酶促反应分子马达的研究进展.pdf

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1、第44卷分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展第7期2016年7月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1133～1139—一岈DOI：10．11895／j．issn．0253-3820．160202《评述与进展2＼!石＼!酶促反应分子马达的研究进展秦为为孙乐乐彭天欢徐艳高延静王文锋李迪(中国科学院上海应用物理研究所物理生物学部门＆成像中心，上海同步辐射光源，上海201800)摘要传统观点认为酶促反应并不会影响酶本身的扩散运动。最近的研究表明，在酶促反应过程中，酶分子的扩散系数会增大，而且其增大强度

2、具有底物依赖性，即随着底物浓度的增加而增大。酶促反应分子马达，是利用酶促反应过程中产生的能量驱动纳米或微米级物体的运动。尽管在几种不同的酶体系中的研究已经证实了酶在催化过程中的底物依赖性，但是造成酶扩散增强的原因至今仍不清楚。本文从酶促反应过程中酶自身扩散系数的变化、酶自身扩散系数变化的可能机理及其应用等3个方面，对酶在催化过程中的底物依赖性以及酶促分子马达的研究进展进行了综述。关键词酶促反应；扩散系数；趋化性；自驱动；纳米马达；综述1引言众所周知，液体中的分子不停地做无规则的布朗运动。对于有催化活性的酶分子而言，在无底物存在时，在溶液

3、中的运动模式为布朗运动；在底物存在时，酶可以催化底物转化为产物，并释放出能量。传统观点认为，底物转化为产物所释放的能量不会对酶分子本身造成干扰J。然而最近的研究表明，在催化反应过程中，大多数酶的扩散系数会增大，而且增大程度与底物浓度呈正相关，即酶分子可以利用酶促反应过程中底物转化时释放的能量驱动酶分子自身的运动。马达是指可以将某种形式的能量转化成机械能，用于做功的一类机器_2J。实际上，生物体内也包含多种多样的马达，如肌球蛋白、动力蛋白和驱动蛋白，都是胞浆内的分子马达，通过消耗能量分子(ATP)为马达在特定轨道(如微管)上的运动提供能量

4、。基于酶的生物马达在细胞内高效而精确地行使着特殊的功能]，如DNA的合成和囊泡的转运等。在更高层次上，生物体系中的马达可以使细胞有方向性地朝着特定的化学物质或光运动l71。在上述情况中，这些生物马达的运动都是利用了酶促反应过程中底物转化为产物所释放的能量。酶是生物体内进行各种各样化学反应的催化剂。鉴于酶分子的多样性、高效性，以及酶分子可以利用酶促反应过程中底物转化所释放的能量进行自我驱动，因此可利用酶分子设计构建马达，这将会极大地扩展和丰富驱动纳米或微米马达的方式，为设计新型的化学刺激响应的自动药物输送系统开辟新型且多样化的途径。本文将

5、围绕酶促反应过程中酶扩散系数的增强及其在分子马达构建等方面的研究与应用进行评述。2酶促反应过程中酶自身的扩散行为2．1酶促反应对酶分子自身扩散系数的影响最近的研究表明，酶促反应过程中酶的扩散系数会随底物浓度的增加而增大。2009年，Yu等通过实验证明，由DNA模板和相应的RNA聚合酶组成的复合物，在底物NTPs存在时扩散变快，而且该复合物有朝着底物NTPs浓度高的方向运动的趋势，这是一种类似于细胞趋化性的行为(如图1所示)。随后，宾夕法尼亚州立大学的Muddana等首次使用荧光相关光谱仪(FCS)在单分子水平上测到了酶促反应引起的脲酶扩

6、散增强的行为(图2)，并用布朗动力学模拟计算了扩散系数达到相应增强程度2016-03．18收稿；2016-04—18接受本文系国家自然科学基金(Nos．21227804，21373260，31371015)，中国科学院青年创新促进会项目(No．2013174)，口腔疾病研究国家重点实验室开放课题项目(No．SKLOD2015OF05)资助E-mail：lidi@sinap．ac．cn分析化学第44卷30一25王20兰芎15詈：10景童5。0234060l2018O240300360420480ExperimentFimeafterDNA

7、loading(min)罔1(A)荧光漂白恢复实验(FRAP)测量T7RNA聚合酶转录过程中的化学促进作用。误差线：标准偏差。冈中标明了转录过程中表观扩散系数与布朗运动时扩散系数相比的增长百分比(B)DNA和RNA聚合酶复合物的趋化性：复合物沿着NTP的梯度运输，NTP浓度高的地方，DNA和RNA聚合酶复合物浓度也高。误差线：波动幅度。归一化的偏差[(F，-F)／F⋯圆点线]表明DNA和RNA聚合酶复合物的运输是沿着NTP梯度的，说明转录可以引起并调节DNA的趋化性Fig．1(A)Fluorescencerecoveryafterpho

8、tobleaching(FRAP)naeasurementofchemokinesisbyT7ribonu—cleieacidpolymerase(RNAP)transcription．Errorbar：s