Macchine cellulari

Nel 2016, il Premio Nobel per la Chimica è stato assegnato per un risultato impressionante: la sintesi di molecole che agiscono come dispositivi meccanici. Tuttavia, non si può dire che l'idea di creare macchine in miniatura sia un'idea umana originale. E questa volta la natura è stata la prima.

Le macchine molecolari premiate (maggiori informazioni su di esse nell'articolo del numero di gennaio di MT) sono il primo passo verso una nuova tecnologia che potrebbe presto sconvolgere le nostre vite. Ma i corpi di tutti gli organismi viventi sono pieni di meccanismi su scala nanometrica che mantengono le cellule funzionanti in modo efficiente.

Al centro…

... le cellule contengono un nucleo e in esso vengono memorizzate informazioni genetiche (i batteri non hanno un nucleo separato). La stessa molecola del DNA è sorprendente: è costituita da oltre 6 miliardi di elementi (nucleotidi: base azotata + zucchero desossiribosio + residuo di acido fosforico), che formano fili con una lunghezza totale di circa 2 metri. E non siamo dei campioni in questo senso, perché ci sono organismi il cui DNA è costituito da centinaia di miliardi di nucleotidi. Affinché una molecola così gigantesca si adatti al nucleo, invisibile ad occhio nudo, i filamenti di DNA sono attorcigliati insieme in un'elica (doppia elica) e avvolti attorno a speciali proteine ​​chiamate istoni. La cella ha un insieme speciale di macchine per lavorare con questo database.

Devi utilizzare costantemente le informazioni contenute nel DNA: leggi le sequenze che codificano per le proteine ​​di cui hai attualmente bisogno (trascrizione), e copia di volta in volta l'intero database per dividere la cellula (replicazione). Ciascuno di questi passaggi comporta il dipanarsi dell'elica dei nucleotidi. Per questa attività viene utilizzato l'enzima elicasi, che si muove a spirale e - come un cuneo - lo divide in fili separati (tutto ciò assomiglia a un fulmine). L'enzima funziona grazie all'energia rilasciata a seguito della rottura del vettore energetico universale della cellula - ATP (adenosina trifosfato).

Modello della molecola di ATP. L'attacco e il distacco dei residui di fosfato (a sinistra) forniscono lo scambio di energia nelle reazioni chimiche cellulari.

Ora puoi iniziare a copiare i frammenti di catena, cosa che fa l'RNA polimerasi, guidata anche dall'energia contenuta nell'ATP. L'enzima si muove lungo il filamento di DNA e forma una regione di RNA (contenente zucchero, ribosio invece di desossiribosio), che è lo stampo su cui vengono sintetizzate le proteine. Di conseguenza, il DNA viene preservato (evitando il continuo disfacimento e la lettura di frammenti) e, inoltre, le proteine ​​possono essere create in tutta la cellula, non solo nel nucleo.

Una copia quasi priva di errori è fornita dalla DNA polimerasi, che agisce in modo simile all'RNA polimerasi. L'enzima si muove lungo il filo e costruisce la sua controparte. Quando un'altra molecola di questo enzima si muove lungo il secondo filamento, il risultato sono due filamenti completi di DNA. L'enzima ha bisogno di alcuni "aiutanti" per iniziare a copiare, legare insieme frammenti e rimuovere le smagliature non necessarie. Tuttavia, la DNA polimerasi ha un "difetto di fabbricazione". Può muoversi solo in una direzione. La replica richiede la creazione di un cosiddetto starter, da cui inizia la copia vera e propria. Una volta completati, i primer vengono rimossi e, poiché la polimerasi non ha backup, si accorcia ad ogni copia del DNA. Alle estremità del filo ci sono frammenti protettivi chiamati telomeri che non codificano per nessuna proteina. Dopo il loro consumo (nell'uomo, dopo circa 50 ripetizioni), i cromosomi si uniscono e vengono letti con errori, il che provoca la morte cellulare o la sua trasformazione in una cancerosa. Pertanto, il tempo della nostra vita è misurato dall'orologio telomerico.

La copia del DNA richiede che molti enzimi lavorino insieme.

Una molecola delle dimensioni del DNA subisce danni permanenti. Un altro gruppo di enzimi, che agiscono anche come macchine specializzate, si occupa della risoluzione dei problemi. Una spiegazione del loro ruolo è stata assegnata al Premio Chimica 2015 (per maggiori informazioni vedere l'articolo di gennaio 2016).

Dentro…

… le cellule hanno un citoplasma, una sospensione di componenti che le riempie di varie funzioni vitali. L'intero citoplasma è ricoperto da una rete di strutture proteiche che costituiscono il citoscheletro. Le microfibre che si contraggono consentono alla cellula di cambiare forma, permettendole di strisciare e muovere i suoi organelli interni. Il citoscheletro comprende anche microtubuli, cioè tubi fatti di proteine. Si tratta di elementi abbastanza rigidi (un tubo cavo è sempre più rigido di una singola asta dello stesso diametro) che formano una cellula, e su di essi si muovono alcune delle più insolite macchine molecolari: proteine ​​che camminano (letteralmente!).

I microtubuli hanno estremità caricate elettricamente. Le proteine ​​chiamate dineine si muovono verso il frammento negativo, mentre le chinesine si muovono nella direzione opposta. Grazie all'energia rilasciata dalla scomposizione dell'ATP, la forma delle proteine ​​che camminano (note anche come proteine ​​motorie o di trasporto) cambia in cicli, consentendo loro di muoversi come un'anatra sulla superficie dei microtubuli. Le molecole sono dotate di un "filo" proteico, al termine del quale può attaccarsi un'altra grossa molecola o una bolla piena di prodotti di scarto. Tutto questo ricorda un robot che, ondeggiando, tira un palloncino con una corda. Le proteine ​​rotolanti trasportano le sostanze necessarie nei posti giusti della cellula e spostano i suoi componenti interni.

Quasi tutte le reazioni che si verificano nella cellula sono controllate da enzimi, senza i quali questi cambiamenti non si verificherebbero quasi mai. Gli enzimi sono catalizzatori che agiscono come macchine specializzate per fare una cosa (molto spesso accelerano solo una particolare reazione). Catturano i substrati di trasformazione, li dispongono in modo appropriato tra loro, e dopo la fine del processo rilasciano i prodotti e ricominciano a lavorare. L'associazione con un robot industriale che esegue azioni infinitamente ripetitive è assolutamente vera.

Le molecole del vettore energetico intracellulare si formano come sottoprodotto di una serie di reazioni chimiche. Tuttavia, la principale fonte di ATP è il lavoro del meccanismo più complesso della cellula: l'ATP sintasi. Il maggior numero di molecole di questo enzima si trova nei mitocondri, che agiscono come "centrali elettriche" cellulari.

ATP sintasi - in alto: parte fissa

nella membrana, albero motore, frammento responsabile

per la sintesi di ATP

Nel processo di ossidazione biologica, gli ioni idrogeno vengono trasportati dall'interno delle singole sezioni dei mitocondri verso l'esterno, creando il loro gradiente (differenza di concentrazione) su entrambi i lati della membrana mitocondriale. Questa situazione è instabile e c'è una naturale tendenza all'equalizzazione delle concentrazioni, che è ciò di cui l'ATP sintasi trae vantaggio. L'enzima è costituito da diverse parti mobili e fisse. Un frammento con canali è fissato nella membrana, attraverso il quale gli ioni idrogeno dall'ambiente possono penetrare nei mitocondri. I cambiamenti strutturali causati dal loro movimento ruotano un'altra parte dell'enzima, un elemento allungato che funge da albero di trasmissione. All'altra estremità dell'asta, all'interno del mitocondrio, è attaccato un altro pezzo del sistema. La rotazione dell'albero provoca la rotazione del frammento interno, a cui, in alcune sue posizioni, sono attaccati substrati della reazione di formazione dell'ATP, e quindi, in altre posizioni del rotore, un composto ad alta energia pronto all'uso . rilasciato.

E questa volta non è difficile trovare un'analogia nel mondo della tecnologia umana. Solo un generatore di elettricità. Il flusso di ioni idrogeno fa muovere gli elementi all'interno del motore molecolare immobilizzato nella membrana, come le pale di una turbina azionata da un flusso di vapore acqueo. L'albero trasferisce l'azionamento all'effettivo sistema di generazione di ATP. Come la maggior parte degli enzimi, anche la sintasi può agire nella direzione opposta e scomporre l'ATP. Questo processo mette in moto un motore interno che guida le parti mobili del frammento di membrana attraverso un albero. Questo, a sua volta, porta al pompaggio di ioni idrogeno dai mitocondri. Quindi, la pompa è azionata elettricamente. Miracolo molecolare della natura.

Sul bordo…

... Tra la cellula e l'ambiente c'è una membrana cellulare che separa l'ordine interno dal caos del mondo esterno. Consiste in un doppio strato di molecole, con le parti idrofile ("che amano l'acqua") verso l'esterno e le parti idrofobe ("che evitano l'acqua") l'una verso l'altra. La membrana contiene anche molte molecole proteiche. Il corpo deve entrare in contatto con l'ambiente: assorbire le sostanze di cui ha bisogno e rilasciare scorie. Alcuni composti chimici con piccole molecole (ad esempio l'acqua) possono attraversare la membrana in entrambe le direzioni a seconda del gradiente di concentrazione. La diffusione degli altri è difficile e la cellula stessa ne regola l'assorbimento. Inoltre, per la trasmissione vengono utilizzate macchine cellulari: nastri trasportatori e canali ionici.

Il trasportatore lega uno ione o una molecola e poi si sposta con esso sull'altro lato della membrana (quando la membrana stessa è piccola) oppure - quando attraversa l'intera membrana - sposta la particella raccolta e la rilascia all'altra estremità. Naturalmente, i nastri trasportatori funzionano in entrambi i modi e sono molto "pignoli": spesso trasportano solo un tipo di sostanza. I canali ionici mostrano un effetto di lavoro simile, ma un meccanismo diverso. Possono essere paragonati a un filtro. Il trasporto attraverso i canali ionici segue generalmente un gradiente di concentrazione (concentrazioni ioniche da più alte a più basse fino a quando non si livellano). D'altra parte, i meccanismi intracellulari regolano l'apertura e la chiusura dei passaggi. I canali ionici mostrano anche un'elevata selettività per il passaggio delle particelle.

Canale ionico (a sinistra) e tubazioni in funzione

Il flagello batterico è un vero meccanismo di guida

C'è un'altra macchina molecolare interessante nella membrana cellulare: il flagello, che assicura il movimento attivo dei batteri. Questo è un motore proteico composto da due parti: una parte fissa (statore) e una parte rotante (rotore). Il movimento è causato dal flusso di ioni idrogeno dalla membrana nella cellula. Entrano nel canale nello statore e ulteriormente nella parte distale, che si trova nel rotore. Per entrare nella cella, gli ioni idrogeno devono trovare la loro strada verso la sezione successiva del canale, che è di nuovo nello statore. Tuttavia, il rotore deve ruotare affinché i canali convergano. L'estremità del rotore, che sporge oltre la gabbia, è curva, ad essa è attaccato un flagello flessibile, che ruota come l'elica di un elicottero.

Credo che questa necessariamente breve panoramica del meccanismo cellulare renderà chiaro che i progetti vincitori dei premi Nobel, senza nulla togliere alle loro realizzazioni, sono ancora lontani dalla perfezione delle creazioni dell'evoluzione.