Необычный энзим
Энзим АТФ-синтаза предназначен для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (Н+) через мембрану клетки, чем обеспечивает стабильный внутриклеточный рН цитоплазмы. Ученые установили, что при гидролизе АТФ одна из частей энзима совершает вращательное движение. Тогда у исследователей-нанотехнологов и возник интерес к этому необычному энзиму.
АТФаза состоит из двух отдельных частей: (1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, ответственной за транспорт протонов, и (2) F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ (см. рис.1).
Рисунок 1. Строение и модель энзима АТФаза
По мере того как протоны протекают через F0 часть энзима, γ-субъединица части F1-ATФазы вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении γ-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов меняется на обратное. Субъединицы a, b, и c части F0-АТФазы формируют канал переноса протонов через клеточную мембрану. Места катализа и присоединения нуклеотидов были обнаружены исследователями (Kinosita и др., 1998) на трех а и трех b субъединицах части F1-ATФазы. γ-субъединица расположена в центре гексамера α3β3 и вращается при синтезе или гидролизе АТФ.
Самое удивительное заключается в том, что АТФаза представляет собой полную аналогию макроскопических моторов, сделанных человеком, которые тоже состоят из ротора и статора.
Группа исследователей из Корнелльского университета во главе с Карло Монтеманьо попыталась интегрировать этот природный наномотор [1] в НЭМС. Исследователям удалось измерить радиальное отклонение микросферы при вращении субъединицы, когда они присоединили флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к γ-субъединице АТФазы (см. рис.2).
Рисунок 2. Строение наномотора и микрофотографии радиального отклонения микросферы
При добавлении к набору получившихся наномоторов 2 мM Na2ATФ и при присутствии в растворе 4 мM MgCl2 дифференциальным интерферометром наблюдалось вращение микросферы, составляющее 9.5-10.5 Гц, или 3-4 об/сек. Причем вращение представляло собой дискретные изменения угла, образованного γ-субъединицей и α3β3 - комплексом, каждый раз на 120°.
Дальнейшие исследования будут направлены на изучение инженерных свойств мотора и его производительности. Это необходимо для дальнейшей разработки функционирующих наномеханических устройств, приводимых в движение F1-АТФазой. Нужно, например, определить зависимость производительности мотора как обобщенную функцию от теплоотдачи, выхода протонов, рН, загрузки энзима молекулами АТФ. Более того, необходимо изучить взаимодействие между субъединицами α3β3γ, чтобы в будущем методами протеиновой инженерии улучшить производительность мотора, если это будет возможно.
АТФсинтаза является своего рода рекордсменом среди молекулярных моторов своей "весовой категории". По эффективности работы и развиваемой ею силе она существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Так, например, молекула АТФсинтазы приблизительно в 10 раз сильнее актомиозинового комплекса - молекулярной машины, специализирующейся в клетках мышц и различных органах на "профессиональном" выполнении механической работы. Таким образом, за сотни миллионов лет до того, как появился человек, который изобрел колесо, преимущества вращательного характера движения были успешно реализованы Природой на молекулярном уровне.
Немного больше о технологиях >>>
Проблемы квазистатической электродинамики
В
работах [1], [2] мы показали, что условием выполнения градиентной
инвариантности (эквивалентность калибровки Лоренца и кулоновской калибровки)
является жесткое ограничение на источники полей в уравнениях Максвелла. Заряды
и токи в этих уравнениях должны перемещаться со скорос ...
Стратегия «золотой середины»
Выработанная
веками народная мудрость, правило поведения или закон природы? Ниже я
постараюсь показать, что это такой же универсальный закон природы как, скажем,
закон всемирного тяготения.
Понятие
золотой середины далеко не ново. О нем писали еще Конфуций (551...479 до н.э. ...
