分子モーターと力発生

ミオシン、キネシン、ダイニンなどのモータータンパク質が、ATPの化学エネルギーをどのようにして細胞骨格の軌道に沿った指向性のある力と運動に変換するか。

Definition

分子モーターとは、通常ATP加水分解からの化学エネルギーを機械的仕事に変換し、ポリマーの軌道または基質に沿って指向性のある力と運動を生み出すタンパク質である。

Scope

このトピックでは、分子モーターの物理学について扱います。具体的には、ヌクレオチド加水分解とコンフォメーション変化およびステッピングを結合させるメカノケミカルサイクル、力と速度の関係、プロセシビティ、そして指向性運動における熱ノイズの役割です。個々のモーターのステップを解明した単一分子測定に基づきますが、軌道自体や下流の細胞力学については隣接するトピックで扱われます。

Core questions

• モーターの化学サイクルはどのようにしてその機械的ステップと結合しているのか？
• 単一モーターはどのような力とステップサイズを生み出すのか？
• なぜ一部のモーターは脱離せずに多くのステップを踏む（プロセシビティ）のに、他のモーターはそうではないのか？
• モーターは熱的な揺動にもかかわらず、どのようにして指向性運動を達成するのか？

Key theories

メカノケミカルサイクル

ヌクレオチド結合、加水分解、および生成物放出の各サイクルが、モーターをその軌道に結合させ、パワーストロークを生成し、それを脱離させる一連のコンフォメーション状態を駆動するため、化学と力学は密接に結合している。

熱ノイズに対する指向性運動

モーターは、発生する力と熱力が同程度である領域で動作し、熱ゆらぎを圧倒するのではなく、ATPの自由エネルギーによってサイクルにバイアスをかけることで、正味の指向性運動を達成する。

Mechanisms

モーターは軌道とヌクレオチドに結合し、生成物放出を伴う加水分解がコンフォメーション的なパワーストロークを駆動し、数ナノメートルの負荷を移動させます。その後モーターは解放され、再結合してサイクルを繰り返します。モーターが発生できる力はピコニュートンオーダーであり、反対方向の負荷が増加するにつれてその速度は低下し、力-速度曲線が定義されます。プロセシブモーターは2つのヘッドを協調させ、少なくとも1つが結合した状態を保つことで長い走行を可能にしますが、非プロセシブモーターはチームで機能します。熱エネルギーが無視できないスケールで作用するため、モーターはATPのエネルギーを利用して熱運動を打ち負かすのではなく、整流します。

Clinical relevance

モータータンパク質は筋肉収縮、細胞内輸送、細胞分裂を駆動し、それらの機能不全や標的化は心臓、神経、腫瘍の文脈に関連します。ここでの生物物理学は教育的背景であり、臨床的助言ではありません。

History

筋肉の滑り説に続き、1990年代の光ピンセット実験（単一ミオシンステップと力の直接測定を含む）により、個々のモーターのメカノケミカルサイクルが解明され、モーターは単一分子生物物理学の中心的な主題として確立されました。

Key figures

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

Seminal works

• finer1994
• howard2001

Frequently asked questions

単一の分子モーターはどれくらいの力を発生しますか？

単一分子光ピンセット実験で直接測定された結果、数ピコニュートンオーダーであり、ステップは数ナノメートルです。

プロセシビティとは何を意味しますか？

プロセシブモーターは、常に少なくとも一部が結合した状態を保つため、脱離する前に軌道に沿って多くの連続したステップを踏みます。非プロセシブモーターは各相互作用後に脱離し、グループで機能します。