มอเตอร์โมเลกุลและการสร้างแรง

โปรตีนมอเตอร์ เช่น ไมโอซิน, ไคเนซิน และไดนีน เปลี่ยนพลังงานเคมีจาก ATP ไปเป็นแรงและการเคลื่อนที่แบบมีทิศทางตามแนวโครงสร้างเซลล์ได้อย่างไร

Definition

มอเตอร์โมเลกุลคือโปรตีนที่เปลี่ยนพลังงานเคมี ซึ่งโดยทั่วไปมาจากปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของ ATP ไปเป็นงานเชิงกล ก่อให้เกิดแรงและการเคลื่อนที่แบบมีทิศทางตามแนวสายพอลิเมอร์หรือพื้นผิว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมฟิสิกส์ของมอเตอร์โมเลกุล: วัฏจักรกลเคมีที่เชื่อมโยงการไฮโดรไลซิสนิวคลีโอไทด์กับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและการก้าวเดิน, ความสัมพันธ์ระหว่างแรง-ความเร็ว, กระบวนการทำงานต่อเนื่อง (processivity) และบทบาทของสัญญาณรบกวนจากความร้อนในการเคลื่อนที่แบบมีทิศทาง ข้อมูลนี้อ้างอิงจากการวัดระดับโมเลกุลเดี่ยวที่สามารถแยกแยะขั้นตอนการทำงานของมอเตอร์แต่ละตัวได้ ในขณะที่โครงสร้างเซลล์และกลไกของเซลล์ที่เกี่ยวข้องจะกล่าวถึงในหัวข้ออื่น ๆ

Core questions

• วัฏจักรเคมีของมอเตอร์เชื่อมโยงกับขั้นตอนเชิงกลของมันได้อย่างไร?
• มอเตอร์เดี่ยวสร้างแรงและมีขนาดการก้าวเดินเท่าใด?
• เหตุใดมอเตอร์บางชนิดจึงก้าวเดินได้หลายครั้งโดยไม่หลุด (processivity) ในขณะที่บางชนิดไม่เป็นเช่นนั้น?
• มอเตอร์บรรลุการเคลื่อนที่แบบมีทิศทางได้อย่างไร แม้จะมีการรบกวนจากความร้อน?

Key theories

วัฏจักรกลเคมี

การจับนิวคลีโอไทด์ การไฮโดรไลซิส และการปล่อยผลิตภัณฑ์ในแต่ละรอบจะขับเคลื่อนลำดับของสถานะรูปร่างที่ทำให้มอเตอร์ยึดติดกับสายพอลิเมอร์ สร้างการเคลื่อนที่แบบกระแทก (power stroke) และหลุดออก ดังนั้นเคมีและกลไกจึงเชื่อมโยงกันอย่างแน่นหนา

การเคลื่อนที่แบบมีทิศทางต้านทานสัญญาณรบกวนจากความร้อน

มอเตอร์ทำงานในสภาวะที่แรงจากความร้อนเทียบเท่ากับแรงที่พวกมันสร้างขึ้น และพวกมันบรรลุการเคลื่อนที่แบบมีทิศทางสุทธิโดยการปรับทิศทางวัฏจักรด้วยพลังงานอิสระของ ATP แทนที่จะเอาชนะความผันผวนจากความร้อน

Mechanisms

มอเตอร์จะจับกับสายพอลิเมอร์และนิวคลีโอไทด์ และการไฮโดรไลซิสพร้อมกับการปล่อยผลิตภัณฑ์จะขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง (conformational power stroke) ที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของโหลดไปไม่กี่นาโนเมตร ก่อนที่มอเตอร์จะปล่อยและจับใหม่ เพื่อทำซ้ำวัฏจักร แรงที่มอเตอร์สามารถสร้างได้อยู่ในระดับพิโคนิวตัน และความเร็วของมันจะลดลงเมื่อโหลดที่ต้านทานเพิ่มขึ้น ซึ่งกำหนดเป็นเส้นโค้งความสัมพันธ์ระหว่างแรง-ความเร็ว (force–velocity curve) มอเตอร์ที่ทำงานต่อเนื่อง (processive motors) จะประสานงานกันระหว่างหัวสองส่วนเพื่อให้มีอย่างน้อยหนึ่งส่วนที่ยังคงยึดติดอยู่ ทำให้สามารถเคลื่อนที่ได้เป็นระยะทางยาว ในขณะที่มอเตอร์ที่ไม่ทำงานต่อเนื่อง (non-processive motors) จะทำงานเป็นทีม เนื่องจากมอเตอร์ทำงานในระดับที่พลังงานความร้อนมีนัยสำคัญ มอเตอร์จึงปรับทิศทาง (rectify) แทนที่จะเอาชนะการเคลื่อนที่จากความร้อน โดยใช้พลังงานจาก ATP

Clinical relevance

โปรตีนมอเตอร์ขับเคลื่อนการหดตัวของกล้ามเนื้อ การขนส่งภายในเซลล์ และการแบ่งเซลล์ และการทำงานที่ผิดปกติหรือการกำหนดเป้าหมายของโปรตีนเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องกับบริบททางหัวใจ ระบบประสาท และมะเร็ง ชีวฟิสิกส์ในที่นี้เป็นพื้นฐานความรู้ทางวิชาการ ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

History

ภายหลังทฤษฎีการเลื่อนของเส้นใยกล้ามเนื้อ (sliding-filament theory of muscle) การทดลองกับกับดักแสง (optical-trap experiments) ในทศวรรษ 1990 ซึ่งรวมถึงการวัดโดยตรงของขั้นตอนและแรงของไมโอซินแต่ละตัว ได้ไขปริศนาวัฏจักรกลเคมีของมอเตอร์แต่ละตัว และทำให้มอเตอร์กลายเป็นหัวข้อหลักของชีวฟิสิกส์ระดับโมเลกุลเดี่ยว

Key figures

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

Seminal works

• finer1994
• howard2001

Frequently asked questions

มอเตอร์โมเลกุลเดี่ยวสร้างแรงได้เท่าไร?

อยู่ในระดับไม่กี่พิโคนิวตัน โดยมีการก้าวเดินไม่กี่นาโนเมตร ซึ่งวัดได้โดยตรงจากการทดลองกับกับดักแสงระดับโมเลกุลเดี่ยว

Processivity หมายถึงอะไร?

มอเตอร์ที่ทำงานต่อเนื่อง (processive motor) จะก้าวเดินหลายครั้งติดต่อกันตามแนวสายพอลิเมอร์ก่อนที่จะหลุดออก เนื่องจากมันยังคงมีส่วนใดส่วนหนึ่งยึดติดอยู่ตลอดเวลา ในขณะที่มอเตอร์ที่ไม่ทำงานต่อเนื่อง (non-processive motors) จะหลุดออกหลังจากการจับแต่ละครั้งและทำงานเป็นกลุ่ม