Kinezyna naprawdę „chodzi” po mikrotubuli krokami długości około 8 nanometrów
Kinezyna-1 transportująca pęcherzyki i organelle ma dwie głowy motoryczne, które naprzemiennie wiążą mikrotubulę. Pojedynczy cykl zużycia ATP jest sprzężony z krokiem rzędu 8 nm, odpowiadającym okresowi ułożenia tubuliny w protofilamencie. Obserwacje pojedynczych cząsteczek wykazały mechanizm hand-over-hand: głowa pozostająca z tyłu przechodzi obok partnerki i staje się głową prowadzącą. Motor potrafi wykonać wiele kolejnych kroków bez odłączenia, dlatego w komórce działa jak nanometrowy tragarz poruszający się po spolaryzowanym torze cytoszkieletu.
Mikrotubula ma wbudowany kierunek
Protofilamenty mikrotubuli składają się z jednakowo zorientowanych dimerów alfa/beta-tubuliny, dlatego ich końce nie są równoważne. Koniec plus i minus różnią się dynamiką oraz orientacją strukturalną. Kinezyna-1 z reguły porusza się ku końcowi plus. Dzięki temu komórka może wykorzystać układ mikrotubul jako sieć kierunkowych dróg, szczególnie wyraźną w wydłużonych wypustkach neuronów.
Dwie głowy zmniejszają ryzyko zgubienia toru
Kinezyna jest dimerem mającym dwie domeny motoryczne połączone z długim trzonem i regionem wiążącym ładunek. Podczas procesywnego ruchu co najmniej jedna głowa pozostaje zwykle przyczepiona do mikrotubuli. To kluczowe, bo pojedyncze całkowite odłączenie na skali molekularnej oznaczałoby szybkie rozproszenie motoru w cytoplazmie. Naprzemienny chód pozwala więc przemieszczać ładunek przez wiele kroków bez stałego zakotwiczenia.
ATP zmienia powinowactwo i położenie głów
Cykl nukleotydowy steruje konformacją domen motorycznych i krótkich odcinków neck linker. Wiązanie ATP do głowy na mikrotubuli sprzyja zmianie położenia neck linker i przesunięciu partnerki do przodu. Kolejne etapy hydrolizy, uwolnienia fosforanu i ADP regulują siłę związania każdej głowy z torem. Energia chemiczna nie jest więc zamieniana na jeden gwałtowny skurcz, lecz na skoordynowaną sekwencję zmian powinowactwa i geometrii.
Osiem nanometrów wynika z budowy toru
Powtarzająca się jednostka wzdłuż pojedynczego protofilamentu ma około 8 nm. Kinezyna-1 wykonuje kroki odpowiadające temu okresowi, dzięki czemu kolejne głowy lądują w równoważnych miejscach wiązania na tubulinie. Pomiar kroków był jednym z klasycznych sukcesów biofizyki pojedynczych cząsteczek. Tak małą odległość można zarejestrować dzięki technikom wykorzystującym mikrokulki, pułapki optyczne i bardzo precyzyjne śledzenie położenia.
Motor może pracować przeciw obciążeniu
Kinezyna transportująca pęcherzyk w zatłoczonej cytoplazmie nie porusza się w próżni. Napotyka opór lepko-sprężystego środowiska i siły generowane przez inne motory. Eksperymenty z pułapkami optycznymi pokazują, że motor może wykonywać kroki pod obciążeniem, a wraz ze wzrostem siły zmieniają się jego prędkość i prawdopodobieństwo odłączenia. Mechanochemia kinezyny jest więc dostrojona do realnego transportu, nie tylko do swobodnego spaceru.
Ładunek często niesie wiele motorów i różne ich typy
W komórce jeden pęcherzyk może być związany z kilkoma kinezynami, a także z dyneiną poruszającą się w przeciwnym kierunku. Ruch widoczny w mikroskopie bywa serią odcinków, pauz i zmian kierunku. Regulatory decydują, które motory są aktywne i kiedy ładunek ma zostać dostarczony. Pojedyncza kinezyna pokazuje podstawową jednostkę ruchu, lecz transport organelli jest wynikiem współpracy całych zespołów.
Komórka zamienia hydrolizę ATP na ukierunkowany spacer
Najbardziej zaskakujący aspekt polega na tym, że ruch nie jest metaforą. Dwie domeny białka wykonują cykl prowadzący do mierzalnych, dyskretnych przesunięć. Na skali kilku nanometrów nie ma nóg ani stawów podobnych do naszych, lecz istnieje ta sama ogólna zasada: asymetryczna sekwencja ruchów i przyczepności przekształca energię w postęp w jednym kierunku. Kinezyna to jeden z najlepszych przykładów, że komórka jest pełna działających maszyn molekularnych.
Procesywność kinezyny jest imponująca, ale nie nieskończona. Pojedynczy motor po kilkuset nanometrach lub mikrometrze może odłączyć się od toru; dłuższy transport w komórce jest możliwy dzięki wielu motorom, ponownemu przyłączaniu i sieci mikrotubul. Kierunek również zależy od rodziny kinezyn. Choć kinezyna-1 porusza się ku końcowi plus, istnieją kinezyny minus-end-directed, jak kinesin-14, oraz rodziny pełniące funkcje depolimeryzujące zamiast transportowych. Termin „kinezyna” nie oznacza więc jednego chodzącego białka. Dodatkowo motor może być autohamowany, gdy nie niesie ładunku: ogon oddziałuje z domenami motorycznymi i ogranicza niepotrzebne zużycie ATP. Dopiero adaptery ładunku i małe GTPazy mogą otworzyć cząsteczkę i skierować ją na tor. W neuronie ta regulacja jest szczególnie ważna, bo pęcherzyk może mieć do pokonania odległość liczoną w centymetrach wzdłuż aksonu — gigantyczną w porównaniu z 8-nanometrowym krokiem. Miliony powtarzanych kroków i przełączeń motorów zamieniają lokalny mechanizm molekularny w transport na skalę całej komórki.