Наука и технологии

Физики не смогли объяснить энергетическую неэффективность кинезина

image

giphy.com

Японские физики измерили с помощью оптического пинцета, какая часть энергии АТФ расходуется на движение «шагающего белка» кинезина и нагрев окружающей среды. Оказалось, что «полезная работа» составляет менее 20 процентов от химической энергии АТФ.

После этого ученые разработали теоретическую модель и воспроизвели экспериментальные данные, однако так и не смогли найти качественное объяснение для таких высоких потерь. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Моторные белки играют очень важную роль в биологических процессах, превращая химическую энергию в энергию движения (поэтому их часто называют биологическими моторами). Благодаря этим белкам делятся клетки, сокращаются мускулы, синтезируются новые белки и аминокислоты. Один из самых важных моторных белков — это кинезин-1, который «шагает» по поверхности внутриклеточных микротрубочек и перетаскивает мембранные пузырьки с грузом. Каждые несколько миллисекунд кинезин отрывает одну из своих «ног» от поверхности трубочки, переставляет ее и прикрепляет в следующей точке — из-за этого его иногда называют «шагающим белком». За секунду кинезин успевает сделать более сотни шагов. Благодаря кинезину клетка может участвовать в митозе и мейозе (то есть делиться на части), а отдельные ее органоиды — митохондрии или везикулы — перемещаются между различными частями клетки. Подробнее про работу кинезина и других биологических моторов можно прочитать в материалах «Машина из пробирки» и «Нанороботы внутри нас».

Каждый раз, когда кинезин делает шаг и заново прикрепляется к подложке, он должен затратить энергию, поэтому для работы моторного белка необходимо своеобразное «топливо». В качестве такого «топлива» выступает молекула аденозинтрифосфат (АТФ), который окисляется до аденозиндифосфата (АДФ) и выделяет около 8,5×10−20 джоулей энергии. Наблюдения за движением кинезина показывают, что на каждый шаг белок тратит одну молекулу АТФ. В среднем, длина шага составляет около восьми нанометров, а максимальная тяга, которую может создать белок, не превышает семи пиконьютонов. Таким образом, для перемещения кинезина было бы достаточно 7×8 пиконьютон на нанометр, то есть всего 5,6×10−20 джоулей энергии. Получается, что около половины химической энергии расходуется «в никуда». Более того, обычно кинезин не шагает в одном направлении — при больших нагрузках белок часто делает шаги в обратную сторону, и его эффективная скорость сильно снижается.

Группа ученых под руководством Такаюки Арига (Takayuki Ariga) установила, на какие процессы кинезин расходует энергию АТФ. Чтобы корректно разделить энергии и упростить себе задачу, исследователи рассматривали только низкие нагрузки, при которых кинезин практически не делает шагов в обратную сторону. Для этого ученые прикрепляли к свободному концу кинезина наночастицу размером около 490 нанометров и тянули ее с помощью оптического пинцета — сфокусированного лазерного пучка, который действует на частицу с помощью градиентной силы. Более подробно про оптический пинцет можно прочитать в материале «Скальпель и пинцет». Чтобы измерить отклик кинезина на внешнее воздействие, физики тянули его с постоянной силой около двух пиконьютон и накладывали на нее колебания, амплитуда которых составляла примерно 20 процентов от постоянной силы. По этому отклику ученые могли не только измерить тягу белка, но и определить его положение на подложке.

 

Схема эксперимента Takayuki Ariga et al. / Physical Review Letters, 2018

После этого ученые измерили корреляции между скоростями движения кинезина при различных концентрациях АТФ в окружающей жидкости. Используя равенство Харада—Саса (Harada-Sasa equality) и дополняя его соотношением между флуктуациями и откликом (fluctuation-response relation), ученые рассчитали, какая часть энергии идет на совершение полезной работы, преодоления сопротивления вязкости жидкости или нагревание белка. Оказалось, что и в случае низкой, и в случае высокой концентрации АТФ на движение тратится около 20 процентов энергии, на нагревание — около 80 процентов, а потерями на вязкое трение можно пренебречь. Таким образом, кинезин — очень неэффективный мотор, особенно в сравнении с такими белками, как АТФ-синтаза (F1-ATPase), которая превращает в полезную работу около ста процентов химической энергии

 

Затем физики попытались разработать теоретическую модель, которая объясняет высокий уровень потерь. Для этого ученые описали кинезин марковской моделью с двумя состояниями и тремя возможными путями перехода между состояниями. Решая возникающие уравнения движения, физики рассчитали корреляционную функцию между скоростями и связали ее с параметрами кинезина, найденными из опыта. Оказалось, что теория довольно хорошо сходится с практикой. Тем не менее, интерпретировать эти уравнения ученые не смогли. Несмотря на то, что получившаяся модель несимметрична, списать потери энергии на эту особенность нельзя — в эксперименте кинезин практически не делал обратных шагов, но все равно продолжал нагреваться. Кроме того, нагрев нельзя объяснить мягкостью подложки, то есть «увязанием» белка. Хотя отношение «полезной» и «потерянной» энергии в этом предположении совпадают, отклик белка совпадает с экспериментально измеренной зависимостью только на низких частотах. Поэтому авторы заключают, что об энергии АТФ можно сказать только то, что она теряются внутри белка, а не расходуется на его движение.

В ноябре 2015 года исследователи из Германии и Польши обнаружили, что в определенных условиях и вязкости среды кинезин останавливает свое движение при сопротивлении в 70 000 раз меньшем, чем максимальная нагрузка, которую он может нести. Это указывает на то, что движение кинезина скорее хаотично, чем упорядоченно. В том же месяце американские ученые разработали наноразмерную «машину», которая умеет двигаться в любом направлении по неровной поверхности. В отличие от природных «машин», таких как кинезин, эта молекула не изменяет состав субстрата, по которому шагает.

Дмитрий Трунин

Источник

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s