Kinesin und Myosin: Molekulare Schrittmotoren bei der Arbeit

Präsentation zum Thema: "Kinesin und Myosin: Molekulare Schrittmotoren bei der Arbeit"—  Präsentation transkript:

1 Kinesin und Myosin: Molekulare Schrittmotoren bei der Arbeit
Hauptseminar im WS 2003/2004 Martina Leins

2 Gliederung Allgemeines
Motivation für die genaue Erforschung des Bewegungsablaufes Aufgaben der Kinesin- und Myosin V-Moleküle Kinesin Myosin V Vergleich und Zusammenfassung

3 Allgemeines Wandeln chemische in mechanische Energie um
Viel filigraner als herkömmliche Schrittmotoren Messen nur wenige Nanometer Kann das Tausendfache seines Gewichtes transportieren

4 Motivation Anwendungen im Nanobereich
Goldman: "What concerned me was how this little myosin motor can move along the track without letting go and floating off into the cytoplasm of the cell"

5 Aufgaben in der Zelle Kinesin: Transport von Makromolkülen und
kleiner Oranellen in der Zelle Myosin V: Transportiert verschie- dene Substanzen innerhalb von Nerven- zellen

6 Struktur von Kinesin Kopf: Motor Stiel: Doppelwendel
Schwanz: kann Last binden

7 Kinesin Bewegt sich entlang einer Mikrotubuli

8 Bewegungsmechanismus bei Kinesin
Aufnahme von ATP ATP-Hydralisation Pi-Abgabe ADP-Abgabe Erneute ATP-Aufnahme

9 Struktur von Myosin V Kopf: Motorbereich Genick: Lichtkette
Schwanz: kann Last binden

10 Myosin V Bewegt sich entlang eines Actinfilaments

11 Schrittweite des Myosin V
Genaue Bestimmung der Schrittweite: Früher: Bestimmungen mit festem Actinfilament Jetzt: Rotationsfreiheit des Actinfilaments

12 Versuchsaufbau Actinfilament auf zwei Kügelchen
Aufsetzen der Doppelkugel mit dem Myosin V-Molekül mit optischer Pinzette Ausschalten der Laserfalle

13 Mögliche Bewegungsformen
Schrittweite ca. 36nm: Rechts- oder linkshändige Spirale um Actinfilament mit großer Ganghöhe Kleine Schrittweite: starke rechtshändige Rotation (wie RNA um DNA) Entlanggleiten an den Strängen

14 Bewegung bei maximaler Geschwindigkeit

15 ATP- konzentrationsunabhängig Nicht alle Moleküle zeigten Rotation:
Linkshändige Spirale 2 Umdrehungen über 4.4mm ATP- konzentrationsunabhängig Nicht alle Moleküle zeigten Rotation: Gründe: Zurück gelegter Weg zu kurz ( < 2mm) Zu kurzes Actinfilament Rotation durch 'Schutt' verhindert

16 Diagramm

17 Schrittweite Linkshändige Rotation: Schrittweite etwas kleiner als 36nm Rechtshändige Rotation: Schrittweite kleiner als 18nm Schrittweite zwischen 18nm und 36 nm

18 Berechnung der Schrittweite
Mittlere Schrittweite: 34,8nm 36nm*(2.200nm-72nm)/(2.200nm) = 34,8nm Mittlerer Drehwinkel pro Schritt: 6°

19 Schrittweite ist konstant
Unabhängig von ATP-Konzentration Last unabhängig Realisation: 104 Myosin V Moleküle an einem Doppelkügelchen

20 Zwei mögliche Bewegungsformen
Hand-over-hand: Beide Köpfe sind abwechselnd führend Inchworm: Ein Kopf ist immer vorn der andere immer hinten

21 Hand-over-hand – Inchworm

22 Voraussagen der beiden Modelle
Hand-over-hand: Abwechselnd Schritte der Weite (37 G 2x)nm Inchworm: Immer gleich große Schritte der Schritt- weite 37nm

23 Auflösungsvermögen Lokalisation: G6nm bei einer Zeitauflösung von 20s
(scanning confocal microscopy) Ortsauflösung: 2nm bei Objekten der Größe 30 – 150nm bei einer Zeitauflösung von 30ms

24 Einzel-Molekül-Fluoreszenz
Lokalisation von 1.5nm in 2d Zeitauflösung von 0.5s Photostabilität von bis zu einigen Minuten Fluorescence imaging with one- nanometer accuracy: FIONA

25 FIONA Lokalisation: Gaußfit in 2d
Photostabilität: Sauerstoffreinigungssystem

26 Test: FIONA Probe an ruhender DNA
Bewegung des Spots in definierten Schritten und definierter Verweilzeit Ergebnis: Genauigkeit der Ortsbestimmung: 1.3nm

27 FIONA mit Mysion V Mysion V mit Rohdamin versehen:
bis Photonen pro Spot Lokalisation: G3nm, helle Spots sogar G1.5nm 49 verschiedene Moleküle 552 ganze Schritte

28 Beobachtete Schrittweiten
gleichgroße Schritte mit einer Schrittweite von 74nm Alternierend zwei verschieden große Schrittweiten: 52nm und 23nm 42nm und 33nm

29 52-23nm und 42-33nm Schritte

30 74nm Schritte

31 74-0nm Schritte Zwischen zwei 74nm-Schritten ein 0nm-Schritt versteckt
Kinetische Überlegungen: bei gleicher ATP-Konzentration halb so große Schrittrate wie bei oder Schritten: Experiment: Schrittrate (52-23/42-33): 0.35 s-1 Schrittrate (74-0): 0.17s-1

32 Ergebnis Myosin V bewegt sich nach dem Hand-over-hand Modell
Mittlere Schrittweite: (74 + 0, , )/2 nm = 37nm

33 Vergleich und Zusammenfassung
Myosin V: Actinfilament Hand-over-hand Schrittweite von 34.8nm Kinesin: Microtubuli 8nm Schrittweite