马达蛋白沿微管运动理论模拟和时间飞行法测量光阱刚度

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1、㈣UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationforMaster’SdegreeTheoreticalsimulationofthemotionofmotorproteinsalongmICrOtUbUIeSandcalibrationofopticaltweezersusingtimeofflightmethodAuthor：Speciality芒ipeci：Supervisor：”‘●‘11rmlshedtirne：DandanZhouOpticsProf．YinmeiLiApril20也，2013中国科学技术大学学位论文原创性

2、声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：画墨墨签字Elgq：塑!查：查：盟中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸

3、质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口≤开口保密(——年)作者签名：凰垫墨签字日期：加B．‘。达导师签名：逊签字日期：p／弓。r．30摘要在生物体内，分子马达参与肌肉收缩、胞质运输、DNA转录和细胞有丝分裂等一系列重要的生命活动。这些生命过程受到生物大分子动力学行为的调控，在单分子水平上呈现一定的物理特性，如驱动蛋白行走的步距、力和速度。这些物理量已成为分子水平上表征其生物特性和生命过程的重要参量。由于光镊能够对微球施加皮牛量级的力并同时测量纳米精度(可达埃)的位移，已成为研究分子马达运动的重要工具。在本文的工作中，利用光镊体外检测驱动蛋白K560的运动并对马达蛋白的定向

4、运动进行了理论模拟。马达蛋白K560属于kinesin．1家族蛋白，它能沿着细胞骨架一微管做定向行走。我们以K560做研究对象，用光镊捕获表面修饰K560马达的羧基聚苯乙烯小球(直径约0．5微米)定位到微管上，体外观察K560马达的运动，测量得到的解离力与运动速度均与国际文献报道一致。K560运动性实验有助于我们进一步研究驱动蛋白的动力学行为。细胞内马达蛋白靠水解ATP产生定向运动。一方面，细胞内的液体环境为化学反应提供能量来源。根据酶促反应过程，采用蒙特卡罗算法对kinesin和dynein的运动进行了模拟，分析得出ATP浓度降低、负载力增大都会减小马达的行走速度。另一方面，液体环境还相当

5、于热浴，为马达蛋白的动力学过程产生随机涨落力和相关能量耗散。采用布朗棘轮模型模拟出无负载力情况下单头dynein马达的梯跳运动。模拟结果与实验结果基本相符，模拟给出的预计可指导与马达功能相关的实验。为了实时地监控马达在微管上的步进运动，我们设计了光镊前向探测系统一采用位置敏感探测器直接监控显微镜聚光镜后焦平面的激光强度变化。后焦面干涉法与激光光阱的位置无关，可同时进行横向探测和轴向探测。其三维灵敏度高，线性度好，探测速度快。目前，我们搭建的前向探测系统可以分辨10nm的位移。若进一步降低环境噪声，分辨率有望能做到更低。在细胞层次的力学特性测量中，由于细胞的不规则形状以及细胞膜内外的折射率相差

6、较小，采用后焦面干涉法以及功率谱密度法不能够有效地获取细胞的位置信息。为此我们发展了一种基于时间飞行的方法，通过相机记录直径为lO微米左右的微球在向光阱中飞行的动态过程，测量光阱对特定微球的刚度。通过比较不同功率下，不同大小以及不同材料的微球的光阱刚度和误差，结果表明时间飞行法适用于测量直径范围5—10tan微球的光阱刚度。本文的创新点在于利用光镊技术在单分子层次上开展马达蛋白行走机制的研究。包括理论模拟单头马达的行走和实验上观察到K560马达的行走。另外，I摘要发展了时间飞行测量光阱刚度的方法，该方法的优点是可以应用在特殊光场分布的激光阱中测量微球的光阱刚度，可为更深层次研究细胞上复杂的单

7、分子过程提供一个很好的研究手段。关键词：光镊，马达蛋白，蒙特卡罗模拟，后焦面干涉，时间飞行IIAbstractMolecularmotorsareinvolvedinmanybiologicallyimportantprocesssuchasmusclecontraction，cytoplasmictransport，DNAtranscriptionandmitosis．Frommacromolecularv