Chemomechanical coupling and motor cycles of the molecular motor myosin V

• Main Author: Bierbaum, Veronika
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2011
• Subjects: statistische Physik; Markov-Prozesse; molekulare Motoren; statistical physics; markov processes; molecular motors; Physics
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-53614; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2011/5361/

In the living cell, the organization of the complex internal structure relies to a large extent on molecular motors. Molecular motors are proteins that are able to convert chemical energy from the hydrolysis of adenosine triphosphate (ATP) into mechanical work. Being about 10 to 100 nanometers in size, the molecules act on a length scale, for which thermal collisions have a considerable impact onto their motion. In this way, they constitute paradigmatic examples of thermodynamic machines out of equilibrium. This study develops a theoretical description for the energy conversion by the molecular motor myosin V, using many different aspects of theoretical physics. Myosin V has been studied extensively in both bulk and single molecule experiments. Its stepping velocity has been characterized as a function of external control parameters such as nucleotide concentration and applied forces. In addition, numerous kinetic rates involved in the enzymatic reaction of the molecule have been determined. For forces that exceed the stall force of the motor, myosin V exhibits a 'ratcheting' behaviour: For loads in the direction of forward stepping, the velocity depends on the concentration of ATP, while for backward loads there is no such influence. Based on the chemical states of the motor, we construct a general network theory that incorporates experimental observations about the stepping behaviour of myosin V. The motor's motion is captured through the network description supplemented by a Markov process to describe the motor dynamics. This approach has the advantage of directly addressing the chemical kinetics of the molecule, and treating the mechanical and chemical processes on equal grounds. We utilize constraints arising from nonequilibrium thermodynamics to determine motor parameters and demonstrate that the motor behaviour is governed by several chemomechanical motor cycles. In addition, we investigate the functional dependence of stepping rates on force by deducing the motor's response to external loads via an appropriate Fokker-Planck equation. For substall forces, the dominant pathway of the motor network is profoundly different from the one for superstall forces, which leads to a stepping behaviour that is in agreement with the experimental observations. The extension of our analysis to Markov processes with absorbing boundaries allows for the calculation of the motor's dwell time distributions. These reveal aspects of the coordination of the motor's heads and contain direct information about the backsteps of the motor. Our theory provides a unified description for the myosin V motor as studied in single motor experiments. === Die hier vorgelegte Arbeit entwickelt unter Verwendung vieler verschiedener Aspekte der statistischen Physik eine Theorie der chemomechanischen Kopplung für den Energieumsatz des molekularen Motors Myosin V. Das Myosin V ist sowohl in chemokinetischen wie in Einzelmolekülexperimenten grundlegend untersucht worden. Seine Schrittgeschwindigkeit ist in Abhängigkeit verschiedener externer Parameter, wie der Nukleotidkonzentration und einer äußeren Kraft, experimentell bestimmt. Darüber hinaus ist eine große Anzahl verschiedener chemokinetischer Raten, die an der enzymatischen Reaktion des Moleküls beteiligt sind, quantitativ erfasst. Unter der Wirkung externer Kräfte, die seine Anhaltekraft überschreiten, verhält sich der Motor wie eine Ratsche: Für Kräfte, die entlang der Schrittbewegung des Motors wirken, hängt seine Geschwindigkeit von der ATP-Konzentration ab, für rückwärts angreifende Kräfte jedoch ist die Bewegung des Motors unabhängig von ATP. Auf der Grundlage der chemischen Zustände des Motors wird eine Netzwerktheorie aufgebaut, die die experimentellen Beobachtungen des Schrittverhaltens für Myosin V einschließt. Diese Netzwerkbeschreibung dient als Grundlage für einen Markovprozess, der die Dynamik des Motors beschreibt. Die Verwendung diskreter Zustände bietet den Vorteil der direkten Erfassung der chemischen Kinetik des Moleküls. Darüber hinaus werden chemische und mechanische Eigenschaften des Motors in gleichem Maße im Modell berücksichtigt. Durch die Erfassung der Enzymkinetik mittels eines stochastischen Prozesses lässt sich die Motordynamik mit Hilfe des stationären Zustands der Netzwerkdarstellung beschreiben. Um diesen zu bestimmen, verwenden wir eine graphentheoretische Methode, die auf Kirchhoff zurückgreift. Wir zeigen in Einklang mit den Gesetzen der Thermodynamik für Nichtgleichgewichtssysteme, dass das Schrittverhalten des Motors von mehreren chemomechanischen Zyklen beeinflusst wird. Weiterhin untersuchen wir das funktionale Verhalten mechanischer Schrittraten in Abhängigkeit der äußeren Kraft unter Verwendung einer geeigneten Fokker-Planck-Gleichung. Hierfür wird auf die Theorie einer kontinuierlichen Beschreibung von molekularen Methoden zurückgegriffen. Wir berechnen Größen wie die mittlere Schrittgeschwindigkeit, das Verhältnis von Vorwärts- und Rückwärtsschritten, und die Lauflänge des Motors in Abhängigkeit einer äußeren angreifenden Kraft sowie der Nukleotidkonzentration, und vergleichen diese mit experimentellen Daten. Für Kräfte, die kleiner als die Anhaltekraft des Motors sind, unterscheidet sich der chemomechanische Zyklus grundlegend von demjenigen, der für große Kräfte dominiert. Diese Eigenschaft resultiert in einem Schrittverhalten, das mit den experimentellen Beobachtungen übereinstimmt. Es ermöglicht weiterhin die Zerlegung des Netzwerks in einzelne Zyklen, die die Bewegung des Motors für verschiedene Bereiche externer Kräfte erfassen. Durch die Erweiterung unseres Modells auf Markovprozesse mit absorbierenden Zuständen können so die Wartezeitenverteilungen für einzelne Zyklen des Motors analytisch berechnet werden. Sie erteilen Aufschluss über die Koordination des Motors und enthalten zudem direkte Informationen über seine Rückwärtsschritte, die experimentell nicht erfasst sind. Für das gesamte Netzwerk werden die Wartezeitenverteilungen mit Hilfe eines Gillespie-Algorithmus bestimmt. Unsere Theorie liefert eine einheitliche Beschreibung der Eigenschaften von Myosin V, die in Einzelmolekülexperimenten erfasst werden können.