Zell Maschinnen

Den 2016 Nobelpräis fir Chimie gouf ausgezeechent fir déi beandrockend Erreeche vun der Synthetiséierung vu Moleküle déi als mechanesch Apparater handelen. Wéi och ëmmer, et kann net gesot ginn datt d'Iddi fir Miniaturmaschinnen ze kreéieren eng originell mënschlech Iddi ass. An dës Kéier war d'Natur éischt.

Déi ausgezeechent molekulare Maschinnen (méi doriwwer am Artikel aus der Januar-Ausgab vum MT) sinn den éischte Schrëtt a Richtung nei Technologie, déi eist Liewen geschwënn revolutionéiere kéint. Awer d'Kierper vun all liewegen Organismen si voller Nano-Gréisst Mechanismen déi den effiziente Fonctionnement vun Zellen ënnerstëtzen.

Am Zentrum…

... Zellen enthalen e Kär, an et gëtt genetesch Informatioune gespäichert (Bakterien hunn keen separaten Kär). D'DNA Molekül selwer ass erstaunlech - et besteet aus méi wéi 6 Milliarden Elementer (Nukleotiden: Stickstoffbase + Deoxyribose Zucker + Phosphorsäurereschter), déi thread mat enger Gesamtlängt vun ongeféier 2 Meter bilden. A mir sinn net Rekordhalter an dëser Hisiicht, well et Organismen sinn, deenen hir DNA aus Honnerte vu Milliarden Nukleotiden besteet. Fir esou e rieseg Molekül an de Kär ze passen, dee mat bloussem A net sichtbar ass, ginn DNA-Stränge zesummen an eng Helix (Duebelspiral) gedréint an ëm speziell Proteine ​​gewéckelt, genannt Histonen. D'Zelle huet e spezielle Set vu Maschinnen fir mat dëser Datebank ze schaffen.

Dir musst stänneg d'Informatioun an der DNA benotzen: liest d'Sequenzen déi kodéieren fir d'Proteine ​​​​déi Dir zu engem bestëmmte Moment braucht (Transkriptioun), a vun Zäit zu Zäit kopéiert d'ganz Datebank fir d'Zelle ze deelen (Replikatioun). Jiddwer vun dëse Schrëtt implizéiert d'Nukleotidhelix z'entdecken. Dës Aktivitéit benotzt d'Enzym Helicase, déi laanscht d'Spiral beweegt an - wéi e Keil - se an eenzel thread trennt (dat Ganzt gläicht Blëtz). D'Enzym funktionnéiert mat Energie, déi als Resultat vum Ofbau vum universellen Energieträger vun der Zell verëffentlecht gëtt - ATP (Adenosintriphosphat).

Modell vun der ATP Molekül. D'Zousatz an d'Ofdreiwung vu Phosphatreschter (lénks) vermëttelt den Austausch vun Energie bei celluläre chemesche Reaktiounen.

Elo kënnt Dir Fragmenter vu Ketten kopéieren, wat duerch RNA Polymerase gemaach gëtt, och gedriwwe vun der Energie an ATP. Den Enzym bewegt sech laanscht den DNA Strang a bildt eng Sektioun vu RNA (enthält den Zocker, Ribose amplaz vun Deoxyribose), dat ass d'Schabloun op där Proteine ​​synthetiséiert ginn. Als Resultat gëtt d'DNA bewahrt (evitéiert dauernd Onravelung a Liese vu Fragmenter) an zousätzlech kënnen Proteinen duerch d'Zelle erstallt ginn, net nëmmen am Kär.

Eng bal Feelerfräi Kopie gëtt vun DNA Polymerase geliwwert, déi ähnlech wéi RNA Polymerase handelt. Den Enzym bewegt sech laanscht de Fuedem a baut säi Kolleg op. Wann eng aner Molekül vun dësem Enzym laanscht den zweete Strang bewegt, ass d'Resultat zwee komplett DNA Helices. Den Enzym brauch e puer "Helfer" fir unzefänken ze kopéieren, Fragmenter ze verbannen an onnéideg Stretchmarken ze läschen. Wéi och ëmmer, d'DNA-Polymerase huet e "Fabrikatiounsdefekt". Et kann nëmmen an eng Richtung réckelen. Replikatioun erfuerdert d'Schafung vun engem sougenannten Starter, vun deem d'tatsächlech Kopie ufänkt. Eemol fäerdeg ginn d'Primeren ewechgeholl a well d'Polymerase kee Backup huet, gëtt se mat all Kopie vun DNA verkierzt. Um Enn vum Fuedem sinn Schutzfragmenter genannt Telomere, déi net fir Proteine ​​codéieren. No hirem Konsum (bei Mënschen, no ongeféier 50 Wiederholungen), hänken d'Chromosomen zesummen a gi falsch gelies, wat den Doud vun der Zell oder hir Transformatioun a Kriibs verursaacht. Sou gëtt eis Liewenszäit vun der Telomere Auer gemooss.

DNA kopéieren erfuerdert vill Enzyme fir zesummen ze schaffen.

E Molekül d'Gréisst vun der DNA ass dauernd Schued. Eng aner Grupp vun Enzymen, déi och als spezialiséiert Maschinnen handelen, këmmeren sech mat Feeler. Eng Erklärung vun hirer Roll gouf 2015 mat engem Chimiepräis ausgezeechent (kuckt den Artikel vum Januar 2016 fir méi Informatioun).

Innere…

... Zellen hunn Zytoplasma - eng Suspension vu Komponenten déi se mat verschiddene vital Funktiounen fëllen. De ganze Zytoplasma ass mat engem Netz vu Proteinstrukturen bedeckt, déi den Zytoskelett ausmaachen. Déi kontraktile Mikrofiberen erlaaben d'Zelle hir Form z'änneren, wat et erlaabt ze krauchen an hir intern Organelle ze beweegen. Den Zytoskelett enthält och Mikrotubule, d.h. Röhre besteet aus Proteinmoleküle. Dëst sinn zimlech steif Elementer (en huel Röhre ass ëmmer méi steif wéi eng eenzeg Staang vum selwechten Duerchmiesser) déi d'Zelle bilden, an eng vun den ongewéinlechsten molekulare Maschinnen bewegt sech laanscht - Spazéieren Proteinen (wuertwiertlech!).

Mikrotubulien hunn elektresch gelueden Enden. Proteine ​​genannt Dyneine beweegen sech op déi negativ Eenheet, während Kinesins an déi entgéintgesate Richtung bewegen. Dank der Energie, déi aus dem Ofbau vun ATP verëffentlecht gëtt, ännert sech d'Form vu Walking Proteinen (och bekannt als Motor- oder Transportproteine) zyklesch, sou datt se sech wéi eng Ent laanscht d'Uewerfläch vu Mikrotubule bewegen. D'Moleküle si mat engem Protein "Fiedem" ausgestatt, op d'Enn vun deem eng aner grouss Molekül oder eng Bubble gefëllt mat Offallprodukter ka festhalen. All dat gläicht e Roboter, deen, wackelend, e Ballon duerch e String zitt. Rolling Proteinen transportéieren néideg Substanzen op déi richteg Plazen an der Zell a beweegen seng intern Komponenten.

Bal all Reaktiounen, déi an enger Zell optrieden, gi vun Enzyme kontrolléiert, ouni déi dës Verännerunge bal ni geschéien. Enzyme si Katalysatoren déi als spezialiséiert Maschinnen handelen fir eng Saach ze maachen (ganz dacks beschleunegen se nëmmen eng spezifesch Reaktioun). Si erfaassen d'Transformatiounssubstrater, positionéieren se entspriechend uneneen, an nodeems de Prozess ofgeschloss ass, befreien se d'Produkter a fänken erëm un ze schaffen. D'Associatioun mat engem industrielle Roboter deen endlos widderholl Aktiounen ausféiert ass absolut korrekt.

Intrazellulär Energieträgermoleküle ginn als Nieweprodukt vun enger Serie vu chemesche Reaktiounen geformt. Wéi och ëmmer, d'Haaptquell vun ATP ass d'Aarbecht vum komplexsten Zellmechanismus - ATP Synthase. Déi gréisst Zuel vu Molekülle vun dësem Enzym ginn a Mitochondrien fonnt, déi als cellulär "Kraaftwierker" handelen.

ATP Synthase - Top: verankert Deel

an der Membran, fueren Schacht, responsabel Fragmenter

fir ATP Synthese

Wärend dem Prozess vun der biologescher Oxidatioun ginn Waasserstoffione vu bannen eenzelnen Deeler vun der Mitochondrien no baussen transportéiert, wat hiren Gradient (Konzentratiounsdifferenz) op béide Säiten vun der Mitochondriemmembran erstellt. Dës Situatioun ass onbestänneg an et gëtt eng natierlech Tendenz fir Konzentratioune auszegläichen, wat d'ATP Synthase profitéiert. En Enzym besteet aus verschiddene bewegende a stationären Deeler. E Fragment mat Kanäl, duerch déi Waasserstoffionen aus der Ëmwelt an d'Mitochondrien duerchdränge kënnen, ass an der Membran fixéiert. Déi strukturell Verännerungen, déi duerch hir Bewegung verursaacht ginn, rotéieren en aneren Deel vum Enzym - e verlängerten Element, deen als Drivewelle wierkt. Um aneren Enn vun der Staang, bannent der Mitochondrien, ass en anert Stéck vum System dermat befestegt. D'Rotatioun vum Schaft verursaacht d'Rotatioun vum internen Fragment, op deem - an e puer Positiounen - d'Substrate vun der ATP-bildend Reaktioun befestegt sinn, an dann - an anere Positiounen vum Rotor - déi fäerdeg High-Energieverbindung. verëffentlecht.

An dës Kéier ass et net schwéier eng Analogie an der Welt vun der mënschlecher Technologie ze fannen. Just e Stroumgenerator. De Floss vu Waasserstoffionen verursaacht d'Elementer an engem molekulare Motor ze beweegen, deen an der Membran immobiliséiert ass, wéi Turbinblades, déi duerch e Stroum vu Waasserdamp gedriwwe ginn. De Schaft iwwerdréit de Fuert un den aktuellen ATP Generatiounssystem. Wéi déi meescht Enzyme kann Synthase an déi aner Richtung handelen an ATP ofbriechen. Dëse Prozess dréit en internen Motor, deen duerch e Schaft déi bewegt Deeler vum Membranfragment dréit. Dëst féiert am Tour zu der Pompel vu Waasserstoffionen aus de Mitochondrien. Also, eng elektresch Pompel. Molekulare Wonner vun der Natur.

Zu de Grenzen...

...Tëscht der Zell an der Ëmwelt gëtt et eng Zellmembran, déi intern Uerdnung vum Chaos vun der Baussewelt trennt. Et besteet aus enger duebeler Schicht vu Molekülen, mat hydrophilen ("Waasserliebende") Deeler no baussen an hydrophobe ("Waasservermeidende") Deeler vis-à-vis vuneneen. D'Membran enthält och vill Proteinmoleküle. De Kierper muss mat der Ëmwelt a Kontakt kommen: déi néideg Substanzen absorbéieren an Offall ausscheiden. E puer kleng Molekülchemikalien (wéi Waasser) kënnen duerch d'Membran a béid Richtungen no engem Konzentratiounsgradient passéieren. D'Diffusioun vun aneren ass schwéier, an d'Zelle selwer reguléiert hir Absorptioun. Als nächst gi cellulär Maschinnen - Fërderer an Ionkanäl - fir d'Transmissioun benotzt.

De Fërderband bindt en Ion oder e Molekül a bewegt se dann domat op déi aner Säit vun der Membran (wann se selwer kleng ass) oder - wann et duerch déi ganz Membran geet - bewegt de gesammelt Partikel a léisst se um aneren Enn eraus. Selbstverständlech funktionnéieren d'Fërderer béid Weeër a si ganz "picky" - si transportéieren dacks nëmmen eng Zort Substanz. Ion Channels weisen en ähnlechen Operatiounseffekt awer en anere Mechanismus. Si kënne mat engem Filter verglach ginn. Transport duerch Ionekanäl follegt allgemeng e Konzentratiounsgradient (vu méi héich bis méi niddereg Ionkonzentratioune bis se ausgläichen). Op der anerer Säit reguléieren intrazellulär Mechanismen d'Ouverture an d'Zoumaache vu Passagen. Ionkanäl weisen och héich Selektivitéit vis-à-vis vun de Partikelen, déi duerchgefouert ginn.

Ion Kanal (lénks) a Pipelines an Aktioun

De bakterielle Flagellum ass e richtege Fueremechanismus

Et gëtt eng aner interessant molekulare Maschinn an der Zellmembran - de Flagellum Drive, deen déi aktiv Bewegung vu Bakterien garantéiert. Et ass e Proteinmotor deen aus zwee Deeler besteet: e stationären Deel (Stator) an e rotativen Deel (Rotor). D'Bewegung gëtt verursaacht duerch de Floss vu Waasserstoffionen aus der Membran an d'Zelle. Si ginn an de Kanal am Stator an dann an den distalen Deel, deen am Rotor läit. Fir an d'Zelle ze kommen, musse Waasserstoffionen de Wee an déi nächst Sektioun vum Kanal fannen, deen erëm am Stator ass. Wéi och ëmmer, de Rotor muss rotéieren fir datt d'Kanäl konvergéieren. D'Enn vum Rotor, deen iwwer d'Zelle erausstécht, ass kromme, an e flexibele Flagellum ass domat befestegt, rotéiert wéi en Helikopterrotor.

Ech gleewen datt dës onbedéngt kuerz Iwwersiicht vum celluläre Mechanismus et kloer mécht datt d'Gewënnerdesign vun den Nobelpräis Gewënner, ouni hir Leeschtungen ofzehalen, nach wäit vun de perfekte Kreatiounen vun der Evolutioun sinn.