Zelula makinak

2016an, Kimikako Nobel Saria lorpen ikusgarri batengatik eman zen: gailu mekaniko gisa jarduten duten molekulen sintesia. Hala ere, ezin da esan miniaturazko makinak sortzeko ideia giza ideia originala denik. Eta oraingoan natura izan zen lehena.

Saritutako makina molekularrak (horiei buruz gehiago urtarrileko MT aldizkariaren artikuluan) laster gure bizitza hankaz gora jarri dezakeen teknologia berri baterako lehen urratsa dira. Baina izaki bizidun guztien gorputzak nanoeskalako mekanismoz beteta daude zelulak modu eraginkorrean funtzionatzen mantentzen dutenak.

Erdian…

... zelulek nukleo bat dute, eta informazio genetikoa bertan gordetzen da (bakterioek ez dute nukleo bereizirik). ADN molekula bera harrigarria da - 6 mila milioi elementu baino gehiagoz osatuta dago (nukleotidoak: base nitrogenatua + desoxirribosa azukrea + azido fosforikoaren hondakina), guztira 2 metro inguruko luzera duten hariak osatuz. Eta ez gara gai horretan txapeldunak, badaudelako DNA ehunka mila milioi nukleotidoz osatua duten organismoak. Horrelako molekula erraldoi bat nukleoan sartzeko, begi hutsez ikusezina den, DNA kateak elkarrekin bihurritu egiten dira helize batean (helize bikoitza) eta histonak izeneko proteina berezien inguruan inguratzen dira. Gelak datu-base honekin lan egiteko makina multzo berezi bat du.

ADNan dagoen informazioa etengabe erabili behar duzu: irakurri behar dituzun proteinen kodeketa egiten duten sekuentziak (transkripzioa), eta kopiatu datu-base osoa noizean behin zelula zatitzeko (erreplika). Urrats horietako bakoitzak nukleotidoen helizea argitzea dakar. Jarduera horretarako, helikasa entzima erabiltzen da, espiral batean mugitzen dena eta -ziri baten antzera- hari bereizietan banatzen duena (tximistaren antza du honek guztiak). Entzimak zelularen energia-eramaile unibertsalaren -ATP (adenosin trifosfatoa) apurtzearen ondorioz askatzen den energiaren ondorioz funtzionatzen du.

ATP molekularen eredua. Fosfato-hondarrak (ezkerrean) atxikitzeak eta kentzeak energia-trukea ematen dute erreakzio kimiko zelularretan.

Orain kate zatiak kopiatzen has zaitezke, RNA polimerasak egiten duena, ATPak duen energiak bultzatuta ere. Entzima DNA-katean zehar mugitzen da eta RNA-ren eskualde bat eratzen du (azukrea, desoxirribosa ordez erribosa duena), proteinak sintetizatzen dituen txantiloia da. Ondorioz, DNA kontserbatzen da (zatiak etengabe desegiten eta irakurtzen saihestuz), eta, gainera, proteinak sor daitezke zelula osoan, ez bakarrik nukleoan.

Ia errorerik gabeko kopia bat DNA polimerasak ematen du, RNA polimerasaren antzera jokatzen duena. Entzima harian zehar mugitzen da eta bere parekoa eraikitzen du. Entzima honen beste molekula bat bigarren katearen zehar mugitzen denean, emaitza bi DNA kate oso dira. Entzimak "laguntzaile" batzuk behar ditu kopiatzen hasteko, zatiak lotzen eta beharrezkoak ez diren tarte markak kentzen hasteko. Hala ere, DNA polimerasak "fabrikazio akatsa" du. Norabide bakarrean mugitu daiteke. Erreplikatzeak abiarazle deritzon bat sortzea eskatzen du, eta bertatik hasten da benetako kopia. Amaitutakoan, abiarazleak kentzen dira eta, polimerasak babeskopiarik ez duenez, ADN kopia bakoitzean laburtu egiten da. Hariaren muturretan telomero izeneko babes-zatiak daude, inolako proteinarik kodetzen ez dutenak. Kontsumitu ondoren (gizakietan 50 bat errepikapenen ondoren), kromosomak elkarri itsatsi egiten dira eta akatsekin irakurtzen dira, eta horrek zelulen heriotza eragiten du edo minbizi bihurtzean. Horrela, gure bizitzako denbora erloju telomerikoaren bidez neurtzen da.

DNA kopiatzeko entzima asko behar dira elkarrekin lan egiteko.

DNA-tamainako molekula batek kalte iraunkorrak jasaten ditu. Beste entzima talde batek, makina espezializatu gisa ere jardunez, arazoak konpontzeaz arduratzen da. Haien eginkizunaren azalpena 2015eko Kimika Saria eman zioten (informazio gehiagorako ikus 2016ko urtarrileko artikulua).

Barruan…

… zelulek zitoplasma bat dute, hainbat bizi-funtzioz betetzen dituzten osagaien esekidura. Zitoplasma osoa zitoeskeletoa osatzen duten proteina-egituren sare batez estalita dago. Uzkurtzen diren mikrozuntzek zelula forma aldatzeko aukera ematen dute, eta bere barne organuluak arakatu eta mugitzeko aukera ematen du. Zitoeskeletoak mikrotubuluak ere biltzen ditu, hau da. proteinez osatutako hodiak. Elementu nahiko zurrunak dira (hodi huts bat diametro bereko haga bakarra baino zurrunagoa da beti) zelula bat osatzen dutenak, eta makina molekular bitxienetako batzuk haietan zehar mugitzen dira - proteina ibiltariak (literalki!).

Mikrotubuluek elektrikoki kargatutako muturrak dituzte. Dineina izeneko proteinak zati negatiborantz mugitzen dira, kinesinak, berriz, kontrako noranzkoan. ATP-aren matxuratik askatzen den energiari esker, oinezko proteinen forma (motor edo garraio-proteina izenez ere ezagutzen dena) zikloetan aldatzen da, mikrotubuluen gainazalean ahate baten antzera mugitzeko aukera emanez. Molekulak proteina "hari" batez hornituta daude, eta horren amaieran beste molekula handi bat edo hondakinez betetako burbuila bat itsats daiteke. Honek guztiak robot baten antza du, zeinak, kulunkatuz, puxika bati soka batetik tiraka. Ijekatutako proteinek beharrezko substantziak zelulako leku egokietara garraiatzen dituzte eta barne osagaiak mugitzen dituzte.

Zelulan gertatzen diren ia erreakzio guztiak entzimek kontrolatzen dituzte, eta horiek gabe aldaketa horiek ez lirateke ia inoiz gertatuko. Entzimak gauza bat egiteko makina espezializatuen antzera jokatzen duten katalizatzaileak dira (askotan erreakzio jakin bat bakarrik bizkortzen dute). Eraldaketako substratuak harrapatzen dituzte, elkarren artean egoki antolatzen dituzte eta prozesua amaitu ondoren produktuak askatu eta berriro lanean hasten dira. Behin betiko errepikatzen diren ekintzak egiten dituen robot industrial batekin elkartzea guztiz egia da.

Zelula barneko energia-eramailearen molekulak erreakzio kimiko batzuen azpiproduktu gisa eratzen dira. Hala ere, ATP-ren iturri nagusia zelularen mekanismo konplexuenaren lana da - ATP sintasa. Entzima honen molekula kopuru handiena mitokondrioetan dago, "zentral elektriko" zelular gisa jokatzen dutenak.

ATP sintasa - goikoa: zati finkoa

mintzean, ardatz eragilea, zati arduratsua

ATP sintesirako

Oxidazio biologikoaren prozesuan, hidrogeno-ioiak mitokondrioen atal indibidualen barrualdetik kanpora garraiatzen dira, eta horrek haien gradientea (kontzentrazio-aldea) sortzen du mitokondrioaren mintzaren bi aldeetan. Egoera hau ezegonkorra da eta kontzentrazioak berdintzeko joera naturala dago, eta hori aprobetxatzen du ATP sintasa. Entzimak hainbat zati mugikor eta finkoz osatuta dago. Kanalak dituen zati bat finkatzen da mintzean, eta horren bidez inguruneko hidrogeno ioiak mitokondrioetan sar daitezke. Haien mugimenduak eragindako egitura-aldaketek entzimaren beste atal bat biratzen dute - ardatz eragile gisa jokatzen duen elementu luzanga bat. Hagatxoaren beste muturrean, mitokondrioaren barruan, sistemaren beste pieza bat atxikita dago. Ardatzaren biraketak barne-zatiaren biraketa eragiten du, zeinari, bere posizio batzuetan, ATP eratzeko erreakzioaren substratuak atxikitzen zaizkio, eta gero, errotorearen beste posizio batzuetan, energia handiko konposatu prestatua. . kaleratu.

Eta oraingoan ez da zaila giza teknologiaren munduan analogia bat aurkitzea. Elektrizitate sorgailu bat besterik ez. Hidrogeno ioien fluxuak elementuak mugiarazten ditu mintzean inmobilizatuta dagoen motor molekularra, ur lurrun korronte batek bultzatutako turbina baten palak bezala. Ardatzak diskoa ATP sortzeko benetako sistemara transferitzen du. Entzima gehienek bezala, sintasak beste noranzkoan ere jardun dezake eta ATP apurtu. Prozesu honek barne-motor bat jartzen du martxan, mintzaren zati mugikorren zatiak ardatz batetik gidatzen dituena. Honek, mitokondrioetatik hidrogeno ioiak kanporatzea dakar. Beraz, ponpa elektrikoki gidatzen da. Naturaren miraria molekularra.

Mugan…

... Zelula eta ingurunearen artean barruko ordena eta kanpoko munduaren kaosa bereizten duen zelula-mintz bat dago. Molekula geruza bikoitz batez osatuta dago, zati hidrofiloak ("ura maite dutenak") kanpoaldera eta hidrofobikoak ("ura saihesten dutenak") elkarrengana. Mintzak proteina molekula asko ere baditu. Gorputzak ingurunearekin kontaktuan jarri behar du: behar dituen substantziak xurgatu eta hondakinak askatu. Molekula txikiak dituzten konposatu kimiko batzuk (adibidez, ura) kontzentrazio-gradientearen arabera bi noranzkoetan igaro daitezke mintzatik. Besteen hedapena zaila da, eta zelulak berak erregulatzen du haien xurgapena. Gainera, transmisiorako makina zelularrak erabiltzen dira: garraiatzaileak eta kanal ioiak.

Garraiagailuak ioi edo molekula bat lotzen du eta gero berarekin mintzaren beste aldera mugitzen da (mintza bera txikia denean) edo -mintz osoa zeharkatzen duenean- bildutako partikula mugitzen du eta beste muturrean askatzen du. Jakina, garraiagailuek bi modutan funtzionatzen dute eta oso "apurtsuak" dira - askotan substantzia mota bakarra garraiatzen dute. Ioi-kanalek antzeko funtzionamendu-efektua erakusten dute, baina beste mekanismo bat. Iragazki batekin alderatu daitezke. Ioi-kanalen bidezko garraioa, oro har, kontzentrazio-gradiente bat jarraitzen du (kontzentrazio handiagoak eta txikiagoak ioiak berdindu arte). Bestalde, zelula barneko mekanismoek pasabideen irekiera eta ixtea erregulatzen dute. Ioi-kanalek ere selektibitate handia erakusten dute partikulek igarotzeko.

Ioi-kanala (ezkerrean) eta hodiak martxan

Flagelo bakterianoa benetako mekanismo eragilea da

Zelula-mintzean beste makina molekular interesgarri bat dago: flagelo-unitatea, bakterioen mugimendu aktiboa bermatzen duena. Bi zatiz osatutako proteina-motor bat da: zati finko bat (estatorea) eta zati birakaria (errotorea). Higidura mintzetik zelulara hidrogeno ioiak jarioaren ondorioz sortzen da. Estatorean sartzen dira kanalean eta errotorean dagoen zati urrunean sartzen dira. Zelula barruan sartzeko, hidrogeno ioiek kanalaren hurrengo atalerako bidea aurkitu behar dute, berriz ere estatorean dagoena. Hala ere, errotoreak bira egin behar du kanalak bat egin ahal izateko. Errotorearen muturra, kaiolatik haratago ateratzen dena, kurbatua da, flagelo malgu bat erantsita dago, helikopteroaren helize baten antzera biraka.

Uste dut, nahitaez, mekanismo zelularrari buruzko ikuspegi labur honek argi utziko duela Nobel saridunen diseinu irabazleak, lorpenei kendu gabe, eboluzioaren sorkuntzaren perfekziotik urrun daudela oraindik.