Máquinas celulares

En 2016, o Premio Nobel de Química foi concedido por un logro impresionante: a síntese de moléculas que actúan como dispositivos mecánicos. Non obstante, non se pode dicir que a idea de crear máquinas en miniatura sexa unha idea humana orixinal. E esta vez a natureza foi a primeira.

As máquinas moleculares premiadas (máis sobre elas no artigo do número de xaneiro de MT) son o primeiro paso cara a unha nova tecnoloxía que pronto pode poñer patas arriba as nosas vidas. Pero os corpos de todos os organismos vivos están cheos de mecanismos a nanoescala que manteñen as células funcionando de forma eficiente.

No centro…

... as células conteñen un núcleo, e nel almacénase información xenética (as bacterias non teñen un núcleo separado). A propia molécula de ADN é sorprendente: está formada por máis de 6 millóns de elementos (nucleótidos: base nitroxenada + azucre desoxirribosa + residuo de ácido fosfórico), formando fíos cunha lonxitude total duns 2 metros. E nós non somos campións neste sentido, porque hai organismos cuxo ADN está formado por centos de miles de millóns de nucleótidos. Para que unha molécula tan xigante encaixa no núcleo, invisible a simple vista, as cadeas de ADN envólvense nunha hélice (dobre hélice) e envólvense nunhas proteínas especiais chamadas histonas. A cela ten un conxunto especial de máquinas para traballar con esta base de datos.

Debes utilizar constantemente a información contida no ADN: ler as secuencias que codifican as proteínas que necesitas actualmente (transcrición), e copiar de cando en vez toda a base de datos para dividir a célula (replicación). Cada un destes pasos implica desentrañar a hélice de nucleótidos. Para esta actividade utilízase o encima helicase, que se move en espiral e, como unha cuña, divídeo en fíos separados (todo isto semella un raio). O encima funciona debido á enerxía liberada como resultado da ruptura do portador de enerxía universal da célula - ATP (adenosina trifosfato).

Modelo da molécula de ATP. A adhesión e a separación dos residuos de fosfato (esquerda) proporcionan o intercambio de enerxía nas reaccións químicas celulares.

Agora podes comezar a copiar fragmentos de cadea, que fai a ARN polimerase, tamén impulsados ​​pola enerxía contida no ATP. O encima móvese ao longo da cadea de ADN e forma unha rexión de ARN (que contén azucre, ribosa en lugar de desoxirribosa), que é o molde sobre o que se sintetizan as proteínas. Como resultado, consérvase o ADN (evitando o desvelamento e lectura constante de fragmentos) e, ademais, pódense crear proteínas en toda a célula, non só no núcleo.

A ADN polimerase proporciona unha copia case sen erros, que actúa de forma similar á ARN polimerase. O encima móvese ao longo do fío e constrúe a súa contraparte. Cando outra molécula deste encima móvese ao longo da segunda cadea, o resultado son dúas cadeas completas de ADN. O encima necesita algúns "axudantes" para comezar a copiar, unir fragmentos e eliminar estrías innecesarias. Non obstante, a ADN polimerase ten un "defecto de fabricación". Só pode moverse nunha dirección. A replicación require a creación dun chamado iniciador, a partir do cal comeza a copia real. Unha vez completado, elimínanse os cebadores e, como a polimerase non ten respaldo, acurta con cada copia de ADN. Nos extremos do fío hai fragmentos protectores chamados telómeros que non codifican ningunha proteína. Despois do seu consumo (en humanos, tras unhas 50 repeticións), os cromosomas péganse e lense con erros, o que provoca a morte celular ou a súa transformación nunha cancerosa. Así, o tempo da nosa vida mídese co reloxo telomérico.

Copiar o ADN require moitos encimas para traballar xuntos.

Unha molécula do tamaño dun ADN sofre danos permanentes. Outro grupo de encimas, que tamén actúan como máquinas especializadas, ocúpase da resolución de problemas. Unha explicación do seu papel foi galardoada co Premio de Química 2015 (para máis información consulte o artigo de xaneiro de 2016).

Dentro…

… as células teñen un citoplasma, unha suspensión de compoñentes que as enchen con varias funcións vitais. Todo o citoplasma está cuberto por unha rede de estruturas proteicas que forman o citoesqueleto. As microfibras que se contraen permiten que a célula cambie de forma, permitíndolle arrastrar e mover os seus orgánulos internos. O citoesqueleto tamén inclúe microtúbulos, é dicir. tubos feitos de proteínas. Estes son elementos bastante ríxidos (un tubo oco sempre é máis ríxido que unha única vara do mesmo diámetro) que forman unha célula, e algunhas das máquinas moleculares máis pouco comúns móvense por eles: proteínas que camiñan (¡literalmente!).

Os microtúbulos teñen extremos cargados eléctricamente. As proteínas chamadas dineínas móvense cara ao fragmento negativo, mentres que as cinesinas móvense na dirección oposta. Grazas á enerxía liberada pola descomposición do ATP, a forma das proteínas que camiñan (tamén coñecidas como proteínas motoras ou de transporte) cambia nos ciclos, o que lles permite moverse como un pato pola superficie dos microtúbulos. As moléculas están equipadas cun "fío" de proteínas, ao final do cal se pode pegar outra molécula grande ou unha burbulla chea de produtos de refugallo. Todo isto parécese a un robot que, balanceándose, tira dun globo cunha corda. As proteínas rodantes transportan as substancias necesarias aos lugares correctos da célula e moven os seus compoñentes internos.

Case todas as reaccións que ocorren na célula están controladas por encimas, sen as cales estes cambios case nunca se producirían. As encimas son catalizadores que actúan como máquinas especializadas para facer unha cousa (moitas veces só aceleran unha reacción en particular). Captan os substratos de transformación, dispóñenos adecuadamente entre si e, tras o final do proceso, liberan os produtos e comezan a traballar de novo. A asociación cun robot industrial que realiza accións infinitamente repetitivas é absolutamente certa.

As moléculas do portador de enerxía intracelular fórmanse como un subproduto dunha serie de reaccións químicas. Non obstante, a principal fonte de ATP é o traballo do mecanismo máis complexo da célula: a ATP sintase. O maior número de moléculas deste encima localízase nas mitocondrias, que actúan como "centrais eléctricas" celulares.

ATP sintase - parte superior: parte fixa

na membrana, eixe de transmisión, fragmento responsable

para a síntese de ATP

No proceso de oxidación biolóxica, os ións de hidróxeno son transportados desde o interior de seccións individuais das mitocondrias cara ao exterior, o que crea o seu gradiente (diferenza de concentración) a ambos os dous lados da membrana mitocondrial. Esta situación é inestable e hai unha tendencia natural a que as concentracións se igualen, que é o que aproveita a ATP sintase. O encima consta de varias partes móbiles e fixas. Na membrana fíxase un fragmento con canles, a través do cal os ións de hidróxeno do medio poden penetrar nas mitocondrias. Os cambios estruturais causados ​​polo seu movemento fan xirar outra parte do encima, un elemento alongado que actúa como eixo motriz. No outro extremo da vara, no interior da mitocondria, está unida a ela outra peza do sistema. A rotación do eixe provoca a rotación do fragmento interno, ao que, nalgunhas das súas posicións, están unidos substratos da reacción de formación de ATP, e despois, noutras posicións do rotor, un composto de alta enerxía preparado. . liberado.

E esta vez non é difícil atopar unha analoxía no mundo da tecnoloxía humana. Só un xerador de electricidade. O fluxo de ións hidróxeno fai que os elementos se movan no interior do motor molecular inmobilizado na membrana, como as aspas dunha turbina impulsada por unha corrente de vapor de auga. O eixe transfire a unidade ao sistema de xeración de ATP real. Como a maioría das encimas, a sintase tamén pode actuar na outra dirección e descompoñer o ATP. Este proceso pon en marcha un motor interno que impulsa as partes móbiles do fragmento de membrana a través dun eixe. Isto, á súa vez, leva ao bombeo de ións de hidróxeno das mitocondrias. Entón, a bomba é accionada eléctricamente. Milagre molecular da natureza.

Na fronteira…

... Entre a célula e o medio hai unha membrana celular que separa a orde interna do caos do mundo externo. Está formado por unha dobre capa de moléculas, coas partes hidrófilas ("amantes da auga") cara ao exterior e as partes hidrófobas ("que evitan a auga") unha cara á outra. A membrana tamén contén moitas moléculas de proteínas. O organismo ten que entrar en contacto co medio: absorber as substancias que necesita e liberar residuos. Algúns compostos químicos con moléculas pequenas (por exemplo, auga) poden atravesar a membrana en ambas direccións segundo o gradiente de concentración. A difusión doutras é difícil, e a propia célula regula a súa absorción. Ademais, as máquinas móbiles úsanse para a transmisión: transportadores e canles iónicos.

O transportador une un ión ou molécula e despois móvese con el ao outro lado da membrana (cando a propia membrana é pequena) ou -cando atravesa toda a membrana- move a partícula recollida e soltaa no outro extremo. Por suposto, os transportadores funcionan en ambos os sentidos e son moi "delicados": moitas veces transportan só un tipo de substancia. As canles iónicas mostran un efecto de traballo similar, pero un mecanismo diferente. Pódense comparar cun filtro. O transporte a través das canles iónicas segue xeralmente un gradiente de concentración (concentracións iónicas de maior a menor ata que se nivelan). Por outra banda, os mecanismos intracelulares regulan a apertura e o peche das vías de paso. As canles iónicas tamén presentan unha alta selectividade para o paso das partículas.

Canle iónico (esquerda) e canalizacións en funcionamento

O flaxelo bacteriano é un verdadeiro mecanismo impulsor

Hai outra máquina molecular interesante na membrana celular: a unidade do flaxelo, que garante o movemento activo das bacterias. Este é un motor proteico que consta de dúas partes: unha parte fixa (estator) e unha parte xiratoria (rotor). O movemento é causado polo fluxo de ións de hidróxeno desde a membrana cara á célula. Entran na canle no estator e máis adiante na parte distal, que está situada no rotor. Para entrar na célula, os ións de hidróxeno deben atopar o camiño cara á seguinte sección da canle, que está de novo no estator. Non obstante, o rotor debe xirar para que as canles converxan. O extremo do rotor, que sobresae máis aló da gaiola, é curvo, un flaxelo flexible está unido a el, xirando como unha hélice de helicóptero.

Creo que esta necesariamente breve panorámica do mecanismo celular deixará claro que os deseños gañadores dos premios Nobel, sen restar valor aos seus logros, aínda están lonxe da perfección das creacións da evolución.