Молекулярный мотор

Рибосома . — это биологическая машина , которая использует динамику белков

Молекулярные двигатели — это естественные (биологические) или искусственные молекулярные машины , которые являются важными агентами движения в живых организмах. В общих чертах двигатель — это устройство, которое потребляет энергию в одной форме и преобразует ее в движение или механическую работу ; например, многие белковые молекулярные моторы используют химическую свободную энергию, высвобождаемую при гидролизе АТФ , для выполнения механической работы. ^[1] С точки зрения энергетической эффективности этот тип двигателя может превосходить имеющиеся в настоящее время искусственные двигатели. Одним из важных различий между молекулярными двигателями и макроскопическими двигателями является то, что молекулярные двигатели работают в термической ванне , среде, в которой колебания, вызванные тепловым шумом, значительны.

Примеры

Некоторые примеры биологически важных молекулярных моторов: ^[2]

Цитоскелетные моторы
- Миозины отвечают за сокращение мышц, внутриклеточный транспорт грузов и создание клеточного напряжения.
- Кинезин перемещает груз внутри клеток от ядра по микротрубочкам , осуществляя антероградный транспорт .
- Динеин вызывает аксонемное биение ресничек и жгутиков , а также транспортирует груз по микротрубочкам к ядру клетки в ходе ретроградного транспорта .
Полимеризационные двигатели
- Полимеризация актина генерирует силы и может использоваться для движения. АТФ . используется
- микротрубочек Полимеризация с использованием GTP .
- Динамин отвечает за отделение клатриновых почек от плазматической мембраны. ГТП . Используется
Роторные двигатели:
- Семейство белков F _o F ₁ -АТФ-синтазы преобразует химическую энергию АТФ в электрохимическую потенциальную энергию 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]
- Бактериальный жгутик, ответственный за плавание и переворачивание кишечной палочки и других бактерий, действует как жесткий пропеллер, приводимый в движение вращающимся двигателем. Этот мотор приводится в движение потоком протонов через мембрану, возможно, используя механизм, аналогичный тому, который обнаружен в моторе F _o в АТФ-синтазе.

Нуклеиновые кислоты моторы:
- РНК-полимераза транскрибирует РНК с матрицы ДНК . ^[5]
- ДНК-полимераза превращает одноцепочечную ДНК в двухцепочечную ДНК. ^[6]
- Хеликазы разделяют двойные цепи нуклеиновых кислот перед транскрипцией или репликацией. АТФ . используется
- Топоизомеразы уменьшают сверхспирализацию ДНК в клетке. АТФ . используется
- Комплексы RSC и SWI/SNF ремоделируют хроматин в эукариотических клетках. АТФ . используется
- Белки SMC, ответственные за конденсацию хромосом в эукариотических клетках. ^[7]
- Моторы упаковки вирусной ДНК вводят вирусную геномную ДНК в капсиды в рамках цикла репликации, упаковывая ее очень плотно. ^[8] Было предложено несколько моделей, объясняющих, как белок генерирует силу, необходимую для проникновения ДНК в капсид. Альтернативное предположение состоит в том, что, в отличие от всех других биологических двигателей, сила генерируется не непосредственно белком, а самой ДНК. ^[9] В этой модели гидролиз АТФ используется для управления конформационными изменениями белка, которые попеременно обезвоживают и регидратируют ДНК, циклически перемещая ее от В-ДНК к А-ДНК и обратно. А-ДНК на 23% короче, чем В-ДНК, и цикл сжатия/расширения ДНК связан с циклом захвата/высвобождения белок-ДНК, чтобы генерировать поступательное движение, которое продвигает ДНК в капсид.
Ферментативные моторы. Было показано, что 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 . Механизмы их диффузии и хемотаксиса до сих пор обсуждаются. Возможные механизмы включают растворенную плавучесть, форез или конформационные изменения, приводящие к изменению эффективной диффузии. ^[10]^[11]^[12] и кинетическая асимметрия. ^[13]
- Каталаза
- Уреаза
- Альдолаза
- Гексокиназа
- Фосфоглюкозоизомераза
- Фосфофруктокиназа
- Глюкозооксидаза

Недавнее исследование также показало, что некоторые ферменты, такие как гексокиназа и глюкозооксидаза, агрегируют или фрагментируются во время катализа. Это изменяет их гидродинамический размер, что может повлиять на измерения улучшенной диффузии. ^[14]

синтетические молекулярные двигатели , которые обеспечивают вращение и, возможно, генерируют крутящий момент. Химики создали ^[15]

Транспорт органелл и везикул

Существует два основных семейства молекулярных моторов, которые транспортируют органеллы по клетке. Эти семейства включают семейство динеинов и семейство кинезинов. Оба имеют очень разные структуры и разные способы достижения одной и той же цели — перемещения органелл по клетке. Эти расстояния, хотя и составляют всего несколько микрометров, заранее запланированы с помощью микротрубочек. ^[16]

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, «нога» совершает шаг, а затем АДФ отрывается. Это повторяется до тех пор, пока не будет достигнут пункт назначения.
- Семейство кинезинов состоит из множества различных типов моторов.
  - 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 устроен по-другому, что требует иных методов движения.
  - Один из таких методов включает силовой ход, позволяющий моторному белку «ползти» по микротрубочке к месту ее расположения.
- В структуру динеина входят
  - Стебель, содержащий
    - Область, которая связывается с динактином
    - Промежуточные/легкие цепи, которые прикрепляются к области связывания динактина.
  - Предстоящий
  - Стебель
    - С доменом, который будет связываться с микротрубочкой

Эти молекулярные моторы имеют тенденцию следовать по пути микротрубочек . Скорее всего, это связано с тем, что микротрубочки выходят из центросомы и окружают весь объем клетки. Это, в свою очередь, создает «железнодорожную систему» всей клетки и путей, ведущих к ее органеллам.

Теоретические соображения

Поскольку двигательные события являются стохастическими , молекулярные двигатели часто моделируются с помощью уравнения Фоккера-Планка или методов Монте-Карло . Эти теоретические модели особенно полезны при рассмотрении молекулярного двигателя как броуновского двигателя .

Экспериментальное наблюдение

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

Флуоресцентные методы: резонансный перенос энергии флуоресценции ( FRET ), корреляционная спектроскопия флуоресценции ( FCS ), флуоресценция полного внутреннего отражения ( TIRF ).
Магнитные пинцеты также могут быть полезны для анализа моторов, работающих с длинными фрагментами ДНК.
Спектроскопию нейтронного спинового эха можно использовать для наблюдения движения в наносекундном масштабе времени.
Оптические пинцеты (не путать с молекулярными пинцетами ) хорошо подходят для изучения молекулярных двигателей из-за их низкой жесткости пружины.
Методы рассеяния: отслеживание одиночных частиц на основе темнопольной микроскопии или интерферометрической микроскопии рассеяния (iSCAT).
Одномолекулярную электрофизиологию можно использовать для измерения динамики отдельных ионных каналов.

Также используются многие другие методы. Ожидается, что по мере разработки новых технологий и методов знание природных молекулярных двигателей поможет в создании синтетических наноразмерных двигателей.

Небиологический

Недавно химики и те, кто занимается нанотехнологиями, начали изучать возможность создания молекулярных двигателей de novo. ^[17] Эти синтетические молекулярные двигатели в настоящее время имеют множество ограничений, из-за которых их использование ограничивается исследовательскими лабораториями. Однако многие из этих ограничений можно преодолеть по мере расширения нашего понимания химии и физики на наноуровне. Один шаг к пониманию динамики наноразмеров был сделан при изучении диффузии катализатора в каталитической системе Грабба. ^[18] Другие системы, такие как наноавтомобили , хоть и не являются технически двигателями, но также являются иллюстрацией недавних усилий по созданию синтетических наномоторов.

Другие нереагирующие молекулы также могут вести себя как двигатели. Это было продемонстрировано с помощью молекул красителя, которые движутся направленно в градиентах раствора полимера за счет благоприятных гидрофобных взаимодействий. ^[19] Другое недавнее исследование показало, что молекулы красителей, твердые и мягкие коллоидные частицы способны перемещаться по градиенту раствора полимера за счет исключенных объемных эффектов. ^[20]

См. также

Ссылки

^ Бустаманте С., Чемла Ю.Р., Форд Н.Р., Ижаки Д. (2004). «Механические процессы в биохимии». Ежегодный обзор биохимии . 73 : 705–48. doi : 10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542 . ПМИД 15189157 . S2CID 28061339 .
^ Нельсон П., Радосавлевич М., Бромберг С. (2004). Биологическая физика . Фриман.
^ Цунода С.П., Аггелер Р., Ёсида М., Капальди Р.А. (январь 2001 г.). «Вращение олигомера субъединицы c в полностью функциональной АТФ-синтазе F1Fo» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (3): 898–902. Бибкод : 2001PNAS...98..898T . дои : 10.1073/pnas.031564198 . ПМК 14681 . ПМИД 11158567 .
^ Пальма К.А., Бьорк Дж., Рао Ф., Кюне Д., Клаппенбергер Ф., Барт Дж.В. (август 2014 г.). «Топологическая динамика в супрамолекулярных роторах». Нано-буквы . 14 (8): 4461–8. Бибкод : 2014NanoL..14.4461P . дои : 10.1021/nl5014162 . ПМИД 25078022 .
^ Дворкин Дж., Лосик Р. (октябрь 2002 г.). «Помогает ли РНК-полимераза управлять сегрегацией хромосом у бактерий?» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (22): 14089–94. Бибкод : 2002PNAS...9914089D . дои : 10.1073/pnas.182539899 . ПМК 137841 . ПМИД 12384568 .
^ Хубшер У, Мага Г, Спадари С (2002). «Эукариотические ДНК-полимеразы». Ежегодный обзор биохимии . 71 : 133–63. doi : 10.1146/annurev.biochem.71.090501.150041 . ПМИД 12045093 . S2CID 26171993 .
^ Петерсон CL (ноябрь 1994 г.). «Семейство SMC: новые моторные белки для конденсации хромосом?». Клетка . 79 (3): 389–92. дои : 10.1016/0092-8674(94)90247-X . ПМИД 7954805 . S2CID 28364947 .
^ Смит Д.Э., Танс С.Дж., Смит С.Б., Граймс С., Андерсон Д.Л., Бустаманте С. (октябрь 2001 г.). «Портальный мотор бактериофага phi29 может упаковывать ДНК, преодолевая большую внутреннюю силу». Природа . 413 (6857): 748–52. Бибкод : 2001Natur.413..748S . дои : 10.1038/35099581 . ПМИД 11607035 . S2CID 4424168 .
^ Харви СК (январь 2015 г.). «Гипотеза скранччервя: переходы между А-ДНК и В-ДНК обеспечивают движущую силу упаковки генома в бактериофагах с двухцепочечной ДНК» . Журнал структурной биологии . 189 (1): 1–8. дои : 10.1016/j.jsb.2014.11.012 . ПМЦ 4357361 . ПМИД 25486612 .
^ Чжао X, Джентиле К., Мохаджерани Ф., Сен А. (октябрь 2018 г.). «Управление движением с помощью ферментов» . Отчеты о химических исследованиях . 51 (10): 2373–2381. дои : 10.1021/acs.accounts.8b00286 . ПМИД 30256612 . S2CID 52845451 .
^ Гош С., Сомасундар А., Сен А. (10 марта 2021 г.). «Ферменты как активная материя» . Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 12 (1): 177–200. Бибкод : 2021ARCMP..12..177G . doi : 10.1146/annurev-conmatphys-061020-053036 . S2CID 229411011 .
^ Чжан Ю, Хесс Х (июнь 2019 г.). «Усиленная диффузия каталитически активных ферментов» . Центральная научная служба ACS . 5 (6): 939–948. дои : 10.1021/accentsci.9b00228 . ПМК 6598160 . ПМИД 31263753 .
^ Мандал, Ниладри Сехар; Сен, Аюсман; Астумян, Р. Дин (15 марта 2023 г.). «Кинетическая асимметрия против диссипации в эволюции химических систем на примере хемотаксиса одного фермента» . Журнал Американского химического общества . 145 (10): 5730–5738. arXiv : 2206.05626 . дои : 10.1021/jacs.2c11945 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 36867055 . S2CID 249625518 .
^ Джентиле, Кайла; Бхиде, Ашлеша; Кауфман, Джошуа; Гош, Субхадип; Маити, Субхабрата; Адэр, Джеймс; Ли, Тэ Хи; Сен, Аюсман (22 сентября 2021 г.). «Агрегация и фрагментация ферментов, индуцированные катализом соответствующих видов» . Физическая химия Химическая физика . 23 (36): 20709–20717. Бибкод : 2021PCCP...2320709G . дои : 10.1039/D1CP02966E . ISSN 1463-9084 . ПМИД 34516596 . S2CID 237507756 .
^ Кей, Юан Р.; Ли, Дэвид А.; Зербетто, Франческо (январь 2007 г.). «Синтетические молекулярные двигатели и механические машины» . Angewandte Chemie, международное издание . 46 (1–2): 72–191. дои : 10.1002/anie.200504313 . ПМИД 17133632 .
^ Лодиш Х., Берк А., Кайзер К.А., Кригер М., Бретшер А., Плух Х., Амон А., Мартин К.К. (2014). Молекулярно-клеточная биология (8-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Уфриман, Macmillan Learning. ISBN 978-1-4641-8339-3 .
^ Коросек, Чапин С.; Унксов Иван Н.; Сурендиран, Прадхибха; Литтлтон, Роман; Курми, Пол М.Г.; Ангстманн, Кристофер Н.; Эйххорн, Ральф; Линке, Хайнер; Форд, Нэнси Р. (23 февраля 2024 г.). «Подвижность автономного искусственного двигателя на основе белка, работающего по принципу сожженного моста» . Природные коммуникации . 15 (1511): 1511. Бибкод : 2024NatCo..15.1511K . дои : 10.1038/s41467-024-45570-y . ПМЦ 10891099 . ПМИД 38396042 .
^ Дей К.К., Понг Ф.Ю., Бреффке Дж., Павлик Р., Хацакис Э., Пачеко С., Сен А. (январь 2016 г.). «Динамическая связь в масштабе Ангстрема» . Ангеванде Хеми . 55 (3): 1113–7. Бибкод : 2016АнгЧ.128.1125Д . дои : 10.1002/ange.201509237 . ПМИД 26636667 .
^ Гуха Р., Мохаджерани Ф., Коллинз М., Гош С., Сен А., Велегол Д. (ноябрь 2017 г.). «Хемотаксис молекулярных красителей в полимерных градиентах в растворе». Журнал Американского химического общества . 139 (44): 15588–15591. дои : 10.1021/jacs.7b08783 . ПМИД 29064685 .
^ Коллинз М., Мохаджерани Ф., Гош С., Гуха Р., Ли Т.Х., Батлер П.Дж. и др. (август 2019 г.). «Неравномерная скученность улучшает транспорт». АСУ Нано . 13 (8): 8946–8956. дои : 10.1021/acsnano.9b02811 . ПМИД 31291087 . S2CID 195879481 .

Внешние ссылки

MBInfo - Молекулярно-моторная активность
MBInfo - Цитоскелет-зависимый MBInfo - Внутриклеточный транспорт
Cymobase - база данных с информацией о последовательностях цитоскелета и моторных белков.
Джонатан Ховард (2001), Механика моторных белков и цитоскелета. ISBN 9780878933334

[review-1] Бустаманте С., Чемла Ю.Р., Форд Н.Р., Ижаки Д. (2004). «Механические процессы в биохимии». Ежегодный обзор биохимии . 73 : 705–48. doi : 10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542 . ПМИД 15189157 . S2CID 28061339 .

[2] Нельсон П., Радосавлевич М., Бромберг С. (2004). Биологическая физика . Фриман.

[ATPase-3] Цунода С.П., Аггелер Р., Ёсида М., Капальди Р.А. (январь 2001 г.). «Вращение олигомера субъединицы c в полностью функциональной АТФ-синтазе F1Fo» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (3): 898–902. Бибкод : 2001PNAS...98..898T . дои : 10.1073/pnas.031564198 . ПМК 14681 . ПМИД 11158567 .

[4] Пальма К.А., Бьорк Дж., Рао Ф., Кюне Д., Клаппенбергер Ф., Барт Дж.В. (август 2014 г.). «Топологическая динамика в супрамолекулярных роторах». Нано-буквы . 14 (8): 4461–8. Бибкод : 2014NanoL..14.4461P . дои : 10.1021/nl5014162 . ПМИД 25078022 .

[RNApol-5] Дворкин Дж., Лосик Р. (октябрь 2002 г.). «Помогает ли РНК-полимераза управлять сегрегацией хромосом у бактерий?» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (22): 14089–94. Бибкод : 2002PNAS...9914089D . дои : 10.1073/pnas.182539899 . ПМК 137841 . ПМИД 12384568 .

[DNApol-6] Хубшер У, Мага Г, Спадари С (2002). «Эукариотические ДНК-полимеразы». Ежегодный обзор биохимии . 71 : 133–63. doi : 10.1146/annurev.biochem.71.090501.150041 . ПМИД 12045093 . S2CID 26171993 .

[7] Петерсон CL (ноябрь 1994 г.). «Семейство SMC: новые моторные белки для конденсации хромосом?». Клетка . 79 (3): 389–92. дои : 10.1016/0092-8674(94)90247-X . ПМИД 7954805 . S2CID 28364947 .

[8] Смит Д.Э., Танс С.Дж., Смит С.Б., Граймс С., Андерсон Д.Л., Бустаманте С. (октябрь 2001 г.). «Портальный мотор бактериофага phi29 может упаковывать ДНК, преодолевая большую внутреннюю силу». Природа . 413 (6857): 748–52. Бибкод : 2001Natur.413..748S . дои : 10.1038/35099581 . ПМИД 11607035 . S2CID 4424168 .

[9] Харви СК (январь 2015 г.). «Гипотеза скранччервя: переходы между А-ДНК и В-ДНК обеспечивают движущую силу упаковки генома в бактериофагах с двухцепочечной ДНК» . Журнал структурной биологии . 189 (1): 1–8. дои : 10.1016/j.jsb.2014.11.012 . ПМЦ 4357361 . ПМИД 25486612 .

[10] Чжао X, Джентиле К., Мохаджерани Ф., Сен А. (октябрь 2018 г.). «Управление движением с помощью ферментов» . Отчеты о химических исследованиях . 51 (10): 2373–2381. дои : 10.1021/acs.accounts.8b00286 . ПМИД 30256612 . S2CID 52845451 .

[11] Гош С., Сомасундар А., Сен А. (10 марта 2021 г.). «Ферменты как активная материя» . Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 12 (1): 177–200. Бибкод : 2021ARCMP..12..177G . doi : 10.1146/annurev-conmatphys-061020-053036 . S2CID 229411011 .

[12] Чжан Ю, Хесс Х (июнь 2019 г.). «Усиленная диффузия каталитически активных ферментов» . Центральная научная служба ACS . 5 (6): 939–948. дои : 10.1021/accentsci.9b00228 . ПМК 6598160 . ПМИД 31263753 .

[13] Мандал, Ниладри Сехар; Сен, Аюсман; Астумян, Р. Дин (15 марта 2023 г.). «Кинетическая асимметрия против диссипации в эволюции химических систем на примере хемотаксиса одного фермента» . Журнал Американского химического общества . 145 (10): 5730–5738. arXiv : 2206.05626 . дои : 10.1021/jacs.2c11945 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 36867055 . S2CID 249625518 .

[14] Джентиле, Кайла; Бхиде, Ашлеша; Кауфман, Джошуа; Гош, Субхадип; Маити, Субхабрата; Адэр, Джеймс; Ли, Тэ Хи; Сен, Аюсман (22 сентября 2021 г.). «Агрегация и фрагментация ферментов, индуцированные катализом соответствующих видов» . Физическая химия Химическая физика . 23 (36): 20709–20717. Бибкод : 2021PCCP...2320709G . дои : 10.1039/D1CP02966E . ISSN 1463-9084 . ПМИД 34516596 . S2CID 237507756 .

[15] Кей, Юан Р.; Ли, Дэвид А.; Зербетто, Франческо (январь 2007 г.). «Синтетические молекулярные двигатели и механические машины» . Angewandte Chemie, международное издание . 46 (1–2): 72–191. дои : 10.1002/anie.200504313 . ПМИД 17133632 .

[16] Лодиш Х., Берк А., Кайзер К.А., Кригер М., Бретшер А., Плух Х., Амон А., Мартин К.К. (2014). Молекулярно-клеточная биология (8-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Уфриман, Macmillan Learning. ISBN 978-1-4641-8339-3 .

[17] Коросек, Чапин С.; Унксов Иван Н.; Сурендиран, Прадхибха; Литтлтон, Роман; Курми, Пол М.Г.; Ангстманн, Кристофер Н.; Эйххорн, Ральф; Линке, Хайнер; Форд, Нэнси Р. (23 февраля 2024 г.). «Подвижность автономного искусственного двигателя на основе белка, работающего по принципу сожженного моста» . Природные коммуникации . 15 (1511): 1511. Бибкод : 2024NatCo..15.1511K . дои : 10.1038/s41467-024-45570-y . ПМЦ 10891099 . ПМИД 38396042 .

[18] Дей К.К., Понг Ф.Ю., Бреффке Дж., Павлик Р., Хацакис Э., Пачеко С., Сен А. (январь 2016 г.). «Динамическая связь в масштабе Ангстрема» . Ангеванде Хеми . 55 (3): 1113–7. Бибкод : 2016АнгЧ.128.1125Д . дои : 10.1002/ange.201509237 . ПМИД 26636667 .

[19] Гуха Р., Мохаджерани Ф., Коллинз М., Гош С., Сен А., Велегол Д. (ноябрь 2017 г.). «Хемотаксис молекулярных красителей в полимерных градиентах в растворе». Журнал Американского химического общества . 139 (44): 15588–15591. дои : 10.1021/jacs.7b08783 . ПМИД 29064685 .

[20] Коллинз М., Мохаджерани Ф., Гош С., Гуха Р., Ли Т.Х., Батлер П.Дж. и др. (август 2019 г.). «Неравномерная скученность улучшает транспорт». АСУ Нано . 13 (8): 8946–8956. дои : 10.1021/acsnano.9b02811 . ПМИД 31291087 . S2CID 195879481 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]