stringtranslate.com

Молекулярный мотор

Рибосома — это биологическая машина , которая использует динамику белков .

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

Кинезин использует динамику белковых доменов на наномасштабе, чтобы перемещаться по микротрубочкам .

Некоторые примеры биологически важных молекулярных моторов: [2]

Молекулярно-динамическое моделирование синтетического молекулярного двигателя , состоящего из трех молекул в нанопоре (внешний диаметр 6,7 нм) при 250 К. [4]

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]

Транспорт органелл и везикул

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]

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.

Теоретические соображения

Поскольку двигательные события стохастические , молекулярные двигатели часто моделируются с помощью уравнения Фоккера-Планка или методов Монте-Карло . Эти теоретические модели особенно полезны при рассмотрении молекулярного двигателя как броуновского двигателя .

Экспериментальное наблюдение

В экспериментальной биофизике активность молекулярных моторов наблюдается с помощью множества различных экспериментальных подходов, среди них:

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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ 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.
  2. ^ Нельсон П., Радосавлевич М., Бромберг С. (2004). Биологическая физика . Фриман.
  3. ^ 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. 
  4. ^ 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.
  5. ^ 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. 
  6. ^ 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.
  7. ^ 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.
  8. ^ Смит Д.Э., Танс С.Дж., Смит С.Б., Граймс С., Андерсон Д.Л., Бустаманте С. (октябрь 2001 г.). «Портальный мотор бактериофага phi29 может упаковывать ДНК, преодолевая большую внутреннюю силу». Природа . 413 (6857): 748–52. Бибкод : 2001Natur.413..748S. дои : 10.1038/35099581. PMID  11607035. S2CID  4424168.
  9. ^ 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. 
  10. ^ 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.
  11. ^ 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.
  12. ^ 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. 
  13. ^ 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.
  14. ^ 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.
  15. ^ 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.
  16. ^ 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. ISBN 978-1-4641-8339-3.
  17. ^ 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. 
  18. ^ 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.
  19. ^ 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.
  20. ^ 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