Motorfehérjék november 30.; Nyitrai

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Motorfehérjék november 30.; Nyitrai"

Lajos Vörös
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Motorfehérjék november 30.; Nyitrai Molekuláris gépek 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) A biológiai mozgások típusai 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 Mozgás általában Szubcelluláris, celluláris szinten ATP-t (energiát) igényel Citoszkeletális mozgások Filamentumok kialakulása és lebomlása (mikrofilamentumok és mikrotubulusok) Motor fehérjék számára biztosítanak pályát A fehérjék jelentősége A fehérjék gyakran munkagépek ( DNA is the brain, proteins are the hand ) Működhetnek mint: enzimek: kémiai folyamatokat katalizálnak ion pumpák: a membránon keresztül elektromos potenciál vagy koncentrációkülönbséget hoznak létre motorok: mechanikai munát végeznek Citoszkeletonnal asszociált fehérjék Csoportosítás: 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 1

2 Motorfehérjék Miért van szükség molekuláris motorokra? 1. Specifikus citoszkeletális filamentumhoz kapcsolódnak 2. A filamentum mentén elmozdulnak, illetve erőt fejtenek ki transzport Sejt osztódáskor a kromoszómák pozícionálása Vezikulák transzportja a citoplazmában 3. ATP-t bontanak endocytosis exocytosis Miért van szükség molekuláris motorokra? Egyszerű mozgások (forgó vagy lineáris) Pl. a flagellum vagy cília forgása egyes egysejtűek esetében Kontrakció (pl. izom) A filamentumok egyshoz képest valóelmozdulása Vezikulák létrehozása (endo/exo-cytosis) Sejtek osztódása Bonyolultabb mozgások Nuleinsavak polimerizálása (RNS, DNS szintézis) riboszómák (fehérje szintézis) ok (ATP termelése) DNS csomagolása (pl. vírusokban a DNS kompaktálása) A motorfehérjék csoportosítása A.Lineáris motorok B.Rotációs motorok A motorfehérjék csoportosítása 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 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. N 2

3 A motorfehérjék munkaciklusa ATP hidrolízis ciklus Kapcsolt kapcsolás munkacsapás δ = munkatávolság szétkapcsolás Munka arány ( duty ratio ) r = δv v δ=munka- vagy lépéstávolság V=ATPáz sebesség v=motilitási sebesség Szétkapcsolt τ off visszacsapás Processzív motor: r->1 pl. kinezin, DNS-, RNS-polimeráz munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban egymaga képes a terhét továbbítani r = +τ off Munka arány: = τ total In vitro csúszási sebesség: v = δ Kapcsolt idő: = δ v Ciklusidő: τ total = 1 V Nonprocesszív motor: r->0 pl. miozin munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban sokaság mûködik együtt Egyetlen motorfehérje áltel kifejtett erô: néhány pn. δ=munka- vagy lépéstávolság; V=ATPáz sebesség; v=motilitási sebess A miozin szupercsalád Más lineáris motorfehérjék Mikrotubulusokon mozognak Kinezin Valószínűleg minden motorfehérje őse. Fej motor domén Filamentumhoz való kapcsolódás (mikrotubulus) dimer ATP-kötő hely Farok Szállítmány ( cargo ) kötő domén Központi összekötő domén 3

4 A kinezin mozgásának modellje A kinezin ATPáz ciklusa R. Milligan, Scripps Institute, Science, 2000 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 ) A kinezin ATPáz ciklusa Kinezin séma 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: 80Å max sebesség: 1 μm/sec (~ 125 steps/sec) max erő: 5-6pN Mechanikai munka: J/step Hatásfok: 40% Lépésenként egy ATP hidrolízise; 12kcal/mol vagy ~10-19 J/molekula. Részletesebb séma Rajzfilm a lépkedésről 4

5 Hogyan valósul meg a szabályozásuk? Kinezin funkciók: sejtosztódásban Kinezin funkciók: Cillium (dinein) Sejt alakváltoztatásban Kromszóma vándorlásban A dinein, húzási ciklusa. A motorfehérje két szomszédos mikrotubulushoz kötődik, és a két mikrotubulus relatív elmozdulását hozza létre (axonemal dinein). 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. Rotációs vagy forgó motorok A bakteriális flagellum motor Bakteriális flagellum motor F 1 F o ATPáz H. Berg s website 5

6 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: F1F0 ATPáz 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, A mechanizmust kísérletesen Kinosita bizonyította be: Kinosita, Nature, 1997 F0: egy membránhoz kötött rotor; a proton fluxus hatására forog F1: stator; ATP szintézis a beta alegységekben Alberts, MBOC 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 6

7 no ATP, no net rotation Kinosita, Nature, 1997 Bacteriophage DNS csomagoló motor 120 steps ( substeps) Kinosita, Nature, 2001 Bacteriophage DNS csomagoló motor 7

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;