Есть ли кто-нибудь, кто не видел скетча Монти Пайтона, где Джон Клиз изображен клерком, выполняющим странные шаги в Министерстве глупых прогулок?? Смеются сами движения актеров, они такие абсурдные.
Таким образом, есть определенная ирония в том, что странные шаги кажутся довольно обычными — и у каждого из нас есть. Исследование внутриклеточного транспорта, проведенное Институтом физической химии Польской академии наук (IPC PAS) в Варшаве, Польша, в сотрудничестве с Дрезденским технологическим университетом, объясняет движение кинезина, белка, ответственного за транспорт большие молекулы внутри клеток млекопитающих. Совершенно неожиданно в результате исследования был сделан дополнительный вывод: в Министерстве глупых прогулок кинезин наверняка будет баллотироваться на министерский пост.
Внутриклеточный транспорт происходит по волокнам цитоскелета, структуры, разработанной эукариотическими клетками (обладающими клеточным ядром). Волокна, образующие сеть — микротрубочки — состоят из полимеров протеина тубулина, спирально скрученного в длинные трубочки. Поскольку каждый «кирпичик» полимера, я.е. мономер состоит из пары альфа-тубулина и бета-тубулина, вдоль микротрубочки альфа- и бета-домены расположены поочередно, как черно-белые квадраты по длине шахматной доски, если ее свернуть в трубку.
Микротрубочки — это дороги, по которым движутся внутриклеточные тракторы, молекулы кинезина.
Транспорт возможен, потому что одна часть кинезина оснащена фрагментами, которые охотно связываются с другими, даже очень большими молекулами, в то время как другая часть, ведущая часть, состоит из гибкого соединителя, так называемого линкера, скрепляющего вместе две ноги. ‘, я.е. подвижные домены, способные «шагать» по «шахматным полям» микротрубочек. Кроме того, ноги настолько велики, что кинезин может наступать только на каждый второй мономер (то есть поля одного цвета).
«Кинезин проходит по микротрубочкам. Но как?
Чтобы разобраться в проблеме, достаточно осознать, что кинезин не блуждает по микротрубочкам, как человек по тротуару. Его движения больше напоминают то, что делает альпинист, взбираясь по вертикальной стене без каких-либо гарантий: одна ошибка — и он падает », — недоумевает проф. Роберт Холист (IPC PAS) и продолжает: «Откуда кинезин знает, что он может освободить одну ногу, не рискуя отслоиться от микротрубочек?
Это не животное с глазами и мозгом, это простая молекула! Откуда у него силы сделать шаг??"
До сих пор в научных публикациях было несколько описаний механизма, ответственного за движение кинезина, но ни одно из них не было четко подтверждено экспериментально. Хотя эксперименты показали теоретически предсказанное замедление движения кинезина, это произошло только тогда, когда он перевозил очень большой груз — и только когда вязкость окружающей его среды была увеличена с использованием длинных полимеров в тысячи раз. чем вязкость воды.
"То, что было проверено до сих пор, можно наглядно сравнить с исследованием того, как скорость джаггернаута, загруженного грузом, уменьшается со скоростью ветра, в который он движется. Мы хотели сделать что-то еще. Нас интересовал сам приводной механизм.
Итак, мы сняли груз… и насыпал песок в двигатель », — говорит доктор. Кшиштоф Созанский (IPC PAS).
Согласно теории, которая несколько лет разрабатывалась исследователями из IPC PAS, вязкость, которую ощущают частицы, зависит, среди прочего, от размера препятствий в их среде.
Ситуация похожа на ту, с которой мы имеем дело в переполненном автобусе: нам сложно протиснуться к выходу, но в этой же среде муха довольно свободно летает. Препятствия (люди) на самом деле слишком велики, чтобы создавать проблемы, он просто их обходит.
Таким образом, было ясно, что, поскольку полимеры, используемые другими исследователями для замедления кинезина, были значительного размера, они увеличивали вязкость, ощущаемую не самим кинезином, а его большим грузом.
В лабораториях проф. Стефан Диез в Центре молекулярной биоинженерии B CUBE при Дрезденском технологическом университете.
Без груза кинезин замедлялся даже при окружающей вязкости, которая в пять раз превышала вязкость воды. Имея метод управления движением кинезина, исследователи из IPC PAS провели последовательные эксперименты, которые предоставили данные, подтверждающие правильность одного из ранее известных предложений о механизме движения кинезина.
Итак, как кинезин проходит по микротрубочкам?? Цикл движения начинается, когда одна ножка кинезина прикрепляется к микротрубочке, а другая, при этом прикрепленный АДФ (продукт гидролиза молекул АТФ) остается свободным. В этой конфигурации освобожденная нога, взаимодействуя с окружающей средой, выполняет случайные движения (Браун).
Однако их диапазон невелик, недостаточен для достижения следующего домена микротрубочки, и кинезин остается на своем месте. Все меняется, когда молекула АТФ присоединяется к прикрепленной ноге. Кинезин становится более гибким, а движения свободной ноги имеют больший диапазон. Подергиваясь и поворачиваясь во всех направлениях, нога иногда тянет кинезин до такой степени, что может достичь следующего домена микротрубочки.
Затем он падает обратно и связывается с субстратом, высвобождая АДФ, после чего он становится неподвижным, пока не произойдет гидролиз АТФ на ноге позади него. АТФ превращается в АДФ, высвобождая энергию, которая отделяет ногу — и цикл снова повторяется.
"Таким образом, АТФ, основной источник энергии в клетках, не является источником энергии для движения кинезина!"говорит доктор.
Созанский и объясняет: «Гидролиз АТФ высвобождает только ногу. Нога движется хаотично в результате случайного взаимодействия с окружающей средой, пока не попадет в следующее шахматное поле на микротрубочке. Фактически, именно окружающая среда движет действием кинезина!"
Время диффузного движения кинезиновой ножки составляет ок.
2 миллисекунды, при этом время подключения-отключения ATP составляет ок. 10 мс.
Умело увеличивая вязкость, исследователи из IPC PAS расширили первую до прибл. 10 мс, эффективно нарушая синхронизацию между двумя процессами. Кинезин замер.
Исследования движения кинезина, финансируемые, в том числе, за счет гранта MAESTRO Польского национального научного центра, имеют большое значение не только для биологов, но и для инженеров и химиков, занимающихся молекулярными двигателями. Кинезин на самом деле структурно очень похож на миозин, белок, в котором, благодаря энергии, высвобождаемой АТФ, происходит изменение структуры молекулы и генерируется энергия (это механизм, который отвечает за сокращение нашего мышцы).
Между тем движение кинезина имеет совершенно другую природу: его источником является феномен диффузии ног.
«Такие разные источники движения в таких похожих молекулах должны побуждать разработчиков молекулярных моторов к осторожности.
Поощряйте осторожность, но также и вдохновляйте ", — заключает проф. Holyst.