BIOMECHANIKA 2 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "BIOMECHANIKA 2 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben"

Szebasztián Hegedűs
4 évvel ezelőtt
Látták:

1 BIOMECHANIKA 2 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben A MOZGÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSAI MOLEKULÁRIS MOZGÁS MOTORFEHÉRJÉK DR. BUGYI BEÁTA - BIOFIZIKA ELŐADÁS PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM ÁLTALÁNOS ORVOSTUDOMÁNYI KAR - BIOFIZIKAI INTÉZET A mozgás molekuláris mechanizmusai A biológiai objektumok mozgását fizikai elvek határozzák meg. Klasszikus mechanika Newton törvények: a testek mozgásállapotának megváltozásához erőhatás szükséges. Mechanikai munka = erő elmozdulás HONNAN EREDNEK EZEK AZ ERŐHATÁSOK? MOLEKULÁRIS MOZGÁS intracelluláristranszport; motorfehérjék SEJT SZINTŰ MOZGÁS sejtmozgás; polimerizáció SZERVEZET SZINTŰ MOZGÁS izomműködés;akto-miozin 1

Motorfehérjék és típusaik Mechanokémiai enzimek olyan fehérjék, amelyek képesek kémiai energiát mechanikai munkává alakítani, így erőt kifejteni.

2 Motorfehérjék és típusaik Mechanokémiai enzimek olyan fehérjék, amelyek képesek kémiai energiát mechanikai munkává alakítani, így erőt kifejteni. Citoszkeletális polimer alapú mechanoenzim(atpázok) Mikrofilamentumalapú: Miozin Mikrotubulus alapú: Dinein, kinezin Intermedier filamentum alapú: - Nukleinsav alapú mechanoenzim DNS, RNS polimeráz, riboszóma, vírus kapszidcsomagoló motor Rotációs mechanoenzim F-típusú ATP szintetáz, V-típusú ATP szintetáz, bakteriális flagellárismotor 2

Bugyi Beáta Hungarians in Muscle Research 2018 Citoszkeletális polimerek Mikrotubulus tubulin

3 Citoszkeletális polimerek Mikrofilamentum aktin Miozin 90o ATP Ca 2+ S4 S2 S3 S1 összeszerelődés AKTIN MONOMER Globuláris-AKTIN polimerizáció AKTIN FILAMENTUM Filamentális-AKTIN Forrás: Dr. Bugyi Beáta Hungarians in Muscle Research 2018 Citoszkeletális polimerek Mikrotubulus tubulin Kinezin, dinein GTP/GDP BÉTA-TUBULIN ALFA-TUBULIN GTP összeszerelődés polimerizáció TUBULIN HETERODIMER MIKROTUBULUS 3

Citoszkeletális polimerek Intermedier filamentumok -

polaritása Szerkezeti, kinetikai SZERKEZETI POLARITÁS A 2

Mikrofilamentum, mikrotubulus NINCS SZERKEZETI POLARITÁS

4 Citoszkeletális polimerek Intermedier filamentumok - összeszerelődés polimerizáció Citoszkeletális polimerek polaritása Szerkezeti, kinetikai SZERKEZETI POLARITÁS A 2 VÉG SZERKEZETILEG KÜLÖNBÖZŐ Van irányítottság Mikrofilamentum, mikrotubulus NINCS SZERKEZETI POLARITÁS A 2 VÉG SZERKEZETILEG AZONOS Nincs irányítottság Intermedier filamentum 4

5 A motorfehérjék tulajdonságai SZERKEZETI HOMOLÓGIA fej nyak -farok miozin V kinesin 1 dynein FEJ N-terminális motor domén nukleotidkötés (ATPáz) citoszkeletálispolimerhez való specifikus kötődést biztosítja NYAK szerkezeti elem szabályozó elem FAROK C-terminális szerkezeti elem szabályozó elem A motorfehérjék tulajdonságai CIKLIKUS MŰKÖDÉS szerkezeti változások-enzimatikusaktivitás erőkifejtés, munkavégzés = á 5

6 A motorfehérjék munkaciklusa CIKLUSIDŐ = á MUNKACIKLUS ARÁNY = + = PROCESSZÍV ~ 1 ~ a munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban van egy motorfehérje is képes terhet továbbítani kinezin, DNS-, RNS polimeráz NEM PROCESSZÍV ~ 0 a munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban van motorfehérje sokaság képes terhet továbbítani vázizom miozinii MUNKAVÉGZÉS = kapcsolt szétkapcsolt A váziommiozinii munkaciklusát jellemző paraméterek Munkatávolság: ~ = Kapcsolt idő: ~ = ATPázaktivitás: á = = = =. Csapássebesség: á = ~ / =. = ~ Erő: ~ = Munkavégzés: = ~ ~ Teljesítmény: = ~ Hatásfok: é ~. = % Hatásfok (gépkocsi) ~ 10 % = ( ) 6

the optical tweezers and their application to biological systems.

7 Hogyan mérhetünk nanométeres távolságokat és pikonewtonos erőket? Optikai csipesz Arthur Ashkin Fizikai Nobel díj 2018 (1/2) "for the optical tweezers and their application to biological systems." Hooke törvénye = 7

A vázizom miozin II mechanokémiai ciklusa A vázizom miozin II mechanokémiai ciklusa Kereszthíd ciklus M: mioziniia: aktin kapcsolás MUNKACSAPÁS

kapcsolt (erős) A M kereszthíd: kapcsolt (erős) M:ATP kereszthíd: kikapcsolt Pi disszociáció ADP disszociáció ATP kötés ATP hidrolízis A Pi

8 A vázizom miozin II mechanokémiai ciklusa A vázizom miozin II mechanokémiai ciklusa Kereszthíd ciklus M: mioziniia: aktin kapcsolás MUNKACSAPÁS erőkifejtés RIGOR rigor mortis szétkapcsolás M:ADP-Pi kereszthíd: kikapcsolt A M:ADP-Pi kereszthíd: kapcsolt (gyenge) A M:ADP kereszthíd: kapcsolt (erős) A M kereszthíd: kapcsolt (erős) M:ATP kereszthíd: kikapcsolt Pi disszociáció ADP disszociáció ATP kötés ATP hidrolízis A Pi disszociációja jár a legnagyobb negatív szabadenergia változással. Energia (ATP kötése, hidrolízise, miozinfej konformációs változása) erőkifejtés, munkavégzés 8

9 Erőátviteli elemek HORGONYZOTT ELEM MI MOZOG egyik sem mindkettő motor polimer polimer motor mindkettő egymáshoz képesti elmozdulás KITEKINTÉS 9

Aktin, egy hungarikumtörténetének kezdete Szent-Györgyi Albert kutatócsoportja (Szeged, 1933) 1 Szent-GyörgyiAlbert;2 StraubF.Brunó;3 KálmánLaki;4 BangaIlona Forrás: Szent-Györgyi András, http://www.

10 Aktin, egy hungarikumtörténetének kezdete Szent-Györgyi Albert kutatócsoportja (Szeged, 1933) 1 Szent-GyörgyiAlbert;2 StraubF.Brunó;3 KálmánLaki;4 BangaIlona Forrás: Szent-Györgyi András, Aktin akto-miozin Banga Ilona: miozin extraktum készítése Banga Ilona, Szent-Györgyi Albert Preparation and properties of myosin A and B. Studies 1941 ACTIVATING = ACTIN myosin B is a stoichiometric compound of myosin A and another substance we will call this other compound actinand the myosin-actin complex will be called acto-myosin relatív viszkozitás ~ MIOZIN AKTIVITÁS 1. MB: miozin24 h 2. MB: miozin24 h + ATP 3. MA: miozin20 perc 4. MA: miozin20 perc + ATP miozin B + ATP miozin A Banga Ilona visszaemlékezése (Orvosi Hetilap 1983) 10

11 Aktin Straub F. Brúnó: aktin izolálása nyúl vázizomból, biokémiai tulajdonságainak leírása (G-aktin, F-aktin, ATPáz aktivitás) Straub F. Brúnó Actin. Studies 1942 spontán összeszerelődés G-F átalakulás, ATPáz aktivitás F-AKTIN G-AKTIN F-AKTIN polimerizáció 90o S4 S2 ATP Ca2+ S3 S1 G-AKTIN Első atomi felbontású G-aktin szerkezet: Holmes K. kutatócsoportja Nature 1990 Első F-aktin szerkezeti modell: Holmes K. kutatócsoportja Nature 1990 Első atomi felbontású F-aktin szerkezet: Ranuser S. kutatócsoportja Nature 2015 Forrás: Dr. Bugyi Beáta Hungarians in Muscle Research 2018 Kontraktilis viselkedés (erőkifejtés) = Aktin + miozin + ATP Szent-Györgyi Albert: akto-miozin kontraktilitás, glicerinezett izomrost preparálás + ATP Szent-Györgyi Albert The contraction of actomyosin threads. Studies 1942 muscle contraction was essentially an interaction of actomyosin and ATP To see them contract for the first time, and to have reproduced in vitro one of the oldest signs of life, motion, was perhaps the most thrilling moment of my life. Szent-Györgyi Albert Lost in the 20th century. Annual Reviews in Biochemistry Szent-Györgyi Albert Orvosi és Élettani Nobel díj jelölése: muscular contraction and the role of myosin, actin and adenosine-triphosphate 4. Laki Kálmán: tropomiozin, mint F-aktin kötő fehérje Laki Kálmán és mtsai Evidence for the Interaction between Tropomyosin and Actin. Archives of Biochemistry and Biophysics

Hasonló dokumentumok

BIOMECHANIKA 3 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben

BIOMECHANIKA 3 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben A MOZGÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSAI SZERVEZET SZINTŰ MOZGÁS AZ IZOMMŰKÖDÉS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSAI DR. BUGYI BEÁTA- BIOFIZIKA