Mesin sel

Pada tahun 2016, Hadiah Nobel dalam Kimia dianugerahkan untuk pencapaian yang mengesankan - sintesis molekul yang bertindak sebagai perangkat mekanis. Namun, tidak bisa dikatakan bahwa ide membuat mesin miniatur adalah ide asli manusia. Dan kali ini alam yang pertama.

Mesin molekuler yang diberikan (lebih lanjut tentang mereka dalam artikel dari MT edisi Januari) adalah langkah pertama menuju teknologi baru yang mungkin segera mengubah hidup kita. Tetapi tubuh semua organisme hidup penuh dengan mekanisme skala nano yang menjaga sel berfungsi secara efisien.

Berada di tengah…

... sel mengandung nukleus, dan informasi genetik disimpan di dalamnya (bakteri tidak memiliki nukleus terpisah). Molekul DNA itu sendiri luar biasa - terdiri dari lebih dari 6 miliar elemen (nukleotida: basa nitrogen + gula deoksiribosa + residu asam fosfat), membentuk benang dengan panjang total sekitar 2 meter. Dan kami bukan juara dalam hal ini, karena ada organisme yang DNA-nya terdiri dari ratusan miliar nukleotida. Agar molekul raksasa seperti itu dapat masuk ke dalam nukleus, tidak terlihat dengan mata telanjang, untaian DNA dipelintir menjadi heliks (heliks ganda) dan melilit protein khusus yang disebut histon. Sel memiliki seperangkat mesin khusus untuk bekerja dengan database ini.

Anda harus terus-menerus menggunakan informasi yang terkandung dalam DNA: membaca urutan yang mengkode protein yang Anda butuhkan saat ini (transkripsi), dan menyalin seluruh database dari waktu ke waktu untuk membagi sel (replikasi). Masing-masing langkah ini melibatkan penguraian heliks nukleotida. Untuk kegiatan ini, enzim helikase digunakan, yang bergerak dalam bentuk spiral dan - seperti baji - membaginya menjadi benang-benang terpisah (semuanya menyerupai kilat). Enzim bekerja karena energi yang dilepaskan sebagai akibat dari pemecahan pembawa energi universal sel - ATP (adenosin trifosfat).

Model molekul ATP. Pelekatan dan pelepasan residu fosfat (kiri) memberikan pertukaran energi dalam reaksi kimia seluler.

Sekarang Anda dapat mulai menyalin fragmen rantai, yang dilakukan oleh RNA polimerase, juga didorong oleh energi yang terkandung dalam ATP. Enzim bergerak di sepanjang untai DNA dan membentuk wilayah RNA (mengandung gula, ribosa, bukan deoksiribosa), yang merupakan cetakan tempat protein disintesis. Akibatnya, DNA dipertahankan (menghindari penguraian dan pembacaan fragmen yang konstan), dan, di samping itu, protein dapat dibuat di seluruh sel, tidak hanya di dalam nukleus.

Salinan yang hampir bebas kesalahan disediakan oleh DNA polimerase, yang bertindak serupa dengan RNA polimerase. Enzim bergerak di sepanjang utas dan membangun pasangannya. Ketika molekul lain dari enzim ini bergerak di sepanjang untai kedua, hasilnya adalah dua untai DNA lengkap. Enzim membutuhkan beberapa "pembantu" untuk mulai menyalin, mengikat fragmen bersama-sama, dan menghilangkan stretch mark yang tidak perlu. Namun, DNA polimerase memiliki "cacat manufaktur". Itu hanya bisa bergerak ke satu arah. Replikasi membutuhkan penciptaan yang disebut starter, dari mana penyalinan yang sebenarnya dimulai. Setelah selesai, primer dihapus dan, karena polimerase tidak memiliki cadangan, itu memendek dengan setiap salinan DNA. Di ujung benang terdapat fragmen pelindung yang disebut telomer yang tidak mengkode protein apa pun. Setelah dikonsumsi (pada manusia, setelah sekitar 50 pengulangan), kromosom saling menempel dan dibaca dengan kesalahan, yang menyebabkan kematian sel atau transformasinya menjadi kanker. Jadi, waktu hidup kita diukur dengan jam telomer.

Menyalin DNA membutuhkan banyak enzim untuk bekerja sama.

Molekul seukuran DNA mengalami kerusakan permanen. Kelompok enzim lain, yang juga bertindak sebagai mesin khusus, menangani pemecahan masalah. Penjelasan tentang peran mereka dianugerahi Penghargaan Kimia 2015 (untuk informasi lebih lanjut lihat artikel Januari 2016).

Dalam…

… sel memiliki sitoplasma - suspensi komponen yang mengisinya dengan berbagai fungsi vital. Seluruh sitoplasma ditutupi dengan jaringan struktur protein yang membentuk sitoskeleton. Serat mikro yang berkontraksi memungkinkan sel untuk mengubah bentuknya, memungkinkannya merangkak dan memindahkan organel internalnya. Sitoskeleton juga termasuk mikrotubulus, mis. tabung yang terbuat dari protein. Ini adalah elemen yang cukup kaku (tabung berongga selalu lebih kaku daripada batang tunggal dengan diameter yang sama) yang membentuk sel, dan beberapa mesin molekuler yang paling tidak biasa bergerak di sepanjang mereka - protein berjalan (secara harfiah!).

Mikrotubulus memiliki ujung yang bermuatan listrik. Protein yang disebut dynein bergerak ke arah fragmen negatif, sedangkan kinesin bergerak ke arah yang berlawanan. Berkat energi yang dilepaskan dari pemecahan ATP, bentuk protein berjalan (juga dikenal sebagai protein motorik atau transpor) berubah dalam siklus, memungkinkan mereka bergerak seperti bebek melintasi permukaan mikrotubulus. Molekul dilengkapi dengan "utas" protein, di mana molekul besar lain atau gelembung yang diisi dengan produk limbah dapat menempel di ujungnya. Semua ini menyerupai robot, yang, bergoyang, menarik balon dengan seutas tali. Protein bergulir mengangkut zat yang diperlukan ke tempat yang tepat di dalam sel dan memindahkan komponen internalnya.

Hampir semua reaksi yang terjadi di dalam sel dikendalikan oleh enzim, yang tanpanya perubahan ini hampir tidak akan pernah terjadi. Enzim adalah katalis yang bertindak seperti mesin khusus untuk melakukan satu hal (sangat sering mereka hanya mempercepat satu reaksi tertentu). Mereka menangkap substrat transformasi, mengaturnya dengan tepat satu sama lain, dan setelah akhir proses mereka melepaskan produk dan mulai bekerja lagi. Asosiasi dengan robot industri yang melakukan tindakan berulang tanpa henti adalah benar.

Molekul pembawa energi intraseluler terbentuk sebagai produk sampingan dari serangkaian reaksi kimia. Namun, sumber utama ATP adalah kerja mekanisme sel yang paling kompleks - ATP sintase. Jumlah molekul terbesar dari enzim ini terletak di mitokondria, yang bertindak sebagai "pembangkit listrik" seluler.

ATP sintase - atas: bagian tetap

di membran, poros penggerak, fragmen yang bertanggung jawab

untuk sintesis ATP

Dalam proses oksidasi biologis, ion hidrogen diangkut dari bagian dalam masing-masing bagian mitokondria ke luar, yang menciptakan gradiennya (perbedaan konsentrasi) di kedua sisi membran mitokondria. Situasi ini tidak stabil dan ada kecenderungan alami untuk menyamakan konsentrasi, yang dimanfaatkan oleh ATP sintase. Enzim terdiri dari beberapa bagian yang bergerak dan tetap. Sebuah fragmen dengan saluran dipasang di membran, di mana ion hidrogen dari lingkungan dapat menembus ke dalam mitokondria. Perubahan struktural yang disebabkan oleh gerakan mereka memutar bagian lain dari enzim - elemen memanjang yang bertindak sebagai poros penggerak. Di ujung batang yang lain, di dalam mitokondria, bagian lain dari sistem melekat padanya. Rotasi poros menyebabkan rotasi fragmen internal, di mana, di beberapa posisinya, substrat reaksi pembentukan ATP dilampirkan, dan kemudian, di posisi lain dari rotor, senyawa energi tinggi siap pakai. . dilepaskan.

Dan kali ini tidak sulit menemukan analogi dalam dunia teknologi manusia. Hanya pembangkit listrik. Aliran ion hidrogen membuat unsur-unsur bergerak di dalam motor molekuler yang tidak bergerak di dalam membran, seperti bilah-bilah turbin yang digerakkan oleh aliran uap air. Poros mentransfer drive ke sistem pembangkit ATP yang sebenarnya. Seperti kebanyakan enzim, sintase juga dapat bertindak ke arah lain dan memecah ATP. Proses ini menggerakkan motor internal yang menggerakkan bagian-bagian yang bergerak dari fragmen membran melalui poros. Ini, pada gilirannya, mengarah pada pemompaan ion hidrogen dari mitokondria. Jadi, pompa digerakkan secara elektrik. Keajaiban molekuler alam.

Di perbatasan…

... Antara sel dan lingkungan terdapat membran sel yang memisahkan tatanan internal dari kekacauan dunia luar. Ini terdiri dari lapisan ganda molekul, dengan bagian hidrofilik ("pencinta air") ke luar dan bagian hidrofobik ("penghindar air") satu sama lain. Membran juga mengandung banyak molekul protein. Tubuh harus bersentuhan dengan lingkungan: menyerap zat yang dibutuhkannya dan membuang limbah. Beberapa senyawa kimia dengan molekul kecil (misalnya air) dapat melewati membran dalam dua arah sesuai dengan gradien konsentrasi. Difusi yang lain sulit, dan sel itu sendiri mengatur penyerapannya. Selanjutnya, mesin seluler digunakan untuk transmisi - konveyor dan saluran ion.

Konveyor mengikat ion atau molekul dan kemudian bergerak bersamanya ke sisi lain membran (ketika membran itu sendiri kecil) atau - ketika melewati seluruh membran - memindahkan partikel yang terkumpul dan melepaskannya di ujung yang lain. Tentu saja, konveyor bekerja dua arah dan sangat "rewel" - mereka sering hanya mengangkut satu jenis zat. Saluran ion menunjukkan efek kerja yang serupa, tetapi mekanisme yang berbeda. Mereka dapat dibandingkan dengan filter. Transportasi melalui saluran ion umumnya mengikuti gradien konsentrasi (konsentrasi ion yang lebih tinggi ke yang lebih rendah sampai mereka rata). Di sisi lain, mekanisme intraseluler mengatur pembukaan dan penutupan saluran. Kanal ion juga menunjukkan selektivitas yang tinggi untuk dilewati partikel.

Saluran ion (kiri) dan saluran pipa sedang beroperasi

Flagel bakteri adalah mekanisme penggerak yang sebenarnya

Ada mesin molekuler lain yang menarik di membran sel - penggerak flagel, yang memastikan pergerakan aktif bakteri. Ini adalah mesin protein yang terdiri dari dua bagian: bagian tetap (stator) dan bagian yang berputar (rotor). Pergerakan disebabkan oleh aliran ion hidrogen dari membran ke dalam sel. Mereka memasuki saluran di stator dan lebih jauh ke bagian distal, yang terletak di rotor. Untuk masuk ke dalam sel, ion hidrogen harus menemukan jalan mereka ke bagian saluran berikutnya, yang lagi-lagi di stator. Namun, rotor harus berputar agar saluran menyatu. Ujung rotor, menonjol di luar sangkar, melengkung, sebuah flagel fleksibel melekat padanya, berputar seperti baling-baling helikopter.

Saya percaya bahwa tinjauan singkat tentang mekanisme seluler ini akan memperjelas bahwa rancangan pemenang Hadiah Nobel, tanpa mengurangi pencapaian mereka, masih jauh dari kesempurnaan ciptaan evolusi.