Клеткалык машиналар

2016-жылы химия боюнча Нобель сыйлыгы таасирдүү жетишкендиги үчүн – механикалык түзүлүштөрдүн ролун аткарган молекулалардын синтези үчүн ыйгарылган. Бирок, миниатюралык машиналарды түзүү идеясы адамдын оригиналдуу идеясы деп айтууга болбойт. Ал эми бул жолу жаратылыш биринчи болду.

Сыйланган молекулярдык машиналар (алар жөнүндө МТ-нын январь айындагы макаласында) жакында биздин жашообузду түп-тамыры менен өзгөртүшү мүмкүн болгон жаңы технологияга биринчи кадам болуп саналат. Бирок бардык тирүү организмдердин денелери клеткалардын натыйжалуу иштешин камсыз кылган нано масштабдуу механизмдерге толгон.

Борбордо…

... клеткалар ядрону камтыйт жана анда генетикалык маалымат сакталат (бактериялардын өзүнчө ядросу жок). ДНК молекуласынын өзү укмуштуудай – ал 6 миллиарддан ашык элементтерден турат (нуклеотиддер: азоттук негиз + дезоксирибоза кант + фосфор кислотасынын калдыктары), жалпы узундугу 2 метрдей жиптерди пайда кылат. Жана биз бул жагынан чемпион эмеспиз, анткени ДНКсы жүз миллиарддаган нуклеотиддерден турган организмдер бар. Көзгө көрүнбөгөн мынчалык алп молекуланын ядрого туура келиши үчүн ДНК жипчелери бир спиралга (кош спираль) айланып, гистондор деп аталган атайын белокторго оролот. Клеткада бул маалымат базасы менен иштөө үчүн атайын машиналар топтому бар.

ДНКда камтылган маалыматты тынымсыз колдонушуңуз керек: учурда сизге керектүү протеиндерди коддоочу тизмектерди окуп чыгыңыз (транскрипция) жана клетканы бөлүү (репликация) үчүн мезгил-мезгили менен бүт маалымат базасын көчүрүңүз. Бул кадамдардын ар бири нуклеотиддердин спиралын ачууну камтыйт. Бул иш үчүн спираль түрүндө кыймылдап, аны клин сыяктуу өзүнчө жиптерге бөлүүчү спираль ферменти колдонулат (мунун баары чагылганга окшош). Фермент клетканын универсалдуу энергия алып жүрүүчүсү - АТФ (аденозинтрифосфат) ыдыралышынын натыйжасында бөлүнүп чыккан энергиянын эсебинен иштейт.

ATP молекуласынын модели. Фосфат калдыктарынын биригиши жана бөлүнүшү (солдо) клеткалык химиялык реакцияларда энергия алмашууну камсыз кылат.

Эми сиз чынжыр фрагменттерин көчүрө баштасаңыз болот, бул РНК полимеразасы, ошондой эле ATP камтылган энергия менен шартталган. Фермент ДНК тилкеси боюнча жылып, РНК аймагын (курамында кант, дезоксирибозанын ордуна рибоза бар) түзөт, бул протеиндер синтезделет. Натыйжада, ДНК сакталат (фрагменттердин үзгүлтүксүз ачылуусуна жана окуусуна жол бербөө), андан тышкары, белоктор ядродо эле эмес, бүт клеткада түзүлүшү мүмкүн.

Дээрлик катасыз копия РНК полимеразага окшош иш-аракет кылган ДНК полимераза тарабынан камсыз кылынат. Фермент жипти бойлото жылып, өзүнө окшошту түзөт. Бул ферменттин башка бир молекуласы экинчи тилке боюнча кыймылдаганда, натыйжада ДНКнын эки толук тилкеси пайда болот. Көчүрүү, фрагменттерди бириктирүү жана керексиз чоюу белгилерин жок кылуу үчүн ферментке бир нече "жардамчы" керек. Бирок ДНК-полимеразада «өндүрүш кемчилиги» бар. Ал бир гана багытта кыймылдай алат. Репликация стартер деп аталган нерсени түзүүнү талап кылат, андан чыныгы көчүрүү башталат. Бүткөндөн кийин, праймерлер алынып салынат жана полимеразанын камдык көчүрмөсү жок болгондуктан, ал ар бир ДНК көчүрмөсү менен кыскарат. Жиптин учтарында теломерлер деп аталган, эч кандай протеинди коддобогон коргоочу фрагменттер бар. Аларды керектөөдөн кийин (адамдарда, болжол менен 50 кайталоодон кийин) хромосомалар бири-бирине жабышып, каталар менен окулат, бул клетканын өлүмүнө же анын рак оорусуна айланышына алып келет. Ошентип, жашообуздун убактысы теломердик саат менен өлчөнөт.

ДНКны копиялоо көптөгөн ферменттердин чогуу иштешин талап кылат.

ДНК чоңдуктагы бир молекула туруктуу зыянга учурайт. Башка бир ферменттер тобу, ошондой эле адистештирилген машиналардын милдетин аткарып, көйгөйлөрдү чечүү менен алектенет. Алардын ролун түшүндүрүү 2015-жылы химия боюнча сыйлыкка татыктуу болгон (көбүрөөк маалымат үчүн 2016-жылдын январындагы макаланы караңыз).

Ичинде…

... клеткалардын цитоплазмасы бар - аларды ар кандай маанилүү функциялар менен толтурган компоненттердин суспензиясы. Бүт цитоплазма цитоскелетти түзгөн белок структураларынын тармагы менен капталган. Жыйырылган микроталчалар клетканын формасын өзгөртүүгө мүмкүндүк берип, анын сойлоп, ички органеллдерин кыймылга келтирет. Цитоскелет микротүтүкчөлөрдү да камтыйт, б.а. белоктордон жасалган түтүктөр. Булар бир клетканы түзүүчү кыйла катуу элементтер (көңдөй түтүк бирдей диаметрдеги бир таякчага караганда дайыма катуураак) жана аларды бойлоп эң адаттан тыш молекулярдык машиналар кыймылдашат - басуучу белоктор (сөзмө-сөз!).

Микротүтүкчөлөрдүн учтары электрдик зарядга ээ. Динеиндер деп аталган белоктор терс фрагментти көздөй, ал эми кинезиндер карама-каршы багытта жылат. АТФтин бузулушунан бөлүнүп чыккан энергиянын урматында, басуучу белоктордун формасы (мотор же транспорттук белоктор деп да белгилүү) циклдер боюнча өзгөрүп, микротүтүкчөлөрдүн бетинде өрдөк сымал кыймылдашат. Молекулалар белок "жип" менен жабдылган, анын учуна дагы бир чоң молекула же калдыктар менен толтурулган көбүк жабышып калышы мүмкүн. Мунун баары термелип шарды жиптен тартып алган роботту элестетет. Тоголок протеиндер керектүү заттарды клетканын керектүү жерлерине жеткирип, анын ички бөлүктөрүн кыймылдатат.

Клеткада болгон дээрлик бардык реакциялар ферменттер тарабынан башкарылат, ансыз бул өзгөрүүлөр дээрлик эч качан болбойт. Ферменттер бир нерсени жасоо үчүн атайын машиналар сыяктуу иштеген катализаторлор (көп учурда алар бир гана реакцияны тездетет). Алар трансформациянын субстраттарын кармап, аларды бири-бирине ылайыкташтырышат жана процесс аяктагандан кийин продукцияларды чыгарып, кайра иштей башташат. Чексиз кайталануучу иш-аракеттерди жасаган өнөр жай роботу менен байланышуу таптакыр туура.

Клетка ичиндеги энергия алып жүрүүчүнүн молекулалары бир катар химиялык реакциялардын кошумча продуктусу катары түзүлөт. Бирок АТФтин негизги булагы клетканын эң татаал механизми – АТФ синтазасынын иши. Бул ферменттин эң көп сандагы молекулалары клеткалык «энергетикалык станциялардын» ролун аткарган митохондрияда жайгашкан.

ATP синтаза - үстү: туруктуу бөлүк

мембранада, жетектөөчү валда, жооптуу фрагментте

ATP синтези үчүн

Биологиялык кычкылдануу процессинде суутек иондору митохондриянын айрым бөлүмдөрүнүн ичинен сыртка ташылат, бул алардын митохондриялык мембрананын эки жагында градиентин (концентрациянын айырмасын) пайда кылат. Бул абал туруксуз жана концентрациялардын теңдешине табигый тенденция бар, бул ATP синтазасынын артыкчылыктарын пайдаланат. Фермент бир нече кыймылдуу жана туруктуу бөлүктөн турат. Мембранада каналдары бар фрагмент бекитилет, ал аркылуу чөйрөдөгү суутек иондору митохондрияга кире алат. Алардын кыймылынан келип чыккан структуралык өзгөрүүлөр ферменттин башка бөлүгүн – кыймылдаткыч валдын милдетин аткаруучу узун элементти айлантат. Таякчанын экинчи учунда митохондриянын ичинде системанын дагы бир бөлүгү ага жабышкан. Валдын айлануусу ички фрагменттин айлануусун шарттайт, ага - анын кээ бир позицияларында - АТФ түзүүчү реакциянын субстраттары, андан кийин - ротордун башка позицияларында - даяр жогорку энергиялуу кошулма кошулат. бошотулду.

Ал эми бул жолу адамдык технология дүйнөсүндө окшоштук табуу кыйын эмес. Жөн эле электр генератору. Суутек иондорунун агымы элементтерди суунун буусунун агымы менен кыймылдаткыч турбинанын пычактары сыяктуу мембранада кыймылсызданган молекулалык кыймылдаткычтын ичинде кыймылга келтирет. Вал дискти чыныгы ATP генерациялоо системасына өткөрүп берет. Көпчүлүк ферменттер сыяктуу эле, синтаза дагы башка багытта иш алып барып, ATPди талкалай алат. Бул процесс мембраналык фрагменттин кыймылдуу бөлүктөрүн вал аркылуу кыймылга келтирүүчү ички кыймылдаткычты кыймылга келтирет. Бул, өз кезегинде, митохондриядан суутек иондорунун сорулуп чыгышына алып келет. Ошентип, насос электрдик айдалат. Табияттын молекулярдык керемети.

Чек араларга...

...Клетка менен чөйрөнүн ортосунда ички тартипти тышкы дүйнөнүн башаламандыгынан бөлүп турган клетка кабыкчасы бар. Ал гидрофильдүү («сууну сүйүүчү») бөлүктөрү сыртка жана гидрофобдук («суудан качкан») бөлүктөрү бири-бирине караган эки катмардан турган молекулалардан турат. Мембранада да көптөгөн белок молекулалары бар. Организм айлана-чөйрө менен байланышта болушу керек: өзүнө керектүү заттарды сиңирип, калдыктарды чыгарат. Кичине молекулалуу кээ бир химиялык бирикмелер (мисалы, суу) концентрация градиентине ылайык мембрана аркылуу эки тарапка тең өтө алат. Башкалардын диффузиясы кыйын, алардын сиңүүсүн клетка өзү жөнгө салат. Андан ары уюлдук машиналар берүү үчүн колдонулат - конвейерлер жана ион каналдары.

Конвейер ионду же молекуланы байлап, андан кийин аны менен мембрананын башка тарабына (мембрананын өзү кичинекей болгондо) жылат же - бүт мембранадан өткөндө - чогулган бөлүкчөлөрдү жылдырып, экинчи учуна коё берет. Албетте, конвейерлер эки тарапта иштешет жана абдан «татаал» — алар көбүнчө бир гана түрдөгү заттарды ташышат. Иондук каналдар окшош иш эффектин көрсөтөт, бирок башка механизм. Аларды чыпкага салыштырууга болот. Иондук каналдар аркылуу ташуу жалпысынан концентрация градиентинен (жогоркудан төмөн ион концентрациясынан алар деңгээли түшкөнгө чейин) ээрчийт. Башка жагынан алганда, клетка ичиндеги механизмдер өткөөлдөрдүн ачылышын жана жабылышын жөнгө салат. Ион каналдары да бөлүкчөлөрдүн өтүшү үчүн жогорку тандалма касиеттерин көрсөтөт.

Иондук канал (солдо) жана проводдор иштеп жатат

Бактериялык желек чыныгы кыймылдаткыч механизм болуп саналат

Клетка кабыкчасында дагы бир кызыктуу молекулярдык машина бар - бактериялардын активдүү кыймылын камсыз кылган флагелум кыймылдаткычы. Бул эки бөлүктөн турган белок кыймылдаткычы: туруктуу бөлүк (статор) жана айлануучу бөлүгү (ротор). Кыймыл суутек иондорунун мембранадан клеткага өтүшү менен шартталган. Алар статордогу каналга жана андан ары ротордо жайгашкан дисталдык бөлүккө кирет. Клетканын ичине кирүү үчүн суутек иондору каналдын кайрадан статордогу кийинки бөлүгүнө жол табышы керек. Бирок, каналдар биригиши үчүн ротор айланышы керек. Ротордун капаска сыртка чыгып турган учу ийри, ага ийкемдүү желек бекитилип, вертолеттун винтиндей айланып турат.

Уюлдук механизмдин бул кыскача баяндамасы Нобель сыйлыгынын лауреаттарынын утуп алган дизайндарынын жетишкендиктерин жокко чыгарбастан, эволюциянын жаратууларынын кемчиликсиздигинен дагы эле алыс экенин ачык көрсөтөт деп ишенем.