Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Tag archief: Brownse beweging

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.

De ratel van het leven

De 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

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 nanoniveau. 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)

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 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 foto)

Myosine V (geel driehoekje rechts) loopt op actine (gele draad over de breedte onderaan de foto)

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.

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.

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)

Footnotes to Plato

because all (Western) philosophy consists of a series of footnotes to Plato

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 - blog personale di Paolo Minucci

Scientia Salon

An archived blog about science & philosophy, by Massimo Pigliucci

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

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

A Public House for Science

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

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 liken dit: