12/9/2016
A motorfehérjék definíciója Motorfehérjék Nyitrai Miklós, 2016 november 30.
Molekuláris gépek A molekuláris mozgások alapját gyakran motor fehérjék biztosítják.
A biológiai motorok Biológiai motorok:
Megértésük a biológia egyik súlyponti kérdése; Gépek a mikro/nano-világban (egyirányú haladás):
nm, pN
kémiai energiát használnak (ATP, proton gradiens) ahhoz, hogy mechanikai munkát hozzanak létre Az egyszer, biológiai folyamatokat diffúzió vagy koncentráció gradiens hajthatja, az összetettebb folyamatok összetettebb molekuláris mechanizmusokat igényelnek
Ember alkotta gépekhez való hasonlóság Anyagok szállítása A genetikai kód másolása, lefordítása és átírása Más sejtekkel való kölcsönhatás A környezettel való kölcsönhatás A sejt osztódás és mozgás elõsegítése A baktériumok mozgásának elõsegítése Izomösszehúzódás
A folyamatok szabályozása (irányított mozgás, start-stop, visszacsatolások) A folyamatok megbízhatósága (a hibák javítása)
A biológiai mozgás Hogyan illeszkednek be a motor fehérjék nagyobb rendszerekbe?
Szubcelluláris, celluláris szinten ATP-t (energiát) igényel Citoszkeletális mozgások Filamentumok kialakulása és lebomlása (mikrofilamentumok és mikrotubulusok) Motor fehérjék számára biztosítanak ‘pályát’
1
12/9/2016
A fehérjék általában
A citoszkeletonnal asszociált fehérjék Lehetséges csoportosítások:
A fehérjék gyakran munkagépek, eszközök
(“DNA is the brain, proteins are the hand”) M,ködhetnek mint: enzimek: kémiai folyamatokat katalizálnak ion pumpák: a membránon keresztül elektromos potenciál vagy koncentrációkülönbséget hoznak létre motorok: mechanikai munkát végeznek
A. Filamentális rendszer szerint 1. Aktin-asszociált (pl. miozin) 2. MT-asszociált (pl. tau) 3. IF-asszociált B. Kapcsolódás geometriája szerint 1. Véghez kapcsolódó („capping”, pl. gelsolin) 2. Oldalról kapcsolódó (pl. tropomiozin) C. Funkció szerint 1. Keresztkötõ a. Gélformáló (pl. filamin, spektrin) b. Kötegformáló (pl. a-aktinin, fimbrin, villin) 2. Polimerizációt befolyásoló a. Depolimerizáló („severing”, pl. gelsolin) b. Stabilizáló (pl. profilin, tropomiozin)
3. Motorfehérjék
A motorfehérjék általános jellemzõi 1. Specifikus citoszkeletális filamentumhoz kapcsolódnak
Miért van szükség molekuláris motorokra ? transzport Sejt osztódáskor a kromoszómák pozícionálása Vezikulák transzportja a citoplazmában
2. A filamentumok mentén elmozdulnak, illetve erõt fejtenek ki 3. ATP-t hidrolizálnak
endocytosis
Miért van szükség motorokra ? Egyszer, mozgások (forgó vagy lineáris) Pl. a flagellum vagy cília forgása egyes egysejt,ek esetében Kontrakció (pl. izom) A filamentumok egymáshoz képest való elmozdulása Vezikulák létrehozása (endo/exo-cytosis) Sejtek osztódása
exocytosis
A motorfehérjék csoportosítása A. Lineáris motorok B. Rotációs motorok
Bonyolultabb mozgások Nuleinsavak polimerizálása (RNS, DNS szintézis) riboszómák (fehérje szintézis) ATP szintázok (ATP termelése) DNS csomagolása (pl. vírusokban a DNS kompaktálása)
2
12/9/2016
A motorfehérjék csoportosítása
A motorfehérjék közös tulajdonságai N
1. Aktin-alapú motorfehérjék: a miozinok. 2. Mikrotubulus alapú motorfehérjék
1. Szerkezet N-terminális globuláris fej: motor domén, nukleotidot köt és hasít specifikus kötõhely a megfelelõ citoszkeletális polimer számára C-terminálisan: funkcionalitást biztosító kötõhely
a. Dineinek. b. Kinezinek. c. Dynaminok.
C
2. Mechanika, m,ködés Alapelv: ciklusos m,ködés Motor -> kötõdés a polimerhez -> húzás -> disszociáció -> relaxáció 1 mechanikai ciklusban 1 molekula ATP hidrolizálódik. A ciklus során különbözõ motorfehérje-nukleotid intermedierek. A mechanikai ciklusban elmozdulás (izotóniás viszonyok) vagy erõkifejlõdés (izometriás viszonyok) történik.
3. DNS alapú motorok 4. Rotációs motorok
A motorfehérjék munkaciklusa
A munkaarány jelentése; processzivitás
δ = munkatávolság ATP hidrolízis ciklus Kapcsolt ton
munkacsapás
kapcsolás
szétkapcsolás
Processzív motor: r->1 pl. kinezin, DNS-, RNS-polimeráz A munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban egymaga képes a terhét továbbítani.
visszacsapás Szétkapcsolt toff
Munkaarány:
r=
τ on τ = on τ on + τ off τ total
Lineáris motorok
Csúszási seb.:
Kapcsolt idő:
δ v= τ on
Ciklus idő:
Nonprocesszív motor: r->0 pl. izom miozin A munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban sokaság m,ködik együtt.
δ τ = 1 total τ on = V v
δ=munka- vagy lépéstávolság; V=ATPáz sebesség; v=motilitási sebesség
Kinezin szerkezet
Az egyetlen motorfehérje által kifejtett erõ: néhány pN.
Miozinok
Miozin szerkezet
3
12/9/2016
A miozin szupercsalád
A miozinok az aktinon mozognak
Ez a k ép most nem jeleníthető meg.
Nem izom eredet& miozinok Más lineáris motorfehérjék
Kinezinek és dineinek
Mikrotubulusokon mozognak
4
12/9/2016
A kinezin ATPáz ciklusa
Kinezin Valószín,leg minden motorfehérje õse.
Kiindulási fázis ADP-kötõ állapot mind a két fejen
Fej motor domén filamentumhoz való kapcsolódás (mikrotubulus) dimer ATP-kötõ hely
Az egyik fej („leading head”) gyengén kötõdik (Brown mozgás) Az ADP disszociációja erõs kötést eredményez; a másik fej leválik, nem tud tovább kötõdni (ez a „trailing head”) Második fázis ATP kötõdik az elsõ fejhez („leading head”)
Farok szállítmány-kötõ domén Központi összekötõ domén
Konformációváltozás jön létre, elõre húzódás A korábbi hátsó fej a diffúziós mozgások mellett gyengén kötõdik a mikrotubulushoz (az a korábbi „trailing head”, immár „leading head”)
A kinezin ATPáz ciklusa Harmadik fázis Az ATP-t a hátsó fej hidrolizálja Az elsõ fej ATP-t köt, és erõs kötésbe megy át
A kinezin mozgásának modellje
A hátsó fejrõl a fszfát disszociál, a fej leválik mikrotubulusról Néhány számadat Egy lépés:
80Å
max sebesség:1 mm/sec (kb. 125 steps/sec) max erõ:
5-6pN
Mechanikai munka:
4·10-20 J/step
Hatásfok: 40% Lépésenként egy ATP hidrolízise; 12kcal/mol vagy ~10-19 J/molekula.
Kinezin séma
Részletesebb séma
5
12/9/2016
Rajzfilm a lépkedésrõl
Kinezin funkciók: sejtosztódás
Hogyan valósul meg a szabályozásuk?
Kinezin funkciók: alakváltoztatás, vándorlás Sejt alakváltoztatásban
Kromoszóma vándorlásban
http://faculty.plattsburgh.edu/donald.slish/Motors.html http://faculty.plattsburgh.edu/donald.slish/Motors.html
Dinein, cillium A dinein, húzási ciklusa. A motorfehérje két szomszédos mikrotubulushoz kötõdik, és a két mikrotubulus relatív elmozdulását hozza létre (axonemal dinein).
Rotációs vagy forgó motorok
Egy rugalmas összekötõ fehérje, a nexin, a relatív elmozdulást elhajlásba, görbülésbe viszi át. Megj.: a molekuláris mechanizmusok részletei még nem ismertek, de az általános modell már igen.
6
12/9/2016
Bakteriális flagellum motor
F1Fo ATPáz
A bakteriális flagellum motor
H. Berg’s website
A motor szerkezete
A motor szerkezete
Vibrio alginolyticus
spirillum
Examples of bacterial flagaella arrangment schemes
EM image
D. Thomas, N. Francis, and D. Derosier, unpublished
Egy másik rotációs motor: ATP szintáz
F1F0 ATPáz
Olyan enzim, ami katalizálja az ADP-bõl való ATP szintézist. A töltések vándorlása megatározó szerepet tölt be. F0 rész: proton csatorna F1 rész: az ATP termelés helye Az ATP termelés mechanizmusát Paul Boyer, UCLA (1973) írta le, a szerkezetet John Walker, Cambridge (90-es évek) határozta meg (Nobel díj, kémia 1997, www.nobel.se) A mechanizmust kísérletesen Kinosita bizonyította be: Kinosita, Nature, 1997
7
12/9/2016
ATP szintáz
ATP szintáz
F0: egy membránhoz kötött rotor; a proton fluxus hatására forog F1: stator; ATP szintézis a beta alegységekben 100 r.p.s “stepper motor” (4 proton per ATP) Forgatónyomaték: 40 pN·m (Jung ‘93, Oster) Brown mozgás létrehozhat spontán forgást is Megfordítva is m,ködik, ekkor ATP hatására proton gradienst épít fel
www.nobel.se Alberts, MBOC
ATP szintáz
ATP szintáz
no ATP, no net rotation
Kinosita, Nature, 1997
ATP szintáz
Bacteriophage DNS csomagoló motor
120° steps (90°+30° substeps)
Kinosita, Nature, 2001
8
12/9/2016
Bacteriophage DNS csomagoló motor
Összefoglalás
www.purdue.edu
9
