Máquinas celulares
Em 2016, o Prêmio Nobel de Química foi concedido por uma conquista impressionante - a síntese de moléculas que atuam como dispositivos mecânicos. No entanto, não se pode dizer que a ideia de criar máquinas em miniatura seja uma ideia humana original. E desta vez a natureza estava em primeiro lugar.
As máquinas moleculares premiadas (mais sobre elas no artigo da edição de janeiro da MT) são o primeiro passo para uma nova tecnologia que pode virar nossas vidas em breve. Mas os corpos de todos os organismos vivos estão cheios de mecanismos em nanoescala que mantêm as células funcionando com eficiência.
No centro…
... as células contêm um núcleo e a informação genética é armazenada nele (as bactérias não têm um núcleo separado). A própria molécula de DNA é incrível - é composta por mais de 6 bilhões de elementos (nucleotídeos: base nitrogenada + açúcar desoxirribose + resíduo de ácido fosfórico), formando fios com comprimento total de cerca de 2 metros. E não somos campeões nesse sentido, porque existem organismos cujo DNA consiste em centenas de bilhões de nucleotídeos. Para que uma molécula tão gigante se encaixe no núcleo, invisível a olho nu, as fitas de DNA são torcidas juntas em uma hélice (dupla hélice) e enroladas em proteínas especiais chamadas histonas. A célula possui um conjunto especial de máquinas para trabalhar com este banco de dados.
Você deve usar constantemente as informações contidas no DNA: ler as sequências que codificam as proteínas que você precisa atualmente (transcrição) e copiar todo o banco de dados de tempos em tempos para dividir a célula (replicação). Cada uma dessas etapas envolve desvendar a hélice de nucleotídeos. Para essa atividade, é utilizada a enzima helicase, que se move em espiral e - como uma cunha - a divide em fios separados (tudo isso lembra um raio). A enzima funciona devido à energia liberada como resultado da quebra do transportador de energia universal da célula - ATP (trifosfato de adenosina).
Modelo da molécula de ATP. A fixação e desprendimento de resíduos de fosfato (esquerda) proporcionam troca de energia nas reações químicas celulares.
Agora você pode começar a copiar fragmentos de cadeia, o que a RNA polimerase faz, também impulsionado pela energia contida no ATP. A enzima se move ao longo da fita de DNA e forma uma região de RNA (contendo açúcar, ribose em vez de desoxirribose), que é o molde no qual as proteínas são sintetizadas. Como resultado, o DNA é preservado (evitando o desenrolar e a leitura constante de fragmentos) e, além disso, as proteínas podem ser criadas em toda a célula, não apenas no núcleo.
Uma cópia quase livre de erros é fornecida pela DNA polimerase, que age de forma semelhante à RNA polimerase. A enzima se move ao longo do fio e constrói sua contraparte. Quando outra molécula dessa enzima se move ao longo da segunda fita, o resultado são duas fitas completas de DNA. A enzima precisa de alguns "ajudantes" para começar a copiar, unir fragmentos e remover estrias desnecessárias. No entanto, a DNA polimerase tem um "defeito de fabricação". Ele só pode se mover em uma direção. A replicação requer a criação de um chamado iniciador, a partir do qual a cópia real começa. Uma vez completados, os primers são removidos e, como a polimerase não possui backup, ela encurta a cada cópia de DNA. Nas extremidades do fio estão fragmentos protetores chamados telômeros que não codificam nenhuma proteína. Após seu consumo (em humanos, após cerca de 50 repetições), os cromossomos se unem e são lidos com erros, o que causa a morte celular ou sua transformação em cancerosa. Assim, o tempo de nossa vida é medido pelo relógio telomérico.
Copiar DNA requer que muitas enzimas trabalhem juntas.
Uma molécula do tamanho de DNA sofre danos permanentes. Outro grupo de enzimas, também atuando como máquinas especializadas, lida com a solução de problemas. Uma explicação de seu papel foi premiado com o Prêmio de Química de 2015 (para mais informações, consulte o artigo de janeiro de 2016).
Lado de dentro…
… as células têm um citoplasma - uma suspensão de componentes que as preenchem com várias funções vitais. Todo o citoplasma é coberto por uma rede de estruturas proteicas que compõem o citoesqueleto. As microfibras contraídas permitem que a célula mude de forma, permitindo que ela rasteje e mova suas organelas internas. O citoesqueleto também inclui microtúbulos, ou seja, tubos feitos de proteínas. Estes são elementos bastante rígidos (um tubo oco é sempre mais rígido do que uma única haste do mesmo diâmetro) que formam uma célula, e algumas das máquinas moleculares mais incomuns se movem ao longo deles - proteínas ambulantes (literalmente!).
Os microtúbulos têm extremidades eletricamente carregadas. As proteínas chamadas dineínas se movem em direção ao fragmento negativo, enquanto as cinesinas se movem na direção oposta. Graças à energia liberada pela quebra do ATP, a forma das proteínas ambulantes (também conhecidas como proteínas motoras ou de transporte) muda em ciclos, permitindo que elas se movam como um pato pela superfície dos microtúbulos. As moléculas são equipadas com um "fio" de proteína, ao final do qual outra molécula grande ou uma bolha cheia de produtos residuais pode ficar. Tudo isso se assemelha a um robô, que, balançando, puxa um balão por uma corda. As proteínas rolantes transportam as substâncias necessárias para os lugares certos na célula e movem seus componentes internos.
Quase todas as reações que ocorrem na célula são controladas por enzimas, sem as quais essas mudanças quase nunca ocorreriam. Enzimas são catalisadores que agem como máquinas especializadas para fazer uma coisa (muitas vezes elas apenas aceleram uma reação específica). Eles capturam os substratos de transformação, os organizam adequadamente entre si e, após o término do processo, liberam os produtos e começam a trabalhar novamente. A associação com um robô industrial realizando ações infinitamente repetitivas é absolutamente verdadeira.
As moléculas do transportador de energia intracelular são formadas como um subproduto de uma série de reações químicas. No entanto, a principal fonte de ATP é o trabalho do mecanismo mais complexo da célula - ATP sintase. O maior número de moléculas dessa enzima está localizada nas mitocôndrias, que atuam como "usinas de energia" celulares.
ATP sintase - topo: parte fixa
na membrana, eixo de acionamento, fragmento responsável
para a síntese de ATP
No processo de oxidação biológica, os íons de hidrogênio são transportados do interior de seções individuais das mitocôndrias para o exterior, o que cria seu gradiente (diferença de concentração) em ambos os lados da membrana mitocondrial. Essa situação é instável e há uma tendência natural de equalização das concentrações, que é o que a ATP sintase aproveita. A enzima consiste em várias partes móveis e fixas. Um fragmento com canais é fixado na membrana, através do qual os íons de hidrogênio do ambiente podem penetrar nas mitocôndrias. Mudanças estruturais causadas por seu movimento giram outra parte da enzima - um elemento alongado que atua como um eixo de acionamento. Na outra extremidade da haste, dentro da mitocôndria, outra peça do sistema está ligada a ela. A rotação do eixo provoca a rotação do fragmento interno, ao qual, em algumas de suas posições, são fixados substratos da reação de formação de ATP e, em outras posições do rotor, um composto de alta energia pronto. . liberado.
E desta vez não é difícil encontrar uma analogia no mundo da tecnologia humana. Apenas um gerador de eletricidade. O fluxo de íons de hidrogênio faz com que os elementos se movam dentro do motor molecular imobilizado na membrana, como as pás de uma turbina acionada por uma corrente de vapor d'água. O eixo transfere o acionamento para o sistema de geração de ATP real. Como a maioria das enzimas, a sintase também pode agir na outra direção e quebrar o ATP. Esse processo aciona um motor interno que aciona as partes móveis do fragmento de membrana através de um eixo. Isso, por sua vez, leva ao bombeamento de íons de hidrogênio das mitocôndrias. Assim, a bomba é acionada eletricamente. Milagre molecular da natureza.
Na fronteira…
... Entre a célula e o ambiente existe uma membrana celular que separa a ordem interna do caos do mundo externo. Consiste em uma camada dupla de moléculas, com as partes hidrofílicas ("que gostam de água") voltadas para fora e as partes hidrofóbicas ("que evitam a água") voltadas uma para a outra. A membrana também contém muitas moléculas de proteína. O corpo precisa entrar em contato com o meio ambiente: absorver as substâncias de que necessita e liberar os resíduos. Alguns compostos químicos com moléculas pequenas (por exemplo, água) podem passar pela membrana em ambas as direções de acordo com o gradiente de concentração. A difusão de outros é difícil e a própria célula regula sua absorção. Além disso, máquinas celulares são usadas para transmissão - transportadores e canais iônicos.
O transportador liga um íon ou molécula e depois se move com ele para o outro lado da membrana (quando a própria membrana é pequena) ou - quando passa por toda a membrana - move a partícula coletada e a libera na outra extremidade. É claro que os transportadores funcionam nos dois sentidos e são muito "delicados" - geralmente transportam apenas um tipo de substância. Os canais iônicos mostram um efeito de trabalho semelhante, mas um mecanismo diferente. Eles podem ser comparados a um filtro. O transporte através dos canais iônicos geralmente segue um gradiente de concentração (concentração de íons mais alta para mais baixa até que se nivelem). Por outro lado, os mecanismos intracelulares regulam a abertura e o fechamento das passagens. Os canais iônicos também exibem alta seletividade para a passagem de partículas.
Canal iônico (esquerda) e tubulações em operação
O flagelo bacteriano é um verdadeiro mecanismo de condução
Existe outra máquina molecular interessante na membrana celular - o acionamento do flagelo, que garante o movimento ativo das bactérias. Este é um motor de proteína composto por duas partes: uma parte fixa (estator) e uma parte rotativa (rotor). O movimento é causado pelo fluxo de íons de hidrogênio da membrana para dentro da célula. Eles entram no canal no estator e depois na parte distal, localizada no rotor. Para entrar na célula, os íons de hidrogênio devem encontrar o caminho para a próxima seção do canal, que está novamente no estator. No entanto, o rotor deve girar para que os canais convirjam. A extremidade do rotor, projetando-se além da gaiola, é curvada, um flagelo flexível está preso a ele, girando como uma hélice de helicóptero.
Acredito que esta visão necessariamente breve do mecanismo celular deixará claro que os projetos vencedores dos ganhadores do Prêmio Nobel, sem prejudicar suas realizações, ainda estão longe da perfeição das criações da evolução.
