细胞机器
2016 年，诺贝尔化学奖授予了一项令人印象深刻的成就——作为机械装置的分子的合成。 但是，不能说创造微型机器的想法是人类原创的想法。 而这一次，自然是第一位的。
获奖的分子机器（有关它们的更多信息，请参阅 MT XNUMX 月刊的文章）是迈向可能很快颠覆我们生活的新技术的第一步。 但是所有生物的身体都充满了纳米级机制，可以保持细胞有效运作。
在中心…
... 细胞包含一个细胞核，遗传信息存储在其中（细菌没有单独的细胞核）。 DNA分子本身就很神奇——它由超过6亿个元素（核苷酸：含氮碱基+脱氧核糖+磷酸残基）组成，形成全长约2米的丝线。 在这方面，我们不是冠军，因为有些生物的 DNA 由数千亿个核苷酸组成。 为了让这样一个肉眼看不见的巨大分子适合细胞核，DNA 链被扭在一起形成一个螺旋（双螺旋），并包裹在称为组蛋白的特殊蛋白质周围。 该单元有一组特殊的机器来处理这个数据库。
你必须不断地使用 DNA 中包含的信息：读取编码你当前需要的蛋白质的序列（转录），并时不时地复制整个数据库来分裂细胞（复制）。 这些步骤中的每一步都涉及解开核苷酸的螺旋。 对于此活动，使用解旋酶，它以螺旋方式移动，并且 - 像楔子一样 - 将其分成单独的线程（所有这一切都类似于闪电）。 由于细胞的通用能量载体 - ATP（三磷酸腺苷）分解而释放的能量，该酶起作用。
ATP 分子模型。 磷酸残基的附着和脱离（左）在细胞化学反应中提供能量交换。
现在您可以开始复制 RNA 聚合酶所做的链片段，这也是由 ATP 中包含的能量驱动的。 该酶沿着 DNA 链移动并形成一个 RNA 区域（包含糖、核糖而不是脱氧核糖），这是合成蛋白质的模板。 因此，DNA 得以保存（避免不断分解和读取片段），此外，蛋白质可以在整个细胞中产生，而不仅仅是在细胞核中。
DNA聚合酶提供了一个几乎没有错误的拷贝，其作用类似于RNA聚合酶。 酶沿着丝线移动并形成其对应物。 当这种酶的另一个分子沿着第二条链移动时，结果是两条完整的 DNA 链。 这种酶需要一些“助手”来开始复制、将片段连接在一起并去除不必要的妊娠纹。 然而，DNA聚合酶有一个“制造缺陷”。 它只能向一个方向移动。 复制需要创建一个所谓的启动器，实际复制从该启动器开始。 一旦完成，引物就会被移除，由于聚合酶没有备份，它会随着每个 DNA 拷贝而缩短。 线的末端是称为端粒的保护性片段，它们不编码任何蛋白质。 在它们被消耗后（在人类中，大约重复 50 次后），染色体粘在一起并被错误读取，这会导致细胞死亡或转化为癌变细胞。 因此，我们生命中的时间是由端粒时钟测量的。
复制 DNA 需要许多酶协同工作。
DNA 大小的分子会遭受永久性损伤。 另一组酶，也作为专门的机器，处理故障排除。 对他们角色的解释获得了 2015 年化学奖（有关更多信息，请参阅 2016 年 XNUMX 月的文章）。
里面…
…细胞有细胞质——一种充满各种重要功能的成分的悬浮液。 整个细胞质都覆盖着构成细胞骨架的蛋白质结构网络。 收缩的微纤维允许细胞改变其形状，使其能够爬行并移动其内部细胞器。 细胞骨架还包括微管，即由蛋白质制成的管子。 这些是形成细胞的相当坚硬的元素（空心管总是比相同直径的单杆更硬），一些最不寻常的分子机器沿着它们移动——行走的蛋白质（字面意思！）。
微管具有带电末端。 称为动力蛋白的蛋白质向负片段移动，而驱动蛋白则向相反方向移动。 由于 ATP 分解释放的能量，行走蛋白（也称为运动蛋白或转运蛋白）的形状会周期性变化，使它们能够像鸭子一样在微管表面移动。 分子配备了蛋白质“线”，另一个大分子或充满废物的气泡可以粘在其末端。 这一切就像一个机器人，它摇晃着，用一根绳子拉着一个气球。 滚动蛋白质将必要的物质运输到细胞中的正确位置并移动其内部成分。
细胞中发生的几乎所有反应都由酶控制，没有酶，这些变化几乎不会发生。 酶是一种催化剂，它就像专门的机器来做一件事（通常它们只加速一种特定的反应）。 它们捕获转化的基质，将它们适当地排列在一起，在过程结束后，它们释放产品并重新开始工作。 与执行无休止重复动作的工业机器人的关联是绝对正确的。
细胞内能量载体的分子是一系列化学反应的副产物。 然而，ATP的主要来源是细胞最复杂的工作机制——ATP合酶。 这种酶的最多分子位于线粒体中，线粒体充当细胞“发电厂”。
ATP合酶-顶部：固定部分
在膜中，驱动轴，负责任的片段
用于 ATP 合成
在生物氧化过程中，氢离子从线粒体各个部分的内部被转运到外部，这在线粒体膜的两侧产生了它们的梯度（浓度差异）。 这种情况是不稳定的，并且存在浓度平衡的自然趋势，这是 ATP 合酶所利用的。 该酶由几个移动部分和固定部分组成。 带有通道的片段固定在膜中，环境中的氢离子可以通过通道进入线粒体。 由它们的运动引起的结构变化会旋转酶的另一部分——一种用作驱动轴的细长元件。 在杆的另一端，在线粒体内部，系统的另一部分连接到它上面。 轴的旋转导致内部碎片的旋转，在其某些位置，ATP形成反应的底物附着在其上，然后，在转子的其他位置，现成的高能化合物. 释放。
而这一次，在人类科技的世界中不难找到一个类比。 只是一个发电机。 氢离子的流动使元素在固定在膜中的分子马达内部移动，就像由水蒸气流驱动的涡轮叶片一样。 轴将驱动力传递给实际的 ATP 生成系统。 像大多数酶一样，合酶也可以在另一个方向起作用并分解 ATP。 这个过程启动了一个内部马达，该马达通过一个轴驱动膜碎片的移动部分。 这反过来又导致从线粒体中泵出氢离子。 因此，泵是电驱动的。 自然的分子奇迹。
在边界…
... 在细胞和环境之间有一层细胞膜，将内部秩序与外部世界的混乱隔开。 它由双层分子组成，亲水（“亲水”）部分向外，疏水（“避水”）部分相互靠近。 膜还包含许多蛋白质分子。 身体必须与环境接触：吸收所需的物质并释放废物。 一些具有小分子的化合物（例如水）可以根据浓度梯度从两个方向穿过膜。 其他人的扩散很困难，细胞本身会调节它们的吸收。 此外，蜂窝机器用于传输 - 传送带和离子通道。
传送带结合离子或分子，然后与它一起移动到膜的另一侧（当膜本身很小时），或者 - 当它穿过整个膜时 - 移动收集的粒子并在另一端释放它。 当然，输送机是双向工作的，而且非常“挑剔”——它们通常只输送一种物质。 离子通道显示出类似的工作效果，但机制不同。 它们可以比作过滤器。 通过离子通道的传输通常遵循浓度梯度（离子浓度从高到低，直到它们趋于平稳）。 另一方面，细胞内机制调节通道的打开和关闭。 离子通道还表现出颗粒通过的高选择性。
离子通道（左）和运行中的管道
细菌鞭毛是真正的驱动机制
细胞膜中还有另一种有趣的分子机器——鞭毛驱动，它确保细菌的积极运动。 这是一个蛋白质引擎，由两部分组成：固定部分（定子）和旋转部分（转子）。 运动是由氢离子从膜流入细胞引起的。 它们进入定子中的通道并进一步进入位于转子中的远端部分。 为了进入电池，氢离子必须找到通道的下一部分，这又是在定子中。 然而，转子必须旋转以使通道会聚。 伸出笼子的转子末端是弯曲的，其上附有柔性鞭毛，像直升机螺旋桨一样旋转。
我相信，对细胞机制的简要概述将清楚地表明，诺贝尔奖获得者的获奖设计，在不减损他们的成就的情况下，距离进化创造的完美还很远。
