Молекулярные моторы и генерация силы

Как моторные белки, такие как миозин, кинезин и динеин, преобразуют химическую энергию АТФ в направленную силу и движение вдоль цитоскелетных треков.

Definition

Молекулярный мотор — это белок, который преобразует химическую энергию, обычно получаемую от гидролиза АТФ, в механическую работу, производя направленную силу и движение вдоль полимерного трека или субстрата.

Scope

Эта тема охватывает физику молекулярных моторов: механохимический цикл, который связывает гидролиз нуклеотидов с конформационными изменениями и шагами, зависимость силы от скорости, процессивность и роль теплового шума в направленном движении. Она основана на измерениях на уровне отдельных молекул, которые позволили разрешить отдельные шаги мотора, в то время как сами треки и последующая клеточная механика рассматриваются в соседних темах.

Core questions

• Как химический цикл мотора связан с его механическим шагом?
• Какие силы и размеры шагов производят отдельные моторы?
• Почему некоторые моторы делают много шагов, не отсоединяясь (процессивность), а другие нет?
• Как мотор достигает направленного движения, несмотря на тепловые колебания?

Key theories

Механохимический цикл

Каждый раунд связывания нуклеотида, гидролиза и высвобождения продукта приводит к последовательности конформационных состояний, которые прикрепляют мотор к его треку, генерируют силовой ход и отсоединяют его, так что химия и механика тесно связаны.

Направленное движение против теплового шума

Моторы работают в режиме, где тепловые силы сопоставимы с силами, которые они генерируют, и они достигают чистого направленного движения, смещая свой цикл за счет свободной энергии АТФ, а не преодолевая тепловые флуктуации.

Mechanisms

Мотор связывается со своим треком и нуклеотидом, а гидролиз с высвобождением продукта приводит к конформационному силовому ходу, который смещает нагрузку на несколько нанометров, прежде чем мотор отсоединяется и повторно связывается, повторяя цикл. Сила, которую может произвести мотор, составляет порядка пиконьютонов, а его скорость падает по мере увеличения противодействующей нагрузки, что определяет кривую зависимости силы от скорости. Процессивные моторы координируют две головки так, что по крайней мере одна остается прикрепленной, что позволяет совершать длинные пробеги, тогда как непроцессивные моторы работают в командах. Поскольку они действуют в масштабах, где тепловая энергия значительна, моторы скорее выпрямляют, чем преодолевают тепловое движение, используя энергию АТФ.

Clinical relevance

Моторные белки управляют сокращением мышц, внутриклеточным транспортом и делением клеток, и их дисфункция или воздействие на них актуальны в кардиологическом, неврологическом и онкологическом контекстах; представленная здесь биофизика является образовательной информацией, а не клиническим советом.

History

После теории скользящих нитей мышц, эксперименты с оптическими ловушками в 1990-х годах, включая прямое измерение отдельных шагов и сил миозина, разрешили механохимический цикл отдельных моторов и утвердили моторы как центральный объект биофизики одиночных молекул.

Key figures

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

Seminal works

• finer1994
• howard2001

Frequently asked questions

Какую силу производит один молекулярный мотор?

Порядка нескольких пиконьютонов, с шагами в несколько нанометров, как это было непосредственно измерено в экспериментах с оптическими ловушками на уровне отдельных молекул.

Что означает процессивность?

Процессивный мотор делает много последовательных шагов вдоль своего трека, прежде чем отсоединиться, потому что он постоянно удерживает хотя бы одну часть связанной; непроцессивные моторы отсоединяются после каждого взаимодействия и работают в группах.