Aktiini-myosiini-kompleksi. Sähköinen dipoliteoria ja aktomyosiinin molekyylimoottori lihassupistuksessa

Transkriptio

1 Sähköinen dipoliteoria ja aktomyosiinin molekyylimoottori lihassupistuksessa Markku Lampinen & Tuula Noponen TKK, soveltavan termodynamiikan laboratorio J Theor Biol 2005, 236: Myomesin Nebulin Titin Α-actinin, CapZ Thick filament(myosin) Thin filament(actin) Z line Aktiini-myosiini-kompleksi Actin Tropomyosin Ca 2+ binding site Troponin complex Myosin binding sites blocked, muscle cannot contract Myosin binding site Myosin binding site exposed; muscle can contract 1

2 Troponin G-Actin P i ADP Myosin head Tropomyosin blocks binding site on G-actin Power stroke Tropomyosin shifts, exposing binding site on G-actin ADP G-actin moves Cytosolic Ca 2+ Sähköteoria 1. Miten kemiallinen energia varastoituu elektrostaattiseen muotoon myosiinisysteemissä? 2. Miten se sitten muutetaan työksi? 2

3 Miten mahdollista? Pitkittäissuuntaisesti polarisoitunut molekyylirakenne, negatiivisella fosfaattiryhmällä on suuri sähköinen dipolimomentti ideaalinen energialähde sähködipolimoottorille Myosiinipää varastoi runsaasti vesimolekyylejä syntyy ATP-vetoinen molekyylimoottori Toimintaperiaate 1. Vesimolekyylit varastoivat sähköiseen muotoon ATP:n hydrolyysistä vapautuneen kemiallisen energian sähköinen dipolimomentti (p i ) 2. Sähköisen energian väheneminen muutetaan mekaaniseksi työksi myosiinipään rotaatioliikkeessä, kun dipolit (p i ) ovat vuorovaikutuksessa ATP:n potentiaalikentän kanssa (V 0 ) ja aktiinin potentiaalikentän kanssa Toimintaperiaate 3. Hydrolyysireaktio palautuu alkuperäiseen dipolimomenttiin (p 0 ) 4. Jäljelle jäänyt ADP:n dipolimomentti on pieni ja palauttaa negatiivisen sähköisen energian alkutilaan 5. ADP:n irtoaa myosiinipäästä ja syklinen prosessi alkaa alusta. 3

4 Miten selvitettiin? Laskettiin myosiinisysteemin sähköinen energia derivoimalla Data saatiin aiemmin julkaistuista: ATP (p debye) vesimolekyyli (N 720) Gibbsin vapaan energian muutos ATP:n sitoutumisessa ja hydrolyysissä voidaan laskennallisesti muuttaa sähköisen energian muotoon vaihe vaiheelta Miten selvitettiin? Virtuaalityön avulla tutkittiin aktiinin ja myosiinin välistä mekaanista työtä Mukana aina mekaaninen vääntömomentti l. liike dipolitilojen p 0 ja p i välillä M 16pN nm Tämä voima saa myosiinipään toimimaan saksenmuotoisena dipolimoottorina Pinta-ala 1620 nm 2 Pituus 2-3 µm Tilavuus m 3 Sarkomeeri 4

5 Molekyylimekanismi Despopoulos & Silbernagl (1991) Ca µmol/l 1. Myosiinin pään liike synnyttää sähköisen momentin (M) etäisyys TA lyhenee 2. Myosiinin piste A yhdessä aktiinin kanssa aloittaa liikkeen vasemmalle 3. Voima (F) yhdensuuntainen X- akselin kanssa, kun TN kohtisuorassa x-akseliin 4. Myosiinin kohta A irtoaa aktiinista 5

6 Gibbsin vapaan energian muutos ATP:n hydrolyysi Kodama (1985) Molatiliteetti oletetaan m ATP = 1.4 mmol/kg m ADP = 0.2 mmol/kg Sähkötermodynaaminen systeemi ATP:n dipolimomentti 6

7 ATP:n dipolimomentit Aktiini-tropomyosiinisysteemin ekvipotentiaaliset pinnat Myosiinipään tangentit aktiinikontaktissa Bagshaw (1994) Sähköiset voimat ja momentit ATP:n ja vesimolekyylin välillä Dipoliorientaatio (a), orientaatio dipolien pi ja p0 välillä (b) sähköisen momentin vaikutus myosiinipäähän (c) 7

8 Conclusions Tarkastelussa esitetään kaikkiaan 104 kaavaa Gibbsin vapaan energian muutos ATP:n sitoutumisvaiheessa -33 kj ja hydrolyysissä -23 kj Voidaan muuttaa sähköiseksi energiaksi M = 16 pn nm, joka siis suorittaa pääosan syklissä tapahtuvasta työstä Conclusions Vesimolekyylien määrä (restrained) N = 720 näyttää olevan optimaalinen saamaan aikaan ATP:n dipolimomentin. Vähäisempi molekyylimäärä kemiallinen energia ei varastoidu riittävästi sähköisen energian muotoon Maksimivoima myosiinipäätä kohti on 9.4 pn 8