Молекулярные двигатели — это естественные (биологические) или искусственные молекулярные машины , которые являются основными агентами движения в живых организмах. В общих чертах, двигатель — это устройство, которое потребляет энергию в одной форме и преобразует ее в движение или механическую работу ; например, многие молекулярные двигатели на основе белка используют химическую свободную энергию, высвобождаемую при гидролизе АТФ , для выполнения механической работы. [1] С точки зрения энергетической эффективности этот тип двигателя может превосходить имеющиеся в настоящее время искусственные двигатели. Одно важное различие между молекулярными двигателями и макроскопическими двигателями заключается в том, что молекулярные двигатели работают в термальной ванне , среде, в которой колебания из-за теплового шума значительны.
Динамин отвечает за отделение клатриновых почек от плазматической мембраны. Используется ГТФ .
Роторные двигатели:
F o F 1 -АТФ-синтазы семейства белков преобразуют химическую энергию АТФ в электрохимическую потенциальную энергию протонного градиента через мембрану или наоборот. Катализ химической реакции и движение протонов связаны друг с другом посредством механического вращения частей комплекса. Это участвует в синтезе АТФ в митохондриях и хлоропластах , а также в перекачке протонов через вакуолярную мембрану . [3]
Бактериальный жгутик, отвечающий за плавание и кувыркание E. coli и других бактерий, действует как жесткий пропеллер, который приводится в действие вращающимся двигателем. Этот двигатель приводится в действие потоком протонов через мембрану, возможно, используя механизм, аналогичный тому, который обнаружен в двигателе F o в АТФ-синтазе.
Молекулярно-динамическое моделирование синтетического молекулярного мотора, состоящего из трех молекул в нанопоре (внешний диаметр 6,7 нм) при 250 К. [4]
Вирусные ДНК-упаковочные двигатели вводят вирусную геномную ДНК в капсиды в рамках своего цикла репликации, упаковывая ее очень плотно. [8] Было выдвинуто несколько моделей для объяснения того, как белок генерирует силу, необходимую для перемещения ДНК в капсид. Альтернативное предложение заключается в том, что, в отличие от всех других биологических двигателей, сила генерируется не непосредственно белком, а самой ДНК. [9] В этой модели гидролиз АТФ используется для управления конформационными изменениями белка, которые поочередно дегидратируют и регидратируют ДНК, циклически перемещая ее из B-ДНК в A-ДНК и обратно. A-ДНК на 23% короче B-ДНК, и цикл сжатия/расширения ДНК сопряжен с циклом захвата/высвобождения белка-ДНК для создания поступательного движения, которое продвигает ДНК в капсид.
Ферментативные моторы: Было показано, что ферменты ниже диффундируют быстрее в присутствии их каталитических субстратов, что известно как усиленная диффузия. Также было показано, что они движутся направленно в градиенте своих субстратов, что известно как хемотаксис . Их механизмы диффузии и хемотаксиса все еще обсуждаются. Возможные механизмы включают в себя плавучесть раствора, форез или конформационные изменения, приводящие к изменению эффективной диффузии [10] [11] [12] и кинетическую асимметрию. [13]
каталаза
Уреаза
Альдолаза
Гексокиназа
Фосфоглюкозоизомераза
Фосфофруктокиназа
Глюкозооксидаза
Недавнее исследование также показало, что некоторые ферменты, такие как гексокиназа и глюкозооксидаза, агрегируют или фрагментируют во время катализа. Это изменяет их гидродинамический размер, который может повлиять на улучшенные измерения диффузии. [14]
Существует два основных семейства молекулярных моторов, которые транспортируют органеллы по всей клетке. Эти семейства включают семейство динеинов и семейство кинезинов. Оба имеют очень разные структуры и разные способы достижения схожей цели перемещения органелл по клетке. Эти расстояния, хотя и составляют всего несколько микрометров, все заранее спланированы с помощью микротрубочек. [16]
Кинезин – эти молекулярные моторы всегда движутся к положительному концу клетки.
Использует гидролиз АТФ в процессе преобразования АТФ в АДФ
Этот процесс состоит из...
«Нога» мотора связывается с помощью АТФ, «нога» делает шаг, а затем АДФ отсоединяется. Это повторяется до тех пор, пока не будет достигнута цель
Семейство кинезинов состоит из множества различных типов моторов.
Промежуточные/легкие цепи, которые будут присоединяться к области связывания динактина
Предстоящий
Стебель
С доменом, который будет связываться с микротрубочкой
Эти молекулярные моторы имеют тенденцию следовать по пути микротрубочек . Это, скорее всего, связано с тем, что микротрубочки выходят из центросомы и окружают весь объем клетки. Это, в свою очередь, создает «рельсовую систему» всей клетки и пути, ведущие к ее органеллам.
Электрофизиологию отдельных молекул можно использовать для измерения динамики отдельных ионных каналов.
Также используются многие другие методы. По мере разработки новых технологий и методов ожидается, что знание молекулярных моторов естественного происхождения будет полезным при создании синтетических наномоторов.
Небиологический
Недавно химики и те, кто занимается нанотехнологиями, начали изучать возможность создания молекулярных двигателей de novo. [17] Эти синтетические молекулярные двигатели в настоящее время страдают от многих ограничений, которые ограничивают их использование исследовательской лабораторией. Однако многие из этих ограничений могут быть преодолены по мере того, как наше понимание химии и физики в наномасштабе увеличивается. Один шаг к пониманию динамики наномасштаба был сделан с изучением диффузии катализатора в каталитической системе Граббса. [18] Другие системы, такие как наноавтомобили , хотя технически и не являются двигателями, также иллюстрируют недавние усилия по созданию синтетических наномасштабных двигателей.
Другие нереагирующие молекулы также могут вести себя как моторы. Это было продемонстрировано с использованием молекул красителя, которые движутся направленно в градиентах полимерного раствора посредством благоприятных гидрофобных взаимодействий. [19] Другое недавнее исследование показало, что молекулы красителя, твердые и мягкие коллоидные частицы способны двигаться через градиент полимерного раствора посредством эффектов исключенного объема. [20]
^ Bustamante C, Chemla YR, Forde NR, Izhaky D (2004). «Механические процессы в биохимии». Annual Review of Biochemistry . 73 : 705–48. doi :10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542. PMID 15189157. S2CID 28061339.
^ Нельсон П., Радосавлевич М., Бромберг С. (2004). Биологическая физика . Freeman.
^ Tsunoda SP, Aggeler R, Yoshida M, Capaldi RA (январь 2001 г.). «Вращение олигомера субъединицы c в полностью функциональной F1Fo АТФ-синтазе». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (3): 898–902. Bibcode : 2001PNAS...98..898T. doi : 10.1073 /pnas.031564198 . PMC 14681. PMID 11158567.
^ Palma CA, Björk J, Rao F, Kühne D, Klappenberger F, Barth JV (август 2014 г.). «Топологическая динамика в супрамолекулярных роторах». Nano Letters . 14 (8): 4461–8. Bibcode : 2014NanoL..14.4461P. doi : 10.1021/nl5014162. PMID 25078022.
^ Дворкин Дж., Лосик Р. (октябрь 2002 г.). «Помогает ли РНК-полимераза управлять сегрегацией хромосом у бактерий?». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (22): 14089–94. Bibcode : 2002PNAS...9914089D. doi : 10.1073/pnas.182539899 . PMC 137841. PMID 12384568 .
^ Hubscher U, Maga G, Spadari S (2002). «Эукариотические ДНК-полимеразы». Annual Review of Biochemistry . 71 : 133–63. doi :10.1146/annurev.biochem.71.090501.150041. PMID 12045093. S2CID 26171993.
^ Peterson CL (ноябрь 1994 г.). «Семейство SMC: новые моторные белки для конденсации хромосом?». Cell . 79 (3): 389–92. doi :10.1016/0092-8674(94)90247-X. PMID 7954805. S2CID 28364947.
^ Смит DE, Танс SJ, Смит SB, Граймс S, Андерсон DL, Бустаманте C (октябрь 2001 г.). «Портальный двигатель бактериофага phi29 может упаковывать ДНК, преодолевая большую внутреннюю силу». Nature . 413 (6857): 748–52. Bibcode :2001Natur.413..748S. doi :10.1038/35099581. PMID 11607035. S2CID 4424168.
^ Harvey SC (январь 2015 г.). «Гипотеза scrunchworm: переходы между A-ДНК и B-ДНК обеспечивают движущую силу для упаковки генома в двухцепочечных ДНК-бактериофагах». Журнал структурной биологии . 189 (1): 1–8. doi :10.1016/j.jsb.2014.11.012. PMC 4357361. PMID 25486612.
^ Чжао X, Джентиле К, Мохаджерани Ф, Сен А (октябрь 2018 г.). «Усиление движения с помощью ферментов». Accounts of Chemical Research . 51 (10): 2373–2381. doi :10.1021/acs.accounts.8b00286. PMID 30256612. S2CID 52845451.
^ Ghosh S, Somasundar A, Sen A (2021-03-10). «Ферменты как активная материя». Annual Review of Condensed Matter Physics . 12 (1): 177–200. Bibcode : 2021ARCMP..12..177G. doi : 10.1146/annurev-conmatphys-061020-053036 . S2CID 229411011.
^ Zhang Y, Hess H (июнь 2019). «Усиленная диффузия каталитически активных ферментов». ACS Central Science . 5 (6): 939–948. doi :10.1021/acscentsci.9b00228. PMC 6598160. PMID 31263753 .
^ Мандал, Ниладри Сехар; Сен, Аюсман; Астумян, Р. Дин (2023-03-15). «Кинетическая асимметрия против диссипации в эволюции химических систем на примере хемотаксиса одного фермента». Журнал Американского химического общества . 145 (10): 5730–5738. arXiv : 2206.05626 . doi : 10.1021/jacs.2c11945. ISSN 0002-7863. PMID 36867055. S2CID 249625518.
^ Джентиле, Кайла; Бхиде, Ашлеша; Кауфман, Джошуа; Гош, Субхадип; Маити, Субхабрата; Адэр, Джеймс; Ли, Тэ-Хи; Сен, Аюсман (2021-09-22). «Агрегация и фрагментация ферментов, вызванные соответствующими видами катализа». Физическая химия Химическая физика . 23 (36): 20709–20717. Bibcode : 2021PCCP...2320709G. doi : 10.1039/D1CP02966E. ISSN 1463-9084. PMID 34516596. S2CID 237507756.
^ Kay, Euan R.; Leigh, David A.; Zerbetto, Francesco (январь 2007 г.). «Синтетические молекулярные моторы и механические машины». Angewandte Chemie International Edition . 46 (1–2): 72–191. doi :10.1002/anie.200504313. PMID 17133632.
^ Lodish H, Berk A, Kaiser CA, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, Amon A, Martin KC (2014). Молекулярная клеточная биология (8-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: whfreeman, Macmillan Learning. ISBN978-1-4641-8339-3.
^ Korosec, Chapin S.; Unksov, Ivan N.; Surendiran, Pradheebha; Lyttleton, Roman; Curmi, Paul MG; Angstmann, Christopher N.; Eichhorn, Ralf; Linke, Heiner; Forde, Nancy R. (2024-02-23). "Подвижность автономного искусственного двигателя на основе белка, работающего по принципу сожженного моста". Nature Communications . 15 (1511): 1511. Bibcode :2024NatCo..15.1511K. doi :10.1038/s41467-024-45570-y. PMC 10891099 . PMID 38396042.
^ Dey KK, Pong FY, Breffke J, Pavlick R, Hatzakis E, Pacheco C, Sen A (январь 2016 г.). «Динамическая связь в масштабе Ангстрема». Angewandte Chemie . 55 (3): 1113–7. Bibcode : 2016AngCh.128.1125D. doi : 10.1002/ange.201509237 . PMID 26636667.
^ Guha R, Mohajerani F, Collins M, Ghosh S, Sen A, Velegol D (ноябрь 2017 г.). «Хемотаксис молекулярных красителей в полимерных градиентах в растворе». Журнал Американского химического общества . 139 (44): 15588–15591. doi :10.1021/jacs.7b08783. PMID 29064685.
^ Коллинз М., Мохаджерани Ф., Гош С., Гуха Р., Ли Т. Х., Батлер П. Дж. и др. (август 2019 г.). «Неравномерная скученность улучшает транспорт». ACS Nano . 13 (8): 8946–8956. doi :10.1021/acsnano.9b02811. PMID 31291087. S2CID 195879481.
Внешние ссылки
MBInfo - Молекулярная двигательная активность
MBInfo - Цитоскелет-зависимый MBInfo - Внутриклеточный транспорт
Cymobase — база данных с информацией о последовательностях цитоскелетных и моторных белков.
Джонатан Ховард (2001), Механика моторных белков и цитоскелета. ISBN 9780878933334
