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

Samankaltaiset tiedostot
Poikkijuovainen lihassolu 1. Erilaistuneita soluja. Lihassolu. Poikkijuovainen lihassolu 2. Lihaskudokset. Poikkijuovainen lihassolu 3

Lihassolu. Erilaistuneita soluja. Poikkijuovainen lihas. Lihaskudokset. poikkijuovainen lihas BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2013

Lihaksen Fysiologia. Luurankolihas

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

Kertausosa. 5. Merkitään sädettä kirjaimella r. Kaaren pituus on tällöin r a) sin = 0, , c) tan = 0,

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Teddy 1. harjoituksen malliratkaisu kevät 2011

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Havainnollistuksia: Merkitään w = ( 4, 3) ja v = ( 3, 2). Tällöin. w w = ( 4) 2 + ( 3) 2 = 25 = 5. v = ( 3) = 13. v = v.

Seepia 3 Torstai kehittyy aikaisemmin ylempänä olevissa ruumiinosissa. Kuolonkankeudella on merkitystä

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 9 /

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Luento 11: Potentiaalienergia. Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia

MEI Kontinuumimekaniikka

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

Luento 9: Potentiaalienergia

A-osio. Tehdään ilman laskinta ja taulukkokirjaa! Valitse tehtävistä A1-A3 kaksi ja vastaa niihin. Maksimissaan tunti aikaa suorittaa A-osiota.

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Tuki- ja liikuntaelimistö, liikkuminen II

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

W el = W = 1 2 kx2 1

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

x 5 15 x 25 10x 40 11x x y 36 y sijoitus jompaankumpaan yhtälöön : b)

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Voiman momentti M. Liikemäärä, momentti, painopiste. Momentin määritelmä. Laajennettu tasapainon käsite. Osa 4

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

Yleistä vektoreista GeoGebralla

Aktiini. Solun tukiranka. Tukiranka 1. Tukiranka 2

Tekijä Pitkä matematiikka

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

c) Määritä paraabelin yhtälö, kun tiedetään, että sen huippu on y-akselilla korkeudella 6 ja sen nollakohdat ovat x-akselin kohdissa x=-2 ja x=2.

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

The Plant Cell / Sytoskeleton

Matematiikan tukikurssi

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

8. kierros. 1. Lähipäivä

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

PL 186, VANTAA, FINLAND, puh. 358 (0) , Faksi 358 (0)

Soluhengitys + ATP-synteesi = Oksidatiivinen fosforylaatio Tuomas Haltia Elämälle (solulle) välttämättömiä asioita ovat:

Juuri 4 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Kertaus. b) B = (3, 0, 5) K2. 8 ( 1)

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Tuuliturbiinin toiminta TUULIVOIMALAN RAKENNE

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Potentiaali ja potentiaalienergia

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

Oksidatiivinen fosforylaatio = ATP:n tuotto NADH:lta ja FADH2:lta hapelle tapahtuvan elektroninsiirron ja ATP-syntaasin avulla

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Ydinfysiikkaa. Tapio Hansson

yleisessä muodossa x y ax by c 0. 6p

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Harjoitus 6. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Solun perusrakenne I Solun perusrakenne. BI2 I Solun perusrakenne 3. Solujen kemiallinen rakenne

Perusopintojen Laboratoriotöiden Työselostus 1

Matematiikan tukikurssi

ENTSYYMIKATA- LYYSIN PERUSTEET (dos. Tuomas Haltia)

DEE Aurinkosähkön perusteet

Ionisoiva säteily. Tapio Hansson. 20. lokakuuta 2016

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Sovellutuksia Pinta-alan ja tilavuuden laskeminen Keskiö ja hitausmomentti

Hiukkaskoko maks. 5 µm. Teoreettinen vääntömomentti. Materiaalit:

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

0, niin vektorit eivät ole kohtisuorassa toisiaan vastaan.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Matematiikan tukikurssi

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

Luento 2 Stereokuvan laskeminen Maa Fotogrammetrian perusteet 1

4. Kertausosa. 1. a) 12

Miltä työn tekeminen tuntuu

Luento 7: Pyörimisliikkeen dynamiikkaa

Jonne Seppälä. Lectio praecursoria

Transkriptio:

Sähköinen dipoliteoria ja aktomyosiinin molekyylimoottori lihassupistuksessa Markku Lampinen & Tuula Noponen TKK, soveltavan termodynamiikan laboratorio J Theor Biol 2005, 236:397-421 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

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

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

Miten selvitettiin? Laskettiin myosiinisysteemin sähköinen energia derivoimalla Data saatiin aiemmin julkaistuista: ATP (p 0 230 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 4.9 10-21 m 3 Sarkomeeri 4

Molekyylimekanismi Despopoulos & Silbernagl (1991) Ca 2+ 1-10 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

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

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

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