Peiriannau cell

Yn 2016, dyfarnwyd Gwobr Nobel mewn Cemeg am gyflawniad trawiadol - synthesis moleciwlau sy'n gweithredu fel dyfeisiau mecanyddol. Fodd bynnag, ni ellir dweud bod y syniad o greu peiriannau bach yn syniad dynol gwreiddiol. A'r tro hwn natur oedd gyntaf.

Y peiriannau moleciwlaidd a ddyfarnwyd (mwy amdanynt yn yr erthygl o rifyn mis Ionawr o MT) yw'r cam cyntaf tuag at dechnoleg newydd a allai droi ein bywydau wyneb i waered yn fuan. Ond mae cyrff yr holl organebau byw yn llawn o fecanweithiau nanoraddfa sy'n cadw celloedd i weithredu'n effeithlon.

Yn y canol…

... mae celloedd yn cynnwys cnewyllyn, ac mae gwybodaeth enetig yn cael ei storio ynddo (nid oes gan facteria gnewyllyn ar wahân). Mae'r moleciwl DNA ei hun yn anhygoel - mae'n cynnwys mwy na 6 biliwn o elfennau (niwcleotidau: sylfaen nitrogenaidd + siwgr deoxyribose + gweddillion asid ffosfforig), gan ffurfio edafedd gyda chyfanswm hyd o tua 2 fetr. Ac nid ydym yn hyrwyddwyr yn hyn o beth, oherwydd mae yna organebau y mae eu DNA yn cynnwys cannoedd o biliynau o niwcleotidau. Er mwyn i foleciwl anferth o'r fath ffitio yn y cnewyllyn, sy'n anweledig i'r llygad noeth, mae llinynnau DNA yn cael eu troelli at ei gilydd yn helics (helics dwbl) a'u lapio o amgylch proteinau arbennig o'r enw histones. Mae gan y gell set arbennig o beiriannau i weithio gyda'r gronfa ddata hon.

Rhaid i chi ddefnyddio'r wybodaeth a gynhwysir yn DNA yn gyson: darllenwch y dilyniannau sy'n codio ar gyfer y proteinau sydd eu hangen arnoch ar hyn o bryd (trawsgrifiad), a chopïwch y gronfa ddata gyfan o bryd i'w gilydd i rannu'r gell (dyblygiad). Mae pob un o'r camau hyn yn cynnwys datod helics niwcleotidau. Ar gyfer y gweithgaredd hwn, defnyddir yr ensym helicas, sy'n symud mewn troellog ac - fel lletem - yn ei rannu'n edafedd ar wahân (mae hyn i gyd yn debyg i fellt). Mae'r ensym yn gweithio oherwydd yr egni sy'n cael ei ryddhau o ganlyniad i ymddatod cludydd egni cyffredinol y gell - ATP (adenosine triphosphate).

Model o'r moleciwl ATP. Mae atodi a datgysylltu gweddillion ffosffad (chwith) yn darparu cyfnewid ynni mewn adweithiau cemegol cellog.

Nawr gallwch chi ddechrau copïo darnau cadwyn, y mae RNA polymeras yn ei wneud, hefyd wedi'i yrru gan yr egni sydd yn ATP. Mae'r ensym yn symud ar hyd y llinyn DNA ac yn ffurfio rhanbarth o RNA (sy'n cynnwys siwgr, ribos yn lle deocsiribos), sef y templed ar gyfer syntheseiddio proteinau. O ganlyniad, mae DNA yn cael ei gadw (gan osgoi dadelfennu cyson a darllen darnau), ac, yn ogystal, gellir creu proteinau ledled y gell, nid yn y cnewyllyn yn unig.

Darperir copi di-wall bron gan DNA polymeras, sy'n gweithredu'n debyg i RNA polymeras. Mae'r ensym yn symud ar hyd yr edau ac yn cronni ei gymar. Pan fydd moleciwl arall o'r ensym hwn yn symud ar hyd yr ail edefyn, y canlyniad yw dau edefyn cyflawn o DNA. Mae angen ychydig o "gynorthwywyr" ar yr ensym i ddechrau copïo, clymu darnau at ei gilydd, a chael gwared ar farciau ymestyn diangen. Fodd bynnag, mae gan DNA polymeras "ddiffyg gweithgynhyrchu". Dim ond i un cyfeiriad y gall symud. Mae atgynhyrchu yn gofyn am greu dechreuwr fel y'i gelwir, y mae'r copïo gwirioneddol yn dechrau ohono. Ar ôl ei gwblhau, caiff y paent preimio ei dynnu a, chan nad oes gan y polymeras unrhyw wrth gefn, mae'n byrhau gyda phob copi DNA. Ar bennau'r edau mae darnau amddiffynnol o'r enw telomeres nad ydynt yn codio ar gyfer unrhyw broteinau. Ar ôl eu bwyta (mewn bodau dynol, ar ôl tua 50 o ailadroddiadau), mae'r cromosomau yn glynu at ei gilydd ac yn cael eu darllen gyda gwallau, sy'n achosi marwolaeth celloedd neu ei drawsnewid yn un canseraidd. Felly, mae amser ein bywyd yn cael ei fesur gan y cloc telomerig.

Mae copïo DNA yn gofyn am lawer o ensymau i weithio gyda'i gilydd.

Mae moleciwl maint DNA yn cael ei ddifrodi'n barhaol. Mae grŵp arall o ensymau, sydd hefyd yn gweithredu fel peiriannau arbenigol, yn delio â datrys problemau. Eglurwyd eu rôl yn ennill Gwobr Cemeg 2015 (am ragor o wybodaeth gweler erthygl Ionawr 2016).

Y tu mewn…

… mae gan gelloedd sytoplasm - daliant o gydrannau sy'n eu llenwi â swyddogaethau hanfodol amrywiol. Mae'r cytoplasm cyfan wedi'i orchuddio â rhwydwaith o strwythurau protein sy'n ffurfio'r cytoskeleton. Mae'r microffibrau contractio yn caniatáu i'r gell newid ei siâp, gan ganiatáu iddi gropian a symud ei organynnau mewnol. Mae’r sytosgerbwd hefyd yn cynnwys microtiwbylau, h.y. tiwbiau wedi'u gwneud o broteinau. Mae'r rhain yn elfennau gweddol anhyblyg (mae tiwb gwag bob amser yn anystwythach na gwialen sengl o'r un diamedr) sy'n ffurfio cell, ac mae rhai o'r peiriannau moleciwlaidd mwyaf anarferol yn symud ar eu hyd - proteinau cerdded (yn llythrennol!).

Mae gan ficrodiwbynnau ddau ben â gwefr drydanol. Mae proteinau o'r enw dyneinau yn symud tuag at y darn negyddol, tra bod cinesinau yn symud i'r cyfeiriad arall. Diolch i'r egni sy'n cael ei ryddhau o ddadelfennu ATP, mae siâp proteinau cerdded (a elwir hefyd yn broteinau modur neu gludiant) yn newid mewn cylchoedd, gan ganiatáu iddynt symud fel hwyaden ar draws wyneb microdiwbylau. Mae gan foleciwlau "edau" protein, y gall moleciwl mawr arall neu swigen wedi'i lenwi â chynhyrchion gwastraff gadw at ei ddiwedd. Mae hyn i gyd yn debyg i robot, sydd, yn siglo, yn tynnu balŵn wrth linyn. Mae proteinau rholio yn cludo'r sylweddau angenrheidiol i'r mannau cywir yn y gell ac yn symud ei gydrannau mewnol.

Mae bron pob adwaith sy'n digwydd yn y gell yn cael ei reoli gan ensymau, a hebddynt ni fyddai'r newidiadau hyn bron byth yn digwydd. Mae ensymau yn gatalyddion sy'n gweithredu fel peiriannau arbenigol i wneud un peth (yn aml iawn dim ond un adwaith penodol maen nhw'n ei gyflymu). Maent yn dal y swbstradau trawsnewid, yn eu trefnu'n briodol i'w gilydd, ac ar ôl diwedd y broses maent yn rhyddhau'r cynhyrchion ac yn dechrau gweithio eto. Mae'r cysylltiad â robot diwydiannol sy'n perfformio gweithredoedd ailadroddus diddiwedd yn gwbl wir.

Mae moleciwlau'r cludwr ynni mewngellol yn cael eu ffurfio fel sgil-gynnyrch cyfres o adweithiau cemegol. Fodd bynnag, prif ffynhonnell ATP yw gwaith mecanwaith mwyaf cymhleth y gell - ATP synthase. Mae'r nifer fwyaf o foleciwlau'r ensym hwn wedi'i leoli yn y mitocondria, sy'n gweithredu fel "gweithfeydd pŵer" cellog.

ATP synthase - top: rhan sefydlog

yn y bilen, siafft yrru, darn cyfrifol

ar gyfer synthesis ATP

Yn y broses o ocsidiad biolegol, mae ïonau hydrogen yn cael eu cludo o'r tu mewn i adrannau unigol o'r mitocondria i'r tu allan, sy'n creu eu graddiant (gwahaniaeth crynodiad) ar ddwy ochr y bilen mitocondriaidd. Mae'r sefyllfa hon yn ansefydlog ac mae tuedd naturiol i grynodiadau gydraddoli, sef yr hyn y mae ATP synthase yn manteisio arno. Mae'r ensym yn cynnwys sawl rhan symudol a sefydlog. Mae darn â sianeli wedi'i osod yn y bilen, lle gall ïonau hydrogen o'r amgylchedd dreiddio i'r mitocondria. Mae newidiadau strwythurol a achosir gan eu symudiad yn cylchdroi rhan arall o'r ensym - elfen hirgul sy'n gweithredu fel siafft yrru. Ar ben arall y gwialen, y tu mewn i'r mitocondrion, mae darn arall o'r system ynghlwm wrtho. Mae cylchdroi'r siafft yn achosi cylchdroi'r darn mewnol, y mae swbstradau'r adwaith ffurfio ATP ynghlwm wrtho - mewn rhai o'i safleoedd, ac yna - mewn safleoedd eraill o'r rotor - y cyfansawdd ynni uchel gorffenedig. rhyddhau.

A'r tro hwn nid yw'n anodd dod o hyd i gyfatebiaeth ym myd technoleg ddynol. Dim ond generadur trydan. Mae llif ïonau hydrogen yn gwneud i'r elfennau symud y tu mewn i'r modur moleciwlaidd sydd wedi'i ansymudol yn y bilen, fel llafnau tyrbin sy'n cael ei yrru gan lif o anwedd dŵr. Mae'r siafft yn trosglwyddo'r gyriant i'r system gynhyrchu ATP gwirioneddol. Fel y rhan fwyaf o ensymau, gall synthase hefyd weithredu i'r cyfeiriad arall a chwalu ATP. Mae'r broses hon yn rhoi modur mewnol ar waith sy'n gyrru rhannau symudol y darn bilen trwy siafft. Mae hyn, yn ei dro, yn arwain at bwmpio ïonau hydrogen o'r mitocondria. Felly, mae'r pwmp yn cael ei yrru'n drydanol. Gwyrth moleciwlaidd natur.

I'r ffiniau...

... Rhwng y gell a'r amgylchedd mae cellbilen sy'n gwahanu'r drefn fewnol oddi wrth anhrefn y byd allanol. Mae'n cynnwys haen ddwbl o foleciwlau, gyda'r rhannau hydroffilig ("caru dŵr") tuag allan a'r rhannau hydroffobig ("osgoi dŵr") tuag at ei gilydd. Mae'r bilen hefyd yn cynnwys llawer o foleciwlau protein. Rhaid i'r corff ddod i gysylltiad â'r amgylchedd: amsugno'r sylweddau sydd eu hangen arno a rhyddhau gwastraff. Gall rhai cyfansoddion cemegol gyda moleciwlau bach (er enghraifft, dŵr) fynd trwy'r bilen i'r ddau gyfeiriad yn ôl y graddiant crynodiad. Mae tryledu eraill yn anodd, ac mae'r gell ei hun yn rheoli eu hamsugno. Ymhellach, defnyddir peiriannau cellog ar gyfer trawsyrru - cludwyr a sianeli ïon.

Mae'r cludwr yn rhwymo ïon neu foleciwl ac yna'n symud gydag ef i ochr arall y bilen (pan fo'r bilen ei hun yn fach) neu - pan fydd yn mynd trwy'r bilen gyfan - yn symud y gronyn a gasglwyd ac yn ei ryddhau yn y pen arall. Wrth gwrs, mae cludwyr yn gweithio'r ddwy ffordd ac yn "anfanwl" iawn - maen nhw'n aml yn cludo un math o sylwedd yn unig. Mae sianeli Ion yn dangos effaith waith debyg, ond mecanwaith gwahanol. Gellir eu cymharu â hidlydd. Yn gyffredinol, mae cludiant trwy sianeli ïon yn dilyn graddiant crynodiad (crynodiad ïon uwch i is nes eu bod yn lefelu). Ar y llaw arall, mae mecanweithiau mewngellol yn rheoleiddio agor a chau darnau. Mae'r sianeli ïon hefyd yn arddangos detholiad uchel i ronynnau basio drwodd.

Sianel Ion (chwith) a phiblinellau ar waith

Mae'r flagellum bacteriol yn fecanwaith gyrru go iawn

Mae peiriant moleciwlaidd diddorol arall yn y gellbilen - y gyriant flagellum, sy'n sicrhau symudiad gweithredol bacteria. Peiriant protein yw hwn sy'n cynnwys dwy ran: rhan sefydlog (stator) a rhan gylchdroi (rotor). Mae symudiad yn cael ei achosi gan lif ïonau hydrogen o'r bilen i'r gell. Maent yn mynd i mewn i'r sianel yn y stator ac ymhellach i'r rhan distal, sydd wedi'i leoli yn y rotor. I fynd i mewn i'r gell, rhaid i ïonau hydrogen ddod o hyd i'w ffordd i ran nesaf y sianel, sydd eto yn y stator. Fodd bynnag, rhaid i'r rotor gylchdroi er mwyn i'r sianeli gydgyfeirio. Mae diwedd y rotor, sy'n ymwthio allan y tu hwnt i'r cawell, yn grwm, mae fflangell hyblyg ynghlwm wrtho, yn cylchdroi fel llafn gwthio hofrennydd.

Credaf y bydd y trosolwg byr hwn o'r mecanwaith cellog o reidrwydd yn ei gwneud yn glir bod dyluniadau buddugol enillwyr y Wobr Nobel, heb amharu ar eu cyflawniadau, yn dal i fod ymhell o fod yn berffeithrwydd creadigaethau esblygiad.