Komórkowa maszyneria

Komórkowa maszyneria
Ubiegłoroczna Nagroda Nobla z chemii została przyznana za imponujące osiągnięcia - syntezy molekuł działających jak urządzenia mechaniczne. Absolutnie nie można jednak stwierdzić, że idea stworzenia miniaturowych maszyn to oryginalny pomysł człowieka. Także i tym razem przyroda była pierwsza.

Nagrodzone maszyny molekularne (więcej o nich - w artykule z numeru styczniowego MT) to pierwszy krok w stronę nowej technologii, która być może wkrótce zrewolucjonizuje nasze życie. Ale ciała wszystkich organizmów żywych pełne są mechanizmów o nanoskalowych rozmiarach, które utrzymują sprawność funkcjonowania komórek.

 

W centrum…

…komórki znajduje się jądro, a w nim DNA przechowujące informację genetyczną (u bakterii brak jest wyodrębnionego jądra). Już sama molekuła DNA jest niezwykła - u człowieka składa się z ponad 6 miliardów elementów (nukleotydów: zasada azotowa + cukier deoksyryboza + reszta kwasu fosforowego), tworzących nici o sumarycznej długości wynoszącej ok. 2 metrów. A wcale nie jesteśmy rekordzistami pod tym względem, istnieją bowiem organizmy mające DNA złożone z setek miliardów nukleotydów. Aby tak gigantyczna cząsteczka zmieściła się w niewidocznym gołym okiem jądrze, nici DNA splecione są ze sobą w spiralę (podwójna helisa) i nawinięte na specjalne białka zwane histonami. Do obsługi tej bazy danych komórka dysponuje specjalnym zestawem automatów.

Z informacji zawartej w DNA trzeba nieustannie korzystać: odczytywać sekwencje kodujące aktualnie potrzebne białka (transkrypcja) oraz od czasu do czasu skopiować całość bazy w celu podziału komórki (replikacja). Każda z tych czynności wymaga rozplecenia spirali nukleotydów. Do tej czynności służy enzym helikaza, który przesuwa się wzdłuż spirali i - na podobieństwo klina - rozdziela ją na osobne nici (całość przypomina suwak błyskawiczny). Enzym pracuje kosztem energii chemicznej uwolnionej w wyniku rozkładu uniwersalnego nośnika energetycznego komórki - ATP (adenozynotrójfosforan).

Model cząsteczki ATP. Przyłączanie i odłączanie reszt fosforanowych (po lewej) umożliwia wymianę energii w komórkowych reakcjach chemicznych.
Model cząsteczki ATP. Przyłączanie i odłączanie reszt fosforanowych (po lewej) umożliwia wymianę energii w komórkowych reakcjach chemicznych

Teraz już można przystąpić do kopiowania fragmentów nici, do czego służy polimeraza RNA, również napędzana energią zawartą w ATP. Enzym przesuwa się wzdłuż nici DNA i tworzy odcinek RNA (zawierający cukier rybozę zamiast deoksyrybozy), będący matrycą, na której syntezowane są białka. Dzięki temu DNA jest oszczędzane (unika się ciągłego rozplatania i odczytu fragmentów), ponadto białka mogą być tworzone w całej komórce, a nie tylko w jądrze.

Praktycznie bezbłędną kopię zapewnia polimeraza DNA działająca podobnie do polimerazy RNA.  Enzym przesuwa się wzdłuż nici i dobudowuje jej odpowiednik. Ponieważ po drugiej nici porusza się inna cząsteczka tego enzymu, w efekcie powstają więc dwie kompletne helisy DNA. Enzym wymaga kilku "pomocników", którzy rozpoczną kopiowanie, połączą w całość utworzone fragmenty i usuną niepotrzebne odcinki. Polimeraza DNA ma jednak pewną "wadę fabryczną". Może się ona przesuwać tylko w jednym kierunku. Replikacja wymaga utworzenia na końcu nici tzw. startera, od którego dopiero zaczyna się właściwe kopiowanie. Po zakończeniu startery są usuwane, a ponieważ polimeraza nie ma możliwości cofania się, przy każdym kopiowaniu DNA ulega skróceniu. Na końcach nici znajdują się zabezpieczające fragmenty zwane telomerami, które nie kodują żadnych białek. Po ich zużyciu (u człowieka po około 50 replikacjach) dochodzi do zlepiania się chromosomów i błędów w odczycie, co powoduje śmierć komórki lub jej przekształcenie w komórkę nowotworową. Czas naszego życia odmierza zatem zegar telomerowy.

Kopiowanie DNA wymaga współpracy wielu enzymów.
Kopiowanie DNA wymaga współpracy wielu enzymów

Tak duża cząsteczka jak DNA jest narażona na nieustanne uszkodzenia. Usuwaniem awarii zajmuje się jeszcze jedna grupa enzymów także działających jak wyspecjalizowane maszyny. Wyjaśnienie ich roli zostało w roku 2015 nagrodzone chemicznym Noblem (więcej na ten temat - w artykule ze stycznia 2016 r.).

 

We wnętrzu…

…komórki znajduje się cytoplazma - wypełniająca ją zawiesina składników pełniących różne funkcje życiowe. Całą cytoplazmę przerasta sieć białkowych struktur tworzących cytoszkielet. Kurczliwe mikrowłókna umożliwiają zmianę kształtu komórki, co pozwala na jej ruch pełzakowaty oraz przesuwanie wewnętrznych organelli. W skład cytoszkieletu wchodzą również mikrotubule, czyli rurki zbudowane z cząsteczek białek. Są one dość sztywnymi elementami (pusta w środku rurka zawsze jest bardziej sztywna niż jednolitej budowy pręt o tej samej średnicy) nadającymi kształt komórce, po nich zaś poruszają się jedne z najbardziej niezwykłych maszyn molekularnych - białka kroczące (dosłownie!).

Kinezyna na mikrotubuli.
Kinezyna na mikrotubuli

Mikrotubule mają końce naładowane elektrycznie. W kierunku ujemnego fragmentu przemieszczają się białka zwane dyneinami, zaś w przeciwną stronę wędrują kinezyny. Dzięki energii uwolnionej w wyniku rozkładu ATP cyklicznie zmienia się kształt białek kroczących (zwanych także motorycznymi lub transportowymi), co pozwala im na poruszanie się kaczkowatym chodem po powierzchni mikrotubul. Molekuły zaopatrzone są w białkowy „sznureczek”, do którego końca może przyczepić się inna duża cząsteczka lub pęcherzyk wypełniony produktami przemiany materii. Całość do złudzenia przypomina robota, który, kiwając się, ciągnie balonik na sznurku. Białka kroczące transportują potrzebne substancje do właściwych miejsc komórki oraz przemieszczają jej wewnętrzne składniki.

Prawie wszystkimi reakcjami przebiegającymi w komórce sterują enzymy, bez których przemiany te nie miałyby praktycznie szansy zajścia. Enzymy są katalizatorami, działającymi jak maszyny wyspecjalizowane do wykonywania jednej czynności (bardzo często przyspieszają tylko jedną, konkretną reakcję). Wychwytują substraty przemiany, odpowiednio je wobec siebie ustawiają, a po zakończeniu procesu uwalniają produkty i znowu przystępują do pracy. Skojarzenie z przemysłowym robotem, wykonującym bez końca powtarzające się czynności, jest jak najbardziej na miejscu.

Cząsteczki wewnątrzkomórkowego nośnika energii są wytwarzane w szeregu reakcji chemicznych jako ich produkt uboczny. Jednak głównym źródłem ATP jest praca najbardziej wyrafinowanego mechanizmu komórki - syntazy ATP. Najwięcej molekuł tego enzymu znajduje się w mitochondriach pełniących rolę komórkowych „elektrowni”.

Syntaza ATP – od góry: część zakotwiczona w błonie, wał napędowy, fragment odpowiedzialny za syntezę ATP.
Syntaza ATP - od góry: część zakotwiczona
w błonie, wał napędowy, fragment odpowiedzialny
za syntezę ATP

W procesie biologicznego utleniania jony wodorowe z wnętrza poszczególnych obszarów mitochondrium transportowane są na zewnątrz, co wytwarza ich gradient (różnicę stężeń) po obu stronach błony mitochondrialnej. Taka sytuacja jest niestabilna i pojawia się naturalne dążenie do wyrównania stężeń, a to wykorzystuje syntaza ATP. Enzym składa się z kilku ruchomych i nieruchomych części. W błonie zakotwiczony jest fragment z kanałami, przez które mogą przepływać jony wodorowe z otoczenia do wnętrza mitochondrium. Zmiany strukturalne powodowane ich ruchem obracają kolejną część enzymu - wydłużony element pełniący rolę wału napędowego. Na drugim końcu wału, we wnętrzu mitochondrium, znajduje się przymocowana do niego następna część układu. Obrót wału powoduje obrót wewnętrznego fragmentu, do którego - w pewnych jego położeniach - przyłączają się substraty reakcji tworzenia ATP, a następnie - w innych położeniach wirnika - uwalniany jest gotowy związek wysokoenergetyczny.

I tym razem nietrudno doszukać się analogii w świecie ludzkiej techniki. Po prostu generator prądu. Przepływ jonów wodorowych wymusza ruch elementów wewnątrz unieruchomionego w błonie silnika molekularnego - zupełnie jak łopatki turbiny poruszane strumieniem pary wodnej. Wał przenosi zaś napęd na właściwy układ wytwarzający ATP. Jak większość enzymów, syntaza może również działać w drugim kierunku i rozkładać ATP. Ten proces wywołuje ruch wewnętrznego silnika, który - poprzez wał - napędza ruchome części znajdujące się we fragmencie błonowym. To zaś skutkuje wypompowywaniem jonów wodorowych na zewnątrz mitochondrium. Czyli pompa napędzana silnikiem. Molekularny cud natury.

 

Na granicy…

…pomiędzy komórką i otoczeniem znajduje się błona komórkowa oddzielająca wewnętrzny porządek od chaosu świata zewnętrznego. Tworzy ją podwójna warstwa cząsteczek skierowanych swoimi częściami hydrofilowymi ("lubiącymi wodę") na zewnątrz oraz hydrofobowymi ("unikającymi wody") ku sobie. W błonie mieszczą się również liczne molekuły białek. Organizm musi kontaktować się z otoczeniem: pobierać niezbędne mu substancje i wydalać odpady. Niektóre związki chemiczne o niewielkich cząsteczkach (np. woda), mogą przenikać przez błonę w obie strony, zgodnie z gradientem stężeń. Dyfuzja innych jest utrudniona, a komórka sama reguluje ich pobieranie. Do przesyłania służą kolejne komórkowe maszyny - przenośniki i kanały jonowe.

Przenośnik wiąże jon lub cząsteczkę, a następnie podąża z nią na drugą stronę błony (gdy sam jest niewielkich rozmiarów), lub też - gdy przechodzi przez całą błonę na wylot - przesuwa pobraną drobinę i uwalnia ją na drugim końcu. Przenośniki działają oczywiście w obu kierunkach i są bardzo "wybredne" - przenoszą często tylko jeden rodzaj substancji. Podobny efekt pracy, lecz odmienny mechanizm, wykazują kanały jonowe. Te można porównać z filtrem. Transport przez kanały jonowe odbywa się w zasadzie zgodnie z gradientem stężeń (od większej koncentracji jonów do mniejszej, aż do ich wyrównania). Mechanizmy wewnątrzkomórkowe regulują natomiast otwieranie i zamykanie przejść. Kanały jonowe również wykazują dużą selektywność wobec przepuszczanych drobin.

Kanał jonowy (z lewej) i przenośniki podczas pracy.
Kanał jonowy (z lewej) i przenośniki podczas pracy
 
Wić bakteryjna to prawdziwy mechanizm napędowy.
Wić bakteryjna to prawdziwy mechanizm napędowy

W błonie komórkowej mieści się jeszcze jedna fascynująca maszyna molekularna - napęd wici umożliwiającej aktywny ruch bakterii. Jest to białkowy silnik zbudowany z dwóch części: nieruchomej (stator) oraz obracającej się (wirnik). Ruch wymuszany jest przez przepływ jonów wodorowych z błony do wnętrza komórki. Wchodzą one do kanału znajdującego się w statorze, a następnie do dalszej części, która jest położona w wirniku. Aby wydostać się do wnętrza komórki, jony wodorowe muszą trafić do kolejnego fragmentu kanału, który jest położony ponownie w statorze. Jednak wirnik musi się obrócić, aby kanały się połączyły. Wystający na zewnątrz komórki koniec rotora jest zakrzywiony, a do niego umocowana jest giętka wić, kręcąca się jak wirnik helikoptera.

Sądzę, że ten, z konieczności skrótowy, przegląd komórkowej maszynerii pozwoli zrozumieć, że nagrodzonym konstrukcjom noblistów - nic nie ujmując ich osiągnięciom - na razie jeszcze daleko do doskonałości tworów ewolucji.