¿Cómo funcionan las células realmente?

Queridos químicos y físicos: Sé que estoy simplificando mucho el material aquí, por lo que me disculpo.

Puedes explicar casi todo lo que ocurre a nivel molecular dentro de las células usando las siguientes dos observaciones:

• Los átomos y las moléculas a temperaturas superiores al cero absoluto tienen energía cinética
• Cargas opuestas atraer; al igual que las cargas repelen

El primer punto básicamente significa que las moléculas se mueven . Los enlaces entre los átomos dentro de una molécula pueden rotar, doblarse y estirarse, y la molécula en su conjunto puede moverse. Entonces, las moléculas que componen los sistemas vivos están en movimiento constante y aleatorio.

El segundo importa mucho porque hay muchas cargas en las moléculas biológicas. El ARN y el ADN tienen una carga muy negativa, mientras que una cuarta parte de los 20 aminoácidos que componen las proteínas están cargados (dos negativamente y dos positivamente). Además de todas las cargas enteras, las células se llenan con carga fraccional resultante de una distribución desigual electrones. Cada molécula de agua contiene dos dipolos (que van de un átomo de hidrógeno al átomo de oxígeno) porque los electrones pasan más tiempo cerca del átomo de oxígeno que los átomos de hidrógeno. Esto crea cargas parciales que tienen los mismos efectos atractivos y repulsivos que sus primos plenos, solo que más débiles. Las moléculas que forman dipolos se llaman polares y las macromoléculas biológicas están llenas de ellas. Las bases de ARN y ADN son polares (y los enlaces débiles formados por sus grupos polares son los que causan la formación de ADN y ARN bicatenario), y hay tres aminoácidos polares.

Es la interacción entre iones y dipolos lo que impulsa la forma y la función de las macromoléculas biológicas. Cada átomo en cada molécula tiene muchas fuerzas atractivas y repulsivas que actúan sobre él, lo que hará que el átomo se mueva (junto con cualquier cosa a la que esté unido) hasta que la fuerza neta que actúa sobre él sea cero. Por supuesto, el movimiento debido a la energía cinética lo perturba constantemente, por lo que ningún átomo está verdaderamente en reposo.

Las proteínas son especialmente sensibles a este tipo de fuerzas, ya que están formadas por muchos aminoácidos que no son polares y, por lo tanto, no son atraídos ni repelidos por los enlaces polares del agua. Todos los sistemas termodinámicos naturales (de los cuales la vida es un conjunto) existen en un estado de energía potencial minimizada, y cada molécula de agua que interactúa con un aminoácido no polar es una fuente de energía potencial. Por lo tanto, las orientaciones de las proteínas que ponen aminoácidos hidrofóbicos en el interior, lejos del agua, son mucho más comunes.

Los fenómenos biológicos generalmente se pueden explicar apelando a estos dos procesos. Usemos la transcripción como ejemplo.

La enzima proteínica que utiliza el ADN como plantilla para sintetizar ARN (mediante el proceso de transcripción) se denomina ARN polimerasa. Esta enzima es en realidad proteínas múltiples “ligadas” entre sí (lo que realmente significa es que tienen superficies complementarias que maximizan el número de interacciones polares / iónicas e “interacciones hidrófobas”, incluso mientras las moléculas individuales se mueven por su cinética energía, hay suficientes interacciones en las superficies para evitar que se separen), cada una con una función diferente. Una proteína “dirige” el complejo al ADN (realmente tiene una superficie cargada positivamente que coincide con la forma del ADN con carga negativa, de modo que cuando el complejo RNAP choca aleatoriamente con el ADN, esto asegura que permanezca unido), otra proteína “informa “sobre si RNAP está unido al ADN” correcto “(esta es una proteína que tiene una superficie que reconoce bases específicas de ADN y la forma general cambia cuando esta superficie está” ligada “al ADN; este cambio de forma expone un nuevo superficie, que causa que otra proteína en RNAP se “vincule” y a ella y cambie de forma, eventualmente exponiendo la parte de RNAP que tiene la química de agregar nucleótidos al ARN). Una vez que se expone el núcleo catalítico de RNAP, los nucleótidos libres que se han topado aleatoriamente con RNAP durante este proceso ahora tienen una ubicación “productiva” para toparse; si caen en la orientación correcta relativa tanto a RNAP como a la única cadena de ADN que está dentro de ella, permanecerán inmóviles el tiempo suficiente para que tenga lugar la polimerización de ARN, extendiendo la molécula de ARN en crecimiento en una base.

Cada proceso en la célula se puede describir en estos términos, pero como puede ver, son bastante difíciles de manejar (por lo que tendemos a recurrir a sus atajos “antropomorfizados”). Los eventos individuales de la posición de cambio de átomos individuales tienen lugar en las escalas de tiempo de femtosegundos (mil billones de femtosegundos son un segundo), por lo que pueden tener lugar muchos, muchos contactos “improductivos” y dar lugar a fenómenos que ocurren en la escala de tiempo de micro a milisegundos.

Todo en una célula debe seguir las leyes de la física.

Las células existen para reproducirse (está bien que otras no, pero ayudan a otras células, como los espermatozoides / óvulos humanos), en particular para mantener la reproducción del genoma (los virus no concuerdan con la definición de vida porque son parasitariamente dependientes de las células, pero también están tratando de reproducir su genoma). El dogma central en biología molecular es:

Tenga en cuenta que tener una membrana celular es innecesario, pero es útil para mantener las cosas necesarias y las cosas no deseadas.

Probablemente la razón más simple por la que se mueve un ARNm es debido a la difusión pasiva desde una región de alta concentración (como el núcleo) a una concentración menor (como el citoplasma, que en realidad está repleto de otras moléculas). Pero eso es una simplificación excesiva, ya que el ARNm está blindado y modificado para la exportación nuclear. http://jcs.biologists.org/conten …

Sé que el ribosoma se une a … Sitios de unión a ribosomas, lol. Son secuencias que tienen un alto grado de conservación y estabilizan una subunidad del ribosoma, que luego estabiliza la unión de la subunidad grande y conduce a la traducción. El codón de terminación (detención) en la secuencia de ARNm conduce al complejo ribosómico a desestabilizarse y romperse.

Parte de esto puede ser difusión simple, con moléculas que se mueven aleatoriamente hasta que coinciden con la correcta y haga clic.

Aparte de eso, tiene que haber mecanismos de transporte, que probablemente no sean visualmente obvios si no incluyen grandes estructuras sólidas.

La más simple es probablemente si el emisor se dirige a la carga mediante el enlace de una molécula que se unirá con una molécula receptora correspondiente en el destino, y luego también espera la difusión. Supongo que esto es morfizar postalmente el proceso, si imaginas a un cartero haciendo una caminata aleatoria.

La transcripción en sí es después de que el ribosoma y el ADN ya están en contacto. El ARN de transferencia (ARNt) es probablemente un ejemplo de lo que acabo de describir, uniendo nucleótidos o aminoácidos al ARN que el ribosoma puede leer.

Los ribosomas etc. que tienen la forma correcta dependen del “plegado”, que está en la parte superior de la estructura de la cadena lineal, los grupos laterales están dispuestos de manera que se adhieren entre sí con enlaces de hidrógeno para hacer que la cadena se convierta en una estructura tridimensional.

Para “propósito” debes leer “esta configuración ocurrió de alguna manera, luego porque es capaz de reproducirse, se volvió común”. O que hubo una larga serie de evoluciones desde entonces. La hipótesis del mundo del ARN suena convincente.

Principalmente, el movimiento de los reactivos a sus sustratos está mediado por un movimiento aleatorio debido a la energía cinética, la difusión y la ósmosis. Y movimiento controlado debido a cargas diferenciales, dipolos momentáneos y polaridad.

Quora User da una respuesta más detallada pero que, sin embargo, es la misma en esencia.

Ambas simplifican enormemente los procesos en algunos casos, por ejemplo, hay varios sistemas biológicos que dependen de actuar contra un gradiente de difusión, y los mecanismos que lo logran son mucho más complejos que esto pueda sugerir.

Gracias por el A2A, Ryan. Pero no creo que pueda mejorar las respuestas que ya tiene. No había pensado antes sobre las explicaciones antropomorfizadas, pero por supuesto tienes razón.

Así que primero la química se convirtió en física, luego la biología se convirtió en química y ahora la biología se ha convertido en física. Solía ​​ser que la biología era percibida como una ciencia suave como las ciencias sociales porque (se decía) es solo observación y no exige requisitos rigurosos. Eso nunca fue cierto, por supuesto, pero ahora no es la percepción general entre químicos y físicos: ese episodio de / The Big Bang Theory / donde Sheldon menosprecia a Amy porque ella es “solo” una bióloga y luego descubre que lo que está involucrado en la neurociencia han sido sátiras precisas hace un rato, pero no desde hace algún tiempo.