Molekula
V 21. stoletju se soočamo z vseprežemajočim občutkom, da je “kemično” ali “sintetično” slabo in da je “naravno” dobro.
Meje se vse bolj brišejo, naravne molekule pričenjajo uporabljati v tehnologiji, sintetične molekule pa za ohranjanje tega, kar imamo za “naravno”.
Inženirji nevidnega: izdelovanje molekul
Iz česa so stvari zgrajene? Ali so to atomi ali molekule? Kemiki pošiljajo mešana sporočila. Njihov ikonični kriptogram je tabela periodnega sistema, seznama dvaindevetdesetih naravnih elementov (z nekaj dodanimi nestabilnimi umetnimi), urejenih v vzorec, ki jih kemikom pomaga doumeti.
Tabela periodnega sistema pripada kraljestvu, kjer kemija postane fizika, kjer moramo na plan privleči algebro in kosinuse, da bi razložili, zakaj atomi elementov gradijo posebne zveze, imenovane molekule.
Spraševati se, iz česa so stvari, to povezuje kemijo s starogrško filozofijo.
Kemijo požira na obeh koncih. Na najbolj osnovnem nivoju je postala fizika. Na najbolj kompleksnem nivoju je v posesti biologov, ki so razširil svoj svet, da bi vključili molekulsko mehaniko celice.
Znanost o molekulah je hkrati kreativno in analitično prizadevanje.
Roald Hoffman: Kemije je znanost o molekulah in njihovih preobrazbah. Nekatere teh molekul so zares tu in samo čakajo, da jih odkrijemo … Toda mnogo več molekul v kemiji naredimo mi v laboratoriju … V srcu kemije je molekula, ki je ustvarjena, bodisi v naravnem procesu ali od človeka.
Vsa snov je sestavljena iz atomov, toda atomi se ne organizirajo vedno v molekule.
Z molekulami v splošnem mislimo na konstrukcije iz diskretnih števnih števil atomov. Atomi v železu se v nasprotju s tem ne združujejo v diskretne molekule. Zlagajo se kot topovske krogle v urejeno skladovnico, ki se nadaljuje naprej in naprej, kot urejen postroj vojakov. Isto velja za atome natrija in klora v kristalu natrijevega klorida.
Praviloma so kovine ne molekulske, kot železo, medtem ko so nekovine molekulske.
Torej je »molekula« tekoč, le približno definiran koncept – pravzaprav vprašanje velikosti. Molekule so najmanjša enota pomena v kemiji. Skozi molekule, ne atome, lahko pripovedujemo zgodbe o submikroskopskem svetu. One so besede, atomi so le črke.
Velikokrat slišimo o »jeziku genov«, in pokazati želim, da je to le eden od jezikov, ki jih molekule lahko kodirajo. V molekulah resnično je »informacija«, prav tako kot je v besedah.
Ideja, da molekula »sodelujejo« in »komunicirajo«, nima nobene osnove v filozofiji narave.
Atomi, povezani v molekuli, se stiskajo en k drugemu, pravzaprav se prekrivajo približno tako kot milni mehurčki ob stiku. To je možno, ker atomi niso trdi kot krogle za biljard, ampak so bolj podobni gumijastim žogicam. Imajo središče, ki je gosto in trdo. Imenuje se jedro in je približno deset tisočkrat manjše od atoma samega, čeprav je v njem skoncentrirana skoraj celotna masa atoma.
Najboljši način risanja molekul ne obstaja.
Zakoni kvantne mehanike omogočajo, da napovemo, kako bodo atomi tvorili vezi in kje bodo stali eden glede na drugega. Še posebej, ker so atomi vsakega elementa nagnjeni k tvorbi fiksnega števila vezi, kar imenujemo valenca.
V celicah je polno molekul, katerih oblik sploh ne poznamo. To je velika ovira pri razumevanju tega, kako molekule življenja opravljajo svoje delo, kajti oblika oblikovalcev; funkcija sledi obliki. Molekulska znanost je torej izredno vizualna znanost.
Molekula ne zaseda dvorazsežnostne površine, temveč trirazsežnosti prostor.
Kemiki postajajo vse hitreje vse bolj spretni pri gradnji molekul.
Sredi petdesetih let 19. stoletja je nemški kemik August Wilhelm Hofmann, ko je delal v Londonu, usmerjal svoje najstniškega študenta Williama Perkina pri izdelavi kinina iz destiliranih sestavin premogovega katrana. Iz njega je bilo možno z destilacijo pripraviti tudi druge organske spojine: benzen, toluen, ksilen in fenol. Perkin je v svojih prizadevanjih odkril prvo anilinsko barvilo.
To je zaznamovalo začetek ne samo industrije sintetičnih barvil, temveč celotne moderne kemične industrije – kajti mnoge današnje kemijske družbe, kot so BASF, Ciba-Geigy in Hoechst, so začele kot proizvajalci anilinskih barvil.
Sinteza alizarina je mejnih v izdelovanja molekul iz dveh razlogov. Prvič, bila je načrtovana modifikacija začetnega materiala. Drugič, z izdelovanjem alizarina v laboratoriju sta Carl Grabe in Carl Liebermann pokazala, da kemija sedaj poseduje zmožnost, ki se lahko kosa z naravo.
Iz katrana, pa so začeli sintetizirati tudi druge spojine, ne le barvila. Paul Ehrlich je razvil arzenik. Alexander Fleming pa penicilin. Ena od snovi, ki je postala znana v zadnji letih, je paclitaxel ali tržno taksol. Ta ima zahtevno molekulsko zgradbo, ker ni standardnega kemičnega reagenta, ki bi imel to obliko skeleta in ga je bilo potrebno zgraditi od začetka.
Kemiki so se nedavno začeli pričeli zanimati za velike anorganske molekule, ker lahko kažejo nenavadno in potencialno koristno vedenje, kot sta magnetizem in električna prevodnost. Komponente, kot so tranzistorji na mikročipih, so izdelane iz anorganskih snovi, predvsem silicija in silicijevega dioksida.
Znaki življenja: molekule življenja
Večina spretnosti pri ukvarjanju z znanostjo je v tem, da vemo, kam v hierarhiji naj gledamo – in posledično, kaj je bistveno in kaj ne.
Molekulska biologija nam je pomagala zapolniti glavno vrzel v evolucijskih teoriji Charlesa Darwina: vprašanje mehanizma naravnega izbora.
Moderni pogled na molekulsko biologijo se ukvarja z organizacijo v času in prostoru.
Noben mehanizem, ki ga je ustvaril človek, ni niti približno tako dobro izpopolnjen ali tako dobro organiziran, kot je celica.
Molekulska biologija deluje na nivoju celice in redko govori o celotnem organizmu. Celica je atom življenja, ne moreš biti manjši in biti še živ.
Beljakovine so snovi, ki jih najdemo povsod v živih celicah. Mnoge od njih so encimi, molekule, ki katalizirajo procese kemijskih sprememb. Če je celica mesto, so encimi delavci. Niso vse beljakovine encimi. Nekatere imajo strukturno vlogo, ki oskrbi telo s tkivi. V človeških celicah je približno 60.000 različic beljakovinskih molekul.
Beljakovinsko zgradbo se da konceptualno razstaviti celo dlje. Verigo sestavljajo mali značilni skupki atomov, združeni v zaporedje, kot biseri na vrvici. Ti skupki so bili nekoč ločene molekule, imenovane aminokisline. Obstaja dvajset vrst aminokislin v naravnih beljakovinah. V beljakovini zaporedje aminokislin vzdolž verig ni naključno. Pomembno je za zgibanje verig. Podrobnosti tega procesa gubanja ne poznamo povsem. Dejansko gre za eno osrednjih nerešenih ugank molekulske biologije.
DNA celici sporoči, kako naj naniza aminokisline pri izdelovanju beljakovine. Informacija DNA je zapisana v jeziku, različnem od jezika beljakovinske informacije, toda celica zna prevajati med obema. V človeških celicah je DNA zapakirana v svežnje, imenovane kromosomi. Molekule RNA potujejo od jedra do endoplazemskega retikuluma, kjer so prevedene v beljakovine.
Geni so molekulski zapis evolucije. Mitohondrijska DNA je boljši zapis evolucije od jedrne DNA. Molekule vsebujejo zapis zgodovine, bogatejši od tistih, ki jih je moč najti v delčkih lončenih posod ali starodavnih grobnih gomil.
V osemdesetih letih 20. stoletja so odkrili v celicah molekule RNA, ki so lahko katalizirale svoje lastno preurejanje. Ribocimi so tisti del RNA, ki je sposoben sam, brez genov, preurediti (odrezati smeti) iz sporočila, ki ga dobijo preko genov. Je RNA dovolj vsestranska, da povzroči mnoge od kemijskih preobrazb, potrebnih za začetke življenja.
Dandanes je izdelava sintetične DNA in predelovanje genov že rutina in mnogi kemiki delajo na izgradnji »dizajnerskih beljakovin« od začetka.
Prenašanje bremena: materiali iz molekul
Če bi lahko izstrelili vesoljsko plovilo izven Zemljine atmosfere, bi bil tovor lahko mnogo manjši.
Načrtujejo se molekule, ki jih je možno spremeniti v ultra trde keramične materiale, sposobne prestati visoke temperature.
Nekega dne bo molekulski inženiring omogočil rast nove ledvice ali novega srca, ki bo nadomestilo okvarjenega.
Ideja, da so naša telesa gmota celičnih skupnost beljakovin, se ne sklada z našim izkustvom.
Najbolj obilno prisotna strukturna beljakovina v človeškem telesu, ki sestavlja približno četrtino naše skupne telesne mase je kolagen. To je relativno preprosta beljakovina, katere verigam podobne molekule vsebujejo dve vrsti aminokislin: glicin in prolin. Primanjkljaj vitamina C pripelje do stanja imenovanega skorbut. Povzroča ga poškodovan kolagen, ki ni bil nadomeščen.
Kost je sestavljena iz progastih kolagenskih fibril, posutih z majhnimi kristali hidroksiapatita, ki je v bistvu kalcijev fosfat. Ker vsebuje veliko beljakovin, je kost prožna in odporna, a vseeno trda.
Kosti in zobje so sestavljeni večinoma iz trdega anorganskega materiala: kalcijevega fosfata.
Beljakovine na naši zunanjosti – v koži, laseh in nohtih, kakor tudi v roževini in kopitih – so drugačne vrste. Ta tkiva sestavlja večinoma keratin, druga vrsta hierarhično strukturiranih vlaken.
Pajčevina svoje lastnosti dolguje organizaciji beljakovin. V pajčevini osnovni organizirani gradbeni element ni vijačnica, temveč plast ali ponjava.
Leta 1859 je Charles Goodyear odkril, kako medsebojno povezati polimerne molekule gumija ali lateksa. Ta postopek tako imenovane vulkanizacije pretvori molekule gumi v raztegljivo obliko, ki ji pravimo guma.
Beljakovine svile se poravnajo zaradi privlačnih sil med enotami različnih verig, ki omogočajo, da se verige spnejo skupaj kot zadrge. Podobne interakcije so med verigami skupine sintetičnih polimerov, poznane kot aramidi, iz katerih je izdelan kevlar, ki ga proizvaja DuPont.
Celice so prepredene z omrežjem vlaken, ki so bolj trdna od vrvem podobnih strukturnih beljakovin kolagena in keratina. To so tako imenovani mikrotubuli, ki so dejansko palicam podobne tirnice, po kateri molekulske lokomotive prevažajo pakete naokrog po celici.
Žgoče vprašanje: molekule in energija
V mnogih pogledih je metabolizem, in ne podvojevanje, to, kar nam daje najboljšo delovno definicijo življenja.
Obstaja na stotine ali celo na tisoče energijskih central v vsaki celici naših jeter, kjer je proizvodnja energije najpomembnejša.
Bistvo izgorevanja je bistvo vseh kemijskih procesov, ki proizvajajo energijo. Kot prvo, gre za proces, ki teče »navzdol«. Entropija se velikokrat enači z neredom. Bolj verjetno je da bo sistem napredoval od bolj urejenega k manj urejenem stanju. Včasih je lahko obratno (para v snežinke).
Žive celice ohranjajo svoj ustroj navidez v nasprotju z entropijskimi zahtevami. Erwin Schrodinger v Kaj je življenje? Govori o konceptu »negativne entropije«, ki jo živa bitja pridobivajo iz svojega okolja. Encimi so posebej uspešni pri usmerjanju molekul navzgor.
Proizvodnja energije v celici je zapletena. Glavni vhodni surovini sta gorivo in kisik: hrana in zrak.
Glukoza je ena glavnih »težkih uteži« metabolizma. ATP je biokemijski energijski naboj. ATP je ključ za vzdrževanje celične celovitosti in organizacije, torej se celica zelo potrudi, da ga naredi, kolikor je največ možno iz vsake molekule glukoze, ki jo pokuri. Molekula ATP je bogata z energijo, ker je kot vzmet. Vsebuje tri fosfatne skupine. Vezi med fosfati je možno prerezati v reakciji, ki vključuje vodo (zato se imenuje hidroliza, »cepljenje z vodo«). ATP se lahko s sprostitvijo fosfatov spremeni v ADP in AMP. Obe odcepitvi sprostita primerljivi količini energije.
Prebava se odvija s pomočjo encimov.
Približno ena desetina mase naših jeter in en odstotek naših mišic sestavlja snov imenovana glikogen. Če količina sladkorja v našem krvnem obtoku pade pod določen nivo, telo ve, da je čas, da se prične gostiti z zalogami glikogena.
Inzulin je peptidni (beljakovini podoben) hormon in je gensko kodiran.
Kurjenje sladkorja poteka v dveh korakih. Začne z njegovo pretvorbo v molekulo, imenovano piruvat. Anaerobni metabolizem je relativno neučinkovit način pridobivanja energije iz glukoze. Aerobni metabolizem kot proces poteka v mitohondrijih, klobasasto oblikovanih razdelkih (kompartmentih), ki jih na vsako človeško celico pride več sto.
Proizvodnja energije v celici z izgorevanjem sladkorja poteka v dveh korakih: glikolizi in ciklu citronske kisline. Prvi je anaerobni proces in drugi je aerobni.
Za mitohondrije domnevamo, da so bili nekoč ločeni bakterijski organizmi – mnenje podpira dejstvo, da imajo lastni DNA, ki je različna od glavne genetske knjižnice v celičnem jedru.
Kisik vstopi v telo skozi pljuča. Ker pa ni zelo topen v krvi, ga ta do mitohondrijev ne more prinesti preprosto z raztapljanjem. V srcu molekule hemoglobina so železovi atomi, ujeti v maticam podobnih molekulskih pasteh, imenovanih porfirini.
Ker so rastline in fotosintetske bakterije ob vznožju prehrambene piramide, dejansko celotno življenje na Zemlji poganja Sonce.
Medtem ko imajo sesalske tovarne za kurjenje goriva v obliki mitohondrijev, so središča na sončni pogon v celicah rastlinskih listov razdelki, imenovani kloroplasti. Kloroplast jemlje ogljikov dioksid in vodo ter sestavlja sladkor.
Kemike trenutno zelo zanima oblikovanje umetnih molekulskih sistemov, ki bi, podobno kot kloroplasti, prestrezali sončno svetlobo za pogon kemične sinteze.
Alfred Nobel se je ukvarjal z vprašanjem energije. Njegova inovacija ni bil izum energijsko bogate molekule, temveč način pakiranja obstoječega eksploziva v obliko, za katero je bilo manj verjetno, da bo komu eksplodirala v obraz.
Eksplozivnost nitrospojin izhaja iz dejstva, da se dušikovi atomi, ko snov vžgemo, preuredijo, da bi ustvarili dušikove molekule. Te molekule imajo zelo stabilne vezi, katerih ustvarjanje sprosti veliko energije. Medtem pa kisikovi atomi vzpodbujajo proces izgorevanja, kar mu omogoči, da se zgodi zelo hitro.
Dobri mali gibalci: molekulski motorji
Ali lahko zgradimo molekulo, tako, da bi potisnili atome na svoja mesta, enega za drugim? Leta 1959 si česa takšnega ni mogel zamisliti nihče, razen čarodeja domišljije, kakršen je bil Feynman.
Beljakovinske molekule, ki ustvarjajo gibanje so molekulski motorji, imenovani motorne beljakovine.
Richard Feynman se je v svojem govoru dotaknil področja nanotehnologije. Nanometer je merilo za razdalje, ki jih lahko merimo v molekulah.
Oblika molekule ni nikoli stalna; vedno vibrira in maha s svojimi mlahavimi deli. Mehanično gibanje je v svetu molekul vseprisotno.
Naša telesa izvajajo mnogo vrst usmerjenega transporta. Na primer, gibanje migetalk – lasem podobnih izrastkov, ki obdajajo dihalne poti naših pljuč in sapnika – premika sloj sluzi od obloge pljuč vse do grla, kjer se zbira kot flegma.
Molekulski motor, ki poganja ta gibanja, je beljakovina, imenovana dinein. Vsaka molekula dineina ima »nogo«, ki se zvija s pomočjo reakcije, ki porablja ATP. Dienin igra osrednjo vlogo v svetu celice, je eden od strojev, ki predmete premikajo naokrog.
Za transport vzdolž mikrotubulov v drugi (plus) smeri se uporablja drugačna motorna beljakovina, imenovana kinezin. Kinezin ima dve »nogi«
Miozin premika mišice. Miozin je dolga, tenka beljakovina, v kateri sta dve vijačni verigi zaviti druga okoli druge. Mišica se skrči, kadar se miozinske glave pripnejo na aktinske filamente in se potegnejo vzdolž njih. Princip je enak tistemu, s katerim se dienin in kinezin premikata vzdolž mikrotubulov.
V raziskovanju molekul je bil velik korak narejen na področju orodji, ki jih znanstveniki uporabljajo. Ena od teh inovacij je izum pincete za rokovanje z molekulami. Ta ni otipljiva, temveč je narejena iz svetlobe. Imamo pa tudi mikroskope z vrstično sondo.
Medtem, ko beljakovine poganja ATP, so nekateri raziskovalci mnenja, da bi sintetične molekulske motorje lahko poganjala svetloba.
Sintetični molekulski motorji imajo pred sabo še dolgo pot, preden se bodo lahko primerjali z naravnimi motornimi beljakovinami.
Dostava sporočila: molekulska komunikacija
Molekulska biologija se je dolgo zadovoljevala le z dokumentiranjem socialnih omrežij v celici; sklepala je, katere molekule se pogovarjajo s katerimi, ter o tem, kako le-te prihajajo in odhajajo. Toda navsezadnje to ni dovolj. Vedeti moramo tudi, o čem govorijo in kako se sporočila prenašajo od ene do druge.
Živčni signali iz možganov so eden od načinov, s katerim telo usklajuje svoja dejanja. Splošna sporočila, poslana globalno po vsem telesu so odposlana kot masovna pošta, izstreljena v krvotok v obliki molekul, imenovanih hormoni. Vsi hormoni so produkt endokrinega sistema, vrste žlez. Nadzorni sistem endokrinega sistema je hipotalamus. Vsi hormoni, ki se sproščajo iz hipofize, so peptidi. Male, beljakovinam podobne molekule.
Majhni in netopni hormoni se lahko preberejo z neposrednim genskim mehanizmom.
Signalna transdukcija je v celični biologiji mehanizem, s katerim se signal prenese z receptorske beljakovine na celični površini v celično notranjost. G-beljakovinski mehanizem prenosa signalov sta v sedemdesetih letih 20. stoletja odkrila Alfred Gilman in Martin Rodbell.
Nevroni si med sabo pošiljajo živčne signale – dejansko električne pulze – vzdolž cevastih kanalov, imenovanih aksoni.
Bolečinske signale sprožijo snovi, imenovane prostaglandini, ki jih izdelujejo in sproščajo celice v stiski.
Supramolekulska kemija je pravzaprav veda o spravljanju molekul v ohlapne povezave, ki jih je možno razstaviti nazaj v posamezne sestavne dele.
Kemični računalnik: molekulska informacija
Telo je polno molekul, ki jih ne kodira genom – zapisane ime le beljakovine, pa še ti zapisi se nekoliko premešani in v nepopolni obliki.
Kemiki se navajajo na idejo, da je molekule mogoče programirati, da se vedejo na določene načine, da je njihove lastnosti možno zapisati v predivo molekule, podobno, kot je zbir ukazov možno programirati v robota.
Prvi osnutek človeškega genoma je poln genov z neznanim namenom.
Posebna partnerstva baz narekuje njihova oblika. Bazi A in G sta podobni molekuli, kot sta tudi C in T.
Pri beljakovinah je večina verige ogrodje, ki drži na pravem mestu nekaj aminokislinskih ostankov, ki opravljajo katalitsko nalogo beljakovine. Napaka tu ali tam v ogrodju verjetno ni resna.
Napačno prepisana molekula RNA lahko ustvari stotine napačnih beljakovin.
Dedne napake so mutacije.
Molekula RNA potrebujejo zelo veliko urejanja, preden predstavljajo jasno sporočilo, primerno za prevajanje.
Mislimo, da le dva do tri odstotke celotnega človeškega genoma kodira beljakovine.
Ideja, da je naša genska sestava nekaj najsvetejšega, težko vzdrži, če vemo, kako negotova, da ne rečemo naključna je. Naši genomi so večinoma s paraziti posejane smeti, polni drobirja več kot treh milijard let evolucije.
Vse bolj prevladuje mnenje, da bi za nadaljnje povečevanje hitrosti in moči računalnikov morali biti njihovi sestavni deli – posamezne molekule.
