Мошинҳои ҳуҷайра

Дар соли 2016 Ҷоизаи Нобел дар соҳаи кимиё барои дастоварди таъсирбахш - синтези молекулаҳое, ки ҳамчун дастгоҳи механикӣ амал мекунанд, дода шуд. Аммо, гуфтан мумкин нест, ки идеяи сохтани мошинҳои миниатюрӣ як идеяи аслии инсонист. Ва ин дафъа табиат аввалин шуда буд.

Мошинҳои молекулавии мукофотонидашуда (бештар дар бораи онҳо дар мақолаи шумораи январи МТ) қадами аввалин ба сӯи технологияи нав мебошанд, ки метавонанд ҳаёти моро ба зудӣ чаппа кунанд. Аммо ҷисмҳои ҳама организмҳои зинда пур аз механизмҳои наномикёс мебошанд, ки ҳуҷайраҳоро самаранок кор мекунанд.

Дар маркази…

...ҳуҷайраҳо дорои ядро ​​буда, маълумоти ирсӣ дар он нигоҳ дошта мешаванд (бактерияҳо ядрои алоҳида надоранд). Худи молекулаи ДНК аҷиб аст - он аз зиёда аз 6 миллиард элемент (нуклеотидҳо: асоси нитроген + қанди дезоксирибоза + боқимондаи кислотаи фосфор) иборат буда, риштаҳои дарозии умумии тақрибан 2 метрро ташкил медиҳанд. Ва мо дар ин бобат чемпион нестем, зеро организмхое хастанд, ки ДНК-ашон аз садхо миллиард нуклеотидхо иборат аст. Барои он ки чунин як молекулаи азим дар ядро, ки ба чашми одд ноаён аст, ҷойгир шавад, риштаҳои ДНК ба як спирал (спирали дугона) печонида мешаванд ва дар атрофи сафедаҳои махсус, ки гистонҳо ном доранд, печонида мешаванд. Дар ҳуҷайра маҷмӯи махсуси мошинҳо барои кор бо ин базаи маълумот мавҷуд аст.

Шумо бояд доимо маълумотеро, ки дар ДНК мавҷуд аст, истифода баред: пайдарпаии сафедаҳои ба шумо лозимаро рамзгузорӣ кунед (транскрипсия) хонед ва тамоми базаи маълумотро гоҳ-гоҳ нусхабардорӣ кунед, то ҳуҷайраро тақсим кунед (репликатсия). Ҳар яке аз ин қадамҳо кушодани спирали нуклеотидҳоро дар бар мегирад. Барои ин фаъолият ферменти геликазӣ истифода мешавад, ки дар шакли спирал ҳаракат мекунад ва онро ба риштаҳои алоҳида тақсим мекунад (ҳамаи ин ба барқ ​​шабоҳат дорад). Фермент аз ҳисоби энергияе, ки дар натиҷаи шикастани интиқолдиҳандаи универсалии энергияи ҳуҷайра - АТФ (аденозинтрифосфат) ҷудо мешавад, кор мекунад.

Модели молекулаи ATP. Пайвастшавӣ ва ҷудошавии пасмондаҳои фосфат (аз чап) мубодилаи энергияро дар реаксияҳои химиявии ҳуҷайра таъмин мекунанд.

Акнун шумо метавонед нусхабардории порчаҳои занҷирро оғоз кунед, ки полимеразаи РНК иҷро мекунад, инчунин аз энергияи дар ATP мавҷудбуда. Фермент қад-қади риштаи ДНК ҳаракат мекунад ва як минтақаи РНК (дар таркиби худ шакар, рибоза ба ҷои дезоксирибоза) ба вуҷуд меорад, ки шаблонест, ки сафедаҳо дар он синтез карда мешаванд. Дар натиҷа, ДНК нигоҳ дошта мешавад (аз кушодани доимӣ ва хондани пораҳо пешгирӣ карда мешавад) ва илова бар ин, сафедаҳоро на танҳо дар ядро, балки дар тамоми ҳуҷайра ба вуҷуд овардан мумкин аст.

Нусхаи қариб бе хатогӣ аз ҷониби ДНК полимераза таъмин карда мешавад, ки ба РНК полимераз амал мекунад. Фермент қад-қади ришта ҳаракат мекунад ва ҳамтои худро месозад. Вақте ки як молекулаи дигари ин фермент дар риштаи дуюм ҳаракат мекунад, дар натиҷа ду риштаи пурраи ДНК ба вуҷуд меояд. Барои оғоз кардани нусхабардорӣ, пайваст кардани порчаҳо ва бартараф кардани аломатҳои дарози нолозим ба фермент чанд "ёрирасон" лозим аст. Аммо, полимеразаи ДНК "нуқсони истеҳсолӣ" дорад. Он метавонад танҳо дар як самт ҳаракат кунад. Репликатсия эҷоди ба истилоҳ стартерро талаб мекунад, ки нусхабардории воқеӣ аз он оғоз мешавад. Пас аз анҷомёбӣ, праймерҳо хориҷ карда мешаванд ва азбаски полимераз нусхаи эҳтиётӣ надорад, он бо ҳар як нусхаи ДНК кӯтоҳ мешавад. Дар нӯги ришта пораҳои муҳофизатӣ мавҷуданд, ки теломерҳо ном доранд, ки ягон сафедаҳоро рамзгузорӣ намекунанд. Пас аз истеъмоли онҳо (дар одамон, пас аз тақрибан 50 такрор) хромосомаҳо ба ҳам мепайванданд ва бо хатоҳо хонда мешаванд, ки боиси марги ҳуҷайра ё табдил ёфтани он ба саратон мегардад. Ҳамин тариқ, вақти ҳаёти мо бо соати теломерӣ чен карда мешавад.

Нусхабардории ДНК барои якҷоя кор кардани ферментҳои зиёд талаб мекунад.

Молекулаи андозаи ДНК ба осеби доимӣ дучор мешавад. Гурӯҳи дигари ферментҳо, ки ҳамчун мошинҳои махсус амал мекунанд, бо ҳалли мушкилот машғуланд. Шарҳи нақши онҳо ҷоизаи 2015 дар соҳаи химия дода шуд (барои маълумоти бештар ба мақолаи январи соли 2016 нигаред).

Дарун…

...ҳуҷайраҳо дорои ситоплазма мебошанд - суспензияи ҷузъҳо, ки онҳоро бо вазифаҳои гуногуни ҳаётан муҳим пур мекунанд. Тамоми ситоплазма бо шабакаи сохторҳои сафеда, ки ситоскелетро ташкил медиҳанд, фаро гирифта шудааст. Микрофиберҳои шартномавӣ ба ҳуҷайра имкон медиҳанд, ки шакли худро тағир диҳад ва ба он имкон медиҳад, ки органеллҳои дохилии худро хазида ва ҳаракат кунад. Ба ситоскелет низ микронайчаҳо дохил мешаванд, яъне. найчаҳое, ки аз сафедаҳо сохта шудаанд. Инҳо унсурҳои хеле сахт мебошанд (найчаи холӣ ҳамеша аз як чӯбчаи диаметри якхела сахттар аст), ки ҳуҷайраро ташкил медиҳанд ва баъзе аз мошинҳои ғайриоддии молекулавӣ дар баробари онҳо ҳаракат мекунанд - сафедаҳои роҳгузар (айнан!).

Микронайчаҳо нуқҳои барқӣ доранд. Протеинҳое, ки динейнҳо номида мешаванд, ба сӯи порчаи манфӣ ҳаракат мекунанд, кинезинҳо ба самти муқобил ҳаракат мекунанд. Ба шарофати энергияе, ки аз шикастани ATP ҷудо мешавад, шакли сафедаҳои роҳгардӣ (инчунин бо номи сафедаҳои моторӣ ё нақлиётӣ маълум аст) дар давраҳо тағир меёбад ва ба онҳо имкон медиҳад, ки мисли мурғ дар рӯи микротюбулҳо ҳаракат кунанд. Молекулаҳо бо протеин "ришта" муҷаҳҳаз шудаанд, ки ба охири он як молекулаи калон ё ҳубобчаи пур аз маҳсулоти партов метавонад часпида бошад. Хамаи ин ба роботе шабохат дорад, ки ларзонда пуфакро бо ресмон мекашад. Протеинҳои гардишкунанда моддаҳои заруриро ба ҷойҳои лозимии ҳуҷайра интиқол медиҳанд ва ҷузъҳои дохилии онро ба ҳаракат медароранд.

Қариб ҳамаи реаксияҳое, ки дар ҳуҷайра ба амал меоянд, аз ҷониби ферментҳо идора карда мешаванд, ки бе онҳо ин тағирот қариб ҳеҷ гоҳ ба амал намеояд. Ферментҳо катализатор мебошанд, ки мисли мошинҳои махсус барои иҷрои як кор амал мекунанд (бисёр вақт онҳо танҳо як реаксияи мушаххасро суръат мебахшанд). Онҳо субстратҳои трансформатсияро мегиранд, онҳоро ба ҳамдигар мувофиқат мекунанд ва пас аз анҷоми раванд маҳсулотро бароварда, дубора ба кор шурӯъ мекунанд. Ассотсиатсия бо роботи саноатӣ, ки амалҳои беохир такроршавандаро иҷро мекунад, комилан дуруст аст.

Молекулаҳои интиқолдиҳандаи энергияи дохили ҳуҷайра ҳамчун маҳсулоти иловагии як қатор реаксияҳои химиявӣ ба вуҷуд меоянд. Аммо манбаи асосии АТФ кори мураккабтарин механизми ҳуҷайра - синтазаи АТФ мебошад. Шумораи зиёди молекулаҳои ин фермент дар митохондрия ҷойгиранд, ки онҳо ҳамчун «станцияҳои барқии» ҳуҷайра амал мекунанд.

Синтаза ATP - боло: қисми собит

дар мембрана, чоҳи гардонанда, порчаи масъул

барои синтези ATP

Дар ҷараёни оксидшавии биологӣ ионҳои гидроген аз дохили қисмҳои алоҳидаи митохондрияҳо ба берун интиқол дода мешаванд, ки дар ҳарду тарафи мембранаи митохондрия градиенти (фарқи консентратсияи) онҳоро ба вуҷуд меорад. Ин вазъият ноустувор аст ва тамоюли табиии баробар кардани консентратҳо вуҷуд дорад, ки аз он синтаза ATP бартарӣ мегирад. Фермент аз якчанд қисмҳои ҳаракаткунанда ва устувор иборат аст. Дар мембрана як порчаи дорои каналҳо ҷойгир шудааст, ки тавассути он ионҳои гидроген аз муҳити атроф метавонанд ба митохондрия ворид шаванд. Таѓйироти сохторие, ки дар натиљаи њаракати онњо ба амал меояд, як ќисми дигари фермент - элементи дарозшу- да, ки чун чоњи пешќадам амал мекунад, гардиш мекунад. Дар канори дигари асо, дар дохили митохондрия, як қисми дигари система ба он часпида мешавад. Гардиши чоҳ боиси гардиши порчаи дохилӣ мегардад, ки ба он - дар баъзе мавқеъҳои он - субстратҳои реаксияи АТФ-созанда пайваст мешаванд ва баъд - дар дигар мавқеъҳои ротор - пайвастагии баланди энергияи тайёр. озод карда шуд.

Ва ин дафъа дар олами технологияи башарӣ қиёс пайдо кардан душвор нест. Танҳо як генератори барқ. Ҷараёни ионҳои гидроген элементҳоро дар дохили муҳаррики молекулавӣ дар мембрана ҳаракат мекунад, ба монанди пардаҳои турбина, ки тавассути ҷараёни буғи об ба ҳаракат медарояд. Шафт дискро ба системаи воқеии тавлиди ATP интиқол медиҳад. Мисли аксари ферментҳо, синтаза низ метавонад дар самти дигар амал кунад ва ATP-ро вайрон кунад. Ин раванд як муҳаррики дохилиро ба кор медарорад, ки қисмҳои ҳаракаткунандаи порчаи мембранаро тавассути чоҳ меронад. Ин, дар навбати худ, боиси аз митохондрияҳо баровардани ионҳои гидроген мегардад. Инак, насос бо кувваи электрикй кор карда мешавад. Мӯъҷизаи молекулавии табиат.

Дар сарҳад…

...Дар байни ҳуҷайра ва муҳити атроф пардаи ҳуҷайра мавҷуд аст, ки тартиботи дохилиро аз бесарусомонии олами берунӣ ҷудо мекунад. Он аз як қабати дукаратаи молекулаҳо иборат буда, қисмҳои гидрофиликӣ ("обдӯст") ба берун ва қисмҳои гидрофобӣ ("обкашӣ") ба сӯи ҳамдигар мебошанд. Дар мембрана инчунин бисёр молекулаҳои сафеда мавҷуданд. Организм бояд бо муҳити атроф тамос гирад: моддаҳои заруриро азхуд кунад ва партовҳоро хориҷ кунад. Баъзе пайвастагиҳои химиявии дорои молекулаҳои хурд (масалан, об) метавонанд аз мембрана аз рӯи градиенти концентрация ба ҳарду самт гузаранд. Диффузияи дигарон душвор аст ва худи ҳуҷайра ҷабби онҳоро танзим мекунад. Ғайр аз он, мошинҳои мобилӣ барои интиқол - конвейерҳо ва каналҳои ионӣ истифода мешаванд.

Конвейер ион ё молекуларо мепайвандад ва баъд бо он ба тарафи дигари мембрана (вакте ки худи мембрана хурд аст) мегузарад ё - вакте ки аз тамоми мембрана мегузарад - заррачаи чамъшударо харакат карда, дар канори дигар мебарорад. Албатта, конвейерхо хар ду тараф кор мекунанд ва хеле «маъно» мебошанд — онхо аксар вакт танхо як навъи моддаро мекашонанд. Каналҳои ионӣ таъсири шабеҳи кориро нишон медиҳанд, аммо механизми дигар. Онҳоро метавон бо филтр муқоиса кард. Интиқол тавассути каналҳои ионҳо одатан аз паи градиенти консентратсияи (консентратсияи ионҳо аз боло то пасттар то сатҳи паст шудани онҳо) сурат мегирад. Аз тарафи дигар, механизмҳои дохили ҳуҷайра кушодан ва бастани гузаргоҳҳоро танзим мекунанд. Каналҳои ионҳо инчунин интихоби баландро барои гузаштани зарраҳо нишон медиҳанд.

Канали ионй (аз чап) ва трубопроводхо дар кор

Парчами бактериявӣ як механизми воқеии ронандагӣ аст

Дар мембранаи ҳуҷайра боз як мошини ҷолиби молекулӣ мавҷуд аст - диски флагеллум, ки ҳаракати фаъоли бактерияҳоро таъмин мекунад. Ин як муҳаррики сафедаест, ки аз ду қисм иборат аст: қисми устувор (статор) ва қисми гардишкунанда (ротор). Ҳаракат тавассути ҷараёни ионҳои гидроген аз мембрана ба ҳуҷайра ба амал меояд. Онҳо ба канал дар статор ва минбаъд ба қисми дурдаст, ки дар ротор ҷойгир аст, ворид мешаванд. Барои ворид шудан ба ҳуҷайра, ионҳои гидроген бояд роҳи худро ба қисмати навбатии канал, ки боз дар статор ҷойгиранд, пайдо кунанд. Аммо, ротор бояд гардиш кунад, то каналҳо ба ҳам наздик шаванд. Нуги ротор, ки берун аз қафас мебарояд, каҷ буда, ба он парчами чандир часпонида шудааст, ки мисли винти вертолёт давр мезанад.

Ман боварӣ дорам, ки ин шарҳи ҳатман мухтасари механизми ҳуҷайра равшан хоҳад кард, ки тарҳҳои ғолиби барандагони Ҷоизаи Нобел, бидуни кам кардани дастовардҳои онҳо, ҳанӯз аз такмили офаридаҳои эволютсия дуранд.