موتورهای مولکولی و تولید نیرو

چگونگی تبدیل انرژی شیمیایی ATP توسط پروتئین‌های موتوری مانند میوزین، کینزین و داینئین به نیروی جهت‌دار و حرکت در امتداد مسیرهای اسکلت سلولی.

Definition

موتور مولکولی پروتئینی است که انرژی شیمیایی، معمولاً از هیدرولیز ATP، را به کار مکانیکی تبدیل می‌کند و نیروی جهت‌دار و حرکت را در امتداد یک مسیر پلیمری یا بستر تولید می‌کند.

Scope

این موضوع فیزیک موتورهای مولکولی را پوشش می‌دهد: چرخه مکانوشیمیایی که هیدرولیز نوکلئوتید را به تغییرات ساختاری و گام‌برداری پیوند می‌زند، رابطه نیرو-سرعت، پردازش‌پذیری (processivity) و نقش نویز حرارتی در حرکت جهت‌دار. این مبحث بر اندازه‌گیری‌های تک‌مولکولی که گام‌های منفرد موتور را تفکیک کرده‌اند، تکیه دارد، در حالی که خود مسیرها و مکانیک سلولی پایین‌دستی در موضوعات مجاور بررسی می‌شوند.

Core questions

• چگونه چرخه شیمیایی یک موتور به گام مکانیکی آن پیوند می‌خورد؟
• موتورهای منفرد چه نیروها و اندازه‌های گامی تولید می‌کنند؟
• چرا برخی موتورها بدون جدا شدن (پردازش‌پذیری) گام‌های متعددی برمی‌دارند در حالی که برخی دیگر اینگونه نیستند؟
• چگونه یک موتور با وجود ضربات حرارتی به حرکت جهت‌دار دست می‌یابد؟

Key theories

چرخه مکانوشیمیایی

هر دور اتصال نوکلئوتید، هیدرولیز و آزادسازی محصول، توالی‌ای از حالت‌های ساختاری را هدایت می‌کند که موتور را به مسیر خود متصل می‌کند، یک ضربه قدرتی ایجاد می‌کند و آن را جدا می‌کند، بنابراین شیمی و مکانیک به شدت به هم پیوسته‌اند.

حرکت جهت‌دار در برابر نویز حرارتی

موتورها در رژیمی عمل می‌کنند که نیروهای حرارتی با نیروهایی که تولید می‌کنند قابل مقایسه هستند، و آنها با جهت‌دهی چرخه خود با انرژی آزاد ATP به جای غلبه بر نوسانات حرارتی، به حرکت جهت‌دار خالص دست می‌یابند.

Mechanisms

یک موتور به مسیر خود و یک نوکلئوتید متصل می‌شود و هیدرولیز همراه با آزادسازی محصول، یک ضربه قدرتی (power stroke) ساختاری را به حرکت درمی‌آورد که بار را چند نانومتر جابجا می‌کند، قبل از اینکه موتور رها شده و دوباره متصل شود و چرخه تکرار گردد. نیرویی که یک موتور می‌تواند تولید کند در حدود پیکونیوتن است و سرعت آن با افزایش بار مخالف کاهش می‌یابد که یک منحنی نیرو-سرعت را تعریف می‌کند. موتورهای پردازش‌پذیر (processive) دو سر را هماهنگ می‌کنند تا حداقل یکی متصل بماند و امکان حرکت‌های طولانی را فراهم می‌کند، در حالی که موتورهای غیرپردازش‌پذیر (non-processive) به صورت تیمی کار می‌کنند. از آنجایی که آنها در مقیاس‌هایی عمل می‌کنند که انرژی حرارتی قابل توجه است، موتورها به جای غلبه بر حرکت حرارتی، با استفاده از انرژی ATP آن را اصلاح می‌کنند.

Clinical relevance

پروتئین‌های موتوری انقباض عضلانی، انتقال درون‌سلولی و تقسیم سلولی را هدایت می‌کنند و اختلال عملکرد یا هدف‌گیری آنها در زمینه‌های قلبی، عصبی و سرطان‌شناسی مرتبط است؛ بیوفیزیک در اینجا زمینه آموزشی است، نه توصیه بالینی.

History

به دنبال نظریه فیلامنت کشویی عضله، آزمایش‌های تله نوری در دهه 1990، از جمله اندازه‌گیری مستقیم گام‌ها و نیروهای میوزین منفرد، چرخه مکانوشیمیایی موتورهای منفرد را تفکیک کرد و موتورها را به عنوان یک موضوع اصلی در بیوفیزیک تک‌مولکولی تثبیت کرد.

Key figures

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

Seminal works

• finer1994
• howard2001

Frequently asked questions

یک موتور مولکولی منفرد چقدر نیرو تولید می‌کند؟

در حدود چند پیکونیوتن، با گام‌هایی به اندازه چند نانومتر، همانطور که مستقیماً در آزمایش‌های تله نوری تک‌مولکولی اندازه‌گیری شده است.

پردازش‌پذیری (processivity) به چه معناست؟

یک موتور پردازش‌پذیر قبل از جدا شدن، گام‌های متوالی زیادی را در امتداد مسیر خود برمی‌دارد، زیرا همیشه حداقل یک بخش را متصل نگه می‌دارد؛ موتورهای غیرپردازش‌پذیر پس از هر تعامل جدا می‌شوند و به صورت گروهی کار می‌کنند.