Motores Moleculares e Geração de Força

Como proteínas motoras como miosina, cinesina e dineína convertem a energia química do ATP em força e movimento direcionados ao longo de trilhos citoesqueléticos.

Definition

Um motor molecular é uma proteína que converte energia química, geralmente da hidrólise de ATP, em trabalho mecânico, produzindo força e movimento direcionados ao longo de um trilho ou substrato polimérico.

Scope

Este tópico abrange a física dos motores moleculares: o ciclo mecanocímico que acopla a hidrólise de nucleotídeos à mudança conformacional e ao movimento em etapas, a relação força-velocidade, a processividade e o papel do ruído térmico no movimento direcionado. Baseia-se em medições de molécula única que resolveram etapas motoras individuais, enquanto os próprios trilhos e a mecânica celular a jusante são tratados em tópicos vizinhos.

Core questions

• Como o ciclo químico de um motor é acoplado à sua etapa mecânica?
• Que forças e tamanhos de passo motores únicos produzem?
• Por que alguns motores dão muitos passos sem se desapegar (processividade) enquanto outros não?
• Como um motor alcança movimento direcionado apesar do impacto térmico?

Key theories

Ciclo mecanocímico

Cada rodada de ligação de nucleotídeos, hidrólise e liberação de produto impulsiona uma sequência de estados conformacionais que ligam o motor ao seu trilho, geram um golpe de força e o desprendem, de modo que a química e a mecânica estão intimamente acopladas.

Movimento direcionado contra o ruído térmico

Os motores operam em um regime onde as forças térmicas são comparáveis às forças que geram, e eles alcançam movimento direcionado líquido ao polarizar seu ciclo com a energia livre do ATP, em vez de superar as flutuações térmicas.

Mechanisms

Um motor liga-se ao seu trilho e a um nucleotídeo, e a hidrólise com a liberação do produto impulsiona um golpe de força conformacional que desloca a carga em alguns nanômetros antes que o motor se solte e se religue, repetindo o ciclo. A força que um motor pode produzir é da ordem de piconewtons e sua velocidade diminui à medida que a carga oposta aumenta, definindo uma curva força-velocidade. Motores processivos coordenam duas cabeças para que pelo menos uma permaneça ligada, permitindo longas corridas, enquanto motores não processivos trabalham em equipes. Como atuam em escalas onde a energia térmica é significativa, os motores retificam em vez de derrotar o movimento térmico usando a energia do ATP.

Clinical relevance

As proteínas motoras impulsionam a contração muscular, o transporte intracelular e a divisão celular, e sua disfunção ou direcionamento é relevante em contextos cardíacos, neurológicos e oncológicos; a biofísica aqui é um conhecimento educacional, não um conselho clínico.

History

Após a teoria do filamento deslizante do músculo, experimentos de armadilha óptica na década de 1990, incluindo a medição direta de etapas e forças de miosina únicas, resolveram o ciclo mecanocímico de motores individuais e estabeleceram os motores como um tema central da biofísica de molécula única.

Key figures

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

Seminal works

• finer1994
• howard2001

Frequently asked questions

Quanta força um único motor molecular produz?

Da ordem de alguns piconewtons, com passos de alguns nanômetros, conforme medido diretamente em experimentos de armadilha óptica de molécula única.

O que significa processividade?

Um motor processivo dá muitos passos consecutivos ao longo de seu trilho antes de se desapegar, porque mantém pelo menos uma parte ligada o tempo todo; motores não processivos se desprendem após cada interação e trabalham em grupos.