Sähköinen dipoliteoria ja aktomyosiinin molekyylimoottori

lihassupistuksessaMarkku Lampinen & Tuula NoponenTKK, soveltavan termodynamiikan

laboratorioJ Theor Biol 2005, 236:397-421

MyomesinNebulin Titin

Α-actinin,CapZ

Thick filament(myosin) Thin filament(actin) Z line

Aktiini-myosiini-kompleksi

ActinTropomyosin Ca2+ binding site

Troponin complex

Myosin binding sites blocked, muscle cannot contract

Myosinbinding site

Myosin binding site exposed; muscle can contract

G-ActinTroponin

Pi ADP

Myosin head

Tropomyosinblocks bindingsite on G-actin

Power stroke

Tropomyosin shifts,exposing bindingsite on G-actin

ADP

G-actin moves

Cytosolic Ca2+

Sähköteoria

1. Miten kemiallinen energia varastoituu elektrostaattiseen muotoon myosiinisysteemissä?

2. Miten se sitten muutetaan työksi?

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 (pi)

2. Sähköisen energian väheneminen muutetaan mekaaniseksi työksi myosiinipään rotaatioliikkeessä, kun dipolit (pi ) ovat vuorovaikutuksessa ATP:n potentiaalikentän kanssa (V0) ja aktiinin potentiaalikentän kanssa

Toimintaperiaate …

3. Hydrolyysireaktio palautuu alkuperäiseen dipolimomenttiin (p0)

4. Jäljelle jäänyt ADP:n dipolimomentti on pieni ja palauttaa negatiivisen sähköisen energian alkutilaan

5. ADP:n irtoaa myosiinipäästä ja syklinen prosessi alkaa alusta.

Miten selvitettiin?

• Laskettiin myosiinisysteemin sähköinen energia derivoimalla

• Data saatiin aiemmin julkaistuista:ATP (p0 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 p0 ja pi välillä

M 16pN nm

• Tämä voima saa myosiinipään toimimaan saksenmuotoisena dipolimoottorina

Sarkomeeri

• Pinta-ala 1620 nm2

• Pituus 2-3 m• Tilavuus 4.9·10-21m3

Molekyylimekanismi

• Despopoulos & Silbernagl (1991)

• Ca2+ 1-10 mol/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

Gibbsin vapaan energian muutos

• ATP:n hydrolyysi Kodama (1985)

• Molatiliteetti oletetaan mATP = 1.4 mmol/kgmADP = 0.2 mmol/kg

Sähkötermodynaaminen systeemi

ATP:n dipolimomentti

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)

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