Macchine e motori molecolari - 15, Slide di Fenomeni Fisico Chimici Nei Sistemi Biologici

Scarica Macchine e motori molecolari - 15 e più Slide in PDF di Fenomeni Fisico Chimici Nei Sistemi Biologici solo su Docsity! Macchine e Motori Molecolari Macchine Molecolari Qualcosa che ha parti Ì in movimento che fanno Î un lavoro utile una macchina — I una macchina * molecolare Qualcosa che ha una precisa si a —_ organizzazione di atomi nella a scala dinm una molecola / \ \ Proteine motore (chinesine) che camminano su un Microtubulo: possiedono due “teste” che Possono legarsi al microtubulo e poi Staccarsi. Sono lunghe circa 10 nm Pattern autoassemblati di chinesine e microtubuli 200x200 micron2 Flagello • Carburanti – Gradienti elettrochimici transmembrana (ATP-sintasi; flagelli di batteri) – Legami chimici: legame gamma-fosfato nell’ATP (Miosina, chinesine, enzimi che processano il DNA, pompe ioniche) • Questi motori possono funzionare indefinitamente se il loro ambiente è mantenuto costante Materiali biologici di base: le proteine motore Quando le esigenze di microtrasporto non possono essere soddisfatte con i tradizionali meccanismi di trasporto (convettivo, diffusivo, carrier di vario tipo), entrano in gioco i motori biomolecolari che realizzano il microtrasporto attivo mediante un appropriato uso di apposite forze intermolecolari Sarcomero Miofibrilla Fascio muscolare 10-2 m Fibra muscolare Fascio di fibre muscolari La proteina motore del muscolo: la miosina Filamenti 10-8 m Il Muscolo sarcomero | disco Z | banda A banda | banda | filamenti sottili filamenti sottili | filamenti spessi Courtesy 0! Hugh Huday, ""T ly Il Muscolo Filamenti sottili: actina, Tropomiosina, complesso della Troponina Filamenti spessi:miosina La tropomiosina è una proteina di forma allungata che si avvolge lungo la F-actina. La sua posizione varia in funzione della azione della troponina La troponina è una proteina associata ad ogni molecola di tropomiosina. È costituta da tre sottodomini, che le consentono di svolgere un’azione di regolazione della contrazione muscolare. La sua posizione è influenzata dalla concentrazione mioplasmatica del Calcio. tropomiosina troponina [Milligan, 1995] Troponina e tropomiosna È una struttura proteica costituita dalla associazione di più molecole di miosina Singola molecola di miosina Il filamento di miosina Ciascuna molecola di miosina presenta due processi globulari detti teste Teste globulari della molecola di miosina La molecola di miosina La molecola di miosina: la testa (S 1) Catena leggera fondamentale Catena leggera regolatrice 18), o % si Sito di legame Sito di legame } A e del nucleotide Catena leggera Catena leggera Calmodulina fondamentale Organizzazione spaziale delle teste fo heads Triangular architecture of the elemental subunit ù NU? x 797 4, Aotin filament Myosin filament Actomyosin hexagonal architecture Organizzazione spaziale delle teste Myosin filament Posizione del “ 2 braccio della leva “quando è legato ADP J Posizione del braccio della leva quando è legato ADP-V0,5- Interruttore Il wi Tx SA \ N° VO, "Sd Interruttore | Materiali biologici di base: le proteine motore la proteina motore realizza la sua funzionalità in combinazione con molecole che ad essa si associano per generare il movimento, la differenza tra i due tipi di molecole è che solo la proteina motore è dotata di una testa capace di deformarsi rispetto al filamento base della proteina • Il filamento sottile di actina (F-actina) è costituito dalla ripetizione del monomero di G-actina • i monomeri hanno una distanza di circa 6 nm, una rotazione relativa di 30°. Schema semplificato Il substrato molecolare della miosina: La molecola di actina ACTINA MIOSINA 2 ATP L’ATP si lega alla testa di miosina. Meccanismo della contrazione. 2 ACTINA MIOSINA 3 ATP Ø La testa si stacca. Ø L’ATP si idrolizza. Ø La testa si carica Meccanismo della contrazione. 3 ACTINA MIOSINA 4 ADP Pi La testa di miosina si lega all’actina. Si stacca lo ione Pi. Meccanismo della contrazione. 4 Meccanismo della contrazione Per una contrazione 500 teste di miosina per ogni filamento di actina 5 volte ogni secondo Lo stimolo alla contrazione è regolato da un aumento di conc. di Ca?* mediato dalla troponina C, una proteina dei filamenti sottili. In presenza di cone. di ioni Ca? 105 M si ha un cambiamento conformazionale della proteina che espone il sito dell’actina capace di legare la miosina. Ogni ciclo produce da 3 a 4 pN (picoNewton) di forza e sposta il filamento spesso di 5-10 nm rispetto al filamento sottile. La tropomiosina è una proteina di forma allungata che si avvolge lungo la F-actina. La sua posizione varia in funzione della azione della troponina La troponina è una proteina associata ad ogni molecola di tropomiosina. È costituta da tre sottodomini, che le consentono di svolgere un’azione di regolazione della contrazione muscolare. La sua posizione è influenzata dalla concentrazione mioplasmatica del Calcio. tropomiosina troponina [Milligan, 1995] Troponina e tropomiosna A proposito di muscoli no dei successi inattesi della teoria dei nottolini browniani è U una nuova spiegazione della contrazione muscolare. Si sa da molto tempo che la flessione di un muscolo provoca lo sciva- lamento reciproco di due proteine filamentose, l’actina e la mio- sina. Queste molecole convertono l'energia chimica - sotto for- ma di-adenosintrifosfato (ATP) - in energia cinetica con un'effi- cienza del 50 per cento circa. Il processo funziona anche se l’e- nergia chimica è appena superiore al rumore rappresentato dal calore ambiente. Al contrario, i dispositivi artificiali come i moto- ri elettrici e meccanici funzionano a energie molto più alte del rumore termico. Com'è possibile che i motori molecolari siano così efficienti? Una teoria accettata per molto tempo sostiene che i muscoli si contraggono quando una molecola di miosina taglia una mo- lecola di ATP, ne ricava energia e modifica la propria forma. Du- rante questo processo, trascina con sé un filamento di actina in un unico stadio. Questo modello è ancora popolare perché pre- suppone che la contrazione muscolare sia, proprio come il fun- zionamento dei motori ordinari, un processo deterministico e fa- cile da comprendere. Il problema, tuttavia, sta nel fatto che un motore comune dovrebbe diventare meno efficiente, e non più efficiente, via via che viene rimpicciolito. Per risolvere questa contraddizione, abbiamo sviluppato nuove tecnologie per manipolare le molecole e per identificare minuscoli movimenti e forze: la marcatura fluorescente, un'illu- minazione speciale a corto raggio chiamata campo evanescen- te, l’intrappolamento laser e le sonde a scansione. | nostri sforzi hanno finalmente dato i frutti quattro anni fa. Abbiamo scoperto che in realtà la miosina e l’actina non si TESTA DIN UMORI LIA FILAMENTO DI ACTINA Philip. Howe comportano in maniera deterministica. La miosina fa balzi sto- castici lunghi da 5,5 a 27,5 nanometri; ciascuno è un multiplo di 5,5 nanometri, pari alla separazione delle molecole di actina in un filamento. Un balzo - non importa quanto lungo - corrisponde al consumo di una singola molecola di ATP. Talvolta la miosina salta addirittura indietro, anziché in avanti. Queste scoperte so- no difficili da spiegare con'il modello tradizionale, ma sono.coe- renti con un nottolino browniano. Sebbene molte domande non abbiano ancora trovato una risposta - per esempio non è chiaro in che modo l’ATP trasformi ilmoto casuale browniano in un mo- vimento in avanti - ilquadro generale chiarisce come le contra- zioni muscolari possano essere così efficienti: sfruttano il rumo- re, anziché cercare di sopraffarlo.. TOSHIO YANAGIDA uno dei maggiori biofisici sperimentali, è professore alla Graduate School of Medicine dell’Università di Osaka . Motori rotanti a flusso protonico 1. Flagelli Batterici 25 micron/sec = 10l/sec 15nmx15micron Il motore (40 proteine diverse) Motori rotanti a flusso protonico 1. Flagelli Batterici (A) Mezzo canale esterno Mezzo canale interno Ingresso di protoni Liberazione di protoni nel mezzo canale esterno attraverso il mezzo canale interno Motori rotanti a flusso protonico 1. Flagelli Batterici (A} Mezzo canale esterno Mezzo canale interno Ingresso di protoni Liberazione di protoni nel mezzo canale esterno attraverso il mezzo canale interno