Эсийн машинууд

2016 онд химийн салбарын Нобелийн шагналыг механик төхөөрөмжийн үүрэг гүйцэтгэдэг молекулуудын нийлэгжилтийн гайхалтай амжилтын төлөө олгосон. Гэсэн хэдий ч бяцхан машин бүтээх санаа нь хүний ​​анхны санаа гэж хэлж болохгүй. Мөн энэ удаад байгаль хамгийн түрүүнд байв.

Шагнал авсан молекулын машинууд (тэдгээрийн тухай МТ-ийн XNUMX-р сарын дугаарын нийтлэлд) удахгүй бидний амьдралыг орвонгоор нь эргүүлж магадгүй шинэ технологид хүрэх анхны алхам юм. Гэхдээ бүх амьд организмын бие нь эсийг үр дүнтэй ажиллуулах нано хэмжээний механизмаар дүүрэн байдаг.

Төвд…

... эсүүд нь цөм агуулдаг ба удамшлын мэдээлэл түүнд хадгалагддаг (нянгууд нь тусдаа цөмгүй байдаг). ДНХ-ийн молекул нь өөрөө гайхалтай бөгөөд энэ нь 6 тэрбум гаруй элементээс (нуклеотид: азотын суурь + дезоксирибозын сахар + фосфорын хүчлийн үлдэгдэл) бүрддэг бөгөөд нийт урт нь 2 метрийн урттай утас үүсгэдэг. ДНХ нь хэдэн зуун тэрбум нуклеотидуудаас бүрддэг организмууд байдаг тул бид энэ талаар аварга биш юм. Энгийн нүдэнд үл үзэгдэх ийм аварга молекулыг цөмд нь суулгахын тулд ДНХ-ийн хэлхээг мушгиа (давхар спираль) хэлбэрт оруулж, гистон гэж нэрлэгддэг тусгай уургуудаар ороосон байдаг. Уг үүрэнд энэ мэдээллийн сантай ажиллах тусгай багц машинууд байдаг.

Та ДНХ-д агуулагдах мэдээллийг байнга ашиглах ёстой: одоо хэрэгтэй байгаа уургуудыг кодлодог дарааллыг уншина уу (транкрипт), эсийг хуваахын тулд бүх мэдээллийн санг үе үе хуулж ав (хуулбарлах). Эдгээр үе шат бүр нь нуклеотидын мушгиа задлах явдал юм. Энэ үйл ажиллагаанд спираль хэлбэрээр хөдөлж, шаантаг шиг үүнийг салангид утас болгон хуваадаг (энэ бүхэн аянгатай төстэй) геликазын ферментийг ашигладаг. Фермент нь эсийн бүх нийтийн эрчим хүчний тээвэрлэгч болох ATP (аденозин трифосфат) задарсны үр дүнд ялгарах энергийн улмаас ажилладаг.

ATP молекулын загвар. Фосфатын үлдэгдлийг хавсаргах, салгах (зүүн талд) нь эсийн химийн урвалын энергийн солилцоог хангадаг.

Одоо та РНХ полимераза нь ATP-д агуулагдах энергийн нөлөөгөөр ажилладаг гинжин хэлхээний хэсгүүдийг хуулж эхлэх боломжтой. Фермент нь ДНХ-ийн хэлхээний дагуу хөдөлж, уураг нийлэгждэг загвар болох РНХ-ийн бүсийг (дезоксирибозын оронд элсэн чихэр, рибоз агуулсан) үүсгэдэг. Үүний үр дүнд ДНХ хадгалагдан үлддэг (хэсэг хэсгүүдийг байнга задлах, уншихаас зайлсхийх), үүнээс гадна уураг нь зөвхөн цөмд төдийгүй бүх эсэд бий болно.

Бараг алдаагүй хуулбарыг РНХ полимеразтай адил үйлчилдэг ДНХ полимеразаар хангадаг. Фермент нь утаснуудын дагуу хөдөлж, түүний аналогийг бий болгодог. Энэ ферментийн өөр молекул хоёр дахь хэлхээний дагуу хөдөлж байх үед үр дүн нь ДНХ-ийн хоёр бүтэн хэлхээ болно. Ферментийг хуулж, хэсгүүдийг хооронд нь холбож, шаардлагагүй сунгах тэмдгийг арилгахын тулд цөөн хэдэн "туслагч" хэрэгтэй. Гэсэн хэдий ч ДНХ полимераз нь "үйлдвэрлэлийн согогтой" байдаг. Энэ нь зөвхөн нэг чиглэлд шилжих боломжтой. Хуулбарлах нь жинхэнэ хуулбарлах эхлэл гэж нэрлэгддэг эхлэлийг бий болгохыг шаарддаг. Дууссаны дараа праймеруудыг арилгаж, полимераз нь нөөцгүй тул ДНХ-ийн хуулбар бүрээр богиносдог. Утасны төгсгөлд ямар ч уургийг кодлодоггүй теломер гэж нэрлэгддэг хамгаалалтын хэсгүүд байдаг. Хэрэглэсний дараа (хүний ​​хувьд 50 орчим удаа давтагдсаны дараа) хромосомууд хоорондоо наалдаж, алдаатай уншдаг бөгөөд энэ нь эсийн үхэл эсвэл хорт хавдар болж хувирдаг. Тиймээс бидний амьдралын цаг хугацаа теломер цагаар хэмжигддэг.

ДНХ-г хуулбарлахад олон ферментүүд хамтран ажиллах шаардлагатай болдог.

ДНХ-ийн хэмжээтэй молекул байнгын гэмтэлд өртдөг. Мэргэшсэн машинуудын үүрэг гүйцэтгэдэг өөр нэг бүлэг ферментүүд нь алдааг олж засварлах ажлыг гүйцэтгэдэг. Тэдний үүргийн тайлбарыг 2015 оны химийн шагналаар шагнасан (дэлгэрэнгүй мэдээллийг 2016 оны XNUMX-р сарын нийтлэлээс үзнэ үү).

Дотор…

... эсүүд нь цитоплазмтай байдаг - тэдгээрийг янз бүрийн амин чухал үйл ажиллагаануудаар дүүргэдэг бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн суспенз. Цитоплазм бүхэлдээ цитоскелетоныг бүрдүүлдэг уургийн бүтцийн сүлжээгээр бүрхэгдсэн байдаг. Гэрээт бичил утаснууд нь эсийг хэлбэрээ өөрчлөх боломжийг олгож, дотоод эрхтэнээ мөлхөж, хөдөлгөх боломжийг олгодог. Цитоскелет нь мөн микротубулуудыг агуулдаг, i.e. уурагаар хийсэн хоолой. Эдгээр нь нэлээд хатуу элементүүд юм (хөндий хоолой нь ижил диаметртэй нэг саваагаас үргэлж хатуу байдаг) эсийг үүсгэдэг бөгөөд хамгийн ер бусын молекулын машинууд тэдгээрийн дагуу хөдөлдөг - алхаж буй уураг (шууд утгаараа!).

Микротубулууд нь цахилгаанаар цэнэглэгдсэн төгсгөлтэй байдаг. Динеин гэж нэрлэгддэг уураг нь сөрөг фрагмент руу шилждэг бол кинезин нь эсрэг чиглэлд хөдөлдөг. ATP-ийн задралаас ялгарах энергийн ачаар алхаж буй уургуудын хэлбэр (хөдөлгүүр эсвэл тээврийн уураг гэгддэг) мөчлөгт өөрчлөгдөж, микро гуурсан хоолойн гадаргуу дээгүүр нугас шиг хөдөлдөг. Молекулууд нь уургийн "утас" -аар тоноглогдсон бөгөөд түүний төгсгөлд өөр том молекул эсвэл хаягдал бүтээгдэхүүнээр дүүрсэн хөөс наалдаж болно. Энэ бүхэн нь бөмбөлгийг утсаар татдаг роботтой төстэй юм. Өнхрөх уураг нь шаардлагатай бодисыг эсийн зөв газарт хүргэж, түүний дотоод бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг хөдөлгөдөг.

Эсэд тохиолддог бараг бүх урвалыг ферментээр удирддаг бөгөөд үүнгүйгээр эдгээр өөрчлөлтүүд бараг хэзээ ч гарахгүй. Ферментүүд нь нэг зүйлийг хийх тусгай машин шиг ажилладаг катализатор юм (ихэнхдээ тэд зөвхөн нэг тодорхой урвалыг хурдасгадаг). Тэд хувиргах субстратуудыг барьж, бие биендээ тохирсон байдлаар байрлуулж, процесс дууссаны дараа бүтээгдэхүүнээ гаргаж, дахин ажиллаж эхэлдэг. Эцэс төгсгөлгүй давтагдах үйлдлүүдийг гүйцэтгэдэг аж үйлдвэрийн роботтой холбоотой нь туйлын үнэн юм.

Эсийн доторх энерги зөөгч молекулууд нь хэд хэдэн химийн урвалын дайвар бүтээгдэхүүн болж үүсдэг. Гэсэн хэдий ч ATP-ийн гол эх үүсвэр нь эсийн хамгийн нарийн төвөгтэй механизм болох ATP синтазын ажил юм. Энэ ферментийн хамгийн олон тооны молекулууд нь эсийн "цахилгаан станц" -ын үүрэг гүйцэтгэдэг митохондрид байрладаг.

ATP синтаза - дээд: тогтмол хэсэг

мембран, хөтөч босоо ам, хариуцлагатай фрагмент дотор

ATP синтезийн хувьд

Биологийн исэлдэлтийн явцад устөрөгчийн ионууд нь митохондрийн салангид хэсгүүдийн дотроос гадна тал руу зөөгддөг бөгөөд энэ нь митохондрийн мембраны хоёр тал дээр тэдгээрийн градиент (концентрацийн зөрүү) үүсгэдэг. Энэ байдал тогтворгүй бөгөөд концентраци тэнцвэржих байгалийн хандлага байдаг бөгөөд энэ нь ATP синтазын давуу талыг ашигладаг. Фермент нь хэд хэдэн хөдөлгөөнт болон тогтмол хэсгүүдээс бүрдэнэ. Суваг бүхий фрагмент нь мембранд бэхлэгдсэн бөгөөд үүгээрээ хүрээлэн буй орчноос устөрөгчийн ионууд митохондри руу нэвтэрч чаддаг. Тэдний хөдөлгөөнөөс үүдэлтэй бүтцийн өөрчлөлтүүд нь ферментийн өөр нэг хэсгийг эргүүлдэг - хөтчийн босоо амны үүрэг гүйцэтгэдэг сунасан элемент. Савааны нөгөө үзүүрт митохондри дотор системийн өөр нэг хэсэг түүнд наалддаг. Босоо амны эргэлт нь дотоод фрагментийг эргүүлэхэд хүргэдэг бөгөөд түүний зарим байрлалд ATP үүсгэгч урвалын субстрат, дараа нь роторын бусад байрлалд бэлэн өндөр энергитэй нэгдэл бэхлэгддэг. . гаргасан.

Мөн энэ удаад хүн төрөлхтний технологийн ертөнцөд аналогийг олоход хэцүү биш юм. Зүгээр л цахилгаан үүсгүүр. Устөрөгчийн ионуудын урсгал нь усны уурын урсгалаар хөдөлдөг турбины ир шиг элементүүдийг мембранд хөдөлгөөнгүй молекулын мотор дотор хөдөлгөдөг. Босоо ам нь хөтөчийг бодит ATP үүсгэх систем рүү шилжүүлдэг. Ихэнх ферментүүдийн нэгэн адил синтаза нь нөгөө чиглэлд ажиллаж, ATP-ийг задалдаг. Энэ процесс нь мембраны фрагментийн хөдөлгөөнт хэсгүүдийг босоо амаар дамжуулдаг дотоод моторыг хөдөлгөдөг. Энэ нь эргээд митохондриас устөрөгчийн ионыг гадагшлуулахад хүргэдэг. Тиймээс насос нь цахилгаанаар ажилладаг. Байгалийн молекулын гайхамшиг.

Хил дээр…

...Эс болон хүрээлэн буй орчны хооронд дотоод дэг журмыг гадаад ертөнцийн эмх замбараагүй байдлаас тусгаарладаг эсийн мембран байдаг. Энэ нь хоёр давхар молекулаас бүрдэх ба гидрофиль ("усанд дуртай") хэсгүүд нь гадагшаа, гидрофобик ("уснаас зайлсхийдэг") хэсгүүд нь бие биен рүүгээ чиглэсэн байдаг. Мөн мембран нь олон уургийн молекулуудыг агуулдаг. Бие нь хүрээлэн буй орчинтой харьцах ёстой: шаардлагатай бодисыг шингээж, хог хаягдлыг гадагшлуулдаг. Зарим жижиг молекулуудтай химийн нэгдлүүд (жишээлбэл, ус) нь концентрацийн градиентийн дагуу хоёр чиглэлд мембранаар дамждаг. Бусдын тархалт хэцүү байдаг бөгөөд эс нь өөрөө шингээлтийг зохицуулдаг. Цаашилбал, үүрэн холбооны машинуудыг дамжуулахад ашигладаг - конвейер ба ионы суваг.

Туузан дамжуулагч нь ион эсвэл молекулыг холбож, дараа нь мембраны нөгөө тал руу (мембран нь өөрөө жижиг байх үед) эсвэл бүхэлд нь мембранаар дамжин өнгөрөх үед цуглуулсан бөөмсийг хөдөлгөж, нөгөө төгсгөлд нь гаргадаг. Мэдээжийн хэрэг, конвейер нь хоёр талдаа ажилладаг бөгөөд маш "нарийнхан" байдаг - тэд ихэвчлэн зөвхөн нэг төрлийн бодис тээвэрлэдэг. Ионы сувгууд нь ижил төстэй үйл ажиллагааны үр нөлөөг харуулдаг, гэхдээ өөр механизм. Тэдгээрийг шүүлтүүртэй харьцуулж болно. Ионы сувгаар тээвэрлэлт нь ерөнхийдөө концентрацийн градиент (ионы концентраци буурах хүртэл ихсэх хүртэл) дагалддаг. Нөгөөтэйгүүр, эсийн доторх механизмууд нь гарцыг нээх, хаахыг зохицуулдаг. Ионы сувгууд нь бөөмсийг нэвтрүүлэх өндөр сонгомол шинж чанартай байдаг.

Ионы суваг (зүүн) ба дамжуулах хоолой ажиллаж байна

Бактерийн туг нь жинхэнэ хөдөлгөгч механизм юм

Эсийн мембранд өөр нэг сонирхолтой молекул машин байдаг - нянгийн идэвхтэй хөдөлгөөнийг баталгаажуулдаг тугны хөтөч. Энэ бол тогтмол хэсэг (статор) ба эргэдэг хэсэг (ротор) гэсэн хоёр хэсгээс бүрдэх уургийн хөдөлгүүр юм. Хөдөлгөөн нь устөрөгчийн ионуудын мембранаас эс рүү урсах замаар үүсдэг. Тэд статор дахь суваг руу орж, цаашлаад роторт байрлах алслагдсан хэсэгт ордог. Эсийн дотор орохын тулд устөрөгчийн ионууд сувгийн дараагийн хэсэгт хүрэх замыг олох ёстой бөгөөд энэ нь дахин статорт байдаг. Гэсэн хэдий ч сувгуудыг нэгтгэхийн тулд роторыг эргүүлэх ёстой. Роторын төгсгөл нь торноос цааш цухуйсан, муруй, уян хатан туг наалдаж, нисдэг тэрэгний сэнс шиг эргэлддэг.

Энэхүү эсийн механизмын тухай товч тойм нь Нобелийн шагналтнуудын ялалтын загвар нь тэдний ололт амжилтыг үл тоомсорлож, хувьслын бүтээлийн төгс төгөлдөр байдлаас хол хэвээр байгааг тодорхой харуулах болно гэдэгт би итгэж байна.