موتورهای مولکولی 2 – انواع

1- مقدمه

انرژی مورد نیاز برای تغییرات ساختاری در موتورهای مولکولی، از منابع گوناگونی تأمین می‎شود. این انرژی بسته به نوع موتور مولکولی می‎تواند از جنس شیمیایی، نور و یا تغییرات محیطی مانند تغییر دما یا pH محیط باشد. در واقع، موتورهای مولکولی دارای ساختار فضایی مشخص با قواعد معینی هستند که تحریک خارجی باعث تغییر ساختار و قواعد بخشی از موتور می‎شود و نتیجه آن، به وجود آمدن حرکت‌های مکانیکی است.
میلیون‌ها سال است که در طبیعت، انواع مختلفی از موتورهای مولکولی وجود دارند که در گذر سالیان متمادی، عملکرد آنها بهینه‌سازی شده است. همانطور که شناخت ما نسبت به موتورهای مولکولی طبیعی در حال افزایش است، توانایی تقلید ما از آنها برای سنتز گونه‌های مصنوعی نیز در حال توسعه است. لذا می‎توان موتورهای مولکولی را به دو گروه اصلی موتورهای طبیعی (پروتئینی) و موتورهای مصنوعی تقسیم‌بندی کرد. موتورهای طبیعی اغلب مبتنی بر ATP هستند. در مقاله حاضر به معرفی انواع مختلف موتورهای ملکولی و مکانیزم علمکرد آنها پرداخته خواهد شد.

2-  موتورهای مولکولی پروتئینی پایه ATP

1-2-  موتورهای  F₀-F₁-ATPase

ATP واحد رایج انرژی در سیستم‎های مولکولی زیستی است. این مولکول متشکل از 3 یون فسفات است که به پایه آنزیمی مولکول وصل هستند (شکل 1). با هیدرولیز ATP و شکسته شدن پیوند موجود بین «یون‎های فسفات» و «پایه آنزیمی مولکول ATP» (یعنی ADP)، انرژی این ملکول آزاد می‌شود و می‎تواند فرآیندهای زیستی را به پیش‎ ببرد. این واکنش در رابطه 1 خلاصه شده است:

(معادله 1)                                      ATP+H₂O←→ADP+P_i

همانطور که مشاهده می‌شود، شکسته شدن پیوند ATP (یعنی مصرف آن) باعث تولید ملکول ADP (adenosine diphosphate) و یون فسفات (P_i) می‎شود. ترکیب دوباره این دو محصول می‎تواند مولکول ATP را مجدداً تولید کند. بنابراین، معادله 1، یک واکنش برگشت‌پذیر است. بر خلاف فرآیند هیدرولیز ATP که باعث تولید انرژی می‎شود (یعنی رابطه 1 خود به خودی است)، ترکیب مجدد محصولات واکنش و تولید دوباره ATP نیاز به انرژی دارد. این واکنش، اساس عملکرد موتور مولکولی F₀-F₁-ATPase است.

در واقع، موتور ملکولی F₀-F₁-ATPase، ترکیب دو موتور هیدروفوبیکی درون‌غشایی F₀-ATPase (hydrophobic transmembrane) و موتور گلوبولار F₁-ATPase است که ساختار و عملکردهای متفاوتی نسبت به یکدیگر دارند. موتور F₀ ساختارهای فضایی متفاوتی در اندام‎های مختلف دارد و نحوه عملکرد آن، به منبع انرژی درون آن اندام وابسته است. به عنوان مثال، در میتوکندری (mitochondria) سلول‌های تشکیل دهنده بافت حیوانات (که اندامکی در داخل سلول‎ها برای تبدیل مواد غذایی به ATP  است)، موتور F₀ در غشاء داخلی میتوکندری قرار گرفته است و نیروی محرکه یونی (ion-motive) باعث حرکت آن می‎شود. در واقع، اختلاف غلظت یون در دو طرف موتور باعث ایجاد یک شار یونی می‌شود و این شار، حرکت موتور را به‎ وجود می‎آورد. اگرچه در ابتدا تصور می‎شد که نیروی محرکه این موتورها تنها «نیروی محرکه یونی حاصل از یون هیدروژن» است، اما امروزه مطالعات نشان داده است که یون سدیم نیز باعث حرکت آنها می‎شود. این نیروی محرکه یونی به صورت کار بر واحد یون تعریف می‎شود که یک یون می‎تواند با حرکت از بین غشا آن مقدار کار را تولید کند.

ساختار موتور F₁: این موتور که انرژی خود را از هیدرولیز ATP به دست می‎آورد، از یک ستون پروتئینی مرکزی به نام «زیرواحد-γ» (γ-subunit) تشکیل شده است. این ستون توسط 6 زیرواحد دیگر به نام‎های α و β محاصره شده است. زیرواحدهای α و β به طور یک‌درمیان و به صورت متقارن در کنار یکدیگر قرار گرفته‎اند. همچنین، زیرواحد δ به محیط استوانه‌ای α- β متصل است و زیرواحد Ɛ در زیر یا کنار ستون γ قرار دارد. زیرواحدهای α و β حاوی محل‎هایی معینی برای اتصال آنزیم‎ها هستند. این مکان‌ها محل مناسبی برای اتصال مولکول‎های ATP/ADP به شمار می‌روند. محل‎های اتصال آنزیم‎ها در زیرواحدهای α فقط به آنزیم‎ها اجازه اتصال فیزیکی می‌دهد، درحالی که محل‎های اتصال در زیرواحدهای β، نقش کاتالیزور واکنش (تبدیل ATP به ADP یا بالعکس) را دارند. شکل 2 شمایی از ساختار موتور F₁ را نشان می‌دهد که بخشی از یک باکتری‎ است.

عملکرد موتور F₁: بر اساس مکانیزم پیشنهاد شده برای این موتور، هر یک از زیرواحدهای β می‌توانند در یکی از سه حالت O (باز)، L (شل) و T (بسته) قرار گیرند. زمانی که زیرواحد β در حالت O قرار دارد، موتور از لحاظ کاتالیستی، فعالیتی ندارد و تمایل بسیار کمی به اتصال با مولکول‎ها (ADP و P_i) خواهد داشت. در حالت L، زیرواحد β پیوند ضعیفی با مولکول‎ها برقرار می‎کند، اگرچه‎هنوز از لحاظ کاتالیستی غیرفعال است. در حالت T، ملکول ADP و یون P_i به یکدیگر متصل می‌شوند و ملکول ATP را می‌سازند. در مرحله آخر، تغییر در شکل فضایی موتور، حالت T را به O تبدیل می‎کند و اجازه می‌دهد مولکول تولید شده ATP، از موتور جدا شود. شکل 3 مراحل مختلف این فرآیند را نشان می‌دهد.

موتور F₀، عامل چرخش ستون γ است. چرخش ستون نانومتری γ که موتور F₁ را به موتور F₀ متصل کرده ‎است، باعث تغییرشکل فضایی در موتور F₁ می‎شود و نتیجه آن، تغییر حالت زیرواحدها است. همانطور که در شکل 2 ملاحظه می‎شود، شار یونی (و در برخی از موارد، شار یونی حاصل از یون هیدروژن) در طول غشا باعث چرخش موتور F₀  می‎شود.

2-2- موتورهای میوزین و کینسین

در کنار موتورهای پروتئینی F₀-F₁-ATPase که به صورت چرخشی حرکت می‌کنند، موتورهای پروتئینی دیگری با حرکت خطی در طبیعت وجود دارند. این موتورها که انتقال اجزای مختلف مانند مواد غذایی، حرکت ماهیچه‎ها، و تقسیم سلولی، از وظایف آنها به شمار می‌رود، برای حرکت خود نیاز به ملکول ATP دارند. این ماشین‎های مولکولی کوچک به سه خانواده اصلی «کینسین‎ها»، «میوزین‎ها» و «داینین‎ها» (dyneins) تقسیم بندی می‎شوند. در ادامه به توصیف دو خانواده اول پرداخته خواهد شد.

موتورهای میوزین: این موتورها خانواده‌ای گسترده از موتورهای پروتئینی هستند که قابلیت انتقال اجزای مختلف مانند مواد غذایی را در طول فیلامنت اکتینی (actin filament) دارند. فیلامنت‎های اکتینی، لوله‎های ریز پروتئینی هستند که موتورهای مولکولی میوزین در طول آنها حرکت می‎کنند. این موتورها با هیدرولیز یا مصرف ملکول ATP، انرژی مورد نیاز برای حرکت خود را به دست می‎آورند. شمایی از تصویر موتور میوزین در شکل 4 نشان داده شده است.  این موتوردارای دو سر (head) کروی مشابه است. هر یک از این دوسر که مستقل از یکدیگر عمل می‎کنند توسط یک بازوی اهرمی (level arm) از جنس پلیمر به یک رشته پلیمری متصل هستند. دو رشته پلیمری به صورت مارپیچ در هم پیچیده‎اند و دو سر را متصل به یکدیگر نگه داشته‎اند. دم موتور معمولاً به جزء منتقل شونده متصل است. لازم به ذکر است که در حین حرکت فقط یک سر موتور عمل می‎کند و سر دیگر آن آزادانه و بدون اتصال به فیلامنت اکتینی قرار دارد.

در شکل 5-(الف) موتور میوزین به همراه یک سر فعال آن (سبز رنگ) نشان داده شده است. این موتور بر روی فیلامنت اکتینی (آبی رنگ) حرکت می‎کند. بازوی اهرمی در این شکل به رنگ قرمز دیده می‎شود که سر موتور را به رشته مارپیچ سبز رنگ وصل کرده است. دلیل نام گذاری «بازو» این است که این بخش از موتور، قابلیت تغییر شکل فضایی دارد؛ هرچند به شکل بازو واقعی دیده نمی‎شود. بر اساس مکانیزم پیشنهاد شده، در ابتدا سر موتور با ATP واکنش داده و ADP و P_i را تولید می‎کند. در این زمان چون سر موتور به ADP متصل است، تمایلی به اتصال با فیلامنت اکتینی نازک ندارد. زمانی که موتور فعال به صورت تصادفی به فیلامنت اکتینی برخورد می‎کند، یون P_i بهجا مانده از واکنش آزاد می‎شود و اتصال برقرار می‎شود (شکل 5-الف-2). آزاد شدن یون فسفات باعث تغییرشکل فضایی بازوی اهرمی شده و آن را در جهت عکس ساعت می‎چرخاند. این چرخش، موتور مولکولی را به اندازه 10 نانومتر در طول فیلامنت اکتینی حرکت می‎دهد (شکل 5-الف-3). سپس مرکز کاتالیستی ADP خود را آزاد می‎کند و یک ATP جدید جای آن را می‎گیرد و باعث جدایش موتور از فیلامنت اکتینی نازک می‎شود (شکل 5-الف-4). بعد از آن، ATP به ADP و P_i تبدیل می‎شود و دوباره این پروسه تکرار می‎شود.
در صورتی که وظیفه موتور میوزین، حرکت ماهیچه‎ها باشد، انتهای زنجیره پلیمری به جای اتصال به جزء منتقل شونده، به یک فیلامنت اکتینی نازک متصل است که به آن فیلامنت میوزین گفته می‎شود. این فیلامنت، موازی فیلامنت ثابت اکتینی است. در این صورت، حرکت موتور باعث لغزش فیلامنت میوزین نسبت به فیلامنت اکتینی ثابت می‎شود. نتیجه این لغزش، حرکت ماهیچه‎ است.

موتورهای کینسین: این موتورها با حرکت خطی در طول ریزلوله (microtubule) اجزای مختلف را جابه‌جا می‎کنند. ریزلوله‎ها لوله‎هایی به قطر 25 نانومتر هستند که از پروتئین خاصی به نام توبولین (tubulin) ساخته شده‌اند. ریزلوله‎ها قطبی هستند؛ یعنی یک سر منفی و یک سر مثبت دارند. کینسین‎ها از سمت منفی به سمت مثبت حرکت می‎کنند. این موتورها نیز مانند میوزین‌ها دارای دو سر هستند، با این تفاوت که هر دو سر در حرکت نقش دارند. شمایی از موتور کینسین در شکل 6 نشان داده شده است. هر کدام از دو سر موتور کینسین توسط اتصال گردنی به ساقه موتور وصل هستند. ذرات منتقل‌شونده نیز می‎توانند به دم موتور وصل شوند. در حالت آزاد، هر دو سر موتور به مولکول‎های جداگانه ADP وصل شده‎اند و به صورت اتفاقی حرکت می‎کنند.

زمانی که یک سر موتور به ریزلوله برخورد می‎کند، به آن چسبیده و مولکول ADP خود را آزاد می‎کند. سپس یک مولکول ATP جدید، جای مولکول ADP را می‎گیرد (شکل 5-ب-1). این واکنش باعث چرخش اتصال گردنی می‎شود. اتصال گردنی با دور زدن موتور چسبیده به ریزلوله باعث چرخش و جلو آمدن سر دیگر موتور می‎شود (شکل 5-ب-2) و آن را به محل اتصال جلویی در طول ریزلوله متصل می‎کند. سپس سر اول موتور که به ATP متصل است، آن‎ را هیدرولیز کرده، P_i حاصل از واکنش را جدا کرده، و ADP تولید شده را به خود متصل نگه می‎دارد. پس از آن، موتور جلویی ADP خود را با یک ATP جدید تعویض کرده (شکل 5-ب-3) و با چرخش اتصال گردنی باعث جلو آمدن سر عقبی می‎شود (شکل 5-ب-4). با تکرار این چرخه، موتور کینسین، با چرخش دو سر خود، روی ریزلوله قدم می‎زند. یک موتور کینسین قابلیت حرکت 100 قدم را بدون جدایش از ریز لوله دارد. همچنین سرعت حرکت این گونه موتورها می‎تواند به 1000 نانومتر بر ثانیه برسد. نیروی تولیدی نیز می‎تواند در حدود 5 تا 6 پیکو نیوتن باشد.

3- موتورهای مولکولی پایه DNA

ملکول DNA دو قابلیت مهم و کاربردی دارد: (1) شناخت مولکولی (molecular recognition)، و (2) خودآرایی. می‌توان از همین قابلیت‌ها برای ساخت‌ موتورهای مولکولی استفاده کرد. نوکلئوتیدهای A و T و نیز C و G بر روی دو ss-DNA مختلف، تمایل دارند به یکدیگر متصل شوند. تنها زمانی یک ds-DNA پایدار و موثر تشکیل می‎شود که ترتیب نوکلئوتیدها بر روی هر دوشاخه ss-DNA به صورت مکمل (complementary) باشد؛ یعنی نوکلئوتید‎هایی که در دو شاخه رو بروی هم قرار گرفته‎اند، مکمل هم باشند (A روبروی T، و C روبروی G). بنابراین زمانی که مکمل ملکول ss-DNA در یک محلول باشد، نهایتاً ‎یکدیگر را پیدا می‌کنند، به یکدیگر متصل می‌شوند و ملکول پایدار ds-DNA را تشکیل می‎دهند. از دیدگاه مکانیکی، اگر انرژی آزاد شده در اثر اتصال (یا زیپ شدن) دو ملکول مکمل DNA، برای بلند کردن یک بار فرضی به کار رود، می‌تواند نیرویی به اندازه حداکثر 15 پیکو نیوتن به وجود آورد. این مقدار نیرو در حد نیروهایی است که توسط موتورهای مولکولی پروتئینی تولید می‌شوند.
انبرک DNA (DNA Tweezers) یکی از موتورهای سنتز شده بر پایه DNA است که سوخت آن نیز ملکول DNA است. این موتور از سه رشته ss-DNA با نام‌‎های A،B  و C تشکیل شده ‎است. رشته‎های  BوC به صورت موضعی بر روی رشته مرکزی A زیپ شده‎اند (شکل 7-الف). سوخت این موتور، تک رشته ss-DNA به نام F است. طراحی این تک‌رشته به گونه‌ای است که می‌تواند با بخش‌های زیپ نشده B و C، زیپ شود (جفت شود). لذا زمانی که سوخت وارد محیطی می‌شود که موتور در آن قرار دارد (شکل 7-ب)، با بخش‌های زیپ نشده B و C جفت می‌شود و موتور، شکل بسته به خود می‎گیرد (شکل 7-پ). در این زمان، اگر مکمل سوخت F، وارد محیط شود، سوخت را از موتور جدا کرده و موتور حالت باز (حالت اولیه)  به خود می‎گیرد. این موتورها که قابلیت سوئیچ دارند، می‎توانند در شناسایی انواع سوخت‎ها به کار روند؛ زیرا یک سوخت (ss-DNA) فقط برای یک نوع موتور مفید است. به عبارت دیگر، یک سوخت معین، فقط با یک موتور با طراحی مشخص، قابلیت جفت شدن دارد و می‌تواند آن را به کار بیاندازد.

4- موتورهای مولکولی غیرآلی (شیمیایی)

به عنوان مثال، موتور پایه روتاکسان (Rotaxanes)، یکی از موتورهای مولکولی سنتز شده است که قابلیت سوئیچ کردن دارند. شمایی از این موتور در شکل 8 نشان داده شده است. این دسته از موتورهای مولکولی ممولاً از دو بخش تشکیل شده‎اند: (1) مولکول دمبلی‌شکل که دو گروه شیمیایی سنگین در دو انتهای آن است؛ و (2) مولکول سبک حلقوی‌شکل که دور مولکول دمبلی‌شکل بین دو سر مولکول دمبلی قفل شده است. این مجموعه (ترکیب میله و دمبل) حاوی «دو مکان معین با جذب گزینشی» (selective) است و می‌تواند به حلقه‌ها متصل شود. این اتصال می‎تواند از نوع قطبی و واندروالسی باشد. در حالت عادی، ترکیب حلقوی‌شکل فقط به یکی از این دو مکان متصل است. با یک تحریک مناسب خارجی می‎توان این اتصال را به گونه‌ای تغییر داد که حلقه، برای حفظ پایداری ملکول، به مکان فعال دیگر جابجا شود. لذا با تحریک مناسب خارجی می‎توان حلقه را بین دو مکان فعال جابجا کرد و منجر به سوئیچ موتور بین این دو حالت شد. تحریک مناسب خارجی می‎تواند ماهیت شیمیایی، الکتروشیمیایی و یا نوری داشته باشد. همچنین، نحوه اعمال تحریک می‎تواند روی سیکل‎ها و سرعت موتور تاثیر بگذارد.

نتیجه ‎گیری

موتورهای مولکولی انواع بسیار گسترده‎ای دارند. تاکنون طیف وسیعی از موتورها در طبیعت کشف شده و به‎خوبی مورد مطالعه قرار گرفته‎اند. موتورهای مولکولی طبیعی بر پایه پروتئین هستند و سوخت اکثر آنها، ATP است. ATP منبع انرژی سیستم‎های زنده است. یکی از راه‎های تولید این ماده، عملکرد ماشین مولکولی ATPase است. امروزه با شناخت موتورهای مولکولی طبیعی و تقلید از آنها، موتورهای مصنوعی بسیاری ساخته شده‎‌اند؛ موتورهایی که می‎توانند نیروهای مشابه یا حتی بیشتر از نیروهای تولیدی توسط گونه‌های طبیعی را تولید کنند. این موتورهای مصنوعی یا بر پایه DNA هستند و یا از نوع شیمیایی می‌باشند. سوخت اصلی موتورهای نوع اول، ملکول‌های DNA است، اما موتورهای نوع دوم، انرژی خود را از طریق تحریک شیمیایی، الکتروشیمیایی، نور و یا تغییرات محیطی به دست می‎آورند.