Mobiele machines

In 2016 werd de Nobelprijs voor scheikunde toegekend voor een indrukwekkende prestatie: de synthese van moleculen die fungeren als mechanische apparaten. Er kan echter niet worden gezegd dat het idee om miniatuurmachines te maken een origineel menselijk idee is. En deze keer stond de natuur voorop.

De bekroonde moleculaire machines (meer hierover in het artikel uit het januarinummer van MT) zijn de eerste stap naar een nieuwe technologie die binnenkort ons leven op zijn kop kan zetten. Maar de lichamen van alle levende organismen zitten vol met mechanismen op nanoschaal die ervoor zorgen dat cellen efficiënt blijven functioneren.

In het midden…

... cellen bevatten een kern en daarin wordt genetische informatie opgeslagen (bacteriën hebben geen aparte kern). Het DNA-molecuul zelf is verbazingwekkend - het bestaat uit meer dan 6 miljard elementen (nucleotiden: stikstofbase + deoxyribosesuiker + fosforzuurresidu), die draden vormen met een totale lengte van ongeveer 2 meter. En daarin zijn we geen kampioenen, want er zijn organismen waarvan het DNA uit honderden miljarden nucleotiden bestaat. Om zo'n gigantisch molecuul in de kern te laten passen, onzichtbaar voor het blote oog, worden DNA-strengen in elkaar gedraaid tot een helix (dubbele helix) en rond speciale eiwitten gewikkeld die histonen worden genoemd. De cel heeft een speciale set machines om met deze database te werken.

Je moet voortdurend gebruikmaken van de informatie die in het DNA zit: lees de sequenties die coderen voor de eiwitten die je op dat moment nodig hebt (transcriptie), en kopieer van tijd tot tijd de hele database om de cel te delen (replicatie). Elk van deze stappen omvat het ontrafelen van de helix van nucleotiden. Voor deze activiteit wordt het helicase-enzym gebruikt, dat in een spiraal beweegt en - als een wig - het in afzonderlijke draden verdeelt (dit alles lijkt op bliksem). Het enzym werkt dankzij de energie die vrijkomt als gevolg van de afbraak van de universele energiedrager van de cel - ATP (adenosinetrifosfaat).

Model van het ATP-molecuul. Hechting en onthechting van fosfaatresten (links) zorgen voor energie-uitwisseling in cellulaire chemische reacties.

Nu kun je beginnen met het kopiëren van ketenfragmenten, wat RNA-polymerase doet, ook aangedreven door de energie in ATP. Het enzym beweegt langs de DNA-streng en vormt een gebied van RNA (met suiker, ribose in plaats van deoxyribose), de sjabloon waarop eiwitten worden gesynthetiseerd. Als gevolg hiervan blijft het DNA behouden (vermijdt het constant ontrafelen en lezen van fragmenten), en bovendien kunnen eiwitten door de hele cel worden aangemaakt, niet alleen in de kern.

Een bijna foutloze kopie wordt geleverd door DNA-polymerase, dat op dezelfde manier werkt als RNA-polymerase. Het enzym beweegt langs de draad en bouwt zijn tegenhanger op. Wanneer een ander molecuul van dit enzym langs de tweede streng beweegt, zijn het resultaat twee complete DNA-strengen. Het enzym heeft een paar "helpers" nodig om te beginnen met kopiëren, fragmenten aan elkaar te binden en onnodige striae te verwijderen. DNA-polymerase heeft echter een "fabricagefout". Het kan maar in één richting bewegen. Replicatie vereist de creatie van een zogenaamde starter, van waaruit het daadwerkelijke kopiëren begint. Eenmaal voltooid, worden de primers verwijderd en omdat het polymerase geen back-up heeft, wordt het bij elke DNA-kopie korter. Aan de uiteinden van de draad bevinden zich beschermende fragmenten, telomeren genaamd, die niet coderen voor eiwitten. Na hun consumptie (bij mensen, na ongeveer 50 herhalingen), plakken de chromosomen aan elkaar en worden ze gelezen met fouten, wat celdood veroorzaakt of de transformatie ervan in een kankercel. Zo wordt de tijd van ons leven gemeten door de telomere klok.

Voor het kopiëren van DNA zijn veel enzymen nodig om samen te werken.

Een molecuul ter grootte van DNA ondergaat blijvende schade. Een andere groep enzymen, die ook als gespecialiseerde machines fungeert, houdt zich bezig met het oplossen van problemen. Een toelichting op hun rol werd bekroond met de Scheikundeprijs 2015 (zie voor meer informatie het artikel van januari 2016).

Binnen…

… cellen hebben een cytoplasma - een suspensie van componenten die ze vullen met verschillende vitale functies. Het hele cytoplasma is bedekt met een netwerk van eiwitstructuren waaruit het cytoskelet bestaat. Door de samentrekkende microvezels kan de cel van vorm veranderen, waardoor hij kan kruipen en zijn interne organellen kan bewegen. Het cytoskelet omvat ook microtubuli, d.w.z. buizen gemaakt van eiwitten. Dit zijn redelijk stijve elementen (een holle buis is altijd stijver dan een enkele staaf met dezelfde diameter) die een cel vormen, en enkele van de meest ongebruikelijke moleculaire machines bewegen erlangs - wandelende eiwitten (letterlijk!).

Microtubuli hebben elektrisch geladen uiteinden. Eiwitten, dyneïnes genaamd, bewegen naar het negatieve fragment, terwijl kinesines in de tegenovergestelde richting bewegen. Dankzij de energie die vrijkomt bij de afbraak van ATP, verandert de vorm van lopende eiwitten (ook wel motor- of transporteiwitten genoemd) in cycli, waardoor ze als een eend over het oppervlak van microtubuli kunnen bewegen. Moleculen zijn voorzien van een eiwit "draadje", aan het einde waarvan een ander groot molecuul of een luchtbel gevuld met afvalstoffen kan plakken. Dit alles lijkt op een robot die zwaaiend een ballon aan een touwtje voorttrekt. Rollende eiwitten transporteren de noodzakelijke stoffen naar de juiste plaatsen in de cel en verplaatsen de interne componenten.

Bijna alle reacties die in de cel plaatsvinden, worden gecontroleerd door enzymen, zonder welke deze veranderingen bijna nooit zouden plaatsvinden. Enzymen zijn katalysatoren die zich gedragen als gespecialiseerde machines om één ding te doen (vaak versnellen ze slechts één bepaalde reactie). Ze vangen de substraten van transformatie op, rangschikken ze op de juiste manier ten opzichte van elkaar, en na het einde van het proces geven ze de producten vrij en gaan ze weer aan het werk. De associatie met een industriële robot die eindeloos repetitieve handelingen uitvoert is absoluut waar.

Moleculen van de intracellulaire energiedrager worden gevormd als bijproduct van een reeks chemische reacties. De belangrijkste bron van ATP is echter het werk van het meest complexe mechanisme van de cel - ATP-synthase. Het grootste aantal moleculen van dit enzym bevindt zich in de mitochondriën, die fungeren als cellulaire "energiecentrales".

ATP-synthase - boven: vast gedeelte

in het membraan, aandrijfas, verantwoordelijk fragment

voor ATP-synthese

In het proces van biologische oxidatie worden waterstofionen van de binnenkant van afzonderlijke delen van de mitochondriën naar buiten getransporteerd, waardoor hun gradiënt (concentratieverschil) aan beide zijden van het mitochondriale membraan ontstaat. Deze situatie is onstabiel en er is een natuurlijke neiging dat concentraties gelijk worden, en daar profiteert ATP-synthase van. Het enzym bestaat uit verschillende bewegende en vaste delen. In het membraan wordt een fragment met kanalen gefixeerd, waardoor waterstofionen uit de omgeving in de mitochondriën kunnen doordringen. Structurele veranderingen veroorzaakt door hun beweging roteren een ander deel van het enzym - een langwerpig element dat fungeert als een aandrijfas. Aan het andere uiteinde van de staaf, in het mitochondrion, is een ander deel van het systeem eraan vastgemaakt. De rotatie van de as veroorzaakt de rotatie van het interne fragment, waaraan - in sommige van zijn posities - de substraten van de ATP-vormende reactie zijn bevestigd, en vervolgens - in andere posities van de rotor - de voltooide hoogenergetische verbinding. uitgegeven.

En deze keer is het niet moeilijk om een ​​analogie te vinden in de wereld van menselijke technologie. Gewoon een stroomgenerator. De stroom van waterstofionen zorgt ervoor dat de elementen bewegen in de moleculaire motor die in het membraan is geïmmobiliseerd, zoals de bladen van een turbine die wordt aangedreven door een stroom waterdamp. De as brengt de aandrijving over naar het eigenlijke ATP-generatiesysteem. Net als de meeste enzymen kan synthase ook in de andere richting werken en ATP afbreken. Dit proces zet een interne motor in beweging die de bewegende delen van het membraanfragment door een as aandrijft. Dit leidt op zijn beurt tot het wegpompen van waterstofionen uit de mitochondriën. De pomp wordt dus elektrisch aangedreven. Moleculair wonder van de natuur.

Naar de grenzen...

... Tussen de cel en de omgeving bevindt zich een celmembraan dat de interne orde scheidt van de chaos van de buitenwereld. Het bestaat uit een dubbele laag moleculen, met de hydrofiele ("waterminnende") delen naar buiten en de hydrofobe ("watermijdende") delen naar elkaar toe. Het membraan bevat ook veel eiwitmoleculen. Het lichaam moet in contact komen met de omgeving: de stoffen opnemen die het nodig heeft en afvalstoffen afgeven. Sommige chemische verbindingen met kleine moleculen (bijvoorbeeld water) kunnen het membraan in beide richtingen passeren volgens de concentratiegradiënt. Verspreiding van anderen is moeilijk en de cel regelt zelf hun opname. Verder worden cellulaire machines gebruikt voor transmissie - transportbanden en ionenkanalen.

De transportband bindt een ion of molecuul en beweegt dan mee naar de andere kant van het membraan (als het membraan zelf klein is) of - als het door het hele membraan gaat - verplaatst het verzamelde deeltje en laat het aan het andere uiteinde los. Transportbanden werken natuurlijk twee kanten op en zijn erg "kieskeurig" - ze transporteren vaak maar één soort stof. Ionenkanalen vertonen een vergelijkbaar werkingseffect, maar een ander mechanisme. Je kunt ze vergelijken met een filter. Transport door ionenkanalen volgt over het algemeen een concentratiegradiënt (hogere naar lagere ionenconcentraties totdat ze afvlakken). Aan de andere kant reguleren intracellulaire mechanismen het openen en sluiten van doorgangen. De ionenkanalen vertonen ook een hoge selectiviteit voor deeltjes om doorheen te gaan.

Ionenkanaal (links) en pijpleidingen in bedrijf

Het bacteriële flagellum is een echt aandrijfmechanisme

Er is nog een interessante moleculaire machine in het celmembraan - de flagellumaandrijving, die zorgt voor de actieve beweging van bacteriën. Dit is een eiwitmotor die uit twee delen bestaat: een vast deel (stator) en een roterend deel (rotor). Beweging wordt veroorzaakt door de stroom van waterstofionen van het membraan naar de cel. Ze komen het kanaal in de stator binnen en verder in het distale deel, dat zich in de rotor bevindt. Om de cel binnen te komen, moeten waterstofionen hun weg vinden naar het volgende deel van het kanaal, dat zich weer in de stator bevindt. De rotor moet echter draaien om de kanalen te laten convergeren. Het uiteinde van de rotor, dat uitsteekt buiten de kooi, is gebogen, er is een flexibel flagellum aan vastgemaakt dat roteert als een propeller van een helikopter.

Ik geloof dat dit noodzakelijkerwijs korte overzicht van het cellulaire mechanisme duidelijk zal maken dat de winnende ontwerpen van de Nobelprijswinnaars, zonder afbreuk te doen aan hun prestaties, nog ver verwijderd zijn van de perfectie van de scheppingen van de evolutie.