Mesin sel

Bebungah Nobel Kimia 2016 dianugerahi kanggo prestasi nyengsemaken sintesis molekul sing tumindak minangka piranti mekanik. Nanging, ora bisa diarani ide nggawe mesin miniatur minangka ide manungsa asli. Lan wektu iki alam pisanan.

Mesin molekuler sing dianugerahi (luwih lengkap babagan kasebut ing artikel saka edisi Januari MT) minangka langkah pisanan menyang teknologi anyar sing bisa ngowahi revolusi urip kita. Nanging awak kabeh organisme urip kebak mekanisme ukuran nano sing ndhukung fungsi efisien sel.

Ing tengah…

... sel ngemot inti, lan informasi genetik disimpen ing njero (bakteri ora duwe inti sing kapisah). Molekul DNA dhewe pancen apik tenan - dumadi saka luwih saka 6 milyar unsur (nukleotida: basa nitrogen + gula deoksiribosa + residu asam fosfat), mbentuk benang kanthi dawa total udakara 2 meter. Lan kita ora duwe rekaman ing babagan iki, amarga ana organisme sing DNA dumadi saka atusan milyar nukleotida. Kanggo nyukupi molekul raksasa kasebut menyang inti, sing ora katon kanthi mripat telanjang, untaian DNA dipintal bebarengan dadi heliks (heliks ganda) lan dibungkus protein khusus sing disebut histones. Sèl kasebut duwé sakumpulan mesin khusus kanggo nggarap basis data iki.

Sampeyan kudu terus nggunakake informasi sing ana ing DNA: maca urutan kode kanggo protein sing dibutuhake ing wektu tartamtu (transkripsi), lan saka wektu kanggo wektu nyalin kabeh database kanggo dibagi sel (replikasi). Saben langkah-langkah kasebut kalebu ngungkapake heliks nukleotida. Kegiatan iki nggunakake enzim helikase, sing gerakane ing sadawane spiral lan - kaya wedge - misahake dadi benang individu (kabeh kaya kilat). Enzim iki dianggo nggunakake energi sing dibebasake minangka asil saka pemecahan pembawa energi universal sel - ATP (adenosin trifosfat).

Model molekul ATP. Penambahan lan detasemen residu fosfat (kiwa) dadi mediasi ijol-ijolan energi ing reaksi kimia seluler.

Saiki sampeyan bisa miwiti nyalin fragmen rantai, sing ditindakake dening polimerase RNA, uga didorong dening energi sing ana ing ATP. Enzim kasebut pindhah ing sadawane untaian DNA lan mbentuk bagean RNA (ngemot gula, ribosa tinimbang deoksiribosa), yaiku cithakan ing ngendi protèin disintesis. Akibaté, DNA dilestarekake (nyingkiri unraveling terus-terusan lan maca fragmen) lan, saliyane, protein bisa digawe ing saindhenging sel, ora mung ing nukleus.

Salinan sing meh ora ana kesalahan diwenehake dening DNA polymerase, sing tumindak padha karo RNA polymerase. Enzim kasebut pindhah ing sadawane benang lan mbangun pasangane. Nalika molekul liyane saka enzim iki obah ing untaian kapindho, asil loro heliks DNA lengkap. Enzim mbutuhake sawetara "pembantu" kanggo miwiti nyalin, ngubungake fragmen bebarengan lan mbusak stretch mark sing ora perlu. Nanging, polimerase DNA nduweni "cacat manufaktur". Iku mung bisa pindhah ing siji arah. Replikasi mbutuhake nggawe wiwitan sing diarani, saka ngendi salinan nyata diwiwiti. Sawise rampung, primer dibusak lan, amarga polimerase ora duwe cadangan, dicekak saben salinan DNA. Ing ujung benang ana pecahan protèktif sing disebut telomere, sing ora ngode protein apa waé. Sawise konsumsi (ing manungsa, sawise udakara 50 repetisi), kromosom tetep bebarengan lan salah diwaca, sing nyebabake pati sel utawa owah-owahan dadi kanker. Dadi, wektu urip kita diukur nganggo jam telomere.

Nyalin DNA mbutuhake akeh enzim supaya bisa bebarengan.

Molekul sing ukurane DNA ngalami karusakan sing terus-terusan. Klompok enzim liyane, uga minangka mesin khusus, ngatasi kegagalan. Panjelasan babagan peran kasebut dianugerahi hadiah kimia ing 2015 (pirsani artikel Januari 2016 kanggo informasi luwih lengkap).

Ing njero…

...sel duwe sitoplasma - suspensi komponen sing ngisi macem-macem fungsi vital. Kabeh sitoplasma ditutupi karo jaringan struktur protein sing mbentuk sitoskeleton. Microfibers contractile ngidini sèl kanggo ngganti wujud, saéngga bisa nyusup lan mindhah organel internal. Sitoskeleton uga kalebu mikrotubulus, yaiku. tabung sing kasusun saka molekul protein. Iki unsur cukup kaku (tabung kothong tansah stiffer saka rod siji saka diameteripun padha) sing mbentuk sel, lan siji saka mesin molekul paling mboten umum gerakane bebarengan - protein lumampah (secara harfiah!).

Mikrotubulus duwe ujung sing diisi listrik. Protein sing diarani dynein pindhah menyang bagean negatif, nalika kinesin pindhah menyang arah sing ngelawan. Thanks kanggo energi sing dibebasake saka pemecahan ATP, wangun protèin lumampah (uga dikenal minangka protèin motor utawa transportasi) owah-owahan siklis, saéngga bisa obah kaya bebek ing sadawane permukaan mikrotubulus. Molekul kasebut dilengkapi karo "benang" protein, nganti pungkasan molekul gedhe liyane utawa gelembung sing diisi produk sampah bisa nempel. Kabeh iki meh podho robot sing, swaying, narik balon dening senar. Protein gulung ngeterake zat-zat sing dibutuhake menyang papan sing tepat ing sel lan mindhah komponen internal.

Meh kabeh reaksi sing kedadeyan ing sel dikontrol dening enzim, tanpa owah-owahan kasebut meh ora bakal kedadeyan. Enzim minangka katalis sing tumindak minangka mesin khusus kanggo nindakake siji perkara (asring banget mung nyepetake reaksi tartamtu). Dheweke njupuk substrat transformasi, posisine kanthi pas, lan sawise proses rampung, dheweke ngeculake produk lan wiwit bisa digunakake maneh. Asosiasi karo robot industri sing nindakake tumindak bola-bali tanpa wates pancen bener.

Molekul pembawa energi intraselular dibentuk minangka prodhuk sampingan saka serangkaian reaksi kimia. Nanging, sumber utama ATP yaiku karya mekanisme sel sing paling kompleks - ATP synthase. Jumlah molekul paling gedhé saka enzim iki ditemokake ing mitokondria, sing tumindak minangka "pembangkit listrik" seluler.

ATP synthase - ndhuwur: bagean jangkar

ing membran, drive shaft, pecahan tanggung jawab

kanggo sintesis ATP

Sajrone proses oksidasi biologis, ion hidrogen saka njero bagean-bagean individu saka mitokondria diangkut metu, sing nggawe gradien (prabédan konsentrasi) ing loro-lorone membran mitokondria. Kahanan iki ora stabil lan ana kecenderungan alami kanggo nyelarasake konsentrasi, yaiku apa sing dimanfaatake ATP synthase. Enzim kasusun saka sawetara bagean obah lan stasioner. A pecahan karo saluran liwat kang ion hidrogen saka lingkungan bisa nembus menyang mitokondria tetep ing membran. Owah-owahan struktural sing disebabake gerakane muter bagean liyane saka enzim - unsur elongated sing tumindak minangka drive shaft. Ing ujung liyane rod, ing mitokondria, bagean liyane saka sistem ditempelake ing. Rotasi poros nyebabake rotasi fragmen internal, sing - ing sawetara posisi - substrat reaksi pembentuk ATP ditempelake, lan banjur - ing posisi liyane rotor - senyawa energi dhuwur sing wis rampung. dirilis.

Lan wektu iki ora angel golek analogi ing jagad teknologi manungsa. Mung generator listrik. Aliran ion hidrogen njalari unsur-unsur kasebut pindhah ing njero motor molekul sing ora bisa digerakake ing membran, kaya bilah turbin sing didorong dening aliran uap banyu. Poros ngirimake drive menyang sistem generasi ATP sing nyata. Kaya umume enzim, sintase bisa tumindak ing arah liya lan ngrusak ATP. Proses iki nyurung motor internal, sing, liwat poros, nyopir bagean obah saka pecahan membran. Iki, ing siji, ndadékaké kanggo pumping ion hidrogen saka mitokondria. Dadi, pompa listrik. Molekul Ajaib alam.

Ke perbatasan...

...Antawisipun sel lan lingkungan wonten selaput sel ingkang misahaken tatanan internal kaliyan kekacauan donya njaba. Iku kasusun saka lapisan pindho molekul, karo bagean hidrofilik ("seneng banyu") madhep metu lan hidrofobik ("nyingkiri banyu") bagean adhep-adhepan. Membran uga ngandhut akèh molekul protein. Awak kudu kontak karo lingkungan: nyerep zat sing dibutuhake lan mbuwang sampah. Sawetara bahan kimia molekul cilik (kayata banyu) bisa ngliwati membran ing loro arah miturut gradien konsentrasi. Difusi wong liya angel, lan sel kasebut dhewe ngatur panyerepane. Sabanjure, mesin seluler-konveyor lan saluran ion-digunakake kanggo transmisi.

Conveyor ngiket ion utawa molekul lan banjur pindhah menyang sisih liya saka membran (nalika iku dhewe cilik) utawa - nalika liwat kabeh membran - gerakane partikel diklumpukake lan ngeculake ing mburi liyane. Mesthi, conveyor bisa loro-lorone lan banget "milih" - padha asring ngirim mung siji jinis zat. Saluran ion nuduhake efek operasi sing padha nanging mekanisme sing beda. Padha bisa dibandhingake karo filter. Transportasi liwat saluran ion umume ngetutake gradien konsentrasi (saka konsentrasi ion sing luwih dhuwur menyang konsentrasi ion nganti level mudhun). Ing tangan liyane, mekanisme intraselular ngatur mbukak lan nutup peranganing. Saluran ion uga nuduhake selektivitas dhuwur menyang partikel sing dilewati.

Saluran ion (kiwa) lan pipa ing tumindak

Flagellum bakteri minangka mekanisme nyopir sing nyata

Ana mesin molekul liyane sing menarik ing membran sel - drive flagellum, sing njamin gerakan aktif bakteri. Iki minangka motor protein sing dumadi saka rong bagean: bagean stator (stator) lan bagian puteran (rotor). Gerakan kasebut disebabake dening aliran ion hidrogen saka membran menyang sel. Padha mlebu saluran ing stator lan banjur menyang bagean distal, sing dumunung ing rotor. Kanggo mlebu ing sel, ion hidrogen kudu golek dalan menyang bagean saluran sabanjure, sing ana maneh ing stator. Nanging, rotor kudu muter kanggo saluran converge. Pungkasan rotor, protruding ngluwihi sel, mlengkung, lan flagellum fleksibel ditempelake ing, muter kaya rotor helikopter.

Aku percaya yen ringkesan mekanisme seluler sing ringkes iki bakal njlentrehake manawa desain pemenang saka pemenang Bebungah Nobel, tanpa nyuda prestasine, isih adoh saka kreasi evolusi sing sampurna.