Физики не смогли объяснить энергетическую неэффективность кинезина

Японские физики измерили с помощью оптического пинцета, какая часть энергии АТФ расходуется на движение «шагающего белка» кинезина и нагрев окружающей среды. Оказалось, что «полезная работа» составляет менее 20 процентов от химической энергии АТФ. После этого ученые разработали теоретическую модель и воспроизвели экспериментальные данные, однако так и не смогли найти качественное объяснение для таких высоких потерь. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Моторные белки играют очень важную роль в биологических процессах, превращая химическую энергию в энергию движения (поэтому их часто называют биологическими моторами). Благодаря этим белкам делятся клетки, сокращаются мускулы, синтезируются новые белки и аминокислоты. Один из самых важных моторных белков — это кинезин-1, который «шагает» по поверхности внутриклеточных микротрубочек и перетаскивает мембранные пузырьки с грузом. Каждые несколько миллисекунд кинезин отрывает одну из своих «ног» от поверхности трубочки, переставляет ее и прикрепляет в следующей точке — из-за этого его иногда называют «шагающим белком». За секунду кинезин успевает сделать более сотни шагов. Благодаря кинезину клетка может участвовать в митозе и мейозе (то есть делиться на части), а отдельные ее органоиды — митохондрии или везикулы — перемещаются между различными частями клетки. Подробнее про работу кинезина и других биологических моторов можно прочитать в материалах «Машина из пробирки» и «Нанороботы внутри нас».

Каждый раз, когда кинезин делает шаг и заново прикрепляется к подложке, он должен затратить энергию, поэтому для работы моторного белка необходимо своеобразное «топливо». В качестве такого «топлива» выступает молекула аденозинтрифосфат (АТФ), который окисляется до аденозиндифосфата (АДФ) и выделяет около 8,5×10⁻²⁰ джоулей энергии. Наблюдения за движением кинезина показывают, что на каждый шаг белок тратит одну молекулу АТФ. В среднем, длина шага составляет около восьми нанометров, а максимальная тяга, которую может создать белок, не превышает семи пиконьютонов. Таким образом, для перемещения кинезина было бы достаточно 7×8 пиконьютон на нанометр, то есть всего 5,6×10⁻²⁰ джоулей энергии. Получается, что около половины химической энергии расходуется «в никуда». Более того, обычно кинезин не шагает в одном направлении — при больших нагрузках белок часто делает шаги в обратную сторону, и его эффективная скорость сильно снижается.

Группа ученых под руководством Такаюки Арига (Takayuki Ariga) установила, на какие процессы кинезин расходует энергию АТФ. Чтобы корректно разделить энергии и упростить себе задачу, исследователи рассматривали только низкие нагрузки, при которых кинезин практически не делает шагов в обратную сторону. Для этого ученые прикрепляли к свободному концу кинезина наночастицу размером около 490 нанометров и тянули ее с помощью оптического пинцета — сфокусированного лазерного пучка, который действует на частицу с помощью градиентной силы. Более подробно про оптический пинцет можно прочитать в материале «Скальпель и пинцет». Чтобы измерить отклик кинезина на внешнее воздействие, физики тянули его с постоянной силой около двух пиконьютон и накладывали на нее колебания, амплитуда которых составляла примерно 20 процентов от постоянной силы. По этому отклику ученые могли не только измерить тягу белка, но и определить его положение на подложке.

После этого ученые измерили корреляции между скоростями движения кинезина при различных концентрациях АТФ в окружающей жидкости. Используя равенство Харада—Саса (Harada-Sasa equality) и дополняя его соотношением между флуктуациями и откликом (fluctuation-response relation), ученые рассчитали, какая часть энергии идет на совершение полезной работы, преодоления сопротивления вязкости жидкости или нагревание белка. Оказалось, что и в случае низкой, и в случае высокой концентрации АТФ на движение тратится около 20 процентов энергии, на нагревание — около 80 процентов, а потерями на вязкое трение можно пренебречь. Таким образом, кинезин — очень неэффективный мотор, особенно в сравнении с такими белками, как АТФ-синтаза (F₁-ATPase), которая превращает в полезную работу около ста процентов химической энергии

Затем физики попытались разработать теоретическую модель, которая объясняет высокий уровень потерь. Для этого ученые описали кинезин марковской моделью с двумя состояниями и тремя возможными путями перехода между состояниями. Решая возникающие уравнения движения, физики рассчитали корреляционную функцию между скоростями и связали ее с параметрами кинезина, найденными из опыта. Оказалось, что теория довольно хорошо сходится с практикой. Тем не менее, интерпретировать эти уравнения ученые не смогли. Несмотря на то, что получившаяся модель несимметрична, списать потери энергии на эту особенность нельзя — в эксперименте кинезин практически не делал обратных шагов, но все равно продолжал нагреваться. Кроме того, нагрев нельзя объяснить мягкостью подложки, то есть «увязанием» белка. Хотя отношение «полезной» и «потерянной» энергии в этом предположении совпадают, отклик белка совпадает с экспериментально измеренной зависимостью только на низких частотах. Поэтому авторы заключают, что об энергии АТФ можно сказать только то, что она теряются внутри белка, а не расходуется на его движение.

В ноябре 2015 года исследователи из Германии и Польши обнаружили, что в определенных условиях и вязкости среды кинезин останавливает свое движение при сопротивлении в 70 000 раз меньшем, чем максимальная нагрузка, которую он может нести. Это указывает на то, что движение кинезина скорее хаотично, чем упорядоченно. В том же месяце американские ученые разработали наноразмерную «машину», которая умеет двигаться в любом направлении по неровной поверхности. В отличие от природных «машин», таких как кинезин, эта молекула не изменяет состав субстрата, по которому шагает.

Дмитрий Трунин