전지 기계

2016년에는 기계 장치 역할을 하는 분자 합성이라는 인상적인 업적으로 노벨 화학상이 수상되었습니다. 그러나 소형 기계를 만든다는 발상이 인간의 독창적인 생각이라고는 할 수 없다. 그리고 이번에는 자연이 먼저였습니다.

수상한 분자 기계(MT XNUMX월호 기사에 대한 자세한 내용)는 곧 우리의 삶을 뒤집어 놓을 수 있는 새로운 기술을 향한 첫 번째 단계입니다. 그러나 모든 살아있는 유기체의 몸은 세포가 효율적으로 기능하도록 유지하는 나노 규모의 메커니즘으로 가득 차 있습니다.

가운데에…

... 세포에는 핵이 포함되어 있으며 그 안에 유전 정보가 저장됩니다(박테리아에는 별도의 핵이 없습니다). DNA 분자 자체는 놀랍습니다. 6억 개 이상의 요소(뉴클레오티드: 질소 염기 + 디옥시리보스 설탕 + 인산 잔기)로 구성되어 총 길이가 약 2m인 실을 형성합니다. 그리고 이 점에서 우리는 챔피언이 아닙니다. 왜냐하면 DNA가 수천억 개의 뉴클레오티드로 구성된 유기체가 있기 때문입니다. 그러한 거대한 분자가 육안으로는 보이지 않는 핵에 들어가기 위해 DNA 가닥은 나선(이중 나선)으로 함께 꼬여져 있으며 히스톤이라는 특수 단백질을 감싸고 있습니다. 셀에는 이 데이터베이스와 작업할 수 있는 특별한 기계 세트가 있습니다.

DNA에 포함된 정보를 지속적으로 사용해야 합니다. 현재 필요한 단백질을 코딩하는 시퀀스를 읽고(전사), 전체 데이터베이스를 수시로 복사하여 세포를 분할합니다(복제). 이러한 각 단계에는 뉴클레오티드의 나선을 푸는 작업이 포함됩니다. 이 활동을 위해 나선형으로 움직이고 쐐기처럼 별도의 실로 나누는 헬리 케이즈 효소가 사용됩니다 (이 모든 것은 번개와 유사합니다). 효소는 세포의 보편적 에너지 운반체인 ATP(아데노신 삼인산)의 분해 결과로 방출되는 에너지로 인해 작동합니다.

ATP 분자의 모델. 인산염 잔기의 부착과 분리(왼쪽)는 세포 화학 반응에서 에너지 교환을 제공합니다.

이제 ATP에 포함된 에너지에 의해 구동되는 RNA 중합효소처럼 사슬 조각을 복사할 수 있습니다. 효소는 DNA 가닥을 따라 이동하여 단백질이 합성되는 주형인 RNA 영역(디옥시리보스 대신 당, 리보스 함유)을 형성합니다. 결과적으로 DNA는 보존되며(조각이 계속 풀리거나 읽히는 것을 방지), 또한 핵뿐만 아니라 세포 전체에서 단백질이 생성될 수 있습니다.

거의 오류가 없는 사본은 RNA 중합효소와 유사하게 작용하는 DNA 중합효소에 의해 제공됩니다. 효소는 실을 따라 이동하여 대응물을 형성합니다. 이 효소의 또 다른 분자가 두 번째 가닥을 따라 이동하면 결과적으로 두 개의 완전한 DNA 가닥이 생성됩니다. 효소가 복사를 시작하고, 조각을 함께 묶고, 불필요한 튼살을 제거하려면 몇 가지 "도우미"가 필요합니다. 그러나 DNA 중합효소에는 '제조상의 결함'이 있습니다. 한 방향으로만 움직일 수 있습니다. 복제를 위해서는 실제 복사가 시작되는 소위 스타터를 생성해야 합니다. 일단 완료되면 프라이머가 제거되고 중합효소에는 백업이 없기 때문에 각 DNA 복사본이 짧아집니다. 실의 끝에는 단백질을 암호화하지 않는 텔로미어라고 불리는 보호 단편이 있습니다. 섭취 후(인간의 경우 약 50회 반복 후) 염색체가 서로 달라붙어 오류가 있는 상태로 판독되어 세포 사멸 또는 암세포로의 변형을 초래합니다. 따라서 우리 삶의 시간은 텔로미어 시계로 측정됩니다.

DNA를 복사하려면 많은 효소가 함께 작동해야 합니다.

DNA 크기의 분자는 영구적인 손상을 입습니다. 특수 기계 역할을 하는 또 다른 효소 그룹은 문제 해결을 담당합니다. 그들의 역할에 대한 설명은 2015년 화학상을 수상했습니다(자세한 내용은 2016년 XNUMX월 기사 참조).

내부에…

... 세포에는 다양한 필수 기능으로 세포를 채우는 구성 요소의 현탁액인 세포질이 있습니다. 전체 세포질은 세포골격을 구성하는 단백질 구조의 네트워크로 덮여 있습니다. 수축하는 미세섬유는 세포가 모양을 바꿀 수 있도록 하여 내부 소기관을 기어다니고 움직일 수 있게 합니다. 세포골격은 또한 미세소관, 즉 단백질로 만들어진 튜브. 이들은 세포를 형성하는 상당히 단단한 요소(중공 튜브는 항상 같은 직경의 단일 막대보다 더 뻣뻣함)이며 가장 특이한 분자 기계 중 일부는 단백질을 따라 움직입니다.

미세소관의 끝부분은 전기적으로 충전되어 있습니다. 디네인이라는 단백질은 음성 단편 쪽으로 이동하는 반면, 키네신은 반대 방향으로 이동합니다. ATP 분해로 인해 방출되는 에너지 덕분에 걷는 단백질(운동 또는 수송 단백질이라고도 함)의 모양이 주기에 따라 바뀌어 미세소관 표면을 오리처럼 움직일 수 있습니다. 분자에는 단백질 "실"이 장착되어 있으며 그 끝에 또 다른 큰 분자 또는 폐기물로 가득 찬 거품이 달라붙을 수 있습니다. 이 모든 것은 흔들리면서 끈으로 풍선을 당기는 로봇과 비슷합니다. 롤링 단백질은 필요한 물질을 세포의 올바른 위치로 운반하고 내부 구성 요소를 이동시킵니다.

세포에서 일어나는 거의 모든 반응은 효소에 의해 제어되며, 효소가 없으면 이러한 변화는 거의 일어나지 않습니다. 효소는 한 가지 작업을 수행하기 위해 특수 기계처럼 작동하는 촉매제입니다(대부분 특정 반응의 속도만 높이는 경우가 많습니다). 그들은 변형의 기질을 포착하여 서로 적절하게 배열하고 공정이 끝나면 제품을 출시하고 다시 작업을 시작합니다. 끝없이 반복적인 작업을 수행하는 산업용 로봇과의 연관성은 절대적으로 사실입니다.

세포내 에너지 운반체의 분자는 일련의 화학 반응의 부산물로 형성됩니다. 그러나 ATP의 주요 공급원은 세포의 가장 복잡한 메커니즘인 ATP 합성 효소의 작용입니다. 이 효소의 분자 중 가장 많은 수는 세포의 "발전소" 역할을 하는 미토콘드리아에 있습니다.

ATP 합성 효소 - 상단: 고정 부분

멤브레인, 구동축, 담당 조각

ATP 합성을 위해

생물학적 산화 과정에서 수소 이온은 미토콘드리아의 개별 부분 내부에서 외부로 운반되어 미토콘드리아 막의 양쪽에 기울기(농도 차이)가 생성됩니다. 이러한 상황은 불안정하며 농도가 균등해지는 자연스러운 경향이 있는데, 이것이 바로 ATP 합성효소가 이용하는 것입니다. 효소는 여러 개의 움직이는 부분과 고정된 부분으로 구성됩니다. 채널이 있는 조각이 막에 고정되어 있어 이를 통해 환경의 수소 이온이 미토콘드리아로 침투할 수 있습니다. 움직임으로 인한 구조적 변화는 효소의 다른 부분, 즉 구동축 역할을 하는 길쭉한 요소를 회전시킵니다. 막대의 다른 쪽 끝인 미토콘드리아 내부에는 시스템의 또 다른 부분이 부착되어 있습니다. 샤프트의 회전은 내부 조각의 회전을 유발하며, 일부 위치에서는 ATP 형성 반응의 기질이 부착되고 로터의 다른 위치에서는 완성된 고에너지 화합물이 부착됩니다. 출시된.

그리고 이번에는 인간 기술의 세계에서 비유를 찾는 것이 어렵지 않습니다. 그냥 발전기입니다. 수소 이온의 흐름은 수증기 흐름에 의해 구동되는 터빈의 블레이드처럼 막에 고정된 분자 모터 내부에서 요소를 움직이게 합니다. 샤프트는 드라이브를 실제 ATP 생성 시스템으로 전달합니다. 대부분의 효소와 마찬가지로 합성효소도 반대 방향으로 작용하여 ATP를 분해할 수 있습니다. 이 프로세스는 샤프트를 통해 멤브레인 조각의 움직이는 부분을 구동하는 내부 모터를 작동시킵니다. 이는 차례로 미토콘드리아에서 수소 이온을 펌핑하게 됩니다. 따라서 펌프는 전기적으로 구동됩니다. 자연의 분자 기적.

국경까지...

... 세포와 환경 사이에는 내부 질서와 외부 세계의 혼돈을 분리하는 세포막이 있습니다. 그것은 친수성("물을 좋아하는") 부분이 바깥쪽으로 향하고 소수성("물을 피하는") 부분이 서로를 향하는 이중 분자 층으로 구성됩니다. 막에는 또한 많은 단백질 분자가 포함되어 있습니다. 신체는 환경과 접촉해야 합니다. 필요한 물질을 흡수하고 노폐물을 배출합니다. 분자가 작은 일부 화합물(예: 물)은 농도 구배에 따라 양방향으로 막을 통과할 수 있습니다. 다른 사람의 확산은 어렵고 세포 자체가 흡수를 조절합니다. 또한 셀룰러 기계는 컨베이어 및 이온 채널과 같은 전송에 사용됩니다.

컨베이어는 이온이나 분자를 결합한 다음 막의 반대쪽으로 이동하거나(막 자체가 작은 경우) 전체 막을 통과할 때 수집된 입자를 이동하여 반대쪽 끝에서 방출합니다. 물론, 컨베이어는 양방향으로 작동하며 매우 "까다롭습니다". 종종 한 가지 유형의 물질만 운반합니다. 이온 채널은 유사한 작동 효과를 나타내지만 메커니즘은 다릅니다. 필터와 비교할 수 있습니다. 이온 채널을 통한 이동은 일반적으로 농도 구배(이온 농도가 일정해질 때까지 이온 농도가 높음에서 낮음)를 따릅니다. 반면, 세포내 메커니즘은 통로의 개폐를 조절합니다. 이온 채널은 또한 입자 통과에 대한 높은 선택성을 나타냅니다.

작동 중인 이온 채널(왼쪽)과 파이프라인

박테리아 편모는 진정한 추진 메커니즘입니다

세포막에는 또 다른 흥미로운 분자 기계, 즉 박테리아의 활동적인 움직임을 보장하는 편모 드라이브가 있습니다. 고정 부분(고정자)과 회전 부분(로터)의 두 부분으로 구성된 단백질 엔진입니다. 움직임은 막에서 세포 안으로 수소 이온이 흘러들어감에 따라 발생합니다. 그들은 고정자의 채널로 들어가고 더 나아가 회전자에 있는 원위 부분으로 들어갑니다. 전지 안으로 들어가려면 수소 이온이 다시 고정자에 있는 채널의 다음 부분으로 가는 길을 찾아야 합니다. 그러나 채널이 수렴되려면 로터가 회전해야 합니다. 케이지 너머로 튀어 나온 로터의 끝 부분이 구부러져 있고 유연한 편모가 부착되어 헬리콥터 프로펠러처럼 회전합니다.

나는 세포 메커니즘에 대한 이 간략한 개요를 통해 노벨상 수상자들의 성공적인 디자인이 그들의 업적을 손상시키지 않으면서도 여전히 진화의 창조물의 완벽함과는 거리가 멀다는 것을 분명히 하게 될 것이라고 믿습니다.