Белковые моторы

На службе у человека и нанотехнологий

Анастасия Крув, «Биомолекула»

Каждая клетка нашего тела – это настоящий мегаполис. Причем, застройка в нем очень плотная – мэрия (ядро), энергетические станции (митохондрии), химический завод (аппарат Гольджи) и многие другие органеллы. Имеется в этом городе и развитая дорожная сеть (микротрубочки и микрофиламенты), по которой передвигается особый вид транспорта: белковые моторы – сложные молекулы размером в несколько нанометров. Их услуги – на любой вкус. Они перевозят грузы (например, вещества, которые должны быть выведены из клеток), участвуют в передаче нервных сигналов, позиционируют ядро и разделяют клетки во время деления, осуществляют сокращение мышц и т.д. Об этих удивительных молекулах, значении их нормального функционирования для здоровья человека и их потенциальном применении в нанотехнологиях пойдет речь в этой статье.

Белок – это последовательность аминокислот, соединенных в цепочку, которая, в свою очередь, скручена в определенную объемную структуру. Существует огромное количество различных белков – как и функций, которые они выполняют в нашем организме. Одна из разновидностей белков – внутриклеточные моторы, которые передвигаются внутри клеток по специальным «дорогам» (микротрубочкам и актиновым микрофиламентам) и могут перевозить грузы (органеллы и молекулы, которые слишком большие, чтобы диффундировать, как, например, глюкоза) в то место клетки, где они необходимы [1]. Примером груза могут служить митохондрии (энергетические станции клеток), гранулы пигмента меланосомы, которые придают коже коричневый цвет в результате загара, везикулы – «пузырьки», которые содержат разнообразные вещества, в том числе ферменты, гормоны, нейромедиаторы [2].

Выделяют три больших семейства белковых моторов – миозин, кинезин и динеин, каждое из которых состоит из нескольких отличающихся друг от друга представителей [3, 4]. Семейства разделяются по:

• типу поверхности, по которой они могут передвигаться (микротрубочки или актиновые микрофиламенты);
• строению;
• типу перевозимого груза;
• скорости движения (миозин – 0,2–60 микрометра в секунду, динеин – 14, кинезин – 2–3);
• преодолеваемым расстояниям (от десятых долей микрометра до нескольких миллиметров – настоящие дальнобойщики по клеточным меркам!) [5].

Несмотря на указанные различия, в структуре моторов можно выделить общие черты. Характерными являются продолговатая структура (40–100 нанометров) [6] и наличие хвоста, состоящего из скрученных между собой цепочек аминокислот. К одному концу хвоста может присоединяться определенный груз, а к другому – головки. Несмотря на название, функция этой части мотора больше напоминает привычные нам ноги, а не головы (хотя, может, у моторов такая причуда – ходить на голове). С помощью головок моторы последовательно отсоединяются от дороги, делают шаг и присоединяется вновь, после чего цикл повторяется.

Маленький шаг для мотора – огромное значение для человечества

Чтобы разобраться с механизмом движения белковых моторов, необходимо ввести два термина. Первый – конформационные изменения. Словосочетание звучит устрашающе, но его суть проста – это изменение формы макромолекулы под воздействием факторов окружающей среды. В случае белковых моторов это изменение приводит к тому, что «нога» переносится вперед и делает шаг. Но, как известно, для того чтобы двигаться, нужна энергия. Машинам – в виде топлива, нам – в виде еды, а белковым моторам в виде молекулы АТФ – основного источника энергии клеток. АТФ состоит из Аденина (одной из четырех «букв», кодирующих ДНК) и Трех остатков Фосфорной кислоты. Данная молекула содержит большое количество энергии, которая высвобождается при отделении упомянутых остатков. Этот процесс (с отделением одного остатка и превращением АТФ в АДФ – Аденин и Два остатка Фосфорной кислоты) и заправляет «бак» белковых моторов. Вооружившись этими знаниями, рассмотрим процесс движения моторов на примере кинезина.

Кинезин имеет две «ноги», которые работают очень слаженно (рис. 1, видео). В начале каждого цикла задняя «нога» крепко соединена с микротрубочкой («дорогой») и молекулой АТФ, передняя – соединена с АДФ и слабо связана с дорогой. Затем на собирающейся сделать шаг задней «ноге» происходит химическая реакция, в результате которой АТФ превращается в АДФ, и связь с «дорогой» ослабевает. Тем временем передняя «нога» теряет АДФ, но к ней присоединяется АТФ (в знак утешения) и «нога» крепко связывается с микротрубочкой. Происходит конформационное изменение, в результате которого форма мотора изменяется так, что задняя «нога» продвигается вперед, соединяется с микротрубочкой и становится ведущей [5]. Цикл замыкается, после чего все повторяется вновь.

Рисунок 1. Механизм движения кинезина

Видео. Как шагает белок кинезин

А вместо сердца – протеиновый мотор

Одним из завораживающих примеров работы белковых моторов является сокращение мышц. Мышцы представляют собой совокупность вытянутых волокон (рис. 2а), состоящих из многократно повторяющихся звеньев (рис. 2б). Каждое из них собрано из параллельных «дорог» – актиновых филаментов (рис. 2в, г). Для миозинов это настоящее многополосное шоссе, по которому они «мчатся» в противоположных направлениях. Но дело в том, что «хвосты» моторов сплетены между собой, а последние «тянут» с одинаковой силой. В итоге, когда миозины «шагают», они остаются на месте. И все было бы как в известной басне Крылова, но в данном случае «дороги» продвигаются навстречу друг другу в горизонтальных направлениях (рис. 2д). А это не что иное, как сокращение мышц.

Рисунок 2. Механизм сокращения мышц. Рисунок из [5], адаптирован.

Помимо сокращения мышц, белковые моторы выполняют множество других функций, от которых зависит нормальное функционирование организма. Но что, если что-то пойдет не так в этой слаженной системе? Что ж, это случается, и может привести к различным заболеваниям. Рассмотрим несколько примеров.

И все не так, и все не то

В начале статьи приведена аналогия между клеткой и мегаполисом. А от чего чаще всего страдают жители последнего? Правильно, от транспортных пробок. В клетках такое тоже случается, когда слишком большое количество белковых моторов собирается в одном месте, скорость их движения замедляется, в результате чего грузы не доставляются вовремя.

Другая проблема больших городов – это угон транспортных средств. Когда злоумышленники (некоторые вирусы, к примеру, герпес) проникают в наш организм, они используют развитые механизмы для того, чтобы завладеть моторами и добраться до цели [1]. Другие вирусы способны разрушать микротрубочки и актиновые филаменты, в результате чего мотор оказывается не в то время и не в том месте.

Нарушение правильной работы может возникнуть в результате мутации моторов или вспомогательных белков, воздействии химических веществ (например, блокирующих движение). Также возможны случаи, когда мотор работает исправно, но клетки «превышают служебные полномочия», что привит к заболеваниям. Например, как в случае рака, когда клетки начинают аномально делиться (помните, в начале статьи говорилось о том, что белковые моторы участвуют в делении клеток) [7]. Ошибки в работе белковых моторов могут также привести к болезням почек, хроническим инфекциям дыхательного тракта, амиотрофическому латеральному склерозу, болезни Альцгеймера и т.д.

Белковые моторы в нанотехнологиях

Если вирусы используют моторы для своих целей, то не можем ли и мы делать то же самое? Эта идея увлекает многих исследователей, ведь способность белковых моторов распознавать и перевозить определенные грузы потенциально имеет множество приложений. Например, была выдвинута идея использовать их для сортировки и фильтрации веществ, а также доставки строительных материалов для сборки различных структур. Так, был продемонстрирован перенос золотых нанопроводов (в данном случае представляющих собой актиновые микрофиламенты, частично покрытые золотом), что теоретически нашло бы применение для сборки миниатюрных электрических цепей в подходе «снизу-вверх» [8]. Этот подход – альтернатива повсеместно применяемому подходу «сверху-вниз» – призван преодолеть ограничения последнего в плане миниатюризации. Указанные стратегии отличаются тем, что, проводя аналогию, можно сказать, что «снизу-вверх» – это как собирать фигуру из кирпичиков Lego, а «сверху-вниз» – ближе к высечению фигур из глыб мрамора.

Другое предложение – использовать моторы в биосенсорах (названных так из-за наличия биологических распознающих элементов, например, антител – бойцов иммунной системы, вступающих в реакцию только с веществом, на которое делается тест [9]). Предполагается, что белковые моторы могли бы доставлять анализируемые вещества напрямую к распознающему элементу. Это позволило бы, во-первых, обнаруживать чрезвычайно небольшие объемы веществ (вплоть до одной молекулы, что гораздо сложнее, чем найти иголку в стоге сена!). Так сократились бы объемы забираемых анализов и, тем самым, уменьшилось негативное влияние на пациентов. Во-вторых, это помогло бы распознающему элементу и анализируемому веществу встретиться как можно быстрее, что положительно сказалось бы на скорости получения результатов анализов. Вдобавок, этот метод мог бы стать альтернативой нанофлюидике – науке о контроле потоков жидкостей в миниатюрных каналах. Дело в том, что использование нанафлюидики связано с созданием довольно больших давлений, на что расходуется значительная часть энергии аккумулятора. В то же время, белковые моторы работают от АТФ, что позволяет сократить затраты электричества. В итоге получаются компактные, дешевые приборы, доступные для широкой массы людей. Таким образом, использование моторов способно потенциально расширить возможности диагностики, сделав ее более быстрой, дешевой и доступной, причем не только в лабораториях, но и на дому [10].

Альтернативное применение белковых моторов – это адресная доставка [11, 12]. Ее цель – сократить принимаемые дозы препаратов и снизить побочные эффекты от их применения. Представьте, что вы решили покрасить потолок в комнате, но ничем не накрыли мебель и пол. В итоге, потолок вы, скорее всего, сделаете, и он будет как новенький, но вся мебель будет в следах краски и пострадает ни за что. Так происходит и в организме, когда лечение одного органа оказывает негативное влияние на другие. Но возможен и иной метод, когда здоровые органы не взаимодействуют с лекарством, так как оно находится в защитной оболочке, которая рассасывается и высвобождает лечебное вещество только после того, как препарат был доставлен (например, мотором) к месту назначения. Этот революционный подход имеет высокие шансы стать будущим медицины.

Для того чтобы реализовать все перечисленные возможности, необходимо обучиться первоклассному контролю над белковыми моторами: начинать, останавливать и направлять их движение, присоединять и отпускать грузы и т.д. Для того чтобы создать такой «джойстик», ученые пробуют использовать тепло (под воздействием которого специально добавленные на пути следования моторов полимеры сжимаются и перестают блокировать движение), химические вещества, свет, электромагнитное поле [9, 13]. Параллельно рассматриваются идеи создания искусственных моторов, которые могли бы быть более устойчивыми к окружающей среде (денатурация – разрушение белков – очень серьезная проблема) и сразу приспособленными реагировать на сигналы управления.

Применение белковых моторов в нанотехнологиях в настоящий момент далеко от реализации. Пока неизвестно, насколько практичным окажется этот подход и найдет ли он свою нишу (для большинства обсуждаемых приложений существуют гораздо более развитые и повсеместно используемые методы, как, например, создание электрических цепей с помощью литографии в полупроводниковой индустрии). Сейчас ученые выдвигают предложения, доказывают их теоретическую возможность, производят единичные демонстрации. Но даже если эти идеи так и не найдут воплощения, то их изучение само по себе приносит огромное количество информации, полезной для химии, биологии, материаловедения, медицины и электроники.

Природа создавала и оттачивала различные структуры и методы контроля над ними миллионы лет, поэтому достичь такого же совершенства человечеству нелегко. Пока что, это мечты, но многое из того, что кажется невозможным сегодня, имеет шанс стать самой обычной вещью завтра.

Литература

1. Roberts A.J., Kon T., Knight P.J., Sutoh K., Burgess S.A. (2013). Functions and mechanics of dynein motor proteins. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 14, 713–726;
2. биомолекула: «Как происходит выделение нейромедиатора»;
3. Элементы: «Разгадан механизм движения „шагающего белка“»;
4. Элементы: «„Поворот и замок“: новая модель мышечного сокращения»;
5. Alberts B., Bray D., Lewis J., Raft M., Roberts K., Watson J.D. Molecular biology of the cell (3rd Edition). Garland Science, 1994. – 1408 p.;
6. Минин А.А. и Кулик А.В. (2004). Внутриклеточный транспорт. Принципы регуляции. Успехи биологической химии. 44, 225–262;
7. Mandelkow E. and Mandelkow E.-M. (2002). Kinesin motors and disease. Trends Cell Biol. 12, 585–591;
8. van den Heuvel M.G. and Dekker C. (2007). Motor proteins at work for nanotechnology. Science. 317, 333–336;
9. биомолекула: «Моноклональные антитела»;
10. Korten T., Månsson A., Diez S. (2010). Towards the application of cytoskeletal motor proteins in molecular detection and diagnostic devices. Curr. Opin. Biotechnol. 21, 477–488;
11. биомолекула: «„Огуречная“ мечта»;
12. биомолекула: «Наномеханика для адресной доставки лекарств – насколько это реально?»;
13. Nakamura M., Chen L., Howes S.C., Schindler T.D., Nogales E., Bryant Z. (2014). Remote control of myosin and kinesin motors using light-activated gearshifting. Nat. Nanotechnol. 9, 693–697.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 24.10.2016