Motorfehérjék (2012. október 10.; Nyitrai)
A motorfehérjék definíciója
Molekuláris gépek
A biológiai motorok
A molekuláris mozgások alapját gyakran motor fehérjék biztosítják.
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 egyszerű biológiai folyamatokat diffúzió vagy koncentráció gradiens hajthatja, az összetettebb folyamatok összetettebb molekuláris mechanizmusokat igényelnek
A folyamatok szabályozása (irányított mozgás, start-stop, visszacsatolások) A folyamatok megbízhatósága (a hibák javítása)
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 elősegítése A baktériumok mozgásának elősegítése Izomösszehúzódás
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
A fehérjék általában
A citoszkeletonnal asszociált fehérjék Lehetséges csoportosítások:
A fehé fehérjé rjék gyakran munkagé munkagépek, eszkö eszközök (“DNA is the brain, proteins are the hand” hand”)
A. Filamentális rendszer szerint 1. Aktin-asszociált (pl. miozin) 2. MT-asszociált (pl. tau) 3. IF-asszociált
Működhetnek mint: kémiai folyamatokat katalizá enzimek enzimek:: katalizálnak ion pumpá pumpák: a membrá membránon keresztü keresztül elektromos potenciá potenciál vagy koncentrá koncentráció ciókülönbsé nbséget hoznak lé létre mechanikai munká motorok motorok:: munkát vé végeznek
B. Kapcsolódás geometriája szerint 1. Véghez kapcsolódó („capping”, pl. gelsolin) 2. Oldalról kapcsolódó (pl. tropomiozin) C. Funkció szerint 1. Keresztkötő 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 jellemzői
1. Specifikus citoszkeletális filamentumhoz kapcsolódnak
Miért van szükség molekuláris motorokra ? transz transzport
Sejt osztó osztódáskor a kromoszó kromoszómák pozí pozícioná cionálása Vezikulá Vezikulák transzportja a citoplazmá citoplazmában
2. A filamentumok mentén elmozdulnak, illetve erőt fejtenek ki 3. ATP-t hidrolizálnak
endocytosis
exocytosis
Miért van szükség motorokra ? Egyszerű mozgások (forgó vagy lineáris) Pl. a flagellum vagy cília forgása egyes egysejtűek esetében Kontrakció (pl. izom) A filamentumok egymáshoz képest valóelmozdulása Vezikulák létrehozása (endo/exo-cytosis) Sejtek osztódása
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
A motorfehérjék csoportosítása
A motorfehérjék közös tulajdonságai N
1. Aktin-alapú motorfehérjék: a miozinok. 2. Mikrotubulus alapú motorfehérjék
C
a. Dineinek.
1. Szerkezet N-terminális globuláris fej: motor domén, nukleotidot köt és hasít specifikus kötőhely a megfelelő citoszkeletális polimer számára C-terminálisan: funkcionalitást biztosító kötőhely
b. Kinezinek. c. Dynaminok. 3. DNS alapú motorok
2. Mechanika, működés Alapelv: ciklusos működés Motor -> kötődés a polimerhez -> húzás -> disszociáció -> relaxáció 1 mechanikai ciklusban 1 molekula ATP hidrolizálódik. A ciklus során különböző motorfehérje-nukleotid intermedierek. A mechanikai ciklusban elmozdulás (izotóniás viszonyok) vagy erőkifejlődés (izometriás viszonyok) történik.
4. Rotációs motorok
A motorfehérjék munkaciklusa δ= munkatávolság
ATP hidrolízis ciklus Kapcsolt ton
A munkaarány jelentése
munkacsapás
kapcsolás
Szétkapcsolt toff
szétkapcsolás
τ on τ = on τ on + τ off τ total
Processzív motor: r->1 pl. kinezin, DNS-, RNS-polimeráz A munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban egymaga képes a terhét továbbítani.
visszacsapás
Munkaarány:
r=
processzivitás
Csúszási seb.:
Kapcsolt idő:
Ciklus idő:
Nonprocesszív motor: r->0 pl. izom miozin A munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban sokaság működik együtt.
δ δ τ = 1 total v= τ = V τ on on v δ=munka- vagy lépéstávolság; V=ATPáz sebesség; v=motilitási sebesség
Az egyetlen motorfehérje által kifejtett erő: néhány pN.
Lineáris motorok Kinezin szerkezet
Miozin szerkezet
Miozinok
3
A miozin szupercsalád
A miozinok az aktinon mozognak
Nem izom eredetű miozinok Más lineáris motorfehérjék
Kinezinek és dineinek
Mikrotubulusokon mozognak
4
Kinezin Valószínűleg minden motorfehérje őse.
Fej motor domén filamentumhoz való kapcsolódás (mikrotubulus) dimer ATP-kötő hely Farok szállítmány-kötő domén Központi összekötő domén
A kinezin ATPáz ciklusa Kiindulá Kiindulási fá fázis ADPADP-kötő állapot mind a ké két fejen Az egyik fej („leading head” head”) gyengé gyengén kö kötődik (Brown mozgá mozgás) Az ADP disszociá disszociáció ciója erő erős kö kötést eredmé eredményez; nyez; a má másik fej levá leválik, nem tud tová tovább kö kötődni (ez a „trailing head” head”) Második fá fázis ATP kötődik az első első fejhez („ („leading head” head”) Konformá Konformáció cióváltozá ltozás jön lé létre, elő előre hú húzódás A korá korábbi há hátsó tsó fej a diffú diffúzió ziós mozgá mozgások mellett gyengé gyengén kötődik a mikrotubulushoz (az a korá korábbi „trailing head” head”, immá immár „leading head” head”)
A kinezin ATPáz ciklusa Harmadik fá fázis Az ATPATP-t a há hátsó tsó fej hidrolizá hidrolizálja Az első első fej ATPATP-t köt, és erő erős kö kötésbe megy át A há hátsó tsó fejrő fejről a fszfá fszfát disszociá disszociál, a fej levá leválik mikrotubulusró mikrotubulusról
A kinezin mozgásának modellje
Néhány szá számadat Egy lé 80Å lépés: 80Å max sebessé sebesség: 1 mm/sec (kb. 125 steps/sec) max erő 5-6pN erő: Mechanikai 4·10-20 J/step Mechanikai munka: munka: Hatá 40% Hatásfok: sfok:
Lépésenként egy ATP hidrolízise; 12kcal/mol vagy ~10-19 J/molekula.
Kinezin séma
Részletesebb séma
5
Rajzfilm a lépkedésről
Kinezin funkciók: sejtosztódás
Hogyan valósul meg a szabályozásuk?
Kinezin funkciók: alakváltoztatás, vándorlás Sejt alakváltoztatásban
Kromszóma vándorlásban
http://faculty.plattsburgh.edu/donald.slish/Motors.html http://faculty.plattsburgh.edu/donald.slish/Motors.html
Dinein, cillium A dinein, nein, húzási ciklusa. A motorfehé motorfehérje ké két szomszé szomszédos mikrotubulushoz kötődik, és a két mikrotubulus relatí relatív elmozdulá elmozdulását hozza lé létre (axonemal dinein). nein).
Rotációs vagy forgó motorok
Egy rugalmas összekö sszekötő fehé fehérje, a nexin, nexin, a relatí relatív elmozdulá elmozdulást elhajlá elhajlásba, görbü rbülésbe viszi át.
Megj.: a molekuláris mechanizmusok részletei még nem ismertek, de az általános modell már igen.
6
Bakteriális flagellum motor
F1Fo ATPáz
A bakteriális flagellum motor
H. Berg’s website
A motor szerkezete
A motor szerkezete
Vibrio alginolyticus
spirillum
EM image
Examples of bacterial flagaella arrangment schemes
D. Thomas, N. Francis, and D. Derosier, unpublished
Egy másik rotációs motor: ATP szintáz
F1F0 ATPáz
Olyan enzim, ami katalizá katalizálja az ADPADP-ből való való ATP szinté szintézist. A tölté ltések vá vándorlá ndorlása megatá megatározó rozó szerepet tö tölt be. F0 rész: sz: proton csatorna F1 rész: sz: az ATP termelé termelés helye Az ATP termelé termelés mechanizmusá mechanizmusát Paul Boyer, UCLA (1973) írta le, a szerkezetet John Walker, Cambridge (90(90-es évek) vek) hatá határozta meg (Nobel díj, ké kémia 1997, www.nobel.se) www.nobel.se) A mechanizmust kí kísérletesen Kinosita bizonyí bizonyította be: be: Kinosita, Kinosita, Nature, 1997
7
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 működik, 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
Bacteriophage DNS csomagoló motor
Összefoglalás
www.purdue.edu
g motorokra ? Whitefish mitosis
Interphase: Interphase: the nuclear envelope is intact and chromosomes are not apparent.
Prophase: Prophase: doubledouble-chromatid chromosomes are evident as chromatin becomes supercoiled and compact. The nuclear envelope disperses.
Metaphase: Metaphase: doubledouble-chromatid chromosomes lineup in singlesingle-file on the metaphase equator of the cell.
Anaphase: Anaphase: centromeres divide and groups of singlesingle-chromatid chromosomes move towards the opposite poles of the cell.
Telophase: Telophase: cytokinesis begins with the appearance of a cleavage furrow. Groups of singlesingle-chromatid chromosomes reach the the poles of the cell and the nuclear envelopes begin to reform.
Interphase: Interphase: cytokinesis completes, chromosomes disappear as interphase chromatin reforms.
9