Motor molecular

Os motores moleculares son máquinas moleculares biolóxicas que son os axentes esenciais do movemento nos organismos vivos. En termos xerais un motor é un aparello que consome unha determinada forma de enerxía e convértea en movemento ou traballo mecánico; por exemplo, moitos motores moleculares baseados en proteínas empregan a enerxía libre química liberada pola hidrólise de ATP para realizar traballo mecánico.^[1] En canto á eficiencia enerxética, este tipo de motores pode ser superior aos actuais motores construídos polo ser humano. Unha importante diferenza entre os motores moleculares e os motores macroscópicos é que os motores moleculares operan no chamado baño térmico, un ambiente no cal as flutuacións debido ao ruído térmico son significativas.

Exemplos

Algúns exemplos de motores moleculares bioloxicamente importantes son:^[2]

Motores citoesqueléticos
- Miosinas, que son responsables da contracción muscular, transporte intracelular, e produción de tensión celular.
- Cinesina, que move un cargamento no interior das células desde a zona do núcleo ao longo de microtúbulos.
- Dineína, que produce o batido do axonema dos cilios e flaxelos e tamén transporta cargamentos ao longo de microtúbulos cara ao núcleo celular.
Motores de polimerización
- Actina, cuxa polimerización xera forzas e poden ser usadas para a propulsión. Utiliza o ATP.
- Microtúbulos, en cuxa polimerización se usa GTP.
- Dinamina, que é responsable da separación de vesículas de clatrina evaxinadas da membrana plasmática. Utiliza GTP.
Motores rotatorios:
- ATP sintase F_oF₁, que é unha familia de proteínas que converte a enerxía química do ATP en enerxía potencial electroquímica dun gradiente de protóns a través da membrana ou ao contrario. A catálise da reacción química e o movemento de protóns están acoplados entre si por medio da rotación mecánica de partes do complexo. Isto está implicado na síntese de ATP nas mitocondrias e cloroplastos e tamén no bombeo de protóns a través da membrana vacuolar.^[3]
- O flaxelo bacteriano, responsable do movemento de moitas bacterias, que actúa como unha hélice ríxida que é alimentada por un motor rotatorio. Este motor é impulsado polo fluxo de protóns a través da membrana, posiblemente usando un mecanismo similar ao que se encontra no motor F_o da ATPsintetase.
Motores de ácido nucleico:
- ARN polimerase, que transcribe ARN a partir dun molde de ADN.^[4]
- ADN polimerase, que converte o ADN monocatenario en bicatenario.^[5]
- Helicases, que separan as febras dos ácidos nucleicos bicatenarios antes da transcrición ou replicación. Usan ATP.
- Topoisomerases, que reducen o superenrolamento do ADN na célula. Utilizan ATP.
- Complexos RSC e SWI/SNF, que remodelan a cromatina en células eucarióticas. Utilizan ATP.
- Proteínas SMC, responsables da condensación dos cromosomas nas células eucarióticas.^[6]
- Motores de empaquetamento do ADN viral, que inxectan o ADN xenómico viral dentro das cápsides dos virus como parte do seu ciclo de replicación, empaquetándoo moi densamente.^[7] Propuxéronse varios modelos para explicar como as proteínas xeran a forza que cómpre para introducir o ADN dentro da cápside; ver un resumo, por exemplo en [1]. Unha proposta alternativa é que, a diferenza doutros motores biolóxicos, a forza non a xere directamente a proteína, senón o propio ADN.^[8] Neste modelo, utilízase a hidrólise do ATP para impulsar cambios conformacionais na proteína que alternadamente deshidratan e rehidratan o ADN, facendo que ciclicamente este cambie entre as formas de ADN B e ADN A. O ADN A é un 23% máis curto que o ADN B, e o ciclo de encollemento/expansión do ADN está acoplado cun ciclo de agarre/liberaciónn entre a proteína e o ADN, que xera a forza cara a adiante que impulsa ao ADN a meterse na cápside.
Motores moleculares sintéticos, que son motores artificiais creados polos químicos, que realizan rotacións, posiblemente xerando un par de forzas.

Consideracións teóricas

Como os eventos dos motores son estocásticos, os motores moleculares son a miúdo modelizados coa ecuación de Fokker-Planck ou con métodos Monte Carlo. Estes modelos teóricos son especialmente útiles cando se trata o motor molecular como un motor browniano.

Observación experimental

En biofísica experimental, a actividade dos motores moleculares obsérvase con diversos enfoques experimentais, entre os cales están:

Métodos fluorescentes: transferencia de enerxía de resonancia de fluorescencia (FRET), espectroscopia de correlación de fluorescencia (FCS), fluorescencia de reflexión interna total (TIRF).
As pinzas magnéticas poden tamén ser útiles para a análise de motores que operan sobre grandes fragmentos de ADN.
A espectroscopia de eco de spin de neutróns pode utilizarse para observar o movemento a escalas de tempo de nanosegundos.
As pinzas ópticas (non confundilas coas pinzas moleculares) son moi axeitadas para o estudo dos motores moleculares.
Técnicas de dispersión: rastreo dunha soa partícula baseándose na microscopia de campo escuro ou microscopia de dispersión interferométrica (iSCAT)
A electrofisioloxía dunha soa molécula pode utilizarse para medir a dinámica de canles iónicas individuais.

Utilízanse moitas máis técnicas. A medida que se desenvolvan novas técnicas e métodos, espérase que o coñecemento dos motores moleculares que aparecen na natureza será útil para construír motores sintéticos artificiais a nanoescala.

Non biolóxicos

Artigo principal: Motor molecular sintético.

Recentemente, os químicos e os que traballan en nanotecnoloxía empezaron a explorar a posibilidade de crear motores moleculares de novo. Estes motores moleculares sintéticos actualmente teñen moitas limitacións que restrinxen o seu uso só á investigación de laboratorio. Porén, moitas destas limitacións poderán ser superadas a medida que aumenten os nosos coñecementos da química e a física a nanoescala. Sistemas como os nanocoches (nanocars), aínda que tecnicamente non son motores, son ilustrativos dos esforzos recentes cara á creación de motores sintéticos a nanoescala.

Notas

↑ Bustamante C, Chemla YR, Forde NR, Izhaky D (2004). "Mechanical processes in biochemistry". Annu. Rev. Biochem. 73: 705–48. PMID 15189157. doi:10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542.
↑ Nelson, P.; M. Radosavljevic; S. Bromberg (2004). Biological physics. Freeman.
↑ Tsunoda SP, Aggeler R, Yoshida M, Capaldi RA (January 2001). "Rotation of the c subunit oligomer in fully functional F1Fo ATP synthase". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98 (3): 898–902. Bibcode:2001PNAS...98..898T. PMC 14681. PMID 11158567. doi:10.1073/pnas.031564198.
↑ Dworkin J, Losick R (October 2002). "Does RNA polymerase help drive chromosome segregation in bacteria?". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99 (22): 14089–94. Bibcode:2002PNAS...9914089D. PMC 137841. PMID 12384568. doi:10.1073/pnas.182539899.
↑ I. Hubscher, U.; Maga, G.; Spadari, S. (2002). "Eukaryotic DNA polymerases". Annual Review of Biochemistry 71: 133–63. PMID 12045093. doi:10.1146/annurev.biochem.71.090501.150041.
↑ Peterson C (1994). "The SMC family: novel motor proteins for chromosome condensation?". Cell 79 (3): 389–92. PMID 7954805. doi:10.1016/0092-8674(94)90247-X.
↑ Smith DE, Tans SJ, Smith SB, Grimes S, Anderson DL, Bustamante C (October 2001). "The bacteriophage straight phi29 portal motor can package DNA against a large internal force". Nature 413 (6857): 748–52. Bibcode:2001Natur.413..748S. PMID 11607035. doi:10.1038/35099581.
↑ Harvey, SC (2015). "The scrunchworm hypothesis: Transitions between A-DNA and B-DNA provide the driving force for genome packaging in double-stranded DNA bacteriophages". Journal of Structural Biology 189: 1–8. PMID 25486612. doi:10.1016/j.jsb.2014.11.012.

Véxase tamén

Bibliografía

Jonathan Howard (2001), Mechanics of motor proteins and the cytoskeleton. ISBN 978-0-87893-333-4

Outros artigos

Ligazóns externas

MBInfo - Molecular Motor Activity
MBInfo - Cytoskeleton-dependent MBInfo - Intracellular Transport Arquivado 25 de marzo de 2016 en Wayback Machine.
Cymobase - Unha base de datos para información da secuencia das proteínas motoras e citoesqueléticas

[review-1] Bustamante C, Chemla YR, Forde NR, Izhaky D (2004). "Mechanical processes in biochemistry". Annu. Rev. Biochem. 73: 705–48. PMID 15189157. doi:10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542.

[2] Nelson, P.; M. Radosavljevic; S. Bromberg (2004). Biological physics. Freeman.

[ATPase-3] Tsunoda SP, Aggeler R, Yoshida M, Capaldi RA (January 2001). "Rotation of the c subunit oligomer in fully functional F1Fo ATP synthase". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98 (3): 898–902. Bibcode:2001PNAS...98..898T. PMC 14681. PMID 11158567. doi:10.1073/pnas.031564198.

[RNApol-4] Dworkin J, Losick R (October 2002). "Does RNA polymerase help drive chromosome segregation in bacteria?". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99 (22): 14089–94. Bibcode:2002PNAS...9914089D. PMC 137841. PMID 12384568. doi:10.1073/pnas.182539899.

[DNApol-5] I. Hubscher, U.; Maga, G.; Spadari, S. (2002). "Eukaryotic DNA polymerases". Annual Review of Biochemistry 71: 133–63. PMID 12045093. doi:10.1146/annurev.biochem.71.090501.150041.

[6] Peterson C (1994). "The SMC family: novel motor proteins for chromosome condensation?". Cell 79 (3): 389–92. PMID 7954805. doi:10.1016/0092-8674(94)90247-X.

[7] Smith DE, Tans SJ, Smith SB, Grimes S, Anderson DL, Bustamante C (October 2001). "The bacteriophage straight phi29 portal motor can package DNA against a large internal force". Nature 413 (6857): 748–52. Bibcode:2001Natur.413..748S. PMID 11607035. doi:10.1038/35099581.

[8] Harvey, SC (2015). "The scrunchworm hypothesis: Transitions between A-DNA and B-DNA provide the driving force for genome packaging in double-stranded DNA bacteriophages". Journal of Structural Biology 189: 1–8. PMID 25486612. doi:10.1016/j.jsb.2014.11.012.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]