maquinas celulares

En 2016, se otorgó el Premio Nobel de Química por un logro impresionante: la síntesis de moléculas que actúan como dispositivos mecánicos. Sin embargo, no se puede decir que la idea de crear máquinas en miniatura sea una idea humana original. Y esta vez la naturaleza fue primero.

Las máquinas moleculares premiadas (más sobre ellas en el artículo de la edición de enero de MT) son el primer paso hacia una nueva tecnología que pronto puede cambiar nuestras vidas. Pero los cuerpos de todos los organismos vivos están llenos de mecanismos a nanoescala que mantienen a las células funcionando de manera eficiente.

En el centro…

... las células contienen un núcleo y la información genética se almacena en él (las bacterias no tienen un núcleo separado). La molécula de ADN en sí es asombrosa: consta de más de 6 mil millones de elementos (nucleótidos: base nitrogenada + azúcar desoxirribosa + residuo de ácido fosfórico), formando hilos con una longitud total de aproximadamente 2 metros. Y no somos campeones en este sentido, porque hay organismos cuyo ADN está formado por cientos de miles de millones de nucleótidos. Para que una molécula tan gigante encaje en el núcleo, invisible a simple vista, las hebras de ADN se retuercen en una hélice (doble hélice) y se envuelven alrededor de proteínas especiales llamadas histonas. La célula tiene un conjunto especial de máquinas para trabajar con esta base de datos.

Debes utilizar constantemente la información contenida en el ADN: leer las secuencias que codifican las proteínas que necesitas actualmente (transcripción), y copiar toda la base de datos de vez en cuando para dividir la célula (replicación). Cada uno de estos pasos implica desentrañar la hélice de nucleótidos. Para esta actividad, se utiliza la enzima helicasa, que se mueve en espiral y, como una cuña, la divide en hilos separados (todo esto se asemeja a un rayo). La enzima funciona debido a la energía liberada como resultado de la descomposición del portador de energía universal de la célula: ATP (trifosfato de adenosina).

Modelo de la molécula de ATP. La unión y el desprendimiento de residuos de fosfato (izquierda) proporcionan intercambio de energía en las reacciones químicas celulares.

Ahora puede comenzar a copiar fragmentos de cadena, lo que hace la ARN polimerasa, también impulsada por la energía contenida en ATP. La enzima se mueve a lo largo de la hebra de ADN y forma una región de ARN (que contiene azúcar, ribosa en lugar de desoxirribosa), que es la plantilla sobre la que se sintetizan las proteínas. Como resultado, se conserva el ADN (evitando el constante desenredado y lectura de fragmentos) y, además, se pueden crear proteínas en toda la célula, no solo en el núcleo.

La ADN polimerasa proporciona una copia casi sin errores, que actúa de manera similar a la ARN polimerasa. La enzima se mueve a lo largo del hilo y construye su contraparte. Cuando otra molécula de esta enzima se mueve a lo largo de la segunda hebra, el resultado son dos hebras completas de ADN. La enzima necesita algunos "ayudantes" para comenzar a copiar, unir fragmentos y eliminar estrías innecesarias. Sin embargo, la ADN polimerasa tiene un "defecto de fabricación". Solo puede moverse en una dirección. La replicación requiere la creación de un iniciador, a partir del cual comienza la copia real. Una vez completados, los cebadores se eliminan y, dado que la polimerasa no tiene respaldo, se acorta con cada copia de ADN. En los extremos del hilo hay fragmentos protectores llamados telómeros que no codifican ninguna proteína. Tras su consumo (en humanos, tras unas 50 repeticiones), los cromosomas se pegan y se leen con errores, lo que provoca la muerte celular o su transformación en cancerosa. Así, el tiempo de nuestra vida se mide por el reloj telomérico.

Copiar el ADN requiere que muchas enzimas trabajen juntas.

Una molécula del tamaño de un ADN sufre un daño permanente. Otro grupo de enzimas, que también actúan como máquinas especializadas, se ocupa de la resolución de problemas. Una explicación de su papel fue galardonada con el Premio de Química 2015 (para obtener más información, consulte el artículo de enero de 2016).

En el interior…

… las células tienen un citoplasma, una suspensión de componentes que las llenan con diversas funciones vitales. Todo el citoplasma está cubierto por una red de estructuras proteicas que forman el citoesqueleto. Las microfibras que se contraen permiten que la célula cambie de forma, permitiéndole arrastrarse y mover sus orgánulos internos. El citoesqueleto también incluye microtúbulos, es decir, tubos hechos de proteínas. Estos son elementos bastante rígidos (un tubo hueco siempre es más rígido que una sola barra del mismo diámetro) que forman una célula, y algunas de las máquinas moleculares más inusuales se mueven a lo largo de ellos: proteínas andantes (¡literalmente!).

Los microtúbulos tienen extremos cargados eléctricamente. Las proteínas llamadas dineínas se mueven hacia el fragmento negativo, mientras que las cinesinas se mueven en la dirección opuesta. Gracias a la energía liberada por la descomposición del ATP, la forma de las proteínas ambulantes (también conocidas como proteínas motoras o transportadoras) cambia en los ciclos, lo que les permite moverse como un pato por la superficie de los microtúbulos. Las moléculas están equipadas con un "hilo" de proteína, al final del cual se puede adherir otra molécula grande o una burbuja llena de productos de desecho. Todo esto se asemeja a un robot que, balanceándose, tira de un globo con una cuerda. Las proteínas rodantes transportan las sustancias necesarias a los lugares correctos de la célula y mueven sus componentes internos.

Casi todas las reacciones que ocurren en la célula están controladas por enzimas, sin las cuales estos cambios casi nunca ocurrirían. Las enzimas son catalizadores que actúan como máquinas especializadas para hacer una cosa (muy a menudo solo aceleran una reacción en particular). Capturan los sustratos de transformación, los acomodan adecuadamente entre sí y, una vez finalizado el proceso, liberan los productos y comienzan a trabajar nuevamente. La asociación con un robot industrial que realiza acciones infinitamente repetitivas es absolutamente cierta.

Las moléculas del portador de energía intracelular se forman como subproducto de una serie de reacciones químicas. Sin embargo, la principal fuente de ATP es el trabajo del mecanismo más complejo de la célula: la ATP sintasa. El mayor número de moléculas de esta enzima se encuentra en las mitocondrias, que actúan como "centrales eléctricas" celulares.

ATP sintasa - arriba: parte fija

en la membrana, eje impulsor, fragmento responsable

para la síntesis de ATP

En el proceso de oxidación biológica, los iones de hidrógeno se transportan desde el interior de secciones individuales de la mitocondria hacia el exterior, lo que crea su gradiente (diferencia de concentración) en ambos lados de la membrana mitocondrial. Esta situación es inestable y hay una tendencia natural a que las concentraciones se igualen, que es lo que aprovecha la ATP sintasa. La enzima consta de varias partes móviles y fijas. Un fragmento con canales se fija en la membrana, a través del cual los iones de hidrógeno del medio ambiente pueden penetrar en las mitocondrias. Los cambios estructurales provocados por su movimiento hacen girar otra parte de la enzima, un elemento alargado que actúa como eje impulsor. En el otro extremo de la varilla, dentro de la mitocondria, se le une otra pieza del sistema. La rotación del eje provoca la rotación del fragmento interno, al cual, en algunas de sus posiciones, se unen los sustratos de la reacción de formación de ATP, y luego, en otras posiciones del rotor, un compuesto de alta energía listo para usar. . publicado.

Y esta vez no es difícil encontrar una analogía en el mundo de la tecnología humana. Solo un generador de electricidad. El flujo de iones de hidrógeno hace que los elementos se muevan en el interior del motor molecular inmovilizado en la membrana, como los álabes de una turbina impulsada por una corriente de vapor de agua. El eje transfiere el impulso al sistema de generación de ATP real. Como la mayoría de las enzimas, la sintasa también puede actuar en la otra dirección y descomponer el ATP. Este proceso pone en marcha un motor interno que impulsa las partes móviles del fragmento de membrana a través de un eje. Esto, a su vez, conduce al bombeo de iones de hidrógeno de las mitocondrias. Entonces, la bomba es accionada eléctricamente. Milagro molecular de la naturaleza.

En el borde…

... Entre la célula y el ambiente existe una membrana celular que separa el orden interno del caos del mundo externo. Consiste en una doble capa de moléculas, con las partes hidrofílicas ("amantes del agua") hacia afuera y las partes hidrofóbicas ("que evitan el agua") una hacia la otra. La membrana también contiene muchas moléculas de proteína. El cuerpo tiene que entrar en contacto con el medio ambiente: absorber las sustancias que necesita y liberar los desechos. Algunos compuestos químicos con moléculas pequeñas (por ejemplo, el agua) pueden atravesar la membrana en ambas direcciones según el gradiente de concentración. La difusión de otros es difícil, y la propia célula regula su absorción. Además, las máquinas celulares se utilizan para la transmisión: transportadores y canales iónicos.

El transportador une un ion o una molécula y luego se mueve con él al otro lado de la membrana (cuando la membrana en sí es pequeña) o, cuando atraviesa toda la membrana, mueve la partícula recolectada y la libera en el otro extremo. Por supuesto, los transportadores funcionan en ambos sentidos y son muy "quisquillosos": a menudo transportan solo un tipo de sustancia. Los canales iónicos muestran un efecto de trabajo similar, pero un mecanismo diferente. Se pueden comparar con un filtro. El transporte a través de los canales de iones generalmente sigue un gradiente de concentración (concentraciones de iones más altas a más bajas hasta que se estabilizan). Por otro lado, los mecanismos intracelulares regulan la apertura y cierre de pasajes. Los canales iónicos también exhiben una alta selectividad para el paso de partículas.

Canal de iones (izquierda) y tuberías en funcionamiento

El flagelo bacteriano es un verdadero mecanismo impulsor

Hay otra máquina molecular interesante en la membrana celular: el impulso del flagelo, que garantiza el movimiento activo de las bacterias. Este es un motor de proteínas que consta de dos partes: una parte fija (estator) y una parte giratoria (rotor). El movimiento es causado por el flujo de iones de hidrógeno desde la membrana hacia la célula. Entran en el canal en el estator y más en la parte distal, que se encuentra en el rotor. Para ingresar a la celda, los iones de hidrógeno deben encontrar su camino hacia la siguiente sección del canal, que nuevamente se encuentra en el estator. Sin embargo, el rotor debe girar para que los canales converjan. El extremo del rotor, que sobresale más allá de la jaula, está curvado, se le une un flagelo flexible que gira como la hélice de un helicóptero.

Creo que esta necesariamente breve reseña del mecanismo celular dejará en claro que los diseños ganadores de los premios Nobel, sin desmerecer sus logros, aún están lejos de la perfección de las creaciones de la evolución.