Macchine à cellula

In u 2016, u Premiu Nobel in Chimica hè statu attribuitu per un successu impressiunanti - a sintesi di molécule chì agiscenu cum'è dispusitivi meccanichi. Tuttavia, ùn si pò dì chì l'idea di creà macchine in miniatura hè una idea umana originale. È sta volta a natura era prima.

I machini molecolari premiati (più nantu à elli in l'articulu di l'emissione di ghjennaghju di MT) sò u primu passu versu una nova tecnulugia chì pò prestu turnà a nostra vita. Ma i corpi di tutti l'organismi viventi sò pieni di miccanismi nanoscala chì mantene e cellule funzionendu in modu efficiente.

In u centru…

... e cellule cuntenenu un nucleu, è l'infurmazione genetica hè almacenata in questu (i batteri ùn anu micca un nucleu separatu). A molècula di DNA stessu hè stupente - hè custituitu di più di 6 miliardi d'elementi (nucleotidi: base nitrogenata + zuccaru desoxyribose + residu di l'acidu fosforicu), chì formanu filamenti cù una durata tutale di circa 2 metri. È ùn simu campioni in questu sensu, perchè ci sò urganismi chì l'ADN hè custituitu da centinaie di miliardi di nucleotidi. Per chì una molècula cusì giant si mette in u nucleu, invisibili à l'occhiu nudu, i filamenti di DNA sò torciati in una elica (doppia helix) è avvolti intornu à proteine ​​​​speciali chjamate histones. A cellula hà un settore speciale di machini per travaglià cù sta basa di dati.

Duvete aduprà constantemente l'infurmazioni cuntenute in l'ADN: leghjite e sequenze chì codificanu per e prutezione chì avete bisognu (trascrizzione), è copià a basa di dati sana da u tempu à u tempu per dividisce a cellula (replicazione). Ciascuna di sti passi implica unraveling l'helix di nucleotides. Per questa attività, hè utilizatu l'enzyme helicase, chì si move in una spirale è - cum'è una cunea - si divide in fili separati (tuttu questu s'assumiglia à un lampu). L'enzyme travaglia per via di l'energia liberata da u risultatu di a rottura di u trasportatore energeticu universale di a cellula - ATP (adenosine triphosphate).

Mudellu di a molècula ATP. Attachment and detachment of phosphate residues (left) furnisce u scambiu di energia in reazzione chimica cellulare.

Avà pudete inizià a copia di frammenti di a catena, chì a RNA polimerasi faci, ancu guidata da l'energia cuntenuta in ATP. L'enzyme si move à longu u filu di DNA è forma una regione di RNA (cuntenendu zuccaru, ribosa invece di desoxyribose), chì hè u mudellu nantu à quale sò sintetizzati e proteine. In u risultatu, l'ADN hè cunsirvatu (evitendu un sfondamentu constante è a lettura di frammenti), è, in più, i proteini ponu esse creati in tutta a cellula, micca solu in u nucleu.

Una copia quasi senza errore hè furnita da l'ADN polimerasi, chì agisce in modu simili à l'RNA polimerasi. L'enzima si move longu u filu è custruisce a so contrapartita. Quandu una altra molécula di sta enzima si move longu u sicondu filu, u risultatu hè dui filamenti cumpleti di DNA. L'enzima hà bisognu di uni pochi "aiutanti" per cumincià à copià, liendu frammenti inseme, è caccià i stretch marks innecessarii. Tuttavia, l'ADN polimerasi hà un "difettu di fabricazione". Si pò move solu in una direzzione. A replicazione richiede a creazione di un cusì chjamatu starter, da quale a copia propiu principia. Una volta cumpletu, i primers sò sguassati è, postu chì a polimerasi ùn hà micca copia di salvezza, si scurzeghja cù ogni copia di DNA. À l'estremità di u filu sò frammenti protettivi chjamati telomeri chì ùn codificanu micca per alcuna proteina. Dopu à u so cunsumu (in l'omu, dopu à circa 50 repetizioni), i cromusomi si fermanu è sò leghjite cù errori, chì provoca a morte di e cellule o a so trasfurmazioni in un cancerous. Cusì, u tempu di a nostra vita hè misurata da u clock telomericu.

Copià l'ADN richiede assai enzimi per travaglià inseme.

Una molècula di dimensione di DNA subisce danni permanenti. Un altru gruppu di enzimi, chì agiscenu ancu cum'è machini specializati, tratta di risolve i prublemi. Una spiegazione di u so rolu hè stata premiata u Premiu di Chimica 2015 (per più infurmazione vede l'articulu di ghjennaghju 2016).

Dentru…

... e cellule anu un citoplasma - una sospensjoni di cumpunenti chì li riempie cù diverse funzioni vitali. Tuttu u citoplasma hè cupartu da una reta di strutture di prutezione chì custituiscenu u citoscheletru. I microfibers cuntraenti permettenu à a cellula di cambià a so forma, chì permettenu di scaccià è move i so organelli interni. U citoscheletru include ancu i microtubuli, i.e. tubi fatti di proteini. Quessi sò elementi abbastanza rigidi (un tubu cavu hè sempre più rigidu di una sola verga di u stessu diametru) chì formanu una cellula, è alcune di e machini molecolari più inusual si movenu longu - proteini chì camminanu (literalmente!).

I microtubuli anu estremità caricate elettricamente. Proteini chjamati dyneins si movenu versu u frammentu negativu, mentri kinesins si movenu in a direzzione opposta. Grazie à l'energia liberata da a rottura di l'ATP, a forma di e proteine ​​​​camminate (cunnisciutu ancu com'è proteini di mutore o di trasportu) cambia in i ciculi, chì permettenu di trasfurmà cum'è un anatra nantu à a superficia di i microtubuli. Molécule sò furnuti cù un "filu" di proteina, à a fine di quale un'altra grande molécula o una bolla piena di prudutti di rifiuti ponu attaccà. Tuttu chistu s'assumiglia à un robot, chì, oscillante, tira un globu da una corda. I proteini rotulanti trasportanu i sustanzi necessarii à i posti ghjusti in a cellula è movenu i so cumpunenti internu.

Quasi tutte e reazzioni chì si sò in a cellula sò cuntrullati da l'enzimi, senza chì questi cambiamenti ùn anu mai accade. L'enzimi sò catalizzatori chì agiscenu cum'è machini specializati per fà una cosa (assai spessu acceleranu solu una reazione particulare). Capturanu i sustrati di trasfurmazioni, l'arranganu in modu adattatu à l'altri, è dopu à a fine di u prucessu liberanu i prudutti è cumincianu à travaglià novu. L'associu cù un robot industriale chì esegue azioni ripetitive senza fine hè assolutamente vera.

Molécule di u trasportatore d'energia intracellulare sò furmati cum'è un subproduttu di una seria di reazzioni chimichi. In ogni casu, a fonte principale di ATP hè u travagliu di u mecanismu più cumplessu di a cellula - ATP synthase. U più grande numaru di molécule di questa enzima si trova in a mitocondria, chì agiscenu cum'è "centrale di energia" cellulare.

ATP synthase - cima: parte fissa

in a membrana, l'arburetu di trasmissione, fragmentu rispunsevuli

per a sintesi di ATP

In u prucessu di l'ossidazione biologica, i ioni di l'idrogenu sò trasportati da l'internu di e sezioni individuali di a mitocondria à l'esternu, chì creanu u so gradiente (differenza di cuncentrazione) in i dui lati di a membrana mitocondriale. Questa situazione hè inestabile è ci hè una tendenza naturali per e cuncentrazioni à equalizà, chì hè ciò chì l'ATP sintasi prufitta. L'enzima hè custituita da parechje parti mobili è fissi. Un fragmentu cù canali hè fissu in a membrana, attraversu quale l'ioni di l'idrogenu da l'ambienti ponu penetrà in a mitocondria. I cambiamenti strutturali causati da u so muvimentu rotate una altra parte di l'enzima - un elementu allungatu chì agisce cum'è un arbre di trasmissione. À l'altru finale di u bastone, in a mitocondria, un altru pezzu di u sistema hè attaccatu à questu. A rotazione di l'arbulu pruvucarà a rotazione di u frammentu internu, à quale, in alcune di e so pusizioni, i sustrati di a reazzione chì formanu ATP sò attaccati, è dopu, in altre pusizioni di u rotore, un compostu d'alta energia prontu. . liberatu.

È sta volta ùn hè micca difficiule di truvà una analogia in u mondu di a tecnulugia umana. Solu un generatore di elettricità. U flussu di ioni di l'idrogenu face chì l'elementi si movenu in u mutore moleculare immobilizzatu in a membrana, cum'è e pale di una turbina guidata da un flussu di vapore d'acqua. L'arbulu trasferisce l'unità à u sistema di generazione ATP attuale. Cum'è a maiò parte di l'enzimi, a sintasi pò ancu agisce in l'altra direzzione è rompe l'ATP. Stu prucessu mette in muvimentu un mutore internu chì conduce e parti in muvimentu di u fragmentu di a membrana attraversu un arbre. Questu, à u turnu, porta à u pumping fora di ioni di l'idrogenu da a mitocondria. Dunque, a pompa hè guidata elettricamente. Miraculu moleculare di a natura.

À u cunfini…

... Trà a cellula è l'ambiente ci hè una membrana cellulare chì separa l'ordine internu da u caosu di u mondu esternu. È costituito da un doppio strato di molecole, con le parti idrofile ("amanti dell'acqua") verso l'esterno e le parti idrofobiche ("che evitano l'acqua") l'una verso l'altra. A membrana cuntene ancu parechje molécule di prutezione. U corpu hà da vene in cuntattu cù l'ambiente: assorbe e sustanzi chì hà bisognu è liberate i rifiuti. Certi cumposti chimichi cù molécule petite (per esempiu, l'acqua) ponu passà per a membrana in i dui direzzione secondu u gradiente di cuncentrazione. A diffusione di l'altri hè difficiule, è a cellula stessu regula a so absorption. Inoltre, e macchine cellulari sò aduprate per a trasmissione - trasportatori è canali ionici.

U trasportatore lega un ionu o una molecula è poi si move cun ellu à l'altru latu di a membrana (quandu a membrana stessa hè chjuca) o - quandu passa per tutta a membrana - move a particella raccolta è la libera à l'altra estremità. Di sicuru, i trasportatori travaglianu in dui modi è sò assai "finicky" - spessu trasportanu solu un tipu di sustanza. I canali ioni mostranu un effettu di travagliu simili, ma un mecanismu sfarente. Puderanu paragunà à un filtru. U trasportu attraversu i canali ionici segue generalmente un gradiente di cuncentrazione (concentrazioni di ioni da più altu à più bassu finu à u nivellu). Per d 'altra banda, i miccanismi intracellulari regulanu l'apertura è a chjusura di passaghji. I canali ionici mostranu ancu una alta selettività per e particelle chì passanu.

Canale ionicu (manca) è pipelines in funziunamentu

U flagellu bacterial hè un veru mecanismu di guida

Ci hè una altra machina moleculare interessante in a membrana cellulare - u flagellum drive, chì assicura u muvimentu attivu di bacteria. Questu hè un mutore di proteine ​​​​custituitu di duie parte: una parte fissa (stator) è una parte rotativa (rotor). U muvimentu hè causatu da u flussu di ioni di l'idrogenu da a membrana in a cellula. Entranu in u canali in u stator è più in a parti distale, chì si trova in u rotor. Per entra in a cellula, i ioni di l'idrogenu anu da truvà u so modu à a prossima seccione di u canali, chì hè novu in u stator. Tuttavia, u rotore deve rotà per chì i canali cunvergenu. L'estremità di u rotore, chì sporge oltre a cage, hè curvatu, un flagellu flexible hè attaccatu à questu, chì gira cum'è una hélice di l'helicopteru.

Credu chì sta brevi riassuntu di u mekanismu cellulare farà chjaru chì i disinni vincitori di i vincitori di u Premiu Nobel, senza sminuisce i so rializazioni, sò sempre luntanu da a perfezione di e creazioni di l'evoluzione.