सेल मशीनें

2016 में, रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार एक प्रभावशाली उपलब्धि के लिए प्रदान किया गया था - अणुओं का संश्लेषण जो यांत्रिक उपकरणों के रूप में कार्य करता है। हालाँकि, यह नहीं कहा जा सकता कि लघु मशीनें बनाने का विचार एक मौलिक मानवीय विचार है। और इस बार प्रकृति पहले थी.

पुरस्कृत आणविक मशीनें (एमटी के जनवरी अंक के लेख में उनके बारे में अधिक जानकारी) एक नई तकनीक की ओर पहला कदम है जो जल्द ही हमारे जीवन को उलट-पुलट कर सकती है। लेकिन सभी जीवित जीवों के शरीर नैनोस्केल तंत्र से भरे हुए हैं जो कोशिकाओं को कुशलतापूर्वक कार्य करते रहते हैं।

केंद्र में…

...कोशिकाओं में एक केंद्रक होता है, और आनुवंशिक जानकारी इसमें संग्रहीत होती है (बैक्टीरिया में एक अलग केंद्रक नहीं होता है)। डीएनए अणु अपने आप में अद्भुत है - इसमें 6 अरब से अधिक तत्व (न्यूक्लियोटाइड्स: नाइट्रोजनस बेस + डीऑक्सीराइबोज शुगर + फॉस्फोरिक एसिड अवशेष) होते हैं, जो लगभग 2 मीटर की कुल लंबाई वाले धागे बनाते हैं। और हम इस संबंध में चैंपियन नहीं हैं, क्योंकि ऐसे जीव हैं जिनके डीएनए में सैकड़ों अरब न्यूक्लियोटाइड होते हैं। ऐसे विशाल अणु को नाभिक में फिट करने के लिए, जो नग्न आंखों के लिए अदृश्य है, डीएनए स्ट्रैंड को एक हेलिक्स (डबल हेलिक्स) में एक साथ घुमाया जाता है और हिस्टोन नामक विशेष प्रोटीन के चारों ओर लपेटा जाता है। इस डेटाबेस के साथ काम करने के लिए सेल के पास मशीनों का एक विशेष सेट है।

आपको लगातार डीएनए में निहित जानकारी का उपयोग करना चाहिए: उन अनुक्रमों को पढ़ें जो आपको वर्तमान में आवश्यक प्रोटीन (प्रतिलेखन) के लिए कोड करते हैं, और समय-समय पर पूरे डेटाबेस को सेल (प्रतिकृति) को विभाजित करने के लिए कॉपी करते हैं। इनमें से प्रत्येक चरण में न्यूक्लियोटाइड्स के हेलिक्स को खोलना शामिल है। इस गतिविधि के लिए, हेलिकेज़ एंजाइम का उपयोग किया जाता है, जो एक सर्पिल में चलता है और - एक पच्चर की तरह - इसे अलग-अलग धागों में विभाजित करता है (यह सब बिजली जैसा दिखता है)। कोशिका के सार्वभौमिक ऊर्जा वाहक - एटीपी (एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट) के टूटने के परिणामस्वरूप जारी ऊर्जा के कारण एंजाइम काम करता है।

एटीपी अणु का मॉडल. फॉस्फेट अवशेषों का जुड़ाव और पृथक्करण (बाएं) सेलुलर रासायनिक प्रतिक्रियाओं में ऊर्जा विनिमय प्रदान करता है।

अब आप श्रृंखला के टुकड़ों की प्रतिलिपि बनाना शुरू कर सकते हैं, जो आरएनए पोलीमरेज़ करता है, वह भी एटीपी में निहित ऊर्जा द्वारा संचालित होता है। एंजाइम डीएनए स्ट्रैंड के साथ चलता है और आरएनए (डीऑक्सीराइबोज के बजाय चीनी, राइबोज युक्त) का एक क्षेत्र बनाता है, जो वह टेम्पलेट है जिस पर प्रोटीन संश्लेषित होते हैं। परिणामस्वरूप, डीएनए संरक्षित रहता है (टुकड़ों के निरंतर खुलने और पढ़ने से बचा जाता है), और, इसके अलावा, प्रोटीन केवल नाभिक में ही नहीं, बल्कि पूरे कोशिका में बनाया जा सकता है।

डीएनए पोलीमरेज़ द्वारा लगभग त्रुटि रहित प्रतिलिपि प्रदान की जाती है, जो आरएनए पोलीमरेज़ के समान कार्य करती है। एंजाइम धागे के साथ चलता है और अपने समकक्ष का निर्माण करता है। जब इस एंजाइम का एक और अणु दूसरे स्ट्रैंड के साथ चलता है, तो परिणामस्वरुप डीएनए के दो पूर्ण स्ट्रैंड बनते हैं। एंजाइम को नकल शुरू करने, टुकड़ों को एक साथ बांधने और अनावश्यक खिंचाव के निशान हटाने के लिए कुछ "सहायकों" की आवश्यकता होती है। हालाँकि, डीएनए पोलीमरेज़ में "विनिर्माण दोष" है। यह केवल एक ही दिशा में आगे बढ़ सकता है। प्रतिकृति के लिए एक तथाकथित स्टार्टर के निर्माण की आवश्यकता होती है, जिससे वास्तविक प्रतिलिपि शुरू होती है। एक बार पूरा होने पर, प्राइमर हटा दिए जाते हैं और चूंकि पोलीमरेज़ का कोई बैकअप नहीं होता है, यह प्रत्येक डीएनए कॉपी के साथ छोटा हो जाता है। धागे के सिरों पर टेलोमेर नामक सुरक्षात्मक टुकड़े होते हैं जो किसी भी प्रोटीन के लिए कोड नहीं करते हैं। उनके सेवन के बाद (मनुष्यों में, लगभग 50 पुनरावृत्ति के बाद), गुणसूत्र एक साथ चिपक जाते हैं और त्रुटियों के साथ पढ़े जाते हैं, जिससे कोशिका मृत्यु हो जाती है या यह कैंसर में बदल जाती है। इस प्रकार हमारे जीवन का समय टेलोमेरिक घड़ी से मापा जाता है।

डीएनए की प्रतिलिपि बनाने के लिए एक साथ काम करने के लिए कई एंजाइमों की आवश्यकता होती है।

डीएनए के आकार का एक अणु स्थायी क्षति से गुजरता है। एंजाइमों का एक अन्य समूह, विशेष मशीनों के रूप में भी कार्य करता है, जो समस्या निवारण से संबंधित है। उनकी भूमिका की व्याख्या के लिए 2015 रसायन विज्ञान पुरस्कार से सम्मानित किया गया (अधिक जानकारी के लिए जनवरी 2016 का लेख देखें)।

अंदर…

… कोशिकाओं में एक साइटोप्लाज्म होता है - घटकों का एक निलंबन जो उन्हें विभिन्न महत्वपूर्ण कार्यों से भर देता है। संपूर्ण साइटोप्लाज्म प्रोटीन संरचनाओं के एक नेटवर्क से ढका होता है जो साइटोस्केलेटन बनाते हैं। अनुबंधित माइक्रोफ़ाइबर कोशिका को अपना आकार बदलने की अनुमति देते हैं, जिससे यह अपने आंतरिक अंगों को क्रॉल और स्थानांतरित करने की अनुमति देता है। साइटोस्केलेटन में सूक्ष्मनलिकाएं भी शामिल हैं, अर्थात ट्यूब प्रोटीन से बने होते हैं। ये काफी कठोर तत्व हैं (एक खोखली नली हमेशा एक ही व्यास की एक छड़ की तुलना में सख्त होती है) जो एक कोशिका बनाती है, और कुछ सबसे असामान्य आणविक मशीनें उनके साथ चलती हैं - चलने वाले प्रोटीन (शाब्दिक रूप से!)।

सूक्ष्मनलिकाएं में विद्युत आवेशित सिरे होते हैं। डायनेइन्स नामक प्रोटीन नकारात्मक टुकड़े की ओर बढ़ते हैं, जबकि किनेसिन विपरीत दिशा में चलते हैं। एटीपी के टूटने से निकलने वाली ऊर्जा के लिए धन्यवाद, चलने वाले प्रोटीन (जिसे मोटर या ट्रांसपोर्ट प्रोटीन के रूप में भी जाना जाता है) का आकार चक्रों में बदलता है, जिससे उन्हें सूक्ष्मनलिकाएं की सतह पर बत्तख की तरह चलने की अनुमति मिलती है। अणु एक प्रोटीन "थ्रेड" से सुसज्जित होते हैं, जिसके अंत में एक और बड़ा अणु या अपशिष्ट उत्पादों से भरा बुलबुला चिपक सकता है। यह सब एक रोबोट जैसा दिखता है, जो लहराते हुए एक गुब्बारे को एक डोरी से खींचता है। रोलिंग प्रोटीन आवश्यक पदार्थों को कोशिका में सही स्थानों पर पहुंचाते हैं और इसके आंतरिक घटकों को स्थानांतरित करते हैं।

कोशिका में होने वाली लगभग सभी प्रतिक्रियाएँ एंजाइमों द्वारा नियंत्रित होती हैं, जिनके बिना ये परिवर्तन लगभग कभी नहीं होते। एंजाइम उत्प्रेरक होते हैं जो एक काम करने के लिए विशेष मशीनों की तरह काम करते हैं (अक्सर वे केवल एक विशेष प्रतिक्रिया को गति देते हैं)। वे परिवर्तन के सब्सट्रेट्स को पकड़ते हैं, उन्हें एक-दूसरे के साथ उचित रूप से व्यवस्थित करते हैं, और प्रक्रिया के अंत के बाद वे उत्पादों को छोड़ देते हैं और फिर से काम करना शुरू कर देते हैं। अंतहीन दोहराव वाली क्रियाएं करने वाले औद्योगिक रोबोट के साथ संबंध बिल्कुल सच है।

इंट्रासेल्युलर ऊर्जा वाहक के अणु रासायनिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला के उप-उत्पाद के रूप में बनते हैं। हालाँकि, एटीपी का मुख्य स्रोत कोशिका के सबसे जटिल तंत्र - एटीपी सिंथेज़ का काम है। इस एंजाइम के अणुओं की सबसे बड़ी संख्या माइटोकॉन्ड्रिया में स्थित है, जो सेलुलर "पावर प्लांट" के रूप में कार्य करते हैं।

एटीपी सिंथेज़ - शीर्ष: निश्चित भाग

झिल्ली में, ड्राइव शाफ्ट, जिम्मेदार टुकड़ा

एटीपी संश्लेषण के लिए

जैविक ऑक्सीकरण की प्रक्रिया में, हाइड्रोजन आयनों को माइटोकॉन्ड्रिया के अलग-अलग हिस्सों के अंदर से बाहर की ओर ले जाया जाता है, जो माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली के दोनों किनारों पर उनकी ढाल (एकाग्रता अंतर) बनाता है। यह स्थिति अस्थिर है और सांद्रता बराबर होने की स्वाभाविक प्रवृत्ति है, जिसका एटीपी सिंथेज़ लाभ उठाता है। एंजाइम में कई गतिशील और स्थिर भाग होते हैं। झिल्ली में चैनलों वाला एक टुकड़ा लगा होता है, जिसके माध्यम से पर्यावरण से हाइड्रोजन आयन माइटोकॉन्ड्रिया में प्रवेश कर सकते हैं। उनके आंदोलन के कारण होने वाले संरचनात्मक परिवर्तन एंजाइम के दूसरे भाग को घुमाते हैं - एक लम्बा तत्व जो ड्राइव शाफ्ट के रूप में कार्य करता है। रॉड के दूसरे छोर पर, माइटोकॉन्ड्रियन के अंदर, सिस्टम का एक और टुकड़ा इससे जुड़ा होता है। शाफ्ट के घूमने से आंतरिक टुकड़ा घूमता है, जिससे - इसकी कुछ स्थितियों में - एटीपी-गठन प्रतिक्रिया के सब्सट्रेट जुड़े होते हैं, और फिर - रोटर की अन्य स्थितियों में - तैयार उच्च-ऊर्जा यौगिक जुड़ा होता है। जारी किया।

और इस बार मानव प्रौद्योगिकी की दुनिया में सादृश्य खोजना मुश्किल नहीं है। बस एक बिजली जनरेटर. हाइड्रोजन आयनों का प्रवाह तत्वों को झिल्ली में स्थिर आणविक मोटर के अंदर गतिमान बनाता है, जैसे जल वाष्प की धारा द्वारा संचालित टरबाइन के ब्लेड। शाफ्ट ड्राइव को वास्तविक एटीपी जेनरेशन सिस्टम में स्थानांतरित करता है। अधिकांश एंजाइमों की तरह, सिंथेज़ भी दूसरी दिशा में कार्य कर सकता है और एटीपी को तोड़ सकता है। यह प्रक्रिया एक आंतरिक मोटर को गति प्रदान करती है जो एक शाफ्ट के माध्यम से झिल्ली के टुकड़े के गतिशील हिस्सों को चलाती है। यह, बदले में, माइटोकॉन्ड्रिया से हाइड्रोजन आयनों को बाहर निकालने की ओर ले जाता है। तो, पंप विद्युत चालित है। प्रकृति का आणविक चमत्कार.

सीमाओं तक...

... कोशिका और पर्यावरण के बीच एक कोशिका झिल्ली होती है जो आंतरिक व्यवस्था को बाहरी दुनिया की अराजकता से अलग करती है। इसमें अणुओं की एक दोहरी परत होती है, जिसमें हाइड्रोफिलिक ("जल-प्रेमी") भाग बाहर की ओर और हाइड्रोफोबिक ("जल-परहेज") भाग एक दूसरे की ओर होते हैं। झिल्ली में कई प्रोटीन अणु भी होते हैं। शरीर को पर्यावरण के संपर्क में आना पड़ता है: आवश्यक पदार्थों को अवशोषित करना और कचरे को छोड़ना। छोटे अणुओं (उदाहरण के लिए, पानी) वाले कुछ रासायनिक यौगिक झिल्ली से दोनों दिशाओं में सांद्रता प्रवणता के अनुसार गुजर सकते हैं। दूसरों का प्रसार कठिन है, और कोशिका ही उनके अवशोषण को नियंत्रित करती है। इसके अलावा, सेलुलर मशीनों का उपयोग ट्रांसमिशन - कन्वेयर और आयन चैनल के लिए किया जाता है।

कन्वेयर एक आयन या अणु को बांधता है और फिर उसके साथ झिल्ली के दूसरी तरफ चला जाता है (जब झिल्ली स्वयं छोटी होती है) या - जब यह पूरी झिल्ली से होकर गुजरता है - एकत्रित कण को ​​ले जाता है और दूसरे छोर पर छोड़ देता है। बेशक, कन्वेयर दोनों तरीकों से काम करते हैं और बहुत "नकचढ़ा" होते हैं - वे अक्सर केवल एक प्रकार के पदार्थ का परिवहन करते हैं। आयन चैनल एक समान कार्य प्रभाव दिखाते हैं, लेकिन एक अलग तंत्र। उनकी तुलना एक फिल्टर से की जा सकती है। आयन चैनलों के माध्यम से परिवहन आम तौर पर एक सांद्रता प्रवणता (उच्च से निम्न आयन सांद्रता जब तक कि वे समाप्त न हो जाएं) का अनुसरण करता है। दूसरी ओर, इंट्रासेल्युलर तंत्र मार्ग के खुलने और बंद होने को नियंत्रित करते हैं। आयन चैनल कणों के गुजरने के लिए उच्च चयनात्मकता भी प्रदर्शित करते हैं।

आयन चैनल (बाएं) और संचालन में पाइपलाइनें

बैक्टीरियल फ्लैगेलम एक सच्चा ड्राइविंग तंत्र है

कोशिका झिल्ली में एक और दिलचस्प आणविक मशीन है - फ्लैगेलम ड्राइव, जो बैक्टीरिया की सक्रिय गति सुनिश्चित करती है। यह एक प्रोटीन इंजन है जिसमें दो भाग होते हैं: एक निश्चित भाग (स्टेटर) और एक घूमने वाला भाग (रोटर)। गति झिल्ली से कोशिका में हाइड्रोजन आयनों के प्रवाह के कारण होती है। वे स्टेटर में चैनल में प्रवेश करते हैं और आगे डिस्टल भाग में प्रवेश करते हैं, जो रोटर में स्थित होता है। कोशिका के अंदर जाने के लिए, हाइड्रोजन आयनों को चैनल के अगले भाग तक अपना रास्ता खोजना होगा, जो फिर से स्टेटर में है। हालाँकि, चैनलों को अभिसरण करने के लिए रोटर को घूमना चाहिए। रोटर का अंत, पिंजरे से परे फैला हुआ, घुमावदार है, एक लचीला फ्लैगेलम इससे जुड़ा हुआ है, जो हेलीकॉप्टर प्रोपेलर की तरह घूमता है।

मेरा मानना ​​है कि सेलुलर तंत्र का यह संक्षिप्त अवलोकन यह स्पष्ट कर देगा कि नोबेल पुरस्कार विजेताओं के विजयी डिजाइन, उनकी उपलब्धियों से अलग हुए बिना, अभी भी विकास की रचनाओं की पूर्णता से दूर हैं।