細胞機器
2016 年，諾貝爾化學獎授予了一項令人印象深刻的成就——合成作為機械裝置的分子。 但是，不能說創造微型機器的想法是人類原創的想法。 而這一次，自然是第一位的。
獲獎的分子機器（有關它們的更多信息，請參閱 MT XNUMX 月刊的文章）是邁向可能很快顛覆我們生活的新技術的第一步。 但是所有生物的身體都充滿了納米級機制，可以保持細胞有效運作。
在中心…
... 細胞包含一個細胞核，遺傳信息存儲在其中（細菌沒有單獨的細胞核）。 DNA分子本身就很神奇——它由超過6億個元素（核苷酸：含氮鹼基+脫氧核糖+磷酸殘基）組成，形成全長約2米的絲線。 在這方面，我們不是冠軍，因為有些生物的 DNA 由數千億個核苷酸組成。 為了讓這樣一個肉眼看不見的巨大分子適合細胞核，DNA 鏈被扭在一起形成一個螺旋（雙螺旋），並包裹在稱為組蛋白的特殊蛋白質周圍。 該單元有一組特殊的機器來處理這個數據庫。
你必須不斷地使用 DNA 中包含的信息：讀取編碼你當前需要的蛋白質的序列（轉錄），並時不時地複制整個數據庫來分裂細胞（複製）。 這些步驟中的每一步都涉及解開核苷酸的螺旋。 對於此活動，使用解旋酶，它以螺旋方式移動，並且 - 像楔子一樣 - 將其分成單獨的線程（所有這一切都類似於閃電）。 由於細胞的通用能量載體 - ATP（三磷酸腺苷）分解而釋放的能量，該酶起作用。
ATP 分子模型。 磷酸殘基的附著和脫離（左）在細胞化學反應中提供能量交換。
現在您可以開始復制 RNA 聚合酶所做的鏈片段，這也是由 ATP 中包含的能量驅動的。 該酶沿著 DNA 鏈移動並形成一個 RNA 區域（包含糖、核糖而不是脫氧核糖），這是合成蛋白質的模板。 因此，DNA 得以保存（避免不斷分解和讀取片段），此外，蛋白質可以在整個細胞中產生，而不僅僅是在細胞核中。
DNA聚合酶提供了一個幾乎沒有錯誤的拷貝，其作用類似於RNA聚合酶。 酶沿著絲線移動並形成其對應物。 當這種酶的另一個分子沿著第二條鏈移動時，結果是兩條完整的 DNA 鏈。 這種酶需要一些“助手”來開始復制、將片段連接在一起並去除不必要的妊娠紋。 然而，DNA聚合酶有一個“製造缺陷”。 它只能向一個方向移動。 複製需要創建一個所謂的啟動器，實際複製從該啟動器開始。 一旦完成，引物就會被移除，由於聚合酶沒有備份，它會隨著每個 DNA 拷貝而縮短。 線的末端是稱為端粒的保護性片段，它們不編碼任何蛋白質。 在它們被消耗後（在人類中，大約重複 50 次後），染色體粘在一起並被錯誤讀取，這會導致細胞死亡或轉化為癌變細胞。 因此，我們生命中的時間是由端粒時鐘測量的。
複製 DNA 需要許多酶協同工作。
DNA 大小的分子會遭受永久性損傷。 另一組酶，也作為專門的機器，處理故障排除。 對他們角色的解釋獲得了 2015 年化學獎（有關更多信息，請參閱 2016 年 XNUMX 月的文章）。
裡面…
…細胞有細胞質——一種充滿各種重要功能的成分的懸浮液。 整個細胞質都覆蓋著構成細胞骨架的蛋白質結構網絡。 收縮的微纖維允許細胞改變其形狀，使其能夠爬行並移動其內部細胞器。 細胞骨架還包括微管，即由蛋白質製成的管子。 這些是形成細胞的相當堅硬的元素（空心管總是比相同直徑的單桿更硬），一些最不尋常的分子機器沿著它們移動——行走的蛋白質（字面意思！）。
微管具有帶電末端。 稱為動力蛋白的蛋白質向負片段移動，而驅動蛋白則向相反方向移動。 由於 ATP 分解釋放的能量，行走蛋白（也稱為運動蛋白或轉運蛋白）的形狀會周期性變化，使它們能夠像鴨子一樣在微管表面移動。 分子配備了蛋白質“線”，另一個大分子或充滿廢物的氣泡可以粘在其末端。 這一切就像一個機器人，它搖晃著，用一根繩子拉著一個氣球。 滾動蛋白質將必要的物質運輸到細胞中的正確位置並移動其內部成分。
細胞中發生的幾乎所有反應都由酶控制，沒有酶，這些變化幾乎不會發生。 酶是一種催化劑，它就像專門的機器來做一件事（通常它們只加速一種特定的反應）。 它們捕獲轉化的基質，將它們適當地排列在一起，在過程結束後，它們釋放產品並重新開始工作。 與執行無休止重複動作的工業機器人的關聯是絕對正確的。
細胞內能量載體的分子是一系列化學反應的副產物。 然而，ATP的主要來源是細胞最複雜的工作機制——ATP合酶。 這種酶的最多分子位於線粒體中，線粒體充當細胞“發電廠”。
ATP合酶-頂部：固定部分
在膜中，驅動軸，負責任的片段
用於 ATP 合成
在生物氧化過程中，氫離子從線粒體各個部分的內部被轉運到外部，這在線粒體膜的兩側產生了它們的梯度（濃度差異）。 這種情況是不穩定的，並且存在濃度平衡的自然趨勢，這是 ATP 合酶所利用的。 該酶由幾個移動部分和固定部分組成。 帶有通道的片段固定在膜中，環境中的氫離子可以通過通道進入線粒體。 由它們的運動引起的結構變化會旋轉酶的另一部分——一種用作驅動軸的細長元件。 在桿的另一端，在線粒體內部，系統的另一部分連接到它上面。 軸的旋轉導致內部碎片的旋轉，在其某些位置，ATP形成反應的底物附著在其上，然後，在轉子的其他位置，現成的高能化合物. 釋放。
而這一次，在人類科技的世界中不難找到一個類比。 只是一個發電機。 氫離子的流動使元素在固定在膜中的分子馬達內部移動，就像由水蒸氣流驅動的渦輪葉片一樣。 軸將驅動力傳遞給實際的 ATP 生成系統。 像大多數酶一樣，合酶也可以在另一個方向起作用並分解 ATP。 這個過程啟動了一個內部馬達，該馬達通過一個軸驅動膜碎片的移動部分。 這反過來又導致從線粒體中泵出氫離子。 因此，泵是電驅動的。 自然的分子奇蹟。
在邊界…
... 在細胞和環境之間有一層細胞膜，將內部秩序與外部世界的混亂隔開。 它由雙層分子組成，親水（“親水”）部分向外，疏水（“避水”）部分相互靠近。 膜還包含許多蛋白質分子。 身體必須與環境接觸：吸收所需的物質並釋放廢物。 一些具有小分子的化合物（例如水）可以根據濃度梯度從兩個方向穿過膜。 其他人的擴散很困難，細胞本身會調節它們的吸收。 此外，蜂窩機器用於傳輸 - 傳送帶和離子通道。
傳送帶結合離子或分子，然後與它一起移動到膜的另一側（當膜本身很小時），或者 - 當它穿過整個膜時 - 移動收集的粒子並在另一端釋放它。 當然，輸送機是雙向工作的，而且非常“挑剔”——它們通常只輸送一種物質。 離子通道顯示出類似的工作效果，但機制不同。 它們可以比作過濾器。 通過離子通道的傳輸通常遵循濃度梯度（離子濃度從高到低，直到它們趨於平穩）。 另一方面，細胞內機制調節通道的打開和關閉。 離子通道還表現出顆粒通過的高選擇性。
離子通道（左）和運行中的管道
細菌鞭毛是真正的驅動機制
細胞膜中還有另一種有趣的分子機器——鞭毛驅動，它確保細菌的積極運動。 這是一個蛋白質引擎，由兩部分組成：固定部分（定子）和旋轉部分（轉子）。 運動是由氫離子從膜流入細胞引起的。 它們進入定子中的通道並進一步進入位於轉子中的遠端部分。 為了進入電池，氫離子必須找到通道的下一部分，這又是在定子中。 然而，轉子必須旋轉以使通道會聚。 伸出籠子的轉子末端是彎曲的，其上附有柔性鞭毛，像直升機螺旋槳一樣旋轉。
我相信，對細胞機制的簡要概述將清楚地表明，諾貝爾獎獲得者的獲獎設計，在不減損他們的成就的情況下，距離進化創造的完美還很遠。
