Náhoda vs logistika
Cytoplazma bunky je na prvý pohľad obrovský chemický chaos, kde za neustáleho vrenia Brownovho pohybu všetko kmitá a mieša sa. Náhodný pohyb molekúl je veľmi rýchly a vďaka nemu prebieha množstvo biochemických reakcií v bunke ozaj závratnou rýchlosťou (napr. preklad mRNA do bielkoviny). Menšie molekuly sú tomuto náhodnému hmýreniu skutočne odovzdane napospas – napríklad voda, cukry a pod.
Na druhej strane existujú väčšie molekuly a organely, ktoré by sa mali dostať na celkom konkrétne miesto a náhodný pohyb cytoplazmy by to určite nedokázal zabezpečiť. Príkladom môžu byť napr. novovytvorené bielkoviny, ktoré sa z fabriky neďaleko bunkového jadra (ružový kruh na obrázku vľavo) s marketingovým názvom Endoplazmatické retikulum (labyrint membrán tesne okolo jadra) potrebujú dostať do vonkajšej bunkovej membrány. Na bunkovú membránu sú naviazané mnohé bielkoviny, ktorých absencia vedie k ochoreniam celého organizmu. Ide napríklad o bielkovinové kanály, ktorými môžu prechádzať z a do bunky ióny sodíka a draslíka (porucha vedie k epilepsii kvôli poškodeniu šírenia nervových vzruchov), chlóru (porucha spôsobuje Cystickú fibrózu), či vody (bielkovina Akvaporín). Niekedy treba náklad dostať dokonca von z bunky. To je prípad inzulínu vylučovaného z buniek pankreasu, adrenalínu z nadobličiek a množstva iných hormónov. Je asi zrejmé, že poruchy v doprave týchto látok môžu ľahko ohroziť zdravie, či dokonca život. Ako môže bunka riadiť presun takýchto molekúl, alebo rovno celých ťažkých organel, ako sú mitochondrie (hnedé fliačky na obrázku vyššie)?
Odpoveď znie jednoducho: molekuly sa zabalia, naviažu na kuriéra a ten ich po určenej ceste doručí do cieľa. Komplikovanosť celej biochémie okolo, radšej do detailov nebudeme domýšľať, sústredíme sa na to hlavné ale stále úžasné.
Vezikuly - balenie nákladu
Draho vyrobené bielkoviny (prepisom a prekladom z DNA) neponechá bunkový stroj voľne plávať v chaose cytoplazmy. Veď ani my nehodíme doporučený list z okna iba tak v nádeji, že ho vietor, alebo náhodný dobrodinec zanesie na miesto určenia. Bunka tiež náklad zabalí do transportných váčkov nazývaných vezikuly a dokonca uvedie aj cieľovú adresu chemickou značkou. Tento balík prevezme kuriér – nosič a postaví sa na začiatok cesty. Akej cesty?
Obrázok: Vezikuly na maľbe od Davida Goodsella sú zobrazené ako bledozelené okrúhle útvary so svetlohnedým obsahom. Dolný vezikul je ťahaný 2 kinezinmi diagonálne po mikrotubuli. Horný vezikul už je v cieli, splynul s membránou a uvoľnil svoj obsah.
Cytoskelet - Bunkové lešenie
Ak má mať pohyb jasný smer, je ideálne ak existuje cesta, ktorá vedie priamo k cieľu. Na tento účel v bunkách skutočne existujú cesty, ktoré možno prirovnať ku koľajniciam alebo lešeniu. Sú súčasťou bunkovej kostry. Áno, aj bunky majú kostru, volá sa Cytoskelet. Skladá sa (ako inak) z bielkovín a plní tri základné funkcie: transport bunkových látok a organel, dáva (živočíšnej) bunke tvar a zúčastňuje sa na bunkovom delení. My sa budeme zaoberať hlavne tým transportom a ten prebieha po jednom type vlákien cytoskeletu nazývaných mikrotubuly. Sú to mikroskopické rúrky (s priemerom len niekoľko miliardtín metra) vyskladané do dlhočizných polymérov z dvoch druhov „tehličiek“ bielkoviny tubulínu. Tieto rúrky majú začiatok v organele zvanej Centrozóm, z ktorej sa rozbiehajú po bunke. Cytoskelet je veľmi dynamický, vlákna sa neustále stavajú, prerábajú a odstraňujú podľa potreby. Vďaka polarite jednotlivých vlákien je jasne daný „plus“ a „mínus“ koniec, takže kuriér vie aj smer, akým sa má vydať. Máme teda pripravený náklad aj cestu, venujme sa konečne tomu zázračnému kráčajúcemu kuriérovi.
Kráčajúci kuriér
Komplikovaná molekula schopná doslova kráčať po mikrotubule sa nazýva kinezin. Vzhľadom na zložitosť vnútrobunkového sveta a prenášaných nákladov, naše telo (a telá iných cicavcov) kóduje výrobu celkovo až 40 druhov kinezinov patriacich do najmenej 14 rôznych rodín. Ich základná štruktúra a princíp ich fungovania je ale podobný.
Kinezin sa skladá z chvosta - časti, na ktorú sa upevní vezikul alebo organela, ktorú treba preniesť. Treba dodať, že oproti samotnému kuriérovi je náklad skutočne obrovský. Centrálnou časťou je „stopka“ ku ktorej je na opačnom konci flexibilným krkom prichytené dve motorické hlavy.
Práve tieto hlavy ako „nohy“ umožňujú kráčanie po mikrotubule. Každá z nich má dve dôležité väzobné miesta. Jedno slúži na pevné prichytenie k ceste– mikrotubuli. Druhé slúži na pohon, viaže sa na neho základná jednotka biochemickej energie – molekula ATP. Každý krok kinezínu má pre bunku cenu jednej molekuly ATP. Naviazanie ATP, premena na ADP a ich synchronizované uvoľňovanie zabezpečí zmenu štruktúry molekuly-krku a hlavy, jej rotáciu a vo výsledku posun celého komplexu vpred. Smer tomuto pohybu dáva polarizácia cesty, lebo motory sa na ňu viažu iba v jednom smere a krátky krk im nedovolí naviazať sa na vzdialenejšie miesta, iba na to bezprostredne nasledujúce. Je obtiažne tú eleganciu slovne popisovať, pozrite si radšej videá:
Detaily jednotlivých fáz kroku nájdete zrozumiteľne zobrazené tu:
Keby vás zaujímalo, aká je rýchlosť tohto kráčania, dosahuje viac ako 800 nm/s. Jeden krok má dĺžku 8nm a teda tento famózny molekulárny stroj dokáže kráčať asi 100 krokov za sekundu (nenechajte sa pomýliť spomalenými zábermi na videách vyššie). Pri typickom rozmere našej bunky asi 0,02 milimetra, kinezin prešprintuje vykonaním viac ako 1000 krokov z jadra k okraju asi za 12 sekúnd! Ak zaokrúhlime ľudský krok na 1 meter, stovku by ste s takýmito „nohami“ behali pod 1 sekundu a z cieľovej čiary by ste sledovali, ako 8-krát pomalší Usain Bolt štartuje :-)
Poznámky:
| 1) Ako bolo povedané, cytoskelet má ešte niekoľko zásadných funkcií, ktoré by si ale vyžiadali samostatný článok (ak nie celú vedeckú kariéru) – okrem transportu dáva živočíšnej bunke tvar. Veď ako inak by si udržala tvar napr. taká komplikovaná bunka ako je neurón. Všetky typy buniek by vyzerali rovnako – ako gule, prípadne ako slivkové buchty na pekáči, keby boli k sebe natlačené. Bez cytoskeletu by tiež nemohlo prebiehať bunkové delenie – mitóza ani meióza, lebo aj tam hrajú mikrotubuly zásadnú rolu pri oddelení zduplikovaných chromozómov. Mnoho zaujímavého z intímneho života bunky nájdete v tomto videu. |
| 2) Kinezín je príbuzný ďalšej motorickej molekuly - myozínu, ktorý sa zasa pohybuje po aktínových vláknach a umožňuje pohyby našich svalov. Myozín disponuje taktiež dvomi motorickými hlavami, avšak krk molekuly nie je natoľko voľný ako u kinezínu a preto hlavy držia blízko pri sebe. Z pohľadu génov je príbuznosť pomerne ťažké odhaliť, mnoho aminokyselín sa za stovky miliónov rokov presunulo, ale kryštalografia 3D podoby výsledných bielkovín na počudovanie ukázala, že sú takmer identické a dokonca veľmi podobné bakteriálnym motorickým molekulám. |
| 3) O vezikulách a s nimi súvisiacej Nobelovej cene za rok 2013 hovorí zaujímavo Prof. Tomaška v tomto vydaní relácie Lampa. |
| 4) Pre čitateľov článku „Prečo šváby nemajú kolesá“ dodávam, že aj tu vidno, že evolúcia volí „nohy“ čo pevne priľnú k ceste a nie koleso. |
Súvisiace články:
| Kvantová mechanika dýchania |
| Uväznená mitochondria a zrod komplexného života |
| Genetika šípkového čaju alebo ako sme prišli o vitamín C |
| Zo života krvi |
| Maternicu mamy a placentu jej dieťaťa spojil vírus |
Motiváciou pre tento článok mi boli:
| TED talk: David Bolinsky animates a cell |
| Blog Carla Zimmera v NY Times: Matter |
| Kniha: Nick Lane – Vývoj života, kapitola 6 - Pohyb |
