Wybrane zagadnienia biofizyki. Maszyny molekularne Mechanika wybranych biomolekuł

Transkrypt

1 Wybrane zagadnienia biofizyki Maszyny molekularne Mechanika wybranych biomolekuł

2 Maszyny molekularne Jakie są możliwości budowania mechanicznych maszyn w skali molekularnej?... Silnik spalinowy o wielkości molekularnej nie jest możliwy. Inne chemiczne reakcje uwalniające energię gdy robi się zimno mogą być użyte w zastępstwie... Smarowanie może nie być konieczne, łożyska byłyby w stanie pracować na sucho; nie przegrzewałyby się, bo ciepło niezwykle szybko uchodzi z tak małych urządzeń... There s Plenty of Room at the Bottom, An Invitation to Enter a New Field of Physics Amerykańskie Towarzystwo Fizyków, 1959, Richard P. Feynman

3 Rok 1989 Don Eigler, pracownik IBM w San Jose (USA), przedstawił logo swojej firmy składające się z 35 atomów ksenonu ułożonych na powierzchni niklu. Miało ono rozmiar 5 nanometrów wysokości i 17 nanometrów szerokości. Eigler otrzymał nanologo przy użyciu skaningowego mikroskopu tunelowego który sam zbudował. ALE: to Gerd Binnig i Heinrich Rohrer (też IBM) pierwsi zbudowali ten mikroskop w 1982 roku. POSTĘPY FIZYKI, TOM 60, ZESZYT 3, ROK 2009

4 Dwa narzędzia Skaningowy mikroskop tunelowy Mikroskop sił atomowych Carbon Monoxide Man

5 Dotychczasowy postęp cywilizacyjny był związany z miniaturyzacją - znamiennym przykładem mogą być komputery. Nanotechnologia wymaga odwrotnego postępowania: z małych molekuł buduje coraz większe i coraz bardziej złożone obiekty. W takim przypadku prognozowanie i planowanie jest mniej przewidywalne.

6 Świat makro vs. mikro Maszyny molekularne bardzo dynamiczne: przerwanie miedzianego łańcucha nie zmienia właściwości a jednostce maszyny molekularnej już tak Maszyny molekularne są w świecie ruchów Browna: fluktuacje nie do zniwelowania, czasem zapewniają prawidłowe funkcjonowanie. Tarcie: siła proporcjonalna do prędkości, i właściwie brak sił bezwładności! Maszyny molekularne są wymagające: otoczenie, napęd

7 Podstawowe założenia maszyn molekularnych krok ku chemii supramolekularnej (lata 70) 1) Molekuły są stabilnymi jednostkami, w przeciwieństwie do pojedynczych atomów, którymi właściwe trudno sterować 2) Natura używa właśnie molekuł, a nie pojedynczych atomów do konstrukcji całego szeregu nanourządzeń i nanomaszyn, które podtrzymują życie (np. pompa elektronowa/protonowa) 3) W laboratoriach pracuje się nad procesami chemicznymi molekuł 4) Molekuły są obiektami, które wykazują wyraźne kształty i posiadają narzędziowe cechy (np. to że mogą być manipulowane poprzez fotochemiczne lub elektrochemiczne sygnały) 5) Molekuły potrafią samoistnie się grupować i łączyć tworząc większe struktury

8 NAJLEPSZY NAUCZYCIEL: NATURA Mechanika biourządzeń biomolekuły

9 Biomotory dlaczego są ważne? Biorą udział w segregacji chromosomów, podziale komórek, przemieszczaniu organelli, pęcherzyków, biorą udział w procesie transkrypcji genów Znaczenie w skali makro: szybki podział komórek - kluczowe dla medycy chorób nowotworowych, inne biomotory są odpowiedzialne za pracę mięśni. Włókno mięśniowe zbudowane jest z włókienek kurczliwych, nazywanych miofibrylami. Typowy mięsień składa się włókien mięśniowych ułożonych równolegle.

10 Poziomy organizacyjne Miofibryla składa się z sarkomerów, natomiast sarkomer składa się z cieniutkich pręcików zwanych miofilamentami. Miofilamenty składają się z dwóch części. Grubych filamentów zbudowanych z miozyny oraz cienkich filamentów zbudowanych z aktyny. Mitochondria -znajdują się one obok filamentów, a ich podstawową funkcją jest produkcja energii potrzebnej przy skurczu mięśniowym.

11 Biomotory Kinezyna została wyizolowana z cytoplazmy aksonu. Obecnie wiadomo, że jest to duża rodzina białek, z których większość bierze udział w transporcie w kierunku (+) mikrotubuli. Cząsteczka kinezyny ma masę 360kDa i długość ok. 80 nm. Zbudowana jest ona z dwóch splecionych ciężkich łańcuchów zakończonych globularnymi głowami na N końcach. Przy C końcach znajdują się dodatkowo dwa lekkie łańcuchy. Głowy wykazują powinowactwo do tubuliny i stanowią domenę motoryczną, natomiast koniec C odpowiada za wiązanie z fosfolipidami struktur błoniastych. Ogólny schemat budowy kinezy z grupy N. Kolorem ciemnoniebieskim oznaczono łańcuchy ciężkie, jasnoniebieskim łańcuchy lekkie Postepy Hig Med Dosw., 2011; 65:

12 Biomotory cd Dyneiny należą do największych i najszybszych białek motorycznych. Jest to duża rodzina, odpowiedzialna za transport pęcherzyków w kierunku (-) mikrotubuli. Masa cząsteczkowa dyneiny wynosi 1200 kda, a długość około 40 nm. Zbudowane są zazwyczaj z dwóch lub trzech łańcuchów ciężkich zakończonych globularnymi głowami i kilku łańcuchów lekkich. W wiązaniu błoniastych pęcherzyków do dyneiny pośredniczy wielkocząsteczkowy kompleks dynaktyna.

13 Mikrotubule We wnętrzu typowej komórki, tuż obok jądra znajduje się centrosom. Z jego otoczenia rozchodzi się sieć komórkowych autostrad - mikrotubuli w kierunku peryferii komórki. Po nich poruszają się kinezyny i dyneiny. Kinezyna wozi towar na peryferie, a dyneina mknie w przeciwnym kierunku. Mikrotubula jest białkiem będącym polimerem o kształcie rurki (o średnicy 25 nm) składającym się z 13 nici-protofilamentów, a każdy protofilament będący strukturą przestrzennie periodyczną o okresie 8 nm zbudowany jest z dwóch białek: α- i β-tubuliny. Mikrotubula posiada wyróżniony kierunek (bieguny minus i plus). Kierunek poruszania się kinezyny i dyneiny jest ściśle związany z polarnością. Kinezyna porusza się od minusa do plusa. Chodzi ona na dwóch głowach. Jej długość wynosi 75 nm. Do jej końca przyczepiają się towary (np. pęcherzyki), które są transportowane tam, gdzie są potrzebne. POSTĘPY FIZYKI, TOM 60, ZESZYT 3, ROK 2009

14 Białka motoryczne- praca W procesie transportu kinezyna przyczepia się tylko do β- tubuliny i wykonuje dziesiątki setki kroków bez odrywania się od mikrotubuli. Paliwem dla biomotorow jest ATP (adenozynotrojfosforan). Podczas reakcji hydrolizy (ATP ADP) uwalnia się energia rzędu 20 kt (k stała Boltzmanna, T temperatura wewnątrz komorki). Kinezyna może być źrodłem siły o maksymalnej wartości 5 7 pn. Kojarząc to z odległością 8 nm otrzymamy wartość pracy 40 pn nm na jeden cykl ATP ADP. To odpowiada sprawności 50% (maksymalna energia z hydrolizy ATP wynosi 80 pn nm). Konwencjonalna kinezyna porusza się z prędkością 1800 nm/s, czyli może wykonać 225 krokow na sekundę.

15 Miozyna Cząsteczka miozyny składa się z kulistej główki, zawiasu i giętkiej nici. Kulista główka zawiera obszar, który może przyłączać i rozszczepiać ATP. W wyniku hydrolizy ATP, powstaje ADP i anion fosforanowy, a uzyskana energia jest przenoszona na cząsteczkę miozyny i powoduje obrót główki na zawiasie i przejście w stany wysokoenergetyczny.

16 Miozyna gruby filament Miozyna I 70nm Miozyna II MIOZYNA II jest zbudowana z pary identycznych cząsteczek utrzymywanych razem dzięki tworzeniu przez ich ogony struktury typu superhelisy Ogony cząsteczek miozyny II nie wiążą się z innymi strukturami komórkowymi, ale łączą się z innymi miozynami II tworząc filamenty miozynowe. Filament miozynowy ma budowę podobną do strzałki o dwóch grotach. Głowy miozyny znajdują się na jego krańcach skierowane w przeciwne strony.

17 Kroczenie Zależność rozpiętości kroku miozyny od długości jej ramienia. Ramię miozyny II jest znacznie krótsze niż ramie miozyny V. Siła generująca zmianę kształtu, w czasie której głowa traci związany z nią ADP wracając na początek cyklu, powoduje przesunięcie ramienia o ten sam kąt. Z tego powodu miozyna V jest zdolna do wykonania większego kroku niż miozyna II

18 Miozynowe wow! Fragment łańcucha polipeptydowego tworzący domenę motoryczną (kolor fioletowy),wykazuje niewielkie zróżnicowanie pomiędzy poszczególnymi klasami miozyn. Porównując natomiast fragmenty, z których tworzona jest dalsza część strukturalna białka, czyli ogon (kolor zielony), a także fragmenty N- końcowe niektórych białek, występujące przed domeną motoryczną (kolor jasnoniebieski) zauważyć można ich dość duże zróżnicowanie. Konsekwencją tego jest budowa miozyn charakteryzująca się występowaniem jednej lub dwóch globularnych "głów" oraz ogonów przyjmujących różne formy.

19 Aktyna Zbudowana z 375 reszt aminokwasowych stanowi 15% białek biorących udział w skurczu mięśni Występuje w formie m. in. globularnej jako aktyna G Aktyna G jest składa się z dwóch części, między którymi znajduje się szczelina wiążąca ATP (lub ADP) stanowi 25% masy białek mięśnia.

20 Aktyna- filament cienki to nitki o średnicy ok. 7 nm. najczęściej tworzą pęczki i sieci (bo są silniejsze niż pojedyncze filamenty) Każdy filament jest podwójną helisą utworzoną z identycznych cząsteczek globularnego białka aktyny Wszystkie cząsteczki celują w tym samym kierunku wzdłuż osi helisy. (wtedy ma strukturę biegunową: można wyróżnić koniec + i koniec - )

21 Struktura filamentów

22 Wzajemne położenie filamentów podczas skurczu (ślizgu) skurcz mięśnia

23 Jak to działa? mechanizm ślizgowy Miozyna zgięta (połączona z aktyną) Miozyna zgięta (oddzielona od aktyny) Miozyna odgięta (połączona z aktyną) Miozyna odgięta (oddzielona od aktyny)

24 Ale zanim dojdzie do skurczu Cienkie filamenty zawierają nie tylko aktynę, ale i troponinę i tropomiozynę Potencjał czynnościowy aktywuje kanały wapniowe w błonie komórkowej aksonu, umożliwiając wnikanie jonów wapnia Ca 2+ do wnętrza komórki. zwiększone stężenie wapnia powoduje uwolnienie acetycholiny do szczeliny płytki nerwowo-mięśniowej. Motoneuron unerwia miesień. Jego rozgałęzienia tworzą połączenia synaptyczne z pojedynczymi włóknami mięśniowymi. Złącze to płytka końcowa zbudowana z: zakończenia włókna nerwowego (uwalnianie acetylocholiny), szczeliny synaptycznej, obszaru postsynaptycznego zawierającego receptory acetylocholiny.

25 cd Acetylocholina dyfunduje przez szczelinę by doprowadzić do depolaryzacji błony komórkowej Pod wpływem potencjału czynnościowego retikulum endoplazmatyczne komórki mięśniowej uwalnia jony wapnia. Jony wapnia łączą się z troponiną połączoną z aktyną i tropomiozyną. Troponina zmienia konfigurację przestrzenną tropomiozyny, co doprowadza do odsłonięcia miejsc kontaktu znajdujących się na włóknie aktynowym, umożliwiając przyłączenie się miozyny.

26 Ciekawostka Miozyna wykonuje losowo skoki o długości od 5.5 do 27.5 nm. Długość każdego skoku jest wielokrotnością 5.5 nm, czyli okresu ułożenia cząsteczek we włóknie aktyny. Miozyna czasami wykonuje skok do tyłu, zamiast do przodu.

27 Mechanizm zapadkowy Znany jako silnik Browna, a działanie wyjaśnione przez Smoluchowskiego i Feynmana wersja demona Maxwella. Cząsteczki gazu uderzają w wiatraczek i wał obraca się Obrót w drugą stronę jest zablokowany przez zębatkę o asymetrycznych zębach i zapadkę dociskaną przez sprężynkę.

28 Mechanizm cd.

29 Co zębatka ma wspólnego z motorami biologicznymi? 1. Zębatka jest strukturą periodyczną. 2. Ta struktura periodyczna jest asymetryczna ponieważ zęby nie są symetryczne. 3. Na układ nie działa żadna siła powodująca systematyczny ruch w jedną stronę i średnia siła pochodząca od fluktuacji termicznych jest zerowa. 4. Aby pojawił się transport (tzn. obrót średnio w jedna stronę), temperatury w obu zbiornikach muszą być rożne. Czyli układ nie może być w stanie równowagi termodynamicznej. 1. Mikrotubula jest przestrzennie strukturą periodyczną. 2. Mikrotubula ma polarność, tzn. ma wyróżniony koniec plus i koniec minus. Wynika to z tego, że α-tubulina wiąże cząsteczkę ATP w sposób nieodwracalny. Tubulina β wiąże także cząsteczkę ATP, ale w sposób odwracalny: ATP hydrolizuje do ADP. Można wnioskować, że 2 rożne tubuliny zapewnia asymetryczność. 3. Wewnątrz komórki nie ma sił działających na motor. Motor pracuje w środowisku wodnym i fluktuacje termiczne nie powodują systematycznych ruchow. 4. Transport pojawia się, ponieważ istnieje źródło energii (z reakcji ATP) i układ nie jest w stanie równowagi termodynamicznej.

30 Co robi miozyna? Wykorzystuje ruch termiczny, zamiast mu się przeciwstawiać To skutkuje wysoką sprawnością mechanizmu skurczu zamiana energii chemicznej na kinetyczną ma wydajność ok. 50%!

31 Syntaza ATP To enzym, a zarazem pompa jonowa i molekularny silnik Katalizuje reakcję wytwarzania związku ADP z ATP W tej syntezie biorą udział dwa silniki, ale na inne paliwo F0 silnik elektryczny (białko), zatopiony w błonie komórkowej i zasilany jonami H + F1 silnik chemiczny (kilkanaście polipeptydów), Oba motory połączone są statecznikiem (Stator)

32 Jak działają te motory? Jeden silnik wymusza na drugim obrót powstaje generator F0 wykorzystuje płynące protony wzdłuż błony i wykonuje 150 obrotów na sekundę. F1 staje się generatorem, który łączy ADP z resztą fosforanową Mamy translację energii kinetycznej na chemiczną Efektywność tej konwersji blisko 100%!!!

33 Trochę więcej na temat tej syntezy Lavoisier (koniec XVIII w.) zasugerował, że w organizmach żywych zachodzą procesy utleniania (podobne do spalania). Spalanie daje ciepło, a utlenianie biologiczne daje energię chemiczną magazynowaną w ATP Proces utleniania: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H kJ/mol

34 O energiach raz jeszcze Najważniejszym źródłem energii w komórce są reakcje hydrolizy ATP. Podczas jednej reakcji jest uwalniana energia rzędu J. Dla porównania, energia fotonu o długości 500 nm (światło zielone) wynosi J. Tego rzędu energia jest dostarczana podczas fotosyntezy. Pamiętajmy także o energii fluktuacji termicznych, E =kt. Przy temperaturze T = 37 C, energia fluktuacji wynosi: E = 4, J.

35 Cytoszkielet i białka motoryczne Komórka musi mieć własny system transportu To cytoszkielet- czyli sieci włókienek białkowych odpowiedzialnych za utrzymanie struktury i prawidłowej funkcji komórek Elementy cytoszkieletu: filamenty pośrednie, filamenty aktynowe mikrotubule I współpracujące białka motoryczne (najważniejsze to kinezyny i dyneiny).

36 Dlaczego cytoszkielet jest taki ważny? Odpowiada za: regulację i zmianę kształtu komórki, rozmieszczenie organelli w jej wnętrzu, transport wewnątrzkomórkowy przemieszczanie się komórki. Filamenty pośrednie: odpowiedzialnay za przenoszenie naprężeń rozciągających Mikrotubule: odpowiedzialne za przenoszenie naprężeń ściskających, pełnią rolę masztów rozporowych, są drogą transferu organelli oraz Filamenty aktynowe: są odpowiedzialne za zmiany kształtu i ruch komórki prof. dr hab. inż. Jan Mazerski

37 Narzędzia i motory molekularne

38 Szczypce optyczne - narzędzie do badań Zasada działania: płytka dielektryka wciągana jest do wnętrza kondensatora. Zjawisko to można wykorzystać do pułapkowania mikrocząstek. Problemem jest jednak wytworzenie pola elektrycznego w ściśle określonym miejscu i do tego w roztworze wodnym. Rozwiązaniem okazało się użycie skoncentrowanego światła (na przykład promienia lasera przez obiektyw o dużej numerycznej aperturze.

39 Szczypce cd.. Sztywność pułapki optycznej rośnie wraz z mocą stosowanego lasera i może być płynnie sterowana. By złapać mikrometrową kulkę wystarczy od kilku do kilkunastu miliwatów mocy. Pułapką można sterować mechanicznie, przemieszczając lustro na drodze optycznej promienia laserowego. Możliwe jest stworzenie pułapki o zadanym kształcie.