Desde hace algunos años se ha producido un extraordinario interés en el estudio de una serie de proteínas con unas características y funciones muy especiales: son los llamados motores moleculares.

El nombre que se les ha asignado es fácil de entender si describimos claramente su función: estas proteínas transforman energía química (a través de la conversión de la molécula de ATP en ADP+ energía), en movimiento, lo que les convierte en auténticos motores biomoleculares. Los motores moleculares se asocian en múltiples familias de las que podemos destacar aquellas que utilizan las fibras de citoesqueleto como soportes de su movimientos. Entre éstas distinguimos tres familias: la miosina que interactúa con la fibras de actina y que es responsable del movimiento muscular, y dineínas y kinesinas que se mueven sobre los microtúbulos del interior de las células transportando vesículas y orgánulos (ver figura 1).

Figura 1: Modelo esquemático del movimiento de un motor molecular biológico (quinesina) y de la estructura cuaternaria de la proteina. Adaptada a partir de: http://www.med.unimuenchen.de/phychem /zelbio/tI/galIk.html.

 

Son estos motores los que, por ejemplo, llevan a lo largo de los axones de las neuronas los neurotransmisores del impulso nervioso. Una característica que llamó la atención a los biólogos y a algunos físicos interesados en el complejo mundo biológico es la unidireccionalidad del movimiento de estos motores. Por ejemplo, las quinesinas no se mueven al azar sino que siempre lo hacen en la dirección de crecimiento del microtúbulo. Es como si para llevar una mercancía de Zaragoza a Teruel se usara un tipo de camión que no nos sirviera en el sentido inverso del recorrido. La estructura de estas proteínas fue descubierta recientemente y constan de dos cabezas unidas por una cadena central de unión (cuello) y una larga cola que se une a la molécula transportada. Las preguntas que nos podemos plantear son inmediatas: ¿Qué determina el sentido del movimiento del motor? ¿Cuál es el mecanismo de conversión de energía química en movimiento? En otras palabras, ¿Cómo "camina" la quinesina sobre el microtúbulo?

En el año 1993, Marcelo Magnasco propuso que el mecanismo que podía producir el movimiento unidireccional era similar al ejemplo que había planteado años antes Richard Feynman para ilustrar el segundo principio de la termodinámica (Fig. 2a).

Figura 2: a) El dispositivo trinquete y rueda dentada ("ratchet and pawl" que propuso R. P. Feynman para ilustrar el 2� principio de la Termodinámica.

 

Magnasco explicaba que la interacción de las cabezas con los microtúbulos podía ser asimétrica y por tanto sería mas fácil el movimiento en una dirección que en la opuesta (Fig. 2b). A estos potenciales de diente de sierra se le denomina habitualmente por su palabra inglesa "ratchet".

Figura 2 b) Esquema del movimiento direccional producido en una "ratchet" forzada.

 

Desde entonces se ha desatado una fabulosa carrera en la comprensión de las propiedades físicas que presentan las partículas o sistemas de partículas sometidas a estos potenciales. Se han propuesto distintos mecanismos para el movimiento direccional en estos sistemas. Ya que no se puede violar el segundo principio de la termodinámica (es imposible extraer trabajo de las fluctuaciones térmicas de equilibrio), se necesita aportar energía a las partículas. Esto se puede hacer, fundamentalmente de dos formas distintas: la primera, "ratchet" forzada, consiste en aplicar una fuerza alternante de media cero por lo que no se debería producir un flujo neto de partículas. Sin embargo, en el rango de fuerzas en el que estamos por debajo de la fuerza de anclaje en un sentido y por encima de la otra en el contrario, podemos tener movimiento neto.

La segunda consiste en tener un potencial "ratchet" intermitente (Fig. 2c), es decir, que alternativamente actúa y desaparece.

Figura 2 c) Esquema del movimiento direccional producido en una "ratchet" intermitente, en la que cooperan la difusión térmica en los ciclos en el que el potencial está desconectado con la localización en los mínimos del potencial cuando está conectado.

 

En este caso necesitamos la ayuda de las fluctuaciones térmicas que dan lugar a difusión. En la figura podemos observar cómo se produce el movimiento: cuando actúa el potencial "ratchet" las partículas están concentradas en el fondo de los pozos. Al desaparecer, la difusión produce un dispersión simétrica de las partículas. Cuando vuelve a actuar de nuevo, debido a la asimetría del potencial, una porción de las partículas se han desplazado hacia la izquierda. Hay que anotar que el movimiento unidireccional en ambas formas lleva sentidos contrarios.

¿Son estos modelos la explicación del movimiento de los motores biomoleculares? Algunos experimentos recientes pueden poner en duda la hipótesis de la asimetría del potencial de interacción con el microtúbulo. La direccionalidad del movimiento estaría relacionada más bien con una asimetría en la región del cuello. Teniendo en cuenta estos hechos, hemos desarrollado modelos que incluyen la estructura de dos cabezas de la quinesina y la interacción, en este caso simétrica, con el microtúbulo. Bajo estos supuestos, también se puede producir movimiento unidireccional.

Un importante producto de todos estos modelos de biomotores es la aplicación a otros campos de los principios en que se basan. La mayoría de las aplicaciones se producen en dispositivos del tamaño de micras o nanometros por lo que implican la utilización de las técnicas litográficas con las que se fabrican los circuitos integrados. Resaltamos algunas de ellas:

- Se han conseguido dispositivos superconductores en los que se puede dirigir la corriente de fluxones (cuantos de flujo magnético) unidireccionalmente. Estas ideas se pueden aplicar a la limpieza de dispositivos (tales como detectores SQUID) de campos magnéticos espúreos y al transporte de información en futuros ordenadores basados en superconductores. Un dispositivo de este tipo se puede ver en la figura 3.

Figura 3: Fotografía del circuito superconductor en el que se consigue que un "fluxón" se mueva en un potencial "ratchet" y por tanto gire de forma uniforme cuando se aplica una corriente alterna.

 

- Se han fabricado dispositivos semiconductores con estructura de punto cuántico ("quantum dots") con forma de árbol de navidad (y por tanto asimétrico). Controlando adecuadamente los potenciales aplicados se consigue el transporte monoelectrónico en la dirección deseada.

- A. V. Oudenaarden y S. G. Boxer han conseguido un dispositivo a base de barreras asimétricas de titanio (lo que se denominan "ratchets" geométricas) que permiten la separación de distintos tipos de lípidos (grasas), proteínas asociadas a membranas..., que tengan distinta movilidad.

- Por último, se están proponiendo dispositivos a escala atómica que pueden constituir auténticos vehículos que se mueven sobre las superficies cristalinas.

BIBLIOGRAFÍA

- Woehlke, G. y Schliwa, M.: "Walking on two heads: the many talents of kinesin". Nature Reviews Volume I , pp 50-58, 2000.

- Feynman, Leighton y Sands: "Física" Capítulo 46, Adisson-Wesley Iberoamericana, 1987.

- Página Web Kinesin HomePage http://www.blocks.fhcrc.org/~kinesin/