Motoare moleculare

1. Motoare moleculare

2. Mişcarea celulelor şi nano-biotehnologia - sistemele biologice - sunt cele mai complexe nanomaşini - s-au făcut descoperiri uluitoare legate de mişcarea la scală nano a sistemelor biologice - combinarea dintre nanotehnologie şi mişcarea celulelor permite construirea nanogeneratorilor şi nanomotoarelor - în prezent biofizica este interfaţată cu nanotehnologia De exemplu: ADN este o “nanofabrică” care se autoasamblează singură

3. Mecanisme fundamentale ale mişcării celulare 1. Motoare moleculare (care funcţionează pe bază de ATP) - se mişcă de-a lungul filamentelor de actină şi microtubulilor 2. Arcuri supramoleculare - modificări configuraţionale datorate ataşării ionilor 3. Roţi dinţate supramoleculare - mişcarea determinată de creşterea prin polimerizare

4. Motoare moleculare - combustibilul (ATP) generează mişcarea ATP (adenosin trifosfat) este conţinută în toate tipurile de celule - liniile de cale ferată - filamente de actină şi microtubuli - trenul - proteina motor - miozina, dineina şi kinezina

5. Contracţia musculară: mişcarea miozinei (motorul) pe actină (calea ferată) Motorul se mişcă în paşi discreţi de 5-10nm şi generează o forţă de 1-5pN

6. Calea ferată - Microfilamente de actină

7. Trenul - Miozina: proteina motor pentru actină Toate proteinele de miozină au 3 părţi: - cap, care are picioruşe (puncte de ataşare la calea ferată - actină) şi loc pentru baterie (puncte de ataşare pentru ATP) - gât, reglează funcţionarea capului - coadă, determină tipul de încărcătură transportat

8. Trenul - Miozina: proteina motor pentru actină Toate proteinele de miozină au 3 părţi: - cap, care are picioruşe (puncte de ataşare la calea ferată - actină) şi loc pentru baterie (puncte de ataşare pentru ATP) - gât, reglează funcţionarea capului - coadă, determină tipul de încărcătură transportat

9. Contracţia musculară: mişcarea miozinei pe actină - o creştere a ionului Ca2+ determină contracţia musculară - în timpul contracţiei filamentele de miozină şi actină alunecă unele faţă de altele

10. Mişcarea flagelului (cozii): mişcarea dyneinei şi kinezinei (motorul) pe microtubul (calea ferată)

11. Calea ferată - Microtubuli Microtubuli sunt polimeri liniari dintr-o proteină globulară “tubulin” Microtubulii sunt căile ferate din interiorul celulelor. Pe ele se transportă vezicule*, granule, organele** (de ex. mitocondriile) şi cromozomii *veziculă - un săculeţ în celula animală cu rol de stocare şi transport **organelă - o structură subcelulară destinată unei funcţii specifice

12. Trenul - Dineina şi kinezina: proteine motor pentru microtubuli Microtubulii sunt căi ferate speciale. Trenurile de un tip se pot deplasa într-un singur sens: -dineina se mişcă numai spre capătul + -kinezina se mişcă numai spre capătul - kinezina

13. Experimente unimoleculare Experimentul de captură optică pentru studiul mişcării kinezinei laser sferă fluorescentă kinezină microtubul

14. Deplasarea kinezinei

15. Cili şi flageli: mişcarea dineinei şi kinezinei pe microtubuli

16. Cilii sunt formaţi din 9 dubleţi tubulari (dubletul format din tubul A şi B) dispuşi în jurul unei perechi centrale Tubulii A şi B sunt legaţi între ei prin poduri de nexină (proteină indicată cu linii albastre şi roşii ) Tubulii A şi B pot aluneca între ei prin deplasarea dyneinei (sfere verzi)

17. Îndoirea cililor este determinată de alunecarea microtubulilor prin deplasarea braţelor dyneinei

19. Dacă nu ar exista podurile de nexină, tubulii ar aluneca între ei până la capăt şi s-ar desprinde din structura cililor

20. Arcuri supramoleculare Vorticella Contracţia arcului este determinată de prezenţa ionului Ca2+ Spermatozoidul limulusului

21. Roţi dinţate supramoleculare Alungirea tentaculelor se face prin polimerizarea actinei În fig.c când sunt adăugate blocurile roşii, şina de cale ferată (filamentul de actină) este trasă spre interiorul celulei de o roată dinţată La dezasamblare roata dinţată acţionează în sens invers

22. F0F1-ATP-azaMotorul molecular cu ATP

23. De ce este atât de importantă F0F1-ATP-aza ? - este cea mai abundentă proteină din corp -sintetizează ATP-ul -combustibilul din corp care pune în funcţiune practic toate procesele metabolice şi mecanice din corp -înţelegerea funcţionării sale poate determina progrese în domenii variate legate de sindromul neurodegenerativ sau de nanotehnologie

24. ATP Combustibilul -ATP este format din adenină, riboză şi un lanţ fosfatic. În repaus corpul sintetizează zilnic o masă de ATP egală cu jumătate din masa sa corporală.

25. Energia este produsă prin transformarea ATP în ADP şi determină rotirea F0F1-ATPazei. Reacţia inversă de transformare a ADP în ATP nu poate avea loc în condiţii normale, ci necesită un catalizator, enzima numită F0F1-ATPază. Reversibilitatea şi eficienţa apropiată de 100% fac din F0F1-ATPază cel mai interesant motor molecular. ADP ATP

26. F0F1-ATPaza Pt. determinarea structurii F0F1-ATPazei John Walker, Paul Boyer, Jens Skou au primit premiul Nobel pt. chimie în 1997.

27. Sinteza ATP este posibilă numai prin rotirea unităţii F1, care determină o schimbare structurală ce catalizează sinteza. Unitatea F0 transformă forţa motoare generată de fluxul de protoni prin membrană într-o mişcare rotatorie. Excesul de protoni poate fi produs de metabolizarea zaharurilor sau prin fotosinteză.

31. 23 A treia sarcină fluctuează termic şi sare din groapa de potenţial a sarcinii statorului spre stânga, deoarece prima sarcină e respinsă de bariera statorului. 4 A treia sarcină primeşte un ion de sodiu. 45 A patra sarcină e atrasă de sarcina statorului, iar a treia sarcină cu ionul de sodiu se mişcă spre stânga şi trece prin bariera de potenţial 56 A treia sarcină eliberează ionul de sodiu

34. ATP se datorează fluxului de protoni produs de energia solară. Acesta e mecanismul molecular al fotosintezei!

35. Energia luminii determină o modificare configuraţională a citocromului c2 care eliberează un electron

37. Lumina determină o modificare structurală a rodopsinei. Energia unui foton permite trecerea unei bariere energetice care desparte cele două structuri ale rodopsinei: cis şi trans.