Motorfehérjék
Molekuláris gépek
2011. november 30.; Nyitrai
A molekuláris mozgások alapját gyakran motor fehérjék biztosítják.
{ { {
{
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)
z
z
A biológiai mozgások típusai
Mozgás általában {
Biológiai motorok:
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 fehérjék jelentősége
{ {
Szubcelluláris, celluláris szinten ATP-t (energiát) igényel Citoszkeletális mozgások z
z
Filamentumok kialakulása és lebomlása (mikrofilamentumok és mikrotubulusok) Motor fehérjék számára biztosítanak ‘pályát’
Citoszkeletonnal asszociált fehérjék Csoportosítás: A. Filamentális rendszer szerint 1. Aktin-asszociált (pl. miozin) 2. MT-asszociált (pl. tau) 3. IF-asszociált
{
{
A fehérjék gyakran munkagépek (“DNA is the brain, proteins are the hand”)
B. Kapcsolódás geometriája szerint
Működhetnek mint: z enzimek: kémiai folyamatokat katalizálnak z ion pumpák: a membránon keresztül elektromos potenciál vagy koncentrációkülönbséget hoznak létre z motorok: mechanikai munát végeznek
C. Funkció szerint
1. Véghez kapcsolódó („capping”, pl. gelsolin) 2. Oldalról kapcsolódó (pl. tropomiozin)
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
1
Miért van szükség molekuláris motorokra ?
Motorfehérjék 1. Specifikus citoszkeletális filamentumhoz kapcsolódnak 2. A filamentum mentén elmozdulnak, illetve erőt fejtenek ki
{
transzport z z
Sejt osztódáskor a kromoszómák pozícionálása Vezikulák transzportja a citoplazmában
3. ATP-t bontanak exocytosis
endocytosis
Miért van szükség molekuláris motorokra ? {
{
{
A motorfehérjék csoportosítása
Egyszerű mozgások (forgó vagy lineáris) z Pl. a flagellum vagy cília forgása egyes egysejtűek esetében Kontrakció (pl. izom) z A filamentumok egyshoz képest valóelmozdulása z Vezikulák létrehozása (endo/exo-cytosis) z Sejtek osztódása
A.Lineáris motorok
B.Rotációs motorok
Bonyolultabb mozgások z Nuleinsavak polimerizálása (RNS, DNS szintézis) z riboszómák (fehérje szintézis) z ATP szintázok (ATP termelése) z DNS csomagolása (pl. vírusokban a DNS kompaktálása)
A motorfehérjék csoportosítása
Motorfehérjék közös tulajdonságai N
1. Aktin-alapú motorfehérjék: a miozinok. 2. Mikrotubulus alapú motorfehérjék a. Dineinek. b. Kinezinek. c. Dynaminok. 3. DNS alapú motorok 4. Rotációs motorok
C 1. Szerkezet N-terminális globuláris fej: motor domén, nukleotidot köt és hasít specifikus kötôhely a megfelelô citoszkeletális polimer számára C-terminálisan: funkcionalitást biztosító kötôhely 2. Mechanika, mûködés Alapelv: ciklusos mûködés Motor -> kötôdés a polimerhez -> húzás -> disszociáció -> relaxáció 1 mechanikai ciklusban 1 molekula ATP hidrolizálódik. A ciklus során különbözô motorfehérje-nukleotid intermedierek. A mechanikai ciklusban elmozdulás (izotóniás viszonyok) vagy erôkifejlôdés (izometriás viszonyok) történik.
2
A motorfehérjék munkaciklusa
Munka arány (“duty ratio”)
δ = munkatávolság
ATP hidrolízis ciklus
munkacsapás
r=
Kapcsolt
τon
kapcsolás
szétkapcsolás visszacsapás
Szétkapcsolt
τ on τ r= = on τ on + τ off τ total
In vitro csúszási sebesség:
δ v= τ on
Kapcsolt idő:
τ on =
δ v
v
δ=munka- vagy lépéstávolság V=ATPáz sebesség v=motilitási sebesség
Processzív motor:
r->1 pl. kinezin, DNS-, RNS-polimeráz munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban egymaga képes a terhét továbbítani
τoff
Munka arány:
δV
Nonprocesszív motor: r->0
Ciklusidő:
pl. miozin munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban sokaság mûködik együtt
1 τ total = V
Egyetlen motorfehérje áltel kifejtett erô: néhány pN.
δ=munka- vagy lépéstávolság; V=ATPáz sebesség; v=motilitási sebess
A miozin szupercsalád
Más lineáris motorfehérjék
Kinezin
Mikrotubulusokon mozognak
Valószínűleg minden motorfehérje őse.
Fej motor domén { Filamentumhoz való kapcsolódás (mikrotubulus) { dimer { ATP-kötő hely {
Farok { Szállítmány („cargo”) kötő domén Központi összekötő domén
3
A kinezin mozgásának modellje
R. Milligan, Scripps Institute, http://www.scripps.edu/milligan; Science, 2000
A kinezin ATPáz ciklusa Kiindulási fázis { ADP-kötő állapot mind a két fejen { Az egyik fej („leading head”) gyengén kötődik (Brown mozgás) { Az ADP disszociációja erős kötést eredményez; a másik fej leválik, nem tud tovább kötődni (ez a „trailing head”) { Második fázis { ATP kötődik az első fejhez („leading head”) { Konformációváltozás jön létre, előre húzódás { A korábbi hátsó fej a diffúziós mozgások mellett gyengén kötődik a mikrotubulushoz (az a korábbi „trailing head”, immár „leading head”)
Kinezin séma
A kinezin ATPáz ciklusa Harmadik fázis { Az ATP-t a hátsó fej hidrolizálja { Az első fej ATP-t köt, és erős kötésbe megy át { A hátsó fejről a fszfát disszociál, a fej leválik mikrotubulusról Néhány számadat { Egy lépés: { max sebesség: { { {
80Å 1 μm/sec (~ 125 steps/sec) max erő: 5-6pN Mechanikai munka: 4·10-20 J/step Hatásfok: 40%
Lépésenként egy ATP hidrolízise; 12kcal/mol vagy ~10-19 J/molekula.
Részletesebb séma
Rajzfilm a lépkedésről
4
Hogyan valósul meg a szabályozásuk?
Kinezin funkciók: sejtosztódásban
http://faculty.plattsburgh.edu/donald.slish/Motors.html
Kinezin funkciók:
Cillium (dinein) {
Sejt alakváltoztatásban
Kromszóma vándorlásban
{
Egy rugalmas összekötő fehérje, a nexin, a relatív elmozdulást elhajlásba, görbülésbe viszi át.
NB: a molekuláris mechanizmusok részletei még nem ismertek, de az általános modell már igen.
http://faculty.plattsburgh.edu/donald.slish/Motors.html
Rotációs vagy forgó motorok
Bakteriális flagellum motor
A dinein, húzási ciklusa. A motorfehérje két szomszédos mikrotubulushoz kötődik, és a két mikrotubulus relatív elmozdulását hozza létre (axonemal dinein).
F1Fo ATPáz
A bakteriális flagellum motor
H. Berg’s website
5
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 {
Olyan enzim, ami katalizálja az ADP-ből 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
F1F0 ATPáz
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
6
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
Bacteriophage DNS csomagoló motor
www.purdue.edu
7
