Роторная турбина внутри тебя

Иногда рассказываешь человеку не из научной среды про свои исследования. Он внимательно слушает. Далее всегда тот же вопрос: погоди, так это физика или химия?

Сегодня расскажу о крутой штуке, в которой и физика, и химия, и биология.

Скучное вступление:
В каждом учебнике биологии написано: “митохондрия — это энергетическая станция клетки”. Эту мысль расписывают в следующую картину: митохондрии — загадочные пузырьки внутри клетки. Магическим образом они создают молекулы АТФ. Дальше энергозатратные части клетки расщепляют эту АТФ, что приводит к выделению энергии.

В углубленном курсе биологии оказывается, что в митохондриях творится вовсе не магия, а сложные цепочки химических реакций: цикл Кребса и дыхательная цепь. Их реально рисуют как цепи из стрелок. Над каждой реакцией подписывают фермент, который ее катализирует.

Реакция, в результате которой генерится сама АТФ:
АДФ + фосфат ион = АТФ

Интересная часть:
Эту реакцию катализирует фермент АТФ-синтаза. Это и есть та самая крутая штука, о которой я хотел рассказать.

Этот белок (на видео сразу два белка) напоминает собой жернова (сверху), в которые воткнут ротор с лопастями. Сами лопасти воткнуты в мембрану митохондрии (фиолетовые, снизу). Когда концентрация кислоты с двух сторон мембраны меняется, кислота (ионы водорода) начинает просачиваться между лопастей сквозь мембрану, тем самым раскручивая ротор. Вращающийся ротор приводит в движение жернова. Эти жернова хватают АДФ и фосфат ион, физически их “сминают”, и выплевывают АТФ.

Эта штука может крутиться со скоростью 350 оборотов в секунду. Причем есть подвиды АТФ-синтазы, которые, наоборот, могут рвать АТФ, тем самым раскручивая ротор и качая кислоту в другую сторону.

АТФ-синтазы расставлены в отсеках митохондрий как роторные турбины Ток кислоты для них создают специальные насосы. Также внутри полно других белковых машин, которые управляют процессом. В итоге имеем: митохондрия вполне себе напоминает энергетическую станцию.

Все это происходит в каждой клетке вашего организма, пока вы читаете этот пост.

Кстати, эксперимент, который впервые показал вращение ротора — вообще топ. Взяли АТФ-синтазу, оторвали лопасти у ее ротора, вместо них прицепили длинную светящуюся палку. Эту конструкцию приклеили жерновами к твердой поверхности и налили сверху раствор АТФ. Светящаяся палка начала крутиться, как стрелка часов.

Изначально я писал этот пост, чтобы рассказать о проблеме разделения физики, химии и биологии в образовании. Но увлекся рассказом про АТФ-синтазу. Так что о разделении предметов в другой раз. Фермент — огонь, согласитесь же?

Если понравилось, можете почитать старый пост про молекулярные лифты и датчики холода (тык).

Всем добра,
Тг

#научпоп
ЗЫ. Пора вводить новый хэштег #огненныебелки

Широко шагая

В предыдущих постах я рассказывал про несколько крутых белковых машин в нашем организме: молекулярный лифт через мембрану клетки и отмычку для сенсора холода (тык), роторную турбину (тык), насос для закачивания кислоты в желудок (тык). Сегодня расскажу про еще один офигенный вид белков — линейные моторы.

Как следует из названия, эти белки умеют ходить по прямой. Где и зачем они ходят?

Сначала небольшой ликбез:
Наши клетки чем-то напоминают походные палатки. Они покрыты мягкой оболочкой (мембраной), которой придает форму внутренний каркас (цитоскелет). Схоже палаточному каркасу цитоскелет — это сеть из разнообразных трубочек, которые пронизывают клетку. У цитоскелета есть несколько крутых фишек.

Во-первых, он может собираться и разбираться внутри клетки. Представьте, что вы разбираете каркас палатки с одной стороны, и собираете с другой. Палатка начнет смещаться в сторону, где каркас “нарастает”. Клетки перемещаются подобным образом за счет цитоскелета.

Во-вторых, по цитоскелету могут ходить те самые белки — линейные моторы. Сейчас самое крутое: у этих белков есть две ноги! И они этими ногами шагают! Как люди! На каждый шаг требуется энергия, которую они получают, переваривая АТФ. Пожрал, пошел гулять — все как у людей.

Помимо ног у них есть руки! Ну как минимум одна рука. Этой рукой они могут хватать грузы и носить их за собой. Осознайте это: в ваших клетках бегают миллионы маленьких “человечков”, которые занимаются доставкой грузов. Зацените 3D анимацию, на которой мило прихрамывает один такой белок, таща за собой огромную везикулу. Кстати, методом, которым я занимаюсь в аспе, раньше показали, что настоящий белок именно так и ходит (видео с микроскопа тут).

А сейчас самое-пресамое крутое. Ваши мышцы пронизаны параллельными волокнами из того же материала, из которого сделан цитоскелет. Когда поступает сигнал, миллионы этих белков хватаются за руки и бегут в разные стороны по параллельным волокнам. В результате мышца сокращается. Сейчас вы читаете этот пост за счет того что ваш глаз поворачивают близлежащие мышцы, которыми двигают эти самые наночеловечки. По похожему принципу клетки “разрываются” на две в видео пару постов назад.

Если после всего этого вы еще не осознали, что биофизика и структурная биология — это невероятно интересно, то я уже не знаю…)

ЗЫ. Тут полная версия 3D-анимации с кучей других занятных белков.

Всем пятницы,
Тг

#огненныебелки
#научпоп