सेल मशीन्स

2016 मध्ये, रसायनशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक एका प्रभावी कामगिरीसाठी - यांत्रिक उपकरणे म्हणून काम करणाऱ्या रेणूंचे संश्लेषण यासाठी देण्यात आले. तथापि, असे म्हणता येणार नाही की लघु मशीन तयार करण्याची कल्पना मूळ मानवी कल्पना आहे. आणि यावेळी निसर्ग पहिला होता.

पुरस्कृत आण्विक मशीन्स (एमटीच्या जानेवारीच्या अंकातील लेखात त्यांच्याबद्दल अधिक) हे नवीन तंत्रज्ञानाच्या दिशेने पहिले पाऊल आहे जे लवकरच आपले जीवन उलथापालथ करू शकते. परंतु सर्व सजीवांच्या शरीरात नॅनोस्केल यंत्रणा भरलेली असते जी पेशी कार्यक्षमतेने कार्यरत ठेवतात.

मध्यभागी…

... पेशींमध्ये एक न्यूक्लियस असतो आणि त्यात अनुवांशिक माहिती साठवली जाते (जीवाणूंना वेगळे केंद्रक नसते). डीएनए रेणू स्वतःच आश्चर्यकारक आहे - त्यात 6 अब्ज पेक्षा जास्त घटक असतात (न्यूक्लियोटाइड्स: नायट्रोजन बेस + डीऑक्सीरिबोज साखर + फॉस्फोरिक ऍसिड अवशेष), सुमारे 2 मीटर लांबीचे धागे तयार करतात. आणि आम्ही या बाबतीत चॅम्पियन नाही, कारण असे जीव आहेत ज्यांच्या डीएनएमध्ये शेकडो अब्ज न्यूक्लियोटाइड्स असतात. अशा महाकाय रेणूला न्युक्लियसमध्ये बसण्यासाठी, उघड्या डोळ्यांना न दिसणारा, डीएनए स्ट्रँड हेलिक्स (दुहेरी हेलिक्स) मध्ये एकत्र वळवले जातात आणि हिस्टोन्स नावाच्या विशेष प्रथिनाभोवती गुंडाळले जातात. या डेटाबेससह कार्य करण्यासाठी सेलमध्ये मशीनचा एक विशेष संच आहे.

तुम्ही DNA मध्ये असलेली माहिती सतत वापरणे आवश्यक आहे: तुम्हाला सध्या आवश्यक असलेल्या प्रथिनांसाठी कोड असलेले अनुक्रम वाचा (ट्रान्सक्रिप्शन), आणि सेल (प्रतिकृती) विभाजित करण्यासाठी वेळोवेळी संपूर्ण डेटाबेस कॉपी करा. यातील प्रत्येक पायरीमध्ये न्यूक्लियोटाइड्सचे हेलिक्स उलगडणे समाविष्ट आहे. या क्रियेसाठी, हेलिकेस एंझाइम वापरला जातो, जो सर्पिलमध्ये फिरतो आणि - वेजप्रमाणे - त्यास वेगळ्या धाग्यांमध्ये विभागतो (हे सर्व विजेसारखे दिसते). एंजाइम सेलच्या सार्वभौमिक ऊर्जा वाहक - एटीपी (एडिनोसिन ट्रायफॉस्फेट) च्या विघटनाच्या परिणामी सोडलेल्या उर्जेमुळे कार्य करते.

एटीपी रेणूचे मॉडेल. फॉस्फेट अवशेषांचे संलग्नक आणि अलिप्तता (डावीकडे) सेल्युलर रासायनिक अभिक्रियांमध्ये ऊर्जा विनिमय प्रदान करते.

आता तुम्ही साखळीच्या तुकड्यांची कॉपी करणे सुरू करू शकता, जे RNA पॉलिमरेज करते, ते देखील ATP मध्ये असलेल्या ऊर्जेद्वारे चालवले जाते. एंझाइम डीएनए स्ट्रँडच्या बाजूने फिरते आणि आरएनएचा एक प्रदेश बनवते (डीऑक्सीरिबोजऐवजी साखर, राइबोज असलेले), हे टेम्पलेट आहे ज्यावर प्रथिने संश्लेषित केली जातात. परिणामी, डीएनए जतन केला जातो (सतत उलगडणे आणि तुकड्यांचे वाचन टाळणे), आणि याव्यतिरिक्त, प्रथिने केवळ केंद्रकातच नव्हे तर संपूर्ण पेशीमध्ये तयार केली जाऊ शकतात.

डीएनए पॉलिमरेझद्वारे जवळजवळ त्रुटी-मुक्त प्रत प्रदान केली जाते, जी आरएनए पॉलिमरेझ प्रमाणेच कार्य करते. सजीवांच्या शरीरात निर्मार्ण होणारे द्रव्य थ्रेडच्या बाजूने फिरते आणि त्याचे प्रतिरूप तयार करते. जेव्हा या एंझाइमचा दुसरा रेणू दुसऱ्या स्ट्रँडच्या बाजूने फिरतो, तेव्हा त्याचा परिणाम डीएनएच्या दोन पूर्ण स्ट्रँडमध्ये होतो. एन्झाइमला कॉपी करणे, तुकडे एकत्र बांधणे आणि अनावश्यक स्ट्रेच मार्क्स काढणे सुरू करण्यासाठी काही "मदतनीस" आवश्यक आहेत. तथापि, डीएनए पॉलिमरेझमध्ये "मॅन्युफॅक्चरिंग डिफेक्ट" आहे. तो फक्त एकाच दिशेने जाऊ शकतो. प्रतिकृतीसाठी तथाकथित स्टार्टर तयार करणे आवश्यक आहे, ज्यापासून वास्तविक कॉपी करणे सुरू होते. एकदा पूर्ण झाल्यावर, प्राइमर्स काढले जातात आणि, पॉलिमरेझचा कोणताही बॅकअप नसल्यामुळे, ते प्रत्येक DNA कॉपीसह लहान होते. थ्रेडच्या शेवटी टेलोमेरेस नावाचे संरक्षणात्मक तुकडे असतात जे कोणत्याही प्रथिनांना कोड देत नाहीत. त्यांच्या सेवनानंतर (मानवांमध्ये, सुमारे 50 पुनरावृत्तीनंतर), गुणसूत्र एकत्र चिकटून राहतात आणि त्रुटींसह वाचले जातात, ज्यामुळे पेशींचा मृत्यू होतो किंवा त्याचे कर्करोगात रूपांतर होते. अशा प्रकारे, आपल्या जीवनाचा वेळ टेलोमेरिक घड्याळाद्वारे मोजला जातो.

डीएनए कॉपी करण्यासाठी अनेक एन्झाईम्स एकत्र काम करण्याची आवश्यकता असते.

डीएनए आकाराच्या रेणूचे कायमचे नुकसान होते. एन्झाईम्सचा आणखी एक गट, विशेष मशीन म्हणून देखील कार्य करतो, समस्यानिवारण हाताळतो. त्यांच्या भूमिकेचे स्पष्टीकरण 2015 चे रसायनशास्त्र पारितोषिक देण्यात आले (अधिक माहितीसाठी जानेवारी 2016 लेख पहा).

आत…

… पेशींमध्ये सायटोप्लाझम असते - घटकांचे निलंबन जे त्यांना विविध महत्वाच्या कार्यांनी भरतात. संपूर्ण साइटोप्लाझम प्रोटीन संरचनांच्या नेटवर्कने झाकलेले आहे जे साइटोस्केलेटन बनवते. कॉन्ट्रॅक्टिंग मायक्रोफायबर्स सेलला त्याचा आकार बदलू देतात, ज्यामुळे त्याचे अंतर्गत ऑर्गेनेल्स क्रॉल आणि हलवता येतात. सायटोस्केलेटनमध्ये मायक्रोट्यूब्यूल्स देखील समाविष्ट आहेत, म्हणजे. प्रथिने बनलेल्या नळ्या. हे बर्‍यापैकी कठोर घटक आहेत (एक पोकळ नलिका नेहमी एकाच व्यासाच्या एका रॉडपेक्षा कडक असते) जे एक सेल बनवतात आणि काही सर्वात असामान्य आण्विक मशीन त्यांच्या बाजूने फिरतात - चालणारी प्रथिने (शब्दशः!).

मायक्रोट्यूब्यूलमध्ये विद्युत चार्ज केलेले टोक असतात. डायनेन्स नावाची प्रथिने नकारात्मक तुकड्याच्या दिशेने जातात, तर काइन्सिन उलट दिशेने जातात. एटीपीच्या विघटनातून मुक्त झालेल्या ऊर्जेबद्दल धन्यवाद, चालण्याच्या प्रथिनांचा आकार (मोटार किंवा वाहतूक प्रथिने म्हणूनही ओळखला जातो) चक्रांमध्ये बदलतो, ज्यामुळे ते मायक्रोट्यूब्यूल्सच्या पृष्ठभागावर बदकाप्रमाणे फिरू शकतात. रेणू प्रोटीन "थ्रेड" ने सुसज्ज असतात, ज्याच्या शेवटी दुसरा मोठा रेणू किंवा कचरा उत्पादनांनी भरलेला बबल चिकटू शकतो. हे सर्व रोबोटसारखे दिसते, जो डोलत, ताराने फुगा खेचतो. रोलिंग प्रथिने आवश्यक पदार्थ सेलमधील योग्य ठिकाणी पोहोचवतात आणि त्याचे अंतर्गत घटक हलवतात.

सेलमध्ये होणार्‍या जवळजवळ सर्व प्रतिक्रिया एन्झाईमद्वारे नियंत्रित केल्या जातात, त्याशिवाय हे बदल जवळजवळ कधीच होणार नाहीत. एंजाइम हे उत्प्रेरक असतात जे एक गोष्ट करण्यासाठी विशेष मशीनप्रमाणे कार्य करतात (बहुतेकदा ते केवळ एका विशिष्ट प्रतिक्रियेला गती देतात). ते परिवर्तनाचे सबस्ट्रेट्स कॅप्चर करतात, एकमेकांना योग्यरित्या व्यवस्थित करतात आणि प्रक्रिया संपल्यानंतर ते उत्पादने सोडतात आणि पुन्हा कार्य करण्यास सुरवात करतात. सतत पुनरावृत्ती होणार्‍या क्रिया करणार्‍या औद्योगिक रोबोटशी संबंध पूर्णपणे सत्य आहे.

इंट्रासेल्युलर ऊर्जा वाहकाचे रेणू रासायनिक अभिक्रियांच्या मालिकेचे उप-उत्पादन म्हणून तयार होतात. तथापि, एटीपीचा मुख्य स्त्रोत सेलच्या सर्वात जटिल यंत्रणेचे कार्य आहे - एटीपी सिंथेस. या एन्झाइमचे रेणू सर्वात जास्त माइटोकॉन्ड्रियामध्ये स्थित आहेत, जे सेल्युलर "पॉवर प्लांट्स" म्हणून कार्य करतात.

एटीपी सिंथेस - शीर्ष: निश्चित भाग

पडद्यामध्ये, ड्राइव्ह शाफ्ट, जबाबदार तुकडा

एटीपी संश्लेषणासाठी

जैविक ऑक्सिडेशनच्या प्रक्रियेत, हायड्रोजन आयन मायटोकॉन्ड्रियाच्या वैयक्तिक विभागांच्या आतील भागातून बाहेरील भागात नेले जातात, ज्यामुळे माइटोकॉन्ड्रियल झिल्लीच्या दोन्ही बाजूंना त्यांचे ग्रेडियंट (एकाग्रता फरक) तयार होतो. ही परिस्थिती अस्थिर आहे आणि एकाग्रता समानतेची नैसर्गिक प्रवृत्ती आहे, ज्याचा ATP सिंथेस फायदा घेते. एंझाइममध्ये अनेक हलणारे आणि स्थिर भाग असतात. चॅनेलसह एक तुकडा पडद्यामध्ये निश्चित केला जातो, ज्याद्वारे वातावरणातील हायड्रोजन आयन मायटोकॉन्ड्रियामध्ये प्रवेश करू शकतात. त्यांच्या हालचालीमुळे होणारे स्ट्रक्चरल बदल एंझाइमचा दुसरा भाग फिरवतात - एक वाढवलेला घटक जो ड्राइव्ह शाफ्ट म्हणून कार्य करतो. रॉडच्या दुसऱ्या टोकाला, माइटोकॉन्ड्रिअनच्या आत, प्रणालीचा दुसरा तुकडा त्यास जोडलेला असतो. शाफ्टच्या रोटेशनमुळे अंतर्गत तुकड्याच्या रोटेशनला कारणीभूत ठरते, ज्यामध्ये - त्याच्या काही स्थानांवर - एटीपी-फॉर्मिंग रिअॅक्शनचे सब्सट्रेट्स जोडलेले असतात आणि नंतर - रोटरच्या इतर पोझिशन्समध्ये - तयार उच्च-ऊर्जा कंपाऊंड. सोडले.

आणि यावेळी मानवी तंत्रज्ञानाच्या जगात एक साधर्म्य शोधणे कठीण नाही. फक्त वीज जनरेटर. हायड्रोजन आयनचा प्रवाह पाण्याच्या वाफेच्या प्रवाहाने चालविलेल्या टर्बाइनच्या ब्लेडप्रमाणे झिल्लीमध्ये आण्विक मोटरच्या आत हलवितो. शाफ्ट ड्राईव्हला वास्तविक एटीपी जनरेशन सिस्टममध्ये स्थानांतरित करते. बर्‍याच एंजाइमांप्रमाणे, सिंथेस देखील इतर दिशेने कार्य करू शकते आणि एटीपी खंडित करू शकते. ही प्रक्रिया अंतर्गत मोटर तयार करते जी झिल्लीच्या तुकड्याच्या हलत्या भागांना शाफ्टद्वारे चालवते. यामुळे, मायटोकॉन्ड्रियामधून हायड्रोजन आयन बाहेर पंप केले जातात. तर, पंप इलेक्ट्रिकली चालतो. निसर्गाचा आण्विक चमत्कार.

सीमांना...

... सेल आणि पर्यावरणादरम्यान एक सेल झिल्ली आहे जी बाह्य जगाच्या अराजकतेपासून आंतरिक ऑर्डर वेगळे करते. त्यात रेणूंचा दुहेरी थर असतो, त्यात हायड्रोफिलिक ("पाणी-प्रेमळ") भाग बाहेरून आणि हायड्रोफोबिक ("पाणी टाळणारे") भाग एकमेकांकडे असतात. पडद्यामध्ये अनेक प्रोटीन रेणू देखील असतात. शरीराला पर्यावरणाच्या संपर्कात यावे लागते: त्याला आवश्यक असलेले पदार्थ शोषून घ्या आणि कचरा बाहेर टाका. लहान रेणूंसह काही रासायनिक संयुगे (उदाहरणार्थ, पाणी) एकाग्रता ग्रेडियंटनुसार दोन्ही दिशांनी पडद्यामधून जाऊ शकतात. इतरांचा प्रसार करणे कठीण आहे आणि सेल स्वतःच त्यांचे शोषण नियंत्रित करते. पुढे, सेल्युलर मशीन्स ट्रान्समिशनसाठी वापरली जातात - कन्व्हेयर आणि आयन चॅनेल.

कन्व्हेयर आयन किंवा रेणूला बांधतो आणि नंतर त्याच्यासह झिल्लीच्या दुसऱ्या बाजूला (जेव्हा पडदा स्वतः लहान असतो) किंवा - जेव्हा तो संपूर्ण झिल्लीतून जातो - गोळा केलेला कण हलवतो आणि दुसऱ्या टोकाला सोडतो. अर्थात, कन्व्हेयर दोन्ही मार्गांनी काम करतात आणि ते अतिशय "फिनिक" असतात - ते सहसा फक्त एकाच प्रकारचे पदार्थ वाहतूक करतात. आयन चॅनेल समान कार्यरत प्रभाव दर्शवतात, परंतु भिन्न यंत्रणा. त्यांची तुलना फिल्टरशी केली जाऊ शकते. आयन चॅनेलद्वारे वाहतूक सामान्यत: एकाग्रता ग्रेडियंटचे अनुसरण करते (ते पातळी कमी होईपर्यंत आयन सांद्रता जास्त). दुसरीकडे, इंट्रासेल्युलर यंत्रणा पॅसेजवे उघडण्याचे आणि बंद करण्याचे नियमन करतात. आयन चॅनेल कणांमधून जाण्यासाठी उच्च निवडकता देखील प्रदर्शित करतात.

आयन चॅनेल (डावीकडे) आणि पाइपलाइन कार्यरत आहेत

जिवाणू फ्लॅगेलम ही खरी ड्रायव्हिंग यंत्रणा आहे

सेल झिल्लीमध्ये आणखी एक मनोरंजक आण्विक मशीन आहे - फ्लॅगेलम ड्राइव्ह, जी जीवाणूंची सक्रिय हालचाल सुनिश्चित करते. हे एक प्रोटीन इंजिन आहे ज्यामध्ये दोन भाग असतात: एक स्थिर भाग (स्टेटर) आणि फिरणारा भाग (रोटर). पेशीमध्ये पडद्यापासून हायड्रोजन आयनच्या प्रवाहामुळे हालचाल होते. ते स्टेटरमधील चॅनेलमध्ये प्रवेश करतात आणि पुढे रोटरमध्ये असलेल्या दूरच्या भागामध्ये प्रवेश करतात. सेलच्या आत जाण्यासाठी, हायड्रोजन आयनांना चॅनेलच्या पुढील विभागात जाणे आवश्यक आहे, जे पुन्हा स्टेटरमध्ये आहे. तथापि, चॅनेल एकत्र येण्यासाठी रोटर फिरणे आवश्यक आहे. रोटरचा शेवट, पिंजऱ्याच्या पलीकडे पसरलेला, वक्र आहे, त्याच्याशी एक लवचिक फ्लॅगेलम जोडलेला आहे, हेलिकॉप्टर प्रोपेलरप्रमाणे फिरत आहे.

मला विश्वास आहे की सेल्युलर यंत्रणेचे हे संक्षिप्त विहंगावलोकन हे स्पष्ट करेल की नोबेल पारितोषिक विजेत्यांच्या विजयी डिझाईन्स, त्यांच्या कामगिरीपासून विचलित न होता, उत्क्रांतीच्या निर्मितीच्या परिपूर्णतेपासून अजूनही दूर आहेत.