集體分子馬達(dá)動(dòng)力學(xué)非穩(wěn)定性及效率研究.pdf

1、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(guò)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(lái)，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

2、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(lèi)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(wèn)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(xiàn)中出現(xiàn)動(dòng)

3、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(xiàn)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(xiàn)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

4、遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(chēng)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