2.1. Movimenti lineari

Tutti i movimenti muscolari volontari ed involontari del nostro corpo derivano da nanomotori naturali che sviluppano movimenti di tipo lineare. Sono responsabili di questi movimenti molecole proteiche molto complesse indicate col nome di miosina. Molto schematicamente, queste molecole sono costituite da una lunga coda a cui sono collegate due grosse teste (Fig. 10a, in alto a destra).

Fig. 10. Funzionamento dei muscoli. (a) Rappresentazione schematica della molecola di miosina che ha una lunga coda alla quale sono attaccate due grosse teste. Nelle cellule dei muscoli molte molecole di miosina sono intrecciate mediante le code per dare un filamento dal quale si protendono le teste. Queste si attaccano ad altri filamenti paralleli costituiti da molecole di un’altra proteina, l’actina. Questi filamenti, che sono in grado di scorrere uno sull’altro, sono contenuti nei sarcomeri. (b) La contrazione muscolare è generata dalla reazione chimica descritta nella Fig. 11 che modifica la forma delle teste delle molecole di miosina costringendole a scorrere sui filamenti di actina. Il sarcomero passa così da una forma espansa ad una contratta. Crediti: RCSC PDB e David S. Goodsell, The Scripps Research Institute, La Jolla, USA.

Nelle cellule dei muscoli (Fig. 10a) moltissime molecole di miosina sono assemblate tramite le code per dare un filamento dal quale si protendono le teste; queste si attaccano ad altri filamenti, paralleli a quelli della miosina, che prendono il nome di actina e che funzionano come una guida. Una reazione chimica che coinvolge la specie adenosintri-fosfato (ATP, Fig. 11) fornisce al sistema energia che viene utilizzata per far cambiare radicalmente la forma delle teste della miosina e per costringerla, come conseguenza di questo cambio di forma, a spostarsi lungo il filamento di actina (Fig. 10b).

Fig. 11. La molecola dell’adenosintrifosfato (ATP) è la moneta energetica delle cellule. Dalla rottura della molecola di ATP per dare adenosindifosfato (ADP) e fosfato (Pi) si ottiene energia, utilizzata per alimentare le funzioni cellulari.

In un muscolo che si contrae rapidamente, ciascuna unità di miosina si muove cinque volte al secondo, percorrendo una distanza di circa 10 nm ad ogni movimento. Si stima che per generare la forza necessaria ad afferrare una palla da baseball ci vogliono due miliardi di questi movimenti nanometrici. Il compito dei motori molecolari lineari non si limita alla contrazione muscolare. All’interno delle cellule opera una vera e propria rete ferroviaria per trasportare sostanze da una parte all’altra della cellula. Questi nanometrici “treni merci” sono azionati da motori molecolari lineari come la kinesina e la dineina.

The molecular mechanism of muscle contraction. La contrazione del sarcomero, dovuta all’azione del sistema miosina/actina. Copyright reserved.

La kinesina, ad esempio, consiste di una parte motrice, costituita da due teste e di una zona destinata alla cattura e al rilascio del carico da trasportare (Fig. 12). Le due teste della parte motrice, in seguito a reazioni chimiche coinvolgenti l’ATP che possono ospitare, si legano e si separano a turno da un microtubulo (un filamento fatto di proteine largo 30 nm e lungo 50.000 nm), in pratica camminando sopra di esso con passi di 72 nm, alla velocità di 1.000 nm al secondo.

Fig. 12. La kinesina è un motore molecolare lineare in grado di trasportare un carico lungo un binario costituito da un microtubulo. Anche in questo caso l’energia necessaria per azionare la parte motrice della kinesina proviene dalla rottura di molecole di ATP in particolari siti localizzati nelle teste.
Occorre notare che le varie parti della figura non sono in scala: il microtubulo ha dimensioni molto maggiori rispetto alla kinesina.
Crediti: RCSC PDB e David S. Goodsell, The Scripps Research Institute, La Jolla, USA.