На главную



Энциклопедический словарь нанотехнологий
& E X а б В г д ж з и к л м н о п р с т у ф х ц ш э я
биологические моторы

Термин
биологические моторы
Термин на английском
biological motors
Синонимы
моторные белки, биологические наномоторы, молекулярные моторы, motor proteins, molecular motors
Аббревиатуры
Связанные термины
актуатор, белки, биологические нанообъекты, биосовместимость, генная инженерия, капсид, кинезин, клетка, лаборатория на чипе, многофункциональные наночастицы в медицине, доставка лекарственных средств, оптический пинцет, протеомика, фермент, эндоцитоз
Определение
моторные белки и белковые комплексы, генерирующие механическое усилие для осуществления движения клеток, внутриклеточного транспорта и других биологических процессов.
Описание

К биологическим моторам относят моторные белки: миозины, кинезины и динеины, которые обеспечивают сокращение мышц, движение немышечных клеток, деление клеток, эндоцитоз, экзоцитоз, а также процессы внутриклеточного транспорта органелл и маркомолекул. Перечисленные моторные белки принадлежат к т.н. линейным моторам, которые выполняют механическую работу, перемещаясь в одном направлении вдоль компонентов цитоскелета - микрофиламентов (миозины) или микротрубочек (кинезины и динеины; Рис. 1). В качестве топлива они используют аденозинтрифосфат (АТФ) – универсальный энергетический субстрат клетки. Компьютерную анимацию работы миозинового и кинезинового моторов можно увидеть по следующим адресам в Интернете: http://valelab.ucsf.edu/images/movies/mov-muscmyosinmotrev6.mov; http://valelab.ucsf.edu/images/movies/mov-procmotconvkinrev5.mov. Среди моторных белков есть представители, осуществляющие движение либо в прямом, либо в обратном направлении и развивающие различное усилие. Все моторные белки регулируются клеточными системами, осуществляющими их активацию, торможение и взаимодействие с перевозимыми грузами.

У бактерий существует ротационный мотор, напоминающий по своему устройству электродвигатель, т.н. жгутиковый моторный комплекс (Рис. 2). Он используется для вращения жгутиков и перемещения клеток в водной среде (компьютерная анимация доступна по адресу http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/namba/npn/movies/MotorReversal.mpeg). Еще один белковый комплекс, совершающий вращательные движения, т.н. F1-F0 АТФ-синтаза, есть у всех живых организмов (Рис. 3). В клетках животных и растений он встроен во внутреннюю мембрану митохондрий - энергетических станций клеток. Он использует электрохимический градиент протонов на митохондриальной мембране для синтеза АТФ. При этом 10-14 субъединиц белкового комплекса Fo вращается в плоскости мембраны как ротор в статоре, образованном другой субъединицей Fo. Мотор комплекса Fo приводит во вращение g-субъединицу комплекса F1, которая при вращении изменяет конформацию других субъединиц F1, что необходимо для синтеза АТФ.  (компьютерную анимацию этого процесса можно увидеть по адресу http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_ATPase3_flv.html). Этот мотор может работать и в обратном направлении – расщеплять АТФ (F1-АТФаза) и за счет полученной энергии создавать градиент протонов на мембране митохондрий. При этом активным мотором становится g-субъединица комплекса F1, которая теперь вращается в обратном направлении и вращает ротор комплекса Fo. В такой конфигурации Fo становится протонным насосом. Установлено, что g-субъединица F1 работает, как шаговый мотор, поворачиваясь за один шаг на 120о.

Специальные белки развивают значительное механическое усилие и совершают перемещения при работе с молекулами ДНК. К ним относятся ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы, синтезирующие нуклеиновые кислоты на матрице ДНК; топоизомераза, расплетающая нити двухцепоцечной ДНК; белковые и РНК-белковые комплексы для упаковки вирусного генома в капсид. В таблице 1 приведены механические параметры некоторых представителей биологических моторов.

Биологические моторы имеют наноразмеры и зачастую более высокую эффективность по сравнению с макромоторами, созданными человеком. Они экологически безопасны и биосовместимы. Поскольку биологические моторы - это белковые молекулы, кодируемые соответствующими генами, возможно их конструирование с заданными свойствами с помощью генной инженерии. Привлекательность биомолекулярных моторов для нанотехнологий состоит и в том, что сегодня это практически единственные реально существующие наномоторы (разработка искусственных наномоторов находится на самых ранних стадиях). Недостатком биологических моторов являются специальные условия работы: жидкая среда определенного солевого состава, температура и рН. Это ограничивает область их применения. Однако эти требования не являются лимитирующими для применения биологических моторов в наномедицине, например, при создании диагностических лабораторий на чипе, систем доставки генов и лекарств, бионаноэлектромеханических систем (биоНЭМС) и нанороботов медицинского назначения. Для изучения и измерения механических свойств бионаномоторов применяют лазерный пинцет, с помощью которого можно регистрировать пиконьютонные силы и нанометровые перемещения, производимые одиночными моторными молекулами.

 

Таблица 1.                                           Механические параметры биологических моторов

 

Мотор

Сила, пН

Шаг, нм

Скорость, нм/с

Эффективность, % (отн. F1-АТФазы)

РНК-полимераза

14-25

0.34

3.4-17

9-15

ДНК-полимераза

34

0.34

34-340

23

ДНК-упаковывающий мотор бактериофага Phi29

57

-

33

-

Кинезин

6

8

800-3000

40-60

Миозин

3-5

5-15

3000

12-42

F1-АТФаза

40 пН/нм 

120o

4 об/с

100

Авторы
  • Ширинский Владимир Павлович, д.б.н.
Ссылки
  1. Molecular Motors/Schliwa, Manfred (ed.)-Weinheim:Wiley-VCH, 2002.-582 p.
Иллюстрации
Рис. 1. Моторный белок кинезин транспортирует везикулу вдоль микротрубочки.

Рис. 1. Моторный белок кинезин транспортирует везикулу вдоль микротрубочки.


Источник: The Inner Life of the Cell/BioVisions.-The Presidents and Fellows of Harvard College, 2007.-URL:http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife_Hi.html (дата обращения 25.09.09)
Рис. 2. Жгутиковый моторный комплекс бактерий напоминает по устройству электромотор.

Рис. 2. Жгутиковый моторный комплекс бактерий напоминает по устройству электромотор.


Источник: Torque generation mechanism.-Protonic NanoMachine Group, Osaka University, 2009.-URL:http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/eng/labo/02/09_img9.jpg (дата обращения 25.09.09)
Рис. 3. Строение F1-F0 АТФ-синтазы.

Рис. 3. Строение F1-F0 АТФ-синтазы.

 


Источник: ATP Synthase/RCSB PDB Protein Data Bank.-http://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb72_1.html (дата обращения 25.09.09)

Теги
Разделы
Молекулярные моторы
Микро(нано)электромеханические системы (MEMS/NEMS)
Микромеханические системы, наноприводы, наноманипуляторы
Разработка нанометрологических принципов и методик
Масс-спектрометрия
Магнитно-резонансные методы
Просвечивающая электронная микроскопия, в том числе высокого разрешения
Сканирующая электронная микроскопия
Зондовые методы микроскопии и спектроскопии: атомно-силовая, сканирующая туннельная, магнитно-силовая и др.
Иммобилизация мицелл и биологических нанообъектов
Микро- и нано-механика, нанотрибология и нанофлюидика
Безопасность наноматериалов и нанотехнологий
Нанотехнологии и наноматериалы в медицине (диагностика, системы доставки лекарств, эксипиенты, восстановление тканей и органов, другое)
Бионанотехнологии, биофункциональные наноматериалы и наноразмерные биомолекулярные устройства
Методы сертификации и контроля наноматериалов и диагностики их функциональных свойств
Методы диагностики и исследования наноструктур и наноматериалов
Управляемые методы формирования наноструктур
Бионаноматериалы и биофункционализированные наноматериалы
Элементы или наборы элементов, контролируемо модифицированные функциональными молекулами, мицеллами или биологическими объектами субмикронных размеров
Наноматериалы
Наноструктуры
Продукты нанотехнологий
Получение, диагностика и сертификация наноразмерных систем
Объекты, относящиеся к сфере нанотехнологий
Технология
Наука
(Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО»)


Оригинал статьи 'биологические моторы' на сайте Словари и Энциклопедии на Академике