Рибосомой является
биологической машиной, которая использует
динамики белков Эта статья о биологических молекулярных моторах. Для искусственных молекулярных двигателей см.
Синтетический молекулярный двигатель.
Молекулярные двигатели - это естественные (биологические) или искусственные молекулярные машины, которые являются основными движущими силами живых организмов. В общем, двигатель - это устройство, которое потребляет энергию в одной форме и преобразует ее в движение или механическую работу ; например, многие из белков основанных молекулярные моторов использовать химическую свободную энергию выпущенную гидролизом из АТФ для выполнения механической работы. С точки зрения энергетической эффективности этот тип двигателя может превосходить существующие в настоящее время искусственные двигатели. Одно из важных различий между молекулярными двигателями и макроскопическими двигателями заключается в том, что молекулярные двигатели работают в термальной ванне, среде, в которой колебания из-за теплового шума значительны.
СОДЕРЖАНИЕ
- 1 Примеры
- 2 Транспорт органелл и везикул
- 3 Теоретические соображения
- 4 Экспериментальное наблюдение
- 5 Небиологический
- 6 См. Также
- 7 ссылки
- 8 Внешние ссылки
Примеры
Кинезин использует
динамику белкового домена на
наноуровне, чтобы пройти по
микротрубочке.
Некоторые примеры биологически важных молекулярных моторов:
- Цитоскелетные моторы
- Двигатели полимеризации
- Роторные двигатели:
- Р о F 1 -АТФ - синтазы семейство белков преобразуют химическую энергию в АТФ к электрохимическим потенциальной энергии протонного градиента через мембрану или наоборот. Катализ химической реакции и движение протонов связаны друг с другом посредством механического вращения частей комплекса. Он участвует в синтезе АТФ в митохондриях и хлоропластах, а также в перекачке протонов через вакуолярную мембрану.
- Жгутик бактерий, ответственный за плавание и опрокидывание кишечной палочки и других бактерий, действует как жесткий пропеллер, приводимый в движение роторным двигателем. Этот двигатель приводится в движение потоком протонов через мембрану, возможно, с использованием механизма, аналогичного тому, который обнаружен в двигателе F o в АТФ-синтазе.
Молекулярно-динамическое моделирование
синтетического молекулярного двигателя, состоящего из трех молекул в нанопоре (внешний диаметр 6,7 нм) при 250 К.
- Моторы с нуклеиновой кислотой:
- РНК-полимераза транскрибирует РНК из ДНК- матрицы.
- ДНК-полимераза превращает одноцепочечную ДНК в двухцепочечную ДНК.
- Геликазы разделяют двойные цепи нуклеиновых кислот перед транскрипцией или репликацией. Используется АТФ.
- Топоизомеразы уменьшают сверхспирализацию ДНК в клетке. Используется АТФ.
- Комплексы RSC и SWI / SNF ремоделируют хроматин в эукариотических клетках. Используется АТФ.
- Белки SMC, ответственные за конденсацию хромосом в эукариотических клетках.
- Моторы упаковки вирусной ДНК вводят вирусную геномную ДНК в капсиды как часть своего цикла репликации, очень плотно упаковывая ее. Было предложено несколько моделей, чтобы объяснить, как белок генерирует силу, необходимую для вталкивания ДНК в капсид; обзор см. в [1]. Альтернативное предложение состоит в том, что, в отличие от всех других биологических моторов, сила создается не непосредственно белком, а самой ДНК. В этой модели гидролиз АТФ используется для управления конформационными изменениями белка, которые альтернативно дегидратируют и регидратируют ДНК, циклически перемещая ее от B-ДНК к A-ДНК и обратно. A-ДНК на 23% короче, чем B-ДНК, и цикл сжатия / расширения ДНК связан с циклом захвата / высвобождения белок-ДНК для создания поступательного движения, которое продвигает ДНК в капсид.
- Ферментные двигатели: 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. Их механизмы диффузии и хемотаксиса все еще обсуждаются. Возможные механизмы включают локальные и глобальные тепловые эффекты, форез или конформационные изменения.
- Каталаза
- Уреаза
- Альдолаза
- Гексокиназа
- Фосфоглюкозоизомераза
- Фосфофруктокиназа
- Глюкозооксидаза
- Химиками были созданы синтетические молекулярные моторы, которые вызывают вращение, возможно, генерирующее крутящий момент.
Транспорт органелл и везикул
Есть два основных семейства молекулярных моторов, которые транспортируют органеллы по клетке. Эти семейства включают семейство динеинов и семейство кинезинов. Оба имеют очень разные структуры друг от друга и разные способы достижения схожей цели перемещения органелл по клетке. Эти расстояния, хотя и всего несколько микрометров, заранее планируются с использованием микротрубочек.
- 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, «стопа» делает шаг, а затем АДФ отрывается. Это повторяется до тех пор, пока пункт назначения не будет достигнут.
- Семейство кинезинов состоит из множества различных типов двигателей.
- Динеин - эти молекулярные моторы всегда движутся к отрицательному концу клетки.
- Использует гидролиз АТФ в процессе преобразования АТФ в АДФ
- В отличие от кинезина, динеин структурирован по-другому, что требует от него различных методов движения.
- Один из этих методов включает в себя силовой удар, который позволяет моторному белку «ползать» по микротрубочке к своему местоположению.
- В состав Динеина входят:
- Стебель, содержащий
- Область, которая связывается с динактином
- Промежуточные / легкие цепи, которые будут прикрепляться к области связывания динактина
- Предстоящий
- Стебель
- С доменом, который будет связываться с микротрубочками. Эти молекулярные моторы стремятся следовать по пути микротрубочек. Скорее всего, это связано с тем, что микротрубочки выходят из центросомы и окружают весь объем клетки. Этот интервал создает «рельсовую систему» всей клетки и путей, ведущих к ее органеллам.
Теоретические соображения
Поскольку моторные события являются стохастическими, молекулярные моторы часто моделируются уравнением Фоккера – Планка или методами Монте-Карло. Эти теоретические модели особенно полезны при рассмотрении молекулярного мотора как броуновского мотора.
Экспериментальное наблюдение
В экспериментальной биофизике активность молекулярных моторов наблюдается с помощью множества различных экспериментальных подходов, среди которых:
Также используются многие другие техники. Ожидается, что по мере развития новых технологий и методов знания о встречающихся в природе молекулярных двигателях будут полезны при создании синтетических наноразмерных двигателей.
Небиологический
Основная статья:
Синтетический молекулярный мотор В последнее время химики и те, кто занимается нанотехнологиями, начали исследовать возможность создания молекулярных двигателей de novo. Эти синтетические молекулярные моторы в настоящее время имеют множество ограничений, которые ограничивают их использование в исследовательских лабораториях. Однако многие из этих ограничений могут быть преодолены по мере расширения нашего понимания химии и физики в наномасштабе. Один шаг к пониманию динамики в наномасштабе был сделан с изучением диффузии катализатора в каталитической системе Грабба. Другие системы, такие как наномашины, хотя технически и не являются двигателями, также служат иллюстрацией недавних усилий по созданию синтетических наноразмерных двигателей.
Другие не реагирующие 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. Другое недавнее исследование показало, что молекулы красителя, твердые и мягкие коллоидные частицы способны перемещаться через градиент раствора полимера за счет эффектов исключенного объема.
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки