Ministerstwo Głupich Kroków? W każdej twojej komórce!

W skeczu Monty Pythona John Cleese porusza się w niedorzecznie dziwaczny sposób, jako urzędnik w Ministerstwie Głupich Kroków. Jego ruchy śmieszą, bo na co dzień nawet nie przychodzi nam do głowy, że można poruszać się w tak niestandardowy sposób. Jak na ironię, kuriozalne kroki okazują się powszechne – i to w każdym z nas.

Badania nad transportem wewnątrzkomórkowym, przeprowadzone przez Instytut Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie we współpracy z Technische Universität Dresden, wyjaśniają mechanizm ruchu kinezyny, białka odpowiadającego za transport dużych cząsteczek wewnątrz komórek ssaków. "Dość nieoczekiwanie, z badań wypłynął dodatkowy wniosek: w Ministerstwie Głupich Kroków kinezyna miałaby szanse na fotel ministra" - skomentowano w przesłanym PAP komunikacie IChF PAN o badaniach.

JAK PO SZACHOWNICY

Transport wewnątrzkomórkowy zachodzi wzdłuż włókien cytoszkieletu, struktury wykształcanej przez komórki eukariotyczne (posiadające jądro komórkowe). Włókna tworzące sieć – mikrotubule – są zbudowane ze skręconych spiralnie w długie rurki polimerów białka tubuliny. Ponieważ każda „cegiełka” polimeru, czyli monomer, składa się z pary alfa-tubulina i beta-tubulina, wzdłuż mikrotubuli domeny alfa i beta są ułożone naprzemiennie, jak czarno-białe pola wzdłuż długości zwiniętej w rulon szachownicy.

W komunikacie IChF PAN wyjaśniono, że mikrotubule to drogi, po których poruszają się wewnątrzkomórkowe ciągniki: cząsteczki kinezyny. Transport jest możliwy, bo jedna część kinezyny jest wyposażona we fragmenty chętnie wiążące się do innych, nawet bardzo dużych cząsteczek, podczas gdy druga część, napędowa, składa się z elastycznego łącznika, tzw. linkera, spinającego dwie „nóżki”, czyli ruchome domeny zdolne do „stąpania” po „polach szachowych” mikrotubuli. Nóżki są przy tym tak duże, że kinezyna może stąpać tylko po co drugim monomerze (a więc po polach tego samego koloru).

„Kinezyna chodzi po mikrotubuli. Lecz jak? Aby zrozumieć problem wystarczy zdać sobie sprawę, że kinezyna nie wędruje po mikrotubuli jak człowiek po chodniku. Jej ruchy bardziej przypominają to, co robi alpinista wspinający się bez zabezpieczenia po pionowej ścianie: jeden błąd – i można odpaść” - mówi prof. Robert Hołyst z IChF PAN i pyta: „Skąd kinezyna wie, że może uwolnić jedną nogę bez ryzyka oderwania się od mikrotubuli? Przecież to nie zwierzę wyposażone w oczy i mózg, a prosta cząsteczka! Skąd tak naprawdę bierze energię do postawienia kroku?”.

W doświadczeniach spróbowano zwiększać lepkość otoczenia kinezyny za pomocą niewielkich cząsteczek mogących zderzać się bezpośrednio z jej nóżkami. Eksperymenty te przeprowadzono w laboratoriach prof. Stefana Dieza w B CUBE Center for Molecular Bioengineering w Technische Universität Dresden. Pozbawiona ładunku kinezyna zwalniała już przy lepkości otoczenia pięciokrotnie przewyższającej lepkość wody. Dysponując metodą kontrolowania ruchu kinezyny, naukowcy z IChF PAN wykonali kolejne eksperymenty, które dostarczyły danych potwierdzających poprawność jednej ze znanych wcześniej propozycji mechanizmu ruchu kinezyny.

KROK SKOMPLIKOWANY, ALE CZY GŁUPI?

Jak więc kinezyna chodzi po mikrotubulach? Cykl ruchu zaczyna się, gdy jedna nóżka kinezyny jest przyczepiona do mikrotubuli, a druga, z dołączonym ADP (produktem hydrolizy cząsteczek ATP), pozostaje swobodna. W takiej konfiguracji uwolniona nóżka, oddziałując z otoczeniem, wykonuje przypadkowe ruchy (Browna). Ich zasięg jest jednak niewielki, nie wystarcza na dotarcie nad kolejną domenę na mikrotubuli i kinezyna tkwi w miejscu. Wszystko się zmienia, gdy do przyczepionej nóżki dołączy cząsteczka ATP. Kinezyna staje się bardziej elastyczna i ruchy swobodnej nóżki mają większy zasięg. Miotając się na wszystkie strony, nóżka czasami naciąga kinezynę tak bardzo, że może sięgnąć kolejnej domeny na mikrotubuli. Wtedy opada i wiąże się z podłożem, uwalniając ADP, po czym zamiera do momentu, gdy dojdzie do hydrolizy ATP przy nóżce z tyłu. ATP przekształca się w ADP uwalniając energię, która odrywa nóżkę – i cykl się zapętla.

„Zatem ATP, główne źródło energii w komórkach, wcale nie jest źródłem energii ruchu kinezyny!” - stwierdza dr Krzysztof Sozański z IChF PAN. i wyjaśnia: „Hydroliza ATP jedynie uwalnia nóżkę. Ta przemieszcza się chaotycznie, wskutek przypadkowych interakcji z otoczeniem, aż do momentu, gdy trafi nad kolejne pole szachowe na mikrotubuli. Tak naprawdę to otoczenie napędza kroki kinezyny!”.

Czas dyfuzyjnego ruchu nóżki kinezyny to ok. 2 ms, podczas gdy czas przyłączania/odłączania ATP to ok. 10 ms. Umiejętnie podnosząc lepkość, naukowcy z IChF PAN wydłużyli pierwszy czas do ok. 10 ms i w efekcie zniszczyli synchronizację między obu procesami. Kinezyna zamarła.

Badania nad ruchem kinezyny, sfinansowane m.in. z grantu MAESTRO Narodowego Centrum Nauki, mają istotne znaczenie dla biologów, ale także dla inżynierów i chemików zajmujących się silnikami molekularnymi. Kinezyna jest bowiem pod względem budowy bardzo podobna do miozyny, białka, w którym dzięki energii uwolnionej z ATP dochodzi do zmiany budowy cząsteczki i wygenerowania siły (to właśnie ten mechanizm odpowiada za kurczenie się naszych mięśni). Tymczasem ruch kinezyny ma zupełnie inną naturę: jego źródłem jest zjawisko dyfuzji nóżek. „Tak różne źródła ruchu u tak podobnych cząsteczek powinny skłaniać do ostrożności projektantów silników molekularnych. Skłaniać do ostrożności – ale i inspirować” - podsumowuje prof. Hołyst.

Skecz Monty Pythonów o Ministerstwie Głupich Kroków

Cały komunikat dostępny jest na stronie IChF PAN.  

PAP - Nauka w Polsce

lt/ mki/