Magni taċ-ċelluli
Il-Premju Nobel għall-Kimika 2016 ingħata għall-kisba impressjonanti ta 'sintetizzar molekuli li jaġixxu bħala apparat mekkaniku. Madankollu, ma jistax jingħad li l-idea li jinħolqu magni minjatura hija idea umana oriġinali. U din id-darba n-natura kienet l-ewwel.
Il-magni molekulari ppremjati (aktar dwarhom fl-artiklu mill-ħarġa ta’ Jannar ta’ MT) huma l-ewwel pass lejn teknoloġija ġdida li dalwaqt tista’ tirrivoluzzjona ħajjitna. Iżda l-korpi tal-organiżmi ħajjin kollha huma mimlijin b'mekkaniżmi ta' daqs nano li jappoġġjaw il-funzjonament effiċjenti taċ-ċelloli.
Fiċ-ċentru...
... ċelluli fihom nukleu, u l-informazzjoni ġenetika hija maħżuna fiha (il-batterji m'għandhomx nukleu separat). Il-molekula tad-DNA nnifisha hija aqwa - tikkonsisti f'aktar minn 6 biljun element (nukleotidi: bażi nitroġenuża + zokkor deoxyribose + residwu ta 'aċidu fosforiku), li jiffurmaw ħjut b'tul totali ta' madwar 2 metri. U m’aħniex detenturi ta’ rekords f’dan ir-rigward, għax hemm organiżmi li d-DNA tagħhom jikkonsisti f’mijiet ta’ biljuni ta’ nukleotidi. Biex tiffittja molekula ġgant bħal din fin-nukleu, li huwa inviżibbli għall-għajn, linji tad-DNA huma mibrumin flimkien f'helix (helix doppja) u mgeżwra madwar proteini speċjali msejħa histones. Iċ-ċellula għandha sett speċjali ta 'magni biex jaħdmu ma' din id-database.
Int trid tuża kontinwament l-informazzjoni li tinsab fid-DNA: aqra s-sekwenzi li jikkodifikaw għall-proteini li għandek bżonn f'mument partikolari (traskrizzjoni), u minn żmien għal żmien tikkopja d-database kollha biex taqsam iċ-ċellula (replikazzjoni). Kull wieħed minn dawn il-passi jinvolvi l-iżvelar tal-helix tan-nukleotide. Din l-attività tuża l-enżima helicase, li timxi tul l-ispirali u - bħal feles - tifredha f'ħjut individwali (il-ħaġa sħiħa tixbah is-sajjetti). L-enzima taħdem billi tuża l-enerġija rilaxxata bħala riżultat tat-tqassim tal-ġarrier tal-enerġija universali taċ-ċellula - ATP (adenosine triphosphate).
Mudell tal-molekula ATP. Iż-żieda u l-isparar tar-residwi tal-fosfat (xellug) jimmedjaw l-iskambju ta 'enerġija f'reazzjonijiet kimiċi ċellulari.
Issa tista 'tibda tikkopja frammenti ta' ktajjen, li jsir minn RNA polymerase, immexxi wkoll mill-enerġija li tinsab fl-ATP. L-enzima timxi tul il-linja tad-DNA u tifforma sezzjoni ta 'RNA (li fiha z-zokkor, ribożju minflok deoxyribose), li huwa l-mudell li fuqu huma sintetizzati l-proteini. Bħala riżultat, id-DNA jiġi ppreservat (li jiġi evitat li jinqala 'u l-qari kostanti ta' frammenti) u, barra minn hekk, proteini jistgħu jinħolqu fiċ-ċellula kollha, mhux biss fin-nukleu.
Kopja kważi mingħajr żbalji hija pprovduta minn DNA polymerase, li taġixxi b'mod simili għall-RNA polymerase. L-enzima timxi tul il-ħajta u tibni l-kontroparti tagħha. Meta molekula oħra ta 'din l-enzima tiċċaqlaq tul it-tieni linja, ir-riżultat huwa żewġ helizes tad-DNA kompluti. L-enzima teħtieġ diversi "helpers" biex tibda tikkopja, tgħaqqad frammenti flimkien u tneħħi stretch marks mhux meħtieġa. Madankollu, id-DNA polymerase għandha "difett tal-manifattura". Jista 'biss jimxi f'direzzjoni waħda. Ir-replikazzjoni teħtieġ il-ħolqien ta 'hekk imsejjaħ starter, li minnu jibda l-ikkupjar attwali. Ladarba jitlestew, il-primers jitneħħew u, peress li l-polimerażi m'għandha l-ebda backup, titqassar ma' kull kopja tad-DNA. Fit-truf tal-ħajt hemm frammenti protettivi msejħa telomeri, li ma jikkodifikaw l-ebda proteina. Wara l-konsum tagħhom (fil-bnedmin, wara madwar 50 ripetizzjoni), il-kromożomi jeħlu flimkien u jinqraw ħażin, li jikkawża l-mewt taċ-ċellula jew it-trasformazzjoni tagħha f'kanċer. Għalhekk, iż-żmien tal-ħajja tagħna jitkejjel mill-arloġġ tat-telomeri.
L-ikkupjar tad-DNA jeħtieġ ħafna enzimi biex jaħdmu flimkien.
Molekula tad-daqs tad-DNA hija soġġetta għal ħsara kostanti. Grupp ieħor ta 'enzimi, li jaġixxu wkoll bħala magni speċjalizzati, jittrattaw fallimenti. Spjegazzjoni tar-rwol tagħhom ingħatat premju tal-kimika fl-2015 (ara l-artiklu ta’ Jannar 2016 għal aktar informazzjoni).
Ġewwa…
...ċ-ċelluli għandhom ċitoplasma - sospensjoni ta' komponenti li jimlewhom b'diversi funzjonijiet vitali. Iċ-ċitoplasma kollu huwa mgħotti b'netwerk ta 'strutturi ta' proteini li jiffurmaw iċ-ċitoskeletru. Il-mikrofibri kontrattili jippermettu liċ-ċellula tbiddel il-forma tagħha, u tippermettilha titkaxkar u timxi l-organelli interni tagħha. Iċ-ċitoskeletru jinkludi wkoll mikrotubuli, i.e. tubi li jikkonsistu minn molekuli ta' proteini. Dawn huma elementi pjuttost riġidi (tubu vojt huwa dejjem aktar iebes minn virga waħda tal-istess dijametru) li jiffurmaw iċ-ċellula, u waħda mill-magni molekulari l-aktar mhux tas-soltu timxi tulhom - proteini mixi (litteralment!).
Il-mikrotubuli għandhom truf iċċarġjati elettrikament. Proteini msejħa dyneins jimxu lejn il-parti negattiva, filwaqt li kinesins jimxu fid-direzzjoni opposta. Grazzi għall-enerġija rilaxxata mit-tqassim tal-ATP, il-forma tal-proteini tal-mixi (magħrufa wkoll bħala proteini tal-mutur jew tat-trasport) tinbidel b'mod ċikliku, u tippermettilhom jiċċaqilqu bħal papra tul il-wiċċ tal-mikrotubuli. Il-molekuli huma mgħammra b'"ħajta" tal-proteina, li fit-tarf tagħha tista 'teħel molekula kbira oħra jew bużżieqa mimlija bi prodotti ta' skart. Dan kollu jixbah robot li, jixxengel, jiġbed bużżieqa minn spag. Il-proteini tal-irrumblar jittrasportaw is-sustanzi meħtieġa fil-postijiet it-tajba fiċ-ċellula u jċaqalqu l-komponenti interni tagħha.
Kważi r-reazzjonijiet kollha li jseħħu f'ċellula huma kkontrollati minn enzimi, li mingħajrhom dawn il-bidliet kważi qatt ma jseħħu. L-enzimi huma katalisti li jaġixxu bħala magni speċjalizzati biex jagħmlu ħaġa waħda (ħafna drabi jħaffu reazzjoni speċifika waħda biss). Huma jaqbdu s-sottostrati tat-trasformazzjoni, ipoġġuhom b'mod xieraq lil xulxin, u wara li jitlesta l-proċess, jirrilaxxaw il-prodotti u jerġgħu jibdew jaħdmu. L-assoċjazzjoni ma 'robot industrijali li jwettaq azzjonijiet ripetuti bla tarf hija assolutament korretta.
Il-molekuli tal-ġarr tal-enerġija intraċellulari huma ffurmati bħala prodott sekondarju ta 'serje ta' reazzjonijiet kimiċi. Madankollu, is-sors ewlieni ta 'ATP huwa x-xogħol tal-mekkaniżmu taċ-ċelluli l-aktar kumplessi - ATP synthase. L-akbar numru ta 'molekuli ta' din l-enzima jinstabu fil-mitokondrija, li jaġixxu bħala "impjanti tal-enerġija" ċellulari.
ATP synthase – fuq: parti ankrata
fil-membrana, drive shaft, framment responsabbli
għas-sintesi tal-ATP
Matul il-proċess ta 'ossidazzjoni bijoloġika, joni ta' l-idroġenu minn ġewwa partijiet individwali tal-mitokondrija huma ttrasportati 'l barra, li joħloq il-gradjent tagħhom (differenza fil-konċentrazzjoni) fuq iż-żewġ naħat tal-membrana mitokondrijali. Din is-sitwazzjoni hija instabbli u hemm tendenza naturali li jiġu ugwalizzati l-konċentrazzjonijiet, li huwa dak li ATP synthase jieħu vantaġġ minnu. Enżima tikkonsisti f'diversi partijiet li jiċċaqilqu u wieqfa. Framment b'kanali li permezz tagħhom il-joni tal-idroġenu mill-ambjent jistgħu jippenetraw fil-mitokondrija huwa ffissat fil-membrana. Il-bidliet strutturali kkawżati mill-moviment tagħhom iduru parti oħra tal-enzima - element tawwali li jaġixxi bħala drive shaft. Fit-tarf l-ieħor tal-virga, ġewwa l-mitokondrija, biċċa oħra tas-sistema hija mwaħħla magħha. Ir-rotazzjoni tax-xaft tikkawża rotazzjoni tal-framment intern, li miegħu - f'xi pożizzjonijiet - is-sottostrati tar-reazzjoni li tifforma l-ATP huma mwaħħla, u mbagħad - f'pożizzjonijiet oħra tar-rotor - il-kompost lest b'enerġija għolja. rilaxxati.
U din id-darba mhux diffiċli li ssib analoġija fid-dinja tat-teknoloġija umana. Biss ġeneratur tal-elettriku. Il-fluss tal-joni tal-idroġenu jikkawża li l-elementi jimxu ġewwa mutur molekulari immobilizzat fil-membrana, bħal xfafar tat-turbini misjuqa minn nixxiegħa ta 'fwar tal-ilma. Ix-xaft jittrasmetti d-drajv lis-sistema attwali ta 'ġenerazzjoni ATP. Bħal ħafna enzimi, synthase jista 'jaġixxi fid-direzzjoni l-oħra u jkisser l-ATP. Dan il-proċess isuq mutur intern, li, permezz ta 'xaft, isuq il-partijiet li jiċċaqilqu tal-framment tal-membrana. Dan, imbagħad, iwassal għall-ippumpjar ta 'jonji idroġenu mill-mitokondrija. Allura, pompa elettrika. Miraklu molekulari tan-natura.
Sal-fruntieri...
...Bejn iċ-ċellula u l-ambjent hemm membrana taċ-ċellula li tifred l-ordni intern mill-kaos tad-dinja esterna. Tikkonsisti f'saff doppju ta' molekuli, b'partijiet idrofiliċi ("li jħobbu l-ilma") iħarsu 'l barra u partijiet idrofobiċi ("li jevitaw l-ilma") iħarsu lejn xulxin. Il-membrana fiha wkoll ħafna molekuli ta 'proteini. Il-ġisem irid jiġi f'kuntatt mal-ambjent: jassorbi s-sustanzi li għandu bżonn u joħroġ l-iskart. Xi kimiċi ta 'molekula żgħira (bħal ilma) jistgħu jgħaddu mill-membrana fiż-żewġ direzzjonijiet skond gradjent ta' konċentrazzjoni. It-tixrid ta 'oħrajn huwa diffiċli, u ċ-ċellula nnifisha tirregola l-assorbiment tagħhom. Sussegwentement, magni ċellulari—conveyors u kanali tal-joni—jintużaw għat-trażmissjoni.
Il-conveyor jorbot jone jew molekula u mbagħad iċċaqlaq magħha lejn in-naħa l-oħra tal-membrana (meta hija stess tkun żgħira) jew - meta tgħaddi mill-membrana kollha - iċċaqlaq il-partiċella miġbura u jerħiha fit-tarf l-ieħor. Naturalment, il-conveyors jaħdmu fiż-żewġ naħat u huma "picky" ħafna - ħafna drabi jittrasportaw tip wieħed biss ta 'sustanza. Il-kanali tal-joni juru effett operattiv simili iżda mekkaniżmu differenti. Jistgħu jitqabblu ma 'filtru. It-trasport minn kanali joniċi ġeneralment isegwi gradjent ta 'konċentrazzjoni (minn konċentrazzjonijiet ta' joni ogħla għal aktar baxxi sakemm jinlivellaw). Min-naħa l-oħra, il-mekkaniżmi intraċellulari jirregolaw il-ftuħ u l-għeluq tal-passaġġi. Il-kanali tal-joni juru wkoll selettività għolja lejn il-partiċelli li jkunu qed jgħaddu.
Ion channel (xellug) u pipelines fl-azzjoni
Il-flagellu batterjali huwa mekkaniżmu reali tas-sewqan
Hemm magna molekulari oħra interessanti fil-membrana taċ-ċellula - is-sewqan tal-flagellu, li jiżgura l-moviment attiv tal-batterja. Huwa mutur tal-proteina li jikkonsisti f'żewġ partijiet: parti wieqfa (stator) u parti li ddur (rotor). Il-moviment huwa kkawżat mill-fluss ta 'jonji idroġenu mill-membrana fiċ-ċellula. Huma jidħlu fil-kanal fl-istator u mbagħad fil-parti distali, li tinsab fir-rotor. Biex jidħlu ġewwa ċ-ċellula, il-joni tal-idroġenu jridu jsibu triqthom lejn is-sezzjoni li jmiss tal-kanal, li għal darb'oħra tinsab fl-istator. Madankollu, ir-rotor għandu jdur biex il-kanali jikkonverġu. It-tarf tar-rotor, li jisporġi lil hinn miċ-ċellula, huwa mgħawġa, u flagellum flessibbli huwa mwaħħal miegħu, li jdur bħal rotor tal-ħelikopter.
Nemmen li din il-ħarsa ġenerali fil-qosor neċessarjament tal-mekkaniżmu ċellulari se tagħmilha ċara li d-disinji rebbieħa tar-rebbieħa tal-Premju Nobel, mingħajr ma jnaqqas mill-kisbiet tagħhom, għadhom 'il bogħod mill-kreazzjonijiet perfetti tal-evoluzzjoni.
