Molekylär motor

En ribosom är en biologisk maskin som använder proteindynamik

Molekylära motorer är naturliga (biologiska) eller artificiella molekylära maskiner som är de väsentliga agenterna för rörelse i levande organismer. Generellt sett är en motor en enhet som förbrukar energi i en form och omvandlar den till rörelse eller mekaniskt arbete ; till exempel utnyttjar många proteinbaserade molekylära motorer den kemiska fria energin som frigörs vid hydrolysen av ATP för att utföra mekaniskt arbete. När det gäller energieffektivitet kan denna typ av motor vara överlägsen för närvarande tillgängliga konstgjorda motorer. En viktig skillnad mellan molekylära motorer och makroskopiska motorer är att molekylära motorer arbetar i termalbadet, en miljö där fluktuationerna på grund av termiskt brus är betydande.

Exempel

Kinesin använder proteindomändynamik på nanoskala för att gå längs en mikrotubuli .

Några exempel på biologiskt viktiga molekylära motorer:

Cytoskelettmotorer
- Myosiner är ansvariga för muskelkontraktion, intracellulär lasttransport och producerar cellulär spänning.
- Kinesin flyttar last inuti celler bort från kärnan längs mikrotubuli , i anterograd transport .
- Dynein producerar axonemal slag av flimmerhår och flageller och transporterar även last längs mikrotubuli mot cellkärnan, i retrograd transport .
Polymerisationsmotorer
- Aktinpolymerisation genererar krafter och kan användas för framdrivning. ATP används.
- Mikrotubuluspolymerisation med användning av GTP .
- Dynamin ansvarar för separationen av klatrinknoppar från plasmamembranet. GTP används.
Roterande motorer:
- F _o F ₁ -ATP -syntasfamiljen av proteiner omvandlar den kemiska energin i ATP till den elektrokemiska potentiella energin för en protongradient över ett membran eller tvärtom. Katalysen av den kemiska reaktionen och protonernas rörelse kopplas till varandra via den mekaniska rotationen av delar av komplexet. Detta är involverat i ATP-syntesen i mitokondrierna och kloroplasterna samt i pumpning av protoner över det vakuolära membranet .
- Det bakteriella flagellumet som ansvarar för simning och tumlande av E. coli och andra bakterier fungerar som en stel propeller som drivs av en roterande motor. Denna motor drivs av flödet av protoner över ett membran, möjligen med en liknande mekanism som den som finns i Fo- _motorn i ATP-syntas.

Molekyldynamiksimulering av en syntetisk molekylär motor som består av tre molekyler i en nanopor (ytterdiameter 6,7 nm) vid 250 K.

Nukleinsyramotorer:
- RNA-polymeras transkriberar RNA från en DNA- mall.
- DNA-polymeras förvandlar enkelsträngat DNA till dubbelsträngat DNA.
- Helikaser separerar dubbla strängar av nukleinsyror före transkription eller replikering. ATP används.
- Topoisomeraser minskar supercoiling av DNA i cellen. ATP används.
- RSC- och SWI/SNF- komplex ombildar kromatin i eukaryota celler. ATP används.
- SMC-proteiner som ansvarar för kromosomkondensation i eukaryota celler.
- Virala DNA-förpackningsmotorer injicerar viralt genomiskt DNA i kapsider som en del av deras replikationscykel och packar det mycket tätt. Flera modeller har lagts fram för att förklara hur proteinet genererar kraften som krävs för att driva in DNA:t i kapsiden. Ett alternativt förslag är att kraften, till skillnad från alla andra biologiska motorer, inte genereras direkt av proteinet, utan av själva DNA:t. I denna modell används ATP-hydrolys för att driva proteinkonformationsförändringar som alternativt dehydrerar och rehydrerar DNA:t, vilket cykliskt driver det från B-DNA till A-DNA och tillbaka igen. A-DNA är 23 % kortare än B-DNA, och DNA-krymp-/expandercykeln är kopplad till en protein-DNA-grepp-/släppcykel för att generera framåtrörelsen som driver DNA in i kapsiden.
Enzymatiska motorer: Enzymerna nedan har visat sig diffundera snabbare i närvaro av deras katalytiska substrat, så kallade förstärkt diffusion. De har också visat sig röra sig riktat i en gradient av sina substrat, känd som kemotaxi. Deras mekanismer för diffusion och kemotaxi diskuteras fortfarande. Möjliga mekanismer inkluderar lösningsflytkraft, fores eller konformationsförändringar.
- Catalase
- Urease
- Aldolas
- Hexokinas
- Fosfoglukosisomeras
- Fosfofruktokinas
- Glukosoxidas

En nyligen genomförd studie har också visat att vissa enzymer, såsom Hexokinase och Glucose Oxidase, aggregeras eller fragmenteras under katalys. Detta ändrar deras hydrodynamiska storlek som kan påverka förbättrade diffusionsmätningar.

Syntetiska molekylära motorer har skapats av kemister som ger rotation, vilket möjligen genererar vridmoment.

Organell och vesikeltransport

Det finns två huvudfamiljer av molekylära motorer som transporterar organeller genom hela cellen. Dessa familjer inkluderar dyneinfamiljen och kinesinfamiljen. Båda har mycket olika strukturer från varandra och olika sätt att uppnå ett liknande mål att flytta organeller runt cellen. Dessa avstånd, även om de bara är några mikrometer, är alla förplanerade med hjälp av mikrotubuli.

Kinesin - Dessa molekylära motorer rör sig alltid mot den positiva änden av cellen
- Använder ATP-hydrolys under processen omvandling av ATP till ADP
  - Denna process består av . . .
    - Motorns "fot" binder med ATP, "foten" fortsätter ett steg och sedan lossnar ADP. Detta upprepar sig tills målet har nåtts
- Kinesinfamiljen består av en mängd olika motortyper
  - Kinesin-1 (konventionell)
  - Kinesin-2 (heterotrimerisk)
  - Kinesin-5 (bipolär)
  - Kinesin-13
Dynein - Dessa molekylära motorer rör sig alltid mot den negativa änden av cellen
- Använder ATP-hydrolys under processen som omvandlar ATP till ADP
- Till skillnad från kinesin är dyneinet uppbyggt på ett annat sätt vilket kräver att det har olika rörelsemetoder.
  - En av dessa metoder inkluderar kraftslaget, vilket gör att motorproteinet kan "krypa" längs mikrotubuli till dess plats.
- Strukturen hos Dynein består av
  - En stam innehållande
    - En region som binder till dynaktin
    - Mellanliggande/lätta kedjor som kommer att fästa till dynaktinbindningsområdet
  - Ett huvud
  - En stjälk
    - med en domän som kommer att binda till mikrotubuli Dessa molekylära motorer tenderar att ta vägen för mikrotubuli . Detta beror med största sannolikhet på det faktum att mikrotubulierna springer ut ur centrosomen och omger hela cellens volym. Denna inre skapar ett "rälssystem" av hela cellen och vägar som leder till dess organeller.

Teoretiska överväganden

Eftersom de motoriska händelserna är stokastiska , modelleras molekylära motorer ofta med Fokker-Planck-ekvationen eller med Monte Carlo-metoder . Dessa teoretiska modeller är särskilt användbara när man behandlar den molekylära motorn som en Brownsk motor .

Experimentell observation

I experimentell biofysik observeras aktiviteten hos molekylära motorer med många olika experimentella tillvägagångssätt, bland dem:

Fluorescerande metoder: fluorescensresonansenergiöverföring ( FRET ), fluorescenskorrelationsspektroskopi ( FCS ), total internreflektionsfluorescens ( TIRF ).
Magnetisk pincett kan också vara användbar för analys av motorer som arbetar på långa bitar av DNA.
Neutronspin- ekospektroskopi kan användas för att observera rörelse på nanosekunders tidsskalor.
Optisk pincett (inte att förväxla med molekylär pincett i sammanhanget) är väl lämpade för att studera molekylära motorer på grund av deras låga fjäderkonstanter.
Spridningstekniker: spårning av enstaka partiklar baserad på mörkfältsmikroskopi eller interferometrisk spridningsmikroskopi ( iSCAT)
Enkelmolekylelektrofysiologi kan användas för att mäta dynamiken hos enskilda jonkanaler .

Många fler tekniker används också. När nya teknologier och metoder utvecklas förväntas kunskap om naturligt förekommande molekylära motorer vara till hjälp vid konstruktion av syntetiska nanomotorer.

Icke-biologisk

Nyligen har kemister och de som är involverade i nanoteknik börjat utforska möjligheten att skapa molekylära motorer de novo. Dessa syntetiska molekylära motorer lider för närvarande av många begränsningar som begränsar deras användning till forskningslaboratoriet. Men många av dessa begränsningar kan övervinnas när vår förståelse av kemi och fysik på nanoskala ökar. Ett steg mot att förstå nanoskala dynamik gjordes med studiet av katalysatordiffusion i Grubbs katalysatorsystem. Andra system som nanobilarna , även om de inte är tekniskt motorer, är också illustrativa för de senaste ansträngningarna mot syntetiska nanomotorer.

Andra icke-reagerande molekyler kan också bete sig som motorer. Detta har visats genom att använda färgämnesmolekyler som rör sig riktat i gradienter av polymerlösning genom gynnsamma hydrofoba interaktioner. En annan nyligen genomförd studie har visat att färgämnesmolekyler, hårda och mjuka kolloidala partiklar kan röra sig genom gradient av polymerlösning genom uteslutna volymeffekter.

Se även

externa länkar

MBInfo - Molekylär motorisk aktivitet
MBInfo - Cytoskelettberoende MBInfo - Intracellulär transport
Cymobase - En databas för information om cytoskelett- och motorproteinsekvenser
Jonathan Howard (2001), Mekanik för motorproteiner och cytoskelettet. ISBN 9780878933334