Hüceyrə maşınları

2016-cı ildə Kimya üzrə Nobel Mükafatı təsirli nailiyyətə - mexaniki qurğular kimi fəaliyyət göstərən molekulların sintezinə görə verilib. Bununla belə, miniatür maşınların yaradılması ideyasının orijinal insan ideyası olduğunu söyləmək olmaz. Və bu dəfə təbiət birinci oldu.

Mükafatlandırılan molekulyar maşınlar (onlar haqqında daha çox MT-nin yanvar sayındakı məqalədə) həyatımızı tezliklə alt-üst edə biləcək yeni texnologiyaya doğru ilk addımdır. Lakin bütün canlı orqanizmlərin bədənləri hüceyrələrin səmərəli işləməsini təmin edən nanoölçülü mexanizmlərlə doludur.

Mərkəzdə…

... hüceyrələr nüvədən ibarətdir və genetik məlumat orada saxlanılır (bakteriyaların ayrıca nüvəsi yoxdur). DNT molekulunun özü heyrətamizdir - o, 6 milyarddan çox elementdən (nukleotidlər: azotlu əsas + dezoksiriboza şəkər + fosfor turşusu qalığı) ibarətdir və ümumi uzunluğu təxminən 2 metr olan saplar əmələ gətirir. Biz isə bu məsələdə çempion deyilik, çünki elə orqanizmlər var ki, onların DNT-si yüz milyardlarla nukleotiddən ibarətdir. Belə bir nəhəng molekulun adi gözlə görünməyən nüvəyə sığması üçün DNT zəncirləri bir-birinə bükülərək bir spiral (ikiqat spiral) şəklində bükülür və histon adlanan xüsusi zülalların ətrafına sarılır. Hüceyrədə bu verilənlər bazası ilə işləmək üçün xüsusi maşınlar dəsti var.

Daim DNT-də olan məlumatlardan istifadə etməlisiniz: hazırda ehtiyacınız olan zülalları kodlayan ardıcıllıqları oxuyun (transkripsiya) və hüceyrəni bölmək (replikasiya) üçün vaxtaşırı bütün verilənlər bazasını köçürün. Bu addımların hər biri nukleotidlərin spiralının açılmasını nəzərdə tutur. Bu fəaliyyət üçün spiral şəklində hərəkət edən və - bir paz kimi - onu ayrı-ayrı iplərə ayıran helikaz fermenti istifadə olunur (bütün bunlar ildırıma bənzəyir). Ferment hüceyrənin universal enerji daşıyıcısı - ATP-nin (adenozin trifosfat) parçalanması nəticəsində ayrılan enerji hesabına işləyir.

ATP molekulunun modeli. Fosfat qalıqlarının birləşməsi və ayrılması (solda) hüceyrə kimyəvi reaksiyalarında enerji mübadiləsini təmin edir.

İndi siz ATP-də olan enerji ilə idarə olunan RNT polimerazanın etdiyi zəncir fraqmentlərinin surətini çıxarmağa başlaya bilərsiniz. Ferment DNT zəncirində hərəkət edir və zülalların sintez olunduğu şablon olan RNT bölgəsini (tərkibində şəkər, dezoksiriboza əvəzinə riboza) əmələ gətirir. Nəticədə, DNT qorunub saxlanılır (parçaların daimi açılmaması və oxunmasının qarşısını alır) və əlavə olaraq, zülallar təkcə nüvədə deyil, bütün hüceyrədə yaradıla bilər.

Demək olar ki, səhvsiz bir nüsxə RNT polimeraza oxşar şəkildə fəaliyyət göstərən DNT polimeraz tərəfindən təmin edilir. Ferment iplik boyunca hərəkət edir və qarşı tərəfini qurur. Bu fermentin başqa bir molekulu ikinci zəncir boyunca hərəkət etdikdə nəticə iki tam DNT zənciridir. Kopyalamaya başlamaq, fraqmentləri bir-birinə bağlamaq və lazımsız uzanma işarələrini aradan qaldırmaq üçün fermentə bir neçə "köməkçi" lazımdır. Bununla belə, DNT polimerazının "istehsal qüsuru" var. Yalnız bir istiqamətdə hərəkət edə bilər. Replikasiya faktiki surətin çıxarılmasının başladığı sözdə başlanğıcın yaradılmasını tələb edir. Tamamlandıqdan sonra primerlər çıxarılır və polimerazın ehtiyat nüsxəsi olmadığı üçün hər DNT nüsxəsi ilə qısalır. İpin uclarında heç bir zülal kodlaşdırmayan telomer adlanan qoruyucu fraqmentlər var. Onların istehlakından sonra (insanlarda, təxminən 50 təkrardan sonra) xromosomlar bir-birinə yapışır və səhvlərlə oxunur, bu da hüceyrə ölümünə və ya xərçəngə çevrilməsinə səbəb olur. Beləliklə, həyatımızın vaxtı telomerik saatla ölçülür.

DNT-nin surətini çıxarmaq bir çox fermentin birlikdə işləməsini tələb edir.

DNT böyüklüyündə bir molekul qalıcı zədələnir. İxtisaslaşdırılmış maşınlar kimi də fəaliyyət göstərən digər fermentlər qrupu nasazlıqların aradan qaldırılması ilə məşğul olur. Onların rolunun izahı 2015-ci il Kimya Mükafatına layiq görüldü (ətraflı məlumat üçün 2016-cı ilin yanvar məqaləsinə baxın).

İçəri…

...hüceyrələrin sitoplazması var - onları müxtəlif həyati funksiyalarla dolduran komponentlərin süspansiyonu. Bütün sitoplazma sitoskeleti təşkil edən protein strukturları şəbəkəsi ilə örtülmüşdür. Büzülən mikroliflər hüceyrənin formasını dəyişməyə imkan verir, onun daxili orqanoidlərini sürünməsinə və hərəkət etdirməsinə imkan verir. Sitoskeleton da mikrotubulları ehtiva edir, yəni. zülallardan hazırlanmış borular. Bunlar kifayət qədər sərt elementlərdir (içi boş boru həmişə eyni diametrli bir çubuqdan daha sərtdir) hüceyrə təşkil edir və ən qeyri-adi molekulyar maşınlardan bəziləri onlar boyunca hərəkət edir - gəzinti zülalları (sözün əsl mənasında!).

Mikrotubulların elektrik yüklü ucları var. Dinein adlanan zülallar mənfi fraqmentə doğru, kinesinlər isə əks istiqamətdə hərəkət edir. ATP-nin parçalanması nəticəsində ayrılan enerji sayəsində yeriyən zülalların forması (həmçinin motor və ya nəqliyyat zülalları kimi tanınır) dövrlərdə dəyişir və onların mikrotubulların səthində ördək kimi hərəkət etməsinə imkan verir. Molekullar bir zülal "ipi" ilə təchiz olunmuşdur, bunun ucuna başqa bir böyük molekul və ya tullantı məhsullarla dolu bir qabarcıq yapışa bilər. Bütün bunlar yırğalanaraq şarı iplə çəkən robota bənzəyir. Yuvarlanan zülallar lazımi maddələri hüceyrədə lazımi yerlərə daşıyır və onun daxili komponentlərini hərəkətə gətirir.

Hüceyrədə baş verən demək olar ki, bütün reaksiyalar fermentlər tərəfindən idarə olunur, onlar olmadan bu dəyişikliklər demək olar ki, heç vaxt baş verməyəcəkdir. Fermentlər bir işi yerinə yetirmək üçün xüsusi maşınlar kimi fəaliyyət göstərən katalizatorlardır (çox vaxt onlar yalnız müəyyən bir reaksiyanı sürətləndirirlər). Onlar transformasiya substratlarını tutur, onları bir-birinə uyğun şəkildə təşkil edir və proses bitdikdən sonra məhsulları buraxır və yenidən işə başlayırlar. Sonsuz təkrarlanan hərəkətləri yerinə yetirən sənaye robotu ilə əlaqə tamamilə doğrudur.

Hüceyrədaxili enerji daşıyıcısının molekulları bir sıra kimyəvi reaksiyaların əlavə məhsulu kimi əmələ gəlir. Bununla belə, ATP-nin əsas mənbəyi hüceyrənin ən mürəkkəb mexanizminin - ATP sintazasının işidir. Bu fermentin ən çox molekulu hüceyrə "elektrik stansiyaları" kimi fəaliyyət göstərən mitoxondrilərdə yerləşir.

ATP sintaza - yuxarı: sabit hissə

membranda, sürücü şaftında, məsul fraqmentdə

ATP sintezi üçün

Bioloji oksidləşmə prosesində hidrogen ionları mitoxondrilərin ayrı-ayrı hissələrinin daxilindən xaricə daşınır ki, bu da mitoxondrial membranın hər iki tərəfində onların qradiyenti (konsentrasiya fərqi) yaradır. Bu vəziyyət qeyri-sabitdir və konsentrasiyaların bərabərləşməsi üçün təbii bir tendensiya var ki, ATP sintazı bundan faydalanır. Ferment bir neçə hərəkətli və sabit hissədən ibarətdir. Kanalları olan bir fraqment membranda sabitlənmişdir, bunun vasitəsilə ətraf mühitdən gələn hidrogen ionları mitoxondriyaya nüfuz edə bilər. Onların hərəkəti nəticəsində yaranan struktur dəyişiklikləri fermentin başqa bir hissəsini - sürücü şaftının rolunu oynayan uzunsov elementi fırladır. Çubuğun digər ucunda, mitoxondrinin içərisində, sistemin başqa bir parçası ona bağlıdır. Şaftın fırlanması daxili fraqmentin fırlanmasına səbəb olur, onun bəzi mövqelərində ATP əmələ gətirən reaksiyanın substratları, sonra isə rotorun digər mövqelərində hazır yüksək enerjili birləşmə bağlanır. . sərbəst buraxıldı.

Və bu dəfə insan texnologiyası aləmində bənzətmə tapmaq çətin deyil. Sadəcə elektrik generatoru. Hidrogen ionlarının axını elementləri su buxarı axını ilə idarə olunan turbinin bıçaqları kimi membranda hərəkətsizləşmiş molekulyar motorun içərisində hərəkətə gətirir. Şaft sürücünü faktiki ATP generasiya sisteminə köçürür. Əksər fermentlər kimi, sintaza da digər istiqamətdə hərəkət edərək ATP-ni parçalaya bilir. Bu proses membran parçasının hərəkət edən hissələrini şaft vasitəsilə hərəkətə gətirən daxili mühərriki hərəkətə gətirir. Bu, öz növbəsində, mitoxondriyadan hidrogen ionlarının çıxarılmasına səbəb olur. Beləliklə, nasos elektriklə idarə olunur. Təbiətin molekulyar möcüzəsi.

Sərhəddə…

...Hüceyrə ilə ətraf mühit arasında daxili nizamı xarici dünyanın xaosundan ayıran hüceyrə membranı var. O, hidrofilik ("su sevən") hissələr xaricə, hidrofobik ("sudan qaçan") hissələr bir-birinə doğru olan ikiqat molekullardan ibarətdir. Membranda çoxlu protein molekulları da var. Bədən ətraf mühitlə təmasda olmalıdır: ehtiyac duyduğu maddələri udmaq və tullantıları buraxmaq. Kiçik molekullu bəzi kimyəvi birləşmələr (məsələn, su) konsentrasiya qradiyentinə uyğun olaraq membrandan hər iki istiqamətdə keçə bilər. Başqalarının diffuziyası çətindir və hüceyrə özü onların udulmasını tənzimləyir. Bundan əlavə, ötürmə üçün mobil maşınlar istifadə olunur - konveyerlər və ion kanalları.

Konveyer bir ion və ya molekulu bağlayır və sonra onunla membranın digər tərəfinə keçir (membranın özü kiçik olduqda) və ya - bütün membrandan keçdikdə - yığılmış hissəciyi hərəkət etdirir və digər ucunda buraxır. Əlbəttə ki, konveyerlər hər iki istiqamətdə işləyir və çox "incə" olurlar - onlar çox vaxt yalnız bir növ maddə daşıyırlar. İon kanalları oxşar iş effekti, lakin fərqli bir mexanizm göstərir. Onları filtrlə müqayisə etmək olar. İon kanalları vasitəsilə daşınma ümumiyyətlə konsentrasiya qradiyentini (yüksəkdən aşağı ion konsentrasiyaları səviyyəyə çatana qədər) izləyir. Digər tərəfdən, hüceyrədaxili mexanizmlər keçidlərin açılmasını və bağlanmasını tənzimləyir. İon kanalları da hissəciklərin keçməsi üçün yüksək seçicilik nümayiş etdirir.

İon kanalı (solda) və boru kəmərləri istismardadır

Bakterial flagellum əsl sürücülük mexanizmidir

Hüceyrə membranında başqa bir maraqlı molekulyar maşın var - bakteriyaların aktiv hərəkətini təmin edən flagellum sürücüsü. Bu, iki hissədən ibarət olan bir protein mühərrikidir: sabit hissə (stator) və fırlanan hissə (rotor). Hərəkət membrandan hüceyrəyə hidrogen ionlarının axması nəticəsində baş verir. Onlar statordakı kanala və daha sonra rotorda yerləşən distal hissəyə daxil olurlar. Hüceyrənin içərisinə daxil olmaq üçün hidrogen ionları kanalın yenidən statorda olan növbəti hissəsinə yol tapmalıdır. Bununla belə, kanalların birləşməsi üçün rotor dönməlidir. Qəfəsdən kənara çıxan rotorun ucu əyridir, ona bir vertolyot pervanesi kimi fırlanan çevik bir bayraq bağlanır.

İnanıram ki, hüceyrə mexanizminin bu qısa icmalı, Nobel mükafatı laureatlarının qazanan dizaynlarının, nailiyyətlərindən heç bir fərq qoymadan, təkamül yaradıcılığının mükəmməlliyindən hələ də uzaq olduğunu aydınlaşdıracaq.