Mga makina sa selula

Sa 2016, ang Nobel Prize sa Chemistry gihatagan alang sa usa ka impresibo nga kalampusan - ang synthesis sa mga molekula nga nagsilbing mekanikal nga mga aparato. Bisan pa, dili kini maingon nga ang ideya sa paghimo og gagmay nga mga makina usa ka orihinal nga ideya sa tawo. Ug niining panahona ang kinaiyahan maoy nag-una.

Ang gihatagan nga mga makina nga molekular (kapin pa bahin kanila sa artikulo gikan sa Enero nga isyu sa MT) mao ang una nga lakang padulong sa usa ka bag-ong teknolohiya nga sa dili madugay mahimong balihon ang atong kinabuhi. Apan ang mga lawas sa tanang buhing organismo puno sa nanoscale nga mga mekanismo nga nagpadayon sa pag-obra sa mga selula sa episyente.

Sa sentro…

... ang mga selula adunay nucleus, ug ang genetic nga impormasyon gitipigan niini (ang bakterya walay bulag nga nucleus). Ang molekula sa DNA mismo talagsaon - kini naglangkob sa labaw pa sa 6 bilyon nga mga elemento (nucleotides: nitrogenous base + deoxyribose sugar + phosphoric acid residue), nga nagporma og mga hilo nga adunay kinatibuk-ang gitas-on nga mga 2 metros. Ug dili kami mga kampeon niining bahina, tungod kay adunay mga organismo kansang DNA naglangkob sa gatusan ka bilyon nga mga nucleotide. Aron ang ingon nga higanteng molekula mohaum sa nucleus, nga dili makita sa mata, ang mga hilo sa DNA dugtongon ngadto sa usa ka helix (double helix) ug giputos sa espesyal nga mga protina nga gitawag ug histones. Ang cell adunay usa ka espesyal nga set sa mga makina aron magamit kini nga database.

Kinahanglan nimo kanunay nga gamiton ang impormasyon nga anaa sa DNA: basaha ang mga han-ay nga nag-code alang sa mga protina nga imong gikinahanglan sa usa ka panahon (transkripsyon), ug matag karon ug unya kopyaha ang tibuok database aron mabahin ang selula (replikasyon). Ang matag usa niini nga mga lakang naglakip sa paghubad sa nucleotide helix. Kini nga kalihokan naggamit sa enzyme helicase, nga naglihok subay sa spiral ug - sama sa usa ka wedge - nagbulag niini ngadto sa tagsa-tagsa nga mga hilo (ang tibuok butang susama sa kilat). Ang enzyme naglihok gamit ang enerhiya nga gipagawas isip resulta sa pagkaguba sa unibersal nga tigdala sa enerhiya sa selula - ATP (adenosine triphosphate).

Modelo sa molekula sa ATP. Ang attachment ug detatsment sa phosphate residues (wala) naghatag ug energy exchange sa cellular chemical reactions.

Karon mahimo nimong sugdan ang pagkopya sa mga tipik sa kadena, nga gihimo sa RNA polymerase, nga gimaneho usab sa enerhiya nga anaa sa ATP. Ang enzyme naglihok subay sa DNA strand ug nahimong rehiyon sa RNA (nga adunay asukal, ribose imbes deoxyribose), nga mao ang template diin ang mga protina gi-synthesize. Ingon nga resulta, ang DNA napreserbar (naglikay sa kanunay nga pagbuklad ug pagbasa sa mga tipik), ug, dugang pa, ang mga protina mahimong mamugna sa tibuok selula, dili lamang sa nucleus.

Ang halos walay kasaypanan nga kopya gihatag sa DNA polymerase, nga naglihok nga susama sa RNA polymerase. Ang enzyme naglihok subay sa hilo ug nagtukod sa katugbang niini. Sa dihang ang laing molekula niini nga enzyme maglihok subay sa ikaduhang strand, ang resulta mao ang duha ka kompletong strand sa DNA. Ang enzyme nagkinahanglan og pipila ka "katabang" aron magsugod sa pagkopya, paghigot sa mga tipik, ug pagtangtang sa wala kinahanglana nga mga marka. Bisan pa, ang DNA polymerase adunay "depekto sa paggama". Makalihok lang kini sa usa ka direksyon. Ang pagkopya nagkinahanglan sa paghimo sa usa ka gitawag nga starter, diin nagsugod ang aktuwal nga pagkopya. Sa dihang makompleto na, ang mga primer tangtangon ug, tungod kay ang polymerase walay backup, kini mumubo sa matag kopya sa DNA. Sa mga tumoy sa hilo adunay mga tipik sa pagpanalipod nga gitawag ug telomeres nga wala mag-code alang sa bisan unsang mga protina. Human sa ilang pagkonsumo (sa mga tawo, human sa mga 50 ka pagbalik-balik), ang mga chromosome magtapot ug mabasa nga adunay mga sayop, nga maoy hinungdan sa pagkamatay sa selula o pagkausab niini ngadto sa kanser. Busa, ang panahon sa atong kinabuhi gisukod sa telomeric nga orasan.

Ang pagkopya sa DNA nanginahanglan daghang enzyme aron magtinabangay.

Ang usa ka molekula nga sama sa DNA moagi ug permanenteng kadaot. Ang laing grupo sa mga enzyme, nga naglihok usab isip espesyal nga mga makina, naghisgot sa pag-troubleshoot. Ang katin-awan sa ilang tahas gihatagan ug 2015 Chemistry Prize (alang sa dugang impormasyon tan-awa ang Enero 2016 nga artikulo).

Sulod…

...ang mga selula adunay cytoplasm - usa ka suspension sa mga sangkap nga nagpuno kanila sa lain-laing importante nga mga gimbuhaton. Ang tibuok cytoplasm gitabonan sa usa ka network sa mga istruktura sa protina nga naglangkob sa cytoskeleton. Ang contractile microfibers nagtugot sa selula sa pag-usab sa iyang porma, nga nagtugot niini sa pag-crawl ug paglihok sa iyang internal organelles. Ang cytoskeleton naglakip usab sa microtubule, i.e. mga tubo nga gilangkoban sa mga molekula sa protina. Kini mga estrikto nga mga elemento (ang usa ka haw-ang nga tubo kanunay nga mas gahi kaysa usa ka sungkod nga parehas nga diyametro) nga nagporma sa selyula, ug usa sa labing talagsaon nga mga makina sa molekula naglihok subay niini - naglakaw nga mga protina (sa literal!).

Ang mga microtubule adunay mga tumoy nga adunay kuryente. Ang mga protina nga gitawag og dyneins mobalhin ngadto sa negatibo nga tipik, samtang ang kinesin mobalhin sa atbang nga direksyon. Salamat sa kusog nga gipagawas gikan sa pagkahugno sa ATP, ang porma sa mga protina sa paglakaw (nailhan usab nga mga protina sa motor o transportasyon) nagbag-o sa mga siklo, nga gitugotan sila nga molihok sama sa usa ka itik tabok sa nawong sa microtubule. Ang mga molekula gisangkapan sa usa ka "hilo" nga protina, hangtod sa katapusan diin mahimo’g mopilit ang lain nga dako nga molekula o usa ka bula nga napuno sa mga basura. Kining tanan susama sa usa ka robot, nga, nga nag-uyog, nagbira sa usa ka balloon pinaagi sa usa ka pisi. Ang mga rolling protein nagdala sa gikinahanglang mga substansiya ngadto sa hustong mga dapit sa selula ug nagpalihok sa mga internal nga sangkap niini.

Hapit tanan nga mga reaksyon nga nahitabo sa cell kontrolado sa mga enzyme, kung wala kini nga mga pagbag-o hapit dili mahitabo. Ang mga enzyme kay mga catalyst nga molihok sama sa mga espesyal nga makina sa pagbuhat sa usa ka butang (kasagarang makapadali lang kini sa usa ka partikular nga reaksyon). Gikuha nila ang mga substrate sa pagbag-o, gihikay kini nga tukma sa usag usa, ug pagkahuman sa proseso gibuhian nila ang mga produkto ug nagsugod sa pagtrabaho pag-usab. Ang pagpakig-uban sa usa ka robot sa industriya nga naghimo sa walay katapusan nga mga balik-balik nga aksyon hingpit nga tinuod.

Ang mga molekula sa intracellular energy carrier naporma isip by-product sa sunodsunod nga kemikal nga reaksyon. Bisan pa, ang panguna nga gigikanan sa ATP mao ang buhat sa labing komplikado nga mekanismo sa cell - ATP synthase. Ang pinakadako nga gidaghanon sa mga molekula niini nga enzyme nahimutang sa mitochondria, nga naglihok isip cellular nga "mga planta sa kuryente".

ATP synthase – ibabaw: nakaangkla nga bahin

sa lamad, drive shaft, responsable nga tipik

alang sa ATP synthesis

Sa proseso sa biolohikal nga oksihenasyon, ang mga hydrogen ion gidala gikan sa sulod sa indibidwal nga mga seksyon sa mitochondria ngadto sa gawas, nga nagmugna sa ilang gradient (konsentrasyon nga kalainan) sa duha ka kilid sa mitochondrial membrane. Kini nga sitwasyon dili lig-on ug adunay natural nga kalagmitan nga magkaparehas ang mga konsentrasyon, nga mao ang gipahimuslan sa ATP synthase. Ang enzyme naglangkob sa daghang mga naglihok ug naayos nga mga bahin. Ang usa ka tipik nga adunay mga agianan gitakda sa lamad, diin ang mga hydrogen ions gikan sa kalikopan mahimong makasulod sa mitochondria. Ang mga pagbag-o sa istruktura tungod sa ilang paglihok nagtuyok sa laing bahin sa enzyme - usa ka taas nga elemento nga naglihok ingon usa ka drive shaft. Sa pikas tumoy sa sungkod, sulod sa mitochondrion, laing piraso sa sistema ang gilakip niini. Ang rotation sa shaft maoy hinungdan sa rotation sa internal fragment, diin - sa pipila sa mga posisyon niini - ang mga substrate sa ATP-forming reaction gilakip, ug unya - sa ubang mga posisyon sa rotor - ang nahuman nga high-energy compound. gipagawas.

Ug niining panahona dili lisud ang pagpangita og analohiya sa kalibutan sa teknolohiya sa tawo. Usa lang ka electric generator. Ang pag-agos sa mga ion nga hydrogen naghimo sa mga elemento nga molihok sa sulod sa molecular motor nga dili molihok sa lamad, sama sa mga blades sa usa ka turbine nga gimaneho sa usa ka sapa sa alisngaw sa tubig. Gibalhin sa shaft ang drive sa aktwal nga sistema sa henerasyon sa ATP. Sama sa kadaghanan sa mga enzyme, ang synthase mahimo usab nga molihok sa laing direksyon ug maguba ang ATP. Kini nga proseso nagpalihok sa usa ka internal nga motor nga nagduso sa naglihok nga mga bahin sa tipik sa lamad pinaagi sa usa ka shaft. Kini, sa baylo, modala ngadto sa pagbomba gikan sa mga hydrogen ions gikan sa mitochondria. Busa, ang bomba kay electrically driven. Molekular nga milagro sa kinaiyahan.

Ngadto sa mga utlanan ...

...Sa tunga-tunga sa cell ug sa palibot adunay usa ka cell lamad nga nagbulag sa internal nga kahusay gikan sa kagubot sa gawas nga kalibutan. Kini naglangkob sa usa ka doble nga layer sa mga molekula, nga adunay hydrophilic ("mahigugmaon sa tubig") nga mga bahin nga nag-atubang sa gawas ug hydrophobic ("paglikay sa tubig") nga mga bahin nga nag-atubang sa usag usa. Ang lamad usab adunay daghang mga molekula sa protina. Ang lawas kinahanglan nga adunay kontak sa kalikopan: mosuhop sa mga sangkap nga gikinahanglan niini ug magpagawas sa hugaw. Ang ubang gagmay nga mga kemikal nga molekula (sama sa tubig) mahimong moagi sa lamad sa duha ka direksyon sumala sa gradient sa konsentrasyon. Ang pagsabwag sa uban lisud, ug ang selula mismo ang nag-regulate sa ilang pagsuyup. Sunod, ang mga cellular machine—conveyor ug ion channel—gigamit alang sa transmission.

Ang conveyor nagbugkos sa usa ka ion o molekula ug dayon naglihok uban niini ngadto sa pikas nga bahin sa lamad (kung ang lamad mismo gamay) o - kung kini moagi sa tibuuk nga lamad - nagpalihok sa nakolekta nga partikulo ug gibuhian kini sa pikas tumoy. Siyempre, ang mga conveyor nagtrabaho sa duha ka paagi ug "maayo kaayo" - kasagaran sila magdala lamang sa usa ka matang sa substansiya. Ang mga channel sa Ion nagpakita sa susama nga epekto sa pagtrabaho, apan lahi nga mekanismo. Mahimo silang itandi sa usa ka filter. Ang transportasyon pinaagi sa mga agianan sa ion kasagaran nagsunod sa usa ka gradient sa konsentrasyon (mas taas ngadto sa pagpaubos sa mga konsentrasyon sa ion hangtud nga kini mo-level up). Sa laing bahin, ang mga mekanismo sa intracellular nag-regulate sa pag-abli ug pagsira sa mga agianan. Ang mga channel sa ion nagpakita usab og taas nga pagkapili alang sa mga partikulo nga maagian.

Ion channel (wala) ug mga pipeline nga naglihok

Ang bacterial flagellum usa ka tinuod nga mekanismo sa pagmaneho

Adunay laing makapaikag nga molecular machine sa cell lamad - ang flagellum drive, nga nagsiguro sa aktibo nga paglihok sa bakterya. Kini usa ka makina nga protina nga gilangkoban sa duha ka bahin: usa ka piho nga bahin (stator) ug usa ka nagtuyok nga bahin (rotor). Ang paglihok tungod sa pag-agos sa hydrogen ions gikan sa lamad ngadto sa selula. Gisulod nila ang channel sa stator ug dugang pa sa distal nga bahin, nga nahimutang sa rotor. Aron makasulod sa selyula, ang mga hydrogen ions kinahanglang mangita sa ilang dalan paingon sa sunod nga seksyon sa channel, nga anaa na usab sa stator. Bisan pa, ang rotor kinahanglan nga mag-rotate aron ang mga kanal maghiusa. Ang tumoy sa rotor, nga nagtuybo sa unahan sa hawla, kurbado, usa ka flexible nga flagellum ang gilakip niini, nagtuyok sama sa usa ka propeller sa helicopter.

Nagtuo ako nga kini kinahanglan nga mubo nga kinatibuk-ang pagtan-aw sa mekanismo sa cellular magpatin-aw nga ang mga nakadaog nga mga laraw sa mga mananaog sa Nobel Prize, nga wala makabalda sa ilang mga nahimo, layo pa sa kahingpitan sa mga linalang sa ebolusyon.