Kinesin: Nanoskala molekylære motorer, hver bygget for et formål
Av Jared Cochran, 7. oktober 2024. Oversatt herfra

Bilde 1. Prinsippskisse av kinesin -vandrende på mikrotubul

Redaktørens merknad: Vi er glade for å ønske biolog Dr. Jared Cochran velkommen som en ny bidragsyter.

Motorer av noe slag er et vitnesbyrd om intelligent design. Mens jeg tenkte på motorer, gikk jeg ned og spurte min åtte år gamle sønn: "Hva er forskjellen mellom en skrutrekker og en drill?" Han svarte raskt: "En skrutrekker er noe du dreier med hånden din. En drill er noe du trykker på en bryter og en motor dreier den." Er ikke det fascinerende? Selv i ung alder er han i stand til å gjenkjenne likheter og forskjeller i struktur og funksjon. Han visste med en gang at begge verktøyene trengte å bevege seg for å fungere, og han identifiserte korrekt forskjellen i hvordan bevegelsen til hvert verktøy oppnås. Wow, det er utrolig hvordan motorer er konstruert for å utføre spesifikke oppgaver!

Tenk på mangfoldet av motorer vi møter daglig. Fra den enkle motoren som vrikker vår fancy automatiske tannbørste frem og tilbake, til den komplekse motoren som driver kjøretøyet vårt når vi pendler til arbeid. Hva med motoren som snurrer vifta i mikrobølgeovnen vår, eller den kraftige elektriske motoren som roterer et løpehjul med høy hastighet for å generere lavt trykk inne i støvsugeren vår. Lineære aktivatører flytter vårt elbilsete fremover, bakover, opp og ned. Hva med de som automatisk åpner dører i matbutikken (ja, min åtte år gamle sønn later fortsatt som om han er Luke Skywalker hver gang). Disse motorene fungerer på forskjellige måter fordi de er designet for spesifikke formål ... for å få ulike typer arbeid utført. Det er relativt enkelt for oss å se disse motorene i aksjon og sette pris på deres intrikate design.

Biologiske motorer
Hva med motorene i cellene våre som vi ikke kan se med øynene? Molekylære motorer er enzymer som bruker kjemisk energi for å generere mekanisk kraft og bevegelse i celler. Det er mange forskjellige typer molekylære motorer, inkludert cytoskeletale motorer, roterende motorer, nukleinsyre-motorer, proteinsyntese maskiner og dynamiske biopolymerer. Disse motorene utfører et bredt spekter av oppgaver innen celler: transport, cellulær respirasjon, cellemotilitet, nukleinsyre-manipulering og celledeling. Disse molekylære motorene er bittesmå (bare noen få nanometer lange), og sofistikerte eksperimentelle metodologier er nødvendige for å kunne få et glimt av deres intrikate design. En dyp forståelse av deres kjemi, struktur og fysikk er avgjørende for å forstå vanskelighetene med disse molekylære motorene og for å avdekke sykdommer forbundet med deres funksjonsfeil.

Billde 2. ATP-motor -drevet av proton-gradient (kredit Origo)

Arbeidshesten i cellen
Inne i cellene våre har vi lange, strenglignende polymerer (kalt mikrotubuli) som fungerer som veier for molekylære motorer til å gå på.

Sjekk ut denne videoen: -lenke.

Omfattende forskning har fokusert på å karakterisere strukturen og funksjonen til en gruppe proteiner kalt kinesiner. Kinesiner omdanner den kjemiske energien til ATP -hydrolyse til styrt mekanisk bevegelse langs mikrotubuler. Vanligvis er kinesiner bygget med 1) et sett med motoriske domener som er ansvarlige for å utnytte energien fra ATP og generere kraft, 2) et sentralt 'stilk'-domene som holder motordomenene sammen, og 3) et haledomene med spesialiserte funksjoner til å binde forskjellige last .'

Turgåere, hoppere og mer

Det som er utrolig med kinesiner er at de alle får sin energi fra samme sted (ATP -hydrolyse), men de ser ut til å bruke den annerledes til forskjellige oppgaver inne i cellen. Noen kinesiner er kraftvandrere (som den i videoen over) - tar hundrevis av skritt langs mikrotubulen før de faller av. Andre er hoppere - tar bare noen få skritt før de slipper taket. Noen kinesiner går fremover, noen går bakover, og noen går i begge retninger (stol på meg ... denne observasjonen er fremdeles ganske forvirrende fra et biofysisk perspektiv). Andre kinesiner går ikke i det hele tatt, men bruker på en eller annen måte ATP -energien sin til å utløse mikrotubulesporet til å falle fra hverandre under dem.

Vi har bare skummet overflaten de siste fire tiårene, siden den første kinesinmotoren ble oppdaget i 1985. Er disse forskjellene i funksjon et resultat av tilfeldig hasardiøshet - stokastisk finjustering av gensekvenser for å gi uendelig små forstyrrelser av aminosyrer i motoren til slutt (over milliarder og milliarder av år) produserer et smorbrød-bord med elegante maskiner som Kinesin-familien? Mange i det vitenskapelige samfunnet har tro på denne håpløse darwinistiske teorien. Heldigvis er det en rekke forskere som ser på nanoskala -verdenen med undring og er åpne for ideen om at molekylære maskiner gjenspeiler formål og design. De ser molekylære motorer som intelligent designet av en grunn. Disse maskinene må fungere ordentlig for at celler skal dele seg, for at essensiell last skal leveres, for at biokjemisk energi skal konverteres fra kjemiske gradienter til lagret energi for metabolisme, for fremdrift av en celle i en gitt retning for å unngå fare. å studere deres kjemi, struktur og fysikk er vår glede og privilegium. Vi har mye å lære.

Bilde 3. Jared Cochran

Jared Cochran har en bachelorgrad i biologi og en doktorgrad i molekylær, cellulær og utviklingsbiologi, begge fra University of Pittsburgh. Han var NIH Ruth L. Kirschstein postdoktoral forsker i biofysisk kjemi ved Dartmouth College og var adjunkt i biokjemi ved Indiana University. Han tilbrakte to år som seniorforsker ved Catalent Biologics og er i dag medisinsk direktør i Apothecom, et medisinsk selskap i Inizio. Han driver også en deltid veiledervirksomhet på nettet og veileder studenter i biokjemi.