Podczas ćwiczeń rozprowadzam energię zgodnie ze wskazówkami zegara, ale muszę patrzeć na siebie tak, jakbym stał na przeciwko
Thotal widze, ze juz intuicyjnie wyczuwasz zwrotnosc.
O cwiczeniach napisze jeszcze, bo gdy robisz je wg wskazowek zegara ... to pozbywasz sie calej masy energii, bez sensu, po takich cwiczeniach bedziesz bardziej zmeczony niz przed. Wroce do tematu niebawem.
Na dzis zajelam sie zagadnieniem sterujacej wici, jako silnika napedowego protonowego w rozmiarach nanotechnologicznych.
"Silnik protonowy bakterii Escherichia coli robi ostatnio oszałamiającą karierę często pojawiając się w literaturze kreacjonistycznej jako przykład systemu nieredukowalnie złożonego. Przykład ten spopularyzował amerykański biolog molekularny, Michael Behe w swojej bestsellerowej książce Darwin's Black Box. [1] Dzieje się tak ze względu na intuicyjne narzucającą się analogię tego systemu z wytworami ludzkiej technologii oraz na niezwykłe wyrafinowanie jego funkcjonowania i budowy, dzięki czemu niektórzy naukowcy nazywają bakteryjny silnik protonowy "najbardziej wydajną maszyną świata". Nic dziwnego, że ta molekularna maszyna stała się wręcz maskotką ruchu teorii inteligentnego projektu. [2]
Nanotechnologia w praktyce
Escherichia coli (pałeczka okrężnicy) jest jednokomórkowym cylindrycznym organizmem żyjącym powszechnie w naszych jelitach. Swoją nazwę zawdzięcza austriackiemu lekarzowi — Theodorowi Escherichowi — który po raz pierwszy zaobserwował ją i opisał. W normalnych warunkach jest to organizm symbiotyczny, ponieważ wnosi pewien wkład w nasze odżywianie się: rozkłada w jelitach niektóre białka (m.in. kolagenowe) do stanu, w którym mogą być one wchłonięte przez ścianki jelit (oczywiście samemu się przy tym posilając).
Twór ten waży tylko około 1 pikograma, czyli jedną bilionową cześć grama (1 pikogram (pg) = 10-15 kilograma) z czego około 70 procent stanowi woda i przypomina krótki walec średnicy jednego mikrometra (jedna tysięczna milimetra, 1 mikrometr (μm) = 10-6 m) i długości około dwóch mikrometrów.
Niektóre szczepy posiadają narządy lokomocyjne i potrafią się poruszać, niektóre zaś nie. Kiedy bakterie wyposażone w systemy lokomocyjne rozmnażają się w bogatym w pokarm środowisku (takim jak roztwór soli z dodatkiem mieszanki aminokwasów i cukrów) potrafią one w czasie jednej sekundy przepłynąć odległość równą około 30-40 długościom swojego ciała (nie licząc długości wici). [3] Ruch ten odbywa się zasadniczo w osi długiej ciała bakterii, ale odcinki ruchu prostolinijnego są przerywane nagłymi zwrotami, zwykle o ponad 60-90 stopni. Przerwy w ruchy prostolinijnym zdarzają się u E. coli średnio co 10 sekund.
Ruch umożliwia bakterii skorelowana praca zestawu silników, każdy o średnicy tylko 45 nanometrów (cztery milionowe części milimetra) i wysokości 60 nanometrów (1 nanometr (nm) = 10-9 m). Każdy silnik porusza długą, spiralną wić, kilkakrotnie dłuższą od ciała bakterii. Bakteria posiada zespół czujników biochemicznych (chemoreceptorów), rejestrujących różnice stężenia pokarmu w otoczeniu. Kierując się wskazaniami tych sensorów, bakteria może modulować pracę silników kierując się dzięki temu w obszar bogatszy w odżywcze składniki. Oprócz chemoreceptorów, silników i wici, standardowe wyposażenie E. coli stanowią "prędkościomierz" i "skrzynia biegów", pozwalająca na różne tryby pracy silnika.
Układ napędowy (flagellum) bakterii składa się z 3 elementów:
rotacyjnego silnika protonowego o odwracalnym ciągu osadzonego w ścianie komórkowej (jego wewnętrzna część umieszczona jest w cytoplazmie, zewnętrzna w zewnętrznej błonie komórkowej);
krótkiego haczyka (kątnika), który pełni funkcję elastycznego łącza;
długiej spiralnej wici.
Obserwacje nad pałeczką jelitową Salmonella typhimurium, należącą do tej samej rodziny co bakteria Escherichia coli, wykazały, że kątnik jest strukturą elastyczną, zbudowaną z jednakowych elementów białkowych o masie cząsteczkowej 42 000, natomiast wić jest praktycznie sztywnym tworem przypominającym, pod względem kształtu, spiralę korkociągu. Jeden zwój sprali ma długość dwóch mikrometrów, czyli długość ciała bakterii, a długość całej wici jest 8-10 razy większa od długości ciała bakterii. [4] Średnica zwoju wynosi około 0,2 mikrometra, zaś grubość wici 0,02 mikrometra (20 nm). Wić zbudowana jest z białka zwanego flagelliną. Na jeden zwój spirali wici przypada około pięciu tysięcy cząsteczek flagelliny.
Napęd do wici dostarczają każdej bakterii molekularne silniki w liczbie od 4 do 6, bo tyle ich zazwyczaj posiada E. coli, napędzane strumieniem protonów. Obroty generowane są pomiędzy statorem sztywno osadzonym w ścianie komórkowej (peptydoglikanowej) a rotorem połączonym z wicią. Silnik jest napędzany przez strumień protonów (jonów wodoru) płynących z zewnątrz do wnętrza bakterii (z wyjątkiem bakterii morskich i bakterii żyjących w wysokim pH, które zamiast protonów używają jonów sodu). Źródłem energii jest międzymembranowy potencjał elektryczny — gradient elektro-dodatni, tzw. gradient chemiosmotyczny ΔμH+. [5]
Jak każdy techniczny silnik elektryczny, tak i silnik bakteryjny posiada rotor, stator i łożyska (zob. rys. 2). Ośka (wał napędowy), ustawiona pionowo do powierzchni błony komórkowej, zabudowana jest pomiędzy dwie sąsiadujące membrany w błonie komórkowej. Środkowa membrana spełnia rolę dielektryka (izolatora) kondensatora, który naładowany jest na zewnątrz dodatnio, a wewnątrz — ujemnie. Powstające przy tym napięcie elektryczne wynosi 0,2 wolta. W odróżnieniu od innych molekularnych maszyn napędzanych hydrolizą ATP (adenozynotrójfosforanu), bakteryjny silnik napędzany jest bezpośrednio przez gradient elektrochemiczny. Specjalny system molekularnych pomp, wykorzystując złożone metaboliczne procesy, wypompowuje protony z wnętrza komórki "pod prąd" ciśnienia osmotycznego, wytwarzając w ten sposób wspomniany gradient elektro-dodatni. Powstająca w ten sposób różnica potencjałów z powrotem przyciąga protony do wnętrza komórki, co wykorzystuje bakteria do napędzania nimi silników. [6]
Mechanizm generowania obrotów rotora jest słabo poznany. Wiadomo jednak, że odpowiadają za to złożone interakcje pomiędzy nim a statorem. [7] Istnieją trzy modele tłumaczące ten machanizm: model turbiny wodnej, model "kołowrotka" i model elektrostatycznej turbiny protonowej.
Według modelu turbiny wodnej, protony lub jony sodu płynące na powierzchni białek statora MotA i MotB wywołują kierunkowy ruch cząsteczek wody, który zmienia sferyczny kształt tych białek, dzięki czemu wywierają one nacisk na rotor w ten sposób go napędzając. [8]
Model "kołowrotka" zakłada, że protony/jony sodu wpływają do specjalnego tunelu w białkach kompleksu statora MotA i MotB i kierowane są do specyficznych komponentów rotora. Wymusza to ruch rotora, który dalej przekazuje te protony/jony sodu do następnego tunelu w statorze, skąd płyną one już do cytoplazmy (zob. rys. 3).
Nanotechnologia w praktyce — ciąg dalszy
Nie od rzeczy będzie wspomnieć o nadzwyczajnych właściwościach białka flagelliny, z którego zbudowana jest wić. Cząsteczki tego białka (oznaczonego jako FliC) o masie cząsteczkowej 54 000 mają zdolność do łączenia się razem w regularne struktury podobne do nici i spirali o różnym promieniu krzywizny. Jest to proces przypominający krystalizację. Bakteria buduje z flagelliny zawsze ściśle określoną formę sztywnej, skręconej w kształt korkociągu rureczki. Podczas montażu wici powstaje pytanie w jaki sposób tysiące cząsteczek flagelliny dostarczane są do nowo powstającej i wydłużającej się wici (a musi być to mechanizm niezwykle wydajny, ponieważ jeden skręt spirali wici składa się z około 5000 cząsteczek tego białka).
Otóż flagellina transportowana jest na koniec aktualnie montowanego odcinka poprzez specjalny kanał wewnątrz budowanej wici w tempie około 50 cząsteczek flagelliny na sekundę. Proces budowy wici wieńczy umieszczenie na jej końcu specjalnej nasadki.
Utworzona ostatecznie wić jest strukturą prawo- lub lewoskrętną, przy czym zmiana "skrętności" wici zachodzi przy każdej zmianie kierunku obrotów silnika obracającego wić. Przy obrotach silniczka zgodnego z ruchem wskazówek zegara wić wykazuje prawoskrętność i odwrotnie, przy obrotach w przeciwnym kierunku wykazuje lewoskrętność. Wić nadająca bakterii ruch postępowy w płynnym środowisku jest zatem odpowiednikiem śruby okrętowej lub śmigła. Wszystkie te właściwości wici narzucają szczególne wymagania wobec materiału, z którego jest ona zbudowana. [11]
Proces budowy silnika jest przykładem zdumiewającej precyzji wymagającym skorelowanej, wieloaspektowej dynamiki. Do zmontowania całego funkcjonalnego silnika bakteria potrzebuje około 30-40 genów i ich produktów. Są to grupy genów oznaczone jako fla (np.: flg, flh, fli lub flj) i mot, ponieważ kodują one białka potrzebne do konstrukcji silnika i poruszania się bakterii — flagella i motility. Defekt jakiegokolwiek z tych genów powoduje zawsze kompletne załamanie się podstawowej funkcji silnika. Produkty tych genów — białka o zróżnicowanej masie cząsteczkowej od 8000 do 76 000 — oznaczane są analogicznie do kodujących je genów jako np.: FlgE, FlgH, FliI, lub MotA, MotB (zob. rys. 5).
We właściwych momentach włączane są odpowiednie geny syntetyzujące właściwe białka, po czym białka te są odpowiednio transportowane i montowane. Budowa tego precyzyjnie zintegrowanego zespołu napędowego rozpoczyna się od zmontowania najbardziej wewnętrznego (względem błony komórkowej) kręgu rotora, następnie powstaje ośka, dalej kolejne kręgi rotora, składający się przypuszczalnie z ośmiu elementów stator, następnie kątnik (uniwersalne elastyczne łącze) przez który z kolei budowana jest z tysięcy cząsteczek flagelliny wić. Materiał do budowy wici transportowany jest poprzez kanał przebiegający przez centrum kątnika, ośki i dalej na zewnątrz, środkiem rurkowatej wici. U wejścia do tego kanału znajduje się specjalne urządzenie, regulujące dopływ tego materiału (zob. rys. 5). [12]
Aby uświadomić sobie szybkość z jaką powstaje ta molekularna maszyna, wystarczy powiedzieć, że cała bakteria E. coli powstaje w czasie nie dłuższym niż 1200 sekund.
Natomiast cały genom E. coli składa się z podwójnej nici polimeru DNA około 700 razy dłuższego od ciała bakterii. Bakteryjne DNA zawiera 4 639 221 par zasad, które składają się na 4 288 genów, z których większość koduje białka. Dotychczas poznano funkcję tylko około 60 procent z tych białek. Około 50 różnego rodzaju białek jest wymaganych do montowania układu nawigacyjnego i lokomocyjnego bakterii pozwalających jej poruszać się w kierunku chemicznie atrakcyjnego środowiska i oddalać się od nieatrakcyjnego (chemotaxis).
Tak długa — w stosunku do ciała bakterii — helisa DNA narzuca specjalne wymagania co do jej czysto mechanicznego upakowania wewnątrz bakteryjnej komórki, przy konieczności szybkiego pobierania z niej potrzebnej informacji. Odcinki DNA, na których zakodowane są informacje niezbędne do prawidłowego skonstruowania elementów silnika, wici i systemu nawigacji rozrzucone są w różnych regionach nici DNA. Odnalezienie tych informacji wewnątrz podwójnej helisy DNA jest problemem niezwykle skomplikowanym i choć komórka radzi sobie z tym doskonale, to jednak mechanizm wyszukiwania i selekcjonowania tych informacji pozostaje nadal w dużej mierze zagadką. Wystarczy wspomnieć, że chemiczna struktura DNA pozwala odczytywać szyfr molekularny na sześć różnych sposobów, z których zwykle tylko jeden jest prawidłowy.
Wykryto dotąd wiele elementów kilkupiętrowego systemu sygnałów chemicznych koniecznych do precyzyjnego odczytywania informacji, ukrytej wewnątrz DNA. Równocześnie wykryto wiele modyfikacji, jakim wstępna, "surowa" informacja — wydobyta z DNA — jest poddawana, zanim osiągnie poziom wystarczający do sterowania pewnymi etapami rozwoju. [13]
Na osobne potraktowanie zasługuje układ nawigacyjny wyznaczający kierunek ruchu bakterii. Układ ten reaguje na różne na różnego rodzaju bodźce chemiczne dzięki specjalnym cząsteczkom białka odgrywającym rolę chemoreceptorów. Wyróżniono trzy zasadnicze sposoby lokomocji bakterii:
1.
Lokomocja chaotyczna. W jednorodnym środowisku bogatym w odżywcze składniki, lokomocja bakterii przypomina chaotyczne ruchy w trójwymiarowej przestrzeni. Bakteria co kilka sekund osobno włącza swoje silniki (wić porusza się wtedy zgodnie z ruchem wskazówek zegara), ale tylko na jedną dziesiątą część sekundy, dzięki czemu bakteria zmienia kierunek poruszania się o 60-90 stopni ("koziołkuje"). Wykorzystuje do tego jednak nie siłę bezwładności. Przy rozmiarach i wadze E. coli jej lokomocja zdominowana jest nie przez siłę bezwładności, ale lepkość cieczy, w której się porusza. Bakteria wykorzystuje fakt, że na poprzecznie ułożoną względem dłuższej osi ciała bakterii wić działa około dwukrotnie większa siła lepkości niż na tę ułożoną wzdłuż ciała, co pozwala wykorzystać tę pierwszą jako swoisty "hamulec" odkształcający kierunek poruszania się komórki. [14]
Za następnych kilka sekund bakteria ponownie na krótką chwilę uruchamia silniki, ale tym razem na wstecznym ciągu, czyli wici obracają się przeciwnie do wskazówek zegara, co znowu pozwala bakterii "przekoziołkować" i zupełnie zmienić kierunek poruszania się.
2.
Lokomocja przeszukująca. Jeśli jednak sensory E. coli wykryją rosnące w określonym kierunku stężenie odżywczych składników, wtedy jej częste "koziołkowanie" jest natychmiast wygaszane. Silniki przełączają się na inny, bardziej jednostajny tryb pracy (rotacja przeciwna do ruchów wskazówek zegara) kierując w ten sposób bakteryjną komórkę w kierunku bogatszego źródła odżywczych składników. Chaotyczny "wypas" zamienia się w zygzakowaty kurs w określonym kierunku (bakteria korektuje go dzięki możliwości dwukierunkowej pracy silników — patrz niżej).
3.
Lokomocja ucieczki. Ten sposób lokomocji jest obserwowany, gdy bakteria wykryje w otoczeniu pojawienie się szkodliwych substancji. W tej sytuacji bakteria szybko oddala się od obszaru koncentracji takich składników.
zrodlo:
http://creationism.org.pl/artykuly/MOstrowski2
