Màquines cel·lulars

El 2016 es va atorgar el Premi Nobel de Química per un èxit impressionant: la síntesi de molècules que actuen com a dispositius mecànics. Tanmateix, no es pot dir que la idea de crear màquines en miniatura sigui una idea humana original. I aquesta vegada la natura va ser la primera.

Les màquines moleculars guardonades (més sobre elles a l'article del número de gener de MT) són el primer pas cap a una nova tecnologia que aviat pot capgirar les nostres vides. Però els cossos de tots els organismes vius estan plens de mecanismes a nanoescala que mantenen les cèl·lules funcionant de manera eficient.

Al centre…

... les cèl·lules contenen un nucli i s'hi emmagatzema informació genètica (els bacteris no tenen un nucli separat). La pròpia molècula d'ADN és sorprenent: consta de més de 6 milions d'elements (nucleòtids: base nitrogenada + sucre desoxirribosa + residu d'àcid fosfòric), formant fils amb una longitud total d'uns 2 metres. I no som campions en aquest sentit, perquè hi ha organismes l'ADN dels quals està format per centenars de milers de milions de nucleòtids. Perquè una molècula tan gegant encaixi al nucli, invisible a simple vista, les cadenes d'ADN s'enrotllen en una hèlix (doble hèlix) i s'emboliquen al voltant de proteïnes especials anomenades histones. La cel·la té un conjunt especial de màquines per treballar amb aquesta base de dades.

Heu d'utilitzar constantment la informació que conté l'ADN: llegir les seqüències que codifiquen les proteïnes que necessiteu actualment (transcripció), i copiar de tant en tant tota la base de dades per dividir la cèl·lula (replicació). Cadascun d'aquests passos consisteix a desentranyar l'hèlix dels nucleòtids. Per a aquesta activitat s'utilitza l'enzim helicasa, que es mou en espiral i, com una falca, el divideix en fils separats (tot això s'assembla a un llamp). L'enzim funciona a causa de l'energia alliberada com a resultat de la ruptura del portador d'energia universal de la cèl·lula: ATP (adenosina trifosfat).

Model de la molècula d'ATP. La fixació i el despreniment dels residus de fosfat (esquerra) proporcionen l'intercanvi d'energia en les reaccions químiques cel·lulars.

Ara podeu començar a copiar fragments de cadena, que fa l'ARN polimerasa, impulsats també per l'energia que conté l'ATP. L'enzim es mou al llarg de la cadena d'ADN i forma una regió d'ARN (que conté sucre, ribosa en lloc de desoxiribosa), que és la plantilla sobre la qual es sintetitzen les proteïnes. Com a resultat, es conserva l'ADN (evitant el desglossament constant i la lectura de fragments) i, a més, es poden crear proteïnes a tota la cèl·lula, no només al nucli.

L'ADN polimerasa proporciona una còpia gairebé sense errors, que actua de manera similar a l'ARN polimerasa. L'enzim es mou al llarg del fil i forma el seu homòleg. Quan una altra molècula d'aquest enzim es mou al llarg de la segona cadena, el resultat són dues cadenes completes d'ADN. L'enzim necessita uns quants "auxiliars" per començar a copiar, lligar fragments i eliminar les estries innecessàries. Tanmateix, l'ADN polimerasa té un "defecte de fabricació". Només es pot moure en una direcció. La replicació requereix la creació d'un anomenat starter, a partir del qual comença la còpia real. Un cop finalitzat, s'eliminen els cebadors i, com que la polimerasa no té còpia de seguretat, s'escurça amb cada còpia d'ADN. Als extrems del fil hi ha fragments protectors anomenats telòmers que no codifiquen cap proteïna. Després del seu consum (en humans, després d'unes 50 repeticions), els cromosomes s'enganxen i es llegeixen amb errors, la qual cosa provoca la mort cel·lular o la seva transformació en cancerosa. Així, el temps de la nostra vida es mesura amb el rellotge telomèric.

Copiar l'ADN requereix que molts enzims funcionin junts.

Una molècula de la mida de l'ADN pateix danys permanents. Un altre grup d'enzims, que també actuen com a màquines especialitzades, s'ocupa de la resolució de problemes. Una explicació del seu paper va ser guardonat amb el Premi de Química 2015 (per a més informació vegeu l'article de gener de 2016).

Dins…

… les cèl·lules tenen un citoplasma: una suspensió de components que les omplen amb diverses funcions vitals. Tot el citoplasma està cobert per una xarxa d'estructures proteiques que formen el citoesquelet. Les microfibres que es contrauen permeten que la cèl·lula canviï la seva forma, permetent-li gatejar i moure els seus orgànuls interns. El citoesquelet també inclou microtúbuls, és a dir. tubs fets de proteïnes. Es tracta d'elements força rígids (un tub buit sempre és més rígid que una sola vareta del mateix diàmetre) que formen una cèl·lula, i algunes de les màquines moleculars més inusuals es mouen al llarg d'ells: proteïnes que caminan (literalment!).

Els microtúbuls tenen extrems carregats elèctricament. Les proteïnes anomenades dineïnes es mouen cap al fragment negatiu, mentre que les kinesines es mouen en sentit contrari. Gràcies a l'energia alliberada per la descomposició de l'ATP, la forma de les proteïnes que caminan (també conegudes com a proteïnes motores o de transport) canvia en els cicles, cosa que els permet moure's com un ànec per la superfície dels microtúbuls. Les molècules estan equipades amb un "fil" proteic, al final del qual es pot enganxar una altra molècula gran o una bombolla plena de residus. Tot això s'assembla a un robot que, balancejant-se, estira un globus amb una corda. Les proteïnes enrotllables transporten les substàncies necessàries als llocs adequats de la cèl·lula i mouen els seus components interns.

Gairebé totes les reaccions que es produeixen a la cèl·lula estan controlades per enzims, sense els quals aquests canvis gairebé mai no es produirien. Els enzims són catalitzadors que actuen com a màquines especialitzades per fer una cosa (molt sovint només acceleren una reacció en particular). Capten els substrats de transformació, els disposen adequadament entre ells i, un cop finalitzat el procés, alliberen els productes i tornen a començar a treballar. L'associació amb un robot industrial que realitza accions repetitives sense fi és absolutament certa.

Les molècules del portador d'energia intracel·lular es formen com a subproducte d'una sèrie de reaccions químiques. Tanmateix, la principal font d'ATP és el treball del mecanisme més complex de la cèl·lula: l'ATP sintasa. El major nombre de molècules d'aquest enzim es troba als mitocondris, que actuen com a "centrals elèctriques" cel·lulars.

ATP sintasa - superior: part fixa

a la membrana, eix motriu, fragment responsable

per a la síntesi d'ATP

En el procés d'oxidació biològica, els ions d'hidrogen es transporten des de l'interior de seccions individuals dels mitocondris cap a l'exterior, la qual cosa crea el seu gradient (diferència de concentració) a banda i banda de la membrana mitocondrial. Aquesta situació és inestable i hi ha una tendència natural a igualar les concentracions, que és el que aprofita l'ATP sintasa. L'enzim consta de diverses parts mòbils i fixes. A la membrana es fixa un fragment amb canals, a través dels quals els ions d'hidrogen del medi ambient poden penetrar als mitocondris. Els canvis estructurals causats pel seu moviment fan girar una altra part de l'enzim, un element allargat que actua com a eix motriu. A l'altre extrem de la vareta, a l'interior del mitocondri, s'hi uneix una altra peça del sistema. La rotació de l'eix provoca la rotació del fragment intern, al qual, en algunes de les seves posicions, s'uneixen substrats de la reacció de formació d'ATP, i després, en altres posicions del rotor, un compost d'alta energia ja preparat. . alliberat.

I aquesta vegada no és difícil trobar una analogia en el món de la tecnologia humana. Només un generador d'electricitat. El flux d'ions d'hidrogen fa que els elements es moguin dins del motor molecular immobilitzat a la membrana, com les pales d'una turbina impulsada per un corrent de vapor d'aigua. L'eix transfereix la unitat al sistema de generació d'ATP real. Com la majoria dels enzims, la sintasa també pot actuar en l'altra direcció i descompondre l'ATP. Aquest procés posa en marxa un motor intern que impulsa les parts mòbils del fragment de membrana a través d'un eix. Això, al seu torn, condueix al bombeig d'ions d'hidrogen dels mitocondris. Per tant, la bomba s'acciona elèctricament. Miracle molecular de la natura.

A la frontera…

... Entre la cèl·lula i el medi hi ha una membrana cel·lular que separa l'ordre intern del caos del món extern. Consisteix en una doble capa de molècules, amb les parts hidròfiles ("amant de l'aigua") cap a l'exterior i les parts hidròfobes ("que eviten l'aigua") una cap a l'altra. La membrana també conté moltes molècules de proteïnes. El cos ha d'entrar en contacte amb el medi ambient: absorbir les substàncies que necessita i alliberar residus. Alguns compostos químics amb molècules petites (per exemple, aigua) poden travessar la membrana en ambdues direccions segons el gradient de concentració. La difusió d'altres és difícil, i la pròpia cèl·lula regula la seva absorció. A més, s'utilitzen màquines cel·lulars per a la transmissió: transportadors i canals iònics.

El transportador uneix un ió o molècula i després es mou amb ell a l'altre costat de la membrana (quan la membrana mateixa és petita) o -quan travessa tota la membrana- mou la partícula recollida i l'allibera a l'altre extrem. Per descomptat, els transportadors funcionen en els dos sentits i són molt "delicats": sovint només transporten un tipus de substància. Els canals iònics mostren un efecte de treball similar, però un mecanisme diferent. Es poden comparar amb un filtre. El transport a través dels canals iònics segueix generalment un gradient de concentració (concentracions d'ions més altes a més baixes fins que s'estabilitzen). D'altra banda, els mecanismes intracel·lulars regulen l'obertura i el tancament dels passos. Els canals iònics també presenten una alta selectivitat perquè les partícules passin.

Canal iònic (esquerra) i canonades en funcionament

El flagel bacterià és un veritable mecanisme de conducció

Hi ha una altra màquina molecular interessant a la membrana cel·lular: la unitat del flagel, que garanteix el moviment actiu dels bacteris. Es tracta d'un motor proteic format per dues parts: una part fixa (estator) i una part giratòria (rotor). El moviment és causat pel flux d'ions d'hidrogen des de la membrana cap a la cèl·lula. Entren al canal a l'estator i més a la part distal, que es troba al rotor. Per entrar a la cèl·lula, els ions d'hidrogen han de trobar el camí cap a la següent secció del canal, que es troba de nou a l'estator. Tanmateix, el rotor ha de girar perquè els canals convergin. L'extrem del rotor, que sobresurt més enllà de la gàbia, és corbat, s'hi adjunta un flagel flexible, que gira com una hèlix d'helicòpter.

Crec que aquesta visió necessàriament breu del mecanisme cel·lular deixarà clar que els dissenys guanyadors dels premis Nobel, sense perjudicar els seus èxits, encara estan lluny de la perfecció de les creacions de l'evolució.