セルマシン
2016年のノーベル化学賞は、機械装置として機能する分子の合成という目覚ましい業績に対して授与された。 しかし、小型の機械を作るという発想は人間本来の発想であるとは言えません。 そして今回は自然が第一でした。
受賞した分子マシン (詳しくは MT XNUMX 月号の記事をご覧ください) は、間もなく私たちの生活に革命をもたらす可能性のある新技術への第一歩です。 しかし、すべての生物の体には、細胞の効率的な機能をサポートするナノサイズの機構がたくさんあります。
中央に…
... 細胞には核があり、その中に遺伝情報が保存されています（細菌には独立した核がありません）。 DNA分子自体は驚くべきもので、6億個以上の要素（ヌクレオチド：窒素塩基＋デオキシリボース糖＋リン酸残基）から構成され、全長約2メートルの糸を形成しています。 そして、DNAが数千億のヌクレオチドで構成されている生物が存在するため、私たちはこの点で記録保持者ではありません。 このような巨大な分子を肉眼では見えない核に収めるために、DNA 鎖がらせん状 (二重らせん) にねじれ、ヒストンと呼ばれる特殊なタンパク質の周りに巻き付けられます。 セルには、このデータベースを操作するための特別なマシンのセットがあります。
DNA に含まれる情報を常に使用する必要があります。現在必要なタンパク質をコードする配列を読み取り (転写)、時々データベース全体をコピーして細胞を分割します (複製)。 これらの各ステップには、ヌクレオチドのらせんを解くことが含まれます。 この活動では、らせん状に動き、くさびのようにそれを別々の糸に分割するヘリカーゼ酵素が使用されます（これはすべて稲妻に似ています）。 酵素は、細胞の普遍的なエネルギー担体であるATP（アデノシン三リン酸）の分解の結果として放出されるエネルギーのために機能します。
ATP 分子のモデル。 リン酸残基の付加と脱離 (左) は、細胞の化学反応におけるエネルギー交換を媒介します。
これで、鎖の断片のコピーを開始できるようになります。これは、同じく ATP に含まれるエネルギーによって駆動される RNA ポリメラーゼによって行われます。 酵素は DNA 鎖に沿って移動し、タンパク質が合成される鋳型となる RNA のセクション (デオキシリボースの代わりに糖であるリボースを含む) を形成します。 その結果、DNA が保存され (断片の絶え間ない解読と読み取りが回避され)、さらに、核内だけでなく細胞全体でタンパク質を生成することができます。
ほぼエラーのないコピーは、RNA ポリメラーゼと同様に機能する DNA ポリメラーゼによって提供されます。 酵素は糸に沿って移動し、対応する酵素を構築します。 この酵素の別の分子が第 50 鎖に沿って移動すると、結果として XNUMX つの完全な DNA ヘリックスが形成されます。 酵素がコピーを開始し、断片を結合し、不要なストレッチマークを除去するには、いくつかの「ヘルパー」が必要です。 しかし、DNAポリメラーゼには「製造上の欠陥」が存在します。 一方向にしか移動できません。 レプリケーションには、実際のコピーが開始される、いわゆるスターターの作成が必要です。 完了するとプライマーが除去され、ポリメラーゼにはバックアップがないため、DNA のコピーごとに短縮されます。 糸の端には、タンパク質をコードしないテロメアと呼ばれる保護断片があります。 それらを摂取した後（人間の場合、約XNUMX回繰り返した後）、染色体はくっついて誤って読み取られ、細胞死や癌への変化を引き起こします。 したがって、私たちの寿命はテロメア時計によって測定されます。
DNAをコピーするには、多くの酵素が連携して働く必要があります。
DNA ほどの大きさの分子は、継続的に損傷を受けます。 酵素の別のグループも特殊な機械として機能し、障害に対処します。 それらの役割の説明は、2015 年に化学賞を受賞しました (詳細については、2016 年 XNUMX 月の記事を参照してください)。
内部…
… 細胞には細胞質があります。これは、さまざまな生命機能を満たす成分の懸濁液です。 細胞質全体は、細胞骨格を構成するタンパク質構造のネットワークで覆われています。 収縮するマイクロファイバーにより、細胞はその形状を変化させ、内部のオルガネラを這って動かすことができます. 細胞骨格には微小管も含まれます。 タンパク質でできたチューブ。 これらは、細胞を形成するかなり硬い要素 (中空のチューブは、同じ直径の単一の棒よりも常に硬い) であり、最も珍しい分子機械のいくつかがそれらに沿って移動します - 歩行タンパク質 (文字通り!)。
微小管の末端は帯電しています。 ダイニンと呼ばれるタンパク質はマイナス部分に向かって移動しますが、キネシンは反対方向に移動します。 ATP の分解によって放出されるエネルギーのおかげで、歩行タンパク質 (モータータンパク質または輸送タンパク質としても知られる) の形状が周期的に変化し、微小管の表面に沿ってアヒルのように移動できるようになります。 分子にはタンパク質の「糸」があり、その端に別の大きな分子や老廃物で満たされた泡がくっつきます。 これらすべては、揺れながら紐で風船を引っ張るロボットに似ています。 ローリングタンパク質は、必要な物質を細胞内の適切な場所に輸送し、細胞の内部構成要素を動かします。
細胞内で起こるほとんどすべての反応は酵素によって制御されており、酵素なしではこれらの変化はほとんど起こりません。 酵素は、XNUMX つのことを行うための特殊な機械として機能する触媒です (多くの場合、酵素は XNUMX つの特定の反応のみを加速します)。 彼らは形質転換基質を捕捉し、相互に適切に配置し、プロセスが完了した後、生成物を解放して再び作業を開始します。 無限に繰り返される動作を実行する産業用ロボットとの関連付けは、まったく正しいです。
細胞内のエネルギー伝達分子は、一連の化学反応の副産物として形成されます。 しかし、ATP の主な供給源は、最も複雑な細胞機構である ATP 合成酵素の働きです。 この酵素の分子の最大数はミトコンドリアにあり、細胞の「発電所」として機能します。
ATP合成酵素 - 上：固定部
膜、ドライブシャフト、責任のある断片内
ATP合成用
生物学的酸化の過程で、ミトコンドリアの各部分の内部から水素イオンが外部に輸送され、ミトコンドリア膜の両側に水素イオンの勾配（濃度差）が生じます。 この状況は不安定であり、濃度を均一にしようとする自然な傾向があり、ATP シンターゼはこれを利用します。 酵素はいくつかの可動部分と固定部分で構成されます。 環境からの水素イオンがミトコンドリアに侵入できるチャネルを持つフラグメントが膜に固定されています。 それらの動きによって引き起こされる構造変化は、酵素の別の部分、つまりドライブシャフトとして機能する細長い要素を回転させます。 ロッドのもう一方の端、ミトコンドリアの内側には、システムの別の部分が取り付けられています。 シャフトの回転により内部フラグメントが回転し、そのフラグメントに - いくつかの位置で - ATP 生成反応の基質が結合し、次に - ローターの他の位置で - 完成した高エネルギー化合物が結合します。 解放されました。
そして今回は、人間のテクノロジーの世界で類似点を見つけるのは難しくありません。 ただの発電機。 水素イオンの流れにより、水蒸気の流れによって駆動されるタービンブレードのように、膜内に固定された分子モーター内で元素が移動します。 シャフトは駆動力を実際の ATP 生成システムに伝達します。 ほとんどの酵素と同様に、シンターゼは逆方向に作用して ATP を分解することがあります。 このプロセスにより内部モーターが駆動され、シャフトを介して膜断片の可動部分が駆動されます。 これにより、ミトコンドリアからの水素イオンの汲み出しが行われます。 ということで電動ポンプ。 自然の分子の奇跡。
国境へ…
... 細胞と環境の間には、内部秩序と外界の混沌を隔てる細胞膜があります。 それは分子の二重層で構成され、親水性 (「水を好む」) 部分が外側に、疎水性 (「水を避ける」) 部分が互いに向かい合っています。 膜には多くのタンパク質分子も含まれています。 体は環境と接触する必要があります。必要な物質を吸収し、老廃物を放出します。 小さな分子を持つ一部の化合物 (水など) は、濃度勾配に従って両方向に膜を通過できます。 他人の拡散は難しく、細胞自体がそれらの吸収を調節します。 さらに、コンベアやイオンチャネルなどのセルラーマシンが送信に使用されます。
コンベアはイオンまたは分子を結合し、それを膜の反対側に移動させます (それ自体が小さい場合)。または、コンベアが膜全体を通過する場合、収集した粒子を移動して反対側の端で放出します。 もちろん、コンベアは両方の方向に動作し、非常に「こだわり」があり、多くの場合、XNUMX 種類の物質のみを輸送します。 イオンチャネルは同様の作用効果を示しますが、メカニズムは異なります。 これらはフィルターに例えることができます。 イオンチャネルを通る輸送は一般に濃度勾配（イオン濃度が横ばいになるまで、より高いイオン濃度からより低いイオン濃度へ）に従います。 一方、細胞内機構は通路の開閉を制御します。 イオンチャネルは、通過する粒子に対して高い選択性も示します。
イオンチャネル（左）と動作中のパイプライン
細菌の鞭毛は実際の駆動機構です
細胞膜にはもう XNUMX つの興味深い分子機構があります。それは細菌の活発な動きを保証する鞭毛駆動です。 静止部(ステーター)と回転部(ローター)のXNUMXつの部分からなるタンパク質モーターです。 この動きは、膜から細胞への水素イオンの流れによって引き起こされます。 それらはステーターのチャネルに入り、次にローターにある遠位部分に入ります。 セル内に入るには、水素イオンがチャネルの次のセクション (再びステーター内) に到達する必要があります。 ただし、チャネルが収束するにはローターが回転する必要があります。 細胞の外に突き出たローターの端は湾曲しており、柔軟な鞭毛が取り付けられており、ヘリコプターのローターのように回転します。
細胞メカニズムのこの必然的に簡潔な概要は、ノーベル賞受賞者の業績を損なうことなく、受賞者のデザインが進化の完璧な創造物からはまだ程遠いことを明らかにすると私は信じています。
