Actomyosine motor
oktober 29, 2013 1 reactie
Notes A ← NOTES en Termologie
°
Trefwoorden :
actine, atp, brownian motion, Brownse ratel, Brownse beweging, double-wattled cassowary, energie, evolution, ,moleculaire machines, motoreiwit, motoreiwitten,myosine, nanomachines, nanowetenschappen, Peter M. Hoffmann
Brownse beweging // 2 reacties
http://nl.wikipedia.org/wiki/Brownse_beweging
Marleen op oktober 28, 2013
Het samentrekken van spierweefsel verloopt volgens zich razendsnel opeenvolgende cyclussen van binden en loslaten van myosine en actine. Myosine dat in ruststand ATP (de universele energiemolecule) gebonden heeft, maakt zich vast aan actine, hydroliseert het ATP in ADP en Pi en met de vrijgekomen energie knikt het molecuul zijn hoofd waardoor het myosine-filament schuift ten opzichte van het actine filament. Door dit mechanisme wordt de spier korter. Het gaat hierbij om myosine II (een van de twintig soorten) dat zich in onze spierbundels als filamenten organiseert, waarbij de reactieve koppen het werk verrichten.
In een artikel uit 2010 wordt beschreven hoe myosine II ook als enkel molecuul kan optreden samen met een filament van actine in een in silico experiment. In dit geval, waarin de myosine niet als filament samengebundeld is, beweegt deze losse molecuul (in het model) langs het filament van actine in plaats van een spier te laten samentrekken. Er wordt zo bekeken in hoeverre er gedurende het ‘lopen’ van de myosine een bijdrage wordt geleverd door Brownse beweging. Deze beweging is een random beweging van moleculen in een gas of vloeistof en is makkelijk te zien onder een microscoop.
Deze beweging is door Einstein gekwantificeerd met de volgende formule ( x(t + dt) – x(t)) ^2 = 2D.dt. waarin x het punt in de ruimte is van het Brownse deeltje; t de tijd en D de diffusie-coëfficiënt die afhangt van grootheden als viscositeit en temperatuur van het medium.
Schematic view demonstrating how the motion of myosin is associated with ATP hydrolysis. The solid curve, E1, represents the energy landscape found in our study (see Fig. 2), while the dotted curves, E1* and E2, represent putative energy landscapes for the strong actin-binding (nucleotide-free) and the detached (ATP-bound) states, respectively. For convenience, different colors are used for the high-energy (magenta) and low-energy (blue) regions. Arrows constitute a possible sequence of myosin motion coupled with ATP hydrolysis: (a) unidirectional, stepwise Brownian motion as found in our study (see Fig. 1) in the presumed ADP·Pi-bound state, (b) transition into the strong binding state upon products (ADP and Pi) release, (c) dissociation from the actin filament upon new ATP binding, (d) essentially isotropic Brownian motion in the ATP-bound state, (e) reentry to E1 upon ATP hydrolysis (i.e., in the ADP·Pi-bound state).
De studie laat zien hoe de beweging van deze myosine langs het actine-filament stochastisch is, maar wel duidelijk een richting heeft. De auteurs concluderen dat er sprake is van een Brownse ratel die een substantiële bijdrage levert aan het omzetten van energie van de actomyosinemotor.
Ze beschouwen daarbij het energielandschap als een trechter die het actomyosinesysteem permitteren thermale ruis te verzamelen voor de voortbeweging van de myosine.
Eerder verscheen er van MARLEEN een blogbericht over Brownse beweging in de context van het boek Life’s Ratchet van Peter M. Hoffmann. Dit bericht zet het accent wat meer op het feit dat er naar alle waarschijnlijkheid Brownse beweging te pas komt aan de beweging van motoreiwitten.
Dit zou kunnen betekenen dat op de nanoschaal vitaliteit en dynamica van eiwitten aan de Brownse beweging te danken zijn.
°Dit kan implicaties hebben voor theorien over de bron van energie gedurende de formatie van de eerste macromoleculen.
—>(Gert Korthof) : ” Welke macromoleculen? welke implicaties? bedoel je bij de Origin of Life? “
-
dat bedoel ik inderdaad. Soms lees je dat men zich afvraagt waar de energie vandaan kwam bij de formatie van de eerste nucleotiden, dan wel aminozuren.
Daarbij gaat het natuurlijk om chemische reacties en niet om conformationele veranderingen of bewegingen als die van de ‘armen’ van miosine. Maar ook bij chemische reacties is er sprake van een energie-landschap, dus wellicht heeft de Brownse beweging daar ook invloed, net als thermische energie, en geeft deze een tot nu toe onderschatte bijdrage.
De ratel van het leven //63 reacties
http://nl.wikipedia.org/wiki/Brownse_motor
Marleen op januari 21, 2013De ratel van het leven of Life’s Ratchet is de titel van een boek van Peter M. Hoffmann, natuurkundige aan de Universiteit van Wayne State in Michigan. Hij heeft zich met het gebruik van de Atomic Force Microscope (AFM of Atoomkrachtmicroscoop) toegelegd op de bestudering van moleculaire machines. Deze machines zijn de motoreiwitten van de cel en kunnen op het niveau van de nanometer (10^-9 ofwel 1 miljardste meter) bestudeerd worden.
De AFM is een microscoop die het oppervlak van moleculen aftast zoals een naald een langspeelplaat (LP voor wie die afkorting nog kent). Het is daarbij mogelijk moleculen van enkele nanometers zichtbaar te maken.
Toshio Ando uit Japan, maar ook Peter Hoffmann zelf zijn er in geslaagd de bewegingen van motoreiwitten als myosinen, kinesinen en dyneinen vast te leggen op beeld.
Brownse Ratel met op de achtergrond bewegende deeltjes onder de gewone lichtmicroscoop
Al duizenden jaren vraagt men zich af hoe het leven gedefinieerd moet worden en wat de ‘vitale kracht’ is van levende organismen en wat het is dat ze verliezen zodra ze dood gaan.
Peter Hoffmann is er van overtuigd dat deze vitale kracht, die je zou kunnen duiden met ‘purposefulness’ of ‘doelmatigheid’ en die zo kenmerkend lijkt te zijn voor het leven, gezocht moet worden op nano-niveau.
Hier vinden we de Brownse beweging, ofwel de beweging van stofdeeltjes als gevolg van de hevige trillingen van de de atomen en moleculen. Brown ontdekte deze beweging in stuifmeelkorrels in water.
De watermoleculen bezitten zoveel energie dat ze alle kanten op schieten en daarbij de stuifmeelkorrels van alle kanten bombarderen. De netto beweging is dan een licht voortschrijden van deze korrels (zie het laatste filmpje onderaan dit bericht).
Men speculeerde daarop over de mogelijkheid de Brownse beweging om te zetten in energie ofwel een ratel of schoepenrad te creëren die aangedreven zou worden door de beweging van de watermoleculen.
Het schoepenrad kan slechts één kant op draaien omdat er een pal tegenaan zit die zich steeds vast haakt in de laagste inkeping. Mocht dit werken dan zou daar de tweede wet van de thermodynamica mee overtreden worden. De wet stelt immers dat de entropie van een systeem dat niet in evenwicht is toeneemt. Het produceren van energie (draaikracht) moet (ergens anders) energie (botsen van moleculen) kosten.
De Brownse ratel veronderstelt daarmee dat er geen energie toegevoegd hoeft te worden om een netto beweging van het ratel te krijgen. Nu is het probleem met dit idee dat ook de pal getroffen wordt door de rondstormende moleculen.
Deze wordt dus ook af en toe bewogen waardoor het rad terugdraait en de eerder verkregen beweging weer geannuleerd wordt. Kortom, het is geen perpetuum mobile.
Myosine VI (blauw) loopt op actine (rood)
Peter Hoffmann vertelt hier uitgebreid over om aan te geven in hoeverre de Brownse beweging een rol zou kunnen spelen in de motoreiwitten van onze cellen.
Hij beschrijft exact hoe onder andere het motoreiwit myosine langs actine loopt of klimt.
Biologen weten al decennia lang dat er voor deze voortbeweging ATP nodig is. Maar de details van de dynamica waren nog niet zo goed uitgezocht. Hij beschrijft precies hoe de voorste ‘voet’ ATP bindt en zich vastzet aan het actine en hoe de achterste voet ADP en Pi gebonden heeft.
Zodra de achterste voet deze ADP en Pi loslaat, laat ook de voet zich los van het actinemolecuul en zwaait als gevolg van de moleculaire storm alle kanten op. Tegelijkertijd zorgt het gebonden ATP in de voorste voet voor een knik voorwaarts van het myosine-molecuul waardoor de achterste zwaaiende voet naar voren zwaait, een ATP en het actine bindt en voor voor de voorste op het actine komt te zitten.
Het ATP molecuul van wat nu de achterste voet is wordt afgebroken in ADP en Pi en de cyclus begint opnieuw.
Deze sequentie van het binden en loslaten van resp. ATP en ADP kan niet zichtbaar gemaakt worden, maar hoe de twee benen sprongen maken is duidelijk vastgelegd door Toshio Ando (1)die met een extreem snelle AFM werkte (zie minuut 14 van de lezing van Peter Hoffman over zijn boek.)
Hier volgt een plaatje daaruit.
Myosine V (geel driehoekje rechts) loopt op actine (gele draad over de breedte onderaan de fot)o
De lezing is hier te zien en is een mooie samenvatting van zijn boek en zeer de moeite waard te beluisteren.
Voor zover ik het kan beoordelen is de Brownse beweging verantwoordelijk voor het zwaaien van de achterste voet. Die beweging is duidelijk weergegeven in onderstaande een minuut durende animatie.
Van veel moleculen weet men nog niet hoe ze zich voortbewegen en men speculeert over de rol die Brownse beweging zou kunnen hebben in de voortbeweging van deze moleculen. Het zou werkelijk een groot nieuws zijn als blijkt dat een moleculaire machine uitsluitend draait op Brownse beweging.
Men is nu al in staat moleculaire machines op nanoschaal te maken. Mocht daar ooit ‘gratis’ energie uit voort komen dan zou dat een enorme ontdekking zijn.
Een week geleden promoveerde Wijnand Germs aan de TU Eindhoven op een studie naar Brownse beweging in microdeeltjes.
Heel interessant, maar ik vermoed dat ook hier energie toegevoegd wordt met het aan- en uitzetten van het elektrisch veld.
Wie een simpele maar duidelijke uitleg wil over Brownse beweging kan het volgende filmpje bekijken.
Uit: Life’s Ratchet. How molecular machines extract order from chaos. Peter M. Hoffmann (2012)
°( Gerrit Korthof )
” Ik vraag me af of Hoffman’s benadering nog nieuwe inzichten heeft opgeleverd over het ontstaan van het leven?”
Hoffmann heeft het hier en daar over de RNA-wereld bijvoorbeeld, maar spreekt verder niet over de biologische context waarin leven zou kunnen ontstaan.
Waar hij vooral de nadruk op legt, is dat het trillen van de atomen en moleculen aan de basis staan van het leven.
Moleculen zouden nooit de energie gevonden hebben om processen te catalyseren (energie-hobbels te nemen) als ze niet zo onderhevig waren aan deze trillingen. Dit betekent dat de natuurkundige kenmerken van de moleculen aan de oorsprong staan van het leven. Maar Hoffmann vertelt het allemaal veel beter dan ik.
Waarschijnlijk zou je het boek ook waarderen.
___________________________________________________________________________________________________________________________
OPGELET !
Dit blogbericht wil bij lange na geen review van het boek zijn.
Daar is het boek veel te uitgebreid voor. Dat zou een onmogelijke taak zijn. Het is een prachtig boek en brengt de lezer van meer dan twee millennia geleden helemaal tot aan de laatste wetenschappelijke ontdekkingen op dit gebied van 2012.
—> Het boek staat bol van interessante inzichten.
°Hoffmann schrijft op p. 69.
“Life emerges from the random motion of atoms,and stastistical mechanics can capture the essence of this emergence.”
-
Een van de conclusies van Hoffmann is dat ‘chance and necessity’ of toeval en onvermijdelijkheid in evenwicht moeten zijn. Hij heeft het ook nog over ideeen die zich in het brein vormen als gevolg van de randomness van chemische en electrische signalen.
°(1) Het artikel van Toshio Ando is hier te vinden: http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7320/full/nature09450.html
°De stappen van Myosine V zijn circa 36 nm ofwel één voet verplaatst zich 72 nm. Dat is ongeveer een ‘fase’ van de draaing van actine. Dat myosine zich aan die fase houdt heeft waarschijnlijk meer te maken met de aanwezigheid van tropomyosine en troponine voor elk interval van 35 nm.
Links(a) is pure actine te zien: http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0969212697002645-gr1.jpg
________________________________________________________________________________________________________________________________
Creato hoekje
De volledige diuskussie kan je volgen in de reacties op Marleens blog zelf (waar je ook de antwoorden en “teach the controverse ” taktiek van Borger kan nalezen , en die ik als oninteressante propaganda achterwege heb gelaten )
zie ook ← Dr Peter Borger en Co
-
1.- antwoorden op (en vragen aan de zelfbenoemde “Darwin -killer “Peter B en zijn )
” BORGERISME ” in verband met het intelligent design van eiwitmotoren
-
—> Dat we in de natuur design aantreffen is iedereen wel duidelijk inmiddels. Hoe die ontwerpen tot stand zijn gekomen mag een onderwerp van discussie zijn maar het geeft geen pas om maar weer eens door mensen gemaakte gebruiksvoorwerpen als voorbeeld aan te halen.
-
Het ontwerppleidooi ten aanzien van wat we in de natuur aantreffen is daarmee echt niet te winnen. Althans niet bij een publiek dat de basischool inmiddels achter zich heeft gelaten.
-
De natuurwetenschap heeft inmiddels een degelijk fundament weten te leggen onder de theorie dat het leven zich ontwikkelt via een langzame en vaak moeizame weg van kleine stapjes in een niet vooraf bepaalde richting.
Slechts als de uitkomsten van die weg levensvatbaar blijken binnen de actuele omgeving houdt dat leven stand. Het design is derhalve het gevolg van veel vallen en soms opstaan.
Dat is een theorie. En net als het leven zelf is die theorie tot stand gekomen via een lange en moeizame weg met veel vallen en opstaan.
Het probleem met de ID-zienswijze zit hem dan ook niet in de D maar in de I.Hoe kun je daar toch telkens maar weer mee op de proppen komen als je zelfs nog niet het begin van een benul hebt van wat je je bij die I (= intelligent Designer ) moet voorstellen ?
Laat staan dat je je de illusie kunt veroorloven dat je een ander zelfs maar het begin van een wetenschappelijk inzicht verschaft.
De vraag die mij ten aanzien van Borger’s denkwijze dan ook uitsluitend nog boeit is inmiddels al lange tijd niet meer wát je denkt en hóe je denkt maar waaróm je het denkt.
Ik zou je(=PB) zeer erkentelijk zijn als je je energie op die vraag zou willen richten. Als je het antwoord niet voor publicatie geschikt acht vind je bij mij alle begrip.-
Peter geeft geen enkele verklaring voor de I in zijn ID-opvatting ….maar intussen vermelde hij wél dat ie experimenten kent die een reeds aanwezige functionele “handschoen” kunnen optimaliseren door specifiek en met INZICHT aminozuren te vervangen.
—-> Hoe kom P B daarbij ? Welk Inzicht ? Wiens inzicht ?En natuurlijk mag je ideeën hebben als: ‘Om van de ene berg naar de andere te komen is er slechts één weg: alle veranderingen in één keer accumuleren, een non-random gebeuren.’*( zie “climbing mount improbable “/ “Berg der onwaarschijnlijkheid” )
Je wordt dan echter wel geacht je gedachten over het hoe en wat zorgvuldig te formuleren, als je serieus genomen wilt worden tenminste.
Tot je dat daadwerkelijk doet is de ID-conclusie is namelijk volledig nietszeggend. Let wel, niet verboden maar wel volkomen nietszeggend.
–>Voorts helpt het je niet met een gepersifleerd selectieverhaaltje aan te komen. Selecteren zonder variatie, random of niet, bestaat niet.
Voor jouw(PB’s ) begrip: Alle handschoenen die nu te koop zijn, zijn een selectie, een uitkomst dus, uit een enorme hoeveelheid meer of minder geslaagde ontwerpen uit het verleden.De handschoenen van nu zijn de handschoenen die nú voldoen.
-
-
-
-
Bovendien, natuurlijke selectie IS non-random. Dat is nu juist de reden waarom de heuvels van het fitness-landscape beklommen kunnen worden.*(- opmerking : Drunkards- walk gewijs ? )
-
Hoe kun je beweren dat er nooit iets nieuws is. Zeker, als je nu om je heen kijkt is alles wat je ziet present. Maar je weet zelf ook dat bepaalde moleculen of organismen duizenden/miljoenen jaren geleden niet aanwezig waren. En nu wel. Je weet dat er ooit geen bloemen waren, maar nu wel. Er was zelfs een tijd dat er geen bladgroen bestond, alleen algen en korstmossen. Je weet dat dat zo was. Dus bijna alles dat je nu om je heen ziet is nieuw.
Hoe denk je dat al deze myosinen ontstaan zijn ? Allemaal tegelijk ? In één klap ? Dat gelooft toch niemand.
http://en.wikipedia.org/wiki/File:MyosinUnrootedTree.jpg—> Peter zegt: “Functie dicteert vorm, vorm volgt functie.”. Als je met zo’n lege bewering aankomt dan ben je echt door je argumenten heen.
—> Wat over blijft is een nietes en welles van ID want een discussie over de feiten is niet echt mogelijk als men niet goed ingelicht is.°Harry Pinxteren
Marleen : waarom noem jij de formulering ‘Functie dicteert vorm, vorm volgt functie” een lege bewering. Ik kom er regelmatig voorbeelden en verwijzingen naar tegen, zodat ik juist de indruk begon te krijgen dat het hier bijna een biologische hoofdwet betrof. Niet dus?
Er is nooit een situatie geweest waarin de cel ‘dacht’ dat hij die en die functie nodig had om vesikels te transporteren of zichzelf samen te kunnen trekken. Wij zijn het die een functie toekennen aan de moleculen. Wij zien wat hun ‘doel’ is. Maar de moleculen zijn ontstaan zonder enig ‘besef’ van functie.
Nadat we de ‘vorm’ van enkele myosine kenden konden we er een functie aan koppelen (of andersom). Nu we precies kunnen zien (dankzij dit soort vernuftige microscopen) hoe myosinen eruit zien, kunnen we ze aan hun vorm herkennen en meteen weten waar ze voor dienen. Ze hebben allemaal van die karakteristieke voetjes die wij voetjes noemen omdat ze er mee lopen, maar in de biologie heten het hoofden.
Bovendien zijn er -tig moleculen waar je geen functie aan kunt koppelen door op de vorm af te gaan. Kun jij aan een ribosoom zien wat voor functie het heeft alleen door af te gaan op zijn vorm ? Ik niet. Ik vraag me dan ook af waar je dit soort holle retoriek tegenkomt. Kun je dat misschien aangeven ?
Ik kan me voorstellen dat deze zin enigzins betekenis kan hebben op macroscopisch niveau, wanneer je het bijvoorbeeld hebt over een vleugel of een vin. Maar dan nog. De allereerste vleugel die je ziet veraadt niet wat zijn functie is. Je kent die pas nadat je weet/leert dat er mee gevlogen wordt
Laat je niet van de wijs brengen ;
;http://doyle-scienceteach.blogspot.nl/2009/03/function-follows-form.html
The double-wattled cassowary and the worms are from the BBC here.
…….With evolution, form does not follow function. Giraffes do not have long necks because they want to eat leaves, humans did not develop thumbs in order to grasp things better.
—> Mutations are random. Meiosis and sexual reproduction create tremendous variations in individual organisms. The organisms who thrive in their particular environment are more likely to reproduce successfully.
Earthworms and horseshoe crabs and the double-wattled cassowary have been evolving as long as we have.
For all our talk of being advanced, none of us could survive long if tossed into the same habitat as the earthworm.
If a particular form does better in a specific environment than a different form, it is more likely to persist. There is no “want” or “desire” involved.
What ultimately succeeds is not necessarily random–a fusiform fish can swim faster than a round one, and it’s not surprising that many fish are streamlined. Still, an ancient fish did not ponder its fate and hope to become fusiform.
* Form did not follow function. Survival followed form, but that’s not the same thing, not the same thing at all.
—>Early hominids walked upright, that much we know from the fossil record. It may well have been the result of a mutation, an accident. Lucy did not say, “Hey, I can walk!” Her parents did not say “Hey, if we stand up straight we can pick more fruit!”
The front limbs, now freed, became useful for other things, but not because of any planning.
—> There is great comfort believing that something guides the universe, and there is enough order in the chaos around us for a few of us to maintain that belief.
Humans could have happened anyway. We’re not special, or rather, we’re no more special than the horseshoe crabs and the earthworm and the double-wattled cassowary.Thankfully for me anyway, I think the double-wattled cassowary is pretty ty special.
(Leslie took the horseshoe crab photo.)
-
-
Tsjok's blog 
–> (Marleen )