15 nov. 2013

Grandiosas Máquinas Moleculares Creadas por la Naturaleza

Para sobrevivir y funcionar adecuadamente, las células requieren llevar a cabo ciertas tareas esenciales tales como reconocer el ambiente en el que están, moverse en el, procesar nutrientes para producir energía y componentes celulares, desplazar componentes celulares a diversas partes de la célula, etc.

¿Como hacen esto?

En la mayoría de los casos estas tareas son realizadas por pequeñas máquinas moleculares hechas de proteína que a penas alcanzan unos cuantos nanómetros de tamaño. Estas moléculas que realizan las actividades que sustentan la vida son consideradas máquinas por que usan energía para realizar un trabajo: ya sea un movimiento mecánico o una reacción química.

A diferencia de las máquinas que encontramos en nuestro mundo macroscópico estas diminutas maquinas moleculares son capaces de evolucionar y adaptarse, de auto-ensamblarse por sí mismas, no son afectadas por la gravedad, trabajan en presencia de agua, son muy eficientes y por lo regular todas sus partes están íntimamente relacionadas por lo que no pueden ser modificadas o diseccionadas fácilmente. Cuando las contemplamos hacer su trabajo su complejidad no deja de maravillarnos.

Existe una lista muy larga de estas grandes maravillas que la naturaleza y la evolución han creado. A continuación solo mencionaremos unas cuantas.

ADN Polimerasa.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)



ADN polimerasa. Esta proteína en conjunto con otras proteínas realiza la copia o replicación del ADN en la célula. La ADN polimerasa añade nucleótidos libres en solución a una naciente cadena de ADN que es complementaria a la cadena original que sirve de molde. Es una tarea fundamental que sustenta la vida. Además la ADN polimerasa es usada muy ampliamente en diversas técnicas de biología molecular, entre ellas la reacción en cadena de la polimerasa.

En este video a partir del minuto 1:43 puedes ver a la ADN polimerasa en acción.







Fotosistema I.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)

Fotosistemas I y II. Estos complejos que involucran varias proteínas se ubican en el corazón del proceso de la fotosíntesis. Ellos se dedican a captar los fotones provenientes de la luz solar para extraer su energía y transferirla a ciertos compuestos como CO2 para almacenarla y producir carbohidratos y O2, dando sustento a la vida que existe en nuestro planeta. Después de absorber la energía de la luz con la ayuda de pequeñas moléculas coloridas como clorofilina o carotenoides, los fotosistemas I y II extraen electrones altamente energéticos de las moléculas de agua que son inmediatamente transferidos a diversas proteínas produciendo protones (iones de hidrogeno, H+) que se usaran para producir ATP, la reserva de energía de la célula (ver más adelante). Al final los electrones son transferidos a una molécula llamada NADPH la cual los entrega a diversas enzimas que sintetizaran azúcares a partir de agua y dióxido de carbono.

En esta animación puedes ver detalles de cómo funciona el fotosistema II: Video Fotosistema II





ATP Sintasa.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)





ATP sintasa. Esta extraordinaria máquina molecular está formada por varias proteínas y funciona como una turbina molecular. Ella se dedica a producir ATP (Adenosina Trifosfato, la reserva de energía en la célula) a partir de un flujo de protones (H+) que ella misma bombea desde el interior de un compartimento hacia su exterior. El mecanismo con el que trabaja es de admiración. La ATP sintasa está compuesta de dos motores rotatorios conectados por un estator o parte fija. El primer motor, F0, es movido por el flujo de protones a través de la membrana y el segundo, F1, por ATP. Cuando F0 se mueve también rota a F1 en la dirección que se sintetiza ATP. De esta manera la producción de ATP esta acoplada al flujo de protones a través de la membrana. Como se puede imaginar, la reacción opuesta se puede llevar a cabo y revertir el flujo de protones.

Este video muestra en acción a la ATP sintasa.

Ribosoma.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)




Ribosomas. Esta maravillosa máquina de ensamblaje o producción de nuevas proteínas es un cumulo altamente organizado de muchas subunidades formadas entre proteínas y ARN. Siendo su función la producción de proteínas en las cuales se incluyen las máquinas moleculares o los propios componentes de los ribosomas, por lo que los ribosomas pueden ser considerados máquinas que ensamblan otras máquinas ensambladoras.


Admira el fantástico funcionamiento de los ribosomas en este video: Video Ribosomas



Anticuerpo.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)


Anticuerpos. Estas proteínas reconocen moléculas al cuerpo humano y que pueden ser nocivas. Suelen circular por todo el cuerpo humano escudriñando cada objeto que tocan. Si un objeto es potencialmente nocivo se unen a su superficie firmemente y lo recubren, por ejemplo en el caso de un virus, o bien lo marcan y alertan a otros sistemas moleculares de su presencia. Los anticuerpos tienen dos brazos flexibles que reconocen ciertas características químicas y geométricas en la superficie de un objeto. El sitio de unión esta en un hueco situado en la punta de cada brazo. Para reconocer distintos blancos los anticuerpos varían enormemente las combinaciones de los aminoácidos localizados en el sitio de unión aumentando enormemente las capacidades de reconocimiento de un mayor número de agentes ajenos y nocivos.

En el video se observa a los anticuerpos con forma de “Y” recubriendo a una bacteria y evitando su unión a una célula. Al final la bacteria recubierta de anticuerpos es tragada por una célula dendrítica.

Existen muchas otras máquinas moleculares increíbles como la miosina o kinesina que transportan componentes celulares o vesículas llenas de moléculas, el flagelo que propulsa células enteras, las bombas de calcio, el proteosoma, la hemoglobina, cápsides virales, etc. Estas máquinas moleculares por lo general trabajan más eficientemente que nuestras máquinas macroscópicas.

Kit de herramientas moleculares.
Contruye tu propia maquina molecular.

Imagen de Jakob Schweizer, BIOTEC/TU Dresden] (c)
Actualmente muchos científicos trabajan no solo en entender como funcionan si no tambien en utilizarlas para obtener energía barata y limpia, o producir materiales para nuestra vida diaria y para curar enfermedades. Una de los aspectos mas interesantes es que ahora es posible construir máquinas moleculares artificiales inspiradas por las creadas por la naturaleza.

Para ver una impresión artística de cómo trabajan las maquinas moleculares en el interior de la célula ve este impresionante video:

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