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

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

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

Endre Nagy
6 évvel ezelőtt
Látták:

A motorfehérjék definíciója Motorfehérjék Nyitrai Miklós, 2016 november 30. Molekuláris gépek A molekuláris mozgások alapját gyakran motor fehérjék biztosítják.

1 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; Gépek a mikro/nano-világban (egyirányú haladás): nm, pn kémiai energiát használnak (ATP, proton gradiens) ahhoz, hogy mechanikai munkát hozzanak létre Az egyszer, 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 motorok 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 elõsegítése A baktériumok mozgásának elõsegítése 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

A fehérjék általában A citoszkeletonnal asszociált fehérjék Lehetséges csoportosítások: A fehérjék gyakran munkagépek, eszközök ( DNA is the brain, proteins are the hand ) M,ködhetnek mint: enzimek:

2 A fehérjék általában A citoszkeletonnal asszociált fehérjék Lehetséges csoportosítások: A fehérjék gyakran munkagépek, eszközök ( DNA is the brain, proteins are the hand ) M,ködhetnek mint: enzimek: kémiai folyamatokat katalizálnak ion pumpák: a membránon keresztül elektromos potenciál vagy koncentrációkülönbséget hoznak létre motorok: mechanikai munkát végeznek 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. Keresztkötõ 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 jellemzõi 1. Specifikus citoszkeletális filamentumhoz kapcsolódnak 2. A filamentumok mentén elmozdulnak, illetve erõt fejtenek ki Miért van szükség molekuláris motorokra? transzport Sejt osztódáskor a kromoszómák pozícionálása Vezikulák transzportja a citoplazmában 3. ATP-t hidrolizálnak endocytosis exocytosis Miért van szükség motorokra? Egyszer, mozgások (forgó vagy lineáris) Pl. a flagellum vagy cília forgása egyes egysejt,ek esetében Kontrakció (pl. izom) A filamentumok egymáshoz képest való elmozdulása Vezikulák létrehozása (endo/exo-cytosis) Sejtek osztódása A motorfehérjék csoportosítása A. Lineáris motorok B. Rotációs motorok Bonyolultabb mozgások Nuleinsavak polimerizálása (RNS, DNS szintézis) riboszómák (fehérje szintézis) ok (ATP termelése) DNS csomagolása (pl. vírusokban a DNS kompaktálása) 2

A motorfehérjék csoportosítása 1. Aktin-alapú motorfehérjék: a miozinok. 2. Mikrotubulus alapú motorfehérjék a. Dineinek. b. Kinezinek. c. Dynaminok. 3. DNS alapú motorok 4.

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

A ciklus során különbözõ motorfehérje-nukleotid intermedierek. A mechanikai ciklusban elmozdulás (izotóniás viszonyok) vagy erõkifejlõdés (izometriás viszonyok) történik.

3 A motorfehérjék csoportosítása 1. Aktin-alapú motorfehérjék: a miozinok. 2. Mikrotubulus alapú motorfehérjék a. Dineinek. b. Kinezinek. c. Dynaminok. 3. DNS alapú motorok 4. Rotációs motorok A motorfehérjék közös tulajdonságai 1. Szerkezet N-terminális globuláris fej: motor domén, nukleotidot köt és hasít specifikus kötõhely a megfelelõ citoszkeletális polimer számára C-terminálisan: funkcionalitást biztosító kötõhely 2. Mechanika, m,ködés Alapelv: ciklusos m,ködés Motor -> kötõdés a polimerhez -> húzás -> disszociáció -> relaxáció 1 mechanikai ciklusban 1 molekula ATP hidrolizálódik. A ciklus során különbözõ motorfehérje-nukleotid intermedierek. A mechanikai ciklusban elmozdulás (izotóniás viszonyok) vagy erõkifejlõdés (izometriás viszonyok) történik. N C A motorfehérjék munkaciklusa ATP hidrolízis ciklus Kapcsolt t on Szétkapcsolt t off Munkaarány: Csúszási seb.: Kapcsolt idő: Ciklus idő: τ on r = τ on +τ off kapcsolás = τ on τ total munkacsapás visszacsapás v = δ τ on δ = munkatávolság τ on = δ v szétkapcsolás 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 m,ködik együtt. Az egyetlen motorfehérje által kifejtett erõ: néhány pn. Lineáris motorok Kinezin szerkezet Miozinok Miozin szerkezet 3

4 Ez a kép most nem jeleníthető meg. 12/9/2016 A miozin szupercsalád A miozinok az aktinon mozognak Nem izom eredet& miozinok Más lineáris motorfehérjék Kinezinek és dineinek Mikrotubulusokon mozognak 4

egyik fej ( leading head ) gyengén kötõdik (Brown mozgás) Az ADP disszociációja erõs kötést eredményez; a másik fej leválik, nem tud tovább kötõdni (ez a trailing head ) Második fázis ATP kötõdik az

5 Kinezin Fej motor domén Valószín,leg minden motorfehérje õse. filamentumhoz való kapcsolódás (mikrotubulus) dimer ATP-kötõ hely Farok szállítmány-kötõ domén Központi összekötõ domén A kinezin ATPáz ciklusa Kiindulási fázis ADP-kötõ állapot mind a két fejen Az egyik fej ( leading head ) gyengén kötõdik (Brown mozgás) Az ADP disszociációja erõs kötést eredményez; a másik fej leválik, nem tud tovább kötõdni (ez a trailing head ) Második fázis ATP kötõdik az elsõ fejhez ( leading head ) Konformációváltozás jön létre, elõre húzódás A korábbi hátsó fej a diffúziós mozgások mellett gyengén kötõdik a mikrotubulushoz (az a korábbi trailing head, immár leading head ) A kinezin ATPáz ciklusa Harmadik fázis Az ATP-t a hátsó fej hidrolizálja Az elsõ fej ATP-t köt, és erõs kötésbe megy át A hátsó fejrõl a fszfát disszociál, a fej leválik mikrotubulusról A kinezin mozgásának modellje Néhány számadat Egy lépés: max sebesség:1 mm/sec max erõ: Mechanikai munka: 80Å (kb. 125 steps/sec) 5-6pN J/step Hatásfok: 40% Lépésenként egy ATP hidrolízise; 12kcal/mol vagy ~10-19 J/molekula. Kinezin séma Részletesebb séma 5

Rajzfilm a lépkedésrõl Hogyan valósul meg a szabályozásuk?

alakváltoztatásban Kromoszóma vándorlásban http://faculty.plattsburgh.edu/donald.

A motorfehérje két szomszédos mikrotubulushoz kötõdik, és a két mikrotubulus relatív

Rotációs vagy forgó motorok Egy rugalmas összekötõ fehérje, a nexin, a relatív

6 Rajzfilm a lépkedésrõl Hogyan valósul meg a szabályozásuk? Kinezin funkciók: sejtosztódás Kinezin funkciók: alakváltoztatás, vándorlás Sejt alakváltoztatásban Kromoszóma vándorlásban Dinein, cillium A dinein, húzási ciklusa. A motorfehérje két szomszédos mikrotubulushoz kötõdik, és a két mikrotubulus relatív elmozdulását hozza létre (axonemal dinein). Rotációs vagy forgó motorok Egy rugalmas összekötõ 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

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 Examples of bacterial flagaella arrangment schemes EM image D. Thomas, N. Francis, and D. Derosier, unpublished Egy másik rotációs motor: Olyan enzim, ami katalizálja az ADP-bõl való ATP szintézist. A töltések vándorlása megatározó szerepet tölt be. F0 rész: proton csatorna F1 rész: az ATP termelés helye F1F0 ATPáz 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,

8 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 m,ködik, ekkor ATP hatására proton gradienst épít fel Alberts, MBOC no ATP, no net rotation Kinosita, Nature, 1997 Bacteriophage DNS csomagoló motor 120 steps ( substeps) Kinosita, Nature,

9 Bacteriophage DNS csomagoló motor Összefoglalás 9

Hasonló dokumentumok

Motorfehérjék november 30.; Nyitrai

Motorfehérjék november 30.; Nyitrai Motorfehérjék 2011. november 30.; Nyitrai Molekuláris gépek A molekuláris mozgások alapját gyakran motor fehérjék biztosítják. Megértésük a biológia egyik súlyponti kérdése; Gépek a mikro/nano-világban