Hay una familia de motores de proteínas macromoleculares que están ampliamente distribuidos en todas las células animales que se utilizan ampliamente para el transporte intracelular. Principalmente transportan vesículas, pero también transportan organelos y proteínas dentro de las células. Los estudios clásicos originales de este fenómeno se realizaron sobre axones de calamar gigante. El axón de calamar gigante proporciona un modelo casi ideal para la investigación experimental sobre el transporte intracelular porque es grande, 100 veces el ancho de un axón mamífero promedio, y accesible. Debido a su gran longitud, el transporte celular desempeña un papel importante, moviendo las proteínas y otros elementos esenciales como organelos, sintetizados en el cuerpo celular, hasta el extremo más alejado del axón.Kenesin-1 fue el motor de proteínas inicialmente identificado y estudiado. Se mueve unidireccionalmente, siempre moviéndose hacia el extremo positivo del microtúbulo. Los microtúbulos tienen un final positivo y negativo. En las células, se orientan como radios de una rueda, irradiando desde el centrosoma, que funciona como un centro organizador microtubular (MTOC). Los extremos negativos están orientados centralmente mientras que los extremos positivos son periféricamente.
Otro motor de proteína ampliamente reconocido que es menos bien entendido que kinesin-1, es dineína. Es un motor proteico orientado negativamente, por lo que se mueve en la dirección opuesta a los microtúbulos. Cuando los motores proteicos llegan a su destino, en este caso en el extremo negativo del microtúbulo, debido a que son unidireccionales, deben ser transportados pasivamente hacia su punto de partida en el microtúbulo. Exactamente cómo los motores de la proteína se encienden y no se entiende. Los motores pueden funcionar a varias velocidades. La velocidad parece depender del tamaño de la carga. Por ejemplo, la velocidad de transporte de una mitocondria está a una velocidad intermedia. Las velocidades de transporte más lentas medidas están en el intervalo de unos pocos milímetros por día.
Una tercera familia de proteínas motoras se conoce como miosinas. De los 20 miembros de esta familia, tres son de importancia en los seres humanos. La miosina I es una molécula de una sola cabeza asociada con las membranas y funciona ampliamente en la endocitosis, proporcionando la fuerza mecánica para constreñir la pared celular durante la división celular. La miosina V tiene dos cabezas, funcionando principalmente en transporte de organelos dentro de las células. La miosina II es probablemente la más extendida y es responsable de proporcionar la fuerza de contracción en los músculos, incluyendo músculo estriado, músculo liso y músculo cardíaco. La parte mecánicamente activa de las moléculas está confinada a los dominios de cabeza y cuello y son alimentadas por ATP. Más notable que la fuerza mecánica producida por la actividad de la miosina, es el asombroso control neuronal y la coordinación de los grupos musculares característicos de toda la función muscular voluntaria. Difícilmente se puede observar a un atleta olímpico o un bailarín de ballet profesional sin experimentar una emoción de inspiración. La actividad muscular más sorprendente se demuestra por el corazón humano que comienza a latir en alrededor de 6 a 7 semanas de gestación. Las mismas células musculares responsables de los latidos cardíacos más tempranos funcionarán continuamente a lo largo de la vida del individuo, batiendo aproximadamente 37 millones de veces al año durante 70, 80, 90 o posiblemente 100 años, para un total de 2,6 a 3,7 mil millones de latidos cardíacos, todos los cuales ocurrieron con prácticamente ninguna conciencia o control consciente.
Estructura y Función de una Nano-Máquina Macromolecular Básica: ATP Sintasa
ATP sintasa: dibujo esquemático
Figura 5, Cortesía de Protein Data Bank
ATP Sintasa: Macromolécula
Figura 6, Cortesía de Protein Data Bank
(Nota: la orientación de la figura 6 está invertida.)
La ATP sintasa es una nano-máquina macromolecular ampliamente distribuida ubicada en las mitocondrias. (Ver figuras 5 y 6.) Es el generador primario de ATP en todo el reino animal. Consiste en dos grandes componentes multi-proteína uno estático, de color naranja, y anclado en la membrana mitocondrial, y el otro móvil, de color verde, y girar mucho como una armadura de un motor.
El componente móvil es una multi-proteína compleja que consiste en 12 (en humanos) moléculas idénticas en forma de tarta, dispuestas en una configuración cilíndrica. Tiene una columna como la estructura de la proteína unida rígidamente de una manera vertical de modo que cuando la estructura cilíndrica, actuando como inducido gira, la columna gira con él como un eje de transmisión. La porción de forma cilíndrica está situada en el plano de la membrana mitocondrial. Cada una de las estructuras de proteína en forma de tarta está marcada c. Su rotación es impulsada por protones que fluyen, uno a la vez, a lo largo de una vía que consta de dos medios canales, que conducen desde el medio exoplasmático a través de la pared mitocondrial y vacian en el medio citosólico interior. Dado que se requiere que un protón gire la armadura por una unidad c, en humanos, se requieren doce protones para producir una rotación completa.
La figura 7, (Cortesía de Protein Data Bank.) Estructura FO, ATP sintasa, vista desde arriba, que muestra la posición 210 en el aminoácido arginina y 61 posición en el ácido amino aspártico. Estos representan los sitios de unión.
A medida que un protón fluye a través del primer medio canal, a aproximadamente a mitad de camino a través de la pared, interactúa con Asp (ácido aspártico) 61 en su sitio de unión no protonado, resultando en equilibrar una carga negativa sobre esta misma cadena lateral del aminoácido. También se equilibra parcialmente con una carga positiva en Arg (arginina) 210 próxima. "El protón llena el sitio vacío de unión al protón y simultáneamente desplaza la cadena lateral Arg 210, que se desplaza hacia el sitio de unión del protón lleno en la subunidad c adyacente. Como consecuencia, el protón unido en ese sitio adyacente está desplazado. El protón adyacente desplazado se mueve a través del medio canal II y se libera en el espacio citosólico dejando un sitio de unión a protones vacío en Asp 61. La rotación a la izquierda de todo el anillo c mueve la subunidad c "vacía" sobre el medio canal I. " (16) La rotación es causada por el movimiento térmico / browniano, y todo esto es impulsado por "fuerza motriz protónica" a través de la membrana que impulsa el flujo de protones a través de la membrana, desde el medio exoplasmático hasta el medio citosólico.
Como se mencionó anteriormente, hay un componente estático que es realmente más grande en tamaño general que el componente giratorio. Mide un poco más de 100 nm de diámetro. Está firmemente anclado en la membrana mitocondrial. Hay dos grandes estructuras lineales pareadas con una proteína macromolécula intermedia adicional que soportan una gran estructura en forma de rosquilla, que consta de tres pares de macromoléculas alternadas. Se sientan en la parte superior del eje del rotor, descrito anteriormente, al igual que la cabeza de un hongo se sienta en su tallo.
Los tres pares de macromoléculas grandes, etiquetados alfa y beta, forman la estructura de cabeza de hongo, cada uno ocupa 120 ° del anillo 360o. Hay una molécula asimétrica unida firmemente al extremo superior del eje rotatorio. Esta estructura funciona como una leva.
A medida que la leva gira cada segmento de rotación de 120º, hace contacto íntimo con los sitios de unión en cada una de las tres macromoléculas emparejadas, donde provoca un cambio en el estado conformacional en cada una. Existe un cambio real en la forma de las estructuras proteicas que provoca un desplazamiento mecánico en cada uno de los sitios de unión.
A medida que gira, cicla a través de cada una de las tres etapas en los sitios de unión. La primera etapa es la fase de liberación de una molécula de ATP; La segunda etapa está atrayendo débilmente una molécula de ADP + Pi; Y la tercera etapa está atrayendo fuertemente el ADP + Pi, resultando en una molécula de ATP firmemente unida, lista para ser liberada al medio citosólico siguiente ciclo.
La velocidad de rotación se ha medido experimentalmente a aproximadamente 134 revoluciones por segundo. La velocidad de generación de moléculas de ATP se ha medido experimentalmente a aproximadamente 400 moléculas de ATP por segundo. Dado que tres moléculas de ATP se producen y se liberan en el medio citosólico con cada rotación, estos valores experimentales están en excelente acuerdo.
Se reconocen sistemas de retroalimentación bien conocidos que controlan la velocidad de síntesis de ATP, tales como la concentración de ADP. También hay un acoplamiento de oxidación de NADH y FADH2 a la síntesis de ATP, por lo que si la fuerza motriz protónica resultante no se disipa durante la síntesis de ATP, la resistencia a gradiente transmembrana aumentará y eventualmente bloqueará la reacción adicional.
En resumen, la ATP sintasa es una gran nano-máquina macromolecular que realiza una de las funciones más críticas en los reinos de bacterias, animales y plantas. Es un componente esencial para casi todas las células vivas. Genera el combustible necesario para alimentar todas las principales funciones fisiológicas de los organismos vivos.
Consta de veinticinco macromoléculas distintas en las que cinco son singulares, cuatro están emparejadas y una está compuesta por doce copias idénticas dispuestas en una proteína compleja de forma cilíndrica que actúa como una armadura de un motor que gira a una velocidad determinada experimentalmente de 134 revoluciones por segundo . (8040 revoluciones por minuto). Se sitúa únicamente en la pared de las mitocondrias y proporciona un camino para que los protones fluyan a través de la membrana, atravesando dos canales de una mitad y exclusivamente dispuestos, impulsados por la fuerza motriz del protón. (dieciséis)
Se estima que en los seres humanos, la cantidad de ATP producido y utilizado cada día es aproximadamente igual al peso corporal total. Sin ATP toda la vida animal cesaría inmediatamente. De hecho, la bomba de sodio-potasio, responsable de mantener la concentración relativamente negativa de sodio y la concentración relativamente positiva de potasio dentro de todas las células, una condición esencial para todas las células vivas, es totalmente dependiente de ATP como su fuente de energía. ¿Cómo es posible concebir que una nano-máquina macromolecular irreduciblemente compleja, tal como la ATP sintasa, que es absolutamente esencial para la vida, podría evolucionar cuando el proceso evolutivo basado en mutaciones aleatorias y la supervivencia del más apto depende de los procesos de la vida misma que no podría ocurrir sin esta nano-máquina más notable?
El video animado de alta precisión que representa la actividad molecular intracelular, producido en Harvard y distribuido en YouTube, titulado "Vida interior de la célula" se recomienda como una continuación de esta presentación. Está localizado en:
Continua en una última entrada...
Fuente: http://www.urantia.org/study/seminar-presentations/unicellular-organisms-cambrian-
explosion-nano-machines
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