Ministerstwo Głupich Kroków? W każdej twojej komórce!
Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski
Kinezyna jest tym wewnątrz komórek ssaków, czym w naszych państwach są ciężarówki i lokomotywy: główną siłą napędową transportu wytworzonych dóbr. Nie ma kół, lecz „nóżki” – dwa ruchome fragmenty, którymi kroczy po włóknach cytoszkieletu. Najnowsze badania ujawniają mechanizmem tego „chodu” i bez żadnych wątpliwości pozwalają stwierdzić: kinezyna jest śmieszna.
Kto nie zna skeczu Monty Pythona z Johnem Cleese w głównej roli urzędnika wykonującego dziwaczne kroki w Ministerstwie Głupich Kroków? Już same ruchy aktorów budziły śmiech, tak były absurdalnie. Jest więc pewną ironią, że 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.
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.
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. Nożki 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”, pyta prof. dr hab. Robert Hołyst (IChF PAN) i kontynuuje: „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 literaturze naukowej zaprezentowano dotychczas kilka opisów mechanizmu odpowiedzialnego za ruch kinezyny, lecz żaden nie został jednoznacznie potwierdzony eksperymentalnie. W doświadczeniach obserwowano co prawda przewidywane teoretycznie spowolnienie ruchu kinezyny, ale tylko wtedy, gdy ta transportowała bardzo duży ładunek – i tylko wtedy, gdy za pomocą długich polimerów zwiększono lepkość jej otoczenia tysiące razy ponad lepkość wody.
„To, co dotychczas testowano, można obrazowo porównać do sprawdzania, jak prędkość tira z ładunkiem zmniejsza się wraz z prędkością wiatru, pod który jedzie. My chcieliśmy postąpić inaczej. Interesował nas sam mechanizm napędowy. Odczepiliśmy więc ładunek i… nasypaliśmy piachu do silnika”, mówi dr Krzysztof Sozański (IChF PAN).
Zgodnie z teorią rozwijaną od kilku lat przez badaczy z IChF PAN, lepkość odczuwana przez cząsteczki zależy m.in. innymi od rozmiarów przeszkód w ich otoczeniu. Sytuacja przypomina tę, z jaką mamy do czynienia w zatłoczonym autobusie: człowiek ma problemy, by przecisnąć się do wyjścia, ale w tym samym środowisku mucha lata zupełnie swobodnie. Przeszkody (ludzie) są bowiem dla niej zbyt duże, by sprawiać kłopot, ona je po prostu omija. Było więc jasne, że skoro polimery używane przez innych badaczy do spowalniania kinezyny miały znaczne rozmiary, zwiększały lepkość odczuwaną nie przez samą kinezynę, a przez jej duży ładunek.
Doświadczenia, w których do zwiększenia lepkości otoczenia kinezyny użyto niewielkich cząsteczek mogących zderzać się bezpośrednio z jej nóżkami, 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.
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 Sozański 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.
Zaloguj się Logowanie