【摘要】：分子馬達(dá)或馬達(dá)蛋白廣泛存在于細(xì)胞內(nèi)部,可以高效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,從而產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)。生命活動(dòng)中的許多過程,比如貨物運(yùn)輸、遺傳信息表達(dá)、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、肌肉收縮等,都與分子馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。近年來,分子馬達(dá)的動(dòng)力學(xué)一直是生物物理學(xué)的研究熱點(diǎn)之一,尤其是集體馬達(dá)系統(tǒng),因其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為而受到廣泛關(guān)注。分子馬達(dá)可以分為持續(xù)(processive)馬達(dá)和非持續(xù)(nonprocessive)馬達(dá)。非持續(xù)馬達(dá)的“在位比”很低(≤2%),常常以集體形式發(fā)揮作用,但其協(xié)同作用機(jī)制目前仍不十分清楚。本文研究了非持續(xù)肌球蛋白Ⅱ型分子馬達(dá)集體協(xié)作時(shí)的動(dòng)力學(xué)非穩(wěn)定性及效率,主要內(nèi)容及成果如下:1、有些類型的肌肉能自發(fā)產(chǎn)生振動(dòng),普遍認(rèn)為這與分子馬達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)非穩(wěn)定性有關(guān)�；趦蓱B(tài)棘輪勢(shì)模型并考慮分子馬達(dá)的彈性(模型Ⅰ),研究了集體Ⅱ型肌球蛋白分子馬達(dá)的動(dòng)力學(xué)問題。當(dāng)分子馬達(dá)彈性較小時(shí),分子馬達(dá)系統(tǒng)的速度隨負(fù)載力的增加單調(diào)下降;當(dāng)馬達(dá)彈性增大時(shí),在力-速度關(guān)系曲線中出現(xiàn)動(dòng)力學(xué)非穩(wěn)定性。如果馬達(dá)彈性足夠大,則零速度點(diǎn)位于力-速曲線的非穩(wěn)定區(qū)域,馬達(dá)系統(tǒng)會(huì)在運(yùn)動(dòng)停止前進(jìn)入動(dòng)力學(xué)非穩(wěn)定區(qū)域。如果該馬達(dá)系統(tǒng)與其環(huán)境彈性耦合,則會(huì)出現(xiàn)自發(fā)振動(dòng),振動(dòng)頻率和馬達(dá)彈性、馬達(dá)綁定率、彈簧彈性以及ATP激發(fā)域的寬度等參數(shù)有關(guān)。對(duì)于中等馬達(dá)彈性,零速度點(diǎn)位于力-速曲線的非穩(wěn)定區(qū)域之外,故馬達(dá)系統(tǒng)會(huì)在動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性發(fā)生之前停止。2、機(jī)械效率是衡量馬達(dá)集體協(xié)作的一個(gè)重要指標(biāo)。利用模型Ⅰ研究發(fā)現(xiàn),分子馬達(dá)系統(tǒng)的機(jī)械效率遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)觀測值。如果在模型中同時(shí)考慮肌球蛋白Ⅱ馬達(dá)的以下兩個(gè)特征(稱之為模型Ⅱ),馬達(dá)系統(tǒng)的機(jī)械效率就會(huì)大大提高并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致:(1)分子馬達(dá)從分離態(tài)到綁定態(tài)的轉(zhuǎn)換只能發(fā)生在反應(yīng)坐標(biāo)的特定“結(jié)合位點(diǎn)”區(qū)域。(2)綁定態(tài)勢(shì)阱彼此相互獨(dú)立,即一個(gè)綁定馬達(dá)必須先從細(xì)絲上脫離,然后才能綁定到另一個(gè)結(jié)合位點(diǎn)。在兩個(gè)模型中,機(jī)械效率均隨馬達(dá)彈性系數(shù)的增加而增加。在模型Ⅱ中,如果ATP激發(fā)率較大,馬達(dá)系統(tǒng)在高速運(yùn)輸時(shí)還能保持高能效,這一特征很適合肌肉的收縮功能。這些研究有助于理解分子馬達(dá)之間的協(xié)作機(jī)制以及不同類型肌肉結(jié)構(gòu)差異和功能差異的內(nèi)在聯(lián)系,也能為設(shè)計(jì)高效的人造分子馬達(dá)系統(tǒng)提供一定的理論參考。
[Abstract]:Molecular motors or motor proteins are widely found in cells, which can efficiently convert chemical energy into mechanical energy, thus generating directional motion. Many processes in life, such as cargo transport, genetic information expression, cell movement, muscle contraction, and so on, are related to the movement of molecular motors. In recent years, the dynamics of molecular motors has been one of the research hotspots in biophysics, especially the collective motor system, which is widely concerned because of its complex dynamic behavior. Molecular motors can be divided into persistent (processive) motors and non-persistent (nonprocessive) motors. The "on-site ratio" of nonpersistent motors is very low (鈮，

本文編號(hào)：2258824