Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Brownse beweging

myosine actineHet 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.

F4.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 hier 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.

Uit: PNAS, UniSci.

8 Reacties op “Brownse beweging

  1. gert korthof oktober 29, 2013 om 09:27

    Marleen schreef Dit kan implicaties hebben voor theorien over de bron van energie gedurende de formatie van de eerste macromoleculen.
    Welke macromoleculen? welke implicaties? bedoel je bij de Origin of Life?

    • Marleen oktober 29, 2013 om 09:38

      Gert, 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.

  2. Pingback:Actomyosine motor | Tsjok's blog

  3. gert korthof oktober 30, 2013 om 09:35

    marleen: Brownse beweging: is dat niet een vorm van thermische energie?
    als dat een tot nu toe onderschatte bijdrage is en als het volgende opmerkelijke onderzoek klopt:
    Icy origins for RNA copying?
    Nature 502, 412 (24 October 2013)
    dan kan thermische energie niet veel hebben bijgedragen, in tegendeel zou ik als leek zeggen….

  4. Marleen oktober 30, 2013 om 16:55

    Gert, een interessant artikel. Bedankt. Het blijkt daaruit dat (vooraf gesynthetiseerde) ribozymen in een watermilieu van -19°C in staat zijn RNA te synthetiseren dat langer is dan het RNA van de ribozymen zelf. Ik neem aan dat het koude water de moleculen stabiliseert, wellicht omdat de Brownse beweging zodoende afgezwakt wordt.
    Bij Brownse beweging (bij fysiologische temperaturen) denk ik eerder aan de mogelijkheid eiwitten van conformatie te laten veranderen zonder dat daar ATP aan te pas komt. Of ook de mogelijkheid om zoals in dit blogbericht wordt beschreven eiwitten langs elkaar te laten bewegen. Hierbij denk ik dus eigenlijk aan een eiwitwereld of een RNA-eiwit wereld. Ik denk niet dat een pure RNA-wereld houdbaar is als theorie. Er zijn vast verschillende aminozuren en peptiden samen met RNA en nucleotiden in het primordiale milieu geweest
    Anderzijds is het ook denkbaar dat Brownse beweging een rol heeft gehad in de chemische bindingen tijdens het ontstaan van de eerste nucleotiden en / of aminozuren. Daar zou een chemicus vast meer over kunnen zeggen. Er is relatief weinig over te vinden, waarschijnlijk omdat het gaat om ‘krachten’ die zich op nanoschaal manifesteren.

  5. nand braam oktober 30, 2013 om 17:13

    @ Marleen

    Je zegt:” 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.”

    Bij chemische reacties zijn van groot belang de botsingskans van de deeltjes (afhankelijk van de concentraties) en de kracht van de botsingen , die sterk afhankelijk is van de heersende temperatuur (kinetische energie van de botsende deeltjes). De botsingen moeten krachtig genoeg zijn om de energieberg (activeringsenergie) voor de reactie te overwinnen. Bij biochemische reacties heeft het ATP/ADP-systeem ook invloed.

    Brownse beweging gaat in eerste instantie over verplaatsingen van deeltjes , dacht ik, niet zozeer om energie-effecten bij reacties. Ik heb het idee dat in de artikelen die je aanhaalt Brownse beweging en kinetische energie af en toe door elkaar heen lopen, maar het kan zijn dat mijn blik vertroebeld is. Het is interessante, maar moeilijke materie, dat wel.

    The term kinetic energy refers to all kinds of motions (earth, plane, nuclear radiation …) and has an exact value (E=1/2 mv2). Brownian motion is a certain motion, observed in small particles and molecules. The particles may have kinetic energy due to Brownian motion.

  6. Marleen oktober 30, 2013 om 22:49

    Inderdaad Nand, zoals de formule laat zien wordt er uitsluitend gekeken naar de veplaatsing van het Brown-deeltje en niet naar de energie ook al is deze onder andere afhankelijk van T of thermische energie van het systeem.
    Onder de tweede figuur staat het volgende:
    “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”.
    Het gaat dus om unidirectionele brownse beweging die de myosine met hobbels het energielandschap (curve E1) doet afdalen. Ik zie dat er energiehobbels genomen worden waarvan ik niet begrijp of die gekoppeld zijn aan de hydrolise van ATP of niet. Zijn deze (kleine) hobbels niet gekoppeld aan hydrolise van ATP dan worden ze door Brownse beweging veroorzaakt.
    Aangezien iets dergelijks mogelijk lijkt, d.w.z. energiehobbels nemen als gevolg van Brownse beweging, dan zou er op nanoschaal toch heel veel mogelijk kunnen zijn in termen van energie voor (nano)reacties.

  7. nand braam oktober 30, 2013 om 23:58

    @ Marleen

    Met deze toelichting van je is het stukje beter te begrijpen en kan ik me wel vinden in je uitleg (kleine energiehobbels worden genomen via de Brownse beweging).

Praat mee en laat hier uw reactie achter

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

Philosophy, Science, and all interesting things in between

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers op de volgende wijze: