分子马达的研究与应用前景

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1、分子马达的研究与应用前景于丽娜生命在于运动，机体的一切活动，从肌肉收缩、细胞内部的运输、遗传物质(DNA)的复制、一直到细胞的分裂等等，追踪到分子水平，都是来源于具有马达功能的蛋白质大分子做功推动的结果．因此它们被称为分子马达或蛋白质马达和蛋白质机器等．到目前为止，已有百种以上的分子马达被确定，它们在机体内执行着各种各样的生物功能．分子马达都是沿着相应的蛋白丝作定向运动[1~6]．这些蛋白丝起着“轨道”的作用，它们都是有极性的，因而也是有方向性的．这些分子马达可高效率地将贮藏在腺苷三磷酸(ATP)分子中的化学能直接转换为机械能，产生协调的定向运动而做功．迄今为止，人类

2、尚无由化学能直接转换为机械能做功的任何应用记载．那么由生物体反映出的这一独特的能量转换形式不仅对于生命活动是至关重要的，而且可以使人类从新的角度去认识、研究和利用这一能量转换的分子机制．因此分子马达定向运动机制、做功原理及能量转换机制已成为分子生物学、物理学、生物化学等诸多学科中最引人注目的问题之一，并会在相当长时间里成为多学科所共同面临的一个极具挑战性的科学研究领域．对于真核细胞，最常见的为肌球蛋白马达(Myosin)，动蛋白马达(Kinesin)和力蛋白马达(Dynein)3大家族系．肌球蛋白马达与肌动蛋白丝(Actinfilament)合在一起称为肌球动蛋白(a

3、ctomyosin)．当肌肉收缩时，肌球蛋白马达沿着肌动蛋白丝滑动，而动蛋白马达和力蛋白马达都是沿着微管(microtubule)运载囊泡(Vesicles)与细胞器(organelles)等作定向运动．肌肉的肌球蛋白马达和常规的动蛋白马达是迄今为止研究得最多且最具有代表性的两个系统．它们的大小尺度都是几十纳米(nm)量级．近来，利用高分辨率电子显微镜观察到这两种蛋白马达的头部的结合区，发现它们大小虽不相同，且肌球蛋白是动蛋白的3倍，但包含着十分相似的蛋白质折叠结构，甚至连在功能催化活性部位(CD)的残基都是同源的．这本该意味着它们的功能也应是相似的，然而在ATP作用

4、下一个肌球蛋白马达沿着肌动蛋白丝作跳跃式的运动，马达与轨道之间的结合只是瞬时的，只有大量肌球蛋白马达在一起才有可能作连续性运动．而单个动蛋白马达却可以使负载沿着微管运行相当长的距离而不“脱轨”，作前进式运动．用所谓“负载比”(dutyratio)(马达与轨道结合在一起的时间与整个过程的时间之比值)来表征这两个系统的运动情况，前者的负载比几乎为零，而后者则近乎百分之百．这种在结构上相似而在功能上存在巨大差异的问题一直令人十分困惑．这实际上是涉及如何统一认识众多种类的分子马达在结构与功能上所显示出来的多样性这一难题．1布朗马达模型分子马达的运动具有3个基本特征．首先，分子

5、马达的几何尺度很小，一般在10nm左右，分子量在几万到几十万道尔顿．实验表明，马达与轨道之间的结合能具有的量级(为玻尔兹曼常数，为热力学温度)，热运动的影响不容忽略，必须考虑内噪声的影响．因而分子马达布朗运动的特征非常明显．其次，在生物体内的马达蛋白还是一个高度非平衡的体系．ATP的浓度远高于平衡态的浓度，ATP的水解反应是单向进行的．水解所释放的能量为系统提供了一种非平衡的驱动力源．除此以外，分子马达总是沿着微丝或微管作轨道运动，构成这些轨道的蛋白亚基顺序排列，形成非对称的周期性结构．即使是旋转马达的转动也可以看作是沿周期性轨道的运动．总的说来，分子马达是一种具有很

6、大噪声但尺寸很小的机器．人们将分子马达的这类基于布朗运动动力学理论的物理模型概括为布朗马达．分子马达的布朗运动的理论最近几年取得了长足的进展[7~11]．所解决的首要问题就是在没有宏观力的情况，分子马达如何能够通过水解ATP产生宏观的定向运动，如何能够拖动负载产生定向力，ATP的水解与定向运动的关系如何，即ATP水解的化学过程与力和运动产生的力学过程是如何耦合的．宏观的定向运动一般的条件是什么．目前看来不满足广义涨落耗散定理的噪声(即所谓外噪声)的存在是一个重要的判据[7]．第2方面的问题是如何解决分子马达定向运动方向的反转的问题．这一问题的实际意义在于在同样的轨道上

7、运动的分子马达即使分子结构非常类似，仍然可能沿相反的方向定向运动．第3方面的问题是分子马达的效率问题．这一问题的重要性在于实际的分子马达的效率是很高的，在离体实验中，效率一般在60%以上，有的可接近100%．我们知道马达蛋白受到周围环境的影响而使热耗散不可避免．如何在存在热涨落的情况下产生如此高的效率，能量转化的机制是什么．按照非平衡噪声的来源的不同，分子马达的布朗运动的理论大致可以分为两种基本类型：1)摇摆力模型(rockingratchet)[12~16]，非平衡涨落力是对时间平均为零且在两个值之间变化的周期力；2)闪烁势模型(flashingr