều enzym cùng hoạt động.

Một phân tử có kích thước DNA sẽ bị tổn thương vĩnh viễn. Một nhóm enzym khác, cũng hoạt động như những cỗ máy chuyên dụng, xử lý sự cố. Giải thích về vai trò của chúng đã được trao Giải thưởng Hóa học năm 2015 (để biết thêm thông tin chi tiết, xem bài báo tháng 2016 năm XNUMX).

Phía trong…

… các tế bào có một tế bào chất - một huyền phù của các thành phần lấp đầy chúng với các chức năng quan trọng khác nhau. Toàn bộ tế bào chất được bao phủ bởi một mạng lưới các cấu trúc protein tạo nên khung tế bào. Các vi sợi co lại cho phép tế bào thay đổi hình dạng, cho phép tế bào bò và di chuyển các bào quan bên trong. Khung tế bào cũng bao gồm các vi ống, tức là ống làm bằng protein. Đây là những phần tử khá cứng (ống rỗng luôn cứng hơn một thanh đơn có cùng đường kính) tạo thành tế bào và một số cỗ máy phân tử khác thường nhất di chuyển dọc theo chúng - protein biết đi (theo nghĩa đen!).

Các vi ống có các đầu tích điện. Protein được gọi là dynein di chuyển về phía đoạn âm, trong khi kinesin di chuyển theo hướng ngược lại. Nhờ năng lượng giải phóng từ sự phân hủy ATP, hình dạng của các protein đi bộ (còn được gọi là protein vận động hoặc vận chuyển) thay đổi theo chu kỳ, cho phép chúng di chuyển như một con vịt trên bề mặt của các vi ống. Các phân tử được trang bị một "sợi" protein, ở phần cuối của nó có thể dính vào một phân tử lớn khác hoặc một bong bóng chứa đầy chất thải. Tất cả những thứ này giống như một con robot, đang lắc lư, kéo một quả bóng bay bằng một sợi dây. Các protein cuộn vận chuyển các chất cần thiết đến đúng vị trí trong tế bào và di chuyển các thành phần bên trong của nó.

Hầu hết tất cả các phản ứng xảy ra trong tế bào đều được kiểm soát bởi các enzym, nếu không có những thay đổi này thì hầu như không bao giờ xảy ra. Enzyme là chất xúc tác hoạt động giống như những cỗ máy chuyên dụng để thực hiện một việc (rất thường xuyên chúng chỉ tăng tốc một phản ứng cụ thể). Họ nắm bắt các cơ sở của quá trình chuyển đổi, sắp xếp chúng một cách thích hợp với nhau, và sau khi kết thúc quá trình, họ phát hành sản phẩm và bắt đầu hoạt động trở lại. Liên tưởng đến một robot công nghiệp thực hiện các hành động lặp đi lặp lại liên tục là hoàn toàn đúng.

Các phân tử của chất mang năng lượng nội bào được hình thành như một sản phẩm phụ của một loạt các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, nguồn chính của ATP là hoạt động của cơ chế phức tạp nhất của tế bào - ATP synthase. Số lượng lớn nhất các phân tử của enzym này nằm trong ty thể, hoạt động như "nhà máy điện" của tế bào.

ATP synthase - trên cùng: phần cố định

trong màng, trục truyền động, mảnh có trách nhiệm

để tổng hợp ATP

Trong quá trình oxy hóa sinh học, các ion hydro được vận chuyển từ bên trong của các phần riêng lẻ của ti thể ra bên ngoài, tạo ra gradient (chênh lệch nồng độ) của chúng ở cả hai mặt của màng ti thể. Tình trạng này không ổn định và có xu hướng cân bằng nồng độ tự nhiên, đó là những gì ATP synthase tận dụng. Enzyme bao gồm một số bộ phận chuyển động và cố định. Một đoạn có các kênh được cố định trong màng, qua đó các ion hydro từ môi trường có thể xâm nhập vào ty thể. Những thay đổi cấu trúc do chuyển động của chúng sẽ làm xoay một phần khác của enzym - một phần tử thuôn dài hoạt động như một trục truyền động. Ở đầu kia của que, bên trong ty thể, một phần khác của hệ thống được gắn vào nó. Sự quay của trục gây ra chuyển động quay của mảnh bên trong, ở một số vị trí của nó, các chất nền của phản ứng tạo ATP được gắn vào, và sau đó, ở các vị trí khác của rôto, một hợp chất năng lượng cao đã được tạo sẵn. . phát hành.

Và thời điểm này không khó để tìm thấy một sự tương đồng trong thế giới công nghệ của con người. Chỉ là một máy phát điện. Dòng ion hydro làm cho các phần tử chuyển động bên trong động cơ phân tử cố định trong màng, giống như các cánh của tuabin được điều khiển bởi một dòng hơi nước. Trục chuyển ổ đĩa đến hệ thống tạo ATP thực tế. Giống như hầu hết các enzym, synthase cũng có thể hoạt động theo hướng khác và phá vỡ ATP. Quá trình này tạo ra chuyển động cho một động cơ bên trong truyền động các bộ phận chuyển động của mảnh màng qua một trục. Điều này dẫn đến việc bơm các ion hydro ra khỏi ty thể. Vì vậy, máy bơm được dẫn động bằng điện. Phép màu phân tử của tự nhiên.

Trên biên giới…

... Giữa tế bào và môi trường có một màng tế bào ngăn cách trật tự bên trong với sự hỗn độn của thế giới bên ngoài. Nó bao gồm một lớp phân tử kép, với phần ưa nước ("ưa nước") hướng ra ngoài và phần kỵ nước ("tránh nước") hướng vào nhau. Màng cũng chứa nhiều phân tử protein. Cơ thể phải tiếp xúc với môi trường: hấp thụ các chất cần thiết và thải ra chất thải. Một số hợp chất hóa học có phân tử nhỏ (ví dụ nước) có thể đi qua màng theo cả hai chiều theo gradien nồng độ. Sự khuếch tán của những thứ khác là khó khăn và chính tế bào điều chỉnh sự hấp thụ của chúng. Hơn nữa, máy di động được sử dụng để truyền - băng tải và kênh ion.

Băng tải liên kết một ion hoặc phân tử và sau đó di chuyển với nó sang phía bên kia của màng (khi màng nhỏ) hoặc - khi nó đi qua toàn bộ màng - di chuyển hạt được thu thập và giải phóng nó ở đầu kia. Tất nhiên, băng tải hoạt động theo cả hai cách và rất "khó khăn" - chúng thường chỉ vận chuyển một loại chất. Các kênh ion cho thấy một hiệu ứng hoạt động tương tự, nhưng một cơ chế khác. Chúng có thể được so sánh với một bộ lọc. Sự vận chuyển qua các kênh ion thường tuân theo một gradient nồng độ (nồng độ ion cao hơn đến thấp hơn cho đến khi chúng chững lại). Mặt khác, các cơ chế nội bào điều chỉnh việc đóng mở các lối đi. Các kênh ion cũng thể hiện tính chọn lọc cao đối với các hạt đi qua.

Kênh ion (trái) và các đường ống đang hoạt động

Trùng roi vi khuẩn là một cơ chế vận động thực sự

Có một cỗ máy phân tử thú vị khác trong màng tế bào - ổ trùng roi, đảm bảo sự di chuyển tích cực của vi khuẩn. Đây là động cơ prôtêin bao gồm hai phần: phần cố định (stato) và phần quay (rôto). Chuyển động là do dòng ion hydro từ màng vào trong tế bào. Chúng đi vào kênh trong stato và sâu hơn vào phần xa, nằm trong rôto. Để vào bên trong tế bào, các ion hydro phải tìm đường đến phần tiếp theo của kênh, phần này lại nằm trong stato. Tuy nhiên, rôto phải quay để các kênh hội tụ. Phần cuối của cánh quạt, nhô ra ngoài lồng, được uốn cong, một con trùng roi mềm dẻo được gắn vào đó, quay như cánh quạt máy bay trực thăng.

Tôi tin rằng tổng quan ngắn gọn nhất thiết về cơ chế tế bào này sẽ làm rõ rằng các thiết kế đoạt giải của những người đoạt giải Nobel, không làm giảm đi thành tựu của họ, vẫn còn xa sự hoàn hảo của các sáng tạo của quá trình tiến hóa.