A biológiai mozgások. Motorfehérjék. Motorfehérjék közös tulajdonságai 4/22/2015. A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Szerkezeti homológia

Átírás

1 A biológiai mozgások Molekuláris mozgás A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Celluláris mozgás Mártonfalvi Zsolt Bakteriális flagellum Szervezet mozgása Keratocita mozgása felületen Motorfehérjék Olyan mechanoenzimek, amelyek kémiai energiát alakítanak mechanikai munkává. a) specifikusan kapcsolódnak valamilyen citoszkeletális filamentumhoz vagy biopolimerhez (pl. DNS) b) a filamentum mentén elmozdulnak, illetve erőt fejtenek ki Motorfehérjék közös tulajdonságai Szerkezeti homológia N-terminális részen globuláris fejet találunk: ez a motor domén (ATPáz), ami specifikusan köt a megfelelő citoszkeletáris polimerhez. C-terminális részen működést biztosító kötőhelyet találunk. c) eközben ATP-t használnak Ciklusos működés: 1.Kapcsolás 2.Munkacsapás (húzás) 3.Szétkapcsolás (disszociáció) 4.Visszacsapás (relaxáció) 1

2 Motorfehérjék munkaciklusa Munkaciklus arány (r): Processzív motor: r~1 Pl. kinezin, DNS-, RNS-polimeráz. Munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban. Egymaga képes a terhet továbbítani. Nem processzív motor: r~0 Pl. konvencionális miozin (vázizom: miozin II.) Munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban. Sokaság működik együtt. Egyetlen motorfehérje által kifejtett erő: néhány pn Motorfehérjék típusai 1. Aktin alapú Miozinok: Az aktin filamentum mentén a plusz vég irányába mozognak. 2. Mikrotubulus alapú a. Dineinek: Ciliáris (flagelláris) es citoplazmáris dineinek. A mikrotubulus mentén a mínusz vég irányába mozognak. b. Kinezinek: A mikrotubulus mentén a plusz vég irányába mozognak. c. Dinaminok: Mikrotubulus-függő GTPáz aktivitás. 3. DNS alapú mechanoenzimek DNS- és RNS-polimerázok, virus kapszid csomagoló motor, kondenzinek. A DNS fonal mentén haladnak es fejtenek ki erőt 4. Rotációs motorok F1Fo-ATP szintetáz Bakteriális flagelláris motor 5. Mechanoenzim komplexek Riboszóma Citoszkeleton alapú motorok Nukleinsav alapú motorok Nem processzív motor Vázizom miozin II. Aktin filamentum mentén mozog. Processzív motor Kinezin Mikrotubulus mentén mozog. Riboszóma mechanoenzim komplex Vírus portális motor DNS pakolás 2

3 Rotációs motorok hajtóerő: proton grádiens Az izomműködés biofizikája Flagelláris motor bakteriális mozgás F 1 F o ATP szintetáz Reverzibilis működés Izomtípusok Harántcsíkolt izom szívizom sejt simaizom sejt mioepiteliális sejt Ín vázizom rost Endomysium (rostok között) szívizom vázizom Több cm hosszú, rostok ~100 µm vastag, multinukleáris (syncitium). Szívben, mononukleáris sejt. Funkcionális syncitium. Autonom működés. Csont Izompólya (fascia) Izom rost (sejt) Endomysium Véredény Sejtmag Miofibrillumok idegrostok Zsigerekben, mononukleáris, sima-izom orsó alakú sejt. mioepiteliális szekretoros Epiteliális sejt, szöveti kontrakcióért felelős (iris, mirigyexcretio). 3

4 Erő erő 4/22/2015 Az Izomműködés alapjelenségei I. Az Izomműködés alapjelenségei II. Rángás Szummáció Részleges tetanusz Komplett tetanusz 1. Izometriás kontrakció Az izom nem rövidül (vagy nem képes rövidülni), de kifejtett erő növekszik. 2. Izotóniás kontrakció A kifejtett erő állandó, miközben az izom rövidül. idő Ingerlés fúziós ingerfrekvencia felett Egyszeri ingerlés egy összehúzódási választ egy rángást vált ki (összehúzódás elernyedés). tetanus (fúziós frekvencia felett) rángás (egyetlen inger hatására) erő hossz Egy ingersorozat fokozza az összehúzódási erőt, mert a következő inger még részlegesen kontrahált állapotban éri az izmot, így a rángások összeadódnak - szummáció. Fúziós frekvencia feletti ingersűrűség esetén a relaxáció gátolt, így az izom állandó tónusba kerül - tetanusz. stimulus idő stimulus idő A kettő keveréke: auxotoniás kontrakció (rövidülés és erőkifejtés egyszerre) Az Izomműködés alapjelenségei III. 1. Munka, Teljesítmény F 2. Erő-sebesség összefüggés F 0 1 cm 2 izomkeresztmetszetre: Fmax = kb. 30 N Pmax (kb. v max 30%-ánál) P Az izom energetikája I. Energia forrása: Mg.ATP 2- + H2O Mg.ADP 1- + Pi 2- + H + I-es típusú rostok * sok mitokondrium * ATP képzés sejtlégzéssel * lassú fáradás * mioglobinban gazdag: "vörös izom" * kis átmérőjű, lassú idegrostok aktiválják * lassú izomrost * testtartó izmokban dominálnak W mech =0 Hill egyenlet: F: erő, v: rövidülési sebesség a és b: konstansok, F 0 : maximális izometriás erő vmax v gyors lassú II-es típusú rostok * kevés mitokondrium * glikogénben gazdag *ATP képzés glikolízossel *gyors fáradás a felszaporodó laktát miatt * mioglobinban szegény: "fehér izom" *nagy átmérőjű, gyors neuronok aktiválják * gyors izomrost * gyors működésű izomokban dominálnak 4

5 Energia felszabadulás Relatív izometriás erő (%) miofibrillum 4/22/2015 Az izom energetikája II. A szarkomer az izom funkcionális egysége A-szakasz I-szakasz Az izom által felhasznált kémiai energia nagyobb része hővé alakul Fenn-féle effektus: A hőfelszabadulás megnő ha az izom mechanikai munkát végez. A hőfelszabadulás gyorsul a kontrakció sebességének növekedésével. Q+W sarcos: hús (Gr) mera: egység a harántcsíkolt izom legkisebb szerkezeti és funkcionális egysége szarkomer A-szakasz: Anizotróp Vastag filamentumok (miozin II.) I-szaksaz: Izotróp Vékony filamentumok (aktin, tropomiozin, troponin) M-csík miozin (vastag filamentum) W (mechanikai) v vmax aktin filamentum plusz vége minusz vég aktin (vékony filamentum) Az izomösszehúzódás mechanizmusai Az izomösszehúzódás molekuláris mechanizmusai Fenomenologiai mechanizmus: A csúszó filamentum modell Az aktin filamentum Szarkomerhossz (mm) (µm) 37 nm Andrew F. Huxley, Jean Hanson, Hugh E. Huxley szöges (+) vég Szarkomer keresztmetszet vastag f. ~7 nm vastag, hossza in vitro több 10 μm, in vivo 1-2 μm Jobbmenetes dupla helix. Szerkezetileg polarizált Szemiflexibilis polimerlánc (perzisztenciahossz: ~10 μm) hegyes (-) vég Szakítószilárdság: kb. 120 pn (N.B.: izometriás körülmények között akár 150 pn erő is hathat a filamentumra) vékony f. Aktin filamentumok száma az izomban: 2 x /cm 2 -izomkeresztmetszet 5

6 A miozin II A miozin II munkaciklusa cross-bridge ciklus M-csík 2 db alfa-hélixbl coiled-coil könnyű láncok 1.Kapcsolás nyaki vagy pánt régió Vastag filamentum csupasz zóna miozin fejek Regulatórikus Könnyű Lánc (RLC) ATP-kötő zseb 4. Visszacsapás (ATP hidrolízis) 2. Munkacsapás (P i disszociál) miozin fejek miozin farok NYak (lerőkar) Esszenciális Könnyű Lánc (ELC) Konverter domén Aktin-kötő hely 3. Szétkapcsolás (ATP kötés) ATP hiányban a miozin fej kapcsolt állapotban marad: rigor mortis Kontrakciószabályozás a harántcsíkolt izomban Miozin mutáció - patológia aktin troponin komplex tropomiozin Miozin motor domén és mutációs helyek Tropomiozin: Blokkolja a miozin-kötő helyeket az aktin filamentumon. Troponin komplex: 3 alegység, (C, T, I) Troponin C szabad Ca 2+ -ot köt, majd a tropomiozin konformációs változását okozza, így a miozin-kötő helyek felszabadulnak. Arg403Gln pontmutáció: hipertófiás kardiomoipátia 6