Apresentação Motores Moleculares

Motores Moleculares

Ney Lemke

Departamento de Fısica e Biofısica

2008

Introducao Uma breve historia dos atomos Termodinamica Acessando o sutıl

Outline

1 Introducao

2 Uma breve historia dos atomos

3 Termodinamica

4 Acessando o sutıl


Nascimento da Nanotecnologia

29/12/1959 Feynman proferiu apalestra “Existe muito espaco la embaixo” no MIT.Enciclopedia Britanica em umalfinete, escrevendo em um planoUsando atomos podemos escrevertodo o conhecimento humano emum grao de poeira.Melhores Microscopios.

http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html


Escala

Nanometro equivale 10−9 m.Em um cubo de um nanometro podemos abrigar em tornode mil atomos.Escala das moleculas de interesse biologico.Excecao: DNA de seres humanos pode medir 1 m!


Motores Moleculares

Os motores moleculares sao objetos que vivem nesta escala eque sao capazes de operar como motores, ou seja saocapazes de realizar trabalho utilizando energia quımica oueletrica.


Perguntas

Como podem operar estas diminutas maquinas emambientes tao adversos?Como devemos descreve-las? Em que processosbiologicos atuam?Como podemos planejar maquinas para atuar no mundoda nanotecnologia?


Outline

1 Introducao


3 Termodinamica



Gregos

Tales: “Tudo e agua”Princıpio atomıstico de Leucipo e Democrito: Atribui ocomportamento de todas as coisas a partıculas indivisıveischamadas de atomos.”Tudo que existe no universo e fruto do acaso e danecessidade.”


Atomıstas e “Continuıstas”

AtomıstasNewtonLeibnitzBoltzmannPlanck

“Continuıstas”Filosofia que advogaque os atomos saoinobservaveis.Ernst Mach


Boltzmann

Base microscopica daSegunda LeiS = kB ln Ω

Cinetica dos GasesProbabilidades namecanica.


Outline

1 Introducao


3 Termodinamica



Termodinamica

Sistemas em equilıbrioSem correntesHomogeneosSem evolucao TemporalComportamento do sistema nao dep. da Historia

Numero muito grande de elementosInteracoes de curto alcance


As leis da Termodinamica

1 Corpos em equilıbrio possuem a mesma temperatura2 A energia se conserva.3 Segunda Lei.


Entropia

Variavel de Estado. Todo o sistema em equilıbrio possuiuma entropia associada.∆Q = ∆S/TNa Mecanica estatıstica e dada por: S = kB ln Ω, onde Ω eo volume no espaco de fase compatıvel com os vınculosdo sistema.Por simplicidade podemos pensar em S como umamedida da desordem do sistema.


Segunda Lei

A entropia de um sistema fechado sempre aumenta(Clausius).Calor nao pode fluir espontaneamente de um corpo friopara um corpo quente. (Clausius)E impossıvel converter calor completamente em trabalho.(Kelvin)


Ciclo de Carnot

A eficiencio maxima de umamaquina termica e dada por:

η = 1 − T1

T2

onde Ti sao as temperaturasdos reservatorios termicos.


Existencia dos atomos

Robert Brown1827 - ObservacaoMicroscopioLeeuenwenhoek:Interpretacao AnimistaBrown: medidascuidadosasinterpretacao fısica

Clarkia pulchella


Modelo de Einstein

Ate 1905: Nenhuma TeoriaEinstein e a hipotese atomısticaTratamento genial, permitiu determinar N o numero deAvogrado.


Modelo de Einstein

Considere um cırculo de raio r em torno da partıcula,quanto tempo devemos esperar para que a partıcula cruzeeste cırculo?Papel das Flutuacoes

〈r2〉 =RTN

13πkP

t

onde: onde R e a constante dos gases, T e a temperatura,N e o numero de Avogrado, k e a viscosidade e a o raiodas partıculas.Existencia dos atomos


Fotons

Em 1905 Einstein introduziu o conceito de foton:quanta de energiapossui momentum e energiapode mudar a direcao de movimento dos atomos e excitareletrons


Biomoleculas

proteınas,moleculas formadas a partir de nucleotıdeos: DNA e RNAelipıdios


DNA

dupla fita em forma deespiralmolecula carregadaassociamos umadirecao a suas ligacoesquımicas.


RNA

fita simplesem forma deespiralMaior ComplexidadeEstrutural


Proteınas

Estrutura mais ricaTres elementos estruturais:

alfa-helices,folhas betas eligacoes to tipo coil


Proteınas

Tres representacoes da proteına triose fosfato isomerase.


Outline

1 Introducao


3 Termodinamica



Aparato Experimental

Aparelhos de Raio-X permitem determinar a estrutura deproteınas e acidos nucleicos, mas para tanto necessitamde cristaisRessonancia Magnetica Nuclear permite determinar aestrutura e eventualmente aspectos da dinamica debiomoleculas. Necessita de grandes quantidades demoleculasMicroscopio do Forca Molecular permitem caracterizarindividualmente as moleculasPincas oticas permitem manipular e medir forcas emescalas microscopicas.


Atomic Force Microscope- AFM

Alavanca microscopica com ponta muito fina.Ao se aproximar do material forcas surgem, elas saomedidas pela defexao da alavanca.Diferentes forcas podem ser medidas:

forcas de Van der Waals,ligacoes quımicas,forcas eletrostaticas,forcas de solvatacao eforcas de Casimir.


Atomic Force Microscope - AFM


Atomic Force Microscope- AFM


Pinca Otica

Forca exercida por umaluz laser fortementefocada para aprisionarobjetos pequenos.Nesta escala esta forcae comparavel as outrasforcas do sistema.


Teoria

Objetos Pequenos: a luz induz a formacao de um dipoloeletrico nas partıculas, este processo atrai aspartıculas na direcao do foco do laser

Objetos Grandes os objetos agem como lentes refratando osraios de luz, este processo faz com que os objetossejam atraıdos pela luz do laser.


Pinca Otica


Pincas Oticas

Aprisionam objetos com 5 nmExercem forcas da ordem de 100 pN .Esta escala de forcas e excelente para manipularmacromoleculas.Esta tecnologia tem sido utilizada para medir forcasexercidas por motores moleculares

miosina,kinesina,enzimas eribossomas.

Exemplos de Motores Biomoleculares A base Fısica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Bibliografia

Outline

5 Exemplos de Motores Biomoleculares

6 A base Fısica dos Motores Moleculares

7 Questoes em Aberto

8 Perspectivas

9 Bibliografia


Motores Biomoleculares

Na decada de 70 as celulas eram pensados como tubosde ensaios contendo misturas de compostos quımicos.Nos ultimos anos esta visao mudou.As celulas sao estruturas polares e seu interior e naohomogeneo e nao isotropico.Muitos processos bioquımicos envolvem movimentodirecional e transporte de especies quımicas.


Processos

Processos celulares requerem que a informacaoarmazenada em sequencias de polımeros seja lida deforma direcionalAs celulas devem se orientar em resposta a gradientesquımicos e outros sinais.


Maquinas

Para vencer os efeitos aleatorios do movimento browniano,as celulas possuem estruturas moleculares que devem secomportar como pequenas maquinas mecanicas.Estas maquinas operam como motores moleculares queconvertem energia quımica em energia mecanica.Elas operam com nıveis de ruıdo termico comparados assuas energias.


Mecanismos Universais

Existem muitos tipos diferentes de motores moleculares:Motores que se locomovem ao longo de polımeros.Motores que se movimentam ao longo de DNA e RNA.Motores moleculares que exercem torque.


Outras Classificacoes

Processuais Se deslocam ao longo de sua base desustentacao durante muitos “passos”. Ex.Kinesina

Nao Processuais Se deslocam poucos passos e tendem apossuir um comportamento coletivo. Ex. Miosina II


Funcoes

Contracao e movimento muscular: MiosinaMovimento ciliar: DineınaMovimento de Organelas: KinesinaSinalizacaoLocalizacao de RNATransducao sensorialDesenvolvimentoReplicacao Celular


Zoo


Doencas Envolvidas

MiopatiasSindrome de GriscelliSurdezRetinitis PigmentosaTransporte ViralDoencas Neurodegenativas


Mecanismos Universais

Apesar de existir variacao entre os motores eles partilhamcaracterısticas universais.Teorias buscam explicar os mecanismos fısicossubjacentes.Objetivo: esclarecer o papel que as flutuacoes e oacoplamento entre a cinetica quımica e a estrutura fısicadesempenham no comportamento e na eficiencia destasmaquinas.


3 Exemplos

Kinesina e dineınaRNA PolimeraseFlagelo de Bacteria


Kinesisa e Dineına

Na medida em que as dimensoes dos objetos vao se tornandomenores a forca gravitacional se torna negligıvel.Por exemplo: Um motor molecular de dimensoes de 10 nmpode gerar forca suficiente 5 pN para levantar o peso de umahemacia de dimensoes 1000 vezes maior e com um volumebilhoes de vezes maior.


Kinesisa e Dineına

As dineınastransportam material aolongo dos microtubulosque sao orientados nadirecao do centro dacelula.Estas moleculasconseguem transportarorganelas inteiras comoo complexo de Golgi


RNA Polimerase

A RNA polimerase e uma proteına que caminha no DNAsendo responsavel por produzir RNA mensageiro.Este processo pode ser dividido em :

localizacao de sinais caracterısticos na sequencia de DNA,chamados de promotores,desenrolar e abrir a dupla fita,gerar a fita complementar de RNA,recompor a fita de DNA efinalmente localizar a regiao terminal dos genes eabandonar a fita de DNA.


RNA Polimerase


RNA Polimerase


Flagelo de Bacterias

Muitas bacterias se utilizam de uma cauda para selocomover, esta estrutura recebe o nome de flagelo.Sao necessarias 20 diferentes tipos de partes para que omotor funcione:

motores responsaveis pela rotacao do flageloproteınas que extraem informacoes do meio celular edecidem em qual direcao o motor deve girar.

O motor opera atraves da energia fornecida por ıons queatravessam a membrana da celula.


O motor gira com freq.de 100 hz.O motor gira no sentidohorario e a bacteria semove erraticamenteO motor gira no sentidoanti-horario e a bacteriase move de formalinear.


Flagelo


flagelo


Complexidade Irredutıvel

A complexidade desta estrutura tem sido utilizada comoexemplo paradigmatico de Complexidade Irredutıvel, ou sejasistemas que por serem muito complexos e precisarem dofuncionamento orquestrado de muitas unidadesinterdependentes nao poderiam ter sido produzidos por umprocesso aleatorio.


Complexidade Irredutıvel

Contudo muitas das proteınas envolvidas possuemsimilaridade com outras que desempenham outras funcoesbiologicas, isto e um forte indicativo que esta estrutura deve tersido gerada em um longo processo evolutivo.http://www.newscientist.com/channel/life/dn13620-evolution-24-myths-and-misconceptions.html.


Outline




8 Perspectivas

9 Bibliografia


Catraca Browniana

O princıpio basico de funcionamento dos motoresmoleculares e a catraca browniana.Retificamos o ruıdo, eliminando as partes dele que naonos interessam e explorando aquelas que contribuem parao movimento. (Princıpio de Rubens Ricupero: “O que ebom gente mostra, o que e ruim a gente esconde.”


Carro na Rampa


Proteına

Para uma proteına imersa na agua, este efeito faria a moleculase mover um mıcron por segundo, mais de 10 vezes o seutamanho. Em termos comparativos isto equivaleria a um carroandando a 100 km/h.


Catraca

roda dentada comdentes assimetricosuma lingueta: umpequeno braco queimpede que a catracaretroceda.A lingueta esta ligada auma mola.


Violacao da Segunda Lei

Uma questao importante e se este mecanismo nao iria violar asegunda lei da termodinamica.Esta maquina e um exemplo de moto perpetuo do segundotipo: transforma calor inteiramente em trabalho, o que violaesta lei.


Analise de Feynman

O problema neste caso e que o ruıdo termico tambemagiria sobre a mola, fazendo com que ela eventualmenteliberasse a catraca.Este efeito cancela os anteriores.Solucao manter a catraca e as pas em temperaturasdiferentes.Se a temperatura da catraca for maior do que as pas, osistema funciona como motor.Se a temperatura da catraca for menos do que as pas, osistema funciona na direcao contraria.


Modelo para a Kinesina

Potencial que a kinesina enfrenta possui a forma de umdente de serraA hidrolise de moleculas de ATP faz com que o potencialse torne plano (o que sera equivalente a retirar a linguetada catraca).A liberacao dos ADPs retorna o potencial para a forma deum dente de serra (recolocando a lingueta), o quedependendo de quanto a molecula andou permite que elaavance para o proximo dente.


Outline




8 Perspectivas

9 Bibliografia


Questoes

Determinacao da estrutura de um maior numero demotoresAlvos dos motores e regulacaoImplicacao de motores em doencasUso em nanotecnologia.


Outline




8 Perspectivas

9 Bibliografia


Futuro de Feynman

Melhores microscopios oticos, na verdade uma novatecnologia para microscopios: forcas molecularesComputadores mais rapidos e qualitativamente diferentesdos computadores de 1950.

Reconhecimento de rostosAuto programacao


Futuro de Feynman

Nanorobos capazes de realizar cirurgiasNovos materiais e nanomaquinas identicas.Sıntese quımica atomo a atomo.


Perspectivas.

Em linhas gerais nos aproximamos do futuro de Feynman.Mas ainda estamos muito distantes de varias dasprevisoes.Avanco muito rapido em Biologia.


Futurologia

Cirurgia genomica: alteracao do DNA em todas as celulasde um indivıduo, ou de um orgao.Reprogramacao ou reconstrucao sinaptica.Criacao de maquinas capazes de se auto-reproduzirem.Farmacos adaptados para o indivıduo, levando em contaparticularidades das proteınas presentes no indivıduo.Armazenar o estado de um determinado sistemaneurologico.


Outline




8 Perspectivas

9 Bibliografia


Bibliografia

ASTUMIAN, R. D. , “Making Molecules into Motors”, Sci. Am.,July, 57, (2001).BUSTAMANTE,C.; KELLER, D. ; OSTER, G. “The Physics ofMolecular Motors”, Acc. Chem. Res., 34, 412, (2001)GRIER, D. G. “A Revolution in Optical Manipulation”, Nature,424, 810, (2003).HOWARD, J. “Molecular Mechanics of Cells and Tissues”,Cellular and Molecular Bioengineering, 1, 24, (2008).SCHLIWA, M.; WOEHKE, G.,”Molecular Motors”, Nature,422,759, (2003).

Technology

Apresentação Motores Moleculares