Motor molecular
Máquinas moleculares biológicas

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

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 libre química liberada por la hidrólisis del ATP para realizar 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 funcionan 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 proteínas a escala nanométrica para caminar a lo largo de un microtúbulo .

Algunos ejemplos de motores moleculares biológicamente importantes: [2]

Simulación de dinámica molecular de un motor molecular sintético compuesto por tres moléculas en un nanoporo (diámetro exterior 6,7 nm) a 250 K. [4]
  • Motores de ácidos nucleicos:
    • La ARN polimerasa transcribe el 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 empaquetamiento del ADN viral inyectan ADN genómico viral en las cápsides como parte de su ciclo de replicación, comprimiéndolo muy fuertemente. [8] Se han propuesto varios modelos para explicar cómo la proteína genera la fuerza necesaria para impulsar el ADN hacia la cápside. Una propuesta alternativa es que, a diferencia de todos los demás motores biológicos, la fuerza no es generada directamente por la proteína, sino por el propio ADN. [9] En este modelo, la hidrólisis de ATP se utiliza para impulsar cambios conformacionales de la proteína que alternativamente deshidratan y rehidratan el ADN, impulsándolo cíclicamente del B-ADN al A-ADN y viceversa. El A-ADN es un 23% más corto que el B-ADN, y el ciclo de contracción/expansión del ADN está acoplado 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 que se indican a continuación se difunden más rápido 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, lo que se conoce como quimiotaxis . Sus mecanismos de difusión y quimiotaxis aún se debaten. Los posibles mecanismos incluyen la flotabilidad solutal, la foresis o los cambios conformacionales que conducen a un cambio en la difusividad efectiva [10] [11] [12] y la asimetría cinética. [13]
    • Catalasa
    • Ureasa
    • Aldolasa
    • Hexoquinasa
    • Fosfoglucosa isomerasa
    • Fosfofructoquinasa
    • Glucosa oxidasa

Un estudio reciente también ha demostrado que ciertas enzimas, como la hexoquinasa y la glucosa oxidasa, se agregan o fragmentan durante la catálisis, lo que modifica su tamaño hidrodinámico, lo que puede afectar a las mediciones de difusión mejoradas. [14]

Transporte de orgánulos y vesículas

Existen dos familias principales de motores moleculares que transportan orgánulos por toda la célula. Estas familias incluyen la familia de las dineínas y la familia de las kinesinas. Ambas tienen estructuras muy diferentes entre sí y diferentes formas de lograr un objetivo similar de mover orgánulos por la célula. Estas distancias, aunque son de solo unos pocos micrómetros, están planificadas previamente utilizando microtúbulos. [16]

  • 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 a ADP.
      • Este proceso consiste en...
        • El "pie" del motor se une con ATP, el "pie" avanza un paso y luego se desprende ADP. Esto se repite hasta que se alcanza el destino.
    • La familia de las kinesinas consta de una multitud de tipos de motores diferentes.
  • Dineína  : 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 a 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 el golpe de potencia, que permite que la proteína motora se "arrastre" a lo largo del microtúbulo hasta su ubicación.
    • La estructura de la dineína consta de
      • Un tallo que contiene
        • Una región que se une a la dinactina
        • Cadenas intermedias/ligeras que se unirán a la región de enlace de dinactina.
      • Adelante
      • Un tallo
        • Con un dominio que se unirá al microtúbulo
Estos motores moleculares tienden a seguir el camino de los microtúbulos . Esto se debe probablemente a que los microtúbulos surgen del centrosoma y rodean todo el volumen de la célula. Esto, a su vez, crea un "sistema de rieles" de toda la célula y caminos que conducen a sus orgánulos.

Consideraciones teóricas

Parte de una serie sobre
Movimiento microbiano y microrobot
Micronadadores
Taxones
Taxis
Kinesis
Microbots y partículas
Biohíbridos
Movimiento colectivo
Motores moleculares
Motores biológicos
Motores sintéticos
Relacionado

Debido a que los eventos motores son estocásticos , los motores moleculares suelen modelarse con la ecuación de Fokker-Planck o con métodos de Monte Carlo . Estos modelos teóricos son especialmente útiles cuando se trata al 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:

También se utilizan muchas otras 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 escala nanométrica.

No biológico

Recientemente, los químicos y aquellos involucrados en la nanotecnología han comenzado a explorar la posibilidad de crear motores moleculares de novo. [17] Estos motores moleculares sintéticos actualmente sufren muchas limitaciones que confinan 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 escala nanométrica. Un paso hacia la comprensión de la dinámica a escala nanométrica se dio con el estudio de la difusión del catalizador en el sistema catalizador de Grubb. [18] Otros sistemas como los nanocoches , aunque técnicamente no son motores, también son ilustrativos de los esfuerzos recientes hacia los motores sintéticos a escala nanométrica.

Otras moléculas que no reaccionan también pueden comportarse como motores. Esto se ha demostrado utilizando moléculas de colorante que se mueven direccionalmente en gradientes de solución de polímero a través de interacciones hidrofóbicas favorables. [19] Otro estudio reciente ha demostrado que las moléculas de colorante, las partículas coloidales duras y blandas pueden moverse a través de gradientes de solución de polímero a través de efectos de volumen excluidos. [20]

Véase también

Referencias

  1. ^ Bustamante C, Chemla YR, Forde NR, Izhaky D (2004). "Procesos mecánicos en bioquímica". Revista 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 . Freeman.
  3. ^ Tsunoda SP, Aggeler R, Yoshida M, Capaldi RA (enero de 2001). "Rotación del oligómero de la subunidad c en la ATP sintasa F1Fo completamente funcional". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 98 (3): 898–902. Bibcode :2001PNAS...98..898T. doi : 10.1073/pnas.031564198 . PMC 14681 . PMID  11158567. 
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  5. ^ Dworkin J, Losick R (octubre de 2002). "¿Ayuda la ARN polimerasa a impulsar la segregación cromosómica en bacterias?". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 99 (22): 14089–94. Bibcode :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.
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  • MBInfo - Actividad motora molecular
  • MBInfo - Transporte intracelular dependiente del citoesqueleto
  • Cymobase: una base de datos con información sobre secuencias de proteínas motoras y del citoesqueleto
  • Jonathan Howard (2001), Mecánica de las proteínas motoras y el citoesqueleto. ISBN 9780878933334 
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