Grafika w oryginalnym rozmaiarze 15 MB
Tłumaczenie:
Wstęp
Żywe komórki są wypełnione złożoną molekularną maszynerią, miliony razy mniejszą od urządzeń znanych nam z codziennego życia takich jak komputery, czy samochody. Komórki wykorzystują je do wykonywania wszystkich zadań niezbędnych do przeżycia. Niektóre z nich działają jak nożyczki rozcinające pożywienie na fragmenty odpowiednie dla pojedynczych komórek. Inne prowadzą syntezę nowych molekuł niezbędną do wzrostu objętości i naprawy uszkodzonych tkanek. Jeszcze inne służą jako molekularne kości i mięśnie podtrzymując, a także umożliwiając komórkom poruszanie się. Niektóre z nich potrafią nawet bronić organizm przed infekcjami.
Badacze na całym świecie starają się poznać te cząsteczki i ustalić ich struktury molekularne. Te następnie są dostępne w internetowym Protein Data Bank (//www.pdb.org), jednym z głównych zbiorów takich struktur. Ta infografika zawiera zaledwie kilka spośród tysięcy elementów tworzących PDB. Na tych obrazkach, cząsteczki przybliżone są 3 miliony razy. Każdy atom to mała kulka. Niektóre spośród tych struktur składają się z kilku podjednostek, wskazanych różnymi kolorami. Niektóre z elementów tej infografiki znacząco różnią się wielkością, znajdująca się po lewej cząsteczka wody składa się tylko z trzech atomów, a będący poniżej rinowirus posiada ich setki tysięcy.
1. Poza komórką.
Niektóre z molekularnych maszyn muszą wykonywać swoje zadania poza obrębem komórki. Większość z nich jest niewielka, dzięki czemu względnie szybko mogą się dostać w odpowiednie miejsce akcji. Przykładem tego są cztery hormony umiejscowione w górnym rzędzie: insulina i glukagon (odpowiadające razem za poziom cukru we krwi), interferon (przekaźnik sygnałów wewnątrz układu odpornościowego) i ludzki hormon wzrostu.
Każdy z siedmiu enzymów trawiennych (na żółto) także jest niewielki i bardzo stabilny, przez co może bez szkody przetrwać w niezbyt gościnnym środowisku układu trawiennego. Każdy z nich ma również niewielkie wgłębienie (skierowane ku górze na ilustracjach) przy użyciu którego enzym łączy się z odpowiednimi cząsteczkami i rozkłada je na mniejsze części (trawi).
Na samym dole znajduje się rinowirus odpowiedzialny za zachorowania na przeziębienie, oraz przeciwciało, nasza główna broń przeciwko wirusom. Przeciwciała przyczepiają się do cząsteczek wirusów uniemożliwiając im zainfekowanie zdrowych komórek.
2. Błony
Komórki otoczone są błonami zbudowanymi z lipidów, takich jak fosfolipidy czy cholesterol (na górze). Błony te z kolei zatrzymują niechciane cząsteczki na zewnątrz wszystkich niezbędnych składników komórki. Wiele protein jest wbudowanych w tę warstwę ze względu na wykonywane przez nie procesy. Syntaza ATP jest niewielkim generatorem produkującym ATP (adenozyno trifosforan) wykorzystywany do zapewniania komórkom niezbędnej energii. Dwa duże kompleksy pokazane pod nią odpowiedzialne są za dostarczanie energii syntazie, a niewielki cytochrom c przerzuca elektrony pomiędzy nimi.
Rodopsyna znajduje sie w błonach komórkowych komórek siatkówki. Niewielka cząsteczka retinolu znajdująca się wewnątrz jej zmienia swój kształt po oświetleniu światłem. Na skutek tego otaczające retinol białko wysyła odpowiedni sygnał do mózgu.
Cykloksygenaza tworzy związki odpowiedzialne za przekazywanie sygnałów o odczuwanym bólu. Jednak ta pokazana na ilustracji zablokowana jest przez dwie cząsteczki kwasu acetylosalicylowego (aspiryny, na biało). Na samym dole zaprezentowane są trzy cząsteczki niezbędne w procesie fotosyntezy tworzącej cukry dzięki pobieraniu energii ze światła słonecznego.
3. Transport i magazynowanie.
Sama doskonale szczelna błona komórkowa byłaby jednak bezużyteczna, ponieważ składniki odżywcze nie mogłyby dostać się do, a odpady na zewnątrz komórki. Ilustracja powyżej pokazuje zewnętrzną część błony komórkowej wraz z wbudowanymi w nią białkami tworzącymi kanały. Po prawej pokazanych jest kilka rozpuszczalnych białek odpowiedzialnych za transport i magazynowanie innych związków. Hemoglobina i mioglobina transportują tlen. Z kolei ferrytyna przechowuje atomy żelaza wewnątrz struktury przypominającej białkową wydmuszkę. Albumina jest w stanie wiązać się z wieloma różnymi związkami, w tym na przykład cząsteczkami leków efektywnie obniżając ich dostępność.
4. Chemiczne fabryki.
Komórki tworzą zadziwiające swoim zróżnicowaniem ilości enzymów - białek odpowiedzialnych za przeprowadzanie niezbędnych dla przetrwania komórki reakcji chemicznych. W górnych rzędach znajduje się dziesięć enzymów biorących udział w glikolizie - rozkładzie cukrów prowadzącym do produkcji ATP. Poniżej znajdują się enzymy oczyszczające komórkę. Reduktaza dihydrofolianowa aktywuje kofaktory niezbędne do katalizy innych reakcji chemicznych. Dehydrogenaza alkoholowa odpowiedzialna jest za metabolizm alkoholi. Rubisco jest najczęściej występującym enzymem na Ziemi, a jej zadaniem jest wykonanie kluczowego etapu w związywaniu CO2 w procesie fotosyntezy. Syntazy i transferazy tworzą cegiełki niezbędne w syntezie większych związków. Nitrogenaza wykonuje niesamowicie ważną pracę w wiązaniu atmosferycznego azotu w formie która może zostać wykorzystana przez pozostałe żywe organizmy.
5. DNA
Informacje genetyczne zapisane są w podwójnej nici DNA pokazanej powyżej. Wiele różnych białek wykorzystywanych jest do jego kopiowania, odczytywania i magazynowania. Polimeraza RNA kopiuje sekwencje tworząc nici RNA które zostaną wykorzystane przy syntezie nowych białek. Pomagają jej topoizomerazy odpowiedzialne za rozplatanie i splatanie jej z powrotem oraz za wskazywanie odpowiednich punktów startowych dla kopiowania. Polimeraza DNA replikuje nici DNA (tutaj wypełnia brakujące fragmenty). Niektóre z protein zaginają (lac repressor) lub nawinają DNA wokół siebie (nukleosomy) w celu zmniejszenia jego objętości.
6. Budowa nowych białek
Nowe proteiny budowane są przez rybosomy - złożone molekularne fabryki odczytujące kod genetyczny i wykorzystujące go do konstrukcji bardziej złożonych struktur. W tym celu potrzebnych jest mnóstwo różnych składników. Dwadzieścia różnych syntaz aminoacylo-tRNA (tutaj 6) łączy pojedyncze aminokwasy z odpowiednimi cząsteczkami tRNA produkując cegiełki gotowe do syntezy łańcuchów peptydów. Kilka różnych białkowych czynników naprowadza każde tRNA na właściwe miejsce. Białka pomocnicze umieszczone na dole są niezbędne do poskładania powstałego białka w odpowiedni kształt.
7. Belki i dźwigary
Komórki są podtrzymywane przez niezwykle skomplikowane struktury wewnętrzne. Ten cytoszkielet składa się z wielu silnych filamentów takich jak mikrofilamenty i mikrotubule, złożonych z ogromnej ilości niewielkich podjednostek ułożonych jak cegły. Miozyna działa niczym molekularny silnik przemieszczając się pomiędzy aktynowymi niciami i pozwalając komórce na poruszanie się. Kolagen (tutaj rozbity na dwie nici) znajduje się na zewnątrz komórek gdzie tworzy tkankę łączną.