Molekulārie motori

Molekulārie motori ir molekulārās mašīnas, kas pārveido enerģiju, parasti ķīmisko, mehāniskā darbā. Piemēram, daudzi no proteīniem veidoti molekulārie motori izmanto ATF hidrolīzes rezultātā atbrīvoto brīvo enerģiju, lai veiktu darbu.

Molekulārie motori nodrošina bioloģisku organismu kustīgumu kā mikroskopiskā, tā makroskopiskā līmenī. Sava nelielā izmēra dēļ, molekulārie motori darbojas vidē, kurā siltuma fluktuācijām ir liela ietekme, kas ir būtiska atšķirība, salīdzinot ar makroskopiskiem motoriem. Salīdzinot ar makroskopiskiem cilvēka radītiem motoriem, molekulārie motori mēdz efektīvāk izmantot tiem pieejamo enerģiju. Mūsdienās ir radīti arī mākslīgi sintezēti molekulārie motori.

Bioloģiski nozīmīgu molekulāro motoru piemēri

Motorproteīni

• Miozīns nodrošina muskuļu saraušanos un vielu transportu šūnas iekšienē.
• Kinezīns nodrošina vielu transportu šūnas iekšienē gar mikrocaurulītēm virzienā no kodola uz perifēriju.
• Dineīns nodrošina vielu transportu šūnas iekšienē gar mikrocaurulītēm virzienā no perifērijas uz kodolu, kā arī skropstiņu un eikariotu vicu kustību.

Polimerizācijas motori

• Aktīna polimerizācija rada spēkus, kurus var izmantot kustībai. Tiek patērēts ATF.
• Mikrocaurulīšu polimerizācija. Tiek patērēts GTF.
• Dinamīns nodrošina klatrīna atdalīšanu no šūnas membrānas, izmantojot GTF.

Rotācijas motori

• F₀F₁-ATF sintāzes hidrolizē ATF, veidojot protonu koncentrācijas gradientu abpus membrānai un otrādi, izlīdzinoties protonu gradientam, tiek sintezēts ATF. Šīs reakcijas katalīze un protonu plūsma ir saistītas ar mehānisku rotāciju ATF sintāzes kompleksā. Šāds mehānisms nodrošina ATF sintēzi mitohondrijos un hloroplastos, kā arī jonu pumpēšanu pāri šūnas vai vakuolas membrānai.
• Baktēriju viciņu kustību nodrošina rotācijas motors, ko darbina jonu plūsma cauri membrānai. Motora darbības mehānisms, iespējams, ir līdzīgs F₀ motoram ATF sintāzē.

Nukleīnskābju motori

• RNS polimerāze nodrošina transkripciju no DNS uz RNS.
• DNS polimerāze pārveido vienpavediena DNS par divpavedienu DNS.
• Helikāzes atdala divpavedienu nukleīnskābes pirms transkripcijas un kopēšanas. Tiek patērēts ATF.
• Topoizomerāzes samazina DNS  superspiralizāciju. Tiek patērēts ATF.
• RSC un SWI/SNF kompleksi pārveido hromatīnu eikariotu šūnās. Tiek patērēts ATF.
• SMC proteīni nodrošina hromosomu kondensāciju eikariotu šūnās.
• Vīrusu DNS pakošanas motori ir svarīgi vīrusu replikācijā, ievadot un cieši sapakojot to DNS kapsīdā.

Darbības principi

Bioloģiskajos organismos sastopami daudz dažāda veida molekulārie motori. Daži no tiem kustības enerģijas nodrošināšanai izmanto nukleotīdu hidrolīzi, savukārt citi izmanto jonu gradientus. To kustības veids ir dažāds, vieni pārvietojas gluži kā “staigājot” (kinezīns, dineīns), savukārt citi “airē” uz priekšu (miozīns), vēl citi rotē. Molekulāro motoru darbība var būt atgriezeniska vai neatgriezeniska. Taču šajā visā dažādībā ir atrodami kādi pamatprincipi, kas raksturo visu molekulāro motoru darbību.

Adenozīntrifosfāta uzbūve. Hidrolīzē tiek atšķelts tālākā, γ-fosfāta grupa.

Molekulārie motori lielākoties patērē ķīmisko enerģiju, iegūtu hidrolizējot nukleotīdus vai arī no jonu gradienta pāri membrānai, un pārvērš to mehāniskā darbā, radot spēku vai spēka momentu. Nukleotīdos enerģija tiek uzkrāta γ-fosfāta kovalentajā saitē, taču tās atbrīvošana, lai veiktu mehānisku darbu, var tik veikta samērā netieši. Piemēram, ATF sintāzes F₁ motors rada spēka momentu, hidrolizējot ATF. Taču pats spēka moments rodas tieši ATF piesaistīšanās brīdī un hidrolīze spēlē lomu, atbrīvojot ATF sintāzi, lai tai varētu piesaistīties jauns ATF un cikls varētu atkārtoties. Tātad bieži molekulārie motori darbu veic, nevis uzreiz pārvēršot ķīmisko enerģiju, bet gan saglabājot daļu enerģijas elastīgās deformācijās, un motora kustība tiek veikta pa starpsoļiem.

Molekulāro motoru darbību stipri ietekmē termiskā jeb Brauna kustība - ātruma izmaiņas biežo gadījuma rakstura sadursmju dēļ ar apkārt esošajām ūdens molekulām. Tātad to dinamika ir stohastiska. Motoru molekulām jāspēj pārvarēt gadījuma rakstura spēki, lai pārvietotos uz priekšu. Taču šai gadījuma rakstura ietekmei ir arī motoru kustībai noderīgas īpašības, piemēram, tā atļauj pārvarēt enerģijas barjeras (kuras deterministisku motoru apturētu), izmantojot kādu gadījuma pēc lielāku termisko svārstību.

Lai modelētu mikroskopisku daļiņu dinamiku, nereti mēdz lietot Lanževēna vienādojumu, kas apraksta daļiņas kustību viskozā šķidrumā Brauna kustības ietekmē. Viendimensionālā gadījumā tas uzrakstāms šādi:

$m{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}=-\zeta {\frac {dx}{dt}}+f(t)$

Vienādojumu iegūst, uzrakstot 2. Ņūtona likumu daļiņai ar masu $m$, kas pārvietojas viskozā šķidrumā, kurā berzes spēks ir proporcionāls ātrumam $F_{b}=-\zeta {\frac {dx}{dt}}$, klāt tiek pieskaitīts arī gadījuma rakstura spēks $f(t)$, kas apraksta sadursmes ar šķidruma molekulām. Skaitliski risinot Lanževēna vienādojumu, $f(t)$ var imitēt, ar datoru ģenerējot gadījuma rakstura skaitļus no normālā sadalījuma ar noteiktu standartnovirzi. Molekulāro motoru radīto virzīto spēku parasti var raksturot ar potenciālu $F(x,t)=-{\frac {\partial \phi (x,t)}{\partial x}}$. Tā kā molekulāro motoru darbība notiek vidē ar mazu Reinoldsa skaitli, kur inerce nespēlē lielu lomu, tad masas locekli labajā pusē var atmest. Rezultātā, ievietojot $F(x,t)$ un aiznesot berzes locekli $F_{b}$ uz labo pusi, Lanževēna vienādojums molekulārajam motoram ir uzrakstāms kā

$\zeta {\frac {dx}{dt}}=-{\frac {\partial \phi (x,t)}{\partial x}}+f(t)$

Eksperimentālie novērojumi

Eksperimentālajā biofizikā molekulāro motoru darbības novērošanā izmanto daudz dažādas pieejas, no kurām dažas ir:

• Atomspēku mikroskopija: zonde, kas noasināta līdz atomu izmēriem, brauc pāri paraugam un uzņem tā reljefu. Agrāk šī metode bija izmantojama tikai stacionāru paraugu mērīšanai, taču pēdējā desmitgadē attīstījās t.s. ātrā atomspēku mikroskopija, kas ļauj novērot molekulas ar telpas izšķirtspēju zem nanometra un laika izšķirtspēju zem 100 ms.
• Optiskās lamatas: lāzera stars difraģē no dielektriskas daļiņas, radot spēku, kas iesprosto daļiņu stara fokusā. Pārvietojot fokusu, iespējams pārvietot daļiņu gluži kā ar pinceti. Ja daļiņu pievieno motorproteīnam, uz to iespējams iedarboties ar spēku 0,1-100 pN robežās, tā novērojot, kādu spēku var attīstīt motorproteīni, piemēram, kinezīni un dienīni abi apstājās pie 7-8 pN liela pielikta spēka.
• Fluorescences metodes: proteīnos tiek iestrādātas fluorofori, kas ierosināti fluorescē, un to izstaroto gaismu uztver jutīgas kameras. Šī metode ļauj novērot molekulāros motorus dabiskā vidē ar 10 nm telpisko un 10 s laika izšķirtspēju.
• Magnētiskās lamatas: magnētiska daļiņa izjūt spēku magnētiskā lauka gradientā. Piesaistot magnētisku daļiņu motorproteīnam, var līdzīgi kā ar optiskajām lamatām pielikt tam spēku.
• Neitronu spinu atbalss spektroskopiju izmanto, lai novērotu kustību ar nanosekunžu izšķirtspēju.
• Gaismas izkliedes metodes: tumšā lauka mikroskopija vai interferometriskās izkliedes mikroskopija (angļu: Interferometric scattering microscopy (iSCAT)) ļauj izsekot individuālām daļiņām.
• Vienmolekulas elektrofizioloģiju izmanto, lai mērītu individuālu jonu kanālu dinamiku.

Mākslīgie molekulārie motori

Katenāns.

Lai gan vēsturiski par “molekulāriem motoriem” tiek saukti tieši bioloģiskas izcelsmes motori, pēdējos gados šis termins tiek lietos plašākā mērogā, runājot arī par sintezētiem savienojumiem, kas izrāda motoriem raksturīgās īpašības – enerģijas pārveidošanu mehāniskajā darbā. 2016. gadā par molekulāro motoru izstrādi un sintēzi Žanam Pjēram Sovažam, Freizeram Stodartam un Bernardam Feringam tika piešķirta Nobela prēmija ķīmijā.

Par sintētisko molekulāro motoru idejas aizsākumu mēdz dēvēt fiziķa Ričarda Fainmena 1959. gada runu “There’s Plenty of Room at the Bottom” (“Apakšā vēl ir daudz vietas”), kurā viņš pievērsa uzmanību iespējai veidot mazus mehānismus no atomiem. Viņš īsumā iezīmēja iespējamos ieguvumus un grūtības, izveidojot šādas mašīnas, kā arī piedāvāja izaicinājumu – izveidot automašīnu atomu mērogā.

Rotaksāns.

Molekulāro motoru izveidē iedīgļi veidojās jau 1950. un 1960. gados, kad tika izdomātas un sintezētas molekulas, kas savā starpā bija saistītas nevis ar ķīmiskajām saitēm, bet gan tīri mehāniski ar cilpām vai mehāniskām barjerām, tādējādi atļaujot brīvību tām kustēties ierobežotā reģionā. Izdala divu veidu molekulārās struktūras: katenānus, kas satur divus savā starpā savienotus gredzenus un rotaksānus, kas satur vienu gredzenu, kas atrodas uz ass, kam abos galos ir barjera.

Liels izrāviens šajā laukā notika 1983. gadā, kad Sovažs ar savu komandu izveidoja sintēzes rutīnu, kas ar lielu efektivitāti spēja radīt rotaksānus un katenānus. Šis atklājums strauji attīstīja topoloģisko ķīmiju, un radās iespēja sintezēt arvien sarežģītākas formas molekulas.

Ar UV gaismu darbināms 360 grādu rotācijas molekulārais motors. Tumšākās līnijas apzīmē saites izvirzījumu ārā no ekrāna, raustītās līnijas - ievirzījumu iekšā.

Nākamais lielais solis sintētisku molekulāru motoru izveidē tika likts 1991. gadā, kad Stodarta grupa paziņoja par izveidotu molekulu ar translācijas izomēriju – rotaksānu, kura ass saturēja divus aromātiskos gredzenus, pie kuriem saistījās ap asi apliktais gredzens.  Līdz ar to ap asi apliktais gredzens varēja pārvietoties no vienas uz otru “staciju”, ko veidoja aromātiskie gredzeni.

1994. gadā abas komandas nodemonstrēja ārēji vadītu translācijas un rotācijas kustību mehāniski saistītās molekulās, ieviešot to struktūrā kādu asimetriju, teiksim vienu no "stacijām" padarot vairāk negatīvi lādētu nekā otru. Par enerģijas avotu tika izmantota molekulu oksidēšana un reducēšana vai pH izmaiņa vidē. Šīs molekulas nodrošināja tikai pārslēgšanos starp diviem stāvokļiem, tātad simetrisku kustību turp un atpakaļ.

Tikai 1999. gadā tika radīts pirmais piemērs molekulāram rotācijas motoram, kādu to parasti saprot, t.i. spējīgu neierobežoti griezties vienā virzienā. Ferings paziņoja par molekulāra motora sintēzi, kas varēja apgriezties 360 grādos un kas enerģiju ieguva no UV gaismas. 2014. gadā optimizēts šāda motora variants bija spējīgs rotēt ar frekvenci virs 12 MHz.

Nākamajos gados molekulāro motoru sintēze attīstījās tālāk. Tika izveidoti motori, kas vienā virzienā varēja rotēt mikrometru lielus objektus. Atbildē Fainmena izaicinājumam uztaisīt molekulāru automobili, ir bijuši mēģinājumi izveidot molekulārus motorus, kas atgādina automašīnas gan pēc uzbūves, gan pēc darbības.