A biológiai mozgások. A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Motorfehérjék. Motorfehérjék közös tulajdonságai

Átírás

1 A biológiai mozgások Molekuláris mozgás A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai Celluláris mozgás Mártonfalvi Zsolt Bakteriális flagellum Szervezet mozgása Keratocita mozgása felületen 1 Motorfehérjék Olyan mechanoenzimek, amelyek kémiai energiát alakítanak át mechanikai munkává. 1. Specifikusan kapcsolódnak valamilyen citoszkeletális filamentumhoz vagy biopolimerhez (pl. DNS). 2. A filamentum mentén elmozdulnak, illetve t fejtenek ki. 3. Eközben ATP-t hidrolizálnak Motorfehérjék közös tulajdonságai 1ATP/ciklus I. Szerkezeti homológia N-terminális részen globuláris fejet találunk: ez a motor domén (ATPáz), ami specifikusan köt a megfelelő citoszkeletális polimerhez. C-terminális részen működést biztosító kötőhelyet találunk. Egyetlen motorfehérje által végzet munka kiszámolható: W = F δ kifejtett (F): néhány pn munkatávolság (δ): néhány nm II. Ciklusos működés 1. Kapcsolás 2. Munkacsapás (húzás) 3. Szétkapcsolás (disszociáció) 4. Visszacsapás (relaxáció) W: néhány zj (zeptojoule = J) 3 4

2 Motorfehérjék munkaciklusa Munkaciklus arány (r): Motorfehérjék típusai 1. Aktin alapú Miozinok: Az aktin filamentum mentén a plusz vég irányába mozognak. (lamellipodium formálás, izomkontrakció) 2. Mikrotubulus alapú Processzív motor: r~1 Pl. kinezin, DNS-, RNS-polimeráz. Munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban van. Egymaga képes a terhet továbbítani. Nem processzív motor: r~0 Pl. konvencionális miozin (vázizom: miozin II.) Munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban. Sokaság működik együtt. Dineinek: Ciliáris (flagelláris) es citoplazmáris dineinek. A mikrotubulus mentén a mínusz vég irányába mozognak. (axonális retrográd transzport) Kinezinek: A mikrotubulus mentén a plusz vég irányába mozognak. (axonális anterográd transzport) Vezikula exocitózis Dinaminok: Mikrotubulus-függő GTPáz aktivitás. 3. DNS alapú mechanoenzimek A DNS fonal mentén haladnak és fejtenek ki t (DNS- és RNS-polimerázok, vírus kapszid csomagoló motor) Dinamin 4. Rotációs motorok 𝛿 = munkatávolság vcsapás = csapássebesség Membránba ágyazva működnek, a membrán két oldalán kialakult proton grádiens a hajtóerejük. F1Fo-ATP szintetáz, bakteriális flagelláris motor 5. Mechanoenzim komplexek katpáz = ATPáz sebesség Riboszóma 5 6 Citoszkeleton alapú motorok Nukleinsav alapú motorok Processzív motor Nem processzív motor Kinezin Mikrotubulus mentén mozog. Vázizom miozin II. Aktin filamentum mentén mozog. 7 Riboszóma Virális portális motor mechanoenzim komplex DNS pakolás 8

3 Rotációs motorok Az izomműködés biofizikája hajtó: proton grádiens Flagelláris motor F1Fo ATP szintetáz bakteriális mozgás reverzibilis működés Mozgásra, mozgatásra specializálódott sejt illetve szövet. Csak húzni képes, tolni nem! Machina Carnis 9 10 Az izomműködés alapjelenségei I. Az izomműködés alapjelenségei II. Szummáció Részleges tetanusz Komplett tetanusz 2. Izotóniás kontrakció A kifejtett állandó, miközben az izom rövidül. Erő Rángás 1. Izometriás kontrakció Az izom nem rövidül (vagy nem képes rövidülni), de a kifejtett növekszik tetanus Idő fúziós ingerfrekvencia felett Ingerlés (fúziós frekvencia felett) hossz rángás (egyetlen inger hatására) Egyszeri ingerlés egy összehúzódási választ egy rángást vált ki (összehúzódás elernyedés). Egy ingersorozat fokozza az összehúzódási t, mert a következő inger még részlegesen kontrahált állapotban éri az izmot, így a rángások összeadódnak - szummáció. stimulus stimulus idő idő Fúziós frekvencia feletti ingersűrűség esetén a relaxáció gátolt, így az izom állandó tónusba kerül - tetanusz. A kettő keveréke: auxotoniás kontrakció (rövidülés és kifejtés egyszerre) 11 12

4 Az izomműködés energetikája Az izomműködés alapjelenségei III. 1. Munka és Teljesítmény ATP hidrolízis, hőfelszabadulás 2. Erő - sebesség összefüggés Energia forrása: Mg.ATP2- + H2O F F0 1 cm2 izomkeresztmetszetre: Mg.ADP1- + Pi2- + H+ Fenn-féle effektus: A hőfelszabadulás megnő ha az izom rövidülés közben végez munkát. A hőfelszabadulás mértéke nő a kontrakció sebességének növekedésével. Fmax = kb. 30 N Az izom által felhasznált kémiai energia nagyobb része hővé alakul P vmax Ha a rövidülési sebesség nulla, akkor az maximális értékű: maximális izometriás (F0) Wmech = 0 Q+W Energia felszabadulás Pmax (kb. vmax 30%-ánál) v Gyors kontarkcióban felszabaduló hő (Qv) Hill egyenlet: F:, v: rövidülési sebesség a és b: konstansok, F0: maximális izometriás Ha v = maximum, akkor F = 0 W (mechanikai) Izometriás kontrakcióban felszabaduló hő (Qi) v Qi < Qv vmax Az izomösszehúzódás mechanizmusa Kontraktilis apparátus tagjai Fenomenológiai mechanizmus: csúszófilamentum modell Szarkomer Globuláris aktin (G-aktin) Aktin filamentum (F-aktin) Az aktin filamentumot felépítő monomer egység Citoszkeletális szemiflexibilis polimerlánc 7 nm A-szakasz I-szakasz miofibrillum Z-lemez 37 nm szöges (+) vég szarkomer Szerkezeti polaritás szarkomerhossz (µm) Straub F. Brúnó az aktin felfedezője (1941) Relaxált hegyes (-) vég Miozin II Vastag filamentum Nem-processzív, aktin alapú motorfehérje Kontrahált Két összetekert 𝜶-hélix C-terminális miozin fejek (motor domének) N-terminális motor domén Könnyű lánc Nyaki régió (munkacsapás) miozin farok 15 16

5 A miozin II motorfehérje munkaciklusa Az izomösszehúzódás molekuláris folyamata Az izomösszehúzódás szabályozása M-csík 1.Kapcsolás Z-lemez aktin troponin komplex tropomiozin 4. Visszacsapás (ATP hidrolízis) 2. Munkacsapás (P i disszociál) x = 5-10 nm F = 1-5 pn W = F x 5-50 zj 3. Szétkapcsolás (ATP kötés) ATP hiányban a miozin fej kapcsolt állapotban marad: rigor mortis 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