Молекулярные двигатели — это естественные (биологические) или искусственные молекулярные машины , которые являются важными 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 моторы на основе белков 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. Одним из важных различий между молекулярными двигателями и макроскопическими двигателями является то, что молекулярные двигатели работают в тепловой ванне , среде, в которой колебания , вызванные тепловым шумом, значительны.
Примеры
Некоторые примеры биологически важных молекулярных моторов: [2]
Бактериальный жгутик, ответственный за плавание и переворачивание кишечной палочки и других бактерий, действует как жесткий пропеллер, приводимый в движение вращающимся двигателем. Этот мотор приводится в движение потоком протонов через мембрану, возможно, используя механизм, аналогичный тому, который обнаружен в моторе F o в АТФ-синтазе.
Двигатели упаковки вирусной ДНК вводят вирусную геномную ДНК в капсиды в рамках цикла репликации, упаковывая ее очень плотно. [8] Было предложено несколько моделей, объясняющих, как белок генерирует силу, необходимую для проникновения ДНК в капсид. Альтернативное предположение состоит 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 обезвоживают и регидратируют ДНК, циклически перемещая ее от B-ДНК к A-ДНК и обратно. А-ДНК на 23% короче, чем В-ДНК, и цикл сжатия/расширения ДНК связан с циклом захвата/высвобождения белок-ДНК, создавая поступательное движение, которое продвигает ДНК в капсид.
Ферментативные моторы. Было показано, что ферменты, представленные ниже, диффундируют быстрее в присутствии их каталитических субстратов, что известно как усиленная диффузия. Также было показано, что они движутся направленно в градиенте своих субстратов, известном как хемотаксис . Механизмы их диффузии и хемотаксиса до сих пор обсуждаются. Возможные механизмы включают плавучесть растворителя, форез или конформационные изменения, приводящие к изменению эффективной диффузионной способности [10] [11] [12] и кинетической асимметрии. [13]
Каталаза
Уреаза
Альдолаза
Гексокиназа
Фосфоглюкозоизомераза
Фосфофруктокиназа
Глюкозооксидаза
Недавнее исследование также показало, что некоторые ферменты, такие как гексокиназа и глюкозооксидаза, агрегируют или фрагментируются во время катализа. Это изменяет их гидродинамический размер, что может повлиять на измерения улучшенной диффузии. [14]
Существует два основных семейства молекулярных моторов, которые транспортируют органеллы по клетке. Эти семейства включают семейство динеинов и семейство кинезинов. Оба имеют очень разные структуры и разные способы достижения одной и той же цели — перемещения органелл по клетке. Эти расстояния, хотя и составляют всего несколько микрометров, заранее запланированы 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» совершает шаг, а затем АДФ отрывается. Это повторяется до тех пор, пока не будет достигнут пункт назначения.
Семейство кинезинов состоит из множества различных типов моторов.
Промежуточные/легкие цепи, которые прикрепляются к области связывания динактина.
Предстоящий
Стебель
С доменом, который будет связываться с микротрубочкой
Эти молекулярные моторы имеют тенденцию следовать по пути микротрубочек . Скорее всего, это связано с тем, что микротрубочки выходят из центросомы и окружают весь объем клетки. Это, в свою очередь, создает «железнодорожную систему» всей клетки и путей, ведущих к ее органеллам.
Одномолекулярную электрофизиологию можно использовать для измерения динамики отдельных ионных каналов.
Также используются многие другие методы. Ожидается, что по мере разработки новых технологий и методов знание природных молекулярных двигателей будет полезно в создании синтетических наноразмерных двигателей.
Небиологический
Недавно химики и те, кто занимается нанотехнологиями, начали изучать возможность создания молекулярных двигателей de novo. [17] Эти синтетические молекулярные двигатели в настоящее время имеют множество ограничений, которые ограничивают их использование в исследовательских лабораториях. Однако многие из этих ограничений можно преодолеть по мере расширения нашего понимания химии и физики на наноуровне. Один шаг к пониманию динамики наноразмеров был сделан при изучении диффузии катализатора в каталитической системе Грабба. [18] Другие системы, такие как наноавтомобили , хотя и не являются технически двигателями, также являются иллюстрацией недавних усилий по созданию синтетических наномоторов.
Другие нереагирующие молекулы также могут вести себя как двигатели. Это было продемонстрировано с помощью молекул красителя, которые движутся направленно в градиентах раствора полимера за счет благоприятных гидрофобных взаимодействий. [19] Другое недавнее исследование показало, что молекулы красителей, твердые и мягкие коллоидные частицы способны перемещаться по градиенту раствора полимера за счет исключенных объемных эффектов. [20]
^ Бустаманте С., Чемла Ю.Р., Форд Н.Р., Ижаки Д. (2004). «Механические процессы в биохимии». Ежегодный обзор биохимии . 73 : 705–48. doi : 10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542. PMID 15189157. S2CID 28061339.
^ Нельсон П., Радосавлевич М., Бромберг С. (2004). Биологическая физика . Фриман.
^ Цунода С.П., Аггелер Р., Ёсида М., Капальди Р.А. (январь 2001 г.). «Вращение олигомера субъединицы c в полностью функциональной АТФ-синтазе F1Fo». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (3): 898–902. Бибкод : 2001PNAS...98..898T. дои : 10.1073/pnas.031564198 . ПМК 14681 . ПМИД 11158567.
^ Пальма, Калифорния, Бьорк Дж., Рао Ф., Кюне Д., Клаппенбергер Ф., Барт СП (август 2014 г.). «Топологическая динамика в супрамолекулярных роторах». Нано-буквы . 14 (8): 4461–8. Бибкод : 2014NanoL..14.4461P. дои : 10.1021/nl5014162. ПМИД 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. Бибкод : 2002PNAS...9914089D. дои : 10.1073/pnas.182539899 . ПМК 137841 . ПМИД 12384568.
^ Хубшер У, Мага Г, Спадари С (2002). «Эукариотические ДНК-полимеразы». Ежегодный обзор биохимии . 71 : 133–63. doi : 10.1146/annurev.biochem.71.090501.150041. PMID 12045093. S2CID 26171993.
^ Петерсон CL (ноябрь 1994 г.). «Семейство SMC: новые моторные белки для конденсации хромосом?». Клетка . 79 (3): 389–92. дои : 10.1016/0092-8674(94)90247-X. PMID 7954805. S2CID 28364947.
^ Харви SC (январь 2015 г.). «Гипотеза скранччервя: переходы между A-ДНК и B-ДНК обеспечивают движущую силу упаковки генома в бактериофагах с двухцепочечной ДНК». Журнал структурной биологии . 189 (1): 1–8. дои : 10.1016/j.jsb.2014.11.012. ПМЦ 4357361 . ПМИД 25486612.
^ Чжао X, Джентиле К., Мохаджерани Ф., Сен А. (октябрь 2018 г.). «Приведение движения в действие с помощью ферментов». Отчеты о химических исследованиях . 51 (10): 2373–2381. doi : 10.1021/acs.accounts.8b00286. PMID 30256612. S2CID 52845451.
^ Гош С., Сомасундар А., Сен А. (10 марта 2021 г.). «Ферменты как активная материя». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 12 (1): 177–200. Бибкод : 2021ARCMP..12..177G. doi : 10.1146/annurev-conmatphys-061020-053036 . S2CID 229411011.
^ Чжан Ю, Хесс Х (июнь 2019 г.). «Усиленная диффузия каталитически активных ферментов». Центральная научная служба ACS . 5 (6): 939–948. doi : 10.1021/accentsci.9b00228. ПМК 6598160 . ПМИД 31263753.
^ Мандал, Ниладри Сехар; Сен, Аюсман; Астумян, Р. Дин (15 марта 2023 г.). «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 (22 сентября 2021 г.). «Агрегация и фрагментация ферментов, индуцированные катализом соответствующих видов». Физическая химия Химическая физика . 23 (36): 20709–20717. Бибкод : 2021PCCP...2320709G. дои : 10.1039/D1CP02966E. ISSN 1463-9084. PMID 34516596. S2CID 237507756.
^ Кей, Юан Р.; Ли, Дэвид А.; Зербетто, Франческо (январь 2007 г.). «Синтетические молекулярные двигатели и механические машины». Angewandte Chemie, международное издание . 46 (1–2): 72–191. дои : 10.1002/anie.200504313. ПМИД 17133632.
^ Лодиш Х., Берк А., Кайзер CA, Кригер М., Бретчер А., Плох Х., Амон А., Мартин К.К. (2014). Молекулярно-клеточная биология (8-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Уфриман, Macmillan Learning. ISBN978-1-4641-8339-3.
^ Коросек, Чапин С.; Унксов Иван Н.; Сурендиран, Прадхибха; Литтлтон, Роман; Курми, Пол М.Г.; Ангстманн, Кристофер Н.; Эйххорн, Ральф; Линке, Хайнер; Форд, Нэнси Р. (23 февраля 2024 г.). «Подвижность автономного искусственного двигателя на основе белка, работающего по принципу сожженного моста». Природные коммуникации . 15 (1511): 1511. Бибкод : 2024NatCo..15.1511K. дои : 10.1038/s41467-024-45570-y. ПМЦ 10891099 . ПМИД 38396042.
^ Дей К.К., Понг Ф.Ю., Бреффке Дж., Павлик Р., Хацакис Э., Пачеко С., Сен А. (январь 2016 г.). «Динамическая связь в масштабе Ангстрема». Ангеванде Хеми . 55 (3): 1113–7. Бибкод : 2016AngCh.128.1125D. дои : 10.1002/ange.201509237 . ПМИД 26636667.
^ Гуха Р., Мохаджерани Ф., Коллинз М., Гош С., Сен А., Велегол Д. (ноябрь 2017 г.). «Хемотаксис молекулярных красителей в полимерных градиентах в растворе». Журнал Американского химического общества . 139 (44): 15588–15591. doi : 10.1021/jacs.7b08783. ПМИД 29064685.
^ Коллинз М., Мохаджерани Ф., Гош С., Гуха Р., Ли Т.Х., Батлер П.Дж. и др. (август 2019 г.). «Неравномерная скученность улучшает транспорт». АСУ Нано . 13 (8): 8946–8956. doi : 10.1021/acsnano.9b02811. PMID 31291087. S2CID 195879481.
Внешние ссылки
MBInfo - Молекулярно-моторная активность
MBInfo - Цитоскелет-зависимый MBInfo - Внутриклеточный транспорт
Cymobase - база данных с информацией о последовательностях цитоскелета и моторных белков.
Джонатан Ховард (2001), Механика моторных белков и цитоскелета. ISBN 9780878933334