Motorproteiner. Motorproteiners molekylära struktur - Familjen P-loop-NTPas

Transkript

1 Motorproteiner Rörelse används i många situationer. Det handlar inte bara om de stora rörelserna som våra muskler 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 proteiner som omvandlar den kemiska energin i ATP till kinetisk energi kallas motorproteiner. Ett annat 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. Kinesin använder sig då av microtubuli istället. Dynein ger rörelse åt flageller eller cilier hos mikroorganismer. 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 för en molekyl med en nukleotidtrifosfatbindning, t.ex. ATP eller GTP. Många viktiga proteiner tillhör denna familj, bl.a. de som de som är aktiva vid ATPgenerering och signalöverföring. Anledningen till att alla dessa proteiner har just den här strukturen är att de genomgår en stor konformationsändring vid bindning av en trifosfatbindning till P-loopen. Loopen består av aminosyrasekvensen Gly-X-X-X-X-Gly-Lys. Loopen binder gärna till en fosfatbindning vilket gör att den lätt binder till ATP eller GTP. Det som sker är att vätebindningar 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 är bevarad i alla proteiner i familjen. Vid bindning av NTP fälls p-loopen ner över fosfatgrupperna. Sedan reagerar två andra loopar kallde switch 1 och 2 med _-fosfatgruppen. Dessa sitter fast i en alfahelix, kallad relay helix Figur 1. Konformationsändringen vid bindning av NTP

2 som då ändrar läge. Helixen är fäst vid ett komplex, som genom den lilla rörelsen helt ändrar läge. Märk att om NDP skulle binda till p-loopen istället skulle switch 1 och 2 inte ha något att reagera med, eftersom gammafosfatgruppen skulle vara frånvarande. Vid hydrolys av NTP till NDP återtar switch 1 och 2 alltså sina ursprungliga lägen och konformationsändringen går tillbaka. Se figur 1. Myosin består av en dubbeluppsättning av en tung kedja, en lätt kedja och en reglerande lätt kedja. P-loopen sitter inuti den tunga kedjan. Från de tunga kedjorna går två långa alfahelixar som snurrar sig runt varandra. Vid början av denna svans sitter de lätta kedjorna för att ge de tunga kedjorna stadga och tjocklek. Varje huvud kan fungera självständigt från varandra. Se figur 2. Figur 2. Myosins struktur. När ATP binder till p-loopen ändrar alltså relayhelixen läge. Helixen är fäst vid en lång alfahelix kallad hävarmen. Denna vrider sig då ca 90 grader. Hävarmen är direkt fäst vid myosins långa alfahelixsvans. Denna konformationsändring minskar affiniteten för aktin och häver huvuddelen av myosin framåt. Då kopplas myosin loss från aktin och förflyttar sig längs 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 samma ställe som hos myosin.

3 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 en konformationsändring (figur 3). ATP ökar alltså affiniteten hos kinesin för mikrotubuli. På detta 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 av myofibriller 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.

4 troponinkomplex. Det är dessa som har gett muskulaturen namnet tvärstrimmig. En sammanhängande enhet av myosin och aktin kallas för en sarkomer. Se figur 4. Aktin är en polär polymer. Varje monomer innehåller fyra domäner som bildar en nukleotidbindningsficka för ATP eller ADP. Flera aktinmonomerer bildar tillsammans aktinfilament. K d (dissosiationskonstanten) definierar om polymerisatinonsreaktionen kommer att hända eller inte. Eftersom [A n ] [A n+1 ] kommer K d [A]. Så polymerisation kommer att fortsätta tills monomerkoncentrationen är reducerad till K d. Om den blir lägre än K d kommer filamenten att sönderfalla tills K d -värdet är nått igen. K d = [A n ][A] / [A n+1 ] A = en aktinmonomer A n = ett aktinfilament med n subenheter A n+1 = det bildade aktinfilamentet Koncentrationen av fria aktinmonomerer i celler är kontrollerat av flera mekanismer. T.ex. ett protein, b-thymosin, binder till aktinmonomerer och inhiberar polymerisation. Vid en muskelrörelse hakar de smala och tjocka filamenten in i varandra, drivet av hydrolys av ATP. Desto fler sarkomerer som drar ihop sig, desto större blir muskelrörelsen. Tropomyosin och troponinkomplexet reglerar glidningen efter nervimpulser. En nervimpuls leder till ökad kalciumjonkoncentration i muskeln. Kalciumjonerna binder till troponinkomplexet. Då aktiveras ATPas och ATP binds till myosinhuvudena. Detta resulterar i en konformationsförändring, även kallad hävarmen. Denna konformationsförändring flyttar myosinhuvudet längst aktinfiliamentet ( 110Å). ATP hydrolyseras till ADP + P i men stannar bundet till myosin. Då kan myosinhuvudet binda till ytan av aktin vilket resulterar i att fosfatgruppen släpps från myosin. Då sker en konformationsförändring som leder till ökad affinitet för myosinhuvudet till aktin och tillåter myosin att flytta sig tillbaka till dess ursprungliga position. Konformationsförändringen i samband med att fosfatgruppen släpps är själva muskelrörelsen. Se figur 5. Figur 5. Myosin flyttar sig längst aktinfilament i muskler.

5 Myosin har en viktig roll i muskler men andra typer av myosin finns också i andra biologiska samanhang. En mutation hos myosin kan leda till hörseldefekter hos både möss och människor. 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 dessa är kinesin. Kinesin transporterar olika ämnen från cellens center till dess periferi. För att kunna 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- och b-tubulin och deras tredimensionella struktur är väldigt lika. Tubuliner hör till familjen P-loop NTPas och har en nukleotidbindningsyta i P-loopen. a- och b-tubulin bygger upp mikrotubuli till en ihålig cylinder. Den yttre diametern på cylindern är ca 30 nm och är alltså mycket större 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 huvudkomponenter i cilier och flageller som finns i en del eukaryota celler t.ex. spermier som tar sig fram m.h.a. en flagell som består av mikrotubuli. När en kinesinmolekyl ska röra sig längs med en mikrotubuli samarbetar de två huvudgrupperna i molekylen, först binder det ena och sedan det andra. En kinesinmolekyl kan ta många steg innan båda huvudena släpper samtidigt. En kinesinmolekyl går ungefär hundra eller 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 längs profiliamentet.

6 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 finns en tvåhövdad kinesinmolekyl i ADP-form, skild från mikrotubuli. När ADP är bundet är the neck linker fri. När ett av huvuddomänen interagerar med en tubulin på mikrotubuli stimulerar det frigörelse av ADP från detta huvud vilket följs av bindandet av ATP. Bindningen av ATP leder till en konformationsförändring i huvuddomänet. Detta gör att affiniteten för huvuddomänet till mikrotubuli ökar och the neck linker binder till huvuddomänet. När denna förändring sker tar det andra huvuddomänet ett steg framåt, mot plusänden. Samtidigt hydrolyseras ATP till ADP + Pi i det första huvuddomänet. När det andra huvuddomänet binder till mikrotubuli frigör det första huvudet ADP och binder ATP. När ATP binds sker en konformationsförändring som flyttar fram det första huvuddomänet. Denna process kan fortsätta i många cykler tills båda huvudena är i ADP-form samtidigt vilket göt att kinesin släpper från mikrotubuli. Se figur 7. Hastigheten för kinesin att hydrolysera ATP är ca 80 molekyler per sekund och eftersom kinesin går ca 80 Å per ATP-molekyl är hastigheten för kinesin att röra sig längs med mikrotubuli ca 6400 Å per sekund. Kinesin rör sig långsammare än myosin men kinesin uppnår en stabilare transport i en riktning. Charcot-Marie-Tooth s sjukdom (CMT) är en ärftlig sjukdom som drabbar 1 på 2500 personer och orsakar svaghet och smärta i händer och fötter. Denna sjukdom beror på en mutation i kinesin som heter KIF1B_. Mutationer i andra kinesingener kan orsaka schizofreni.

7 En roterande motor driver bakteriernas rörelse Bakteriernas motorproteiner skiljer sig en del från eukaryoter. På ungefär en sekund kan en bakterie simma fram 25mm (eller tio kroppslängder), vilket motsvarar att en människa lätt skulle kunna springa en hundra meters sträcka på 5 sekunder. Bakterier rör på sig med hjälp av 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, så att 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 av subenheter i form av ett protein som kallas flagellin. Subenheterna binds samman till en spiralstruktur 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. När flagellerna växer bildas nya subenheter inuti kärnan och skickas sedan ut för att fastna på den fria änden. Figur 8: En schematisk bild av flagellmotorn, en komplex struktur. Flagellmotorn är en fullkomlig komplexstruktur innehållande så många som 40 olika proteiner. Det finns fem stycken speciella komponenter som är avgörande till att driva motorn se figur 8. MotA är ett membranprotein som består av fyra transmembranhelixar och ett cytoplasmisktdomän. MotB är ett annat membranprotein som består av en transmembranhelix och en stor periplasmic domän. 11 stycken MotA-MotB par bildar en ring runt basen på flagellum. Proteinerna FliG, FliM och FliN är en del av en skivformad struktur som bildats av ungefär 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 rotationen av flagellum.

8 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 flyttar protonen till den inrehalvkanalen och släpper sedan ut protonerna igen in i cellen. Den viktiga fria energin uppstår från en protongradient som förekommer i plasmamembranet p.g.a. ett protonflöde som sker från utsidan av cellen till insidan. Paret MotA-MotB samt proteinet FliG, som fungerar som en protonbärare, samarbetar tillatt göra en protonkanal som kan driva rotationen av flagellen, se figur 10. För att få MS-ringen att snurra behövs MotAMotB-paret till att forma en transmembran struktur som innehåller två stycken halvkanaler till protonerna. Protonerna från utrymmet mellan inner och yttermembranet hamnar i den yttre av de två halvkanalerna och transporteras till en FliG subenhet. MS-ringer roterar och tar flagellum med sig runt och låter protonen passera in i den inre halvkanalen och vidare in i cellen. Litteraturförteckning Biochemistry (fifth edition), L.Stryer, 2002, Freeman and Company.