A biológiai mozgások Molekuláris mozgás
A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai
Celluláris mozgás
Mártonfalvi Zsolt
Szervezet mozgása
Bakteriális flagellum
Keratocita mozgása felületen
1
Motorfehérjék
2
Motorfehérjék közös tulajdonságai I. Szerkezeti homológia N-terminális részen globuláris fejet találunk: ez a motor domén (ATPáz), ami specifikusan köt a megfelelő citoszkeletális polimerhez.
Olyan mechanoenzimek, amelyek kémiai energiát alakítanak át mechanikai munkává.
C-terminális részen működést biztosító kötőhelyet találunk.
1. Specifikusan kapcsolódnak valamilyen citoszkeletális filamentumhoz vagy biopolimerhez (pl. DNS). 1.
2. A filamentum mentén elmozdulnak, illetve erőt fejtenek ki. 3. Eközben ATP-t hidrolizálnak.
3
II. Ciklusos működés
2.
1. 2. 3. 4.
1ATP/ciklus
4.
3.
Kapcsolás Munkacsapás (húzás) Szétkapcsolás (disszociáció) Visszacsapás (relaxáció)
Egyetlen motorfehérje által végzet munka kiszámolható:
W=F⋅𝛿
kifejtett erő (F): néhány pN munkatávolság (𝛿): néhány nm
W: néhány zJ (zeptojoule = 10-21 J)
4 Mozgás - 2016. április 20.
Motorfehérjék munkaciklusa Munkaciklus arány (r):
Motorfehérjék típusai 1. Aktin alapú • Miozinok: Az aktin filamentum mentén a plusz vég irányába mozognak. (lamellipodium formálás, izomkontrakció)
2. Mikrotubulus alapú •
Processzív motor: r~1 Pl. kinezin, DNS-, RNS-polimeráz. Munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban van. Egymaga képes a terhet továbbítani. Nem processzív motor: r~0 Pl. konvencionális miozin (vázizom: miozin II.) Munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban. Sokaság működik együtt.
• •
Dineinek: Ciliáris (flagelláris) es citoplazmáris dineinek. A mikrotubulus mentén a mínusz vég irányába mozognak. (axonális retrográd transzport) Kinezinek: A mikrotubulus mentén a plusz vég irányába mozognak. (axonális anterográd transzport) Vezikula exocitózis Dinaminok: Mikrotubulus-függő GTPáz aktivitás.
3. DNS alapú mechanoenzimek •
A DNS fonal mentén haladnak és fejtenek ki erőt (DNS- és RNS-polimerázok, vírus kapszid csomagoló motor)
Dinamin
4. Rotációs motorok •
𝛿 = munkatávolság vcsapás = csapássebesség
Membránba ágyazva működnek, a membrán két oldalán kialakult proton grádiens a hajtóerejük. F1Fo-ATP szintetáz, bakteriális flagelláris motor
5. Mechanoenzim komplexek •
kATPáz = ATPáz sebesség
Riboszóma
5
6
Citoszkeleton alapú motorok
Nukleinsav alapú motorok
Processzív motor
Nem processzív motor
Kinezin Mikrotubulus mentén mozog.
Vázizom miozin II. Aktin filamentum mentén mozog.
7
Riboszóma
Virális portális motor
mechanoenzim komplex
DNS „pakolás“
8 Mozgás - 2016. április 20.
Rotációs motorok
Az izomműködés biofizikája
hajtóerő: proton grádiens
Flagelláris motor
F1Fo ATP szintetáz
bakteriális mozgás
reverzibilis működés
Mozgásra, mozgatásra specializálódott sejt illetve szövet. Csak húzni képes, tolni nem! Machina Carnis
9
10
Az izomműködés alapjelenségei I.
Az izomműködés alapjelenségei II.
Szummáció
Részleges tetanusz
Komplett tetanusz
2. Izotóniás kontrakció A kifejtett erő állandó, miközben az izom rövidül.
Erő
Rángás
1. Izometriás kontrakció Az izom nem rövidül (vagy nem képes rövidülni), de a kifejtett erő növekszik
erő
tetanus
Idő fúziós ingerfrekvencia felett
Ingerlés
erő
(fúziós frekvencia felett)
hossz
rángás
(egyetlen inger hatására)
Egyszeri ingerlés egy összehúzódási választ – egy rángást – vált ki (összehúzódás – elernyedés). Egy ingersorozat fokozza az összehúzódási erőt, mert a következő inger még részlegesen kontrahált állapotban éri az izmot, így a rángások összeadódnak - szummáció.
stimulus
stimulus
idő
idő
Fúziós frekvencia feletti ingersűrűség esetén a relaxáció gátolt, így az izom állandó tónusba kerül - tetanusz.
A kettő keveréke: auxotoniás kontrakció (rövidülés és erőkifejtés egyszerre)
11
12 Mozgás - 2016. április 20.
Az izomműködés energetikája
Az izomműködés alapjelenségei III. 1. Munka és Teljesítmény
ATP hidrolízis, hőfelszabadulás
2. Erő - sebesség összefüggés
Energia forrása: Mg.ATP2- + H2O
F F0
1 cm2 izomkeresztmetszetre:
Mg.ADP1- + Pi2- + H+
Fenn-féle effektus: A hőfelszabadulás megnő ha az izom rövidülés közben végez munkát. A hőfelszabadulás mértéke nő a kontrakció sebességének növekedésével.
Fmax = kb. 30 N
Az izom által felhasznált kémiai energia nagyobb része hővé alakul
P vmax
Ha a rövidülési sebesség nulla, akkor az erő maximális értékű: maximális izometriás erő (F0)
Wmech = 0
Q+W
Energia felszabadulás
Pmax (kb. vmax 30%-ánál)
v
Gyors kontarkcióban felszabaduló hő (Qv)
Hill egyenlet: F: erő, v: rövidülési sebesség a és b: konstansok, F0: maximális izometriás erő
Ha v = maximum, akkor F = 0
W (mechanikai) Izometriás kontrakcióban felszabaduló hő (Qi)
v
Qi < Qv
vmax
13
14
Az izomösszehúzódás mechanizmusa
Kontraktilis apparátus tagjai
Fenomenológiai mechanizmus: csúszófilamentum modell
Szarkomer Globuláris aktin (G-aktin)
Aktin filamentum (F-aktin)
Az aktin filamentumot felépítő monomer egység
Citoszkeletális szemiflexibilis polimerlánc 7 nm
erő
A-szakasz I-szakasz miofibrillum
Z-lemez
37 nm “szöges” (+) vég
szarkomer
Szerkezeti polaritás
szarkomerhossz (µm) Straub F. Brúnó az aktin felfedezője (1941)
Relaxált
“hegyes” (-) vég
Miozin II
Vastag filamentum
Nem-processzív, aktin alapú motorfehérje
Kontrahált Két összetekert 𝜶-hélix
C-terminális
miozin fejek (motor domének)
N-terminális motor domén Könnyű lánc Nyaki régió (munkacsapás)
miozin farok
15
16 Mozgás - 2016. április 20.
A miozin II motorfehérje munkaciklusa Az izomösszehúzódás molekuláris folyamata M-csík
Az izomösszehúzódás szabályozása
Z-lemez
aktin
troponin komplex
tropomiozin
1.Kapcsolás
http://www.sci.sdsu.edu/movies/actin_myosin_gif.html
2. Munkacsapás (Pi disszociál)
4. Visszacsapás (ATP hidrolízis)
∆x = 5-10 nm F = 1-5 pN W = F·∆x ≈ 5-50 zJ
Tropomiozin: Blokkolja a miozin-kötő helyeket az aktin filamentumon.
Troponin komplex: 3 alegység, (C, T, I) 3. Szétkapcsolás (ATP kötés) ATP hiányban a miozin fej kapcsolt állapotban marad: rigor mortis
17
Troponin C szabad Ca2+-ot köt, majd a tropomiozin konformációs változását okozza, így a miozin-kötő helyek felszabadulnak.
18
19 Mozgás - 2016. április 20.
