Молекулярный мотор

Рибосомой является биологической машиной , которая использует динамики белков

Молекулярные двигатели - это естественные (биологические) или искусственные молекулярные машины, которые являются основными движущими силами живых организмов. В общих чертах, двигатель - это устройство, которое потребляет энергию в одной форме и преобразует ее в движение или механическую работу ; например, многие из белков основанных молекулярные моторов использовать химическую свободную энергию выпущенную гидролизом из АТФ для выполнения механической работы. ^[1]С точки зрения энергетической эффективности этот тип двигателя может превосходить существующие в настоящее время искусственные двигатели. Одно важное различие между молекулярными двигателями и макроскопическими двигателями заключается в том, что молекулярные двигатели работают в термостате , среде, в которой колебания из-за теплового шума значительны.

Примеры [ править ]

Кинезин использует динамику белкового домена на наноуровне, чтобы пройти по микротрубочке .

Некоторые примеры биологически важных молекулярных моторов: ^[2]

Цитоскелетные моторы
- Миозины отвечают за сокращение мышц, транспортировку внутриклеточных грузов и производство клеточного напряжения.
- Kinesin перемещает груз внутри клеток от ядра вдоль микротрубочек , в антероградной транспорте .
- Dynein производит axonemal биения ресничек и жгутиков , а также осуществляет перевозку грузов вдоль микротрубочек в направлении к ядру клетки, в ретроградном транспорте .
Двигатели для полимеризации
- Полимеризация актина создает силы и может использоваться для движения. Используется АТФ .
- Полимеризация микротрубочек с использованием GTP .
- Динамин отвечает за отделение клатриновых зачатков от плазматической мембраны. Используется GTP .
Роторные двигатели:
- Р о F 1 -АТФ - синтазы семейство белков преобразуют химическую энергию в АТФ к электрохимическим потенциальной энергии протонного градиента через мембрану или наоборот. Катализ химической реакции и движение протонов связаны друг с другом посредством механического вращения частей комплекса. Он участвует в синтезе АТФ в митохондриях и хлоропластах, а также в перекачке протонов через вакуолярную мембрану . ^[3]
- Жгутик бактерий, ответственный за плавание и опрокидывание кишечной палочки и других бактерий, действует как жесткий пропеллер, приводимый в движение роторным двигателем. Этот двигатель приводится в движение потоком протонов через мембрану, возможно, с использованием механизма, аналогичного механизму, обнаруженному в двигателе F _o в АТФ-синтазе.

Молекулярно-динамическое моделирование синтетического молекулярного двигателя, состоящего из трех молекул в нанопоре (внешний диаметр 6,7 нм) при 250 К. ^[4]

Моторы с нуклеиновой кислотой:
- РНК-полимераза транскрибирует РНК из ДНК- матрицы. ^[5]
- ДНК-полимераза превращает одноцепочечную ДНК в двухцепочечную ДНК. ^[6]
- Геликазы разделяют двойные цепи нуклеиновых кислот перед транскрипцией или репликацией. Используется АТФ .
- Топоизомеразы уменьшают сверхспирализацию ДНК в клетке. Используется АТФ .
- Комплексы RSC и SWI / SNF ремоделируют хроматин в эукариотических клетках. Используется АТФ .
- Белки SMC, ответственные за конденсацию хромосом в эукариотических клетках. ^[7]
- Моторы упаковки вирусной ДНК вводят вирусную геномную ДНК в капсиды как часть своего цикла репликации, очень плотно упаковывая ее. ^[8] Было предложено несколько моделей для объяснения того, как белок генерирует силу, необходимую для вталкивания ДНК в капсид; обзор см. в [1] . Альтернативное предложение состоит в том, что, в отличие от всех других биологических моторов, сила создается не непосредственно белком, а самой ДНК. ^[9] В этой модели гидролиз АТФ используется для управления конформационными изменениями белка, которые альтернативно дегидратируют и регидратируют ДНК, циклически перемещая ее от B-ДНК к A-ДНК.и обратно. A-ДНК на 23% короче, чем B-ДНК, и цикл сжатия / расширения ДНК связан с циклом захвата / высвобождения белок-ДНК для создания поступательного движения, которое продвигает ДНК в капсид.

Ферментные двигатели: ферменты, представленные ниже, диффундируют быстрее в присутствии их каталитических субстратов, что известно как усиленная диффузия. Также было показано, что они движутся направленно в градиенте своих субстратов, известном как хемотаксис. Их механизмы диффузии и хемотаксиса все еще обсуждаются. Возможные механизмы включают локальные и глобальные тепловые эффекты, форез или конформационные изменения. ^[10]^[11]^[12]
- Каталаза
- Уреаза
- Альдолаза
- Гексокиназа
- Фосфоглюкозоизомераза
- Фосфофруктокиназа
- Глюкозооксидаза
Химики создали синтетические молекулярные двигатели , которые вызывают вращение, возможно, генерирующее крутящий момент. ^{[ необходима цитата ]}

Транспорт органелл и пузырьков [ править ]

Есть два основных семейства молекулярных моторов, которые транспортируют органеллы по клетке. Эти семейства включают семейство динеинов и семейство кинезинов. Оба имеют очень разные структуры друг от друга и разные способы достижения схожей цели перемещения органелл по клетке. Эти расстояния, хотя и всего несколько микрометров, заранее планируются с помощью микротрубочек. ^[13]

Кинезин - эти молекулярные моторы всегда движутся к положительному концу клетки.
- Использует гидролиз АТФ в процессе преобразования АТФ в АДФ
  - Этот процесс состоит из. . .
    - «Нога» мотора связывается с помощью АТФ, «стопа» делает шаг, а затем АДФ отрывается. Это повторяется до тех пор, пока пункт назначения не будет достигнут.
- Семейство кинезинов состоит из множества различных типов двигателей.
  - Кинезин-1 ( обычный )
  - Кинезин-2 (гетеротримерный)
  - Кинезин-5 (биполярный)
  - Кинезин-13
Динеин - эти молекулярные моторы всегда движутся к отрицательному концу клетки.
- Использует гидролиз АТФ в процессе преобразования АТФ в АДФ
- В отличие от кинезина, динеин структурирован по-другому, что требует от него различных способов передвижения.
  - Один из этих методов включает в себя силовой удар, который позволяет моторному белку «ползать» по микротрубочке к своему местоположению.
- В состав Динеина входят:
  - Стебель, содержащий
    - Область, которая связывается с динактином
    - Промежуточные / легкие цепи, которые будут прикрепляться к области связывания динактина
  - Предстоящий
  - Стебель
    - С доменом, который будет связываться с микротрубочками.
      Эти молекулярные моторы стремятся следовать по пути микротрубочек . Скорее всего, это связано с тем, что микротрубочки выходят из центросомы и окружают весь объем клетки. Этот интервал создает «рельсовую систему» всей клетки и путей, ведущих к ее органеллам.

Теоретические соображения [ править ]

Поскольку моторные события являются стохастическими , молекулярные моторы часто моделируются уравнением Фоккера – Планка или методами Монте-Карло . Эти теоретические модели особенно полезны при рассмотрении молекулярного мотора как броуновского мотора .

Экспериментальное наблюдение [ править ]

В экспериментальной биофизике активность молекулярных моторов наблюдается с помощью множества различных экспериментальных подходов, среди которых:

Флуоресцентные методы: флуоресцентный резонансный перенос энергии ( FRET ), флуоресцентная корреляционная спектроскопия ( FCS ), флуоресценция полного внутреннего отражения ( TIRF ).
Магнитный пинцет также может быть полезен для анализа двигателей, которые работают с длинными участками ДНК.
Спектроскопию нейтронного спинового эха можно использовать для наблюдения за движением в наносекундных временных масштабах.
Оптические пинцеты (не путать с молекулярными пинцетами в контексте) хорошо подходят для изучения молекулярных двигателей из-за их низкой жесткости.
Методы рассеяния: отслеживание отдельных частиц на основе микроскопии темного поля или микроскопии интерферометрического рассеяния (iSCAT)
Электрофизиология одиночных молекул может использоваться для измерения динамики отдельных ионных каналов.

Many more techniques are also used. As new technologies and methods are developed, it is expected that knowledge of naturally occurring molecular motors will be helpful in constructing synthetic nanoscale motors.

Non-biological[edit]

Recently, chemists and those involved in nanotechnology have begun to explore the possibility of creating molecular motors de novo. These synthetic molecular motors currently suffer many limitations that confine their use to the research laboratory. However, many of these limitations may be overcome as our understanding of chemistry and physics at the nanoscale increases. One step toward understanding nanoscale dynamics was made with the study of catalyst diffusion in the Grubb's catalyst system.^[14] Other systems like the nanocars, while not technically motors, are also illustrative of recent efforts towards synthetic nanoscale motors.

Other non-reacting molecules can also behave as motors. This has been demonstrated by using dye molecules that move directionally in gradients of polymer solution through favorable hydrophobic interactions.^[15] Another recent study has shown that dye molecules, hard and soft colloidal particles are able to move through gradient of polymer solution through excluded volume effects.^[16]

References[edit]

^ Bustamante C, Chemla YR, Forde NR, Izhaky D (2004). "Mechanical processes in biochemistry". Annual Review of Biochemistry. 73: 705–48. doi:10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542. PMID 15189157. S2CID 28061339.
^ Nelson P, Radosavljevic M, Bromberg S (2004). Biological physics. Freeman.
^ Tsunoda SP, Aggeler R, Yoshida M, Capaldi RA (January 2001). "Rotation of the c subunit oligomer in fully functional F1Fo ATP synthase". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (3): 898–902. Bibcode:2001PNAS...98..898T. doi:10.1073/pnas.031564198. PMC 14681. PMID 11158567.
^ Palma CA, Björk J, Rao F, Kühne D, Klappenberger F, Barth JV (August 2014). "Topological dynamics in supramolecular rotors". Nano Letters. 14 (8): 4461–8. Bibcode:2014NanoL..14.4461P. doi:10.1021/nl5014162. PMID 25078022.
^ Dworkin J, Losick R (October 2002). "Does RNA polymerase help drive chromosome segregation in bacteria?". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (22): 14089–94. Bibcode:2002PNAS...9914089D. doi:10.1073/pnas.182539899. PMC 137841. PMID 12384568.
^ Hubscher U, Maga G, Spadari S (2002). "Eukaryotic DNA polymerases". Annual Review of Biochemistry. 71: 133–63. doi:10.1146/annurev.biochem.71.090501.150041. PMID 12045093. S2CID 26171993.
^ Peterson CL (November 1994). "The SMC family: novel motor proteins for chromosome condensation?". Cell. 79 (3): 389–92. doi:10.1016/0092-8674(94)90247-X. PMID 7954805. S2CID 28364947.
^ Smith DE, Tans SJ, Smith SB, Grimes S, Anderson DL, Bustamante C (October 2001). "The bacteriophage straight phi29 portal motor can package DNA against a large internal force". Nature. 413 (6857): 748–52. Bibcode:2001Natur.413..748S. doi:10.1038/35099581. PMID 11607035. S2CID 4424168.
^ Harvey SC (January 2015). "The scrunchworm hypothesis: transitions between A-DNA and B-DNA provide the driving force for genome packaging in double-stranded DNA bacteriophages". Journal of Structural Biology. 189 (1): 1–8. doi:10.1016/j.jsb.2014.11.012. PMC 4357361. PMID 25486612.
^ Zhao X, Gentile K, Mohajerani F, Sen A (October 2018). "Powering Motion with Enzymes". Accounts of Chemical Research. 51 (10): 2373–2381. doi:10.1021/acs.accounts.8b00286. PMID 30256612.
^ Ghosh S, Somasundar A, Sen A (2021-03-10). "Enzymes as Active Matter". Annual Review of Condensed Matter Physics. 12 (1): 177–200. doi:10.1146/annurev-conmatphys-061020-053036.
^ Zhang Y, Hess H (June 2019). "Enhanced Diffusion of Catalytically Active Enzymes". ACS Central Science. 5 (6): 939–948. doi:10.1021/acscentsci.9b00228. PMC 6598160. PMID 31263753.
^ Lodish H, Berk A, Kaiser CA, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, Amon A, Martin KC (2014). Molecular Cell Biology (8th ed.). New York, NY: w.h.freeman, Macmillan Learning. ISBN 978-1-4641-8339-3.
^ Dey KK, Pong FY, Breffke J, Pavlick R, Hatzakis E, Pacheco C, Sen A (January 2016). "Dynamic Coupling at the Ångström Scale". Angewandte Chemie. 55 (3): 1113–7. doi:10.1002/ange.201509237. PMID 26636667.
^ Guha R, Mohajerani F, Collins M, Ghosh S, Sen A, Velegol D (November 2017). "Chemotaxis of Molecular Dyes in Polymer Gradients in Solution". Journal of the American Chemical Society. 139 (44): 15588–15591. doi:10.1021/jacs.7b08783. PMID 29064685.
^ Collins M, Mohajerani F, Ghosh S, Guha R, Lee TH, Butler PJ, et al. (August 2019). "Nonuniform Crowding Enhances Transport". ACS Nano. 13 (8): 8946–8956. doi:10.1021/acsnano.9b02811. PMID 31291087.

External links[edit]

MBInfo - Molecular Motor Activity
MBInfo - Cytoskeleton-dependent MBInfo - Intracellular Transport
Cymobase - A database for cytoskeletal and motor protein sequence information
Jonathan Howard (2001), Mechanics of motor proteins and the cytoskeleton. ISBN 9780878933334

[review-1] Bustamante C, Chemla YR, Forde NR, Izhaky D (2004). "Mechanical processes in biochemistry". Annual Review of Biochemistry. 73: 705–48. doi:10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542. PMID 15189157. S2CID 28061339.

[2] Nelson P, Radosavljevic M, Bromberg S (2004). Biological physics. Freeman.

[ATPase-3] Tsunoda SP, Aggeler R, Yoshida M, Capaldi RA (January 2001). "Rotation of the c subunit oligomer in fully functional F1Fo ATP synthase". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (3): 898–902. Bibcode:2001PNAS...98..898T. doi:10.1073/pnas.031564198. PMC 14681. PMID 11158567.

[4] Palma CA, Björk J, Rao F, Kühne D, Klappenberger F, Barth JV (August 2014). "Topological dynamics in supramolecular rotors". Nano Letters. 14 (8): 4461–8. Bibcode:2014NanoL..14.4461P. doi:10.1021/nl5014162. PMID 25078022.

[RNApol-5] Dworkin J, Losick R (October 2002). "Does RNA polymerase help drive chromosome segregation in bacteria?". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (22): 14089–94. Bibcode:2002PNAS...9914089D. doi:10.1073/pnas.182539899. PMC 137841. PMID 12384568.

[DNApol-6] Hubscher U, Maga G, Spadari S (2002). "Eukaryotic DNA polymerases". Annual Review of Biochemistry. 71: 133–63. doi:10.1146/annurev.biochem.71.090501.150041. PMID 12045093. S2CID 26171993.

[7] Peterson CL (November 1994). "The SMC family: novel motor proteins for chromosome condensation?". Cell. 79 (3): 389–92. doi:10.1016/0092-8674(94)90247-X. PMID 7954805. S2CID 28364947.

[8] Smith DE, Tans SJ, Smith SB, Grimes S, Anderson DL, Bustamante C (October 2001). "The bacteriophage straight phi29 portal motor can package DNA against a large internal force". Nature. 413 (6857): 748–52. Bibcode:2001Natur.413..748S. doi:10.1038/35099581. PMID 11607035. S2CID 4424168.

[9] Harvey SC (January 2015). "The scrunchworm hypothesis: transitions between A-DNA and B-DNA provide the driving force for genome packaging in double-stranded DNA bacteriophages". Journal of Structural Biology. 189 (1): 1–8. doi:10.1016/j.jsb.2014.11.012. PMC 4357361. PMID 25486612.

[10] Zhao X, Gentile K, Mohajerani F, Sen A (October 2018). "Powering Motion with Enzymes". Accounts of Chemical Research. 51 (10): 2373–2381. doi:10.1021/acs.accounts.8b00286. PMID 30256612.

[11] Ghosh S, Somasundar A, Sen A (2021-03-10). "Enzymes as Active Matter". Annual Review of Condensed Matter Physics. 12 (1): 177–200. doi:10.1146/annurev-conmatphys-061020-053036.

[12] Zhang Y, Hess H (June 2019). "Enhanced Diffusion of Catalytically Active Enzymes". ACS Central Science. 5 (6): 939–948. doi:10.1021/acscentsci.9b00228. PMC 6598160. PMID 31263753.

[13] Lodish H, Berk A, Kaiser CA, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, Amon A, Martin KC (2014). Molecular Cell Biology (8th ed.). New York, NY: w.h.freeman, Macmillan Learning. ISBN 978-1-4641-8339-3.

[14] Dey KK, Pong FY, Breffke J, Pavlick R, Hatzakis E, Pacheco C, Sen A (January 2016). "Dynamic Coupling at the Ångström Scale". Angewandte Chemie. 55 (3): 1113–7. doi:10.1002/ange.201509237. PMID 26636667.

[15] Guha R, Mohajerani F, Collins M, Ghosh S, Sen A, Velegol D (November 2017). "Chemotaxis of Molecular Dyes in Polymer Gradients in Solution". Journal of the American Chemical Society. 139 (44): 15588–15591. doi:10.1021/jacs.7b08783. PMID 29064685.

[16] Collins M, Mohajerani F, Ghosh S, Guha R, Lee TH, Butler PJ, et al. (August 2019). "Nonuniform Crowding Enhances Transport". ACS Nano. 13 (8): 8946–8956. doi:10.1021/acsnano.9b02811. PMID 31291087.

[1]