Пит.56. Уявлення про молекулярні машини.

Молекулярні машини ñ білкові молекули чи, частіше, макромолекулярні комплекси, утворені за участю білків, які здатні здійснювати спрямовані рухи. Робота таких машин забезпечує переміщення клітинних структур та органел, зміну форми клітин, активне переміщення клітин, активний транспорт через мембрану проти градієнтів концентрації, м'язові скорочення, переміщення полімераз уздовж матриці при синтезі біополімерів тощо. Усе це потребує енергії, джерелом якої також є АТР. Узагалі машина ñ це пристрій для перетворення тієї чи іншої форми енергії в рух. Звичайна механічна машина перетворює будь-яку енергію в механічну, умовою заощадження механічної енергії при цьому є висока інерція (маса) частин машини і певна їхня жорстка взаємна орієнтація. Точніше, конструкція машини зумовлює рухи її частин тільки по певних заданих траєкторіях. Молекулярна машина, на відміну від макроскопічної механічної машини, по-перше, маленька, тобто піддається тепловому руху своїх власних частин і зовнішніх молекул, що робить неможливим заощадження механічної енергії. По-друге, вона побудована з полімерів, а це означає, що її частинам притаманна конформаційна рухливість. Проте внаслідок того, що молекула білка має певну досить жорстку просторову організацію, конструкція молекулярної машини допускає не будь-які, а певним чином спрямовані у просторі рухи її частин. Саме ці особливості молекулярної машини й використовуються для її роботи. Основні принципи цієї роботи:

• Конформаційна рухливість молекулярної машини забезпечує їй можливість існувати в кількох структурних станах (двох-трьох), які розрізняються головним чином на рівні просторового розташування великих структурних блоків доменів або субодиниць.

• Структурні стани мають різну спорідненість до певних лігандів. Взаємодії з лігандами (факторами) фіксують певні стани.

• Хімічні реакції, які каталізуються машиною, приводять до заміни лігандів, а відповідно ñ і до переходу в інший структурний стан.

• Рушійною силою для переміщення блоків є тепловий рух: блоки рухаються хаотично (хоча й у відповідності з конструкцією машини); зв'язування лігандів та заміна їх унаслідок реакцій каналізують ці рухи в певних напрямках.

• Результатом структурних перебудов є переміщення структурних блоків у просторі та / або зміна характеру взаємодії машини зі своїм оточенням рух або всієї машини, або відносний рух її частин.

Загальний принцип перемикання структурних станів є точно таким, як і мех. фіксації станів, де використовується енергія зв'язування з лігандом. Як ліганд часто використовується саме АТР та продукти його гідролізу. Реакція гідролізу є просто засобом змінити ліганд ñ і перемкнути структурні стани. Вільна енергія гідролізу визначає ймовірність проходження реакції, а відповідно й імовірність перемикання конформацій білка. Типовий елементарний приклад роботи молекулярної машини: структурна форма А зв'язує АТР з високою спорідненістю; спрацьовує АТРфазний каталітичний центр ADP, що виникає внаслідок гідролізу, має підвищену спорідненість до форми В відбувається структурна перебудова. Потім ADP витісняється новою молекулою АТР, і цикл повторюється. Приблизно за такою схемою працює, наприклад, актоміозинів комплекс у м'язових. Міозиновий філамент складається з молекул міозину великого білка досить складної структури. Від основи цього філаменту відходять глобулярні домени міозину головкиГоловка має спорідненість до АТР і містить АТРазний каталітичний центр. Зв'язування АТР фіксує головку в структурному стані, який не має спорідненості до філаменту, що складається з молекул іншого білка ñ актину. Після гідролізу АТР нові ліганди ñ ADP і неорганічний фосфат фіксують інший стан: головка зв'язується з актином, відхиляючись ліворуч. Третій стан головки індукується окремою молекулою ADP після дисоціації фосфату: зміщення головки праворуч без втрати зв'язку з актином. У результаті актиновий філамент зсувається разом із головкою. Далі ADP витісняється новою молекулою АТР, і все повторюється. Актиновий філамент при дисоціації головки не повертається назад, оскільки фіксується іншими головками, що перебувають на інших стадіях свого робочого циклу. Інші приклади роботи молекулярних машин розглядаються в наступних розділах.