Prof. Giorgio Sartor Motori molecolari V – Flagello batterico Copyright © 2001-2014 by Giorgio Sartor. M09 - Versione 1.6.1 – oct 2014 All rights reserved. I FLAGELLI NEI BATTERI Un diverso movimento Un diverso carburante Schienenzeppelin (1929-1939) Per muoversi in un liquido • Alcuni batteri possiedo un sistema estremamente sofisticato per muoversi in acqua: I flagelli • Non c’è nulla di simile in cellule più complesse. • Il flagello agisce come un’elica che ruota. v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari -3- v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari -4- v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari -5- I flagelli • Usati per il movimento di batteri in ambiente acquatico • Permettono il movimento in risposta ad uno stimolo ambientale: – – – – Chimico (chemotassi) Luminoso (fototassi) Calore (termotassi) Campo magnetico (magnetotassi) – … (…tassi) v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari -6- Modello concettuale v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari -7- Modello concettuale e realtà v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari -8- v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari -9- v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 10 - Flagello batterico • • • • • • • È il motore più piccolo e più complesso Ha un diametro di 30 nm; Ruota a 270 RPS (16200 RPM); Efficienza energetica vicina al 100%; Fa ruotare il filamento attraverso una serie di anelli; Può ruotare in senso orario o antiorario Una proteina(e) alla base del motore gestisce il senso di rotazione • Prototipo per la nanotecnologia: • http://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2004/files/011a.wmv v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 11 - Come funziona? • La rotazione antioraria del flagello genera un movimento rettilineo senza cambio di di direzione; • Una rotazione lenta in senso orario genera un rotolamento del batterio e cambia la direzione del movimento. v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 12 - Sentendo l’ambiente v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 13 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 14 - Il movimento simulato v. 1.6 © gsartor 2011 Movimento rettilineo Motori molecolari - 15 - Rotolamento http://www.rowland.org/labs/bacteria/showmovie.php?mov=fluo_fil_leave v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari 16 - 16 - Varietà di flagelli A. Un singolo flagello ad una estremità della cellula batterica (monotrichous); B. Vari flagelli ad una o all’altra estremità della cellula batterica (lophotrichous); C. Un singolo flagello ad ogni estremità della cellula (amphitrichous); D. Vari flagelli sono distribuiti sull’intera superficie della cellula batterica (peritrichous). v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 17 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 18 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 19 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 20 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 21 - Struttura del flagello 20000-30000 per flagello v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 22 - Flagellina Dominio D1 Tre α-eliche e una struttura β-hairpin Dominio D3 β-sheet Dominio D2 β-sheet v. 1.6 © gsartor 2011 1io1 Motori molecolari - 23 - Flagellina 3a5x v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 24 - Flagellina 1ucu v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 25 - Filamento di flagellina v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 26 - Filamento di flagellina v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 27 - Assemblaggio della flagellina v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 28 - Movimento molecolare 1 http://molvis.sdsc.edu/flagella/1io1_1ucu_morph_bb.htm 2 http://molvis.sdsc.edu/flagella/1io1_1ucu_morph_sf.htm v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari 1io1 – 1ucu - 29 - Assemblaggio della flagellina v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 30 - Assemblaggio della flagellina v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 31 - Movimento del propulsore v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 32 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 33 - Struttura dell’uncino • L’uncino del flagello è una corta struttura tubulare che connette il motore rotativo con il flagello; • La flessibilità dell’uncino gli permette di funzionare come un giunto. 1wlg 3a69 v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 34 - Struttura dell’uncino • L’uncino del flagello è una corta struttura tubulare che connette il motore rotativo con il flagello; • La flessibilità dell’uncino gli permette di funzionare come un giunto. v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 35 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 36 - Uncino http://www.youtube.com/watch?v=Ey7Emmddf7Y&feature=related v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari Il carburante - 37 - Rotore v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 39 - Il carburante v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 40 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 41 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 42 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 43 - Dominio C-terminale MotB (Helicobacter pylori) 3imp v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 44 - Scheda tecnica del motore Forza propulsiva Gradiente elettrochimico (H+ o Na+) Numero di protoni per giro ~ 1000 Energia per protone ~ 2.5 x 10-20 J Massima velocità di rotazione 300 Hz (H+) Momento torcente in stallo ~ 4 x 10-18 Nm (4 nN nm) Potenza massima ~ 10-15 W Efficienza 50-100% (stallo) ~ 5% (cellula che nuota) Numero di passi per giro ~ 50 per rotazione 1700 Hz (Na+) http://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2004/files/011a.wmv (35’) v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari Direzione - 45 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 47 - Chemotassi v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 48 - v. 1.6 © gsartor 2011 Movimento rettilineo Motori molecolari - 49 - Rotolamento http://www.youtube.com/watch?v=Ey7Emmddf7Y&feature=related http://www.rowland.org/labs/bacteria/showmovie.php?mov=fluo_fil_leave v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari 50 - 50 - Chemotassi Frequenza di rotazione v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 52 - Percorso http://virtuallaboratory.colorado.edu/Biofundamentals/labs/Adaptation/section_02.html v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari 53 - 53 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 54 - Stimolo - Risposta Stimolo ambientale ↓ Recettore del segnale ↓ Sensore (Kinasi) ↓ Fosforilazione ↓ Regolatore della risposta (RR) ↓ Risposta v. 1.6 © gsartor 2011 55 - 55 - Motori molecolari Meccanismo della chemotassi Membrana Pi CheA CheB - CH3 MCP Pi Pi CheY Pi Motore flagellare CheW CheY + CH3 CheR CheA CheZ Parete cellulare MCP: methyl-accepting chemotaxis proteins v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 56 - Via del segnale chemotassico in E. coli e Salmonella • Proteine – MCP: Recettore – CheA: Histidine protein-kinase (HPK) – CheY: Regolatore di risposta (CheYP) – CheZ: Fosfatasi – CheW: facilita l’interazione MCP e HPK – CheB: metilesterasi per MCP – CheR: metiltransferasi per MCP v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 57 - Via del segnale chemotassico in E. coli e Salmonella v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 58 - MCP (Methyl accepting Chemotaxis Proteins) v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 59 - Chemotassi a due componenti Eccitazione Repellenti OM CM Attivazione della kinasi CM ATP MCP CW CheA Che W P CheY P M Movimento rettilineo CM OM Inibizione della kinasi MCP v. 1.6 © gsartor 2011 OM ADP OM CM Attrattori Rotazione CheA Che W CheY CCW M Motori molecolari Macnab R. M. Annu. Rev. Microbiol. 2003 - 60 - Parkinson et al., Curr. Opin. Microbiol. 2005 v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 61 - Differenti recettori Raccolti ai poli della cellula v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 62 - CheY::YFP v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 63 - Underbakke & Kiessling , EMBO J. 2010 v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 64 - Adattamento via metilazione del recettore OM CheR CM ATP CM OM ADP +CH3 CheA -CH3 C he W P v. 1.6 © gsartor 2011 P M CheY P CheZ P CheB Motori molecolari - 65 - Attivazione sequenziale e adattamento (via metilazione) di un chemocettore Il ligando attrattore si lega e diminuisce l’attività del recettore ed espone i di metilazione per l’azione della metiltransferasi La lenta metilazione dei siti esposti ripristina l’attività del recettore v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 66 - Per finire ENZIMI EC 3.6.4.x Acting on acid anhydrides to facilitate cellular and subcellular movement • • • • • • • • • • • • • EC 3.6.4.1 myosin ATPase EC 3.6.4.2 dynein ATPase EC 3.6.4.3 microtubule-severing ATPase EC 3.6.4.4 plus-end-directed kinesin ATPase EC 3.6.4.5 minus-end-directed kinesin ATPase EC 3.6.4.6 vesicle-fusing ATPase EC 3.6.4.7 peroxisome-assembly ATPase EC 3.6.4.8 proteasome ATPase EC 3.6.4.9 chaperonin ATPase EC 3.6.4.10 non-chaperonin molecular chaperone ATPase EC 3.6.4.11 nucleoplasmin ATPase EC 3.6.4.12 DNA helicase EC 3.6.4.13 RNA helicase v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 69 - Motori molecolari ~ 10 mm ~ mm ~ 100 nm v. 1.6 © gsartor 2011 ~ 10 nm Motori molecolari - 70 - v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 71 - Crediti e autorizzazioni all’utilizzo • Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: – CHAMPE Pamela , HARVEY Richard , FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN 9788808-17030-9] – Zanichelli – NELSON David L. , COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli – GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli – VOET Donald , VOET Judith G , PRATT Charlotte W FONDAMENTI DI BIOCHIMICA [ISBN 9788808-06879-8] - Zanichelli • E dalla – – – – consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes http://www.genome.ad.jp/kegg/ Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/ Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/ Rensselaer Polytechnic Institute: http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: http://www.ambra.unibo.it/giorgio.sartor/ oppure da http://www. gsartor.org/ Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor Università di Bologna a Ravenna Giorgio Sartor - [email protected] v. 1.6 © gsartor 2011 Motori molecolari - 72 -
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