Двигатель биологический


Биологические моторы Википедия

Биологические моторы (англ. biological motors) — моторные белки и белковые комплексы, генерирующие механическое усилие для осуществления движения клеток, внутриклеточного транспорта и других биологических процессов.

Описание

К биологическим моторам относят моторные белки, например, миозины, кинезины и динеины, обеспечивающие сокращение мышц, движение немышечных клеток, деление клеток, эндоцитоз, экзоцитоз, а также процессы внутриклеточного транспорта органелл и макромолекул. Перечисленные моторные белки принадлежат к так называемым линейным моторам, которые выполняют механическую работу, перемещаясь в одном направлении вдоль компонентов цитоскелета — микрофиламентов (миозины) или микротрубочек (кинезины и динеины).

В качестве топлива они используют аденозинтрифосфат (АТФ) — универсальный энергетический субстрат клетки. Обычно моторные белки, осуществляющие движение либо в прямом, либо в обратном направлениях, развивают при этом различное усилие. Все моторные белки регулируются клеточными системами, осуществляющими их активацию, торможение и взаимодействие с перевозимыми грузами.

У бактерий существует ротационный мотор, напоминающий по своему устройству электродвигатель, так называемый жгутиковый моторный комплекс. Он используется для вращения жгутиков и перемещения клеток в водной среде. Еще один белковый комплекс, совершающий вращательные движения, так называемый АТФ-синтаза, есть у всех живых организмов. В клетках животных и растений он встроен во внутреннюю мембрану митохондрий — энергетических станций клеток. Он использует электрохимический градиент протонов на митохондриальной мембране для синтеза АТФ. Этот мотор может работать и в обратном направлении — расщеплять АТФ и за счет полученной энергии создавать градиент протонов на мембране митохондрий.

Специальные моторные белки развивают значительное механическое усилие и совершают перемещения при работе с молекулами ДНК. К ним относятся ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы, синтезирующие нуклеиновые кислоты на матрице ДНК; топоизомераза, расплетающая нити двухцепоцечной ДНК; белковые и РНК-белковые комплексы для упаковки вирусного генома в капсид.

В таблице приведены механические параметры некоторых представителей биологических моторов:

Мотор Сила, пН Шаг, нм Скорость, нм/с Эффективность, % (отн. F1-АТФазы)
РНК-полимераза 14—25 0,34 3,4—17 9—15
ДНК-полимераза 34 0,34 34—340 23
ДНК-упаковывающий мотор бактериофага Phi29 57 33
Кинезин 6 8 800—3000 40—60
Миозин 3—5 5—15 3000 12—42
F1-АТФаза 40 пН/нм 120° 4 об/с 100

Биологические моторы имеют наноразмеры и при этом зачастую более высокую эффективность по сравнению с макромоторами, созданными человеком. Они экологически безопасны и биосовместимы. Поскольку биологические моторы — это белковые молекулы, кодируемые соответствующими генами, возможно их конструирование с заданными свойствами с помощью генной инженерии. Привлекательность биомолекулярных моторов для нанотехнологий состоит и в том, что сегодня это практически единственные реально существующие наномоторы (разработка искусственных наномоторов находится на самых ранних стадиях).

Недостатком биологических моторов являются специальные условия работы: жидкая среда определенного солевого состава, температуры и pH. Это ограничивает область их применения. Однако эти требования не являются лимитирующими для применения биологических моторов в наномедицине, например, при создании диагностических лабораторий на чипе, систем доставки генов и лекарств, бионаноэлектромеханических систем (биоНЭМС) и др.

Литература

  •  (англ.) Molecular Motors / Ed. by Schliwa, Manfred. — Weinheim: Wiley—VCH, 2002. — 582 p.

Ссылки

wikiredia.ru

Реферат - Обзор биологических наномоторов

Свидиненко Юрий (Svidinenko)

Многие молекулярные наномашины, давно работающие в живых организмах, могут послужить первыми строительными кирпичиками будущих нанороботов. Причем таких «моторов» в природе достаточно много. В этой статье мы расскажем об основных биомоторах и их возможном применении в наносистемах будущего.

Одним из препятствий, ограничивающих размеры МЭМС-устройств, является то, что до сих пор нет работоспособного миниатюрного мотора размерами около 500-100 нанометров. Недавно Алексом Зеттлом был продемонстрирован рабочий наномотор с размером ротора около 500 нанометров, но конструктивное исполнение мотора затрудняет его использование в МЭМС. Мотор был изготовлен на основе кремниевой подложки и золотых электродов. В качестве оси для ротора исследователи использовали нанотрубку.

До использования подобных «неорганических» моторов в микро- и наносистемах еще далеко — их трудно изготовить, а интегрировать в готовое МЭМС-устройство еще труднее. Сегодня многие исследователи настаивают на том, что биологические моторы сыграют не последнюю роль в качестве актюаторов в МЭМС-устройствах. Тем более, что можно наладить их массовое производство методами генной инженерии и биотехнологий уже сейчас. Да и технические характеристики (соотношение размера, массы, генерируемого механического момента и потребляемой энергии) биологических моторов достаточно неплохие. Некоторые исследователи заинтересованы в использовании бактериальных жгутиковых моторов в качестве актюаторов для наноробототехники.

Интересно также то, что различные типы биологических моторов соответствуют некоторым макроскопическим машинам по принципу действия. Майкл Маер, профессор химико-биологического отделения из Мичиганского университета, после изучения молекулы кинезина сказал: «Эти штуки — настоящие машины! Было бы замечательно искусственно построить одну из них».

Энзим АТФаза и некоторые жгутиковые моторы, например, работают аналогично обычному электродвигателю: ротор вращается внутри неподвижного статора. Молекула кинезина, перемещаясь вдоль микротрубок цитоскелета, напоминает линейный двигатель. А актюатор бактериофага phi29, выбрасывающий виральную ДНК из капсида внутрь клетки-хозяина, работает по принципу двигателя внутреннего сгорания с несколькими рабочими цилиндрами.

Необычный энзим

Энзим АТФ-синтаза предназначен для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (Н+) через мембрану клетки, чем обеспечивает стабильный внутриклеточный рН цитоплазмы. Ученые установили, что при гидролизе АТФ одна из частей энзима совершает вращательное движение. Тогда у исследователей-нанотехнологов и возник интерес к этому необычному энзиму.

АТФаза состоит из двух отдельных частей: (1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, ответственной за транспорт протонов, и (2) F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ (см. рис.1).

Рисунок 1. Строение и модель энзима АТФаза

По мере того как протоны протекают через F0 часть энзима, γ-субъединица части F1-ATФазы вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении γ-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов меняется на обратное. Субъединицы a, b, и c части F0-АТФазы формируют канал переноса протонов через клеточную мембрану. Места катализа и присоединения нуклеотидов были обнаружены исследователями (Kinosita и др., 1998) на трех а и трех b субъединицах части F1-ATФазы. γ-субъединица расположена в центре гексамера α3β3 и вращается при синтезе или гидролизе АТФ.

Самое удивительное заключается в том, что АТФаза представляет собой полную аналогию макроскопических моторов, сделанных человеком, которые тоже состоят из ротора и статора.

Группа исследователей из Корнелльского университета во главе с Карло Монтеманьо попыталась интегрировать этот природный наномотор [1] в НЭМС. Исследователям удалось измерить радиальное отклонение микросферы при вращении субъединицы, когда они присоединили флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к γ-субъединице АТФазы (см. рис.2).

Рисунок 2. Строение наномотора и микрофотографии радиального отклонения микросферы

При добавлении к набору получившихся наномоторов 2 мM Na2ATФ и при присутствии в растворе 4 мM MgCl2 дифференциальным интерферометром наблюдалось вращение микросферы, составляющее 9.5-10.5 Гц, или 3-4 об/сек. Причем вращение представляло собой дискретные изменения угла, образованного γ-субъединицей и α3β3 — комплексом, каждый раз на 120°.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение инженерных свойств мотора и его производительности. Это необходимо для дальнейшей разработки функционирующих наномеханических устройств, приводимых в движение F1-АТФазой. Нужно, например, определить зависимость производительности мотора как обобщенную функцию от теплоотдачи, выхода протонов, рН, загрузки энзима молекулами АТФ. Более того, необходимо изучить взаимодействие между субъединицами α3β3γ, чтобы в будущем методами протеиновой инженерии улучшить производительность мотора, если это будет возможно.

АТФсинтаза является своего рода рекордсменом среди молекулярных моторов своей «весовой категории». По эффективности работы и развиваемой ею силе она существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Так, например, молекула АТФсинтазы приблизительно в 10 раз сильнее актомиозинового комплекса — молекулярной машины, специализирующейся в клетках мышц и различных органах на «профессиональном» выполнении механической работы. Таким образом, за сотни миллионов лет до того, как появился человек, который изобрел колесо, преимущества вращательного характера движения были успешно реализованы Природой на молекулярном уровне.

Рис. 3. Наноробот с пропеллером на АТФазе

Уже существуют первые проекты интеграции моторов на основе АТФазы в будущую наноробототехнику. Доктор Константин Мавродис из Рутгерского университета предложил «блочную схему» одного из простейших нанороботов, который использует именно такой мотор (см. рис. 3). Тело наноробота состоит из нанотрубки, манипуляторы выполнены в виде сложных пептидных цепей. Пропеллер (правда, по последним данным математического моделирования, пропеллерные системы актюации в нано- и микроразмерных вязких средах неэффективны), обеспечивающий передвижение в вязких средах, расположен на АТФазе. Как утверждает автор, подобные гибридные устройства могут появиться уже через 10 лет. Правда, Константин не акцентирует внимание на системах управления такими устройствами, что само по себе представляет более сложную задачу, чем приведение его в движение.

Самый маленький в мире грузчик

Другой не менее известный биологический мотор, который тоже будет полезен нанотехнологам, — молекула белка кинезина. Это представитель другого класса линейных моторов. Среди механохимических преобразователей энергии, распространенных в живой природе, они играют важную роль. Эти белковые машины движутся вдоль полимерных нитей, используя в качестве «топлива» молекулы АТФ. К таким моторам относятся белки актомиозинового комплекса, входящего в состав сократительного аппарата мышц. Движение микроворсинок (жгутиков и ресничек бактерий и простейших) определяется взаимодействием другой пары моторных белков — динеина и тубулина. Смещение головок динеина относительно тубулиновых микротрубочек белков обеспечивает волнообразные движения микроворсинок. Среди большого числа моторных белков миозин скелетных мышц и кинезин из клеток мозга являются наиболее изученными молекулярными моторами. Несмотря на то, что функции миозина и кинезина в клетке различаются, они удивительно похожи по своему строению и механизмам действия.

Расскажем, как работает молекула кинезина. Совместно с микротрубками цитоскелета она выполняет транспорт веществ внутри клетки и перемещение везикул. Если провести аналогию с макромиром, то микротрубки играют роль рельсов, по которым перемещаются молекулы белков кинезина (вагоны), неся на себе полезный груз. Один конец этой молекулы прикрепляется к везикуле, которую необходимо транспортировать, а другой — к микротрубке, которая направляет движение. Молекулы кинезина выполняют работу практически во всех растениях и животных (см. рис. 4).

Молекула кинезина представляет собой димер, образованный двумя одинаковыми полипептидными цепями. Подобно молекуле миозина, с одной стороны каждой полипептидной цепи кинезина формируется глобулярная головка, соединенная со сравнительно длинным хвостом. Линейные размеры головки сравнительно невелики, они составляют 7,5 х 4,5 х 4,5 нм. Длина молекулы — 50 нанометров. Хвосты двух мономерных цепей сплетены вместе, а наклоненные в разные стороны головки образуют своеобразную рогатину, которая непосредственно взаимодействует с глобулярными мономерами микротрубочки, вдоль которой перемещается кинезин.

Рис. 4. Строение молекулы кинезина

Интересно то, что молекула «шагает» вдоль микротрубки (см. рис.5), делая 8-нанометровые шаги. На рисунке кинезиновый комплекс перемещает органеллу меланосому (ответственную за синтез меланина) вдоль микротрубки. Для того, чтобы так шагнуть, молекула использует в качестве топлива 1 молекулу АТФ. При этом сила, развиваемая одной молекулой кинезина, составляет величину 6 пН. Если бы такой мощностью в расчете на единицу массы обладали автомобильные моторы, то они могли бы легко разгонять машины до скоростей, существенно превышающих скорость звука. Коэффициент полезного действия кинезинового мотора также велик — примерно 50%.

Рис. 5. Перемещение кинезином меланосомы (клеточной органеллы) вдоль микротрубки

В процессе «ходьбы» молекула кинезина может расщепить за одну секунду до 100 молекул АТФ, переместившись на 800 нанометров. Работая в качестве индивидуального молекулярного извозчика, кинезин может совершать перемещения на очень большие расстояния (до 1 мм).

Рис. 6. Кинезиновый наноконвейер

Ученые из института им. Макса Планка попытались «приручить» кинезин вне клетки. Для этого они покрыли молекулами кинезина гладкую стеклянную поверхность, создав что-то вроде ковра, ворсинки которого представляли собой молекулы кинезина. Потом исследователи разместили на этой поверхности ряд микротрубок и микросфер. Исследователи добавили к среде раствор АТФ — и получился огромный «трубочный» конвейер. Если в клетке кинезин шагает вдоль микротрубки сам, то в искусственной системе молекула была жестко закреплена, и свободные концы молекул «шагали» по микротрубкам, передвигая их. Движения микротрубок можно увидеть на этом видео. Запись велась с помощью оптического микроскопа.

В дальнейшем команда планирует создать микрочипы со встроенными конвейерами, работающими в разных направлениях. Это, конечно, будет большим плюсом для будущих систем наносборки, так как НЭМС-конвейеры пока сделать достаточно трудно. Наверняка такие транспортные системы будут полезны и в лабораториях-на-чипе.

Камера сгорания внутри вируса

Как мы уже видели, биологические системы раньше человека использовали вращательное движение в молекулярных машинах. Ранее мы уже рассказывали о том, как молекулы РНК могут быть использованы в качестве строительных блоков для будущих наномашин. Однако до проведения этой работы профессор Пейхуан Гу описал работу вирального мотора на основе РНК-гексамера. РНК-гексамер — это комплекс, состоящий из шести отдельных РНК-мономеров.

Рис. 7. Вирус phi29 выбрасывает ДНК из капсида

Оказалось, что вирус-бактериофаг phi29 использует гексамер молекул РНК для выброса молекулы ДНК из капсида вируса (см. рис. 7). При этом сам процесс работы мотора похож на работу двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Роль камеры сгорания играет портал — образование внутри капсида вируса, занятое молекулами РНК и ротором. Мономеры молекулы РНК, подобно поршням, поочередно толкают центральный пятисторонний ротор, заставляя его вращаться. Каждый РНК-мономер толкает ротор всего на 12°, потребляя одну молекулу АТФ. Таким образом, за один цикл портал поворачивается на 72°, затратив 6 молекул (см. рис. 8).

Рис. 8. Структура и модель вирального мотора

В центре ротора находится молекула ДНК. По мере того, как ротор вращается, молекула перемещается из капсида вируса во внешнее пространство.

Исследователи еще не смогли искусственно воссоздать из молекул РНК основу мотора. Пока они собрали «кольца», «треугольники» и «стержни». Они считают, что эти структуры можно интегрировать с нанотранзисторами, нанопроводниками, нанотрубками, биосенсорами и другими уже существующими наноструктурами, чтобы получить сложные НЭМС-системы.

Дайтер Молл, исследователь из группы Гу, говорит, что «самосборка молекул РНК позволит значительно уменьшить стоимость будущих РНК-НЭМС.»

Жгутиковый мотор

Бактерия Esherichia Coli (E. Coli) — мечта нанотехнологов. Это почти готовая «база» для будущих нанобиороботов. Чтобы плавать, она с помощью специальных биологических электромоторов вращает свои жгутики. Когда жгутики начинают синхронно вращаться против часовой стрелки, они сплетаются в единый пучок, который образует своеобразный пропеллер. Вращение пропеллера создает силу, заставляющую бактерию двигаться почти по прямой линии. После того как направление вращения жгутиков изменяется на противоположное, пучок расплетается и бактерия останавливается, вместо поступательного движения она начинает хаотически вращаться, ее ориентация изменяется.

Рис. 9. Строение жгутикового мотора

Как и протонные АТФсинтазы, электромоторы бактерий являются устройствами, которые в качестве источника энергии используют разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Принципы работы АТФсинтазы и бактериального мотора одинаковы, хотя сами эти конструкции различаются по своим размерам и устройству (см. рис. 9, 10). Можно с уверенностью сказать, что бактериальный мотор — аналог машины постоянного тока, созданной человеком.

Рис. 10. Структурная модель, принцип работы и микрофотография жгутикового мотора

Электромоторы бактерий работают очень эффективно. Бактерии плавают со средней скоростью около 25 мкм/с, но некоторые виды могут двигаться поступательно со скоростью больше 100 мкм/с. Это означает, что за одну секунду бактерия перемещается на расстояние, которое в десять или больше раз превышает ее собственную длину. Любопытно провести аналогию с движением систем макроскопических размеров. Например, если бы пловцы преодолевали за одну секунду расстояние, на порядок превышающее их собственный рост, то стометровую дорожку плавательного бассейна они бы проплывали приблизительно за 5 с. Обычно электромотор бактерий вращается со скоростью, достигающей 50-100 оборотов в секунду, однако у некоторых видов бактерий скорость вращения превышает 1000 оборотов в секунду. Электромоторы, которые могут так быстро вращать жгутики бактерий, очень экономичны — они потребляют не более 1% энергетических ресурсов бактериальной клетки.

Роберт Фрайтас и Адриано Кавальканти, одни из ведущих мировых ученых в области наномедицины, неоднократно заявляли, что именно подобные жгутиковые моторы будут наиболее эффективны в наноробототехнике.

Заключение

Итак, как мы видим, на первых порах нет необходимости разрабатывать какие-либо «продвинутые» актюаторы, как это делал Эрик Дрекслер в «Наносистемах». Для построения первых примитивных наносистем достаточно и этих готовых «кирпичиков», которые миллионы лет эффективно работают в природе. Но, как только можно будет конструировать произвольные структуры из алмазоида с атомарной точностью, для многих наноустройств такие моторы будут непригодны.

У всех рассмотренных выше биологических моторов есть ряд недостатков. Важнейший недостаток — малая степень управляемости. То есть, если вы захотите использовать тот же АТФазный мотор для управления наноманипулятором, задать перемещение ротора в 10-20° будет практически невозможно, так как дискретность работы мотора — 120°. Конечно, можно воспользоваться редукторами и прочими преобразователями движения, но это усложнит конструкцию и увеличит размер устройства. Также один из недостатков биомоторов — условие работы в жидкой среде, что существенно ограничивает их круг применения.

Но все-таки, повторюсь, все вышеперечисленные моторы как нельзя лучше подходят по характеристикам для современных исследований в области нанотехнологий и нанопроизводства. Так что в течение следующих 10-15 лет им не предвидится альтернативы.

Списоклитературы

1. Carlo Montemagno и др., Nanotechnology 10 (1999) 225-231. Constructing Biological Motor Powered Nanomechanical Devices.

2. ISA: Engineering team working to create nanomotor

3. Constantinos Mavroidis, Ph.D., Associate Professor Department of Mechanical and Aerospace Engineering Rutgers University: PROTEIN BASED NANO-MACHINES FOR SPACE APPLICATIONS;

4. А. Н. Тихонов. Молекулярные моторы, ИР file:///C:/Documents%20and%20Settings/Test/Desktop/Моторы/www.nature.ru, 2001

5. Peixuan Guo, Purdue University: Construction of a Viral Nanomotor Driven by a Synthetic RNA

6. Свидиненко Юрий: РНК может формировать строительные блоки для наномашин

7. Richard M Berry, The Randall Institute, King’s College London, London, UK: Bacterial Flagella: Flagellar Motor

www.ronl.ru

Реферат на тему Обзор биологических наномоторов

Свидиненко Юрий (Svidinenko)

Многие молекулярные наномашины, давно работающие в живых организмах, могут послужить первыми строительными кирпичиками будущих нанороботов. Причем таких "моторов" в природе достаточно много. В этой статье мы расскажем об основных биомоторах и их возможном применении в наносистемах будущего.

Одним из препятствий, ограничивающих размеры МЭМС-устройств, является то, что до сих пор нет работоспособного миниатюрного мотора размерами около 500-100 нанометров. Недавно Алексом Зеттлом был продемонстрирован рабочий наномотор с размером ротора около 500 нанометров, но конструктивное исполнение мотора затрудняет его использование в МЭМС. Мотор был изготовлен на основе кремниевой подложки и золотых электродов. В качестве оси для ротора исследователи использовали нанотрубку.

До использования подобных "неорганических" моторов в микро- и наносистемах еще далеко - их трудно изготовить, а интегрировать в готовое МЭМС-устройство еще труднее. Сегодня многие исследователи настаивают на том, что биологические моторы сыграют не последнюю роль в качестве актюаторов в МЭМС-устройствах. Тем более, что можно наладить их массовое производство методами генной инженерии и биотехнологий уже сейчас. Да и технические характеристики (соотношение размера, массы, генерируемого механического момента и потребляемой энергии) биологических моторов достаточно неплохие. Некоторые исследователи заинтересованы в использовании бактериальных жгутиковых моторов в качестве актюаторов для наноробототехники.

Интересно также то, что различные типы биологических моторов соответствуют некоторым макроскопическим машинам по принципу действия. Майкл Маер, профессор химико-биологического отделения из Мичиганского университета, после изучения молекулы кинезина сказал: "Эти штуки - настоящие машины! Было бы замечательно искусственно построить одну из них".

Энзим АТФаза и некоторые жгутиковые моторы, например, работают аналогично обычному электродвигателю: ротор вращается внутри неподвижного статора. Молекула кинезина, перемещаясь вдоль микротрубок цитоскелета, напоминает линейный двигатель. А актюатор бактериофага phi29, выбрасывающий виральную ДНК из капсида внутрь клетки-хозяина, работает по принципу двигателя внутреннего сгорания с несколькими рабочими цилиндрами.

Необычный энзим

Энзим АТФ-синтаза предназначен для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (Н+) через мембрану клетки, чем обеспечивает стабильный внутриклеточный рН цитоплазмы. Ученые установили, что при гидролизе АТФ одна из частей энзима совершает вращательное движение. Тогда у исследователей-нанотехнологов и возник интерес к этому необычному энзиму.

АТФаза состоит из двух отдельных частей: (1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, ответственной за транспорт протонов, и (2) F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ (см. рис.1).

Рисунок 1. Строение и модель энзима АТФаза

По мере того как протоны протекают через F0 часть энзима, γ-субъединица части F1-ATФазы вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении γ-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов меняется на обратное. Субъединицы a, b, и c части F0-АТФазы формируют канал переноса протонов через клеточную мембрану. Места катализа и присоединения нуклеотидов были обнаружены исследователями (Kinosita и др., 1998) на трех а и трех b субъединицах части F1-ATФазы. γ-субъединица расположена в центре гексамера α3β3 и вращается при синтезе или гидролизе АТФ.

Самое удивительное заключается в том, что АТФаза представляет собой полную аналогию макроскопических моторов, сделанных человеком, которые тоже состоят из ротора и статора.

Группа исследователей из Корнелльского университета во главе с Карло Монтеманьо попыталась интегрировать этот природный наномотор [1] в НЭМС. Исследователям удалось измерить радиальное отклонение микросферы при вращении субъединицы, когда они присоединили флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к γ-субъединице АТФазы (см. рис.2).

Рисунок 2. Строение наномотора и микрофотографии радиального отклонения микросферы

При добавлении к набору получившихся наномоторов 2 мM Na2ATФ и при присутствии в растворе 4 мM MgCl2 дифференциальным интерферометром наблюдалось вращение микросферы, составляющее 9.5-10.5 Гц, или 3-4 об/сек. Причем вращение представляло собой дискретные изменения угла, образованного γ-субъединицей и α3β3 - комплексом, каждый раз на 120°.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение инженерных свойств мотора и его производительности. Это необходимо для дальнейшей разработки функционирующих наномеханических устройств, приводимых в движение F1-АТФазой. Нужно, например, определить зависимость производительности мотора как обобщенную функцию от теплоотдачи, выхода протонов, рН, загрузки энзима молекулами АТФ. Более того, необходимо изучить взаимодействие между субъединицами α3β3γ, чтобы в будущем методами протеиновой инженерии улучшить производительность мотора, если это будет возможно.

АТФсинтаза является своего рода рекордсменом среди молекулярных моторов своей "весовой категории". По эффективности работы и развиваемой ею силе она существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Так, например, молекула АТФсинтазы приблизительно в 10 раз сильнее актомиозинового комплекса - молекулярной машины, специализирующейся в клетках мышц и различных органах на "профессиональном" выполнении механической работы. Таким образом, за сотни миллионов лет до того, как появился человек, который изобрел колесо, преимущества вращательного характера движения были успешно реализованы Природой на молекулярном уровне.

Рис. 3. Наноробот с пропеллером на АТФазе

Уже существуют первые проекты интеграции моторов на основе АТФазы в будущую наноробототехнику. Доктор Константин Мавродис из Рутгерского университета предложил "блочную схему" одного из простейших нанороботов, который использует именно такой мотор (см. рис. 3). Тело наноробота состоит из нанотрубки, манипуляторы выполнены в виде сложных пептидных цепей. Пропеллер (правда, по последним данным математического моделирования, пропеллерные системы актюации в нано- и микроразмерных вязких средах неэффективны), обеспечивающий передвижение в вязких средах, расположен на АТФазе. Как утверждает автор, подобные гибридные устройства могут появиться уже через 10 лет. Правда, Константин не акцентирует внимание на системах управления такими устройствами, что само по себе представляет более сложную задачу, чем приведение его в движение.

Самый маленький в мире грузчик

Другой не менее известный биологический мотор, который тоже будет полезен нанотехнологам, - молекула белка кинезина. Это представитель другого класса линейных моторов. Среди механохимических преобразователей энергии, распространенных в живой природе, они играют важную роль. Эти белковые машины движутся вдоль полимерных нитей, используя в качестве "топлива" молекулы АТФ. К таким моторам относятся белки актомиозинового комплекса, входящего в состав сократительного аппарата мышц. Движение микроворсинок (жгутиков и ресничек бактерий и простейших) определяется взаимодействием другой пары моторных белков - динеина и тубулина. Смещение головок динеина относительно тубулиновых микротрубочек белков обеспечивает волнообразные движения микроворсинок. Среди большого числа моторных белков миозин скелетных мышц и кинезин из клеток мозга являются наиболее изученными молекулярными моторами. Несмотря на то, что функции миозина и кинезина в клетке различаются, они удивительно похожи по своему строению и механизмам действия.

Расскажем, как работает молекула кинезина. Совместно с микротрубками цитоскелета она выполняет транспорт веществ внутри клетки и перемещение везикул. Если провести аналогию с макромиром, то микротрубки играют роль рельсов, по которым перемещаются молекулы белков кинезина (вагоны), неся на себе полезный груз. Один конец этой молекулы прикрепляется к везикуле, которую необходимо транспортировать, а другой - к микротрубке, которая направляет движение. Молекулы кинезина выполняют работу практически во всех растениях и животных (см. рис. 4).

Молекула кинезина представляет собой димер, образованный двумя одинаковыми полипептидными цепями. Подобно молекуле миозина, с одной стороны каждой полипептидной цепи кинезина формируется глобулярная головка, соединенная со сравнительно длинным хвостом. Линейные размеры головки сравнительно невелики, они составляют 7,5 х 4,5 х 4,5 нм. Длина молекулы - 50 нанометров. Хвосты двух мономерных цепей сплетены вместе, а наклоненные в разные стороны головки образуют своеобразную рогатину, которая непосредственно взаимодействует с глобулярными мономерами микротрубочки, вдоль которой перемещается кинезин.

Рис. 4. Строение молекулы кинезина

Интересно то, что молекула "шагает" вдоль микротрубки (см. рис.5), делая 8-нанометровые шаги. На рисунке кинезиновый комплекс перемещает органеллу меланосому (ответственную за синтез меланина) вдоль микротрубки. Для того, чтобы так шагнуть, молекула использует в качестве топлива 1 молекулу АТФ. При этом сила, развиваемая одной молекулой кинезина, составляет величину 6 пН. Если бы такой мощностью в расчете на единицу массы обладали автомобильные моторы, то они могли бы легко разгонять машины до скоростей, существенно превышающих скорость звука. Коэффициент полезного действия кинезинового мотора также велик - примерно 50%.

Рис. 5. Перемещение кинезином меланосомы (клеточной органеллы) вдоль микротрубки

В процессе "ходьбы" молекула кинезина может расщепить за одну секунду до 100 молекул АТФ, переместившись на 800 нанометров. Работая в качестве индивидуального молекулярного извозчика, кинезин может совершать перемещения на очень большие расстояния (до 1 мм).

Рис. 6. Кинезиновый наноконвейер

Ученые из института им. Макса Планка попытались "приручить" кинезин вне клетки. Для этого они покрыли молекулами кинезина гладкую стеклянную поверхность, создав что-то вроде ковра, ворсинки которого представляли собой молекулы кинезина. Потом исследователи разместили на этой поверхности ряд микротрубок и микросфер. Исследователи добавили к среде раствор АТФ - и получился огромный "трубочный" конвейер. Если в клетке кинезин шагает вдоль микротрубки сам, то в искусственной системе молекула была жестко закреплена, и свободные концы молекул "шагали" по микротрубкам, передвигая их. Движения микротрубок можно увидеть на этом видео. Запись велась с помощью оптического микроскопа.

В дальнейшем команда планирует создать микрочипы со встроенными конвейерами, работающими в разных направлениях. Это, конечно, будет большим плюсом для будущих систем наносборки, так как НЭМС-конвейеры пока сделать достаточно трудно. Наверняка такие транспортные системы будут полезны и в лабораториях-на-чипе.

Камера сгорания внутри вируса

Как мы уже видели, биологические системы раньше человека использовали вращательное движение в молекулярных машинах. Ранее мы уже рассказывали о том, как молекулы РНК могут быть использованы в качестве строительных блоков для будущих наномашин. Однако до проведения этой работы профессор Пейхуан Гу описал работу вирального мотора на основе РНК-гексамера. РНК-гексамер - это комплекс, состоящий из шести отдельных РНК-мономеров.

Рис. 7. Вирус phi29 выбрасывает ДНК из капсида

Оказалось, что вирус-бактериофаг phi29 использует гексамер молекул РНК для выброса молекулы ДНК из капсида вируса (см. рис. 7). При этом сам процесс работы мотора похож на работу двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Роль камеры сгорания играет портал - образование внутри капсида вируса, занятое молекулами РНК и ротором. Мономеры молекулы РНК, подобно поршням, поочередно толкают центральный пятисторонний ротор, заставляя его вращаться. Каждый РНК-мономер толкает ротор всего на 12°, потребляя одну молекулу АТФ. Таким образом, за один цикл портал поворачивается на 72°, затратив 6 молекул (см. рис. 8).

Рис. 8. Структура и модель вирального мотора

В центре ротора находится молекула ДНК. По мере того, как ротор вращается, молекула перемещается из капсида вируса во внешнее пространство.

Исследователи еще не смогли искусственно воссоздать из молекул РНК основу мотора. Пока они собрали "кольца", "треугольники" и "стержни". Они считают, что эти структуры можно интегрировать с нанотранзисторами, нанопроводниками, нанотрубками, биосенсорами и другими уже существующими наноструктурами, чтобы получить сложные НЭМС-системы.

Дайтер Молл, исследователь из группы Гу, говорит, что "самосборка молекул РНК позволит значительно уменьшить стоимость будущих РНК-НЭМС."

Жгутиковый мотор

Бактерия Esherichia Coli (E. Coli) - мечта нанотехнологов. Это почти готовая "база" для будущих нанобиороботов. Чтобы плавать, она с помощью специальных биологических электромоторов вращает свои жгутики. Когда жгутики начинают синхронно вращаться против часовой стрелки, они сплетаются в единый пучок, который образует своеобразный пропеллер. Вращение пропеллера создает силу, заставляющую бактерию двигаться почти по прямой линии. После того как направление вращения жгутиков изменяется на противоположное, пучок расплетается и бактерия останавливается, вместо поступательного движения она начинает хаотически вращаться, ее ориентация изменяется.

Рис. 9. Строение жгутикового мотора

Как и протонные АТФсинтазы, электромоторы бактерий являются устройствами, которые в качестве источника энергии используют разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Принципы работы АТФсинтазы и бактериального мотора одинаковы, хотя сами эти конструкции различаются по своим размерам и устройству (см. рис. 9, 10). Можно с уверенностью сказать, что бактериальный мотор - аналог машины постоянного тока, созданной человеком.

Рис. 10. Структурная модель, принцип работы и микрофотография жгутикового мотора

Электромоторы бактерий работают очень эффективно. Бактерии плавают со средней скоростью около 25 мкм/с, но некоторые виды могут двигаться поступательно со скоростью больше 100 мкм/с. Это означает, что за одну секунду бактерия перемещается на расстояние, которое в десять или больше раз превышает ее собственную длину. Любопытно провести аналогию с движением систем макроскопических размеров. Например, если бы пловцы преодолевали за одну секунду расстояние, на порядок превышающее их собственный рост, то стометровую дорожку плавательного бассейна они бы проплывали приблизительно за 5 с. Обычно электромотор бактерий вращается со скоростью, достигающей 50-100 оборотов в секунду, однако у некоторых видов бактерий скорость вращения превышает 1000 оборотов в секунду. Электромоторы, которые могут так быстро вращать жгутики бактерий, очень экономичны - они потребляют не более 1% энергетических ресурсов бактериальной клетки.

Роберт Фрайтас и Адриано Кавальканти, одни из ведущих мировых ученых в области наномедицины, неоднократно заявляли, что именно подобные жгутиковые моторы будут наиболее эффективны в наноробототехнике.

Заключение

Итак, как мы видим, на первых порах нет необходимости разрабатывать какие-либо "продвинутые" актюаторы, как это делал Эрик Дрекслер в "Наносистемах". Для построения первых примитивных наносистем достаточно и этих готовых "кирпичиков", которые миллионы лет эффективно работают в природе. Но, как только можно будет конструировать произвольные структуры из алмазоида с атомарной точностью, для многих наноустройств такие моторы будут непригодны.

У всех рассмотренных выше биологических моторов есть ряд недостатков. Важнейший недостаток - малая степень управляемости. То есть, если вы захотите использовать тот же АТФазный мотор для управления наноманипулятором, задать перемещение ротора в 10-20° будет практически невозможно, так как дискретность работы мотора - 120°. Конечно, можно воспользоваться редукторами и прочими преобразователями движения, но это усложнит конструкцию и увеличит размер устройства. Также один из недостатков биомоторов - условие работы в жидкой среде, что существенно ограничивает их круг применения.

Но все-таки, повторюсь, все вышеперечисленные моторы как нельзя лучше подходят по характеристикам для современных исследований в области нанотехнологий и нанопроизводства. Так что в течение следующих 10-15 лет им не предвидится альтернативы.

Список литературы

1. Carlo Montemagno и др., Nanotechnology 10 (1999) 225-231. Constructing Biological Motor Powered Nanomechanical Devices.

2. ISA: Engineering team working to create nanomotor

3. Constantinos Mavroidis, Ph.D., Associate Professor Department of Mechanical and Aerospace Engineering Rutgers University: PROTEIN BASED NANO-MACHINES FOR SPACE APPLICATIONS;

4. А. Н. Тихонов. Молекулярные моторы, ИР file:///C:/Documents%20and%20Settings/Test/Desktop/Моторы/www.nature.ru, 2001

5. Peixuan Guo, Purdue University: Construction of a Viral Nanomotor Driven by a Synthetic RNA

6. Свидиненко Юрий: РНК может формировать строительные блоки для наномашин

7. Richard M Berry, The Randall Institute, King’s College London, London, UK: Bacterial Flagella: Flagellar Motor

alive-inter.net

Митохондрия как биологический тепловой двигатель внутри клеточного конвейера

Библиографическая ссылка: Косарев А.В. Митохондрия как биологический тепловой двигатель внутри клеточного конвейера // Портал научно-практических публикаций [Электронный ресурс]. URL: http://portalnp.ru/2014/07/8911 (дата обращения: 27.10.2017)

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены морфологические и физиологические особенности клеточной органеллы митохондрии. Митохондрии являются “энергетическими станциями клетки”, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразуют порядка 40% энергии окисления субстратов в АТФ, в форму энергии доступную при использовании в многочисленных клеточных процессах. Принято считать, что остальные 60% выделившейся при окислении энергии превращаются в тепло и выводятся из клетки и организма. В статье высказано предположение, что, митохондрия использует энергию окисления более рационально, чем принято считать. 40% используется в процессе фосфорилирования АТФ, а 60%, выделяясь в объёме матрикса митохондрии, вызывают местный подъём температуры и как следствие давления. Повышенное давление в области матрикса сдавливает кристы и митохондрия работает как сильфонный насос. Биологический раствор выдавливается в форме гидродинамического потока из межмембранного пространства и матрикса митохондрии, обеспечивая все внутриклеточные перемещения.

Все живые организмы вне зависимости от их сложности имеют в своей основе клеточное строение. Однако “даже в случае простейшей клетки в процесс метаболизма вовлечены несколько тысяч сопряжённых химических реакций, что, безусловно, требует тонких механизмов координации и регуляции. Иными словами, здесь требуется чрезвычайно сложная функциональная организация. Если рассмотреть, как клетка выполняет сложную последовательность операций, то можно заметить, что клетка работает по тем же принципам, что и современный сборочный конвейер”. [9].

Основным источником энергии, функциональную основу жизни представляют циклические ферментативные реакции окисления и синтеза. Именно в силу цикличности этих реакций поддерживается постоянство неравновесности живой системы, формируются градиенты температур и давлений. Согласно синергетике и теории диссипативных структур наличие градиентов – необходимое условие для формирования в системе кооперативных потоков. Как пишет автор [10]: “Весьма вероятно, что через созидание диссипативных структур возникла жизнь”. К тому же на стадии окисления до 40% выделившейся энергии связывается в универсальном энергоносителе АТФ в удобный для живого вид потенциальной энергии, используемый во многих активных процессах.

Транспорт веществ внутри клетки и во всём организме обеспечивается кооперативными потоками энергии, продуцируемыми в клетках, т.к. только такие потоки способны совершать работу против сил диссипации, совершать внешнюю работу. В животной клетке действует своеобразный двигатель внутреннего сгорания, преобразующий энергию химических связей в механическую энергию гидродинамических потоков биологического раствора. Особенностью биологического двигателя является то, что производство механической работы в биоцикле сопряжено с синтезом высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных субстратов. Так, процессы окисления, идущие с выделением тепла, сопровождаются промежуточным синтезом АТФ, а процессы синтеза белков и других высоко молекулярных соединений, идут с поглощением тепла.

Вся кооперативная энергия в организме вырабатывается на клеточном уровне и расходуется на жизнеобеспечение самой клетки и на внешнюю по отношению к клетке работу (деятельность).

Первичная метаболическая энергия (в виде АТФ и кооперативных гидродинамических потоков гиалоплазмы) производится в митохондриях и частично в цитоплазме за счёт реакций окисления. Цикличность переноса вещества вовнутрь митохондрии и клетки и обратно обеспечивается цикличностью реакций синтеза и диссоциации.

МИТОХОНДРИЯ КАК БИОЛОГИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Условный цикл производства кооперативной энергии в животной клетке представляется следующим. По причине того, что и межклеточная жидкость, окружающая клетку, и цитоплазма, окружающая эндоплазматическую систему, состоят на 70% из воды, т.е. несжимаемой жидкости, даёт нам основание условно принять процесс в месте протекания реакций окисления и синтеза изохорическим. В местах изохорического разогрева происходит местное повышение давления, возникает перепад давления между зонами протекания реакций и остальной цитоплазмой. Органоидами эндоплазма- тической системы клетки, главным образом в которых протекают циклические процессы окисления, являются митохондрии, где синтезируется энергоноситель организма АТФ.

Митохондрии – наиболее обособленные структурные элементы цитоплазмы клетки, обладающие в значительной степени самостоятельной жизнедеятельностью, обладающие собственной ДНК. Они являются “энергетическими станциями клетки”, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразуют порядка 40% энергии окисления субстратов в АТФ, в форму энергии доступную при использовании в многочисленных клеточных процессах. Принято считать, что остальные 60% выделившейся при окислении энергии превращаются в тепло и выводятся из клетки и организма. В световом микроскопе митохондрии выглядят в виде округлых (шарообразных) или удлинённых (палочкообразных) структур длиной 0,3 – 5 мкм и шириной 0,2 – 1 мкм. С помощью электронной микроскопии установлено, что митохондрии являются органеллами с двойными мембранами. Между наружной и внутренней митохондриальными мембранами расположено межмембранное пространство толщиной 10 – 20 нм. Внутренняя мембрана, имея большую площадь чем внешняя, образует многочисленные гребневидные складки – кристы. Кристы существенно увеличивают поверхность внутренней мембраны, обеспечивая значительное место для размещения дыхательной цепи. В митохондриях локализованы и ферменты, катализирующие окислительные реакции. Большая часть белков митохондрий синтезируется вне митохондрий и контролируется ядром, митохондриальная ДНК кодирует лишь немногочисленные митохондриальные белки. Наблюдались случаи перемещения митохондрий в протоплазме. Считается, что доставка АДФ, ферментов, кислорода, субстратов для реакций окисления в матрикс, и вывод из матрикса в цитоплазму углекислого газа и АТФ, последовательно через две мембраны митохондрии, осуществляется методом активного транспорта. В зависимости от функциональной активности клеток, количество митохондрий в них изменяется от сотен до десятков тысяч. [2,4,11,12].

В [5] высказано предположение, что, митохондрия использует энергию окисления, получаемую в соответствии с законом Гесса, более рационально, чем принято считать. 40% используется в процессе фосфорилирования АТФ, а 60%, выделяясь в объёме матрикса митохондрии, вызывают местный подъём температуры и как следствие давления. Повышенное давление в области матрикса сдавливает кристы, происходит сжатие митохондрии и она работает как сильфонный насос. Биологический раствор выдавливается в форме гидродинамического потока из межмембранного пространства и матрикса митохондрии.

Строение внутренней мембраны митохондрии – классический пример рациональности природы. С одной стороны это большая, развитая поверхность для течения реакций окисления и синтеза АТФ, с другой – возможность получения гидродинамического потока на принципах сильфона.

Прежде чем описать принцип производства гидродинамических потоков митохондрией отметим, что в клетке есть ещё одна структура с двойной мембраной. Это ядро. В ядре имеются многочисленные ядерные поры, соединяющие внутреннее пространство ядра с цитоплазмой и протоки, соединяющие межмембранное пространство ядра с полостью ретикулума. “Ядерная оболочка пронизана множеством расположенных упорядоченно ядерных пор округлой формы диаметром 50 – 70 нм, которые в общей сложности занимают до 25% поверхности ядра. Через ядерные поры осуществляется избирательный транспорт крупных частиц, а также обмен веществ между ядром и цитоплазмой”. [11, стр.31]. “Перинуклеарное пространство составляет единую полость с эндоплазматическим ретикулумом”. [11, стр.31 и Рис.1, стр. 18].

Схожесть морфологии митохондрии и ядра позволяет, во-первых, высказать предположение о единстве эволюционного происхождения митохондрии и клеточного ядра. Во-вторых, высказать предположение о наличии у митохондрии пор наподобие ядерных, соединяющих матрикс митохондрии с цитоплазмой и наличие проток, соединяющих межмембранное пространство митохондрии с эндоплазматическим ретикулумом.

Рис.1

Митохондрия исполняет свои функции в два этапа (два такта). На рисунке – 1 показана последовательность этапов функционирования митоходрии. Здесь цифрой -1 обозначены митохондриальные поры, соединяющие полость матрикса с цитоплазмой. Цифрой -2 обозначены протоки, соединяющие межмембранное пространство митохондрии с пространством ретикулума. На рисунке -1 слева изображён этап сжатия. В этот период в матриксе и на кристах протекают реакции окисления цикла Кребса и дыхательной цепи. Выделяющееся в результате экзотермических реакций окисления тепло вызывает местный рост давления. Давление, воздействуя на площадь крист, заставляет митохондрию сжиматься, и она из палочкообразной формы превращается в округлую, уменьшаясь в объёме. При этом гиалоплазма из межмембранного пространства через протоку поступает в эндоплазматическую сеть, вызывая все внутриклеточные перемещения. Из матрикса гиалоплазма вместе с наработанной АТФ и углекислым газом вытесняется через митохондриальные поры в цитоплазму. На втором этапе (на рисунке -1 справа) в межмембранное пространство сжатой митохондрии из ретикулума через протоку начинает подаваться гиалоплазма. Это приводит к распрямлению митохондрии и она принимает палочкообразную форму, увеличиваясь в объёме. В матриксе создаётся разрежение и в него через митохондриальные поры поступают АДФ, субстраты для реакций окисления и кислород. Митоходрия готовится к новому циклу. Когда часть митохондрий в клетке сжимается, другая часть распрямляется.

Гидродинамические потоки, вырабатываемые митохондриями, и являются движущей силой внутриклеточного сборочного конвейера, основой активного внутриклеточного транспорта. Потоки упорядоченно движутся по развитой циркуляционной системе клеточного ретикулума.

В предложенной модели отпадает необходимость в прохождении крупных молекул в матрикс через две мембраны с помощью активного трансмембранного транспорта. Замеченные активные перемещения митохондрий в цитоплазме можно объяснить следующим. Когда случается отрыв протоки митохондрии от ретикулума, то в процессе сжатия у митохондрии возникает реакция струи, которая и вызывает её перемещение. Интересно отметить и такой факт. В [12, Том1] на Рис. 5.31 изображена электронная микрофотография лизосомы, внутри которой перевариваются, захваченные ею, старые митохондрии. Все митохондрии на фото имеют округлую форму, нет ни одной палочкообразной. Это можно объяснить тем, что оторвавшаяся старая митохондрия, сработав остатки субстратов внутри матрикса, успевает принять округлую форму. А вот для принятия палочкообразной формы у неё уже нет возможности.

Окислительные реакции, протекающие в митохондриях, или реакции цикла Кребса, в которых высвобождается и запасается большая часть энергии, по праву получили название – энергетический котёл, так как основываются на тех же законах физической химии, что и технические устройства. На фотографиях, полученных с помощью электронных микроскопов, митохондрии имеют или округлую или вытянутую цилиндрическую форму. Это говорит не о различной морфологии, а о различных функциональных состояниях митохондрии.

Возникшим кооперативным гидродинамическим потоком, с одной стороны, выносятся в межклеточную жидкость продукты распада от реакций окисления и продукты синтеза в клетке, которые используются всем организмом, с другой стороны – происходят перемещения по эндоплазматической системе, обеспечивающие функционирование самой клетки. Скажем, перенос информационной РНК, сформировавшейся в ядрышке на матричном гене ДНК, к тому месту эндоплазматической сети, где в рибосоме на матричной базе информационной РНК происходит синтез соответствующего белка. Процесс кооперативного движения протекает до тех пор, пока давление в зонах повышения давления не сравняется с давлением в межклеточной жидкости. Поток из митохондрии и клетки вовне прекращается. Однако в течение кооперативного процесса в соответствующие зоны эндоплазматической системы доставлены исходные материалы для протекания реакций синтеза высокомолекулярных соединений, необходимых организму для функционирования и регенерации. Реакции синтеза – это эндотермические реакции и они протекают с затратой энергии. То есть в полостях эндоплазматической сети, где протекают реакции синтеза, снижается температура и соответственно давление, в результате чего вновь появляется перепад давлений между межклеточной жидкостью и средой эндоплазматической сети, но направленный во внутрь клетки. Вновь возникает кооперативный гидродинамический поток по эндоплазматической сети от меж- клеточной жидкости через внешнюю мембрану во внутрь клетки. При этом в клетку из межклеточной жидкости доставляется новая порция субстратов и других необходимых элементов для протекания следующего функционального цикла клетки и в частности “перезарядка” митохондрий. Как на Рис.1 справа. Поток вовнутрь продолжается до выравнивания давления и температуры внутри клетки и в межклеточной жидкости. Функциональный цикл окисления – синтеза животной клетки замкнулся.

Митохондриальный и клеточный цикл энергопревращения в целом соответствует циклу сильфонно поршневого двигателя. [7,8]. Отметим, что для возможности таких процессов мы предполагаем у митохондрии дополнительные морфологические особенности. А именно наличие двойных пор – 1 (Рис.1) как у клеточного ядра и наличие трубчатых каналов – 2 (Рис.1), соединяющих межмембранную полость с полостью ретикулума. Без таких морфологических особенностей митохондрия не сможет циклически работать. На эту мысль нас навела работа сильфонно поршневого двигателя. А конструкция сильфонно поршневого двигателя зародилась при изучении морфологии митохондрии. Отметим ещё раз, что при таких морфологических особенностях снимается проблема интенсивного пропуска субстратов через двойную мембрану митохондрии. В [7,8] показано, что митохондриальный цикл реализует принципиально иной способ преобразования тепла в работу, нежели тот, что реализуется в сегодняшних тепловых машинах. Этот, реализованный в живой природе принцип преобразования тепла в работу позволяет снять противоречие между теоретической термодинамикой и экспериментальной биофизикой. В экспериментальной биологии ещё более 50-ти лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75-80%. [1]. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса, что необъяснимо с позиций классической термодинамики.

В качестве примера опишем возможный механизм обмена между внутренней полостью ядра и цитоплазмой.

Рис. 2

Условная схема циклического обмена между полостью ядра и цитоплазмой изображена на Рис.2. Здесь: 1 и 2 – внутренняя и внешняя мембрана ядра; 3 – ядерная пора; 4 – ДНК.

Если предположить, что внутренняя мембрана ядра по площади больше внешней мембраны (как у митохондрии), то при поступлении потоков в межмембранное пространство ядра, (как на Рис.2, слева) межмембранное пространство раздувается, а внутренняя полость ядра сдавливается и содержимое ядра выдавливается через ядерные поры в цитоплазму. Этим потоком смывается сформировавшаяся в ядрышке информационная РНК и выносится к рибосомам цитоплазмы. На второй стадии (Рис.2, справа) содержимое межклеточной полости двойной ядерной оболочки, по причине циклической работы митохондрий, перетекает в митохондрии, что приводит к поступлению в полость ядра из цитоплазмы мономеров для формирования РНК или ДНК. Округлая форма и общий объём ядра за цикл не меняется по причине меньшей по площади поверхности внешней ядерной мембраны. Происходит только локальное перетекание гиалоплазмы. В случае с ядром разница в площадях внешней и внутренней мембран не приводит к изменению внешней формы как у митохондрии по причине того, что с одной стороны у ядра имеется большое количество пор, с другой – внутренняя мембрана ядра не имеет кристов. В [3] показана решающая роль митохондрий в сократительных процессах миоцитов. В [8] описана конструкция теплового двигателя, работающего на тех же физико-химических принципах, что и митохондрия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимо проведение исследований митохондрий с помощью электронного микроскопа для выявления митохондриальных пор и проток, соединяющих межмембранное пространство митохондрии с полостью эндоплазматического ретикулума, как у клеточного ядра. В случае их обнаружения изменится, принятая на сегодня картина обмена между матриксом митохондрии и цитоплазмой. Будет подтверждён принципиально новый биологический принцип преобразования тепла в работу. Получит объяснение высокий КПД мышечной деятельности, вытекающий из опытов Хилла и противоречащий классической термодинамике.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов В.Ф. и др. Биофизика. – М.: “Владос”, 2003г., 288с.

2. Бышевский А.Ш., Терсенёв О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург. Изд-во “Уральский рабочий”, 1994г., 384с.

3. Долгов М.А., Косарев А.В. Взаимодействие эластического и гидродинамического компонентов в процессе сокращения и расслабления мышечного волокна. //Вестник Оренбургского гос. у-та №12(79), 2007г., с. 106-112. http://vestnik.osu.ru/2007_12/21.pdf.

4. Каменский А.А. и др. Биология. – М.: ЭКСМО, 2003г., 640с.

5. Косарев А.В. Биодинамика, механизм и условия производства кооперативных потоков энергии в биологических структурах. // Вестник Оренбургского гос. у-та. №6, 2004г., – с. 93-99. http://vestnik.osu.ru/2004_6/17.pdf.

6. Косарев А.В. О морфологических и функциональных особенностях митохондрии. //Материалы Всероссийской научно – технической конференции “Современные проблемы математики и естествознания”. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр “Диалог” , 2009г., с.6-7.

7. Косарев А.В. Монография “Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред”. Издание второе, переработанное и дополненное. – Из-во: LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.

8. Косарев А.В. Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу и его работа на естественных перепадах температур возобновляемых источников энергии.

http://new-idea.kulichki.net/pubfiles/140121164236.doc

9. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. – М.: “Мир”, 1979г., 512с.

10. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. – Санкт-Петербург: “СпецЛит”, 2004г., 496с.

11. Сапин и др. Анатомия человека. Т.1 –М.: “ОНИКС”, 2002г., 464с.

12. Тейлор Д. и др. Биология. / Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. /Пер. с англ. Ю.Л. Амченкова, М.Г. Дуниной и др.). – М.: “Мир”. Том 1, 2001г., 454с. Том 2, 2002г., 436с. Том 3, 2002г., 451с.

Количество просмотров публикации: -

portalnp.ru

Митохондрия как биологический тепловой двигатель внутри клеточного конвейера

УДК 576.3; 536.8

МИТОХОНДРИЯ КАК БИОЛОГИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРИ КЛЕТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА

Косарев А.В., инженер-теплоэнергетик, член АН Векторной энергетики.АННОТАЦИЯ

Рассмотрены морфологические и физиологические особенности клеточной органеллы митохондрии. Митохондрии являются “энергетическими станциями клетки”, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразуют порядка 40% энергии окисления субстратов в АТФ, в форму энергии доступную при использовании в многочисленных клеточных процессах. Принято считать, что остальные 60% выделившейся при окислении энергии превращаются в тепло и выводятся из клетки и организма. В статье высказано предположение, что, митохондрия использует энергию окисления более рационально, чем принято считать. 40% используется в процессе фосфорилирования АТФ, а 60%, выделяясь в объёме матрикса митохондрии, вызывают местный подъём температуры и как следствие давления. Повышенное давление в области матрикса сдавливает кристы и митохондрия работает как сильфонный насос. Биологический раствор выдавливается в форме гидродинамического потока из межмембранного пространства и матрикса митохондрии, обеспечивая все внутриклеточные перемещения. Ключевые слова: клетка, митохондрия, двигатель, кристы, сильфон, АТФ, ретикулум, матрикс, мембрана, цитоплазма, цикл Кребса, поток гиалоплазмы.Все живые организмы вне зависимости от их сложности имеют в своей основе клеточное строение. Однако “даже в случае простейшей клетки в процесс метаболизма вовлечены несколько тысяч сопряжённых химических реакций, что, безусловно, требует тонких механизмов координации и регуляции. Иными словами, здесь требуется чрезвычайно сложная функциональная организация. Если рассмотреть, как клетка выполняет сложную последовательность операций, то можно заметить, что клетка работает по тем же принципам, что и современный сборочный конвейер”. [9].

Основным источником энергии, функциональную основу жизни представляют циклические ферментативные реакции окисления и синтеза. Именно в силу цикличности этих реакций поддерживается постоянство неравновесности живой системы, формируются градиенты температур и давлений. Согласно синергетике и теории диссипативных структур наличие градиентов – необходимое условие для формирования в системе кооперативных потоков. Как пишет автор [10]: “Весьма вероятно, что через созидание диссипативных структур возникла жизнь”. К тому же на стадии окисления до 40% выделившейся энергии связывается в универсальном энергоносителе АТФ в удобный для живого вид потенциальной энергии, используемый во многих активных процессах.

Транспорт веществ внутри клетки и во всём организме обеспечивается кооперативными потоками энергии, продуцируемыми в клетках, т.к. только такие потоки способны совершать работу против сил диссипации, совершать внешнюю работу. В животной клетке действует своеобразный двигатель внутреннего сгорания, преобразующий энергию химических связей в механическую энергию гидродинамических потоков биологического раствора. Особенностью биологического двигателя является то, что производство механической работы в биоцикле сопряжено с синтезом высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных субстратов. Так, процессы окисления, идущие с выделением тепла, сопровождаются промежуточным синтезом АТФ, а процессы синтеза белков и других высоко молекулярных соединений, идут с поглощением тепла.

Вся кооперативная энергия в организме вырабатывается на клеточном уровне и расходуется на жизнеобеспечение самой клетки и на внешнюю по отношению к клетке работу (деятельность).

Первичная метаболическая энергия (в виде АТФ и кооперативных гидродинамических потоков гиалоплазмы) производится в митохондриях и частично в цитоплазме за счёт реакций окисления. Цикличность переноса вещества вовнутрь митохондрии и клетки и обратно обеспечивается цикличностью реакций синтеза и диссоциации. ^

Условный цикл производства кооперативной энергии в животной клетке представляется следующим. По причине того, что и межклеточная жидкость, окружающая клетку, и цитоплазма, окружающая эндоплазматическую систему, состоят на 70% из воды, т.е. несжимаемой жидкости, даёт нам основание условно принять процесс в месте протекания реакций окисления и синтеза изохорическим. В местах изохорического разогрева происходит местное повышение давления, возникает перепад давления между зонами протекания реакций и остальной цитоплазмой. Органоидами эндоплазма- тической системы клетки, главным образом в которых протекают циклические процессы окисления, являются митохондрии, где синтезируется энергоноситель организма АТФ.

Митохондрии – наиболее обособленные структурные элементы цитоплазмы клетки, обладающие в значительной степени самостоятельной жизнедеятельностью, обладающие собственной ДНК. Они являются “энергетическими станциями клетки”, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразуют порядка 40% энергии окисления субстратов в АТФ, в форму энергии доступную при использовании в многочисленных клеточных процессах. Принято считать, что остальные 60% выделившейся при окислении энергии превращаются в тепло и выводятся из клетки и организма. В световом микроскопе митохондрии выглядят в виде округлых (шарообразных) или удлинённых (палочкообразных) структур длиной 0,3 – 5 мкм и шириной 0,2 – 1 мкм. С помощью электронной микроскопии установлено, что митохондрии являются органеллами с двойными мембранами. Между наружной и внутренней митохондриальными мембранами расположено межмембранное пространство толщиной 10 – 20 нм. Внутренняя мембрана, имея большую площадь чем внешняя, образует многочисленные гребневидные складки – кристы. Кристы существенно увеличивают поверхность внутренней мембраны, обеспечивая значительное место для размещения дыхательной цепи. В митохондриях локализованы и ферменты, катализирующие окислительные реакции. Большая часть белков митохондрий синтезируется вне митохондрий и контролируется ядром, митохондриальная ДНК кодирует лишь немногочисленные митохондриальные белки. Наблюдались случаи перемещения митохондрий в протоплазме. Считается, что доставка АДФ, ферментов, кислорода, субстратов для реакций окисления в матрикс, и вывод из матрикса в цитоплазму углекислого газа и АТФ, последовательно через две мембраны митохондрии, осуществляется методом активного транспорта. В зависимости от функциональной активности клеток, количество митохондрий в них изменяется от сотен до десятков тысяч. [2,4,11,12].

В [5] высказано предположение, что, митохондрия использует энергию окисления, получаемую в соответствии с законом Гесса, более рационально, чем принято считать. 40% используется в процессе фосфорилирования АТФ, а 60%, выделяясь в объёме матрикса митохондрии, вызывают местный подъём температуры и как следствие давления. Повышенное давление в области матрикса сдавливает кристы, происходит сжатие митохондрии и она работает как сильфонный насос. Биологический раствор выдавливается в форме гидродинамического потока из межмембранного пространства и матрикса митохондрии.

Строение внутренней мембраны митохондрии – классический пример рациональности природы. С одной стороны это большая, развитая поверхность для течения реакций окисления и синтеза АТФ, с другой – возможность получения гидродинамического потока на принципах сильфона.

Прежде чем описать принцип производства гидродинамических потоков митохондрией отметим, что в клетке есть ещё одна структура с двойной мембраной. Это ядро. В ядре имеются многочисленные ядерные поры, соединяющие внутреннее пространство ядра с цитоплазмой и протоки, соединяющие межмембранное пространство ядра с полостью ретикулума. “Ядерная оболочка пронизана множеством расположенных упорядоченно ядерных пор округлой формы диаметром 50 – 70 нм, которые в общей сложности занимают до 25% поверхности ядра. Через ядерные поры осуществляется избирательный транспорт крупных частиц, а также обмен веществ между ядром и цитоплазмой”. [11, стр.31]. “Перинуклеарное пространство составляет единую полость с эндоплазматическим ретикулумом”. [11, стр.31 и Рис.1, стр. 18].

Схожесть морфологии митохондрии и ядра позволяет, во-первых, высказать предположение о единстве эволюционного происхождения митохондрии и клеточного ядра. Во-вторых, высказать предположение о наличии у митохондрии пор наподобие ядерных, соединяющих матрикс митохондрии с цитоплазмой и наличие проток, соединяющих межмембранное пространство митохондрии с эндоплазматическим ретикулумом.Рис.1Митохондрия исполняет свои функции в два этапа (два такта). На рисунке - 1 показана последовательность этапов функционирования митоходрии. Здесь цифрой -1 обозначены митохондриальные поры, соединяющие полость матрикса с цитоплазмой. Цифрой -2 обозначены протоки, соединяющие межмембранное пространство митохондрии с пространством ретикулума. На рисунке -1 слева изображён этап сжатия. В этот период в матриксе и на кристах протекают реакции окисления цикла Кребса и дыхательной цепи. Выделяющееся в результате экзотермических реакций окисления тепло вызывает местный рост давления. Давление, воздействуя на площадь крист, заставляет митохондрию сжиматься, и она из палочкообразной формы превращается в округлую, уменьшаясь в объёме. При этом гиалоплазма из межмембранного пространства через протоку поступает в эндоплазматическую сеть, вызывая все внутриклеточные перемещения. Из матрикса гиалоплазма вместе с наработанной АТФ и углекислым газом вытесняется через митохондриальные поры в цитоплазму. На втором этапе (на рисунке -1 справа) в межмембранное пространство сжатой митохондрии из ретикулума через протоку начинает подаваться гиалоплазма. Это приводит к распрямлению митохондрии и она принимает палочкообразную форму, увеличиваясь в объёме. В матриксе создаётся разрежение и в него через митохондриальные поры поступают АДФ, субстраты для реакций окисления и кислород. Митоходрия готовится к новому циклу. Когда часть митохондрий в клетке сжимается, другая часть распрямляется.

Гидродинамические потоки, вырабатываемые митохондриями, и являются движущей силой внутриклеточного сборочного конвейера, основой активного внутриклеточного транспорта. Потоки упорядоченно движутся по развитой циркуляционной системе клеточного ретикулума.

В предложенной модели отпадает необходимость в прохождении крупных молекул в матрикс через две мембраны с помощью активного трансмембранного транспорта. Замеченные активные перемещения митохондрий в цитоплазме можно объяснить следующим. Когда случается отрыв протоки митохондрии от ретикулума, то в процессе сжатия у митохондрии возникает реакция струи, которая и вызывает её перемещение. Интересно отметить и такой факт. В [12, Том1] на Рис. 5.31 изображена электронная микрофотография лизосомы, внутри которой перевариваются, захваченные ею, старые митохондрии. Все митохондрии на фото имеют округлую форму, нет ни одной палочкообразной. Это можно объяснить тем, что оторвавшаяся старая митохондрия, сработав остатки субстратов внутри матрикса, успевает принять округлую форму. А вот для принятия палочкообразной формы у неё уже нет возможности.

Окислительные реакции, протекающие в митохондриях, или реакции цикла Кребса, в которых высвобождается и запасается большая часть энергии, по праву получили название – энергетический котёл, так как основываются на тех же законах физической химии, что и технические устройства. На фотографиях, полученных с помощью электронных микроскопов, митохондрии имеют или округлую или вытянутую цилиндрическую форму. Это говорит не о различной морфологии, а о различных функциональных состояниях митохондрии.

Возникшим кооперативным гидродинамическим потоком, с одной стороны, выносятся в межклеточную жидкость продукты распада от реакций окисления и продукты синтеза в клетке, которые используются всем организмом, с другой стороны - происходят перемещения по эндоплазматической системе, обеспечивающие функционирование самой клетки. Скажем, перенос информационной РНК, сформировавшейся в ядрышке на матричном гене ДНК, к тому месту эндоплазматической сети, где в рибосоме на матричной базе информационной РНК происходит синтез соответствующего белка. Процесс кооперативного движения протекает до тех пор, пока давление в зонах повышения давления не сравняется с давлением в межклеточной жидкости. Поток из митохондрии и клетки вовне прекращается. Однако в течение кооперативного процесса в соответствующие зоны эндоплазматической системы доставлены исходные материалы для протекания реакций синтеза высокомолекулярных соединений, необходимых организму для функционирования и регенерации. Реакции синтеза - это эндотермические реакции и они протекают с затратой энергии. То есть в полостях эндоплазматической сети, где протекают реакции синтеза, снижается температура и соответственно давление, в результате чего вновь появляется перепад давлений между межклеточной жидкостью и средой эндоплазматической сети, но направленный во внутрь клетки. Вновь возникает кооперативный гидродинамический поток по эндоплазматической сети от меж- клеточной жидкости через внешнюю мембрану во внутрь клетки. При этом в клетку из межклеточной жидкости доставляется новая порция субстратов и других необходимых элементов для протекания следующего функционального цикла клетки и в частности “перезарядка” митохондрий. Как на Рис.1 справа. Поток вовнутрь продолжается до выравнивания давления и температуры внутри клетки и в межклеточной жидкости. Функциональный цикл окисления - синтеза животной клетки замкнулся.

Митохондриальный и клеточный цикл энергопревращения в целом соответствует циклу сильфонно поршневого двигателя. [7,8]. Отметим, что для возможности таких процессов мы предполагаем у митохондрии дополнительные морфологические особенности. А именно наличие двойных пор – 1 (Рис.1) как у клеточного ядра и наличие трубчатых каналов - 2 (Рис.1), соединяющих межмембранную полость с полостью ретикулума. Без таких морфологических особенностей митохондрия не сможет циклически работать. На эту мысль нас навела работа сильфонно поршневого двигателя. А конструкция сильфонно поршневого двигателя зародилась при изучении морфологии митохондрии. Отметим ещё раз, что при таких морфологических особенностях снимается проблема интенсивного пропуска субстратов через двойную мембрану митохондрии. В [7,8] показано, что митохондриальный цикл реализует принципиально иной способ преобразования тепла в работу, нежели тот, что реализуется в сегодняшних тепловых машинах. Этот, реализованный в живой природе принцип преобразования тепла в работу позволяет снять противоречие между теоретической термодинамикой и экспериментальной биофизикой. В экспериментальной биологии ещё более 50-ти лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75-80%. [1]. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса, что необъяснимо с позиций классической термодинамики.

В качестве примера опишем возможный механизм обмена между внутренней полостью ядра и цитоплазмой. Рис. 2Условная схема циклического обмена между полостью ядра и цитоплазмой изображена на Рис.2. Здесь: 1 и 2 – внутренняя и внешняя мембрана ядра; 3 – ядерная пора; 4 – ДНК.

Если предположить, что внутренняя мембрана ядра по площади больше внешней мембраны (как у митохондрии), то при поступлении потоков в межмембранное пространство ядра, (как на Рис.2, слева) межмембранное пространство раздувается, а внутренняя полость ядра сдавливается и содержимое ядра выдавливается через ядерные поры в цитоплазму. Этим потоком смывается сформировавшаяся в ядрышке информационная РНК и выносится к рибосомам цитоплазмы. На второй стадии (Рис.2, справа) содержимое межклеточной полости двойной ядерной оболочки, по причине циклической работы митохондрий, перетекает в митохондрии, что приводит к поступлению в полость ядра из цитоплазмы мономеров для формирования РНК или ДНК. Округлая форма и общий объём ядра за цикл не меняется по причине меньшей по площади поверхности внешней ядерной мембраны. Происходит только локальное перетекание гиалоплазмы. В случае с ядром разница в площадях внешней и внутренней мембран не приводит к изменению внешней формы как у митохондрии по причине того, что с одной стороны у ядра имеется большое количество пор, с другой – внутренняя мембрана ядра не имеет кристов. В [3] показана решающая роль митохондрий в сократительных процессах миоцитов. В [8] описана конструкция теплового двигателя, работающего на тех же физико-химических принципах, что и митохондрия.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимо проведение исследований митохондрий с помощью электронного микроскопа для выявления митохондриальных пор и проток, соединяющих межмембранное пространство митохондрии с полостью эндоплазматического ретикулума, как у клеточного ядра. В случае их обнаружения изменится, принятая на сегодня картина обмена между матриксом митохондрии и цитоплазмой. Будет подтверждён принципиально новый биологический принцип преобразования тепла в работу. Получит объяснение высокий КПД мышечной деятельности, вытекающий из опытов Хилла и противоречащий классической термодинамике.ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов В.Ф. и др. Биофизика. - М.: “Владос”, 2003г., 288с.

2. Бышевский А.Ш., Терсенёв О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург. Изд-во “Уральский рабочий”, 1994г., 384с.

3. Долгов М.А., Косарев А.В. Взаимодействие эластического и гидродинамического компонентов в процессе сокращения и расслабления мышечного волокна. //Вестник Оренбургского гос. у-та №12(79), 2007г., с. 106-112. http://vestnik.osu.ru/2007_12/21.pdf.

4. Каменский А.А. и др. Биология. – М.: ЭКСМО, 2003г., 640с.

5. Косарев А.В. Биодинамика, механизм и условия производства кооперативных потоков энергии в биологических структурах. // Вестник Оренбургского гос. у-та. №6, 2004г., – с. 93-99. http://vestnik.osu.ru/2004_6/17.pdf.

6. Косарев А.В. О морфологических и функциональных особенностях митохондрии. //Материалы Всероссийской научно – технической конференции “Современные проблемы математики и естествознания”. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр “Диалог” , 2009г., с.6-7.

7. Косарев А.В. Монография “Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред”. Издание второе, переработанное и дополненное. - Из-во: LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.

8. Косарев А.В. Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу и его работа на естественных перепадах температур возобновляемых источников энергии.

http://new-idea.kulichki.net/pubfiles/140121164236.doc

9. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. – М.: “Мир”, 1979г., 512с.

10. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. – Санкт-Петербург: “СпецЛит”, 2004г., 496с.

11. Сапин и др. Анатомия человека. Т.1 –М.: “ОНИКС”, 2002г., 464с.

12. Тейлор Д. и др. Биология. / Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. /Пер. с англ. Ю.Л. Амченкова, М.Г. Дуниной и др.). – М.: “Мир”. Том 1, 2001г., 454с. Том 2, 2002г., 436с. Том 3, 2002г., 451с.

shkolnie.ru

Обзор биологических наномоторов

Свидиненко Юрий (Svidinenko)

Многие молекулярные наномашины, давно работающие в живых организмах, могут послужить первыми строительными кирпичиками будущих нанороботов. Причем таких "моторов" в природе достаточно много. В этой статье мы расскажем об основных биомоторах и их возможном применении в наносистемах будущего.

Одним из препятствий, ограничивающих размеры МЭМС-устройств, является то, что до сих пор нет работоспособного миниатюрного мотора размерами около 500-100 нанометров. Недавно Алексом Зеттлом был продемонстрирован рабочий наномотор с размером ротора около 500 нанометров, но конструктивное исполнение мотора затрудняет его использование в МЭМС. Мотор был изготовлен на основе кремниевой подложки и золотых электродов. В качестве оси для ротора исследователи использовали нанотрубку.

До использования подобных "неорганических" моторов в микро- и наносистемах еще далеко - их трудно изготовить, а интегрировать в готовое МЭМС-устройство еще труднее. Сегодня многие исследователи настаивают на том, что биологические моторы сыграют не последнюю роль в качестве актюаторов в МЭМС-устройствах. Тем более, что можно наладить их массовое производство методами генной инженерии и биотехнологий уже сейчас. Да и технические характеристики (соотношение размера, массы, генерируемого механического момента и потребляемой энергии) биологических моторов достаточно неплохие. Некоторые исследователи заинтересованы в использовании бактериальных жгутиковых моторов в качестве актюаторов для наноробототехники.

Интересно также то, что различные типы биологических моторов соответствуют некоторым макроскопическим машинам по принципу действия. Майкл Маер, профессор химико-биологического отделения из Мичиганского университета, после изучения молекулы кинезина сказал: "Эти штуки - настоящие машины! Было бы замечательно искусственно построить одну из них".

Энзим АТФаза и некоторые жгутиковые моторы, например, работают аналогично обычному электродвигателю: ротор вращается внутри неподвижного статора. Молекула кинезина, перемещаясь вдоль микротрубок цитоскелета, напоминает линейный двигатель. А актюатор бактериофага phi29, выбрасывающий виральную ДНК из капсида внутрь клетки-хозяина, работает по принципу двигателя внутреннего сгорания с несколькими рабочими цилиндрами.

Необычный энзим

Энзим АТФ-синтаза предназначен для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (Н+) через мембрану клетки, чем обеспечивает стабильный внутриклеточный рН цитоплазмы. Ученые установили, что при гидролизе АТФ одна из частей энзима совершает вращательное движение. Тогда у исследователей-нанотехнологов и возник интерес к этому необычному энзиму.

АТФаза состоит из двух отдельных частей: (1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, ответственной за транспорт протонов, и (2) F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ (см. рис.1).

Рисунок 1. Строение и модель энзима АТФаза

По мере того как протоны протекают через F0 часть энзима, γ-субъединица части F1-ATФазы вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении γ-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов меняется на обратное. Субъединицы a, b, и c части F0-АТФазы формируют канал переноса протонов через клеточную мембрану. Места катализа и присоединения нуклеотидов были обнаружены исследователями (Kinosita и др., 1998) на трех а и трех b субъединицах части F1-ATФазы. γ-субъединица расположена в центре гексамера α3β3 и вращается при синтезе или гидролизе АТФ.

Самое удивительное заключается в том, что АТФаза представляет собой полную аналогию макроскопических моторов, сделанных человеком, которые тоже состоят из ротора и статора.

Группа исследователей из Корнелльского университета во главе с Карло Монтеманьо попыталась интегрировать этот природный наномотор [1] в НЭМС. Исследователям удалось измерить радиальное отклонение микросферы при вращении субъединицы, когда они присоединили флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к γ-субъединице АТФазы (см. рис.2).

Рисунок 2. Строение наномотора и микрофотографии радиального отклонения микросферы

При добавлении к набору получившихся наномоторов 2 мM Na2ATФ и при присутствии в растворе 4 мM MgCl2 дифференциальным интерферометром наблюдалось вращение микросферы, составляющее 9.5-10.5 Гц, или 3-4 об/сек. Причем вращение представляло собой дискретные изменения угла, образованного γ-субъединицей и α3β3 - комплексом, каждый раз на 120°.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение инженерных свойств мотора и его производительности. Это необходимо для дальнейшей разработки функционирующих наномеханических устройств, приводимых в движение F1-АТФазой. Нужно, например, определить зависимость производительности мотора как обобщенную функцию от теплоотдачи, выхода протонов, рН, загрузки энзима молекулами АТФ. Более того, необходимо изучить взаимодействие между субъединицами α3β3γ, чтобы в будущем методами протеиновой инженерии улучшить производительность мотора, если это будет возможно.

АТФсинтаза является своего рода рекордсменом среди молекулярных моторов своей "весовой категории". По эффективности работы и развиваемой ею силе она существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Так, например, молекула АТФсинтазы приблизительно в 10 раз сильнее актомиозинового комплекса - молекулярной машины, специализирующейся в клетках мышц и различных органах на "профессиональном" выполнении механической работы. Таким образом, за сотни миллионов лет до того, как появился человек, который изобрел колесо, преимущества вращательного характера движения были успешно реализованы Природой на молекулярном уровне.

Рис. 3. Наноробот с пропеллером на АТФазе

Уже существуют первые проекты интеграции моторов на основе АТФазы в будущую наноробототехнику. Доктор Константин Мавродис из Рутгерского университета предложил "блочную схему" одного из простейших нанороботов, который использует именно такой мотор (см. рис. 3). Тело наноробота состоит из нанотрубки, манипуляторы выполнены в виде сложных пептидных цепей. Пропеллер (правда, по последним данным математического моделирования, пропеллерные системы актюации в нано- и микроразмерных вязких средах неэффективны), обеспечивающий передвижение в вязких средах, расположен на АТФазе. Как утверждает автор, подобные гибридные устройства могут появиться уже через 10 лет. Правда, Константин не акцентирует внимание на системах управления такими устройствами, что само по себе представляет более сложную задачу, чем приведение его в движение.

Самый маленький в мире грузчик

Другой не менее известный биологический мотор, который тоже будет полезен нанотехнологам, - молекула белка кинезина. Это представитель другого класса линейных моторов. Среди механохимических преобразователей энергии, распространенных в живой природе, они играют важную роль. Эти белковые машины движутся вдоль полимерных нитей, используя в качестве "топлива" молекулы АТФ. К таким моторам относятся белки актомиозинового комплекса, входящего в состав сократительного аппарата мышц. Движение микроворсинок (жгутиков и ресничек бактерий и простейших) определяется взаимодействием другой пары моторных белков - динеина и тубулина. Смещение головок динеина относительно тубулиновых микротрубочек белков обеспечивает волнообразные движения микроворсинок. Среди большого числа моторных белков миозин скелетных мышц и кинезин из клеток мозга являются наиболее изученными молекулярными моторами. Несмотря на то, что функции миозина и кинезина в клетке различаются, они удивительно похожи по своему строению и механизмам действия.

Расскажем, как работает молекула кинезина. Совместно с микротрубками цитоскелета она выполняет транспорт веществ внутри клетки и перемещение везикул. Если провести аналогию с макромиром, то микротрубки играют роль рельсов, по которым перемещаются молекулы белков кинезина (вагоны), неся на себе полезный груз. Один конец этой молекулы прикрепляется к везикуле, которую необходимо транспортировать, а другой - к микротрубке, которая направляет движение. Молекулы кинезина выполняют работу практически во всех растениях и животных (см. рис. 4).

Молекула кинезина представляет собой димер, образованный двумя одинаковыми полипептидными цепями. Подобно молекуле миозина, с одной стороны каждой полипептидной цепи кинезина формируется глобулярная головка, соединенная со сравнительно длинным хвостом. Линейные размеры головки сравнительно невелики, они составляют 7,5 х 4,5 х 4,5 нм. Длина молекулы - 50 нанометров. Хвосты двух мономерных цепей сплетены вместе, а наклоненные в разные стороны головки образуют своеобразную рогатину, которая непосредственно взаимодействует с глобулярными мономерами микротрубочки, вдоль которой перемещается кинезин.

Рис. 4. Строение молекулы кинезина

Интересно то, что молекула "шагает" вдоль микротрубки (см. рис.5), делая 8-нанометровые шаги. На рисунке кинезиновый комплекс перемещает органеллу меланосому (ответственную за синтез меланина) вдоль микротрубки. Для того, чтобы так шагнуть, молекула использует в качестве топлива 1 молекулу АТФ. При этом сила, развиваемая одной молекулой кинезина, составляет величину 6 пН. Если бы такой мощностью в расчете на единицу массы обладали автомобильные моторы, то они могли бы легко разгонять машины до скоростей, существенно превышающих скорость звука. Коэффициент полезного действия кинезинового мотора также велик - примерно 50%.

Рис. 5. Перемещение кинезином меланосомы (клеточной органеллы) вдоль микротрубки

В процессе "ходьбы" молекула кинезина может расщепить за одну секунду до 100 молекул АТФ, переместившись на 800 нанометров. Работая в качестве индивидуального молекулярного извозчика, кинезин может совершать перемещения на очень большие расстояния (до 1 мм).

Рис. 6. Кинезиновый наноконвейер

Ученые из института им. Макса Планка попытались "приручить" кинезин вне клетки. Для этого они покрыли молекулами кинезина гладкую стеклянную поверхность, создав что-то вроде ковра, ворсинки которого представляли собой молекулы кинезина. Потом исследователи разместили на этой поверхности ряд микротрубок и микросфер. Исследователи добавили к среде раствор АТФ - и получился огромный "трубочный" конвейер. Если в клетке кинезин шагает вдоль микротрубки сам, то в искусственной системе молекула была жестко закреплена, и свободные концы молекул "шагали" по микротрубкам, передвигая их. Движения микротрубок можно увидеть на этом видео. Запись велась с помощью оптического микроскопа.

В дальнейшем команда планирует создать микрочипы со встроенными конвейерами, работающими в разных направлениях. Это, конечно, будет большим плюсом для будущих систем наносборки, так как НЭМС-конвейеры пока сделать достаточно трудно. Наверняка такие транспортные системы будут полезны и в лабораториях-на-чипе.

Камера сгорания внутри вируса

Как мы уже видели, биологические системы раньше человека использовали вращательное движение в молекулярных машинах. Ранее мы уже рассказывали о том, как молекулы РНК могут быть использованы в качестве строительных блоков для будущих наномашин. Однако до проведения этой работы профессор Пейхуан Гу описал работу вирального мотора на основе РНК-гексамера. РНК-гексамер - это комплекс, состоящий из шести отдельных РНК-мономеров.

Рис. 7. Вирус phi29 выбрасывает ДНК из капсида

Оказалось, что вирус-бактериофаг phi29 использует гексамер молекул РНК для выброса молекулы ДНК из капсида вируса (см. рис. 7). При этом сам процесс работы мотора похож на работу двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Роль камеры сгорания играет портал - образование внутри капсида вируса, занятое молекулами РНК и ротором. Мономеры молекулы РНК, подобно поршням, поочередно толкают центральный пятисторонний ротор, заставляя его вращаться. Каждый РНК-мономер толкает ротор всего на 12°, потребляя одну молекулу АТФ. Таким образом, за один цикл портал поворачивается на 72°, затратив 6 молекул (см. рис. 8).

Рис. 8. Структура и модель вирального мотора

В центре ротора находится молекула ДНК. По мере того, как ротор вращается, молекула перемещается из капсида вируса во внешнее пространство.

Исследователи еще не смогли искусственно воссоздать из молекул РНК основу мотора. Пока они собрали "кольца", "треугольники" и "стержни". Они считают, что эти структуры можно интегрировать с нанотранзисторами, нанопроводниками, нанотрубками, биосенсорами и другими уже существующими наноструктурами, чтобы получить сложные НЭМС-системы.

Дайтер Молл, исследователь из группы Гу, говорит, что "самосборка молекул РНК позволит значительно уменьшить стоимость будущих РНК-НЭМС."

Жгутиковый мотор

Бактерия Esherichia Coli (E. Coli) - мечта нанотехнологов. Это почти готовая "база" для будущих нанобиороботов. Чтобы плавать, она с помощью специальных биологических электромоторов вращает свои жгутики. Когда жгутики начинают синхронно вращаться против часовой стрелки, они сплетаются в единый пучок, который образует своеобразный пропеллер. Вращение пропеллера создает силу, заставляющую бактерию двигаться почти по прямой линии. После того как направление вращения жгутиков изменяется на противоположное, пучок расплетается и бактерия останавливается, вместо поступательного движения она начинает хаотически вращаться, ее ориентация изменяется.

Рис. 9. Строение жгутикового мотора

Как и протонные АТФсинтазы, электромоторы бактерий являются устройствами, которые в качестве источника энергии используют разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Принципы работы АТФсинтазы и бактериального мотора одинаковы, хотя сами эти конструкции различаются по своим размерам и устройству (см. рис. 9, 10). Можно с уверенностью сказать, что бактериальный мотор - аналог машины постоянного тока, созданной человеком.

Рис. 10. Структурная модель, принцип работы и микрофотография жгутикового мотора

Электромоторы бактерий работают очень эффективно. Бактерии плавают со средней скоростью около 25 мкм/с, но некоторые виды могут двигаться поступательно со скоростью больше 100 мкм/с. Это означает, что за одну секунду бактерия перемещается на расстояние, которое в десять или больше раз превышает ее собственную длину. Любопытно провести аналогию с движением систем макроскопических размеров. Например, если бы пловцы преодолевали за одну секунду расстояние, на порядок превышающее их собственный рост, то стометровую дорожку плавательного бассейна они бы проплывали приблизительно за 5 с. Обычно электромотор бактерий вращается со скоростью, достигающей 50-100 оборотов в секунду, однако у некоторых видов бактерий скорость вращения превышает 1000 оборотов в секунду. Электромоторы, которые могут так быстро вращать жгутики бактерий, очень экономичны - они потребляют не более 1% энергетических ресурсов бактериальной клетки.

Роберт Фрайтас и Адриано Кавальканти, одни из ведущих мировых ученых в области наномедицины, неоднократно заявляли, что именно подобные жгутиковые моторы будут наиболее эффективны в наноробототехнике.

Заключение

Итак, как мы видим, на первых порах нет необходимости разрабатывать какие-либо "продвинутые" актюаторы, как это делал Эрик Дрекслер в "Наносистемах". Для построения первых примитивных наносистем достаточно и этих готовых "кирпичиков", которые миллионы лет эффективно работают в природе. Но, как только можно будет конструировать произвольные структуры из алмазоида с атомарной точностью, для многих наноустройств такие моторы будут непригодны.

У всех рассмотренных выше биологических моторов есть ряд недостатков. Важнейший недостаток - малая степень управляемости. То есть, если вы захотите использовать тот же АТФазный мотор для управления наноманипулятором, задать перемещение ротора в 10-20° будет практически невозможно, так как дискретность работы мотора - 120°. Конечно, можно воспользоваться редукторами и прочими преобразователями движения, но это усложнит конструкцию и увеличит размер устройства. Также один из недостатков биомоторов - условие работы в жидкой среде, что существенно ограничивает их круг применения.

Но все-таки, повторюсь, все вышеперечисленные моторы как нельзя лучше подходят по характеристикам для современных исследований в области нанотехнологий и нанопроизводства. Так что в течение следующих 10-15 лет им не предвидится альтернативы.

Список литературы

1. Carlo Montemagno и др., Nanotechnology 10 (1999) 225-231. Constructing Biological Motor Powered Nanomechanical Devices.

2. ISA: Engineering team working to create nanomotor

3. Constantinos Mavroidis, Ph.D., Associate Professor Department of Mechanical and Aerospace Engineering Rutgers University: PROTEIN BASED NANO-MACHINES FOR SPACE APPLICATIONS;

4. А. Н. Тихонов. Молекулярные моторы, ИР file:///C:/Documents%20and%20Settings/Test/Desktop/Моторы/www.nature.ru, 2001

5. Peixuan Guo, Purdue University: Construction of a Viral Nanomotor Driven by a Synthetic RNA

6. Свидиненко Юрий: РНК может формировать строительные блоки для наномашин

7. Richard M Berry, The Randall Institute, King’s College London, London, UK: Bacterial Flagella: Flagellar Motor

ua.coolreferat.com


Смотрите также