Războiul stelelor celular

1. Războiul stelelor celular

2. Primul care a observat celulele a fost Robert Hooke în anii 1600, contemporan cu Newton, binecunoscut pentru legea deformării elastice.

4. Există o varietate uluitoare de forme la nivel celular. Cu ani în urmă oamenii se gândeau să facă călătorii într-un submarin microscopic care pătrunde în fluxul sanguin.

5. Astăzi nanoroboţii pot face asemenea călătorii fantastice. Singura problemă este cum să îi construim. Primul lucru ce trebuie să-l facem este să găsim un material din care să facem învelişul exterior. Să folosim un material plastic ca în imagine? Este prea gros şi rigid. Poate o fulerenă C60 ne-ar fi de folos… 0

6. Membrana celulară

7. Marile idei ne vin când privim ceva frumos. Rujul şi crema de faţă. Din acestea se pot face cele mai bune învelişuri pentru nanoroboţi. De ce? Pentru că crema este făcută din mici învelişuri sferice (vezicule) care conţin în interior substanţele utile feţei.

8. Dar de ce nu putem să folosim direct substanţele utile feţei? De ce mai trebuie să le introducem în vezicule? Celulele sunt făcute din acelaşi înveliş: un bistrat fosfolipidic. Iar celulele acceptă uşor numai ceea ce este asemenea lor. În caz contrar, substanţele utile sunt declarate obiecte străine, sistemul imun intră în alertă şi acestea sunt izolate şi distruse.

9. Acum dacă am găsit materia primă pentru învelişul nanoroboţilor, cum reuşim să asamblăm aceste molecule? Magia constă în faptul că se auto-asamblează singure. Dacă le introducem în apă, capul hidrofob fuge de apă (energia de interacţie cu apa e pozitivă), iar cel hidrofil este atras de ea (energia de interacţie cu apa e negativă). Moleculele se auto-organizează astfel ca să minimizeze energia.

10. Oare auto-asamblarea nu contravine principiului al III-lea al termodinamicii care spune că procesele din natură trebuie să evolueze spre stări cu entropie mai mare, adică stări mai dezordonate? Din imagine vedem că iniţial moleculele de apă sunt mai ordonate decât în starea finală, prin urmare entropia apei creşte prin auto-asamblare.

11. Moleculele se auto-organizează astfel ca să minimizeze energia şi să mărească entropia. Structura din imaginea a) e imposibilă. În schimb moleculele fosfolipidice formează cilindrii b) sau sfere c) cu capul hidrofil în exterior. Nanorobotul nostru va avea antene hidrofile... c

12. Cât de mare trebuie să fie nanorobotul nostru pentru a intra în interiorul celulei. Aşa? Nu, este mult mai mic, precum o navă spaţială faţă de o stea!

13. Dar unde găsim o intrare, o poartă de trecere?

14. Dacă ne apropiem suficient de celulă vom vedea că are nişte intrări, canalele ionice. Din păcate sunt prea mici pentru nanorobot care are 30nm. Prin canalele ionice pot pătrunde numai ionii de Na şi K. Putem vedea cum se închid şi se deschid la anumite intervale. De ce oare?

15. Membrana este ca un condensator cu grosimea d=2nm. Deşi tensiunea U=10mV este mică, câmpul electric rezultat este colosal E=U/d=104-105 V/cm Într-un nor cu descărcări electrice avem un câmp electric de numai 103 V/cm. Na+ K+ Membrana are nişte porţi care se închid şi se deschid în funcţie de potenţialul aplicat pe membrană. Aceste porţi sunt selective, prin ele pot trece numai ionii de Na sau numai ionii de K. Există multe alte tipuri de porţi dar ne oprim numai la cele numite canale ionice.

16. Canalul ionic de K Potenţialul aplicat poae modifica structura canalul şi îl poate închide sau deschide.

17. Traiectorii ale ionilor de K. Imaginile sunt luate la intervale de 5 ns.

18. Deschiderea şi închiderea succesivă a canalelor ionice din membrana unui celule nervoase permite transmiterea unei unde de potenţial electric şi odată cu ea a unei informaţii prin nerv.

20. A. Iniţial U=-70mV în interiorul celulei. Avem exces de K+ şi lipsă de Na+. B. Canalul ionic se deschide pentru tensiunea de prag Up =-50mV. Ionii de Na circulă până ce tensiunea ajunge la U=20mV. În acest moment canalele de sodiu sunt inactivate de câmp (C.).

21. C. tensiunea scade lent în decurs de 1msec canalul ionic se saturează cu ioni de K+. În acest moment are loc creşterea bruscă a fluxului de ioni K+ şi tensiunea scade brusc la U=-90mV. D. Canalele de sodiu se activează şi tensiunea creşte lent în decurs de 1msec la U=-70mV. Canalul revine la starea iniţială.

22. Deoarece nanorobotul nu poate pătrunde în celulă prin canalele ionice, el ar putea s-o facă dacă se lasă “mâncat” de celulă, proces numit fagocitoză. La lab. de biologie cu microscopul optic am văzut cum ameoba îşi prelungeşte pseudopodele, înconjură hrana şi o înglobează în interiorul unor vezicule. Dar după înglobare, nanorobotul nostru se întâlneşte cu... Ameoba se observă particulele înglobate

23. Vezicula în care se află nanorobotul se uneşte cu un lisozom sau se transformă ea însăşi într-un lisozom. Interiorul lisozomului este f. acid precum o cuvă uriaşă cu acid sulfuric. Enzimele pe care le conţine atacă rapid nanorobotul şi îl descompun în cele mai mici unităţi componente. Nanorobotul devine “praf cosmic”.

24. Singura cale de a pătrunde neobservat în celulă, cale folosită şi de viruşi este de a “găuri” membrana (proces numit liză sau “topirea” membranei) şi a pătrunde pe acolo. Viruşii au un vârf ascuţit conţinând enzime asemănătoare celor din lisozom care atacă şi topesc membrana celulară. În imagine avem bacteriofagul T4 care găureşte membrana unei bacterii.

25. În imaginea de sus bacteriofagul T4 găureşte membrana şi introduce materialul său genetic din lanţul de ADN conţinut în “creierul” său. ADN-ul joacă rolul de memorie. Din imagini putem aprecia dimensiunea viruşilor. În imaginea de jos avem bacterii pe o celulă.

26. Odată ce proteinele sunt sintetizate în ribozomi, ele sunt trimise în complexul Golgi.

27. În aparatul Golgi proteinele sunt procesate în continuare şi primesc o “etichetă” cu destinaţia de utilizare din interiorul celulei. El intră pe faţa cis şi iasă pe faţa trans.

28. Dar toate procesele metabolice necesită energie. Aceasta este extrasă din oxigen (hidrogen şi electroni liberi) la nivelul mitocondriei şi este stocată în molecula de ATP. ATP-ul este transportat şi utilizat în interiorul celulei unde au loc procesele metabolice

29. În plante mai există încă o metodă de extragere a energiei din cea solară prin procesul de fotosinteză la nivelul cloroplastului .