Motor molecular

máquinas moleculares biológicas

Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza la dinámica de las proteínas.

Este artículo trata sobre motores moleculares biológicos. Para motores moleculares artificiales, consulte Motor molecular sintético .

Los motores moleculares son máquinas moleculares naturales (biológicas) o artificiales que son los agentes esenciales del movimiento en los organismos vivos. En términos generales, un motor es un dispositivo que consume energía en una forma y la convierte en movimiento o trabajo mecánico ; por ejemplo, muchos motores moleculares basados ​​en proteínas aprovechan la energía química libre liberada por la hidrólisis del ATP para realizar un trabajo mecánico. ^[1]En términos de eficiencia energética, este tipo de motor puede ser superior a los motores artificiales disponibles actualmente. Una diferencia importante entre los motores moleculares y los motores macroscópicos es que los motores moleculares operan en el baño térmico , un entorno en el que las fluctuaciones debidas al ruido térmico son significativas.

Ejemplos

La kinesina utiliza la dinámica del dominio de las proteínas en nanoescalas para caminar a lo largo de un microtúbulo .

Algunos ejemplos de motores moleculares biológicamente importantes: ^[2]

• Motores citoesqueléticos
  • Las miosinas son responsables de la contracción muscular, el transporte de carga intracelular y la producción de tensión celular.
  • La kinesina mueve la carga dentro de las células lejos del núcleo a lo largo de los microtúbulos , en transporte anterógrado .
  • La dineína produce el latido axonemal de los cilios y flagelos y también transporta carga a lo largo de los microtúbulos hacia el núcleo celular, en transporte retrógrado .
• Motores de polimerización
  • La polimerización de actina genera fuerzas y puede usarse para propulsión. Se utiliza ATP .
  • Polimerización de microtúbulos usando GTP .
  • Dynamin es responsable de la separación de las yemas de clatrina de la membrana plasmática. Se utiliza GTP .
• Motores rotativos:
  • F o F 1 sintasa -ATP familia de proteínas convertir la energía química en ATP a la energía potencial electroquímico de un gradiente de protones a través de una membrana o al revés. La catálisis de la reacción química y el movimiento de los protones se acoplan entre sí mediante la rotación mecánica de partes del complejo. Esto está involucrado en la síntesis de ATP en las mitocondrias y cloroplastos , así como en el bombeo de protones a través de la membrana vacuolar . ^[3]
  • El flagelo bacteriano responsable de la natación y volteo de E. coli y otras bacterias actúa como una hélice rígida accionada por un motor rotatorio. Este motor es impulsado por el flujo de protones a través de una membrana, posiblemente utilizando un mecanismo similar al que se encuentra en el motor F _o en la ATP sintasa.

Simulación de dinámica molecular de un motor molecular sintético compuesto por tres moléculas en un nanoporo (diámetro exterior de 6,7 nm) a 250 K. ^[4]

• Motores de ácido nucleico:
  • La ARN polimerasa transcribe ARN a partir de una plantilla de ADN . ^[5]
  • La ADN polimerasa convierte el ADN monocatenario en ADN bicatenario. ^[6]
  • Las helicasas separan las cadenas dobles de ácidos nucleicos antes de la transcripción o replicación. Se utiliza ATP .
  • Las topoisomerasas reducen el superenrollamiento del ADN en la célula. Se utiliza ATP .
  • Los complejos RSC y SWI / SNF remodelan la cromatina en células eucariotas. Se utiliza ATP .
  • Proteínas SMC responsables de la condensación cromosómica en células eucariotas. ^[7]
  • Los motores de empaquetado de ADN viral inyectan ADN genómico viral en las cápsides como parte de su ciclo de replicación, empaquetándolo de manera muy ajustada. ^[8] Se han propuesto varios modelos para explicar cómo la proteína genera la fuerza necesaria para impulsar el ADN hacia la cápside; para una revisión, consulte [1] . Una propuesta alternativa es que, a diferencia de todos los demás motores biológicos, la fuerza no la genere directamente la proteína, sino el propio ADN. ^[9] En este modelo, la hidrólisis de ATP se utiliza para impulsar cambios conformacionales de proteínas que, alternativamente, deshidratan y rehidratan el ADN, conduciéndolo cíclicamente de B-ADN a A-ADN.y de regreso. El A-DNA es un 23% más corto que el B-DNA, y el ciclo de contracción / expansión del ADN se acopla a un ciclo de agarre / liberación de proteína-ADN para generar el movimiento hacia adelante que impulsa el ADN hacia la cápside.

• Motores enzimáticos: Se ha demostrado que las enzimas siguientes se difunden más rápidamente en presencia de sus sustratos catalíticos, lo que se conoce como difusión mejorada. También se ha demostrado que se mueven direccionalmente en un gradiente de sus sustratos, conocido como quimiotaxis. Sus mecanismos de difusión y quimiotaxis aún se debaten. Los posibles mecanismos incluyen efectos térmicos locales y globales, foresis o cambios conformacionales. ^{[10] [11] [12]}
  • Catalasa
  • Ureasa
  • Aldolasa
  • Hexoquinasa
  • Isomerasa de fosfoglucosa
  • Fosfofructoquinasa
  • Glucosa oxidasa
• Los químicos han creado motores moleculares sintéticos que producen rotación, posiblemente generando torque. ^{[ cita requerida ]}

Transporte de orgánulos y vesículas

Hay dos familias principales de motores moleculares que transportan orgánulos por toda la célula. Estas familias incluyen la familia dineína y la familia kinesina. Ambos tienen estructuras muy diferentes entre sí y diferentes formas de lograr un objetivo similar de mover orgánulos alrededor de la célula. Estas distancias, aunque solo unos pocos micrómetros, están preplanificadas con microtúbulos. ^[13]

• Kinesina : estos motores moleculares siempre se mueven hacia el extremo positivo de la célula.
  • Utiliza la hidrólisis de ATP durante el proceso de conversión de ATP en ADP.
    • Este proceso consiste en. . .
      • El "pie" del motor se une usando ATP, el "pie" avanza un paso y luego se quita el ADP. Esto se repite hasta que se alcanza el destino.
  • La familia de las kinesinas consta de una multitud de tipos de motores diferentes.
    • Kinesin-1 (convencional)
    • Kinesina-2 (heterotrimérica)
    • Kinesina-5 (bipolar)
    • Kinesina-13
• Dyneína : estos motores moleculares siempre se mueven hacia el extremo negativo de la célula.
  • Utiliza la hidrólisis de ATP durante el proceso de conversión de ATP en ADP.
  • A diferencia de la kinesina, la dineína está estructurada de una manera diferente, lo que requiere que tenga diferentes métodos de movimiento.
    • Uno de estos métodos incluye la carrera de potencia, que permite que la proteína motora se "arrastre" a lo largo del microtúbulo hasta su ubicación.
  • La estructura de Dynein consiste en
    • Un tallo que contiene
      • Una región que se une a la dinactina.
      • Cadenas intermedias / ligeras que se unirán a la región de unión de dinactina
    • Adelante
    • Un tallo
      • Con un dominio que se unirá al microtúbulo.
        Estos motores moleculares tienden a tomar el camino de los microtúbulos . Lo más probable es que esto se deba al hecho de que los microtúbulos brotan del centrosoma y rodean todo el volumen de la célula. Este intérprete crea un "sistema de rieles" de toda la célula y caminos que conducen a sus orgánulos.

Consideraciones teóricas

Debido a que los eventos motores son estocásticos , los motores moleculares a menudo se modelan con la ecuación de Fokker-Planck o con métodos de Monte Carlo . Estos modelos teóricos son especialmente útiles cuando se trata el motor molecular como un motor browniano .

Observación experimental

En biofísica experimental , la actividad de los motores moleculares se observa con muchos enfoques experimentales diferentes, entre ellos:

• Métodos fluorescentes: transferencia de energía por resonancia de fluorescencia ( FRET ), espectroscopia de correlación de fluorescencia ( FCS ), fluorescencia de reflexión interna total ( TIRF ).
• Las pinzas magnéticas también pueden ser útiles para el análisis de motores que operan en trozos largos de ADN.
• La espectroscopia de eco de espín de neutrones se puede utilizar para observar el movimiento en escalas de tiempo de nanosegundos.
• Las pinzas ópticas (que no deben confundirse con las pinzas moleculares en contexto) son adecuadas para estudiar motores moleculares debido a sus bajas constantes de resorte.
• Técnicas de dispersión: seguimiento de una sola partícula basado en microscopía de campo oscuro o microscopía de dispersión interferométrica (iSCAT)
• La electrofisiología de una sola molécula se puede utilizar para medir la dinámica de los canales iónicos individuales.

También se utilizan muchas más técnicas. A medida que se desarrollen nuevas tecnologías y métodos, se espera que el conocimiento de los motores moleculares naturales sea útil para construir motores sintéticos a nanoescala.

No biológico

Artículo principal: motor molecular sintético

Recientemente, los químicos y los involucrados en la nanotecnología han comenzado a explorar la posibilidad de crear motores moleculares de novo. Estos motores moleculares sintéticos sufren en la actualidad muchas limitaciones que limitan su uso al laboratorio de investigación. Sin embargo, muchas de estas limitaciones pueden superarse a medida que aumenta nuestra comprensión de la química y la física a nanoescala. Se dio un paso hacia la comprensión de la dinámica a nanoescala con el estudio de la difusión del catalizador en el sistema catalizador de Grubb. ^[14] Otros sistemas como los nanocoches , aunque técnicamente no son motores, también son ilustrativos de los esfuerzos recientes hacia los motores sintéticos a nanoescala.

Otras moléculas que no reaccionan también pueden comportarse como motores. Esto se ha demostrado mediante el uso de moléculas de colorante que se mueven direccionalmente en gradientes de solución de polímero a través de interacciones hidrófobas favorables. ^[15] Otro estudio reciente ha demostrado que las moléculas de colorante, las partículas coloidales duras y blandas pueden moverse a través del gradiente de la solución de polímero a través de efectos de volumen excluidos. ^[dieciséis]

Ver también

• Motor browniano
• Trinquete browniano
• Citoesqueleto
• Máquinas moleculares
• Mecánica molecular
• Hélice molecular
• Proteínas motoras
• Nanomotor
• Dinámica proteica
• Motores moleculares sintéticos

Referencias

1. Bustamante C, Chemla YR, Forde NR, Izhaky D (2004). "Procesos mecánicos en bioquímica" . Revisión anual de bioquímica . 73 : 705–48. doi : 10.1146 / annurev.biochem.72.121801.161542 . PMID  15189157 . S2CID  28061339 .
2. Nelson P, Radosavljevic M, Bromberg S (2004). Física biológica . Hombre libre.
3. Tsunoda SP, Aggeler R, Yoshida M, Capaldi RA (enero de 2001). "Rotación del oligómero de la subunidad c en F1Fo ATP sintasa completamente funcional" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 98 (3): 898–902. Código Bibliográfico : 2001PNAS ... 98..898T . doi : 10.1073 / pnas.031564198 . PMC 14681 . PMID 11158567 .  
4. Palma CA, Björk J, Rao F, Kühne D, Klappenberger F, Barth JV (agosto de 2014). "Dinámica topológica en rotores supramoleculares". Nano Letras . 14 (8): 4461–8. Código bibliográfico : 2014NanoL..14.4461P . doi : 10.1021 / nl5014162 . PMID 25078022 . 
5. Dworkin J, Losick R (octubre de 2002). "¿La ARN polimerasa ayuda a impulsar la segregación cromosómica en bacterias?" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 99 (22): 14089–94. Código Bibliográfico : 2002PNAS ... 9914089D . doi : 10.1073 / pnas.182539899 . PMC 137841 . PMID 12384568 .  
6. Hubscher U, Maga G, Spadari S (2002). "ADN polimerasas eucariotas" . Revisión anual de bioquímica . 71 : 133–63. doi : 10.1146 / annurev.biochem.71.090501.150041 . PMID 12045093 . S2CID 26171993 .  
7. Peterson CL (noviembre de 1994). "La familia SMC: ¿proteínas motoras novedosas para la condensación cromosómica?". Celular . 79 (3): 389–92. doi : 10.1016 / 0092-8674 (94) 90247-X . PMID 7954805 . S2CID 28364947 .  
8. Smith DE, Tans SJ, Smith SB, Grimes S, Anderson DL, Bustamante C (octubre de 2001). "El motor portal del bacteriófago phi29 recto puede empaquetar el ADN contra una gran fuerza interna". Naturaleza . 413 (6857): 748–52. Código Bibliográfico : 2001Natur.413..748S . doi : 10.1038 / 35099581 . PMID 11607035 . S2CID 4424168 .  
9. Harvey SC (enero de 2015). "La hipótesis del gusano scrunch: las transiciones entre A-DNA y B-DNA proporcionan la fuerza impulsora para el empaquetado del genoma en bacteriófagos de ADN de doble hebra" . Revista de Biología Estructural . 189 (1): 1–8. doi : 10.1016 / j.jsb.2014.11.012 . PMC 4357361 . PMID 25486612 .  
10. Zhao X, Gentile K, Mohajerani F, Sen A (octubre de 2018). "Impulsando el movimiento con enzimas" . Cuentas de Investigación Química . 51 (10): 2373–2381. doi : 10.1021 / acs.accounts.8b00286 . PMID 30256612 . 
11. Ghosh S, Somasundar A, Sen A (10 de marzo de 2021). "Enzimas como materia activa". Revisión anual de la física de la materia condensada . 12 (1): 177–200. doi : 10.1146 / annurev-conmatphys-061020-053036 .
12. Zhang Y, Hess H (junio de 2019). "Difusión mejorada de enzimas catalíticamente activas" . Ciencia Central ACS . 5 (6): 939–948. doi : 10.1021 / acscentsci.9b00228 . PMC 6598160 . PMID 31263753 .  
13. Lodish H, Berk A, Kaiser CA, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, Amon A, Martin KC (2014). Biología celular molecular (8ª ed.). Nueva York, NY: whfreeman, Macmillan Learning. ISBN 978-1-4641-8339-3.
14. Dey KK, Pong FY, Breffke J, Pavlick R, Hatzakis E, Pacheco C, Sen A (enero de 2016). "Acoplamiento dinámico en la escala de Ångström" . Angewandte Chemie . 55 (3): 1113–7. doi : 10.1002 / ange.201509237 . PMID 26636667 . 
15. Guha R, Mohajerani F, Collins M, Ghosh S, Sen A, Velegol D (noviembre de 2017). "Quimiotaxis de colorantes moleculares en gradientes de polímeros en solución". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 139 (44): 15588-15591. doi : 10.1021 / jacs.7b08783 . PMID 29064685 . 
16. Collins M, Mohajerani F, Ghosh S, Guha R, Lee TH, Butler PJ, et al. (Agosto de 2019). "El hacinamiento no uniforme mejora el transporte". ACS Nano . 13 (8): 8946–8956. doi : 10.1021 / acsnano.9b02811 . PMID 31291087 . 

Enlaces externos

• MBInfo - Actividad motora molecular
• MBInfo - MBInfo dependiente del citoesqueleto - Transporte intracelular
• Cymobase : una base de datos para información sobre secuencias de proteínas motoras y citoesqueléticas
• Jonathan Howard (2001), Mecánica de las proteínas motoras y el citoesqueleto. ISBN 9780878933334