செல் இயந்திரங்கள்

2016 ஆம் ஆண்டில், வேதியியலுக்கான நோபல் பரிசு ஒரு ஈர்க்கக்கூடிய சாதனைக்காக வழங்கப்பட்டது - இயந்திர சாதனங்களாக செயல்படும் மூலக்கூறுகளின் தொகுப்பு. இருப்பினும், மினியேச்சர் இயந்திரங்களை உருவாக்கும் யோசனை ஒரு அசல் மனித யோசனை என்று சொல்ல முடியாது. இந்த முறை இயற்கை முதலில் இருந்தது.

வழங்கப்பட்ட மூலக்கூறு இயந்திரங்கள் (எம்டியின் ஜனவரி இதழின் கட்டுரையில் அவற்றைப் பற்றி மேலும்) விரைவில் நம் வாழ்க்கையை தலைகீழாக மாற்றக்கூடிய புதிய தொழில்நுட்பத்தை நோக்கிய முதல் படியாகும். ஆனால் அனைத்து உயிரினங்களின் உடல்களும் நானோ அளவிலான வழிமுறைகளால் நிரம்பியுள்ளன, அவை செல்களை திறமையாக செயல்பட வைக்கின்றன.

நடுவில்…

... செல்கள் ஒரு கருவைக் கொண்டிருக்கின்றன, மேலும் மரபணு தகவல்கள் அதில் சேமிக்கப்படுகின்றன (பாக்டீரியாக்களுக்கு தனி அணுக்கரு இல்லை). டிஎன்ஏ மூலக்கூறே ஆச்சரியமாக இருக்கிறது - இது 6 பில்லியனுக்கும் அதிகமான தனிமங்களைக் கொண்டுள்ளது (நியூக்ளியோடைடுகள்: நைட்ரஜன் அடிப்படை + டிஆக்ஸிரைபோஸ் சர்க்கரை + பாஸ்போரிக் அமில எச்சம்), மொத்த நீளம் சுமார் 2 மீட்டர் கொண்ட நூல்களை உருவாக்குகிறது. இந்த விஷயத்தில் நாம் சாம்பியன்கள் அல்ல, ஏனென்றால் டிஎன்ஏ நூற்றுக்கணக்கான பில்லியன் நியூக்ளியோடைடுகளைக் கொண்ட உயிரினங்கள் உள்ளன. அத்தகைய ஒரு மாபெரும் மூலக்கூறு கருவில் பொருத்தப்படுவதற்கு, நிர்வாணக் கண்ணுக்குப் புலப்படாமல், டிஎன்ஏ இழைகள் ஒரு ஹெலிக்ஸ் (டபுள் ஹெலிக்ஸ்) ஆக முறுக்கப்பட்டன மற்றும் ஹிஸ்டோன்கள் எனப்படும் சிறப்பு புரதங்களைச் சுற்றி மூடப்பட்டிருக்கும். இந்த தரவுத்தளத்துடன் பணிபுரிய செல் சிறப்பு இயந்திரங்களைக் கொண்டுள்ளது.

டிஎன்ஏவில் உள்ள தகவலை நீங்கள் தொடர்ந்து பயன்படுத்த வேண்டும்: தற்போது உங்களுக்குத் தேவைப்படும் புரதங்களுக்கு (டிரான்ஸ்கிரிப்ஷன்) குறியீடு செய்யும் வரிசைகளைப் படிக்கவும், மேலும் கலத்தை (பிரதிப்படுத்தல்) பிரிக்க அவ்வப்போது முழு தரவுத்தளத்தையும் நகலெடுக்கவும். இந்த படிகள் ஒவ்வொன்றும் நியூக்ளியோடைடுகளின் சுருளை அவிழ்ப்பதை உள்ளடக்கியது. இந்த செயல்பாட்டிற்கு, ஹெலிகேஸ் என்சைம் பயன்படுத்தப்படுகிறது, இது ஒரு சுழலில் நகரும் மற்றும் - ஒரு ஆப்பு போல - தனித்தனி நூல்களாக பிரிக்கிறது (இவை அனைத்தும் மின்னலை ஒத்திருக்கிறது). கலத்தின் உலகளாவிய ஆற்றல் கேரியரின் முறிவின் விளைவாக வெளியிடப்பட்ட ஆற்றலின் காரணமாக நொதி செயல்படுகிறது - ஏடிபி (அடினோசின் ட்ரைபாஸ்பேட்).

ஏடிபி மூலக்கூறின் மாதிரி. பாஸ்பேட் எச்சங்களின் (இடது) இணைப்பு மற்றும் பற்றின்மை செல்லுலார் இரசாயன எதிர்வினைகளில் ஆற்றல் பரிமாற்றத்தை வழங்குகிறது.

இப்போது நீங்கள் சங்கிலித் துண்டுகளை நகலெடுக்கத் தொடங்கலாம், இது ஆர்என்ஏ பாலிமரேஸ் செய்கிறது, ஏடிபியில் உள்ள ஆற்றலால் இயக்கப்படுகிறது. என்சைம் டிஎன்ஏ இழையுடன் நகர்ந்து ஆர்என்ஏவின் ஒரு பகுதியை உருவாக்குகிறது (சர்க்கரை, டியோக்ஸிரைபோஸுக்குப் பதிலாக ரைபோஸ் உள்ளது), இது புரதங்கள் ஒருங்கிணைக்கப்படும் டெம்ப்ளேட்டாகும். இதன் விளைவாக, டிஎன்ஏ பாதுகாக்கப்படுகிறது (தொடர்ச்சியான அவிழ்த்தல் மற்றும் துண்டுகளை வாசிப்பதைத் தவிர்க்கிறது), மேலும், அணுக்கருவில் மட்டுமல்ல, செல் முழுவதும் புரதங்கள் உருவாக்கப்படலாம்.

கிட்டத்தட்ட பிழை இல்லாத நகல் DNA பாலிமரேஸால் வழங்கப்படுகிறது, இது RNA பாலிமரேஸைப் போலவே செயல்படுகிறது. நொதி நூலுடன் நகர்ந்து அதன் இணையை உருவாக்குகிறது. இந்த நொதியின் மற்றொரு மூலக்கூறு இரண்டாவது இழையுடன் நகரும் போது, ​​இதன் விளைவாக டிஎன்ஏவின் இரண்டு முழுமையான இழைகள் கிடைக்கும். நகலெடுக்கவும், துண்டுகளை ஒன்றாக இணைக்கவும் மற்றும் தேவையற்ற நீட்டிக்க மதிப்பெண்களை அகற்றவும் நொதிக்கு சில "உதவியாளர்கள்" தேவை. இருப்பினும், டிஎன்ஏ பாலிமரேஸ் ஒரு "உற்பத்தி குறைபாடு" உள்ளது. இது ஒரு திசையில் மட்டுமே நகர முடியும். நகலெடுப்பதற்கு ஸ்டார்டர் என்று அழைக்கப்படுவதை உருவாக்க வேண்டும், அதில் இருந்து உண்மையான நகலெடுப்பு தொடங்குகிறது. முடிந்ததும், ப்ரைமர்கள் அகற்றப்பட்டு, பாலிமரேஸ் காப்புப்பிரதி இல்லாததால், ஒவ்வொரு டிஎன்ஏ நகலிலும் அது சுருங்குகிறது. நூலின் முனைகளில் டெலோமியர்ஸ் எனப்படும் பாதுகாப்புத் துண்டுகள் உள்ளன, அவை எந்தப் புரதங்களுக்கும் குறியீடு இல்லை. அவற்றின் நுகர்வுக்குப் பிறகு (மனிதர்களில், சுமார் 50 மறுபடியும் மறுபடியும்), குரோமோசோம்கள் ஒன்றாக ஒட்டிக்கொள்கின்றன மற்றும் பிழைகள் மூலம் படிக்கப்படுகின்றன, இது உயிரணு இறப்பு அல்லது புற்றுநோயாக மாற்றத்தை ஏற்படுத்துகிறது. எனவே, நமது வாழ்க்கையின் நேரத்தை டெலோமெரிக் கடிகாரத்தால் அளவிடப்படுகிறது.

டிஎன்ஏவை நகலெடுப்பதற்கு பல நொதிகள் இணைந்து செயல்பட வேண்டும்.

டிஎன்ஏ அளவிலான மூலக்கூறு நிரந்தர சேதத்திற்கு உள்ளாகிறது. என்சைம்களின் மற்றொரு குழு, சிறப்பு இயந்திரங்களாகவும் செயல்படுகிறது, சரிசெய்தலைக் கையாள்கிறது. அவர்களின் பங்கின் விளக்கத்திற்கு 2015 வேதியியல் பரிசு வழங்கப்பட்டது (மேலும் தகவலுக்கு ஜனவரி 2016 கட்டுரையைப் பார்க்கவும்).

உள்ளே…

… செல்கள் சைட்டோபிளாசம் கொண்டவை - பல்வேறு முக்கிய செயல்பாடுகளுடன் அவற்றை நிரப்பும் கூறுகளின் இடைநீக்கம். முழு சைட்டோபிளாஸமும் சைட்டோஸ்கெலட்டனை உருவாக்கும் புரத கட்டமைப்புகளின் வலையமைப்பால் மூடப்பட்டிருக்கும். சுருங்கும் மைக்ரோஃபைபர்கள் செல் அதன் வடிவத்தை மாற்ற அனுமதிக்கின்றன, இது அதன் உள் உறுப்புகளை ஊர்ந்து செல்ல அனுமதிக்கிறது. சைட்டோஸ்கெலட்டனில் நுண்குழாய்களும் அடங்கும், அதாவது. புரதங்களால் செய்யப்பட்ட குழாய்கள். இவை மிகவும் திடமான கூறுகள் (ஒரு வெற்று குழாய் எப்போதும் ஒரே விட்டம் கொண்ட ஒரு கம்பியை விட கடினமாக இருக்கும்) அவை ஒரு கலத்தை உருவாக்குகின்றன, மேலும் சில அசாதாரண மூலக்கூறு இயந்திரங்கள் அவற்றுடன் நகர்கின்றன - நடைப் புரதங்கள் (அதாவது!).

நுண்குழாய்கள் மின்சாரம் சார்ஜ் செய்யப்பட்ட முனைகளைக் கொண்டுள்ளன. டைனைன்கள் எனப்படும் புரதங்கள் எதிர்மறையான பகுதியை நோக்கி நகர்கின்றன, அதே சமயம் கினசின்கள் எதிர் திசையில் நகரும். ஏடிபியின் முறிவிலிருந்து வெளியாகும் ஆற்றலுக்கு நன்றி, நடைப் புரதங்களின் வடிவம் (மோட்டார் அல்லது டிரான்ஸ்போர்ட் புரோட்டீன்கள் என்றும் அழைக்கப்படுகிறது) சுழற்சிகளில் மாறுகிறது, அவை நுண்குழாய்களின் மேற்பரப்பில் ஒரு வாத்து போல் நகர அனுமதிக்கிறது. மூலக்கூறுகள் ஒரு புரத "நூல்" பொருத்தப்பட்டிருக்கும், அதன் முடிவில் மற்றொரு பெரிய மூலக்கூறு அல்லது கழிவுப்பொருட்களால் நிரப்பப்பட்ட ஒரு குமிழி ஒட்டிக்கொண்டிருக்கும். இவை அனைத்தும் ஒரு ரோபோவை ஒத்திருக்கிறது, இது ஒரு பலூனை ஒரு சரம் மூலம் இழுக்கிறது. உருட்டல் புரதங்கள் தேவையான பொருட்களை செல்லில் சரியான இடங்களுக்கு கொண்டு சென்று அதன் உள் கூறுகளை நகர்த்துகின்றன.

கலத்தில் நிகழும் கிட்டத்தட்ட அனைத்து எதிர்வினைகளும் நொதிகளால் கட்டுப்படுத்தப்படுகின்றன, இது இல்லாமல் இந்த மாற்றங்கள் கிட்டத்தட்ட ஒருபோதும் ஏற்படாது. என்சைம்கள் வினையூக்கிகள் ஆகும், அவை ஒரு காரியத்தைச் செய்வதற்கான சிறப்பு இயந்திரங்களைப் போல செயல்படுகின்றன (பெரும்பாலும் அவை ஒரு குறிப்பிட்ட எதிர்வினையை மட்டுமே துரிதப்படுத்துகின்றன). அவை உருமாற்றத்தின் அடி மூலக்கூறுகளைப் பிடிக்கின்றன, அவற்றை ஒருவருக்கொருவர் சரியான முறையில் ஏற்பாடு செய்கின்றன, மேலும் செயல்முறையின் முடிவில் அவை தயாரிப்புகளை வெளியிட்டு மீண்டும் வேலை செய்யத் தொடங்குகின்றன. முடிவில்லாமல் மீண்டும் மீண்டும் செயல்படும் தொழில்துறை ரோபோவுடன் தொடர்பு இருப்பது முற்றிலும் உண்மை.

உள்செல்லுலார் ஆற்றல் கேரியரின் மூலக்கூறுகள் தொடர்ச்சியான இரசாயன எதிர்வினைகளின் துணை உற்பத்தியாக உருவாகின்றன. இருப்பினும், ஏடிபியின் முக்கிய ஆதாரம் கலத்தின் மிகவும் சிக்கலான பொறிமுறையின் வேலை - ஏடிபி சின்தேஸ். இந்த நொதியின் அதிக எண்ணிக்கையிலான மூலக்கூறுகள் மைட்டோகாண்ட்ரியாவில் அமைந்துள்ளன, அவை செல்லுலார் "சக்தி ஆலைகளாக" செயல்படுகின்றன.

ஏடிபி சின்தேஸ் - மேல்: நிலையான பகுதி

மென்படலத்தில், டிரைவ் ஷாஃப்ட், பொறுப்பான துண்டு

ஏடிபி தொகுப்புக்காக

உயிரியல் ஆக்சிஜனேற்றத்தின் செயல்பாட்டில், ஹைட்ரஜன் அயனிகள் மைட்டோகாண்ட்ரியாவின் தனிப்பட்ட பிரிவுகளின் உள்ளே இருந்து வெளியே கொண்டு செல்லப்படுகின்றன, இது மைட்டோகாண்ட்ரியல் சவ்வின் இருபுறமும் அவற்றின் சாய்வு (செறிவு வேறுபாடு) உருவாக்குகிறது. இந்த நிலைமை நிலையற்றது மற்றும் செறிவுகளை சமப்படுத்துவதற்கான இயற்கையான போக்கு உள்ளது, இதையே ஏடிபி சின்தேஸ் பயன்படுத்திக் கொள்கிறது. நொதி பல நகரும் மற்றும் நிலையான பகுதிகளைக் கொண்டுள்ளது. சேனல்களுடன் கூடிய ஒரு துண்டு மென்படலத்தில் சரி செய்யப்படுகிறது, இதன் மூலம் சுற்றுச்சூழலில் இருந்து ஹைட்ரஜன் அயனிகள் மைட்டோகாண்ட்ரியாவில் ஊடுருவ முடியும். அவற்றின் இயக்கத்தால் ஏற்படும் கட்டமைப்பு மாற்றங்கள் நொதியின் மற்றொரு பகுதியைச் சுழற்றுகின்றன - ஒரு டிரைவ் ஷாஃப்டாக செயல்படும் ஒரு நீளமான உறுப்பு. கம்பியின் மறுமுனையில், மைட்டோகாண்ட்ரியனுக்குள், அமைப்பின் மற்றொரு பகுதி அதனுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளது. தண்டின் சுழற்சி உள் துண்டின் சுழற்சியை ஏற்படுத்துகிறது, அதன் சில நிலைகளில், ATP-உருவாக்கும் எதிர்வினையின் அடி மூலக்கூறுகள் இணைக்கப்பட்டுள்ளன, பின்னர், ரோட்டரின் மற்ற நிலைகளில், ஒரு ஆயத்த உயர் ஆற்றல் கலவை . வெளியிடப்பட்டது.

இந்த நேரத்தில் மனித தொழில்நுட்ப உலகில் ஒரு ஒப்புமையைக் கண்டுபிடிப்பது கடினம் அல்ல. வெறும் மின்சார ஜெனரேட்டர். ஹைட்ரஜன் அயனிகளின் ஓட்டம், நீர் நீராவியின் ஓட்டத்தால் இயக்கப்படும் விசையாழியின் கத்திகள் போல, சவ்வில் அசையாத மூலக்கூறு மோட்டாருக்குள் உறுப்புகளை நகர்த்தச் செய்கிறது. ஷாஃப்ட் டிரைவை உண்மையான ஏடிபி தலைமுறை அமைப்புக்கு மாற்றுகிறது. பெரும்பாலான நொதிகளைப் போலவே, சின்தேஸும் மற்ற திசையில் செயல்பட்டு ஏடிபியை உடைக்கலாம். இந்த செயல்முறை ஒரு உள் மோட்டாரை இயக்குகிறது, இது சவ்வு துண்டின் நகரும் பகுதிகளை ஒரு தண்டு வழியாக இயக்குகிறது. இது, மைட்டோகாண்ட்ரியாவிலிருந்து ஹைட்ரஜன் அயனிகளை வெளியேற்றுவதற்கு வழிவகுக்கிறது. எனவே, பம்ப் மின்சாரம் மூலம் இயக்கப்படுகிறது. இயற்கையின் மூலக்கூறு அதிசயம்.

எல்லையில்…

... செல் மற்றும் சுற்றுச்சூழலுக்கு இடையில் ஒரு செல் சவ்வு உள்ளது, இது வெளிப்புற உலகின் குழப்பத்திலிருந்து உள் ஒழுங்கைப் பிரிக்கிறது. இது இரட்டை அடுக்கு மூலக்கூறுகளைக் கொண்டுள்ளது, ஹைட்ரோஃபிலிக் ("நீர்-அன்பான") பகுதிகள் வெளிப்புறமாகவும், ஹைட்ரோபோபிக் ("தண்ணீரைத் தவிர்க்கும்") பாகங்கள் ஒன்றையொன்று நோக்கியும் உள்ளன. சவ்வு பல புரத மூலக்கூறுகளையும் கொண்டுள்ளது. உடல் சுற்றுச்சூழலுடன் தொடர்பு கொள்ள வேண்டும்: தேவையான பொருட்களை உறிஞ்சி கழிவுகளை வெளியிட வேண்டும். சிறிய மூலக்கூறுகளைக் கொண்ட சில இரசாயன சேர்மங்கள் (உதாரணமாக, நீர்) செறிவு சாய்வு படி இரு திசைகளிலும் சவ்வு வழியாக செல்ல முடியும். மற்றவர்களின் பரவல் கடினமாக உள்ளது, மேலும் செல் தன்னை அவற்றின் உறிஞ்சுதலை ஒழுங்குபடுத்துகிறது. மேலும், செல்லுலார் இயந்திரங்கள் பரிமாற்றத்திற்கு பயன்படுத்தப்படுகின்றன - கன்வேயர்கள் மற்றும் அயன் சேனல்கள்.

கன்வேயர் ஒரு அயனி அல்லது மூலக்கூறைப் பிணைத்து, பின்னர் அதனுடன் சவ்வின் மறுபக்கத்திற்கு நகர்கிறது (சவ்வு சிறியதாக இருக்கும்போது) அல்லது - அது முழு சவ்வு வழியாகச் செல்லும்போது - சேகரிக்கப்பட்ட துகளை நகர்த்தி மறுமுனையில் வெளியிடுகிறது. நிச்சயமாக, கன்வேயர்கள் இரு வழிகளிலும் வேலை செய்கின்றன மற்றும் மிகவும் "நுட்பமானவை" - அவை பெரும்பாலும் ஒரே ஒரு வகை பொருளை மட்டுமே கொண்டு செல்கின்றன. அயன் சேனல்கள் ஒரே மாதிரியான வேலை விளைவைக் காட்டுகின்றன, ஆனால் வேறுபட்ட வழிமுறையைக் காட்டுகின்றன. அவற்றை வடிகட்டியுடன் ஒப்பிடலாம். அயன் சேனல்கள் மூலம் போக்குவரத்து பொதுவாக ஒரு செறிவு சாய்வு (அயனி செறிவு அதிகமாக இருந்து குறைந்த வரை அவை சமன் செய்யும் வரை) பின்பற்றுகிறது. மறுபுறம், உள்செல்லுலார் வழிமுறைகள் பத்திகளின் திறப்பு மற்றும் மூடுதலை ஒழுங்குபடுத்துகின்றன. அயனி சேனல்கள் துகள்கள் கடந்து செல்வதற்கு அதிக தேர்வை வெளிப்படுத்துகின்றன.

அயன் சேனல் (இடது) மற்றும் பைப்லைன்கள் செயல்பாட்டில் உள்ளன

பாக்டீரியா ஃபிளாஜெல்லம் என்பது ஒரு உண்மையான ஓட்டுநர் பொறிமுறையாகும்

செல் மென்படலத்தில் மற்றொரு சுவாரஸ்யமான மூலக்கூறு இயந்திரம் உள்ளது - ஃபிளாஜெல்லம் டிரைவ், இது பாக்டீரியாவின் செயலில் இயக்கத்தை உறுதி செய்கிறது. இது இரண்டு பகுதிகளைக் கொண்ட ஒரு புரத இயந்திரம்: ஒரு நிலையான பகுதி (ஸ்டேட்டர்) மற்றும் ஒரு சுழலும் பகுதி (ரோட்டார்). சவ்வுகளிலிருந்து ஹைட்ரஜன் அயனிகள் செல்லுக்குள் பாய்வதால் இயக்கம் ஏற்படுகிறது. அவை ஸ்டேட்டரில் உள்ள சேனலுக்குள் நுழைகின்றன, மேலும் ரோட்டரில் அமைந்துள்ள தொலைதூர பகுதிக்குள் நுழைகின்றன. கலத்திற்குள் செல்ல, ஹைட்ரஜன் அயனிகள் சேனலின் அடுத்த பகுதிக்குச் செல்லும் வழியைக் கண்டுபிடிக்க வேண்டும், அது மீண்டும் ஸ்டேட்டரில் உள்ளது. இருப்பினும், சேனல்கள் ஒன்றிணைவதற்கு ரோட்டார் சுழற்ற வேண்டும். ரோட்டரின் முடிவு, கூண்டுக்கு அப்பால் நீண்டு, வளைந்திருக்கும், ஒரு நெகிழ்வான ஃபிளாஜெல்லம் அதனுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளது, ஹெலிகாப்டர் ப்ரொப்பல்லர் போல சுழலும்.

செல்லுலார் பொறிமுறையின் இந்த சுருக்கமான கண்ணோட்டம், நோபல் பரிசு வென்றவர்களின் வெற்றிகரமான வடிவமைப்புகள், அவர்களின் சாதனைகளில் இருந்து விலகாமல், பரிணாம வளர்ச்சியின் முழுமையிலிருந்து இன்னும் வெகு தொலைவில் உள்ளன என்பதை தெளிவுபடுத்தும் என்று நான் நம்புகிறேன்.