Zellmaschinen

Im Jahr 2016 wurde der Nobelpreis für Chemie für eine beeindruckende Leistung verliehen – die Synthese von Molekülen, die als mechanische Geräte fungieren. Man kann jedoch nicht sagen, dass die Idee, Miniaturmaschinen zu schaffen, eine ursprüngliche menschliche Idee ist. Und dieses Mal stand die Natur an erster Stelle.

Die ausgezeichneten molekularen Maschinen (mehr dazu im Artikel aus der Januar-Ausgabe von MT) sind der erste Schritt hin zu einer neuen Technologie, die unser Leben bald auf den Kopf stellen könnte. Aber der Körper aller lebenden Organismen ist voll von nanoskaligen Mechanismen, die dafür sorgen, dass die Zellen effizient funktionieren.

Im Zentrum…

... Zellen enthalten einen Zellkern, in dem genetische Informationen gespeichert sind (Bakterien haben keinen separaten Zellkern). Das DNA-Molekül selbst ist erstaunlich – es besteht aus mehr als 6 Milliarden Elementen (Nukleotide: Stickstoffbase + Desoxyribosezucker + Phosphorsäurerest) und bildet Fäden mit einer Gesamtlänge von etwa 2 Metern. Und wir sind in dieser Hinsicht keine Champions, denn es gibt Organismen, deren DNA aus Hunderten Milliarden Nukleotiden besteht. Damit solch ein Riesenmolekül für das bloße Auge unsichtbar in den Zellkern passt, werden DNA-Stränge zu einer Helix (Doppelhelix) zusammengedreht und um spezielle Proteine, sogenannte Histone, gewickelt. Die Zelle verfügt über einen speziellen Satz von Maschinen, um mit dieser Datenbank zu arbeiten.

Sie müssen die in der DNA enthaltenen Informationen ständig nutzen: Lesen Sie die Sequenzen, die für die Proteine ​​kodieren, die Sie gerade benötigen (Transkription), und kopieren Sie von Zeit zu Zeit die gesamte Datenbank, um die Zelle zu teilen (Replikation). Jeder dieser Schritte beinhaltet das Entwirren der Helix von Nukleotiden. Für diese Aktivität wird das Helicase-Enzym verwendet, das sich spiralförmig bewegt und es - wie ein Keil - in einzelne Fäden teilt (das alles ähnelt einem Blitz). Das Enzym arbeitet aufgrund der Energie, die durch den Abbau des universellen Energieträgers der Zelle - ATP (Adenosintriphosphat) - freigesetzt wird.

Modell des ATP-Moleküls. Die Anlagerung und Ablösung von Phosphatresten (links) sorgt für den Energieaustausch bei zellulären chemischen Reaktionen.

Jetzt können Sie mit dem Kopieren von Kettenfragmenten beginnen, was die RNA-Polymerase tut, ebenfalls angetrieben durch die in ATP enthaltene Energie. Das Enzym bewegt sich entlang des DNA-Strangs und bildet einen RNA-Bereich (der Zucker, Ribose anstelle von Desoxyribose enthält), der als Vorlage für die Synthese von Proteinen dient. Dadurch bleibt die DNA erhalten (wodurch ein ständiges Entschlüsseln und Auslesen von Fragmenten vermieden wird) und darüber hinaus können Proteine ​​in der gesamten Zelle und nicht nur im Zellkern erzeugt werden.

Eine nahezu fehlerfreie Kopie liefert die DNA-Polymerase, die ähnlich wie die RNA-Polymerase wirkt. Das Enzym bewegt sich entlang des Fadens und baut sein Gegenstück auf. Wenn sich ein weiteres Molekül dieses Enzyms entlang des zweiten Strangs bewegt, entstehen zwei vollständige DNA-Stränge. Das Enzym braucht ein paar „Helfer“, um mit dem Kopieren zu beginnen, Fragmente zusammenzubinden und unnötige Dehnungsstreifen zu entfernen. Allerdings weist die DNA-Polymerase einen „Herstellungsfehler“ auf. Es kann sich nur in eine Richtung bewegen. Für die Replikation ist die Erstellung eines sogenannten Starters erforderlich, von dem aus das eigentliche Kopieren beginnt. Nach Abschluss werden die Primer entfernt und da die Polymerase kein Backup hat, verkürzt sie sich mit jeder DNA-Kopie. An den Enden des Fadens befinden sich schützende Fragmente, sogenannte Telomere, die für kein Protein kodieren. Nach dem Verzehr (beim Menschen nach etwa 50 Wiederholungen) kleben die Chromosomen zusammen und werden fehlerhaft gelesen, was zum Zelltod oder deren Umwandlung in eine Krebszelle führt. Somit wird die Zeit unseres Lebens durch die Telomeruhr gemessen.

Das Kopieren von DNA erfordert die Zusammenarbeit vieler Enzyme.

Ein Molekül in DNA-Größe wird dauerhaft geschädigt. Eine weitere Gruppe von Enzymen, die ebenfalls als spezialisierte Maschinen fungieren, befasst sich mit der Fehlerbehebung. Eine Erläuterung ihrer Rolle wurde mit dem Chemiepreis 2015 ausgezeichnet (weitere Informationen finden Sie im Artikel vom Januar 2016).

Innen…

… Zellen haben ein Zytoplasma – eine Suspension von Komponenten, die sie mit verschiedenen lebenswichtigen Funktionen erfüllen. Das gesamte Zytoplasma ist mit einem Netzwerk von Proteinstrukturen bedeckt, die das Zytoskelett bilden. Die sich zusammenziehenden Mikrofasern ermöglichen es der Zelle, ihre Form zu ändern, sodass sie kriechen und ihre inneren Organellen bewegen kann. Das Zytoskelett umfasst auch Mikrotubuli, d.h. Röhrchen aus Proteinen. Dies sind ziemlich starre Elemente (eine hohle Röhre ist immer steifer als ein einzelner Stab mit demselben Durchmesser), die eine Zelle bilden, und einige der ungewöhnlichsten molekularen Maschinen bewegen sich an ihnen entlang – wandelnde Proteine ​​​​(buchstäblich!).

Mikrotubuli haben elektrisch geladene Enden. Proteine, sogenannte Dyneine, bewegen sich in Richtung des negativen Fragments, während sich Kinesine in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Dank der Energie, die beim Abbau von ATP freigesetzt wird, ändert sich die Form von Laufproteinen (auch Motor- oder Transportproteine ​​genannt) in Zyklen, sodass sie sich wie eine Ente über die Oberfläche von Mikrotubuli bewegen können. Moleküle sind mit einem Proteinfaden ausgestattet, an dessen Ende ein weiteres großes Molekül oder eine mit Abfallprodukten gefüllte Blase haften kann. All dies ähnelt einem Roboter, der schwankend einen Ballon an einer Schnur zieht. Rollende Proteine ​​transportieren die notwendigen Stoffe an die richtigen Stellen in der Zelle und bewegen ihre inneren Bestandteile.

Fast alle in der Zelle ablaufenden Reaktionen werden durch Enzyme gesteuert, ohne die diese Veränderungen fast nie stattfinden würden. Enzyme sind Katalysatoren, die wie spezialisierte Maschinen eine bestimmte Aufgabe erfüllen (sehr oft beschleunigen sie nur eine bestimmte Reaktion). Sie erfassen die Substrate der Transformation, ordnen sie passend zueinander an und geben nach Abschluss des Prozesses die Produkte frei und beginnen erneut zu wirken. Die Assoziation mit einem Industrieroboter, der sich endlos wiederholende Aktionen ausführt, ist absolut wahr.

Moleküle des intrazellulären Energieträgers entstehen als Nebenprodukt einer Reihe chemischer Reaktionen. Die Hauptquelle von ATP ist jedoch die Arbeit des komplexesten Mechanismus der Zelle – der ATP-Synthase. Die meisten Moleküle dieses Enzyms befinden sich in den Mitochondrien, die als zelluläre „Kraftwerke“ fungieren.

ATP-Synthase - oben: fester Teil

in der Membran, Antriebswelle, verantwortliches Fragment

für die ATP-Synthese

Bei der biologischen Oxidation werden Wasserstoffionen aus dem Inneren einzelner Abschnitte der Mitochondrien nach außen transportiert, wodurch ihr Gradient (Konzentrationsunterschied) auf beiden Seiten der Mitochondrienmembran entsteht. Diese Situation ist instabil und es besteht eine natürliche Tendenz zum Konzentrationsausgleich, was sich die ATP-Synthase zunutze macht. Das Enzym besteht aus mehreren beweglichen und festen Teilen. In der Membran ist ein Fragment mit Kanälen fixiert, durch die Wasserstoffionen aus der Umgebung in die Mitochondrien eindringen können. Durch ihre Bewegung verursachte Strukturveränderungen drehen einen anderen Teil des Enzyms – ein längliches Element, das als Antriebswelle fungiert. Am anderen Ende des Stabes, im Inneren des Mitochondriums, ist ein weiterer Teil des Systems daran befestigt. Die Drehung der Welle bewirkt die Drehung des inneren Fragments, an dem an einigen seiner Positionen die Substrate der ATP-bildenden Reaktion befestigt sind, und dann an anderen Positionen des Rotors die fertige hochenergetische Verbindung. freigegeben.

Und dieses Mal ist es nicht schwer, eine Analogie in der Welt der menschlichen Technologie zu finden. Nur ein Stromgenerator. Durch den Fluss von Wasserstoffionen bewegen sich die Elemente innerhalb des in der Membran immobilisierten molekularen Motors, wie die Schaufeln einer Turbine, die von einem Wasserdampfstrom angetrieben werden. Die Welle überträgt den Antrieb auf das eigentliche ATP-Erzeugungssystem. Wie die meisten Enzyme kann die Synthase auch in die andere Richtung wirken und ATP abbauen. Dieser Vorgang setzt einen internen Motor in Gang, der über eine Welle die beweglichen Teile des Membranfragments antreibt. Dies wiederum führt dazu, dass Wasserstoffionen aus den Mitochondrien herausgepumpt werden. Die Pumpe wird also elektrisch angetrieben. Molekulares Wunder der Natur.

An die Grenzen...

... Zwischen Zelle und Umwelt befindet sich eine Zellmembran, die die innere Ordnung vom Chaos der Außenwelt trennt. Es besteht aus einer Doppelschicht von Molekülen, wobei die hydrophilen ("wasserliebenden") Teile nach außen und die hydrophoben ("wassermeidenden") Teile zueinander gerichtet sind. Die Membran enthält auch viele Proteinmoleküle. Der Körper muss mit der Umwelt in Kontakt kommen: die Stoffe aufnehmen, die er braucht, und Abfallstoffe abgeben. Einige chemische Verbindungen mit kleinen Molekülen (z. B. Wasser) können die Membran entsprechend dem Konzentrationsgradienten in beiden Richtungen passieren. Die Diffusion anderer ist schwierig, und die Zelle selbst reguliert ihre Absorption. Darüber hinaus werden zellulare Maschinen zur Übertragung verwendet - Förderer und Ionenkanäle.

Der Förderer bindet ein Ion oder Molekül und bewegt sich dann mit ihm auf die andere Seite der Membran (wenn die Membran selbst klein ist) oder – wenn er die gesamte Membran durchquert – bewegt das gesammelte Partikel und gibt es am anderen Ende ab. Natürlich funktionieren Förderer in beide Richtungen und sind sehr „knifflig“ – sie transportieren oft nur eine Stoffart. Ionenkanäle zeigen einen ähnlichen Wirkungseffekt, aber einen anderen Mechanismus. Sie können mit einem Filter verglichen werden. Der Transport durch Ionenkanäle folgt im Allgemeinen einem Konzentrationsgradienten (höhere zu niedrigeren Ionenkonzentrationen, bis sie sich einpendeln). Andererseits regulieren intrazelluläre Mechanismen das Öffnen und Schließen von Passagen. Die Ionenkanäle weisen außerdem eine hohe Selektivität für den Durchgang von Partikeln auf.

Ionenkanal (links) und Pipelines im Betrieb

Das bakterielle Flagellum ist ein echter Antriebsmechanismus

In der Zellmembran gibt es eine weitere interessante molekulare Maschine – den Flagellumantrieb, der für die aktive Bewegung von Bakterien sorgt. Dabei handelt es sich um einen Proteinmotor, der aus zwei Teilen besteht: einem festen Teil (Stator) und einem rotierenden Teil (Rotor). Die Bewegung wird durch den Fluss von Wasserstoffionen von der Membran in die Zelle verursacht. Sie gelangen in den Kanal im Stator und weiter in den distalen Teil, der sich im Rotor befindet. Um in das Innere der Zelle zu gelangen, müssen Wasserstoffionen ihren Weg zum nächsten Abschnitt des Kanals finden, der wiederum im Stator liegt. Allerdings muss sich der Rotor drehen, damit die Kanäle zusammenlaufen. Das über den Käfig hinausragende Ende des Rotors ist gebogen, daran ist ein flexibles Flagellum befestigt, das sich wie ein Hubschrauberpropeller dreht.

Ich glaube, dass dieser notwendigerweise kurze Überblick über den zellulären Mechanismus deutlich machen wird, dass die erfolgreichen Entwürfe der Nobelpreisträger, ohne ihre Leistungen zu schmälern, noch weit von der Perfektion der Schöpfungen der Evolution entfernt sind.