Los motores moleculares son máquinas moleculares naturales (biológicas) o artificiales que son los agentes esenciales de movimiento en los organismos vivos. En términos generales, un motor es un dispositivo que consume energía de una forma y la convierte en movimiento o trabajo mecánico ; por ejemplo, muchos motores moleculares basados en proteínas aprovechan la energía química libre liberada por la hidrólisis del ATP para realizar trabajo mecánico. [1] En términos de eficiencia energética, este tipo de motor puede ser superior a los motores fabricados por el hombre actualmente disponibles. Una diferencia importante entre los motores moleculares y los motores macroscópicos es que los motores moleculares funcionan en el baño térmico , un entorno en el que las fluctuaciones debidas al ruido térmico son significativas.
El flagelo bacteriano responsable de la natación y el giro de E. coli y otras bacterias actúa como una hélice rígida impulsada por un motor giratorio. Este motor es impulsado por el flujo de protones a través de una membrana, posiblemente utilizando un mecanismo similar al que se encuentra en el motor F o en la ATP sintasa.
Simulación de dinámica molecular de un motor molecular sintético compuesto por tres moléculas en un nanoporo (diámetro exterior 6,7 nm) a 250 K. [4]
Los motores de empaquetamiento del ADN viral inyectan ADN genómico viral en las cápsides como parte de su ciclo de replicación, empaquetándolo muy estrechamente. [8] Se han propuesto varios modelos para explicar cómo la proteína genera la fuerza necesaria para impulsar el ADN hacia la cápside. Una propuesta alternativa es que, a diferencia de todos los demás motores biológicos, la fuerza no la genera directamente la proteína, sino el propio ADN. [9] En este modelo, la hidrólisis de ATP se utiliza para impulsar cambios conformacionales de proteínas que alternativamente deshidratan y rehidratan el ADN, conduciéndolo cíclicamente del ADN B al ADN A y viceversa. El ADN-A es un 23% más corto que el ADN-B, y el ciclo de contracción/expansión del ADN está acoplado a un ciclo de agarre/liberación de proteína-ADN para generar el movimiento hacia adelante que impulsa el ADN hacia la cápside.
Motores enzimáticos: se ha demostrado que las siguientes enzimas se difunden más rápido en presencia de sus sustratos catalíticos, lo que se conoce como difusión mejorada. También se ha demostrado que se mueven direccionalmente en un gradiente de sus sustratos, conocido como quimiotaxis . Sus mecanismos de difusión y quimiotaxis aún están en debate. Los posibles mecanismos incluyen flotabilidad del sol, foresis o cambios conformacionales que conducen a cambios en la difusividad efectiva [10] [11] [12] y asimetría cinética. [13]
catalasa
ureasa
aldolasa
hexoquinasa
Fosfoglucosa isomerasa
Fosfofructoquinasa
Glucosa Oxidasa
Un estudio reciente también ha demostrado que ciertas enzimas, como la hexoquinasa y la glucosa oxidasa, se agregan o fragmentan durante la catálisis. Esto cambia su tamaño hidrodinámico que puede afectar las mediciones de difusión mejoradas. [14]
Hay dos familias principales de motores moleculares que transportan orgánulos por toda la célula. Estas familias incluyen la familia de la dineína y la familia de la kinesina. Ambos tienen estructuras muy diferentes entre sí y diferentes formas de lograr un objetivo similar de mover orgánulos alrededor de la célula. Estas distancias, aunque sólo son de unos pocos micrómetros, se planifican previamente utilizando microtúbulos. [dieciséis]
Kinesina : estos motores moleculares siempre se mueven hacia el extremo positivo de la célula.
Cadenas intermedias/ligeras que se unirán a la región de unión de dinactina
Adelante
un tallo
Con un dominio que se unirá al microtúbulo.
Estos motores moleculares tienden a seguir el camino de los microtúbulos . Lo más probable es que esto se deba a que los microtúbulos surgen del centrosoma y rodean todo el volumen de la célula. Esto a su vez crea un "sistema ferroviario" de toda la célula y caminos que conducen a sus orgánulos.
En biofísica experimental , la actividad de los motores moleculares se observa con muchos enfoques experimentales diferentes, entre ellos:
Métodos fluorescentes: transferencia de energía por resonancia de fluorescencia ( FRET ), espectroscopia de correlación de fluorescencia ( FCS ), fluorescencia de reflexión interna total ( TIRF ).
Las pinzas magnéticas también pueden resultar útiles para el análisis de motores que funcionan con trozos largos de ADN.
Las pinzas ópticas (que no deben confundirse con las pinzas moleculares en contexto) son muy adecuadas para estudiar motores moleculares debido a sus bajas constantes de resorte.
La electrofisiología de una sola molécula se puede utilizar para medir la dinámica de canales iónicos individuales.
También se utilizan muchas más técnicas. A medida que se desarrollen nuevas tecnologías y métodos, se espera que el conocimiento de los motores moleculares naturales sea útil en la construcción de motores sintéticos a nanoescala.
No biológico
Recientemente, los químicos y los involucrados en la nanotecnología han comenzado a explorar la posibilidad de crear motores moleculares de novo. [17] Estos motores moleculares sintéticos sufren actualmente muchas limitaciones que limitan su uso al laboratorio de investigación. Sin embargo, muchas de estas limitaciones pueden superarse a medida que aumente nuestra comprensión de la química y la física a nanoescala. Se dio un paso hacia la comprensión de la dinámica a nanoescala con el estudio de la difusión del catalizador en el sistema catalítico de Grubb. [18] Otros sistemas como los nanocoches , aunque técnicamente no son motores, también son ilustrativos de los esfuerzos recientes hacia motores sintéticos a nanoescala.
Otras moléculas que no reaccionan también pueden comportarse como motores. Esto se ha demostrado mediante el uso de moléculas de tinte que se mueven direccionalmente en gradientes de solución polimérica a través de interacciones hidrofóbicas favorables. [19] Otro estudio reciente ha demostrado que las moléculas de tinte y las partículas coloidales duras y blandas pueden moverse a través del gradiente de una solución de polímero a través de efectos de volumen excluidos. [20]
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enlaces externos
MBInfo - Actividad motora molecular
MBInfo - MBInfo dependiente del citoesqueleto - Transporte intracelular
Cymobase: una base de datos para información sobre secuencias de proteínas motoras y citoesqueléticas
Jonathan Howard (2001), Mecánica de las proteínas motoras y el citoesqueleto. ISBN 9780878933334
