Motores moleculares y generación de fuerza

Cómo las proteínas motoras, como la miosina, la cinesina y la dineína, convierten la energía química del ATP en fuerza dirigida y movimiento a lo largo de las vías citoesqueléticas.

Definition

Un motor molecular es una proteína que convierte la energía química, generalmente de la hidrólisis de ATP, en trabajo mecánico, produciendo fuerza y movimiento dirigidos a lo largo de una vía o sustrato polimérico.

Scope

Este tema cubre la física de los motores moleculares: el ciclo mecanocuímico que acopla la hidrólisis de nucleótidos al cambio conformacional y al paso, la relación fuerza-velocidad, la procesividad y el papel del ruido térmico en el movimiento dirigido. Se basa en mediciones de una sola molécula que resolvieron los pasos individuales del motor, mientras que las vías en sí mismas y la mecánica celular posterior se tratan en temas vecinos.

Core questions

• ¿Cómo se acopla el ciclo químico de un motor a su paso mecánico?
• ¿Qué fuerzas y tamaños de paso producen los motores individuales?
• ¿Por qué algunos motores dan muchos pasos sin desprenderse (procesividad) mientras que otros no?
• ¿Cómo logra un motor un movimiento dirigido a pesar de las sacudidas térmicas?

Key theories

Ciclo mecanocuímico

Cada ronda de unión de nucleótidos, hidrólisis y liberación de productos impulsa una secuencia de estados conformacionales que unen el motor a su vía, generan un golpe de potencia y lo desprenden, de modo que la química y la mecánica están estrechamente acopladas.

Movimiento dirigido contra el ruido térmico

Los motores operan en un régimen donde las fuerzas térmicas son comparables a las fuerzas que generan, y logran un movimiento dirigido neto al sesgar su ciclo con la energía libre del ATP en lugar de dominar las fluctuaciones térmicas.

Mechanisms

Un motor se une a su vía y a un nucleótido, y la hidrólisis con liberación del producto impulsa un golpe de potencia conformacional que desplaza la carga unos pocos nanómetros antes de que el motor se libere y se vuelva a unir, repitiendo el ciclo. La fuerza que un motor puede producir es del orden de piconewtons y su velocidad disminuye a medida que aumenta la carga opuesta, lo que define una curva fuerza-velocidad. Los motores procesivos coordinan dos cabezas para que al menos una permanezca unida, lo que permite carreras largas, mientras que los motores no procesivos trabajan en equipo. Debido a que actúan en escalas donde la energía térmica es significativa, los motores rectifican en lugar de anular el movimiento térmico utilizando la energía del ATP.

Clinical relevance

Las proteínas motoras impulsan la contracción muscular, el transporte intracelular y la división celular, y su disfunción o focalización es relevante en contextos cardíacos, neurológicos y oncológicos; la biofísica aquí es un antecedente educativo, no un consejo clínico.

History

Tras la teoría del filamento deslizante del músculo, los experimentos de trampa óptica en la década de 1990, incluida la medición directa de los pasos y fuerzas de la miosina individual, resolvieron el ciclo mecanocuímico de los motores individuales y establecieron los motores como un tema central de la biofísica de una sola molécula.

Key figures

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

Seminal works

• finer1994
• howard2001

Frequently asked questions

¿Cuánta fuerza produce un solo motor molecular?

Del orden de unos pocos piconewtons, con pasos de unos pocos nanómetros, según se mide directamente en experimentos de trampa óptica de una sola molécula.

¿Qué significa procesividad?

Un motor procesivo da muchos pasos consecutivos a lo largo de su vía antes de desprenderse, porque mantiene al menos una parte unida en todo momento; los motores no procesivos se desprenden después de cada interacción y trabajan en grupos.