17.08.09 Messung der Reibung zwischen Kinesin und Mikrotubuli
Bio-Minimotoren sind Widerstandskämpfer
Dresdner Forscher messen Reibungskräfte molekularer Motoren
Reibung limitiert die Geschwindigkeit und Effizienz aller herkömmlichen Maschinen. Gilt dies auch für Nanomaschinen? Dresdner Forscher haben erstmalig mit Hilfe einer Laserpinzette direkt Reibungskräfte zwischen einzelnen molekularen Motoren und deren Schienen gemessen. Sie konnten somit zeigen, dass auch innerhalb unserer Zellen der Widerstand der Reibung die Motoren begrenzt - meist jedoch bei weitem nicht so stark, wie das bei großen Maschinen der Fall ist. Die Messungen können dazu beitragen, essentielle Prozesse in der Zelle wie z.B. deren Teilung, die von Motoren getrieben wird, besser zu verstehen.
Fluoreszenzbild von Einzelmolekülen (links): Bewegung von zwei diffundierenden Kinesin-Molekülen (grün) auf einem Mikrotubulus (rot) als aneinandergereihte Zeitserie. Schemazeichnung (rechts): Zieht man mit Hilfe einer Laserpinzette ein diffundierendes Kinesin-Molekül entlang eines Mikrotubulus, so kann man die Reibungskraft zwischen diesem molekularen Motor und der Oberfläche des Mikrotubulus sehr exakt messen.
Quelle: MPI-CBG, BIOTEC
Reibung ist die Kraft, die an der Grenzfläche zwischen zwei Körpern entsteht,
wenn sie sich relativ zueinander bewegen. Auch im Nanokosmos ist das so: Wenn
sich etwa molekulare Motoren auf dem Schienensystem der Zelle - den
röhrenförmigen Mikrotubuli - bewegen, dann haben sie ebenfalls gegen den
Widerstand der Reibungskräfte anzukämpfen. Die Reibungskräfte, die auf die
mikroskopisch kleinen Motorproteine wirken, sind allerdings bisher noch niemals
gemessen worden, und so blieb es unbekannt, wie sich Bewegungsrichtung und
Geschwindigkeit der Motoren darauf auswirken.
Reibung bremst auch Moleküle
Dresdner Forscher am Biotechnologischen Zentrum (BIOTEC) der TU Dresden und dem
Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) haben dazu
das Motorprotein Kinesin auf Mikrokugeln aufgebracht und diese mit einer
Laserpinzette über einen Mikrotubulus gezogen. So konnten sie die Reibungskräfte
zwischen einzelnen Molekülen und dem Schienentrakt exakt messen. "So wie eine
große Maschine durch Reibung ausgebremst wird, ist das auch bei molekularen
Motoren der Fall - ihre Geschwindigkeit und Leistung werden begrenzt durch den
Widerstand, der durch die Reibung mit dem Schienensystem entsteht", so Erik
Schäffer, Gruppenleiter am BIOTEC, und Jonathon Howard, Direktor und
Gruppenleiter am MPI-CBG.
Die Wissenschaftler erklären sich das Phänomen auf molekularer Ebene nun als
kleine Haftverbindungen zwischen einzelnen Molekülen - Reibung entsteht durch
die Kräfte, die für das Auseinanderreißen dieser Verbindungen nötig sind. Die
Motoren stolpern dabei mit 8-Millionstel-Millimeter-Schritten über ihre
Molekülschienen hinweg. "Das ist genau die Länge der Tubulin-Untereinheiten, aus
denen sich ein Mikrotubulus aufbaut und an dem so ein Motor entlangläuft - das
Motorprotein scheint also mit seinen kleinen Füßchen von Untereinheit zu
Untereinheit zu stapfen", so Schäffer.
Energiesparende Minimotoren
Die Reibungskräfte, die auf das Kinesin wirken, geben auch Aufschluss über die
Effizienz dieses Motorproteins. "Ungefähr die Hälfte der Energie, die Kinesin
aus dem Treibstoff ATP der Zelle gewinnt, geht als Reibung zwischen Motor und
Untergrund verloren", fasst Howard zusammen. "Was nach den Verlusten im Innern
des Motors von der Energie übrig bleibt, wird in mechanische Arbeit umgesetzt -
alles in allem meist effizienter als bei großen Maschinen", fügt Schäffer
hinzu. Der Energieverlust wird letztendlich in Wärme umgewandelt, die zum Heizen
unseres Körpers beiträgt. So werden z.B. unsere Muskeln unter anderem auch durch
Reibung warm, wenn sie etwas leisten müssen.
Quelle:
Protein friction limits diffusive and directed movements of kinesin motors on microtubules
V. Bormuth, al., Science 2009, DOI:
10.1126/science.1174923
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Messung der Reibung zwischen Kinesin und Mikrotubuli
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2009/aug/reibung.shtm)
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