Клеточные машины

В 2016 году Нобелевская премия по химии была присуждена за впечатляющие достижения — синтез молекул, действующих как механические устройства. Однако нельзя сказать, что идея создания миниатюрных машин является оригинальной человеческой идеей. И на этот раз природа была первой.

Награжденные молекулярные машины (подробнее о них — в статье из январского номера МТ) — это первый шаг к новой технологии, которая вскоре может перевернуть нашу жизнь. Но тела всех живых организмов полны наноразмерных механизмов, поддерживающих эффективное функционирование клеток.

В центре…

… клетки содержат ядро, и в нем хранится генетическая информация (у бактерий нет отдельного ядра). Сама молекула ДНК удивительна — она состоит из более чем 6 миллиардов элементов (нуклеотидов: азотистое основание + сахар дезоксирибоза + остаток фосфорной кислоты), образующих нити общей длиной около 2 метров. И мы не рекордсмены в этом плане, потому что есть организмы, ДНК которых состоит из сотен миллиардов нуклеотидов. Чтобы такая гигантская молекула поместилась в невидимом невооруженным глазом ядре, нити ДНК скручиваются вместе в спираль (двойную спираль) и наматываются на специальные белки, называемые гистонами. В ячейке есть специальный набор машин для работы с этой базой данных.

Вы должны постоянно использовать информацию, содержащуюся в ДНК: считывать последовательности, кодирующие нужные вам в данный момент белки (транскрипция), и время от времени копировать всю базу данных, чтобы разделить клетку (репликация). Каждый из этих шагов включает в себя распутывание спирали нуклеотидов. Для этой деятельности используется фермент геликаза, который движется по спирали и — подобно клину — разделяет ее на отдельные нити (все это напоминает молнию). Фермент работает за счет энергии, высвобождаемой в результате распада универсального энергоносителя клетки – АТФ (аденозинтрифосфата).

Модель молекулы АТФ. Присоединение и отсоединение остатков фосфатов (слева) обеспечивает обмен энергией в клеточных химических реакциях.

Теперь вы можете начать копировать фрагменты цепей, что делает РНК-полимераза, также движимая энергией, содержащейся в АТФ. Фермент перемещается по цепи ДНК и образует участок РНК (содержащий сахар, рибозу вместо дезоксирибозы), который является матрицей, на которой синтезируются белки. В результате ДНК сохраняется (избегая постоянного распутывания и чтения фрагментов), и, кроме того, белки могут создаваться во всей клетке, а не только в ядре.

Практически безошибочную копию обеспечивает ДНК-полимераза, действующая аналогично РНК-полимеразе. Фермент движется по нити и наращивает свой аналог. Когда другая молекула этого фермента перемещается по второй цепи, в результате образуются две полные спирали ДНК. Ферменту требуется несколько «помощников», чтобы начать копирование, связывание фрагментов вместе и удаление ненужных растяжек. Однако ДНК-полимераза имеет «производственный дефект». Он может двигаться только в одном направлении. Репликация требует создания так называемого starter, с которого начинается собственно копирование. После завершения праймеры удаляются, и, поскольку у полимеразы нет резервной копии, она укорачивается с каждой копией ДНК. На концах нити находятся защитные фрагменты, называемые теломерами, которые не кодируют никаких белков. После их потребления (у человека после примерно 50 повторений) хромосомы слипаются и считываются с ошибками, что вызывает гибель клетки или ее трансформацию в раковую. Таким образом, время нашей жизни измеряется теломерными часами.

Копирование ДНК требует совместной работы многих ферментов.

Молекула размером с ДНК подвергается постоянному повреждению. Другая группа ферментов, также действующих как специализированные машины, занимается устранением сбоев. Объяснение их роли было удостоено в 2015 году химической премии (дополнительную информацию см. в статье от января 2016 года).

Внутри…

… клетки имеют цитоплазму – взвесь компонентов, наполняющих их различными жизненными функциями. Вся цитоплазма покрыта сетью белковых структур, составляющих цитоскелет. Сокращающиеся микроволокна позволяют клетке изменять свою форму, позволяя ей ползать и перемещать свои внутренние органеллы. Цитоскелет также включает микротрубочки, т.е. трубки, состоящие из белковых молекул. Это достаточно жесткие элементы (полая трубка всегда жестче, чем одиночный стержень того же диаметра), формирующие клетку, и по ним передвигаются одни из самых необычных молекулярных машин — шагающие белки (в буквальном смысле!).

Микротрубочки имеют электрически заряженные концы. Белки, называемые динеинами, движутся к отрицательному фрагменту, а кинезины — в противоположном направлении. Благодаря энергии, высвобождаемой в результате распада АТФ, форма ходячих белков (также известных как моторные или транспортные белки) циклически изменяется, что позволяет им передвигаться утиной походкой по поверхности микротрубочек. Молекулы снабжены белковой «ниткой», к концу которой может прилипнуть другая крупная молекула или пузырек, наполненный продуктами жизнедеятельности. Все это напоминает робота, который, покачиваясь, тянет за веревочку воздушный шарик. Перекатывающиеся белки транспортируют необходимые вещества в нужные места клетки и перемещают ее внутренние компоненты.

Почти все реакции, происходящие в клетке, контролируются ферментами, без которых эти изменения практически никогда не происходили бы. Ферменты — это катализаторы, которые действуют как специализированные машины для выполнения одного действия (очень часто они ускоряют только одну конкретную реакцию). Они захватывают субстраты трансформации, располагают их соответствующим образом друг к другу, а после окончания процесса выпускают продукты и снова начинают работать. Ассоциация с промышленным роботом, выполняющим бесконечно повторяющиеся действия, абсолютно верна.

Молекулы внутриклеточного энергоносителя образуются как побочный продукт ряда химических реакций. Однако основным источником АТФ является работа самого сложного механизма клетки – АТФ-синтазы. Наибольшее количество молекул этого фермента находится в митохондриях, выполняющих роль клеточных «электростанций».

АТФ-синтаза – вверху: закрепленная часть

в мембране, приводной вал, ответственный фрагмент

для синтеза АТФ

В процессе биологического окисления ионы водорода изнутри отдельных участков митохондрии транспортируются наружу, что создает их градиент (разность концентраций) по обеим сторонам митохондриальной мембраны. Эта ситуация неустойчива и имеет место естественная тенденция к выравниванию концентраций, чем и пользуется АТФ-синтаза. Фермент состоит из нескольких подвижных и неподвижных частей. В мембране закреплен фрагмент с каналами, по которым ионы водорода из окружающей среды могут проникать внутрь митохондрий. Структурные изменения, вызванные их движением, вращают другую часть фермента — удлиненный элемент, выполняющий роль приводного вала. На другом конце стержня, внутри митохондрии, к нему прикрепляется еще один кусок системы. Вращение вала вызывает вращение внутреннего фрагмента, к которому — в одних его положениях — прикрепляются субстраты АТФ-образующей реакции, а затем — в других положениях ротора — готовое высокоэнергетическое соединение. выпущенный.

И на этот раз нетрудно найти аналогию в мире человеческих технологий. Просто генератор электричества. Поток ионов водорода заставляет элементы двигаться внутри молекулярного мотора, иммобилизованного в мембране, подобно лопастям турбины, приводимым в движение потоком водяного пара. Вал передает привод на фактическую систему генерации АТФ. Как и большинство ферментов, синтаза может действовать и в другом направлении и расщеплять АТФ. Этот процесс приводит в движение внутренний двигатель, который через вал приводит в движение движущиеся части фрагмента мембраны. Это, в свою очередь, приводит к откачке ионов водорода из митохондрий. Итак, насос с электроприводом. Молекулярное чудо природы.

На границе…

…Между клеткой и окружающей средой находится клеточная мембрана, отделяющая внутренний порядок от хаоса внешнего мира. Он состоит из двойного слоя молекул, гидрофильными («любящими воду») частями наружу и гидрофобными («избегающими воды») частями друг к другу. В мембране также имеется множество белковых молекул. Организму приходится контактировать с окружающей средой: поглощать необходимые ему вещества и выделять отходы. Некоторые химические соединения с небольшими молекулами (например, вода) могут проходить через мембрану в обоих направлениях в соответствии с градиентом концентрации. Диффузия других затруднена, и клетка сама регулирует их поглощение. Далее для передачи используются клеточные машины – конвейеры и ионные каналы.

Конвейер связывает ион или молекулу, а затем перемещается с ней на другую сторону мембраны (когда она сама мала) или — когда он проходит через всю мембрану — перемещает собранную частицу и высвобождает ее на другом конце. Конечно, конвейеры работают в обе стороны и очень «привередливы» — зачастую они перевозят только один тип вещества. Ионные каналы показывают аналогичный эффект работы, но другой механизм. Их можно сравнить с фильтром. Транспорт через ионные каналы в основном следует градиенту концентрации (от более высокой к более низкой концентрации ионов до их выравнивания). С другой стороны, внутриклеточные механизмы регулируют открытие и закрытие проходов. Ионные каналы также проявляют высокую селективность по отношению к пропускаемым частицам.

Ионный канал (слева) и конвейеры в работе

Бактериальный жгутик — настоящий приводной механизм

В клеточной мембране есть еще одна интересная молекулярная машина — привод жгутика, обеспечивающий активное движение бактерий. Это белковый двигатель, состоящий из двух частей: неподвижной части (статора) и вращающейся части (ротора). Движение вызывается потоком ионов водорода от мембраны внутрь клетки. Они входят в канал в статоре и далее в дистальную часть, которая находится в роторе. Чтобы попасть внутрь клетки, ионы водорода должны найти путь к следующему участку канала, который снова находится в статоре. Однако ротор должен вращаться, чтобы каналы сошлись. Конец ротора, выступающий за пределы клетки, изогнут, к нему прикреплен гибкий жгутик, вращающийся наподобие винта вертолета.

Я полагаю, что этот обязательно краткий обзор клеточного механизма позволит понять, что победные конструкции лауреатов Нобелевской премии, не умаляя их достижений, все еще далеки от совершенства творений эволюции.