Motorfehérjék (2012. október 10.; Nyitrai)

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Motorfehérjék (2012. október 10.; Nyitrai)"

Benjámin Mezei
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Motorfehérjék (2012. október 10.; Nyitrai) A motorfehérjék definíciója Molekuláris gépek A molekuláris mozgások alapját gyakran motor fehérjék biztosítják. Biológiai motorok: A 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

hogy mechanikai munkát hozzanak létre Az egyszerű biológiai folyamatokat diffúzió vagy koncentráció gradiens hajthatja, az összetettebb folyamatok összetettebb molekuláris mechanizmusokat igényelnek

2 A fehérjék általában A citoszkeletonnal asszociált fehérjék Lehetséges csoportosítások: A fehérj rjék k gyakran munkagépek, eszközök ( DNA is the brain, proteins are the hand ) Működhetnek mint: enzimek imek: ion pumpák: potenci motorok ok: potenciál l vagy koncentráci kémiai folyamatokat katalizálnak lnak a membránon keresztül l elektromos ciókülönbséget hoznak létre l mechanikai munkát t végeznekv 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. 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 2. A filamentumok mentén elmozdulnak, illetve erőt fejtenek ki Miért van szükség molekuláris motorokra? transzport Sejt osztódáskor skor a kromoszómák k pozícion cionálása Vezikulák transzportja a citoplazmában 3. ATP-t hidrolizálnak endocytosis exocytosis Miért van szükség motorokra? Egyszerű mozgások (forgó vagy lineáris) Pl. a flagellum vagy cília forgása egyes egysejtűek esetében A motorfehérjék csoportosítása Kontrakció (pl. izom) A filamentumok egymáshoz képest valóelmozdulása Vezikulák létrehozása (endo/exo-cytosis) Sejtek osztódása Bonyolultabb mozgások Nuleinsavak polimerizálása (RNS, DNS szintézis) riboszómák (fehérje szintézis) ATP szintázok (ATP termelése) DNS csomagolása (pl. vírusokban a DNS kompaktálása) A.Lineáris motorok B.Rotációs motorok 2

végeznekv 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.

3 A motorfehérjék csoportosítása A motorfehérjék közös tulajdonságai 1. Aktin-alapú motorfehérjék: a miozinok. 2. Mikrotubulus alapú motorfehérjék a. Dineinek. b. Kinezinek. c. Dynaminok. 3. DNS alapú motorok 4. Rotációs motorok 1. Szerkezet N-terminális globuláris fej: motor domén, nukleotidot köt és hasít specifikus kötőhely a megfelelő citoszkeletális polimer számára C-terminálisan: funkcionalitást biztosító kötőhely 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. N C r = A motorfehérjék munkaciklusa ATP hidrolízis ciklus Kapcsolt t on Szétkapcsolt t off Munkaarány: τ on τ on +τ off kapcsolás = τ on τ total munkacsapás visszacsapás Csúszási seb.: v = δ τ on δ = munkatávolság Kapcsolt idő: τ on = δ v szétkapcsolás Ciklus idő: τ total = 1 V δ=munka- vagy lépéstávolság; V=ATPáz sebesség; v=motilitási sebesség A munkaarány jelentése processzivitás Processzív motor: r->1 pl. kinezin, DNS-, RNS-polimeráz A munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban egymaga képes a terhét továbbítani. Nonprocesszív motor: r->0 pl. izom miozin A munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban sokaság működik együtt. Az egyetlen motorfehérje által kifejtett erő: néhány pn. Lineáris motorok Miozin szerkezet Kinezin szerkezet Miozinok 3

Szerkezet N-terminális globuláris fej: motor domén, nukleotidot köt és hasít specifikus kötőhely a megfelelő citoszkeletális polimer számára C-terminálisan: funkcionalitást biztosító kötőhely 2.

4 A miozin szupercsalád A miozinok az aktinon mozognak Nem izom eredetű miozinok Más lineáris motorfehérjék Kinezinek és dineinek Mikrotubulusokon mozognak 4

5 Fej motor domén filamentumhoz való kapcsolódás (mikrotubulus) dimer ATP-kötő hely Farok szállítmány-kötő domén Központi összekötő domén Kinezin Valószínűleg minden motorfehérje őse. A kinezin ATPáz ciklusa Kiindulási fázisf ADP-kötő állapot mind a két k t fejen Az egyik fej ( leading head ) gyengén n kötődikk (Brown mozgás) Az ADP disszociáci ciója erős s kötést k eredményez nyez; a másik m fej leválik, lik, nem tud tovább kötődni k (ez a trailing head ) Második fázisf ATP kötődik az első fejhez ( leading( head ) Konformáci cióváltozás jön n létre, l előre húzódásh A korábbi hátsh tsó fej a diffúzi ziós s mozgások mellett gyengén kötődik a mikrotubulushoz (az a korábbi trailing head, immár leading head ) A kinezin ATPáz ciklusa Harmadik fázisf Az ATP-t a hátsh tsó fej hidrolizálja lja Az első fej ATP-t köt, és s erős s kötésbe k megy át A hátsh tsó fejről l a fszfát disszociál,, a fej leválik lik mikrotubulusról A kinezin mozgásának modellje Néhány számadat Egy lépés: l 80Å max sebesség: 1 mm/sec (kb. 125 steps/sec) max erő: 5-6pN Mechanikai munka: J/step Hatásfok sfok: 40% Lépésenként egy ATP hidrolízise; 12kcal/mol vagy ~10-19 J/molekula. Kinezin séma Részletesebb séma 5

nyez; a másik m fej leválik, lik, nem tud tovább kötődni k (ez a trailing head ) Második fázisf ATP kötődik az első fejhez ( leading( head ) Konformáci cióváltozás jön n létre, l előre húzódásh A

6 Rajzfilm a lépkedésről Hogyan valósul meg a szabályozásuk? Kinezin funkciók: sejtosztódás Kinezin funkciók: alakváltoztatás, vándorlás Sejt alakváltoztatásban Kromszóma vándorlásban Dinein, cillium A dinein, húzási ciklusa. A motorfehérje rje két k t szomszédos mikrotubulushoz kötődik, és s a két mikrotubulus relatív elmozdulását t hozza létre l (axonemal dinein) nein). Rotációs vagy forgó motorok Egy rugalmas összekötő 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

html http://faculty.plattsburgh.edu/donald.slish/motors.html Dinein, cillium A dinein, húzási ciklusa.

7 Bakteriális flagellum motor F 1 F o ATPáz A bakteriális flagellum motor H. Berg s website A motor szerkezete A motor szerkezete Vibrio alginolyticus spirillum EM image D. Thomas, N. Francis, and D. Derosier, unpublished Examples of bacterial flagaella arrangment schemes Egy másik rotációs motor: ATP szintáz F1F0 ATPáz Olyan enzim, ami katalizálja lja az ADP-ből l való ATP szintézist. zist. A töltések vándorlv ndorlása megatároz rozó szerepet tölt t be. F0 rész: : proton csatorna F1 rész: az ATP termelés s helye Az ATP termelés s mechanizmusát Paul Boyer, UCLA (1973) írta le, a szerkezetet John Walker, Cambridge (90-es évek) határozta meg (Nobel díj, kémiak 1997, A mechanizmust kísérletesen k Kinosita bizonyította be: Kinosita, Nature,

Derosier, unpublished Examples of bacterial flagaella arrangment schemes Egy másik rotációs motor: ATP szintáz F1F0 ATPáz Olyan enzim, ami katalizálja lja az ADP-ből l való ATP szintézist.

8 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 Alberts, MBOC ATP szintáz ATP szintáz no ATP, no net rotation Kinosita, Nature, 1997 ATP szintáz Bacteriophage DNS csomagoló motor 120 steps ( substeps) Kinosita, Nature,

s stepper motor (4 proton per ATP) Forgatónyomaték: 40 pn m (Jung 93, Oster) Brown mozgás létrehozhat spontán forgást is Megfordítva

9 Bacteriophage DNS csomagoló motor Összefoglalás g motorokra? Whitefish mitosis Interphase: : the nuclear envelope is intact and chromosomes are not apparent. Prophase: : double-chromatid chromosomes are evident as chromatin becomes supercoiled and compact. The nuclear envelope disperses. Metaphase: : double-chromatid chromosomes lineup in single-file on the metaphase equator of the cell. Anaphase: centromeres divide and groups of single-chromatid chromosomes move towards the opposite poles of the cell. Telophase: : cytokinesis begins with Interphase: : cytokinesis completes, the appearance of a cleavage furrow. chromosomes disappear as Groups of single-chromatid interphase chromatin reforms. chromosomes reach the the poles of the cell and the nuclear envelopes begin to reform. 9

Metaphase: : double-chromatid chromosomes lineup in single-file on the metaphase equator of the cell.

Hasonló dokumentumok

A motorfehérjék definíciója. A biológiai motorok 12/9/2016. Motorfehérjék. Molekuláris gépek. A biológiai mozgás

A motorfehérjék definíciója. A biológiai motorok 12/9/2016. Motorfehérjék. Molekuláris gépek. A biológiai mozgás A motorfehérjék definíciója Motorfehérjék Nyitrai Miklós, 2016 november 30. Molekuláris gépek A molekuláris mozgások alapját gyakran motor fehérjék biztosítják. Megértésük a biológia egyik súlyponti kérdése;