Conform estimărilor de biologi, într-o celulă vie, există aproximativ patruzeci de știință bine-cunoscut de mașini moleculare. Ei poartă o mulțime de „șine“ moleculare pentru a acționa ca „switch-uri“ și „switch-uri“ ale proceselor chimice. Masini de molecule de a genera energie pentru a sustine viata, reduce mușchii și de a construi alte masini moleculare. Și ei inspira oamenii de știință să construiască o de om nanorobots care va fi capabil să trăiască și să lucreze în lume intracelular în viitor.
Pentru a imagina, de la ceea ce oamenii de știință și modul în care-Gulliver va construi-Midgets roboți, am văzut mai multe nanomașini create de natura însăși.
flageli bacteriană
Celebre biochimist român, Academicianul Vladimir Skulachev numit mișcare bacteriană unul dintre fenomenele cele mai izbitoare ale naturii: „Cercetarile sale a dat o lovitură devastatoare pentru snobismul nostru arogant cum ar fi faptul că evoluția biologică a avut înainte de miliarde de ani, nu am fost în măsură să reinventeze roata.“
Pentru mișcarea în mediul lichid, unele bacterii utiliza un flagellum rotativ, motor încorporat microscopice asamblate din mai multe molecule de proteine. Relaxarea la 1000 rot / min, funiculul bacterie poate împinge mai departe cu o rată neobișnuit de mare - 100-150 m / s. Un al doilea unicelulară deplasează o distanță ce depășește lungimea ei mai mult de 50 de ori. În cazul în care acest lucru este de a traduce valoarea noastră obișnuită, creșterea înotător atlet de 180 cm, ar trebui să traverseze piscina de 50 de metri pentru o jumătate de secundă!
Metabolism bacterie este aranjată astfel încât ionii pozitivi de hidrogen (protoni) sunt acumulate între membranele interioare și exterioare ale celulelor sale. Se creează un potențial electrochimic, care transportă departe protoni din spațiul intermembrane în celulă. Acest flux de protoni trece prin „motor“, determinându-l să se miște.
Proteine Structura "motor" denumit complex Mot, care, la rândul său, este format din proteine Mot A (stator) și Mot B (rotor). Canalele ionice sunt aranjate în așa fel încât mișcarea protonilor face ca rotorul să se rotească ca o turbină. Prin manipularea structura de proteine, unele bacterii sunt capabile de a schimba direcția și viteza de deplasare, și, uneori, chiar și include un „back-up“.
Prezența părților rotative ale unui organism viu la început părea atât de incredibil, care necesită o confirmare experimentală serioasă. Astfel de probe au fost obținute câteva. Astfel, în laboratoarele academice Skulachev bacterie formă caracteristică (, în care porțiunea frontală are o bacterie concave, spate în formă de semilună - convexe) flagellum au fost atașate la sticlă și a observat printr-un microscop. A fost frumos pentru a vedea modul în care bacteria se rotește în mod constant arată doar partea din față a observatorului, un „piept scufundat“, și nu de cotitură „înapoi“.
Schema de bacterii „motor“ este mult mai mult ca desenul de inginerie decât imaginea unui organism viu. Elementul principal este un „motor“ - Mot O proteină cu canale de ioni, prin care fluxul de protoni determină rotorul să se rotească turbina.
ATP sintaza
Proton sintaza ATP - cea mai mica in natura motorului biologic cu o lățime de minimum 10 nm. Cu ajutorul organismelor vii produc adenozin trifosfat (ATP) - o substanță care servește ca sursă principală de energie în celulă.
ATP este format din adenozin (se amesteca bine familiar pentru noi pe adenina bază ADN și zahăr riboză și trei serii conectate la acesta grupări fosfat. Legăturile chimice dintre grupări fosfat sunt foarte puternice și conțin o cantitate mare de energie. Această energie conservă poate fi utilă pentru a alimenta o largă varietate de reacții biochimice. cu toate acestea, trebuie mai întâi un anumit mod de a face energia de a ambala grupuri de adenozină și fosfat în molecula ATP. Acesta este scopul ATP sintetazei.
Ingerată în acizi grași și glucoza sunt numeroase cicluri, în timpul cărora enzime speciale lanțului respirator a fost evacuate ioni pozitivi de hidrogen (protoni) la spațiul intermembrane. Acolo protoni se acumuleaza ca trupele înainte de luptă. Se creează un potențial: electric (sarcini pozitive pe partea exterioară a membranei mitocondriale, organite interior negativ) și chimice (există o diferență în concentrație de ioni de hidrogen: mitocondrii în interiorul lor mai mici in afara mai mult).
Este cunoscut faptul că potențialul electric prin membrana mitocondriilor, care este un bun izolator, ajunge la 200 mV la o grosime a membranei de numai 10 nm.
Acumula în spațiul intermembrane, protoni, ca un curent electric, papură înapoi în mitocondrie. Ele trec prin canale speciale in sintaza ATP, care este integrat în partea interioară a membranei. fluxul de protoni se rotește rotorul, dacă moara de apă râu. Rotorul se rotește cu o viteză de 300 de rotații pe secundă, ceea ce este comparabil cu viteza maximă a motorului mașinii, „Formula 1“. ATP forma sintaza poate fi comparată cu o ciupercă, „creștere“ pe interiorul membranei mitocondriale, în care rotorul este descris mai sus este ascuns în „miceliu“. „Ciupercă Leg“ se rotește împreună cu rotorul, iar la capătul său (în interiorul „capote“), fixate excentric oarecare similitudine. Fix „pălărie“ este împărțit în trei segmente, fiecare dintre care este deformat, comprimat în timpul trecerii excentrice. Prin „felii» atașat difosfat molecula adenozin (ADP, cu două grupări fosfat) și reziduuri de acid fosforic. La momentul ADP de compresie și fosfat presate reciproc suficient de puternic pentru a forma o legătură. În timpul unei revoluții „excentric“ deformează cele trei „felii“, și format din trei molecule de ATP. Înmulțind acest lucru prin numărul de secunde într-o zi și cantitatea aproximativă de sintaze ATP în corp, obținem o cifră surprinzător: în fiecare zi în corpul uman produce aproximativ 50 kg de ATP.
Ca și în cazul bacteriilor cu flageli, mișcarea rotorului sintetazei ATP a fost confirmată experimental: atașarea la porțiunea rotativă a fluorescent colorant etichetat Actin de proteine, cum ar fi un fir lung, cercetatorii au vazut cu ochii mei, care se rotește. Și aceasta în ciuda faptului că raportul dintre mărimea acestora este, ca și în cazul în care un om arogat un bici de doi kilometri.
Kinesin - un motor molecular liniar, care se mișcă cușca de-a lungul pasaje superioare - filamente polimerice. Docher dacă se trage pe sine diferite încărcări (mitocondrii, lizozomi), folosind ca moleculele de combustibil ale ATP.
Extern kinesin ca o jucărie „om“ din frânghii împletite subțire: ea constă din două lanțuri de polipeptide identice, capetele superioare ale care sunt țesute și îmbinate împreună și aranjate în partea de jos, și să le aibă asupra „pantofi“ capete - marimea capului globular 7,5 x 4 5 nm. Atunci când se deplasează capul de la capetele inferioare vin alternativ în afara de „căi“ polimer kinesinei este rotită cu 180 de grade în jurul axei sale și rearanjează-unul din jos „oprire“ înainte. Mai mult decât atât, în cazul în care un capăt al mișcării petrece energie (molecula ATP), cealaltă în acest moment pentru a forma comunicatelor de componente ADP energie. Rezultatul este o energie si hranire ciclu de cheltuieli continuă pentru muncă utilă.
Studiile au arătat că kinesinei este capabil destul de pacing vioi cușcă cu picioarele „coarda“: a lua o lungime pas de 8 nm, pentru un moment, sa mutat la o măsură de celule gigant distanța de 800 nm, adică, face 100 de pași pe secundă. Încercați să vă imaginați o astfel de viteză în lumea umană!
Kinesin mergând pe „căi“ ale microtubule, transportă mărfuri diferite în cușcă
nanomașini artificiale
Omul care a împins lumea științifică la crearea nanorobots pe baza de dispozitive moleculare biologice, a devenit un fizician proeminent, laureat al Premiului Nobel Richard Feynman. Prelegerea sa în 1959 cu numele simbolic „Jos există încă o mulțime de spațiu“ bio-ingineri din întreaga lume cred că punctul de plecare în această problemă dificilă.
Shuttle molecula rotaxane pe bază se deplasează de-a lungul inelar liniar, pe care este susținută de un proton (reducerea sau creșterea legăturile de hidrogen care dețin molecula inel deținător) și mișcarea browniană, inelul de împingere înainte. Acest lucru este similar aruncat în minge de cauciuc fântânel atașat la o frânghie: coarda slăbit (legături de hidrogen) și fluxul rapid (mișcarea browniană) se va ridica mingea și să-l ademenească înainte. Tras coarda - mingea va reveni în urmă.
În ciuda acestui fapt, cercetatorii sunt optimisti vizualiza dezvoltarea lor. „Ai o mașină care se mișcă exact, ridică blocurile de construcție moleculare și punerea lor împreună. În cazul în care natura o face, de ce nu putem? „- a spus profesorul Leigh.
opinia expertului
Alexander Markov, un biolog și popularizator al științei, profesor de Universitatea de Stat din Moscova: „În cursul evoluției este foarte ușor să apară sistemul, uita la prima vedere,“ complex ireductibil ". Ele constau din mai multe părți care beneficiază numai împreună, să ia una - și întregul sistem nu mai funcționează, iar fiecare parte separată în sine pare a fi inutil. Acest lucru conduce unii oameni de știință să pună la îndoială teoria evoluției în ansamblu. Dar este necesar să se înceapă să înțeleagă, și se pare că aceste sisteme sunt, de fapt, nu „complex ireductibil.“ Eliminarea unele detalii nu distruge masina moleculara, dar numai reduce eficacitatea acestuia. Acest lucru înseamnă că, în trecut, ar putea exista fără această parte mașină, iar partea sa alăturat mai târziu că a crescut eficiența muncii. Dar chiar dacă îndepărtarea pieselor face mașini moleculare nefuncțional, acesta poate fi rezultatul unei lungi reciproce „lepuit“ detalii. De asemenea, este necesar să ne amintim că organismul care nu are un fel de mașini moleculare vor fi utile chiar foarte simplu, ineficiente, versiunea abia de lucru de ea. "