آلات الخلية

مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2016 للإنجاز المثير للإعجاب المتمثل في تصنيع الجزيئات التي تعمل كأجهزة ميكانيكية. ومع ذلك، لا يمكن القول إن فكرة إنشاء آلات مصغرة هي فكرة إنسانية أصيلة. وهذه المرة كانت الطبيعة في المقام الأول.

تمثل الآلات الجزيئية الحائزة على الجوائز (المزيد عنها في المقالة الصادرة في عدد يناير من مجلة MT) الخطوة الأولى نحو تقنية جديدة يمكن أن تُحدث ثورة في حياتنا قريبًا. لكن أجسام جميع الكائنات الحية مليئة بآليات نانوية الحجم تدعم الأداء الفعال للخلايا.

في المركز…

... تحتوي الخلايا على نواة، ويتم تخزين المعلومات الوراثية فيها (لا تحتوي البكتيريا على نواة منفصلة). جزيء الحمض النووي نفسه مدهش - فهو يتكون من أكثر من 6 مليارات عنصر (النيوكليوتيدات: قاعدة نيتروجينية + سكر ديوكسي ريبوز + بقايا حمض الفوسفوريك)، وتشكل خيوطًا يبلغ طولها الإجمالي حوالي 2 متر. ونحن لسنا من أصحاب الأرقام القياسية في هذا الصدد، لأن هناك كائنات يتكون حمضها النووي من مئات المليارات من النيوكليوتيدات. ومن أجل احتواء مثل هذا الجزيء العملاق في النواة، التي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، يتم لف خيوط الحمض النووي معًا لتشكل حلزونًا (حلزونًا مزدوجًا) وملفوفة حول بروتينات خاصة تسمى الهستونات. تحتوي الخلية على مجموعة خاصة من الأجهزة للعمل مع قاعدة البيانات هذه.

يجب أن تستخدم باستمرار المعلومات الموجودة في الحمض النووي: اقرأ التسلسلات التي ترمز للبروتينات التي تحتاجها حاليًا (النسخ) ، وانسخ قاعدة البيانات بأكملها من وقت لآخر لتقسيم الخلية (النسخ المتماثل). تتضمن كل خطوة من هذه الخطوات تفكيك حلزون النيوكليوتيدات. بالنسبة لهذا النشاط ، يتم استخدام إنزيم الهليكاز ، والذي يتحرك في دوامة - مثل الإسفين - يقسمه إلى خيوط منفصلة (كل هذا يشبه البرق). يعمل الإنزيم بسبب الطاقة المنبعثة نتيجة انهيار حامل الطاقة العالمي للخلية - ATP (أدينوزين ثلاثي الفوسفات).

نموذج لجزيء ATP. إضافة وفصل بقايا الفوسفات (يسار) يتوسط تبادل الطاقة في التفاعلات الكيميائية الخلوية.

يمكنك الآن البدء في نسخ أجزاء من السلاسل، وهو ما يتم بواسطة بوليميراز RNA، مدفوعًا أيضًا بالطاقة الموجودة في ATP. يتحرك الإنزيم على طول شريط الحمض النووي ويشكل قسمًا من الحمض النووي الريبي (يحتوي على السكر والريبوز بدلاً من الديوكسي ريبوز)، وهو القالب الذي يتم تصنيع البروتينات عليه. ونتيجة لذلك، يتم الحفاظ على الحمض النووي (مع تجنب تفكك وقراءة الأجزاء بشكل مستمر)، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن إنشاء البروتينات في جميع أنحاء الخلية، وليس فقط في النواة.

ويتم توفير نسخة خالية تقريبًا من الأخطاء بواسطة بوليميراز الحمض النووي، الذي يعمل بشكل مشابه لبوليميراز الحمض النووي الريبي. يتحرك الإنزيم على طول الخيط ويبني نظيره. عندما يتحرك جزيء آخر من هذا الإنزيم على طول الشريط الثاني، تكون النتيجة حلزونين كاملين من الحمض النووي. يحتاج الإنزيم إلى العديد من "المساعدين" لبدء النسخ وربط الأجزاء معًا وإزالة علامات التمدد غير الضرورية. ومع ذلك، فإن بوليميراز الحمض النووي لديه "عيب تصنيعي". ولا يمكنها التحرك إلا في اتجاه واحد. يتطلب النسخ المتماثل إنشاء ما يسمى بالبادئ، والذي يبدأ منه النسخ الفعلي. بمجرد الانتهاء، تتم إزالة البادئات وبما أن البوليميراز لا يحتوي على نسخة احتياطية، فإنه يتم تقصيره مع كل نسخة من الحمض النووي. في نهايات الخيط توجد أجزاء واقية تسمى التيلوميرات، والتي لا ترمز لأي بروتينات. وبعد استهلاكها (عند الإنسان بعد حوالي 50 تكراراً)، تلتصق الكروموسومات ببعضها وتتم قراءتها بشكل خاطئ، مما يسبب موت الخلايا أو تحولها إلى سرطان. وهكذا، يتم قياس وقت حياتنا بواسطة ساعة التيلومير.

يتطلب نسخ الحمض النووي العديد من الإنزيمات للعمل معًا.

إن الجزيء بحجم DNA يتعرض لضرر مستمر. تتعامل مجموعة أخرى من الإنزيمات، التي تعمل أيضًا كآلات متخصصة، مع حالات الفشل. حصل شرح دورهم على جائزة الكيمياء في عام 2015 (راجع مقال يناير 2016 لمزيد من المعلومات).

داخل…

... تحتوي الخلايا على سيتوبلازم - تعليق للمكونات التي تملأها بوظائف حيوية مختلفة. يتم تغطية السيتوبلازم بأكمله بشبكة من الهياكل البروتينية التي تشكل الهيكل الخلوي. تسمح الألياف الدقيقة للخلية بتغيير شكلها ، مما يسمح لها بالزحف وتحريك عضياتها الداخلية. يشتمل الهيكل الخلوي أيضًا على الأنابيب الدقيقة ، أي أنابيب مصنوعة من البروتينات. هذه عناصر صلبة إلى حد ما (الأنبوب المجوف دائمًا أكثر صلابة من قضيب واحد من نفس القطر) التي تشكل خلية ، وبعض الآلات الجزيئية الأكثر غرابة تتحرك على طولها - بروتينات المشي (حرفيًا!).

الأنابيب الدقيقة لها نهايات مشحونة كهربائيا. تتحرك البروتينات التي تسمى الداينينز نحو الشطر السالب، بينما تتحرك الكينيسينات في الاتجاه المعاكس. بفضل الطاقة المنطلقة من تحلل ATP، يتغير شكل بروتينات المشي (المعروفة أيضًا باسم البروتينات الحركية أو الناقلة) بشكل دوري، مما يسمح لها بالتحرك مثل البطة على طول سطح الأنابيب الدقيقة. تم تجهيز الجزيئات بـ "خيط" بروتيني يمكن أن يلتصق في نهايته جزيء كبير آخر أو فقاعة مملوءة بالنفايات. كل هذا يشبه الروبوت الذي يتمايل ويسحب بالونًا بخيط. تقوم البروتينات المتدحرجة بنقل المواد الضرورية إلى الأماكن الصحيحة في الخلية وتحرك مكوناتها الداخلية.

يتم التحكم في جميع التفاعلات التي تحدث في الخلية تقريبًا بواسطة الإنزيمات، والتي بدونها لن تحدث هذه التغييرات أبدًا. الإنزيمات عبارة عن محفزات تعمل كآلات متخصصة للقيام بشيء واحد (في كثير من الأحيان تعمل على تسريع تفاعل واحد محدد فقط). فهم يلتقطون ركائز التحويل، ويضعونها بشكل مناسب مع بعضها البعض، وبعد اكتمال العملية، يطلقون المنتجات ويبدأون العمل مرة أخرى. إن الارتباط بالروبوت الصناعي الذي يقوم بأعمال متكررة إلى ما لا نهاية هو أمر صحيح تمامًا.

تتشكل الجزيئات الحاملة للطاقة داخل الخلايا كمنتج ثانوي لسلسلة من التفاعلات الكيميائية. ومع ذلك، فإن المصدر الرئيسي لـ ATP هو عمل آلية الخلية الأكثر تعقيدًا - سينسيز ATP. تم العثور على أكبر عدد من جزيئات هذا الإنزيم في الميتوكوندريا، والتي تعمل بمثابة "محطات الطاقة" الخلوية.

سينسيز ATP - الجزء العلوي: الجزء الثابت

في الغشاء، عمود الإدارة، الجزء المسؤول

لتوليف ATP

أثناء عملية الأكسدة البيولوجية، يتم نقل أيونات الهيدروجين من داخل الأجزاء الفردية من الميتوكوندريا إلى الخارج، مما يخلق تدرجها (فرق التركيز) على جانبي غشاء الميتوكوندريا. هذا الوضع غير مستقر وهناك ميل طبيعي لمساواة التركيزات، وهو ما يستفيد منه سينسيز ATP. يتكون الإنزيم من عدة أجزاء متحركة وثابتة. يتم تثبيت جزء يحتوي على قنوات يمكن من خلالها لأيونات الهيدروجين من البيئة أن تخترق الميتوكوندريا في الغشاء. تؤدي التغييرات الهيكلية الناتجة عن حركتها إلى تدوير جزء آخر من الإنزيم - وهو عنصر ممدود يعمل كعمود محرك. وفي الطرف الآخر من القضيب، داخل الميتوكوندريا، يتم ربط قطعة أخرى من النظام به. يؤدي دوران العمود إلى دوران الجزء الداخلي، الذي - في بعض المواضع - يتم ربط ركائز تفاعل تشكيل ATP، ثم - في مواضع أخرى من الدوار - المركب النهائي عالي الطاقة. مطلق سراحه.

وهذه المرة ليس من الصعب إيجاد تشبيه في عالم التكنولوجيا البشرية. مجرد مولد كهرباء . يؤدي تدفق أيونات الهيدروجين إلى تحرك العناصر داخل محرك جزيئي مثبت في الغشاء، مثل شفرات التوربينات التي يحركها تيار من بخار الماء. ينقل العمود المحرك إلى نظام توليد ATP الفعلي. مثل معظم الإنزيمات، يمكن أن يعمل سينسيز في الاتجاه الآخر ويكسر ATP. تعمل هذه العملية على تشغيل محرك داخلي، والذي، من خلال عمود، يدفع الأجزاء المتحركة من جزء الغشاء. وهذا بدوره يؤدي إلى ضخ أيونات الهيدروجين من الميتوكوندريا. لذلك، مضخة كهربائية. معجزة الطبيعة الجزيئية.

الى الحدود...

... بين الخلية والبيئة يوجد غشاء خلوي يفصل النظام الداخلي عن فوضى العالم الخارجي. يتكون من طبقة مزدوجة من الجزيئات ، مع الأجزاء المحبة للماء ("المحبة للماء") إلى الخارج والأجزاء الكارهة للماء ("تجنب الماء") تجاه بعضها البعض. يحتوي الغشاء أيضًا على العديد من جزيئات البروتين. يجب أن يتلامس الجسم مع البيئة: يمتص المواد التي يحتاجها ويطلق النفايات. يمكن لبعض المركبات الكيميائية ذات الجزيئات الصغيرة (على سبيل المثال ، الماء) أن تمر عبر الغشاء في كلا الاتجاهين وفقًا لتدرج التركيز. انتشار الآخرين أمر صعب ، والخلية نفسها تنظم امتصاصهم. علاوة على ذلك ، تُستخدم الآلات الخلوية للنقل - الناقلات والقنوات الأيونية.

يقوم الناقل بربط الأيون أو الجزيء ثم ينقله معه إلى الجانب الآخر من الغشاء (عندما يكون هو نفسه صغيرا) أو - عندما يمر عبر الغشاء بأكمله - يحرك الجسيم المتجمع ويطلقه في الطرف الآخر. بالطبع، تعمل الناقلات في كلا الاتجاهين وهي "صعبة الإرضاء" للغاية - فهي غالبًا ما تنقل نوعًا واحدًا فقط من المواد. تُظهر القنوات الأيونية تأثيرًا تشغيليًا مشابهًا ولكن بآلية مختلفة. يمكن مقارنتها بالمرشح. يتبع النقل عبر القنوات الأيونية عمومًا تدرج التركيز (من تركيزات الأيونات الأعلى إلى تركيزات الأيونات الأقل حتى تستقر). ومن ناحية أخرى، تنظم الآليات داخل الخلايا فتح وإغلاق الممرات. تظهر القنوات الأيونية أيضًا انتقائية عالية تجاه الجسيمات التي تمر عبرها.

القناة الأيونية (يسار) وخطوط الأنابيب أثناء العمل

السوط البكتيري هو آلية قيادة حقيقية

هناك آلة جزيئية أخرى مثيرة للاهتمام في غشاء الخلية - محرك السوط، الذي يضمن الحركة النشطة للبكتيريا. إنه محرك بروتيني يتكون من جزأين: جزء ثابت (الجزء الثابت) وجزء دوار (الدوار). تحدث الحركة بسبب تدفق أيونات الهيدروجين من الغشاء إلى داخل الخلية. يدخلون القناة في الجزء الثابت ثم إلى الجزء البعيد الموجود في الدوار. للدخول إلى داخل الخلية، يجب على أيونات الهيدروجين أن تجد طريقها إلى القسم التالي من القناة، والذي يقع مرة أخرى في الجزء الثابت. ومع ذلك، يجب أن يدور الدوار حتى تتقارب القنوات. نهاية الدوار، البارزة خارج الخلية، منحنية، ويرتبط بها سوط مرن، يدور مثل دوار المروحية.

أعتقد أن هذه النظرة المختصرة بالضرورة عن الآلية الخلوية ستوضح أن التصميمات الفائزة للفائزين بجائزة نوبل، دون الانتقاص من إنجازاتهم، لا تزال بعيدة عن الإبداعات المثالية للتطور.