Potrivit biologilor, există aproximativ patruzeci de mașini moleculare cunoscute științei în celula vie. Ei transportă încărcături pe "șine" moleculare, acționează ca "întrerupătoare" și "comutatoare" ale proceselor chimice. Mașinile din molecule produc energie pentru a susține viața, a tăia mușchii noștri și a construi alte mașini moleculare. Și îi inspiră pe oamenii de știință să construiască nanoroboturi produse de om, care în viitor vor putea să trăiască și să lucreze în lumea intracelulară.
10 mituri medicale populare
Accelerarea și decelerarea: cum se schimbă creșterea noastră de la epoca la epoca
Să ne imaginăm ce și cum oamenii de știință Gulliver vor construi Lilliputiani robotici, ne-am uitat la mai multe nanomachine create de natura însăși.
Flagellum Bacteria
Un celebru biochimist rus, Academicianul Vladimir Skulachev numit mișcare bacteriană unul dintre fenomenele cele mai izbitoare ale naturii: „Cercetarile sale a dat o lovitură devastatoare pentru snobismul nostru arogant cum ar fi faptul că evoluția biologică a avut înainte de miliarde de ani, nu am fost în măsură să reinventeze roata.“
Pentru mișcarea într-un mediu lichid, unele bacterii folosesc un flagel rotativ, care este condus de un motor electric microscopic asamblat din mai multe molecule de proteine. Propulsând până la 1000 rpm, flagelul poate împinge bacteria înainte cu o viteză neobișnuit de mare - 100-150 μm / s. Pentru o secundă, unicelularul se deplasează la o distanță mai mare de 50 de ori lungimea sa. Dacă acest lucru este tradus în valorile obișnuite, atunci un înotător la o înălțime de 180 cm ar trebui să înoate o piscină de 50 de metri într-o jumătate de secundă!
Metabolismul bacteriilor este aranjat în așa fel încât ionii de hidrogen pozitivi (protoni) să se acumuleze între membranele interioare și cele ale celulei. Se creează un potențial electrochimic care atrage protonii din spațiul inter-membranar în celulă. Acest flux de protoni trece prin "motor", conducând-o.
Structura proteinică a "motorului" se numește complexul Mot, care, la rândul său, constă în proteine Mot A (stator) și Mot B (rotor). Canalele ionice din ele sunt aranjate astfel încât mișcarea protonilor determină rotorul să se rotească ca o turbină. Manipularea structurii proteinei, unele bacterii pot schimba direcția și viteza de mișcare, și uneori includ chiar și o "inversă".
Prezența părților rotative într-un organism viu la început părea atât de incredibilă încât a necesitat o confirmare experimentală gravă. Au fost primite mai multe astfel de confirmări. Astfel, în laboratoarele academice Skulachev bacterie formă caracteristică (, în care porțiunea frontală are o bacterie concave, spate în formă de semilună - convexe) flagellum au fost atașate la sticlă și a observat printr-un microscop. A fost frumos pentru a vedea modul în care bacteria se rotește în mod constant arată doar partea din față a observatorului, un „piept scufundat“, și nu de cotitură „înapoi“.
Schema "motorului electric" al unei bacterii este mult mai mult ca un desen tehnic decât o imagine a unui organism viu. Partea principală a "motorului" este proteina Mot A cu canale ionice, datorită căreia fluxul de protoni determină rotorul să se rotească ca o turbină.
Sinteza ATP
Proton ATP sintaza este cea mai mică în natura sălbatică a unui motor biologic cu o lățime de numai 10 nm. Cu ajutorul său, organismele vii produc adenozin trifosfat (ATP) - o substanță care servește ca sursă principală de energie în celulă.
ATP este format din adenozin (se amesteca bine familiar pentru noi pe adenina bază ADN și zahăr riboză și trei serii conectate la acesta grupări fosfat. Legăturile chimice dintre grupări fosfat sunt foarte puternice și conțin o cantitate mare de energie. Această energie conservă poate fi utilă pentru a alimenta o largă varietate de reacții biochimice. cu toate acestea, trebuie mai întâi un anumit mod de a face energia de a ambala grupuri de adenozină și fosfat în molecula ATP. Acesta este scopul ATP sintetazei.
Ingerată în acizi grași și glucoza sunt numeroase cicluri, în timpul cărora enzime speciale lanțului respirator a fost evacuate ioni pozitivi de hidrogen (protoni) la spațiul intermembrane. Acolo, protonii se acumulează ca o armată înainte de o bătălie. Se creează un potențial: electric (sarcini pozitive pe partea exterioară a membranei mitocondriale, organite interior negativ) și chimice (există o diferență în concentrație de ioni de hidrogen: mitocondrii în interiorul lor mai mici in afara mai mult).
Se știe că potențialul electric pe membrana mitocondrială, care servește ca un dielectric bun, atinge 200 mV cu o grosime a membranei de numai 10 nm.
Acumulând în spațiul intermetanic, protonii, ca un curent electric, se întorc în mitocondriile. Acestea trec prin canale speciale în sinteza ATP, care este construită în partea interioară a membranei. Un curent de protoni desface rotorul, ca un râu care este o moară de apă. Rotorul se rotește la o viteză de 300 de rotații pe secundă, care este comparabilă cu turația maximă a motorului Formula-1. ATP sintaza în formă poate fi comparată cu o ciupercă "în creștere" pe partea interioară a membranei mitocondriale, în timp ce rotorul descris mai sus este ascuns în "miceliu". "Piciorul ciupercii" se rotește împreună cu rotorul, iar la capătul său (în interiorul "capului") se fixează un fel de excentricitate. Pălăria staționară este împărțită condiționat în trei segmente, fiecare dintre ele fiind deformată, comprimată în timpul trecerii excentricului. Moleculele de adenozin difosfat (ADP, cu două grupări fosfat) și reziduurile de acid fosforic sunt atașate la "lobuli". La momentul comprimării, ADP și fosfatul sunt presate unul împotriva celuilalt suficient de puternic pentru a forma o legătură chimică. Pentru un singur rând, "excentricul" deformează trei "lobi" și se formează trei molecule de ATP. Înmulțind acest număr cu numărul de secunde într-o zi și cantitatea aproximativă de sintază ATP din organism, obținem o cifră uimitoare: aproximativ 50 kg de ATP sunt produse zilnic în organismul uman.
Ca și în cazul bacteriilor cu flageli, mișcarea rotorului sintetazei ATP a fost confirmată experimental: atașarea la porțiunea rotativă a fluorescent colorant etichetat Actin de proteine, cum ar fi un fir lung, cercetatorii au vazut cu ochii mei, care se rotește. Și acest lucru, în ciuda faptului că raportul dimensiunilor lor este ca și cum un om ar flutura un bici de doi kilometri.
Kinesin este un motor molecular linear care se deplasează de-a lungul unei cuști de-a lungul pasajelor - filamente polimerice. Ca încărcător de porturi, el trage pe el însuși tot felul de încărcături (mitocondriile, lizozomii), folosind molecule ATP de combustibil.
Extern kinesin ca o jucărie „om“ din frânghii împletite subțire: ea constă din două lanțuri de polipeptide identice, capetele superioare ale care sunt țesute și îmbinate împreună și aranjate în partea de jos, și au la capetele lor „pantofi“ - dimensiunea capului globular 7,5 × 4 , 5 nm. Atunci când se deplasează capul de la capetele inferioare vin alternativ în afara de „căi“ polimer kinesinei este rotită cu 180 de grade în jurul axei sale și rearanjează-unul din jos „oprire“ înainte. Mai mult decât atât, în cazul în care un capăt al mișcării petrece energie (molecula ATP), cealaltă în acest moment pentru a forma comunicatelor de componente ADP energie. Ca urmare, se obține un ciclu continuu de furnizare și cheltuieli de energie pentru munca utilă.
Studiile au arătat că kinesinei este capabil destul de pacing vioi cușcă cu picioarele „coarda“: a lua o lungime pas de 8 nm, pentru un moment, sa mutat la o măsură de celule gigant distanța de 800 nm, adică, face 100 de pași pe secundă. Încercați să vă imaginați o astfel de viteză în lumea umană!
Kinesin, mergând de-a lungul "căilor" microtuburilor, poartă diverse încărcături într-o cușcă
Nanomachinele artificiale
Omul care a împins lumea științifică să creeze nanoroboturi bazate pe dispozitive moleculare biologice a fost un fizician remarcabil, laureat al Premiului Nobel Richard Feynman. Prelegerea sa din 1959, cu titlul simbolic "Există încă mult spațiu", bioengineerii din întreaga lume consideră punctul de plecare în această problemă dificilă.
Shuttle molecula rotaxane pe bază se deplasează de-a lungul inelar liniar, pe care este susținută de un proton (reducerea sau creșterea legăturile de hidrogen care dețin molecula inel deținător) și mișcarea browniană, inelul de împingere înainte. Acest lucru este similar aruncat în minge de cauciuc fântânel atașat la o frânghie: coarda slăbit (legături de hidrogen) și fluxul rapid (mișcarea browniană) se va ridica mingea și să-l ademenească înainte. Au tras frânghia - mingea se va întoarce.
În ciuda acestui fapt, cercetătorii sunt optimisti în privința dezvoltării lor. "Obțineți o mașină care se mișcă exact, ridică blocurile moleculare și le pune împreună. Dacă natura face acest lucru, de ce nu putem? ", A spus profesorul Lei.
Expertiză
Alexander Markov, biolog, popularizator al științei, profesor la Universitatea de Stat din Moscova: "În cursul evoluției, sistemele care par la prima vedere" ireductibil de complexe "par foarte ușor. Ele constau din multe părți care beneficiază numai pe toate împreună, îndepărtează unul - și întregul sistem nu mai funcționează și fiecare parte în sine pare a fi inutilă. Acest lucru face ca unii oameni de știință să pună la îndoială teoria evoluției în general. Dar merită să începem să înțelegem și se dovedește că aceste sisteme nu sunt într-adevăr "ireductibil de complexe". Îndepărtarea anumitor părți nu distruge mașina moleculară, ci doar reduce eficiența acesteia. În trecut, ar putea exista o mașină fără această parte, iar piesa sa alăturat mai târziu, ceea ce a sporit eficiența lucrării. Dar chiar dacă înlăturarea părții face disfuncționalitatea mașinii moleculare, aceasta poate fi rezultatul unei lungi "șlefuire" reciprocă a detaliilor. De asemenea, trebuie amintit faptul că un organism care nu are o mașină moleculară va fi util chiar și pentru o versiune foarte simplă, ineficientă, abia de lucru ".
Trimiteți-le prietenilor: