المحركات الجزيئية وتوليد القوة

كيف تحول البروتينات المحركة مثل الميوسين والكينيسين والداينين الطاقة الكيميائية للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) إلى قوة وحركة موجهة على طول مسارات الهيكل الخلوي.

Definition

المحرك الجزيئي هو بروتين يحول الطاقة الكيميائية، عادةً من التحلل المائي للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، إلى عمل ميكانيكي، مما ينتج قوة وحركة موجهة على طول مسار أو ركيزة بوليمرية.

Scope

يغطي هذا الموضوع فيزياء المحركات الجزيئية: الدورة الكيميائية الميكانيكية التي تربط التحلل المائي للنيوكليوتيد بالتغير الشكلي والخطو، وعلاقة القوة بالسرعة، والقدرة على الاستمرارية (processivity)، ودور الضوضاء الحرارية في الحركة الموجهة. يعتمد على قياسات الجزيء الواحد التي كشفت عن خطوات المحرك الفردية، بينما تُعالج المسارات نفسها والميكانيكا الخلوية النهائية في مواضيع مجاورة.

Core questions

• كيف ترتبط الدورة الكيميائية للمحرك بخطوته الميكانيكية؟
• ما هي القوى وأحجام الخطوات التي تنتجها المحركات الفردية؟
• لماذا تتخذ بعض المحركات العديد من الخطوات دون أن تنفصل (القدرة على الاستمرارية) بينما لا تفعل أخرى؟
• كيف يحقق المحرك حركة موجهة على الرغم من الاهتزاز الحراري؟

Key theories

الدورة الكيميائية الميكانيكية

كل جولة من ارتباط النيوكليوتيد، والتحلل المائي، وإطلاق المنتج تدفع سلسلة من الحالات الشكلية التي تربط المحرك بمساره، وتولد شوط قوة، وتفصله، بحيث تكون الكيمياء والميكانيكا مرتبطة بإحكام.

الحركة الموجهة ضد الضوضاء الحرارية

تعمل المحركات في نظام تكون فيه القوى الحرارية قابلة للمقارنة بالقوى التي تولدها، وتحقق حركة موجهة صافية عن طريق تحيز دورتها بالطاقة الحرة للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) بدلاً من التغلب على التقلبات الحرارية.

Mechanisms

يرتبط المحرك بمساره ونيوكليوتيد، ويؤدي التحلل المائي مع إطلاق المنتج إلى دفع شوط قوة شكلي (conformational power stroke) يزيح الحمل بضعة نانومترات قبل أن يتحرر المحرك ويعاود الارتباط، مكررًا الدورة. تبلغ القوة التي يمكن للمحرك إنتاجها حوالي البيكونيوتن، وتقل سرعته مع زيادة الحمل المعاكس، مما يحدد منحنى القوة-السرعة. تنسق المحركات المستمرة (processive motors) رأسين بحيث يبقى أحدهما على الأقل مرتبطًا، مما يسمح بالتحرك لمسافات طويلة، بينما تعمل المحركات غير المستمرة (non-processive motors) في فرق. نظرًا لأنها تعمل على مقاييس تكون فيها الطاقة الحرارية كبيرة، فإن المحركات تصحح الحركة الحرارية بدلاً من التغلب عليها باستخدام طاقة الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

Clinical relevance

تدفع البروتينات المحركة انقباض العضلات، والنقل داخل الخلايا، وانقسام الخلايا، ويعتبر خللها أو استهدافها ذا صلة بالسياقات القلبية والعصبية والأورام؛ الفيزياء الحيوية هنا هي خلفية تعليمية، وليست نصيحة سريرية.

History

بعد نظرية الخيوط المنزلقة للعضلات، كشفت تجارب المصيدة البصرية في التسعينيات، بما في ذلك القياس المباشر لخطوات وقوى الميوسين الفردية، عن الدورة الكيميائية الميكانيكية للمحركات الفردية وأسست المحركات كموضوع مركزي للفيزياء الحيوية للجزيء الواحد.

Key figures

• James Spudich
• Jonathon Howard
• Ronald Vale
• Toshio Yanagida

Seminal works

• finer1994
• howard2001

Frequently asked questions

ما مقدار القوة التي ينتجها محرك جزيئي واحد؟

في حدود بضعة بيكونيوتن، مع خطوات تبلغ بضعة نانومترات، كما تم قياسها مباشرة في تجارب المصيدة البصرية للجزيء الواحد.

ماذا تعني القدرة على الاستمرارية (processivity)؟

المحرك المستمر (processive motor) يتخذ العديد من الخطوات المتتالية على طول مساره قبل الانفصال، لأنه يحافظ على جزء واحد على الأقل مرتبطًا في جميع الأوقات؛ أما المحركات غير المستمرة (non-processive motors) فتنفصل بعد كل تفاعل وتعمل في مجموعات.