Appareils cellulaires

En 2016, le prix Nobel de chimie a été décerné pour une réalisation impressionnante - la synthèse de molécules qui agissent comme des dispositifs mécaniques. Cependant, on ne peut pas dire que l'idée de créer des machines miniatures soit une idée humaine originale. Et cette fois, la nature était la première.

Les machines moléculaires primées (plus d'informations à leur sujet dans l'article du numéro de janvier de MT) sont le premier pas vers une nouvelle technologie qui pourrait bientôt bouleverser nos vies. Mais le corps de tous les organismes vivants regorge de mécanismes à l'échelle nanométrique qui permettent aux cellules de fonctionner efficacement.

Dans le centre…

... les cellules contiennent un noyau et des informations génétiques y sont stockées (les bactéries n'ont pas de noyau séparé). La molécule d'ADN elle-même est étonnante - elle se compose de plus de 6 milliards d'éléments (nucléotides : base azotée + sucre désoxyribose + résidu d'acide phosphorique), formant des fils d'une longueur totale d'environ 2 mètres. Et nous ne sommes pas champions à cet égard, car il existe des organismes dont l'ADN est constitué de centaines de milliards de nucléotides. Pour qu'une telle molécule géante s'intègre dans le noyau, invisible à l'œil nu, des brins d'ADN sont tordus ensemble en une hélice (double hélice) et enroulés autour de protéines spéciales appelées histones. La cellule dispose d'un ensemble spécial de machines pour travailler avec cette base de données.

Vous devez constamment utiliser les informations contenues dans l'ADN : lisez les séquences qui codent pour les protéines dont vous avez actuellement besoin (transcription), et copiez de temps en temps toute la base de données pour diviser la cellule (réplication). Chacune de ces étapes consiste à démêler l'hélice des nucléotides. Pour cette activité, l'enzyme hélicase est utilisée, qui se déplace en spirale et - comme un coin - la divise en fils séparés (tout cela ressemble à un éclair). L'enzyme fonctionne grâce à l'énergie libérée à la suite de la dégradation du vecteur énergétique universel de la cellule - l'ATP (adénosine triphosphate).

Modèle de la molécule d'ATP. L'attachement et le détachement des résidus de phosphate (à gauche) assurent l'échange d'énergie dans les réactions chimiques cellulaires.

Vous pouvez maintenant commencer à copier des fragments de chaîne, ce que fait l'ARN polymérase, également entraînée par l'énergie contenue dans l'ATP. L'enzyme se déplace le long du brin d'ADN et forme une région d'ARN (contenant du sucre, du ribose au lieu du désoxyribose), qui est la matrice sur laquelle les protéines sont synthétisées. En conséquence, l'ADN est préservé (évitant le démêlage et la lecture constants de fragments) et, de plus, des protéines peuvent être créées dans toute la cellule, pas seulement dans le noyau.

Une copie presque sans erreur est fournie par l'ADN polymérase, qui agit de la même manière que l'ARN polymérase. L'enzyme se déplace le long du fil et construit son homologue. Lorsqu'une autre molécule de cette enzyme se déplace le long du deuxième brin, le résultat est deux brins complets d'ADN. L'enzyme a besoin de quelques "aides" pour commencer à copier, lier des fragments ensemble et éliminer les vergetures inutiles. Cependant, l'ADN polymérase a un "défaut de fabrication". Il ne peut se déplacer que dans une seule direction. La réplication nécessite la création d'un soi-disant démarreur, à partir duquel la copie proprement dite commence. Une fois terminées, les amorces sont retirées et, comme la polymérase n'a pas de sauvegarde, elle se raccourcit à chaque copie d'ADN. Aux extrémités du fil se trouvent des fragments protecteurs appelés télomères qui ne codent pour aucune protéine. Après leur consommation (chez l'homme, après environ 50 répétitions), les chromosomes se collent et sont lus avec des erreurs, ce qui provoque la mort cellulaire ou sa transformation en cellule cancéreuse. Ainsi, le temps de notre vie est mesuré par l'horloge télomérique.

La copie de l'ADN nécessite que de nombreuses enzymes fonctionnent ensemble.

Une molécule de la taille de l'ADN subit des dommages permanents. Un autre groupe d'enzymes, agissant également comme des machines spécialisées, s'occupe du dépannage. Une explication de leur rôle a été récompensée par le Prix de Chimie 2015 (pour plus d'informations voir l'article de janvier 2016).

À l'intérieur…

… les cellules ont un cytoplasme - une suspension de composants qui les remplissent de diverses fonctions vitales. L'ensemble du cytoplasme est recouvert d'un réseau de structures protéiques qui composent le cytosquelette. Les microfibres qui se contractent permettent à la cellule de changer de forme, lui permettant de ramper et de déplacer ses organites internes. Le cytosquelette comprend également des microtubules, c'est-à-dire tubes faits de protéines. Ce sont des éléments assez rigides (un tube creux est toujours plus rigide qu'une seule tige de même diamètre) qui forment une cellule, et certaines des machines moléculaires les plus inhabituelles se déplacent le long d'eux - les protéines qui marchent (littéralement !).

Les microtubules ont des extrémités chargées électriquement. Les protéines appelées dynéines se déplacent vers le fragment négatif, tandis que les kinésines se déplacent dans la direction opposée. Grâce à l'énergie libérée par la dégradation de l'ATP, la forme des protéines de marche (également appelées protéines motrices ou de transport) change de cycle, leur permettant de se déplacer comme un canard à la surface des microtubules. Les molécules sont équipées d'un "fil" protéique, au bout duquel une autre grosse molécule ou une bulle remplie de déchets peut se coller. Tout cela ressemble à un robot qui, en se balançant, tire un ballon par une ficelle. Les protéines roulantes transportent les substances nécessaires aux bons endroits dans la cellule et déplacent ses composants internes.

Presque toutes les réactions se produisant dans la cellule sont contrôlées par des enzymes, sans lesquelles ces changements ne se produiraient presque jamais. Les enzymes sont des catalyseurs qui agissent comme des machines spécialisées pour faire une chose (très souvent, ils n'accélèrent qu'une réaction particulière). Ils capturent les substrats de transformation, les arrangent de manière appropriée les uns aux autres, et après la fin du processus, ils libèrent les produits et recommencent à travailler. L'association avec un robot industriel effectuant des actions répétitives à l'infini est absolument vraie.

Les molécules du vecteur d'énergie intracellulaire sont formées en tant que sous-produit d'une série de réactions chimiques. Cependant, la principale source d'ATP est le travail du mécanisme le plus complexe de la cellule - l'ATP synthase. Le plus grand nombre de molécules de cette enzyme se trouve dans les mitochondries, qui agissent comme des "centrales énergétiques" cellulaires.

ATP synthase - en haut : partie fixe

dans la membrane, arbre d'entraînement, fragment responsable

pour la synthèse d'ATP

Au cours du processus d'oxydation biologique, les ions hydrogène sont transportés de l'intérieur de sections individuelles de la mitochondrie vers l'extérieur, ce qui crée leur gradient (différence de concentration) des deux côtés de la membrane mitochondriale. Cette situation est instable et il existe une tendance naturelle à l'égalisation des concentrations, dont profite l'ATP synthase. L'enzyme est constituée de plusieurs parties mobiles et fixes. Un fragment avec des canaux est fixé dans la membrane, à travers lequel les ions hydrogène de l'environnement peuvent pénétrer dans les mitochondries. Les changements structurels causés par leur mouvement font tourner une autre partie de l'enzyme - un élément allongé qui agit comme un arbre d'entraînement. A l'autre extrémité de la tige, à l'intérieur de la mitochondrie, un autre morceau du système lui est attaché. La rotation de l'arbre provoque la rotation du fragment interne, auquel, dans certaines de ses positions, des substrats de la réaction de formation d'ATP sont attachés, puis, dans d'autres positions du rotor, un composé prêt à l'emploi à haute énergie . publié.

Et cette fois, il n'est pas difficile de trouver une analogie dans le monde de la technologie humaine. Juste un générateur d'électricité. Le flux d'ions hydrogène fait bouger les éléments à l'intérieur du moteur moléculaire immobilisé dans la membrane, comme les pales d'une turbine entraînée par un courant de vapeur d'eau. L'arbre transfère l'entraînement au système de génération d'ATP proprement dit. Comme la plupart des enzymes, la synthase peut également agir dans l'autre sens et décomposer l'ATP. Ce processus met en mouvement un moteur interne qui entraîne les pièces mobiles du fragment de membrane à travers un arbre. Ceci, à son tour, conduit au pompage des ions hydrogène des mitochondries. Ainsi, la pompe est entraînée électriquement. Miracle moléculaire de la nature.

À la frontière…

... Entre la cellule et l'environnement, il y a une membrane cellulaire qui sépare l'ordre interne du chaos du monde extérieur. Il se compose d'une double couche de molécules, avec les parties hydrophiles ("qui aiment l'eau") vers l'extérieur et les parties hydrophobes ("qui évitent l'eau") l'une vers l'autre. La membrane contient également de nombreuses molécules de protéines. Le corps doit entrer en contact avec l'environnement : absorber les substances dont il a besoin et rejeter les déchets. Certains composés chimiques à petites molécules (par exemple l'eau) peuvent traverser la membrane dans les deux sens selon le gradient de concentration. La diffusion des autres est difficile, et la cellule elle-même régule leur absorption. De plus, des machines cellulaires sont utilisées pour la transmission - convoyeurs et canaux ioniques.

Le convoyeur lie un ion ou une molécule et se déplace ensuite avec lui de l'autre côté de la membrane (lorsque la membrane elle-même est petite) ou - lorsqu'il traverse toute la membrane - déplace la particule collectée et la libère à l'autre extrémité. Bien sûr, les convoyeurs fonctionnent dans les deux sens et sont très "tatillons" - ils ne transportent souvent qu'un seul type de substance. Les canaux ioniques montrent un effet de travail similaire, mais un mécanisme différent. Ils peuvent être comparés à un filtre. Le transport à travers les canaux ioniques suit généralement un gradient de concentration (concentrations d'ions plus élevées à plus faibles jusqu'à ce qu'elles se stabilisent). D'autre part, des mécanismes intracellulaires régulent l'ouverture et la fermeture des passages. Les canaux ioniques présentent également une grande sélectivité pour le passage des particules.

Canal ionique (à gauche) et pipelines en fonctionnement

Le flagelle bactérien est un véritable mécanisme moteur

Il existe une autre machine moléculaire intéressante dans la membrane cellulaire - la commande du flagelle, qui assure le mouvement actif des bactéries. Il s'agit d'un moteur protéique composé de deux parties : une partie fixe (stator) et une partie tournante (rotor). Le mouvement est causé par le flux d'ions hydrogène de la membrane dans la cellule. Ils pénètrent dans le canal du stator et plus loin dans la partie distale, située dans le rotor. Pour pénétrer à l'intérieur de la cellule, les ions hydrogène doivent trouver leur chemin vers la section suivante du canal, qui se trouve à nouveau dans le stator. Cependant, le rotor doit tourner pour que les canaux convergent. L'extrémité du rotor, dépassant de la cage, est incurvée, un flagelle flexible y est attaché, tournant comme une hélice d'hélicoptère.

Je crois que cet aperçu nécessairement bref du mécanisme cellulaire fera comprendre que les conceptions gagnantes des lauréats du prix Nobel, sans nuire à leurs réalisations, sont encore loin de la perfection des créations de l'évolution.