מכונות סלולריות

בשנת 2016 הוענק פרס נובל בכימיה על הישג מרשים - סינתזה של מולקולות הפועלות כמכשירים מכניים. עם זאת, לא ניתן לומר שהרעיון של יצירת מכונות מיניאטורות הוא רעיון אנושי מקורי. והפעם הטבע היה ראשון.

המכונות המולקולריות שזכו לפרס (עוד עליהן במאמר מגיליון ינואר של MT) הן הצעד הראשון לקראת טכנולוגיה חדשה שעשויה להפוך בקרוב את חיינו על פיה. אבל גופם של כל האורגניזמים החיים מלאים במנגנונים ננומטריים השומרים על תפקוד יעיל של התאים.

במרכז…

... תאים מכילים גרעין, ומידע גנטי מאוחסן בו (לחיידקים אין גרעין נפרד). מולקולת ה-DNA עצמה מדהימה - היא מורכבת מיותר מ-6 מיליארד יסודות (נוקלאוטידים: בסיס חנקני + סוכר דאוקסיריבוז + שאריות חומצה זרחתית), היוצרים חוטים באורך כולל של כ-2 מטרים. ואנחנו לא אלופים בהקשר הזה, כי יש אורגניזמים שה-DNA שלהם מורכב ממאות מיליארדי נוקלאוטידים. על מנת שמולקולה ענקית כזו תתאים לגרעין, בלתי נראית לעין בלתי מזוינת, גדילי DNA מסובבים זה לזה לסליל (סליל כפול) ועוטפים סביב חלבונים מיוחדים הנקראים היסטונים. לתא יש קבוצה מיוחדת של מכונות לעבודה עם מסד נתונים זה.

עליכם להשתמש כל הזמן במידע הכלול ב-DNA: קראו את הרצפים המקודדים לחלבונים שאתם צריכים כרגע (תעתיק), והעתיקו את כל בסיס הנתונים מדי פעם כדי לחלק את התא (שכפול). כל אחד מהשלבים הללו כרוך בפירוק סליל הנוקלאוטידים. לפעילות זו משתמשים באנזים הליקאז, שנע בספירלה וכמו טריז מחלק אותו לחוטים נפרדים (כל זה מזכיר ברק). האנזים פועל עקב האנרגיה המשתחררת כתוצאה מפירוק נושא האנרגיה האוניברסלי של התא - ATP (אדנוזין טריפוספט).

מודל של מולקולת ATP. התקשרות וניתוק של שאריות פוספט (משמאל) מספקות חילופי אנרגיה בתגובות כימיות תאיות.

עכשיו אתה יכול להתחיל להעתיק שברי שרשרת, מה שעושה RNA פולימראז, גם הוא מונע על ידי האנרגיה הכלולה ב-ATP. האנזים נע לאורך גדיל ה-DNA ויוצר אזור של RNA (המכיל סוכר, ריבוז במקום דאוקסיריבוז), שהוא התבנית שעליה מסונתזים חלבונים. כתוצאה מכך, ה-DNA נשמר (הימנעות מפירוק מתמיד וקריאה של קטעים), ובנוסף, חלבונים יכולים להיווצר בכל התא, לא רק בגרעין.

עותק כמעט ללא שגיאות מסופק על ידי DNA פולימראז, הפועל בדומה ל-RNA פולימראז. האנזים נע לאורך החוט ובונה את מקבילו. כאשר מולקולה נוספת של אנזים זה נעה לאורך הגדיל השני, התוצאה היא שני גדילים שלמים של DNA. האנזים זקוק לכמה "עוזרים" כדי להתחיל להעתיק, לקשור שברים ולהסיר סימני מתיחה מיותרים. עם זאת, ל-DNA פולימראז יש "פגם בייצור". זה יכול לנוע רק בכיוון אחד. שכפול מחייב יצירת מה שנקרא Starter, שממנו מתחילה ההעתקה בפועל. לאחר השלמתם, מסירים את הפריימרים ומכיוון שלפולימראז אין גיבוי, הוא מתקצר עם כל עותק DNA. בקצות החוט יש שברי הגנה הנקראים טלומרים שאינם מקודדים לחלבונים כלשהם. לאחר צריכתם (בבני אדם, לאחר כ-50 חזרות), הכרומוזומים נצמדים זה לזה ונקראים בשגיאות, מה שגורם למוות של תאים או להפיכתו לסרטני. לפיכך, זמן חיינו נמדד על ידי השעון הטלומרי.

העתקת DNA דורשת אנזימים רבים כדי לעבוד יחד.

מולקולה בגודל DNA עוברת נזק קבוע. קבוצה נוספת של אנזימים, הפועלת גם היא כמכונות מיוחדות, עוסקת בפתרון תקלות. הסבר על תפקידם זכה בפרס הכימיה לשנת 2015 (למידע נוסף עיין במאמר ינואר 2016).

בְּתוֹך…

… לתאים יש ציטופלזמה - תרחיף של רכיבים הממלאים אותם בתפקודים חיוניים שונים. הציטופלזמה כולה מכוסה ברשת של מבני חלבון המרכיבים את שלד הציטו. המיקרופייברים המתכווצים מאפשרים לתא לשנות את צורתו, ומאפשרים לו לזחול ולהזיז את האברונים הפנימיים שלו. השלד הציטובולי כולל גם מיקרוטובולים, כלומר. צינורות עשויים חלבונים. מדובר באלמנטים קשיחים למדי (צינור חלול תמיד נוקשה יותר ממוט בודד באותו קוטר) היוצרים תא, וחלק מהמכונות המולקולריות יוצאות הדופן נעות לאורכם - חלבונים מהלכים (תרתי משמע!).

למיקרוטובולים יש קצוות טעונים חשמלית. חלבונים הנקראים דיניינים נעים לעבר המקטע השלילי, בעוד קינסינים נעים בכיוון ההפוך. הודות לאנרגיה המשתחררת מפירוק ה-ATP, צורתם של חלבוני הליכה (הידועים גם כחלבונים מוטוריים או תחבורה) משתנה במחזוריות, ומאפשרת להם לנוע כמו ברווז על פני השטח של המיקרוטובולים. מולקולות מצוידות ב"חוט" חלבוני, שבסופו יכולה להידבק עוד מולקולה גדולה או בועה מלאה בחומרי פסולת. כל זה דומה לרובוט, אשר מתנדנד, מושך בלון בחוט. חלבונים מתגלגלים מעבירים את החומרים הדרושים למקומות הנכונים בתא ומניעים את מרכיביו הפנימיים.

כמעט כל התגובות המתרחשות בתא נשלטות על ידי אנזימים, שבלעדיהם שינויים אלו כמעט ולא היו מתרחשים. אנזימים הם זרזים הפועלים כמו מכונות מיוחדות לעשות דבר אחד (לעיתים קרובות הם רק מאיצים תגובה אחת מסוימת). הם לוכדים את מצעי הטרנספורמציה, מסדרים אותם בצורה מתאימה זה לזה, ולאחר תום התהליך הם משחררים את המוצרים ומתחילים לעבוד שוב. הקשר לרובוט תעשייתי המבצע פעולות שחוזרות על עצמן אינסופיות הוא נכון לחלוטין.

מולקולות של נושא האנרגיה התוך תאי נוצרות כתוצר לוואי של סדרה של תגובות כימיות. עם זאת, המקור העיקרי ל-ATP הוא עבודתו של המנגנון המורכב ביותר של התא - ATP synthase. המספר הגדול ביותר של מולקולות של אנזים זה נמצא במיטוכונדריה, הפועלות כ"תחנות כוח" תאיות.

ATP synthase - עליון: חלק קבוע

בממברנה, ציר הינע, שבר אחראי

עבור סינתזת ATP

בתהליך של חמצון ביולוגי, יוני מימן מועברים מבפנים של חלקים בודדים של המיטוכונדריה אל החוץ, מה שיוצר את הגרדיאנט (הפרש הריכוז) שלהם משני צידי הממברנה המיטוכונדריאלית. מצב זה אינו יציב וקיימת נטייה טבעית לריכוזים להשתוות, וזה מה ש-ATP synthase מנצל. האנזים מורכב מכמה חלקים נעים וקבועים. בקרום קבוע שבר עם תעלות, שדרכו יכולים לחדור יוני מימן מהסביבה למיטוכונדריה. שינויים מבניים הנגרמים מתנועתם מסובבים חלק אחר של האנזים - יסוד מוארך הפועל כציר הנעה. בקצה השני של המוט, בתוך המיטוכונדריה, מחוברת אליו חלק נוסף של המערכת. סיבוב הפיר גורם לסיבוב של השבר הפנימי, שאליו מחוברים, בחלק ממצביו, מצעים של התגובה היוצרות ATP, ולאחר מכן, במיקומים אחרים של הרוטור, תרכובת מוכנה עתירת אנרגיה. . מְשׁוּחרָר.

והפעם לא קשה למצוא אנלוגיה בעולם הטכנולוגיה האנושית. רק מחולל חשמל. זרימת יוני המימן גורמת ליסודות לנוע בתוך המנוע המולקולרי הקבוע בקרום, כמו להבי טורבינה המונעים על ידי זרם אדי מים. הציר מעביר את הכונן למערכת יצירת ה-ATP בפועל. כמו רוב האנזימים, סינתאז יכול לפעול גם בכיוון השני ולפרק ATP. תהליך זה מניע מנוע פנימי אשר מניע את החלקים הנעים של שבר הממברנה דרך פיר. זה, בתורו, מוביל לשאיבה של יוני מימן מהמיטוכונדריה. אז, המשאבה מונעת חשמלית. נס מולקולרי של הטבע.

על הגבול…

... בין התא לסביבה יש קרום תא המפריד בין הסדר הפנימי לכאוס של העולם החיצוני. הוא מורכב משכבה כפולה של מולקולות, כאשר החלקים ההידרופיליים ("אוהבי מים") כלפי חוץ והחלקים ההידרופוביים ("המנעים ממים") זה כלפי זה. הממברנה מכילה גם מולקולות חלבון רבות. הגוף צריך לבוא במגע עם הסביבה: לספוג את החומרים הדרושים לו ולשחרר פסולת. כמה תרכובות כימיות בעלות מולקולות קטנות (למשל מים) יכולות לעבור דרך הממברנה בשני הכיוונים לפי שיפוע הריכוז. דיפוזיה של אחרים קשה, והתא עצמו מווסת את קליטתם. יתר על כן, מכונות סלולריות משמשות לשידור - מסועים ותעלות יונים.

המסוע קושר יון או מולקולה ואז נע איתו לצד השני של הממברנה (כאשר הממברנה עצמה קטנה) או - כאשר הוא עובר דרך כל הממברנה - מניע את החלקיק שנאסף ומשחרר אותו בקצה השני. כמובן, מסועים פועלים בשני הכיוונים והם מאוד "דקיקים" - לרוב הם מעבירים רק סוג אחד של חומר. תעלות יונים מציגות אפקט עבודה דומה, אך מנגנון שונה. ניתן להשוות אותם לפילטר. התחבורה דרך תעלות יונים בדרך כלל עוקבת אחר שיפוע ריכוז (ריכוזי יונים גבוהים עד נמוכים יותר עד שהם מתמתנים). מצד שני, מנגנונים תוך תאיים מווסתים את הפתיחה והסגירה של מעברים. תעלות היונים מפגינות גם סלקטיביות גבוהה למעבר חלקיקים.

תעלת יונים (משמאל) וצינורות בפעולה

הדגלום החיידקי הוא מנגנון מניע אמיתי

ישנה מכונה מולקולרית מעניינת נוספת בקרום התא - כונן הדגלים, המבטיח תנועה אקטיבית של חיידקים. מדובר במנוע חלבוני המורכב משני חלקים: חלק קבוע (סטטור) וחלק מסתובב (רוטור). תנועה נגרמת על ידי זרימת יוני מימן מהממברנה לתוך התא. הם נכנסים לתעלה בסטטור ובהמשך לחלק הדיסטלי, שנמצא ברוטור. כדי להיכנס לתא, יוני מימן חייבים למצוא את דרכם לקטע הבא של התעלה, שנמצא שוב בסטטור. עם זאת, הרוטור חייב להסתובב על מנת שהתעלות יתכנסו. קצה הרוטור, הבולט מעבר לכלוב, מעוקל, מוצמד אליו דגל גמיש המסתובב כמו מדחף מסוק.

אני מאמין שסקירה קצרה בהכרח של המנגנון הסלולרי תבהיר שהעיצובים הזוכים של זוכי פרס נובל, מבלי לגרוע מהישגיהם, עדיין רחוקים מהשלמות של יצירות האבולוציה.