分子马达动力学

第21卷第2期原子核物理评论Vol 21, No.2004年6月Nuclear Physics ReviewJune, 2004文章编号:1007-46272004)2-0177-03分子马达动力学赵同军,李微,韩英荣,卓益忠(I河北工业大学物理系,天津300130;2中国原子能科学研究院,北京102413)摘要:分子马达是一类将化学能转化为机械能的微小机器.对二维模型的研究表明,非保守力在体系与外界能量交换中发挥重要作用.四态模型较好地反映了马达力学化学过程的各个状态及相应的构象变化关键词:分子马达;布朗马达;动力学;棘齿中图分类号:Q27文献标识码:A在真核生物细胞中广泛存在着物质的主动输且拖动负载,其一般的动力学机制如何;其次运.与通常的扩散所不同的是伴随着能量的消耗,ATP水解的化学过程与力和运动产生的力学过程是生物大分子或囊泡会沿着确定的方向运动,这些功如何耦合的,是紧耦合还是松耦合,如何构建力学能通常是由分子马达完成的12.此外,ATP合酶、化学耦合的多自由度位能面.在此基础上,讨论分DNA解旋酶等也可以看作分子马达3.分子马达子马达存在负载时运动的速度、分子马达定向运动是既具有酶的活性又具有运动活性的蛋白质,通过方向的反转、定向运动的梯跳特征、运动速度与浓催化ATP水解,将ATP的化学能转化为机械能产度的关系、能量转化的效率等问题生定向运动451.分子马达种类非常多,目前人们分子马达结构及运动非常精巧,但非常微小广泛研究的有沿着肌动蛋白微丝运动的肌球蛋白这样,在构造其动力学模型时,就要在把握其根本( myosin),有沿着微管运动的驱动蛋白( kinesin)和特征时忽略其次要因素.首先,分子马达比小分子动力蛋白 dynein)此外,人们对旋转马达ATP合大得多,但比宏观物体小得多,分子量在几万到几酶以及DNA解旋酶的研究也越来越深入.这一问十万u,几何尺度一般在100M10m)左右.马达题的重要性在于分子马达将贮藏在腺苷三磷酸蛋白与轨道之间的结合能具有热运动的量级,热运ATP)分子中的化学能直接转换为机械能,产生定动不容忽略.分子马达的布朗运动的特征非常明向运动而做功并且效率非常高6,.生物体内这一显,是一种有较大噪声的微小机器.第二,在生物独特的能量转换形式不仅对生命活动至关重要,而体内ATP的浓度远高于平衡态的浓度,马达蛋白处且也促使我们去认识、研究和利用这一能量转换机于高度非平衡的状态.ATP水解反应所释放的能量制.因此分子马达做功原理及能量转换机制在分子为马达蛋白提供了定向运动的驱动力.第三,分子生物学、物理学和生物化学等诸多学科中受到广泛马达沿着轨道运动,这些轨道具有非对称的周期性关注结构.这类以布朗运动动力学理论为基础的物理模从物理学的角度研究分子马达做功原理及能量型称为布朗马达8-01转换机制就是要建立分子马达的动力学理论.最主就其所引入的非平衡涨落的不同,布朗马达可要的问题就是宏观的定向运动一般的条件是什么,大致分为几种基本类型r1)摇摆力模型( rocking即在没有宏观力条件下如何产生宏观的定向运动并 ratel中国煤化工落力的时间平均为零CNMHG收稿日期:2004-02-09;修改日期驟基金项目:国家自然科学基金资助项目(10375016);河北省自然科学基金资助项目(A200400005);河北省博士基金资助项目B2001113)作蔔教癮同躐196-),汊族)河北安平人,理学博士,教授,从事生物大分子动力学、非平衡统计物理、液晶物理研究原子核物理评论第21且在两个值之间随机变化;(2)闪烁势模型(fash-地关注分子马达在实现物质转运时力学过程和化学g ratchet),非对称周期势场随时间周期性地或随过程旳耦合.充分考虑构象变化在分子马达定向运机地在两态或多态之间跃迁;(3)关联模型(core-动中所起的重要作用,把力学过程和化学过程结合lation model),这种情况下考虑色噪声的影响.第一起来.目前理论研究的一个趋势就是借助于化学动种情况通过将周期力整流产生定向运动,第二种情力学的方法,研究ATP水解过程中,力学过程与化况则是通过对噪声的整流得到定向运动,这两种机学过程的耦合.其中多态跃迁模型基于分子马达在制所产生的定向运动的方向是相反的.此外,考虑运动中要经历多种化学状态,认为分子马达在一个关联噪声和闪烁势可以讨论定向运动以及几率流的化学循环中要在多个化学态之间跃迁.人们估计起反转,考虑随时间变化的驱动力可以讨论分子马达码要4个到6个化学态才能较好的反映分子马达这定向运动的梯跳特征.循环.以驱动蛋白的运动机制为例,近来实验得近年来,在分子马达动力学理论的研究方面我到了许多驱动蛋白在不同运动阶段的构象变化的信们进行了一些尝试11,提出了具有关联涨落的势息.认为随着ATP的水解,发生在马达头部ATP结垒闪烁模型、闪烁关联噪声模型、有限阻尼条件下合位点內的微小的构象变化,经过颈部连接域的作的势垒闪烁模型以及一种二维模型;发展了朗之万用被放大,从而引起马达与负载整体的运动,这是方程的 Monte carlo模拟方法,并将福克普朗克方程一个化学过程与力学过程相互耦合的过程,目前认的本征值方法和矩阵连分式方法应用于上述模型的为此过程分为4个态是比较合理的5.马达蛋处理;讨论了布朗马达的定向运动以及能量转化的白与微管的复合体M·K首先结合1个ATP形成M效率问题,得出了定向运动的几率流随各参量的变K·ATP态,然后ATP水解为ADP和P(无机化关系,对各种模型中几率流的反转进行了讨论.磷)形成M·K·ADP·P复合态,接着释放掉P还研究了能量转换的效率形成M·K·ADP态,最后释放掉ADP又回到M我们研究了二维的模型,讨论了横向的自由度K态.马达蛋白与微管的复合体回到初态,但同时对纵向运动的影响.分子马达将ATP中储存的化学沿微管走了8mm的长度,这样就完成了一个力学能转化为机械能的过程中,同时与轨道以及周围环化学周期.当此复合体再次结合ATP时,开始下境发生相互作用,马达自身也有复杂的结构及内部个力学化学周期.对应于各个状态其构象也发生相运动,具有大量的自由度.但其中大多数涨落非常应的变化.这一过程伴随着分子马达与微丝或微管快,近似处于平衡状态,可将其视为热浴,对应的的结合与分离,也伴随着分子马达向前跳动的力学变量为热浴变量.其他少数几个自由度变化较慢,过程.负载、外力和ATP的浓度以及周围的热力学称为集体自由度,对应的变量为系统变量1213.环境都对这一过程产生影响.我们采用四态模型反在这些系统变量之中,至少包含一个反映化学反应映马达的力学化学过程的各个状态及相应的构象变进程的化学变量,还应包含一个反映马达质心运动化,用主方程方法进行分析和计算,研究了分子马的力学变量,只有这样才能反映力学与化学的耦达的暂态特性及稳态情况下漂移和扩散与浓度及外合.这样,分子马达就被描述为在二维位能面上运力的关系,分析了蛋白马达定向运动和能量转化过动的粒子,而位能面反映体系的自由能.可以考虑程的机理连续变化的化学变量,也可以考虑分立变化的化学分子马达的动力学理论要进一步发展,有几个变量.我们后来讨论的四维模型就是将化学自由度新的动向值得关注.首先,位能面的构建是一个基作了粗粒化,变为若干分立态.仅仅考虑保守的位础的问题,目前动力学研究所采用的位能面大多是能面是不够的.因为,在完成一个化学循环时,唯象rV中国煤化工多.位能面的构建对于ATP的水解所释放的能量将作为定向运动的能量来研HCNMHG具有重要意义.在这源,因而我们引入非保守力提供定向运动的能量输方面,我们采用高斯算法等量子化学手段进行分入.通过对二维模型的研究得岀了非保守力在体系析,得到了一些初步的结果.采用分子动力学等其与外界能量交换中发挥重要作用这一概念他手段也是有前途的方法.第二,生物体是高度非为了建应切合实际的理论模型,需要更多均匀、非线性的介质,研究分子马达的输运行为可赵同军等:分子马达动力学179以尝试用 levy flight、查理斯熵以及反常扩散等概念的杋制.由ATP水解提供的能量储存在马达蛋白质来反映分子马达各种相关的统计行为.第三,新的之内,随着马达蛋白的一步一步的运动,能量也实验表明单个 myosIn头部运动时,每消耗一个ATP部分一部分地释放出来.第四,充分利用跃迂速率分子,马达蛋白会向前运动若干步.这表明在分子已有的实验结果和理论分析结果,减少理论研究的马达定向运动的过程中,马达蛋白有某种储存能量复杂性参考文献1] Svoboda K, Schmidt C F, Schnapp B J, et al. 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