เครื่องเซลล์

ในปี 2016 รางวัลโนเบลสาขาเคมีได้รับรางวัลสำหรับความสำเร็จที่น่าประทับใจ - การสังเคราะห์โมเลกุลที่ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ทางกล อย่างไรก็ตาม ไม่อาจกล่าวได้ว่าแนวคิดในการสร้างเครื่องจักรจิ๋วนั้นเป็นแนวคิดดั้งเดิมของมนุษย์ และคราวนี้ธรรมชาติเป็นอันดับแรก

เครื่องโมเลกุลที่ได้รับรางวัล (เพิ่มเติมเกี่ยวกับพวกเขาในบทความจาก MT ฉบับเดือนมกราคม) เป็นก้าวแรกสู่เทคโนโลยีใหม่ที่อาจทำให้ชีวิตของเรากลับหัวกลับหาง แต่ร่างกายของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดเต็มไปด้วยกลไกระดับนาโนที่ช่วยให้เซลล์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในศูนย์…

... เซลล์ประกอบด้วยนิวเคลียส และข้อมูลทางพันธุกรรมถูกเก็บไว้ในนั้น (แบคทีเรียไม่มีนิวเคลียสแยกต่างหาก) โมเลกุลดีเอ็นเอนั้นน่าทึ่งมาก ประกอบด้วยองค์ประกอบมากกว่า 6 พันล้านองค์ประกอบ (นิวคลีโอไทด์: เบสไนโตรเจน + น้ำตาลดีออกซีไรโบส + กรดฟอสฟอริกตกค้าง) ก่อตัวเป็นเส้นไหมที่มีความยาวรวมประมาณ 2 เมตร และเราไม่ใช่แชมป์เปี้ยนในเรื่องนี้ เพราะมีสิ่งมีชีวิตที่ DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์หลายแสนล้านตัว เพื่อให้โมเลกุลขนาดยักษ์ดังกล่าวเข้าไปอยู่ในนิวเคลียสโดยที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า สาย DNA จะถูกบิดเข้าด้วยกันเป็นเกลียว (เกลียวคู่) และพันรอบโปรตีนพิเศษที่เรียกว่าฮิสโตน เซลล์มีชุดเครื่องพิเศษเพื่อทำงานกับฐานข้อมูลนี้

คุณต้องใช้ข้อมูลที่มีอยู่ใน DNA อย่างต่อเนื่อง อ่านลำดับรหัสของโปรตีนที่คุณต้องการในปัจจุบัน (ถอดความ) และคัดลอกฐานข้อมูลทั้งหมดเป็นครั้งคราวเพื่อแบ่งเซลล์ (จำลองแบบ) แต่ละขั้นตอนเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการคลี่คลายเกลียวของนิวคลีโอไทด์ สำหรับกิจกรรมนี้จะใช้เอนไซม์เฮลิเคสซึ่งเคลื่อนที่เป็นเกลียวและ - เหมือนลิ่ม - แบ่งเป็นเธรดแยกกัน (ทั้งหมดนี้คล้ายกับสายฟ้า) เอนไซม์ทำงานเนื่องจากพลังงานที่ปล่อยออกมาอันเป็นผลมาจากการสลายตัวพาพลังงานสากลของเซลล์ - ATP (อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต)

แบบจำลองโมเลกุลเอทีพี การเกาะติดและการหลุดออกของฟอสเฟตตกค้าง (ซ้าย) ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนพลังงานในปฏิกิริยาเคมีระดับเซลล์

ตอนนี้คุณสามารถเริ่มคัดลอกชิ้นส่วนของลูกโซ่ ซึ่ง RNA polymerase ทำ ซึ่งขับเคลื่อนด้วยพลังงานที่มีอยู่ใน ATP ด้วยเช่นกัน เอ็นไซม์เคลื่อนที่ไปตามสาย DNA และก่อตัวเป็นบริเวณของ RNA (ประกอบด้วยน้ำตาล ไรโบส แทนที่จะเป็นดีออกซีไรโบส) ซึ่งเป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์โปรตีน เป็นผลให้ DNA ถูกเก็บรักษาไว้ (หลีกเลี่ยงการคลี่คลายและอ่านชิ้นส่วนอย่างต่อเนื่อง) และนอกจากนี้ โปรตีนสามารถสร้างขึ้นได้ทั่วทั้งเซลล์ ไม่ใช่แค่ในนิวเคลียสเท่านั้น

สำเนาที่ปราศจากข้อผิดพลาดเกือบทั้งหมดจัดทำโดย DNA polymerase ซึ่งทำหน้าที่คล้ายกับ RNA polymerase เอ็นไซม์จะเคลื่อนที่ไปตามเส้นไหมและก่อตัวเป็นคู่กัน เมื่อโมเลกุลอื่นของเอนไซม์นี้เคลื่อนที่ไปตามสายที่สอง ผลที่ได้คือดีเอ็นเอที่สมบูรณ์สองสาย เอนไซม์ต้องการ "ตัวช่วย" สองสามตัวในการเริ่มคัดลอก มัดชิ้นส่วนเข้าด้วยกัน และขจัดรอยแตกลายที่ไม่จำเป็น อย่างไรก็ตาม DNA polymerase มี "ข้อบกพร่องในการผลิต" มันสามารถเคลื่อนที่ได้ในทิศทางเดียวเท่านั้น การจำลองแบบต้องมีการสร้างสิ่งที่เรียกว่าสตาร์ทเตอร์ ซึ่งการคัดลอกจริงเริ่มต้นขึ้น เมื่อเสร็จแล้ว ไพรเมอร์จะถูกลบออก และเนื่องจากพอลิเมอเรสไม่มีสารสำรอง มันจึงสั้นลงด้วยสำเนาดีเอ็นเอแต่ละชุด ที่ปลายด้ายมีชิ้นส่วนป้องกันที่เรียกว่าเทโลเมียร์ซึ่งไม่เข้ารหัสโปรตีนใดๆ หลังจากที่บริโภคเข้าไป (ในมนุษย์ หลังจากทำซ้ำประมาณ 50 ครั้ง) โครโมโซมจะเกาะติดกันและถูกอ่านโดยมีข้อผิดพลาด ซึ่งทำให้เซลล์ตายหรือเปลี่ยนเป็นมะเร็งได้ ดังนั้น เวลาในชีวิตของเราจึงวัดจากนาฬิกาเทโลเมอร์

การคัดลอก DNA ต้องใช้เอ็นไซม์หลายชนิดในการทำงานร่วมกัน

โมเลกุลขนาด DNA ได้รับความเสียหายถาวร เอนไซม์อีกกลุ่มหนึ่งซึ่งทำหน้าที่เป็นเครื่องจักรเฉพาะทางที่เกี่ยวข้องกับการแก้ไขปัญหา คำอธิบายของบทบาทของพวกเขาได้รับรางวัล Chemistry Prize ประจำปี 2015 (สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดดูที่บทความมกราคม 2016)

ข้างใน…

… เซลล์มีไซโตพลาสซึม ซึ่งเป็นสารแขวนลอยของส่วนประกอบที่ทำหน้าที่สำคัญต่างๆ ไซโตพลาสซึมทั้งหมดถูกปกคลุมด้วยเครือข่ายของโครงสร้างโปรตีนที่ประกอบกันเป็นโครงร่างโครงร่าง ไมโครไฟเบอร์ที่หดตัวช่วยให้เซลล์เปลี่ยนรูปร่าง ทำให้คลานและเคลื่อนอวัยวะภายในได้ ไซโตสเกเลตอนรวมถึงไมโครทูบูลด้วย กล่าวคือ หลอดที่ทำจากโปรตีน สิ่งเหล่านี้เป็นองค์ประกอบที่ค่อนข้างแข็ง (ท่อกลวงมักจะแข็งกว่าแท่งเดี่ยวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันเสมอ) ซึ่งก่อตัวเป็นเซลล์ และเครื่องจักรระดับโมเลกุลที่ผิดปกติที่สุดบางตัวก็เคลื่อนไปตามพวกมัน - โปรตีนที่เดินได้ (ตามตัวอักษร!)

ไมโครทูบูลมีประจุไฟฟ้าที่ปลาย โปรตีนที่เรียกว่า dyneins จะเคลื่อนที่ไปทางส่วนลบ ในขณะที่ kinesins จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม ด้วยพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการสลายของ ATP รูปร่างของโปรตีนเดิน (หรือที่เรียกว่าโปรตีนจากมอเตอร์หรือการขนส่ง) จะเปลี่ยนไปเป็นวัฏจักร ทำให้พวกมันเคลื่อนที่เหมือนเป็ดผ่านพื้นผิวของไมโครทูบูล โมเลกุลมีโปรตีน "เกลียว" ซึ่งโมเลกุลขนาดใหญ่อื่นหรือฟองอากาศที่เต็มไปด้วยของเสียสามารถเกาะติดได้ ทั้งหมดนี้คล้ายกับหุ่นยนต์ซึ่งแกว่งไปมาดึงลูกโป่งด้วยเชือก โปรตีนกลิ้งขนส่งสารที่จำเป็นไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมในเซลล์และเคลื่อนย้ายส่วนประกอบภายใน

ปฏิกิริยาเกือบทั้งหมดที่เกิดขึ้นในเซลล์ถูกควบคุมโดยเอ็นไซม์ โดยที่การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้แทบจะไม่เกิดขึ้นเลย เอ็นไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำหน้าที่เหมือนเครื่องจักรเฉพาะทางเพื่อทำสิ่งหนึ่ง (โดยมากมักจะเร่งปฏิกิริยาเฉพาะอย่างเดียวเท่านั้น) พวกเขาจับพื้นผิวของการเปลี่ยนแปลง จัดเรียงให้เหมาะสมซึ่งกันและกัน และหลังจากสิ้นสุดกระบวนการ พวกเขาจะปล่อยผลิตภัณฑ์และเริ่มทำงานอีกครั้ง การเชื่อมโยงกับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่ทำการกระทำซ้ำๆ ไม่รู้จบนั้นเป็นความจริงอย่างยิ่ง

โมเลกุลของตัวพาพลังงานภายในเซลล์ถูกสร้างขึ้นเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาเคมีหลายชุด อย่างไรก็ตามแหล่งที่มาหลักของ ATP คือการทำงานของกลไกที่ซับซ้อนที่สุดของเซลล์ - ATP synthase จำนวนโมเลกุลที่ใหญ่ที่สุดของเอนไซม์นี้อยู่ในไมโตคอนเดรีย ซึ่งทำหน้าที่เป็น "โรงไฟฟ้า" ของเซลล์

ATP synthase - ด้านบน: ส่วนคงที่

ในเมมเบรน, เพลาขับ, ชิ้นส่วนที่รับผิดชอบ

สำหรับการสังเคราะห์เอทีพี

ในกระบวนการออกซิเดชันทางชีวภาพ ไฮโดรเจนไอออนจะถูกขนส่งจากด้านในของไมโตคอนเดรียแต่ละส่วนออกสู่ภายนอก ซึ่งทำให้เกิดการไล่ระดับ (ความแตกต่างของความเข้มข้น) ที่ทั้งสองด้านของเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย สถานการณ์นี้ไม่เสถียรและมีแนวโน้มตามธรรมชาติที่ความเข้มข้นจะเท่ากัน ซึ่ง ATP synthase ใช้ประโยชน์จาก เอ็นไซม์ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและคงที่หลายส่วน ชิ้นส่วนที่มีช่องสัญญาณได้รับการแก้ไขในเมมเบรนซึ่งไฮโดรเจนไอออนจากสิ่งแวดล้อมสามารถเจาะเข้าไปในไมโตคอนเดรียได้ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เกิดจากการเคลื่อนที่จะหมุนส่วนอื่นของเอ็นไซม์ ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ยาวซึ่งทำหน้าที่เป็นเพลาขับ ที่ปลายอีกด้านของแกน ภายในไมโตคอนเดรีย ระบบอีกชิ้นหนึ่งติดอยู่กับมัน การหมุนของเพลาทำให้เกิดการหมุนของชิ้นส่วนภายในซึ่งในบางตำแหน่งจะมีการติดตั้งพื้นผิวของปฏิกิริยา ATP-forming และจากนั้นในตำแหน่งอื่น ๆ ของโรเตอร์จะมีสารประกอบพลังงานสูงสำเร็จรูป . การเผยแพร่.

และคราวนี้ก็ไม่ยากที่จะหาความคล้ายคลึงกันในโลกของเทคโนโลยีของมนุษย์ แค่เครื่องกำเนิดไฟฟ้า การไหลของไฮโดรเจนไอออนทำให้องค์ประกอบเคลื่อนที่ภายในมอเตอร์โมเลกุลซึ่งไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ในเมมเบรน เช่นเดียวกับใบพัดของกังหันที่ขับเคลื่อนด้วยกระแสไอน้ำ เพลาส่งไดรฟ์ไปยังระบบการสร้าง ATP จริง เช่นเดียวกับเอนไซม์ส่วนใหญ่ ซินเทสยังสามารถทำหน้าที่ในอีกทิศทางหนึ่งและสลาย ATP กระบวนการนี้ทำให้มอเตอร์ภายในเคลื่อนที่ซึ่งขับเคลื่อนส่วนที่เคลื่อนที่ของชิ้นส่วนเมมเบรนผ่านเพลา ในทางกลับกันนี้นำไปสู่การสูบฉีดไฮโดรเจนไอออนออกจากไมโตคอนเดรีย ดังนั้นปั๊มจึงขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ปาฏิหาริย์ระดับโมเลกุลของธรรมชาติ

บนชายแดน…

... ระหว่างเซลล์กับสิ่งแวดล้อมมีเยื่อหุ้มเซลล์ที่แยกระเบียบภายในออกจากความวุ่นวายของโลกภายนอก ประกอบด้วยโมเลกุลสองชั้น โดยมีส่วนที่ชอบน้ำ ("ชอบน้ำ") อยู่ด้านนอกและส่วนที่ไม่ชอบน้ำ ("ไม่ชอบน้ำ") เข้าหากัน เมมเบรนยังประกอบด้วยโมเลกุลโปรตีนจำนวนมาก ร่างกายต้องสัมผัสกับสิ่งแวดล้อม: ดูดซับสารที่ต้องการและปล่อยของเสีย สารประกอบทางเคมีบางชนิดที่มีโมเลกุลขนาดเล็ก (เช่น น้ำ) สามารถผ่านเมมเบรนได้ทั้งสองทิศทางตามการไล่ระดับความเข้มข้น การแพร่กระจายของผู้อื่นเป็นเรื่องยากและเซลล์เองก็ควบคุมการดูดซึม นอกจากนี้ยังใช้เครื่องเซลลูล่าร์สำหรับการส่ง - สายพานและช่องไอออน

สายพานลำเลียงจับไอออนหรือโมเลกุลแล้วเคลื่อนตัวไปกับมันไปยังอีกด้านหนึ่งของเมมเบรน (เมื่อเมมเบรนมีขนาดเล็ก) หรือ - เมื่อมันเคลื่อนผ่านเมมเบรนทั้งหมด - จะเคลื่อนอนุภาคที่เก็บรวบรวมและปล่อยออกที่ปลายอีกด้าน แน่นอนว่าสายพานลำเลียงทำงานได้ทั้งสองทางและ "พิถีพิถัน" มาก โดยมักจะขนส่งสารเพียงประเภทเดียว ช่องไอออนแสดงผลการทำงานที่คล้ายกัน แต่มีกลไกต่างกัน สามารถเปรียบเทียบกับตัวกรอง การขนส่งผ่านช่องไอออนโดยทั่วไปจะเป็นไปตามไล่ระดับความเข้มข้น ในทางกลับกัน กลไกภายในเซลล์ควบคุมการเปิดและปิดทางเดิน ช่องไอออนยังแสดงความสามารถในการคัดเลือกอนุภาคสูงเพื่อให้ผ่านเข้าไปได้

ช่องไอออน (ซ้าย) และท่อส่งกำลังดำเนินการ

แบคทีเรียแฟลเจลลัมเป็นกลไกขับเคลื่อนที่แท้จริง

มีกลไกระดับโมเลกุลที่น่าสนใจอีกเครื่องหนึ่งในเยื่อหุ้มเซลล์ - แฟลเจลลัมไดรฟ์ ซึ่งรับประกันการเคลื่อนไหวของแบคทีเรีย นี่คือเครื่องยนต์โปรตีนที่ประกอบด้วยสองส่วน: ส่วนคงที่ (สเตเตอร์) และส่วนที่หมุนได้ (โรเตอร์) การเคลื่อนที่เกิดจากการไหลของไฮโดรเจนไอออนจากเมมเบรนเข้าสู่เซลล์ พวกเขาเข้าไปในช่องในสเตเตอร์และเข้าไปในส่วนปลายซึ่งอยู่ในโรเตอร์ ในการเข้าไปในเซลล์ ไฮโดรเจนไอออนจะต้องหาทางไปยังส่วนถัดไปของช่อง ซึ่งอยู่ในสเตเตอร์อีกครั้ง อย่างไรก็ตาม โรเตอร์ต้องหมุนเพื่อให้ช่องมาบรรจบกัน ปลายโรเตอร์ยื่นออกมาเหนือกรงนั้นโค้ง มีแฟลเจลลัมที่ยืดหยุ่นติดอยู่กับมัน หมุนเหมือนใบพัดเฮลิคอปเตอร์

ฉันเชื่อว่าภาพรวมโดยย่อของกลไกเซลลูลาร์จะทำให้ชัดเจนว่าการออกแบบผู้ชนะรางวัลโนเบลที่ชนะรางวัลโนเบลยังคงห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบของการสร้างสรรค์วิวัฒนาการ