Innealan cealla
Ann an 2016, chaidh Duais Nobel ann an Ceimigeachd a thoirt seachad airson euchd iongantach - an synthesis de mholacilean a tha nan innealan meacanaigeach. Ach, chan urrainnear a ràdh gur e beachd daonna tùsail a th ’ann a bhith a’ cruthachadh innealan beaga. Agus an turas seo bha nàdar an toiseach.
Is e na h-innealan moileciuil a chaidh a bhuileachadh (barrachd mun deidhinn san artaigil bho iris Faoilleach MT) a’ chiad cheum a dh’ ionnsaigh teicneòlas ùr a dh’ fhaodadh ar beatha a thionndadh bun os cionn. Ach tha cuirp gach fàs-bheairt beò làn de uidheamachd nanoscale a chumas ceallan ag obair gu h-èifeachdach.
Anns a’ mheadhan…
... tha niuclas anns na ceallan, agus tha fiosrachadh ginteil air a stòradh ann (chan eil niuclas air leth aig bacteria). Tha am moileciuil DNA fhèin iongantach - tha e air a dhèanamh suas de chòrr air 6 billean eileamaidean (nucleotides: bonn nitrogenous + siùcar deoxyribose + fuigheall searbhag fosfair), a’ cruthachadh snàithleanan le fad iomlan de mu 2 mheatair. Agus chan e curaidhean a th’ annainn a thaobh seo, oir tha fàs-bheairtean ann anns a bheil na ceudan de bhilleanan de nucleotides ann an DNA. Gus am bi moileciuil cho mòr a’ freagairt a-steach don niuclas, do-fhaicsinneach don t-sùil rùisgte, tha dualan DNA air an toinneamh ri chèile ann an helix (helix dùbailte) agus air am pasgadh timcheall pròtanan sònraichte ris an canar histones. Tha seata innealan sònraichte aig a’ chill gus obrachadh leis an stòr-dàta seo.
Feumaidh tu am fiosrachadh a tha ann an DNA a chleachdadh gu cunbhalach: leugh na sreathan a tha a’ còdadh nam pròtanan a tha a dhìth ort an-dràsta (tar-sgrìobhadh), agus dèan lethbhreac den stòr-dàta gu lèir bho àm gu àm gus an cealla a roinn (ath-riochdachadh). Tha gach aon de na ceumannan sin a’ toirt a-steach a bhith a’ fuasgladh helix nucleotides. Airson a 'ghnìomhachd seo, thathas a' cleachdadh an enzyme helicase, a ghluaiseas ann an snìomhanach agus - mar pìos - ga roinn ann an snàithleanan fa leth (tha seo uile coltach ri dealanach). Bidh an enzyme ag obair mar thoradh air an lùth a chaidh a leigeil ma sgaoil mar thoradh air briseadh sìos giùlan lùth uile-choitcheann na cealla - ATP (adenosine triphosphate).
Modail na moileciuil ATP. Bidh ceangal agus ceangal fuigheall fosfáit (clì) a 'toirt seachad iomlaid lùth ann an ath-bheachdan ceimigeach ceallach.
A-nis faodaidh tu tòiseachadh a 'dèanamh lethbhreac de mhìrean slabhraidh, a bhios RNA polymerase a' dèanamh, cuideachd air a stiùireadh leis an lùth a tha ann an ATP. Bidh an enzyme a’ gluasad air feadh an dualan DNA agus a’ cruthachadh roinn de RNA (anns a bheil siùcar, ribose an àite deoxyribose), is e sin an teamplaid air a bheil pròtanan air an co-chur. Mar thoradh air an sin, tha DNA air a ghleidheadh (a 'seachnadh a bhith a' sìor fhàs a-mach agus a 'leughadh mhìrean), agus, a bharrachd air sin, faodar pròtanan a chruthachadh air feadh na cealla, chan ann a-mhàin anns a' chnoc.
Tha leth-bhreac cha mhòr gun mhearachd air a thoirt seachad le DNA polymerase, a bhios ag obair san aon dòigh ri RNA polymerase. Bidh an enzyme a 'gluasad air adhart air an t-snàthainn agus a' togail suas an coimeas. Nuair a ghluaiseas moileciuil eile den einnsein seo air feadh an dàrna ialla, is e an toradh dà shreath iomlan de DNA. Feumaidh an einnsein beagan "luchd-cuideachaidh" gus tòiseachadh air leth-bhreacan, a 'ceangal phìosan ri chèile, agus a' toirt air falbh comharran sìnte neo-riatanach. Ach, tha "lochd saothrachaidh" aig DNA polymerase. Chan urrainn dha ach gluasad ann an aon taobh. Tha ath-riochdachadh ag iarraidh gun tèid inneal tòiseachaidh ris an canar a chruthachadh, às an tòisich an fhìor leth-bhreac. Aon uair ‘s gu bheil iad deiseil, thèid na primers a thoirt air falbh agus, leis nach eil cùl-taic aig a’ polymerase, bidh e gan giorrachadh le gach leth-bhreac DNA. Aig ceann an t-snàthainn tha mìrean dìon ris an canar telomeres nach eil a’ còdadh pròtanan sam bith. Às deidh an caitheamh (ann an daoine, às deidh timcheall air 50 ath-aithris), bidh na cromosoman a ’cumail ri chèile agus gan leughadh le mearachdan, a dh’ adhbhraicheas bàs cealla no a chruth-atharrachadh gu bhith na aillse. Mar sin, tha àm ar beatha air a thomhas leis a’ ghleoc telomeric.
Feumaidh copaidh DNA mòran einnseanan obrachadh còmhla.
Bidh moileciuil meud DNA a’ faighinn milleadh maireannach. Bidh buidheann eile de enzymes, cuideachd ag obair mar innealan sònraichte, a’ dèiligeadh ri fuasgladh cheistean. Fhuair mìneachadh mun dreuchd aca Duais Ceimigeachd 2015 (airson tuilleadh fiosrachaidh faic artaigil Faoilleach 2016).
Taobh a-staigh…
... tha cytoplasm aig ceallan - casg de cho-phàirtean a bhios gan lìonadh le diofar ghnìomhan deatamach. Tha an cytoplasm gu lèir còmhdaichte le lìonra de structaran pròtain a tha a 'dèanamh suas an cytoskeleton. Tha na microfibers cùmhnantach a’ leigeil leis a’ chill a cumadh atharrachadh, a’ leigeil leis na h-organelles a-staigh aige a shlaodadh agus a ghluasad. Tha an cytoskeleton cuideachd a’ toirt a-steach microtubules, i.e. pìoban air an dèanamh le pròtainean. Tha iad sin nan eileamaidean caran teann (tha tiùb lag an-còmhnaidh nas cruaidhe na aon shlat den aon trast-thomhas) a tha a’ cruthachadh cealla, agus bidh cuid de na h-innealan moileciuil as annasaiche a’ gluasad orra - pròtanan coiseachd (gu litearra!).
Tha crìochan le dealan aig microtubules. Bidh proteinichean ris an canar dynein a 'gluasad a dh'ionnsaigh a' chriomag àicheil, fhad 'sa tha kinesins a' gluasad an taobh eile. Mar thoradh air an lùth a chaidh a leigeil ma sgaoil bho bhriseadh ATP, bidh cumadh phròtainean coiseachd (ris an canar cuideachd pròtanan motair no còmhdhail) ag atharrachadh ann an cearcallan, a’ leigeil leotha gluasad mar tunnag thairis air uachdar microtubules. Tha moilecules air an uidheamachadh le “snàithlean” pròtain, agus aig an deireadh faodaidh moileciuil mòr eile no builgean làn de thoraidhean sgudail cumail. Tha seo uile coltach ri robot, a bhios, a’ gluasad, a’ tarraing bailiùn le sreang. Bidh pròtanan rollaidh a’ giùlan na stuthan riatanach gu na h-àiteachan ceart sa chill agus a’ gluasad na co-phàirtean a-staigh aige.
Tha cha mhòr a h-uile ath-bhualadh a tha a 'tachairt anns a' chill fo smachd enzymes, às aonais sin cha bhiodh na h-atharrachaidhean sin cha mhòr a 'tachairt. Tha einnseanan nan luchd-brosnachaidh a bhios ag obair mar innealan sònraichte gus aon rud a dhèanamh (glè thric cha bhith iad a’ luathachadh ach aon fhreagairt sònraichte). Bidh iad a 'glacadh fo-stratan cruth-atharrachaidh, gan rèiteachadh gu h-iomchaidh ri chèile, agus an dèidh deireadh a' phròiseis bidh iad a 'leigeil às na stuthan agus a' tòiseachadh ag obair a-rithist. Tha an ceangal le inneal-fuadain gnìomhachais a’ coileanadh gnìomhan ath-aithris gun chrìoch gu tur fìor.
Tha moilecules an neach-giùlain lùth intracellular air an cruthachadh mar fo-thoradh de shreath de ath-bheachdan ceimigeach. Ach, is e prìomh thùs ATP obair an uidheamachd as iom-fhillte den chill - ATP synthase. Tha an àireamh as motha de mholacilean an enzyme seo suidhichte anns na mitochondria, a tha ag obair mar "ionadan cumhachd" cealla.
ATP synthase - mullach: pàirt stèidhichte
anns an membran, cas dràibhidh, criomag cunntachail
Airson synthesis ATP
Ann am pròiseas oxidation bith-eòlasach, bidh ions hydrogen air an giùlan bhon taobh a-staigh de earrannan fa leth de na mitochondria chun an taobh a-muigh, a tha a ‘cruthachadh an caisead (eadar-dhealachadh dùmhlachd) air gach taobh den membran mitochondrial. Tha an suidheachadh seo neo-sheasmhach agus tha claonadh nàdarra ann gum bi dùmhlachdan co-ionann, agus is e sin a tha ATP synthase a’ gabhail brath. Tha an enzyme air a dhèanamh suas de ghrunn phàirtean gluasadach agus stèidhichte. Tha criomag le seanalan air a shuidheachadh anns an membran, tron urrainn dha ianan hydrogen bhon àrainneachd a dhol a-steach do na mitochondria. Bidh atharrachaidhean structarail air adhbhrachadh leis a’ ghluasad aca a’ cuairteachadh pàirt eile den einnsein - eileamaid fhada a tha ag obair mar chrann dràibhidh. Aig ceann eile an t-slat, taobh a-staigh na mitochondrion, tha pìos eile den t-siostam ceangailte ris. Bidh cuairteachadh a ’chrann ag adhbhrachadh cuairteachadh a’ chriomag a-staigh, ris a bheil, ann an cuid de na h-àiteachan aige, fo-stratan den ath-bhualadh cruth ATP ceangailte, agus an uairsin, ann an suidheachaidhean eile den rotor, todhar làn lùth deiseil. . air a leigeil ma sgaoil.
Agus an turas seo chan eil e doirbh samhlachadh a lorg ann an saoghal teicneòlas daonna. Dìreach gineadair dealain. Tha sruthadh ionsan hydrogen a’ toirt air na h-eileamaidean gluasad taobh a-staigh an motair moileciuil gun ghluasad san membran, mar lannan roth-uidheam air a stiùireadh le sruth de bhalbhaichean uisge. Bidh an cas a’ gluasad an draibhidh chun fhìor shiostam ginealach ATP. Coltach ris a 'mhòr-chuid de enzymes, faodaidh synthase cuideachd a bhith ag obair air an taobh eile agus a' briseadh sìos ATP. Bidh am pròiseas seo a’ gluasad motair a-staigh a bhios a’ gluasad na pàirtean gluasadach den chriomag membran tro chas. Bidh seo, an uair sin, a’ leantainn gu bhith a’ pumpadh ionsan hydrogen bho na mitochondria. Mar sin, tha am pumpa air a stiùireadh le dealan. Molecular miracle de nàdar.
Air a’ chrìch…
... Eadar an cealla agus an àrainneachd tha membran cealla a tha a’ sgaradh an òrdugh a-staigh bho chaos an t-saoghail a-muigh. Tha e air a dhèanamh suas de shreath dhùbailte de mholacilean, leis na pàirtean hydrophilic ("uisge-gràdhach") a-muigh agus na pàirtean hydrophobic ("seachnadh uisge") a dh'ionnsaigh a chèile. Tha mòran mholacilean pròtain anns an membran cuideachd. Feumaidh a’ bhodhaig a dhol an conaltradh ris an àrainneachd: gabh a-steach na stuthan a dh’ fheumas e agus leig às sgudal. Faodaidh cuid de choimeasgaidhean ceimigeach le moileciuilean beaga (mar eisimpleir, uisge) a dhol tron membran an dà thaobh a rèir an caisead dùmhlachd. Tha e duilich sgaoileadh dhaoine eile, agus bidh an cealla fhèin a’ riaghladh an in-ghabhail. A bharrachd air an sin, thathas a ’cleachdadh innealan ceallach airson tar-chuir - innealan-giùlain agus seanalan ian.
Bidh an inneal-giùlain a 'ceangal ian no molecle agus an uairsin a' gluasad leis gu taobh eile na membran (nuair a tha an membran fhèin beag) no - nuair a thèid e tron membran gu lèir - gluaisidh e am mìrean cruinnichte agus ga leigeil ma sgaoil aig a 'cheann eile. Gu dearbh, bidh luchd-giùlain ag obair an dà dhòigh agus tha iad gu math "finicky" - gu tric chan eil iad a 'giùlan ach aon seòrsa de stuth. Bidh seanalan Ion a’ nochdadh buaidh obrach coltach ris, ach dòigh eadar-dhealaichte. Faodar an coimeas ri criathrag. Mar as trice bidh còmhdhail tro shianalan ian a’ leantainn caisead cruinneachaidh (cùmhnantan ian nas àirde gu nas ìsle gus an rèidh iad). Air an làimh eile, tha uidheamachdan intracellular a ‘riaghladh fosgladh is dùnadh earrannan. Bidh na seanailean ian cuideachd a’ nochdadh taghadh mòr airson mìrean a dhol troimhe.
Sianal Ion (clì) agus loidhnichean-phìoban ag obair
Tha am flagellum bacterial na fhìor inneal dràibhidh
Tha inneal moileciuil inntinneach eile anns an memblan cealla - an drive flagellum, a nì cinnteach gu bheil gluasad gnìomhach bacteria. Is e einnsean pròtain a tha seo anns a bheil dà phàirt: pàirt stèidhichte (stator) agus pàirt rothlach (rotor). Tha gluasad air adhbhrachadh le sruthadh ionsan hydrogen bhon membran a-steach don chill. Bidh iad a 'dol a-steach don t-sianal anns an stator agus nas fhaide a-steach don phàirt distal, a tha suidhichte anns an rotor. Gus faighinn a-steach don chill, feumaidh ionsan hydrogen an slighe a lorg chun ath earrann den t-sianal, a tha a-rithist anns an stator. Ach, feumaidh an rotor tionndadh gus an tig na seanalan còmhla. Tha deireadh an rotor, a tha a 'dol a-mach nas fhaide na a' chèidse, lùbte, tha bratach sùbailte ceangailte ris, a 'tionndadh mar propeller heileacoptair.
Tha mi a’ creidsinn gun dèan an tar-shealladh goirid seo air an inneal ceallach e soilleir gu bheil na dealbhaidhean a bhuannaicheas an Duais Nobel, gun a bhith a’ cur bacadh air na choilean iad, fhathast fada bho bhith foirfeachd cruthachadh mean-fhàs.
