Động cơ phân tử và sự tạo lực

Các protein động cơ như myosin, kinesin và dynein chuyển đổi năng lượng hóa học của ATP thành lực và chuyển động có định hướng dọc theo các sợi khung xương tế bào như thế nào.

Definition

Động cơ phân tử là một protein chuyển đổi năng lượng hóa học, thường từ quá trình thủy phân ATP, thành công cơ học, tạo ra lực và chuyển động có định hướng dọc theo một sợi polymer hoặc chất nền.

Scope

Chủ đề này bao gồm vật lý của động cơ phân tử: chu trình cơ-hóa học liên kết quá trình thủy phân nucleotide với sự thay đổi cấu trúc và bước đi, mối quan hệ lực–vận tốc, tính chất tiến triển (processivity) và vai trò của nhiễu nhiệt trong chuyển động có định hướng. Nó dựa trên các phép đo phân tử đơn lẻ đã phân giải các bước riêng lẻ của động cơ, trong khi bản thân các sợi và cơ chế tế bào hạ nguồn được đề cập trong các chủ đề lân cận.

Core questions

• Chu trình hóa học của một động cơ được liên kết với bước cơ học của nó như thế nào?
• Các động cơ đơn lẻ tạo ra lực và kích thước bước như thế nào?
• Tại sao một số động cơ thực hiện nhiều bước mà không tách rời (tính chất tiến triển) trong khi những động cơ khác thì không?
• Làm thế nào một động cơ đạt được chuyển động có định hướng bất chấp sự va đập nhiệt?

Key theories

Chu trình cơ-hóa học

Mỗi vòng liên kết nucleotide, thủy phân và giải phóng sản phẩm thúc đẩy một chuỗi các trạng thái cấu trúc gắn động cơ vào sợi của nó, tạo ra một chu trình tạo lực và tách nó ra, do đó hóa học và cơ học được liên kết chặt chẽ.

Chuyển động có định hướng chống lại nhiễu nhiệt

Các động cơ hoạt động trong một chế độ mà lực nhiệt có thể so sánh với lực mà chúng tạo ra, và chúng đạt được chuyển động có định hướng ròng bằng cách làm lệch chu trình của chúng bằng năng lượng tự do của ATP thay vì áp đảo các dao động nhiệt.

Mechanisms

Một động cơ liên kết với sợi và một nucleotide, và quá trình thủy phân với sự giải phóng sản phẩm thúc đẩy một chu trình tạo lực (power stroke) làm dịch chuyển tải trọng vài nanomet trước khi động cơ giải phóng và liên kết lại, lặp lại chu trình. Lực mà một động cơ có thể tạo ra có cường độ cỡ piconewton và vận tốc của nó giảm khi tải trọng đối kháng tăng lên, định nghĩa một đường cong lực–vận tốc. Các động cơ có tính chất tiến triển (processive motors) phối hợp hai đầu để ít nhất một đầu luôn gắn kết, cho phép di chuyển quãng đường dài, trong khi các động cơ không có tính chất tiến triển (non-processive motors) hoạt động theo nhóm. Bởi vì chúng hoạt động ở quy mô mà năng lượng nhiệt đáng kể, các động cơ điều chỉnh (rectify) hơn là đánh bại chuyển động nhiệt bằng cách sử dụng năng lượng của ATP.

Clinical relevance

Các protein động cơ thúc đẩy sự co cơ, vận chuyển nội bào và phân chia tế bào, và sự rối loạn chức năng hoặc nhắm mục tiêu của chúng có liên quan đến các bệnh lý tim mạch, thần kinh và ung thư; sinh lý học ở đây là kiến thức nền tảng giáo dục, không phải lời khuyên lâm sàng.

History

Theo lý thuyết sợi trượt của cơ, các thí nghiệm bẫy quang học vào những năm 1990, bao gồm đo trực tiếp các bước và lực của myosin đơn lẻ, đã làm sáng tỏ chu trình cơ-hóa học của các động cơ riêng lẻ và thiết lập động cơ như một chủ đề trung tâm của sinh lý học phân tử đơn lẻ.

Key figures

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

Seminal works

• finer1994
• howard2001

Frequently asked questions

Một động cơ phân tử đơn lẻ tạo ra bao nhiêu lực?

Cỡ vài piconewton, với các bước vài nanomet, được đo trực tiếp trong các thí nghiệm bẫy quang học phân tử đơn lẻ.

Tính chất tiến triển (processivity) có nghĩa là gì?

Một động cơ có tính chất tiến triển thực hiện nhiều bước liên tiếp dọc theo sợi của nó trước khi tách rời, bởi vì nó giữ ít nhất một phần gắn kết mọi lúc; các động cơ không có tính chất tiến triển tách rời sau mỗi tương tác và hoạt động theo nhóm.