Motor molecular - Molecular motor

Os motores moleculares são máquinas moleculares naturais (biológicas) ou artificiais que são os agentes essenciais do movimento nos organismos vivos. Em termos gerais, um motor é um dispositivo que consome energia de uma forma e a converte em movimento ou trabalho mecânico ; por exemplo, muitos motores moleculares baseados em proteínas aproveitam a energia química livre liberada pela hidrólise do ATP para realizar trabalho mecânico. Em termos de eficiência energética, este tipo de motor pode ser superior aos motores feitos pelo homem atualmente disponíveis. Uma diferença importante entre motores moleculares e motores macroscópicos é que os motores moleculares operam no banho térmico , um ambiente no qual as flutuações devido ao ruído térmico são significativas.

Exemplos

Alguns exemplos de motores moleculares biologicamente importantes:

  • Motores citoesqueléticos
  • Motores de polimerização
    • A polimerização de actina gera forças e pode ser usada para propulsão. ATP é usado.
    • Polimerização de microtúbulos usando GTP .
    • Dynamin é responsável pela separação dos botões de clatrina da membrana plasmática. GTP é usado.
  • Motores rotativos:
    • A família de proteínas F o F 1 -ATP sintase converte a energia química em ATP na energia potencial eletroquímica de um gradiente de prótons através de uma membrana ou vice-versa. A catálise da reação química e o movimento dos prótons são acoplados entre si por meio da rotação mecânica de partes do complexo. Isso está envolvido na síntese de ATP nas mitocôndrias e cloroplastos , bem como no bombeamento de prótons através da membrana vacuolar .
    • O flagelo bacteriano responsável pela natação e tombamento de E. coli e outras bactérias atua como uma hélice rígida que é acionada por um motor rotativo. Este motor é acionado pelo fluxo de prótons através de uma membrana, possivelmente usando um mecanismo semelhante ao encontrado no motor F o na ATP sintase.
Simulação de dinâmica molecular de um motor molecular sintético composto por três moléculas em um nanoporo (diâmetro externo de 6,7 nm) a 250 K.
  • Motores de ácido nucléico:
    • A RNA polimerase transcreve o RNA de um molde de DNA .
    • A DNA polimerase transforma o DNA de fita simples em DNA de fita dupla.
    • As helicases separam as fitas duplas de ácidos nucleicos antes da transcrição ou replicação. ATP é usado.
    • As topoisomerases reduzem o superenrolamento do DNA na célula. ATP é usado.
    • Os complexos RSC e SWI / SNF remodelam a cromatina em células eucarióticas. ATP é usado.
    • Proteínas SMC responsáveis ​​pela condensação cromossômica em células eucarióticas.
    • Os motores de empacotamento do DNA viral injetam o DNA genômico viral nos capsídeos como parte de seu ciclo de replicação, compactando-o de maneira muito compacta. Vários modelos foram propostos para explicar como a proteína gera a força necessária para conduzir o DNA para o capsídeo; para uma revisão, consulte [1] . Uma proposta alternativa é que, ao contrário de todos os outros motores biológicos, a força não seja gerada diretamente pela proteína, mas pelo próprio DNA. Neste modelo, a hidrólise de ATP é usada para conduzir mudanças conformacionais de proteínas que alternativamente desidratam e reidratam o DNA, conduzindo-o ciclicamente de B-DNA para A-DNA e vice-versa. O A-DNA é 23% mais curto do que o B-DNA, e o ciclo de redução / expansão do DNA é acoplado a um ciclo de aperto / liberação de proteína-DNA para gerar o movimento para a frente que impulsiona o DNA para o capsídeo.
  • Motores enzimáticos: as enzimas abaixo demonstraram se difundir mais rapidamente na presença de seus substratos catalíticos, conhecido como difusão aprimorada. Também foi demonstrado que eles se movem direcionalmente em um gradiente de seus substratos, conhecido como quimiotaxia. Seus mecanismos de difusão e quimiotaxia ainda são debatidos. Os possíveis mecanismos incluem efeitos térmicos locais e globais, forese ou mudanças conformacionais.
    • Catalase
    • Urease
    • Aldolase
    • Hexokinase
    • Fosfoglucose isomerase
    • Fosfofrutocinase
    • Glicose Oxidase
  • Motores moleculares sintéticos foram criados por químicos que geram rotação, possivelmente gerando torque.

Transporte de organelas e vesículas

Existem duas famílias principais de motores moleculares que transportam organelas por toda a célula. Essas famílias incluem a família dynein e a família kinesin. Ambos têm estruturas muito diferentes entre si e maneiras diferentes de atingir um objetivo semelhante de mover organelas ao redor da célula. Essas distâncias, embora apenas alguns micrômetros, são todas pré-planejadas usando microtúbulos.

  • Cinesina - Esses motores moleculares sempre se movem em direção à extremidade positiva da célula
    • Usa hidrólise de ATP durante o processo de conversão de ATP em ADP
      • Este processo consiste em. . .
        • O "pé" do motor se liga usando ATP, o "pé" dá um passo e o ADP sai. Isso se repete até que o destino seja alcançado
    • A família kinesin consiste em uma infinidade de diferentes tipos de motores
  • Dineína - Esses motores moleculares sempre se movem em direção à extremidade negativa da célula
    • Usa hidrólise de ATP durante o processo de conversão de ATP em ADP
    • Ao contrário da cinesina, a dineína é estruturada de uma maneira diferente, o que requer diferentes métodos de movimento.
      • Um desses métodos inclui o golpe de força, que permite que a proteína motora "rasteje" ao longo do microtúbulo até sua localização.
    • A estrutura do Dynein consiste em
      • Uma haste contendo
        • Uma região que se liga à dinactina
        • Cadeias intermediárias / leves que se ligam à região de ligação de dinactina
      • À frente
      • Um talo
        • Com um domínio que se ligará ao microtúbulo,
          esses motores moleculares tendem a seguir o caminho dos microtúbulos . Isso provavelmente se deve ao fato de que os microtúbulos brotam do centrossoma e envolvem todo o volume da célula. Este in tern cria um "sistema ferroviário" de toda a célula e caminhos que conduzem às suas organelas.

Considerações teóricas

Como os eventos motores são estocásticos , os motores moleculares costumam ser modelados com a equação de Fokker-Planck ou com métodos de Monte Carlo . Esses modelos teóricos são especialmente úteis ao tratar o motor molecular como um motor browniano .

Observação experimental

Na biofísica experimental , a atividade dos motores moleculares é observada com diversas abordagens experimentais, entre elas:

Muitas outras técnicas também são usadas. À medida que novas tecnologias e métodos são desenvolvidos, espera-se que o conhecimento dos motores moleculares de ocorrência natural seja útil na construção de motores sintéticos em nanoescala.

Não biológico

Recentemente, os químicos e os envolvidos na nanotecnologia começaram a explorar a possibilidade de criar motores moleculares de novo. Esses motores moleculares sintéticos atualmente sofrem muitas limitações que restringem seu uso ao laboratório de pesquisa. No entanto, muitas dessas limitações podem ser superadas à medida que aumenta nossa compreensão da química e da física em nanoescala. Um passo em direção ao entendimento da dinâmica em nanoescala foi dado com o estudo da difusão do catalisador no sistema catalítico de Grubb. Outros sistemas como os nanocarros , embora não sejam tecnicamente motores, também ilustram os esforços recentes em direção a motores sintéticos em nanoescala.

Outras moléculas não reagentes também podem se comportar como motores. Isso foi demonstrado pelo uso de moléculas de corante que se movem direcionalmente em gradientes de solução de polímero por meio de interações hidrofóbicas favoráveis. Outro estudo recente mostrou que as moléculas de corante, partículas coloidais duras e moles são capazes de se mover através do gradiente da solução de polímero através dos efeitos de volume excluídos.

Veja também

Referências

links externos