Motorproteiner

Rörelse används i många situationer. Det handlar inte bara om de stora rörelserna som våramuskler utför utan också de små som sker i cellerna vid t.ex. transport och celldelning.Energin som går åt vid dessa rörelser tas från molekylen adenisontrifosfat, ATP. De proteinersom omvandlar den kemiska energin i ATP till kinetisk energi kallas motorproteiner. Ettannat sätt att röra sig är att använda sig av energi lagrad i en protongradient.

Det finns huvudsakligen tre olika familjer av motorproteiner; myosin, kinesin och dynein.Myosin är motorproteinet i musklerna. Det interagerar med aktin för att framkalla rörelse.Kinesin används i cellerna vid transport av ämnen och vid kromosomdelning. Kinesinanvänder sig då av microtubuli istället. Dynein ger rörelse åt flageller eller cilier hosmikroorganismer.

Motorproteiners molekylära struktur - Familjen P-loop-NTPas

Alla dessa tre proteiner har alla liknande struktur och tillhör proteinfamiljen P-loop NTPas. P-loop står för en loop i proteinet som binder ihop en betasträng med en alfahelix. NTP står fören molekyl med en nukleotidtrifosfatbindning, t.ex. ATP eller GTP.Många viktiga proteiner tillhör denna familj, bl.a. de som de som är aktiva vid ATP-generering och signalöverföring. Anledningen till att alla dessa proteiner har just den härstrukturen är att de genomgår en stor konformationsändring vid bindning av entrifosfatbindning till P-loopen.Loopen består av aminosyrasekvensen Gly-X-X-X-X-Gly-Lys. Loopen binder gärna till enfosfatbindning vilket gör att den lätt binder till ATP eller GTP. Det som sker är attvätebindningar bildas från NH-grupper i huvudkedjan hos loopen till syre i fosfatgrupperna.Det bildas också en vätebindning från lysin i loopen, och det är därför just den aminosyran ärbevarad i alla proteiner i familjen.Vid bindning av NTP fälls p-loopen ner över fosfatgrupperna. Sedan reagerar två andra looparkallde switch 1 och 2 med _-fosfatgruppen. Dessa sitter fast i en alfahelix, kallad ”relay helix”

Figur 1. Konformationsändringen vid bindning av NTP

som då ändrar läge. Helixen är fäst vid ett komplex, som genom den lilla rörelsen helt ändrarläge.Märk att om NDP skulle binda till p-loopen istället skulle switch 1 och 2 inte ha något attreagera med, eftersom gammafosfatgruppen skulle vara frånvarande. Vid hydrolys av NTP tillNDP återtar switch 1 och 2 alltså sina ursprungliga lägen och konformationsändringen gårtillbaka. Se figur 1.

Myosin består av en dubbeluppsättning av en tung kedja, en lätt kedja och en reglerande lättkedja. P-loopen sitter inuti den tunga kedjan. Från de tunga kedjorna går två långa alfahelixarsom snurrar sig runt varandra. Vid början av denna svans sitter de lätta kedjorna för att ge detunga kedjorna stadga och tjocklek. Varje huvud kan fungera självständigt från varandra. Sefigur 2.

När ATP binder till p-loopen ändrar alltså relayhelixen läge. Helixen är fäst vid en långalfahelix kallad hävarmen. Denna vrider sig då ca 90 grader. Hävarmen är direkt fäst vidmyosins långa alfahelixsvans. Denna konformationsändring minskar affiniteten för aktin ochhäver huvuddelen av myosin framåt. Då kopplas myosin loss från aktin och förflyttar siglängs aktinspåret.

Kinesin är tre gånger mindre än myosin men består också av två stycken huvuddomäner.Dessa kan röra sig i förhållande till varandra och på så sätt transportera sig längs mikrotubuli.Kinesin behöver inte ha några lätta kedjor och om det har det så binder de inte vid sammaställe som hos myosin.

Figur 2. Myosins struktur.

Kinesin har inte heller en hävarm. Istället kopplas relayhelixen till en så kallad "neck linker"som kopplar ihop de två delarna av kinesin vid bindning till ATP och då sker enkonformationsändring (figur 3). ATP ökar alltså affiniteten hos kinesin för mikrotubuli. Pådetta sätt rör sig kinesin över mikrotubuli.

Figur 3. Kinesin med och utan ATP.

Rörelseproteiner i muskeln

En muskel utgörs av långa celler som är fästade i skelettet. Muskelcellen består avmyofibriller som i sin tur består av myofilament. Dessa innehåller tjocka och tunna filament.De tjocka består av mestadels av myosinmolekyler och de tunna av aktin, tropomyosin och

Figur 4. En muskels uppbyggnad.

troponinkomplex. Det är dessa som har gett muskulaturen namnet tvärstrimmig. Ensammanhängande enhet av myosin och aktin kallas för en sarkomer. Se figur 4.

Aktin är en polär polymer. Varje monomer innehåller fyra domäner som bildar ennukleotidbindningsficka för ATP eller ADP. Flera aktinmonomerer bildar tillsammansaktinfilament.Kd (dissosiationskonstanten) definierar om polymerisatinonsreaktionen kommer att händaeller inte. Eftersom [An] ≈ [An+1] kommer Kd ≈ [A]. Så polymerisation kommer att fortsättatills monomerkoncentrationen är reducerad till Kd. Om den blir lägre än Kd kommerfilamenten att sönderfalla tills Kd-värdet är nått igen.

Kd = [An][A] / [An+1]

A = en aktinmonomerAn = ett aktinfilament med n subenheterAn+1 = det bildade aktinfilamentet

Koncentrationen av fria aktinmonomerer i celler är kontrollerat av flera mekanismer. T.ex. ettprotein, b-thymosin, binder till aktinmonomerer och inhiberar polymerisation.

Vid en muskelrörelse hakar de smala och tjocka filamenten in i varandra, drivet av hydrolysav ATP. Desto fler sarkomerer som drar ihop sig, desto större blir muskelrörelsen.Tropomyosin och troponinkomplexet reglerar glidningen efter nervimpulser. En nervimpulsleder till ökad kalciumjonkoncentration i muskeln. Kalciumjonerna binder tilltroponinkomplexet. Då aktiveras ATPas och ATP binds till myosinhuvudena. Detta resulterari en konformationsförändring, även kallad ”hävarmen”. Denna konformationsförändringflyttar myosinhuvudet längst aktinfiliamentet (≈110Å). ATP hydrolyseras till ADP + Pi menstannar bundet till myosin. Då kan myosinhuvudet binda till ytan av aktin vilket resulterar i attfosfatgruppen släpps från myosin. Då sker en konformationsförändring som leder till ökadaffinitet för myosinhuvudet till aktin och tillåter myosin att flytta sig tillbaka till dessursprungliga position. Konformationsförändringen i samband med att fosfatgruppen släpps ärsjälva muskelrörelsen. Se figur 5.

Figur 5. Myosin flyttar sig längst aktinfilament i muskler.

Myosin har en viktig roll i muskler men andra typer av myosin finns också i andra biologiskasamanhang. En mutation hos myosin kan leda till hörseldefekter hos både möss ochmänniskor. Ett exempel är Usher syndromet som resulterar i hörselskador och synskador.

Kinesin

I cytoskelettet i celler finns mikrotubuli som fungerar som spår för motorproteiner en av dessaär kinesin. Kinesin transporterar olika ämnen från cellens center till dess periferi. För attkunna göra detta använder kinesin mikrotubuli som en slags räls för att kunna ta sig framåt.Se figur 6.

Figur 6: Schematisk bild av helixstrukturen hos en mikrotubuli.

Mikrotubuli består av två 50-kd subenheter som är homologa se figur 7. Dessa kallas a- ochb-tubulin och deras tredimensionella struktur är väldigt lika. Tubuliner hör till familjen P-loopNTPas och har en nukleotidbindningsyta i P-loopen. a- och b-tubulin bygger upp mikrotubulitill en ihålig cylinder. Den yttre diametern på cylindern är ca 30 nm och är alltså mycketstörre än aktin. Mikrotubuli är polär, en ände är minusänden och sitter nära cellens center.Den andra änden, plusänden sträcker sig mot cellens yta. Mikrotubuli är också huvud-komponenter i cilier och flageller som finns i en del eukaryota celler t.ex. spermier som tar sigfram m.h.a. en flagell som består av mikrotubuli.

När en kinesinmolekyl ska röra sig längs med en mikrotubuli samarbetar de två huvud-grupperna i molekylen, först binder det ena och sedan det andra. En kinesinmolekyl kan tamånga steg innan båda huvudena släpper samtidigt. En kinesinmolekyl går ungefär hundraeller ännu fler steg mot plusänden på mikrotubuli på bara ett par sekunder innan den släpper.Ett steg är ca 80 Å vilket är lika långt som avståndet mellan en a- och b-subenhet längsprofiliamentet.

Figur 7: Kinesins rörelse längs med mikrotubuli.

Till skillnad från myosin så ökar affiniteten av kinesin för mikrotubuli när ATP tillsätts,annars är rörelsemekanismen ganska lika mellan kinesin och myosin se figur 8. I början finnsen tvåhövdad kinesinmolekyl i ADP-form, skild från mikrotubuli. När ADP är bundet är ”theneck linker” fri. När ett av huvuddomänen interagerar med en tubulin på mikrotubuli stimu-lerar det frigörelse av ADP från detta huvud vilket följs av bindandet av ATP. Bindningen avATP leder till en konformationsförändring i huvuddomänet. Detta gör att affiniteten förhuvuddomänet till mikrotubuli ökar och ”the neck linker” binder till huvuddomänet. Närdenna förändring sker tar det andra huvuddomänet ett steg framåt, mot plusänden. Samtidigthydrolyseras ATP till ADP + Pi i det första huvuddomänet. När det andra huvuddomänetbinder till mikrotubuli frigör det första huvudet ADP och binder ATP. När ATP binds sker enkonformationsförändring som flyttar fram det första huvuddomänet. Denna process kanfortsätta i många cykler tills båda huvudena är i ADP-form samtidigt vilket göt att kinesinsläpper från mikrotubuli. Se figur 7.

Hastigheten för kinesin att hydrolysera ATP är ca 80 molekyler per sekund och eftersomkinesin går ca 80 Å per ATP-molekyl är hastigheten för kinesin att röra sig längs medmikrotubuli ca 6400 Å per sekund. Kinesin rör sig långsammare än myosin men kinesinuppnår en stabilare transport i en riktning.

Charcot-Marie-Tooth´s sjukdom (CMT) är en ärftlig sjukdom� som drabbar 1 på 2500personer och orsakar svaghet och smärta i händer och fötter. Denna sjukdom beror på enmutation i kinesin som heter KIF1B_. Mutationer i andra kinesingener kan orsaka schizofreni.

En roterande motor driver bakteriernas rörelse Bakteriernas motorproteiner skiljer sig en del från eukaryoter. På ungefär en sekund kan enbakterie simma fram 25mm (eller tio kroppslängder), vilket motsvarar att en människa lättskulle kunna springa en hundra meters sträcka på 5 sekunder. Bakterier rör på sig med hjälpav sina flageller (som sitter fast på ytan) som kan samla ihop sig till en effektiv propeller.Hållet på rotationen kan ändras snabbt, vilket är ett typiskt kännetecken på kemiskrörelse, såatt bakterien kan simma till ökande koncentration av användbara ämnen och iväg från farliga. Bakteriernas flageller är ungefär 15 nm i diameter och 15 mm långa och sammansatt avsubenheter i form av ett protein som kallas flagellin. Subenheterna binds samman till enspiralstruktur som kallas flagellum och har 5,5 subenheter per varv som bildar en ihålig kärna.Varje flagellum är vänsterhands vridna och vid dens bas finns en rotations motor. Närflagellerna växer bildas nya subenheter inuti kärnan och skickas sedan ut för att fastna på denfria änden.

Figur 8: En schematisk bild av flagellmotorn, en komplex struktur. Flagellmotorn är en fullkomlig komplexstruktur innehållande så många som 40 olikaproteiner. Det finns fem stycken speciella komponenter som är avgörande till att driva motornse figur 8. MotA är ett membranprotein som består av fyra transmembranhelixar och ettcytoplasmisktdomän. MotB är ett annat membranprotein som består av en transmembranhelixoch en stor ”periplasmic” domän. 11 stycken MotA-MotB par bildar en ring runt basen påflagellum. Proteinerna FliG, FliM och FliN är en del av en skivformad struktur som bildats avungefär 30 stycken FliG subenheter och kallas för MS (membran och supermembran) ringen.MotA-MotB paret och FliG samverkar till att skapa en protonkanal som ska driva rotationenav flagellum.

Protonflöde driver flagellernas rotation

Figur 9: (A) MotA-MotB parets transmembranstruktur med sina halvkanaler till protonerna.(B) Protonerna kommer in i den yttrehalvkanalen, snurrar flagellen medsols och flyttarprotonen till den inrehalvkanalen och släpper sedan ut protonerna igen in i cellen. Den viktiga fria energin uppstår från en protongradient som förekommer i plasmamembranetp.g.a. ett protonflöde som sker från utsidan av cellen till insidan. Paret MotA-MotB samtproteinet FliG, som fungerar som en protonbärare, samarbetar tillatt göra en protonkanal somkan driva rotationen av flagellen, se figur 10. För att få MS-ringen att snurra behövs MotA-MotB-paret till att forma en transmembran struktur som innehåller två stycken halvkanaler tillprotonerna. Protonerna från utrymmet mellan inner och yttermembranet hamnar i den yttre avde två halvkanalerna och transporteras till en FliG subenhet. MS-ringer roterar och tarflagellum med sig runt och låter protonen passera in i den inre halvkanalen och vidare in icellen.

Litteraturförteckning

http://www.lvn.se/medrehab/ovrigt/cmt.htm 2004-06-01Biochemistry (fifth edition), L.Stryer, 2002, Freeman and Company.