第21卷第2期原子核物理評論Vol 21, No.2004年6月Nuclear Physics ReviewJune, 2004文章編號:1007-46272004)2-0177-03分子馬達動力學(xué)趙同軍,李微,韓英榮,卓益忠(I河北工業(yè)大學(xué)物理系,天津300130;2中國原子能科學(xué)研究院,北京102413)摘要:分子馬達是一類將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的微小機器.對二維模型的研究表明,非保守力在體系與外界能量交換中發(fā)揮重要作用.四態(tài)模型較好地反映了馬達力學(xué)化學(xué)過程的各個狀態(tài)及相應(yīng)的構(gòu)象變化關(guān)鍵詞:分子馬達;布朗馬達;動力學(xué);棘齒中圖分類號:Q27文獻標識碼:A在真核生物細胞中廣泛存在著物質(zhì)的主動輸且拖動負載,其一般的動力學(xué)機制如何;其次運.與通常的擴散所不同的是伴隨著能量的消耗,ATP水解的化學(xué)過程與力和運動產(chǎn)生的力學(xué)過程是生物大分子或囊泡會沿著確定的方向運動,這些功如何耦合的,是緊耦合還是松耦合,如何構(gòu)建力學(xué)能通常是由分子馬達完成的12.此外,ATP合酶、化學(xué)耦合的多自由度位能面.在此基礎(chǔ)上,討論分DNA解旋酶等也可以看作分子馬達3.分子馬達子馬達存在負載時運動的速度、分子馬達定向運動是既具有酶的活性又具有運動活性的蛋白質(zhì),通過方向的反轉(zhuǎn)、定向運動的梯跳特征、運動速度與濃催化ATP水解,將ATP的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能產(chǎn)度的關(guān)系、能量轉(zhuǎn)化的效率等問題生定向運動451.分子馬達種類非常多,目前人們分子馬達結(jié)構(gòu)及運動非常精巧,但非常微小廣泛研究的有沿著肌動蛋白微絲運動的肌球蛋白這樣,在構(gòu)造其動力學(xué)模型時,就要在把握其根本( myosin),有沿著微管運動的驅(qū)動蛋白( kinesin)和特征時忽略其次要因素.首先,分子馬達比小分子動力蛋白 dynein)此外,人們對旋轉(zhuǎn)馬達ATP合大得多,但比宏觀物體小得多,分子量在幾萬到幾酶以及DNA解旋酶的研究也越來越深入.這一問十萬u,幾何尺度一般在100M10m)左右.馬達題的重要性在于分子馬達將貯藏在腺苷三磷酸蛋白與軌道之間的結(jié)合能具有熱運動的量級,熱運ATP)分子中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為機械能,產(chǎn)生定動不容忽略.分子馬達的布朗運動的特征非常明向運動而做功并且效率非常高6,.生物體內(nèi)這一顯,是一種有較大噪聲的微小機器.第二,在生物獨特的能量轉(zhuǎn)換形式不僅對生命活動至關(guān)重要,而體內(nèi)ATP的濃度遠高于平衡態(tài)的濃度,馬達蛋白處且也促使我們?nèi)フJ識、研究和利用這一能量轉(zhuǎn)換機于高度非平衡的狀態(tài).ATP水解反應(yīng)所釋放的能量制.因此分子馬達做功原理及能量轉(zhuǎn)換機制在分子為馬達蛋白提供了定向運動的驅(qū)動力.第三,分子生物學(xué)、物理學(xué)和生物化學(xué)等諸多學(xué)科中受到廣泛馬達沿著軌道運動,這些軌道具有非對稱的周期性關(guān)注結(jié)構(gòu).這類以布朗運動動力學(xué)理論為基礎(chǔ)的物理模從物理學(xué)的角度研究分子馬達做功原理及能量型稱為布朗馬達8-01轉(zhuǎn)換機制就是要建立分子馬達的動力學(xué)理論.最主就其所引入的非平衡漲落的不同,布朗馬達可要的問題就是宏觀的定向運動一般的條件是什么,大致分為幾種基本類型r1)搖擺力模型( rocking即在沒有宏觀力條件下如何產(chǎn)生宏觀的定向運動并 ratel中國煤化工落力的時間平均為零CNMHG收稿日期:2004-02-09;修改日期驟基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(10375016);河北省自然科學(xué)基金資助項目(A200400005);河北省博士基金資助項目B2001113)作蔔教癮同躐196-),汊族)河北安平人,理學(xué)博士,教授,從事生物大分子動力學(xué)、非平衡統(tǒng)計物理、液晶物理研究原子核物理評論第21且在兩個值之間隨機變化;(2)閃爍勢模型(fash-地關(guān)注分子馬達在實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)運時力學(xué)過程和化學(xué)g ratchet),非對稱周期勢場隨時間周期性地或隨過程旳耦合.充分考慮構(gòu)象變化在分子馬達定向運機地在兩態(tài)或多態(tài)之間躍遷;(3)關(guān)聯(lián)模型(core-動中所起的重要作用,把力學(xué)過程和化學(xué)過程結(jié)合lation model),這種情況下考慮色噪聲的影響.第一起來.目前理論研究的一個趨勢就是借助于化學(xué)動種情況通過將周期力整流產(chǎn)生定向運動,第二種情力學(xué)的方法,研究ATP水解過程中,力學(xué)過程與化況則是通過對噪聲的整流得到定向運動,這兩種機學(xué)過程的耦合.其中多態(tài)躍遷模型基于分子馬達在制所產(chǎn)生的定向運動的方向是相反的.此外,考慮運動中要經(jīng)歷多種化學(xué)狀態(tài),認為分子馬達在一個關(guān)聯(lián)噪聲和閃爍勢可以討論定向運動以及幾率流的化學(xué)循環(huán)中要在多個化學(xué)態(tài)之間躍遷.人們估計起反轉(zhuǎn),考慮隨時間變化的驅(qū)動力可以討論分子馬達碼要4個到6個化學(xué)態(tài)才能較好的反映分子馬達這定向運動的梯跳特征.循環(huán).以驅(qū)動蛋白的運動機制為例,近來實驗得近年來,在分子馬達動力學(xué)理論的研究方面我到了許多驅(qū)動蛋白在不同運動階段的構(gòu)象變化的信們進行了一些嘗試11,提出了具有關(guān)聯(lián)漲落的勢息.認為隨著ATP的水解,發(fā)生在馬達頭部ATP結(jié)壘閃爍模型、閃爍關(guān)聯(lián)噪聲模型、有限阻尼條件下合位點內(nèi)的微小的構(gòu)象變化,經(jīng)過頸部連接域的作的勢壘閃爍模型以及一種二維模型;發(fā)展了朗之萬用被放大,從而引起馬達與負載整體的運動,這是方程的 Monte carlo模擬方法,并將?？似绽士朔匠桃粋€化學(xué)過程與力學(xué)過程相互耦合的過程,目前認的本征值方法和矩陣連分式方法應(yīng)用于上述模型的為此過程分為4個態(tài)是比較合理的5.馬達蛋處理;討論了布朗馬達的定向運動以及能量轉(zhuǎn)化的白與微管的復(fù)合體M·K首先結(jié)合1個ATP形成M效率問題,得出了定向運動的幾率流隨各參量的變K·ATP態(tài),然后ATP水解為ADP和P(無機化關(guān)系,對各種模型中幾率流的反轉(zhuǎn)進行了討論.磷)形成M·K·ADP·P復(fù)合態(tài),接著釋放掉P還研究了能量轉(zhuǎn)換的效率形成M·K·ADP態(tài),最后釋放掉ADP又回到M我們研究了二維的模型,討論了橫向的自由度K態(tài).馬達蛋白與微管的復(fù)合體回到初態(tài),但同時對縱向運動的影響.分子馬達將ATP中儲存的化學(xué)沿微管走了8mm的長度,這樣就完成了一個力學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程中,同時與軌道以及周圍環(huán)化學(xué)周期.當此復(fù)合體再次結(jié)合ATP時,開始下境發(fā)生相互作用,馬達自身也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部個力學(xué)化學(xué)周期.對應(yīng)于各個狀態(tài)其構(gòu)象也發(fā)生相運動,具有大量的自由度.但其中大多數(shù)漲落非常應(yīng)的變化.這一過程伴隨著分子馬達與微絲或微管快,近似處于平衡狀態(tài),可將其視為熱浴,對應(yīng)的的結(jié)合與分離,也伴隨著分子馬達向前跳動的力學(xué)變量為熱浴變量.其他少數(shù)幾個自由度變化較慢,過程.負載、外力和ATP的濃度以及周圍的熱力學(xué)稱為集體自由度,對應(yīng)的變量為系統(tǒng)變量1213.環(huán)境都對這一過程產(chǎn)生影響.我們采用四態(tài)模型反在這些系統(tǒng)變量之中,至少包含一個反映化學(xué)反應(yīng)映馬達的力學(xué)化學(xué)過程的各個狀態(tài)及相應(yīng)的構(gòu)象變進程的化學(xué)變量,還應(yīng)包含一個反映馬達質(zhì)心運動化,用主方程方法進行分析和計算,研究了分子馬的力學(xué)變量,只有這樣才能反映力學(xué)與化學(xué)的耦達的暫態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)情況下漂移和擴散與濃度及外合.這樣,分子馬達就被描述為在二維位能面上運力的關(guān)系,分析了蛋白馬達定向運動和能量轉(zhuǎn)化過動的粒子,而位能面反映體系的自由能.可以考慮程的機理連續(xù)變化的化學(xué)變量,也可以考慮分立變化的化學(xué)分子馬達的動力學(xué)理論要進一步發(fā)展,有幾個變量.我們后來討論的四維模型就是將化學(xué)自由度新的動向值得關(guān)注.首先,位能面的構(gòu)建是一個基作了粗粒化,變?yōu)槿舾煞至B(tài).僅僅考慮保守的位礎(chǔ)的問題,目前動力學(xué)研究所采用的位能面大多是能面是不夠的.因為,在完成一個化學(xué)循環(huán)時,唯象rV中國煤化工多.位能面的構(gòu)建對于ATP的水解所釋放的能量將作為定向運動的能量來研HCNMHG具有重要意義.在這源,因而我們引入非保守力提供定向運動的能量輸方面,我們采用高斯算法等量子化學(xué)手段進行分入.通過對二維模型的研究得岀了非保守力在體系析,得到了一些初步的結(jié)果.采用分子動力學(xué)等其與外界能量交換中發(fā)揮重要作用這一概念他手段也是有前途的方法.第二,生物體是高度非為了建應(yīng)切合實際的理論模型,需要更多均勻、非線性的介質(zhì),研究分子馬達的輸運行為可趙同軍等:分子馬達動力學(xué)179以嘗試用 levy flight、查理斯熵以及反常擴散等概念的杋制.由ATP水解提供的能量儲存在馬達蛋白質(zhì)來反映分子馬達各種相關(guān)的統(tǒng)計行為.第三,新的之內(nèi),隨著馬達蛋白的一步一步的運動,能量也實驗表明單個 myosIn頭部運動時,每消耗一個ATP部分一部分地釋放出來.第四,充分利用躍迂速率分子,馬達蛋白會向前運動若干步.這表明在分子已有的實驗結(jié)果和理論分析結(jié)果,減少理論研究的馬達定向運動的過程中,馬達蛋白有某種儲存能量復(fù)雜性參考文獻1] Svoboda K, Schmidt C F, Schnapp B J, et al. 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