Moteurs Moléculaires et Génération de Force

Comment les protéines motrices telles que la myosine, la kinésine et la dynéine convertissent l'énergie chimique de l'ATP en force dirigée et en mouvement le long des filaments du cytosquelette.

Definition

Un moteur moléculaire est une protéine qui convertit l'énergie chimique, généralement issue de l'hydrolyse de l'ATP, en travail mécanique, produisant une force et un mouvement dirigés le long d'un filament polymère ou d'un substrat.

Scope

Ce sujet aborde la physique des moteurs moléculaires : le cycle mécanochimique qui couple l'hydrolyse des nucléotides au changement conformationnel et au déplacement, la relation force-vitesse, la processivité, et le rôle du bruit thermique dans le mouvement dirigé. Il s'appuie sur des mesures à l'échelle de la molécule unique qui ont permis de résoudre les étapes individuelles des moteurs, tandis que les filaments eux-mêmes et la mécanique cellulaire en aval sont traités dans des sujets connexes.

Core questions

• Comment le cycle chimique d'un moteur est-il couplé à son étape mécanique ?
• Quelles forces et tailles de pas les moteurs uniques produisent-ils ?
• Pourquoi certains moteurs effectuent-ils de nombreux pas sans se détacher (processivité) tandis que d'autres non ?
• Comment un moteur réalise-t-il un mouvement dirigé malgré l'agitation thermique ?

Key theories

Cycle mécanochimique

Chaque cycle de liaison des nucléotides, d'hydrolyse et de libération des produits entraîne une séquence d'états conformationnels qui attachent le moteur à son filament, génèrent un coup de force et le détachent, de sorte que la chimie et la mécanique sont étroitement couplées.

Mouvement dirigé contre le bruit thermique

Les moteurs fonctionnent dans un régime où les forces thermiques sont comparables aux forces qu'ils génèrent, et ils réalisent un mouvement dirigé net en biaisant leur cycle avec l'énergie libre de l'ATP plutôt qu'en surmontant les fluctuations thermiques.

Mechanisms

Un moteur se lie à son filament et à un nucléotide, et l'hydrolyse avec libération du produit entraîne un coup de force conformationnel qui déplace la charge de quelques nanomètres avant que le moteur ne se détache et se relie, répétant le cycle. La force qu'un moteur peut produire est de l'ordre du piconewton et sa vitesse diminue à mesure que la charge opposée augmente, définissant ainsi une courbe force-vitesse. Les moteurs processifs coordonnent deux têtes de sorte qu'au moins l'une reste attachée, permettant de longs déplacements, tandis que les moteurs non processifs fonctionnent en équipes. Parce qu'ils agissent à des échelles où l'énergie thermique est significative, les moteurs rectifient plutôt que de vaincre le mouvement thermique en utilisant l'énergie de l'ATP.

Clinical relevance

Les protéines motrices sont à l'origine de la contraction musculaire, du transport intracellulaire et de la division cellulaire, et leur dysfonctionnement ou leur ciblage est pertinent dans les contextes cardiaque, neurologique et oncologique ; la biophysique présentée ici constitue un éclairage éducatif et non un avis clinique.

History

Suite à la théorie du filament glissant du muscle, les expériences de piège optique dans les années 1990, y compris la mesure directe des étapes et des forces de la myosine unique, ont permis de résoudre le cycle mécanochimique des moteurs individuels et ont établi les moteurs comme un sujet central de la biophysique à l'échelle de la molécule unique.

Key figures

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

Seminal works

• finer1994
• howard2001

Frequently asked questions

Quelle force un moteur moléculaire unique produit-il ?

De l'ordre de quelques piconewtons, avec des pas de quelques nanomètres, comme mesuré directement lors d'expériences de piège optique à l'échelle de la molécule unique.

Que signifie la processivité ?

Un moteur processif effectue de nombreux pas consécutifs le long de son filament avant de se détacher, car il maintient au moins une partie liée en permanence ; les moteurs non processifs se détachent après chaque interaction et fonctionnent en groupes.