旋转分子马达及其研究进展.pdf

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1、第16卷第3期邯郸学院学报2006年9月Vol.16No.3JournalofHandanCollegeSept.2006旋转分子马达及其研究进展1，21122郑燕，王海飞，王志安，展永，杨明建（1．邯郸学院物理系，河北邯郸056005；2．河北工业大学理学院，天津300130）————————————————————————————————————————————摘要：旨在介绍分子马达的研究历史及有关旋转分子马达的基本知识，并简述本领域在实验上和理论上的研究进展及所面临的挑战.关键词：旋转分子马达；F0F1ATP合酶；相互作用；旋转机制；结合改变；能量传导中图分类号：Q813文献标识

2、码：A文章编号：1673-2030(2006)03-0037-05收稿日期：2006-03-10作者简介：郑燕（1979—），女，邯郸学院物理系助教，河北工业大学硕士研究生.————————————————————————————————————————————1引言生命结构与生命活动的基本单位是细胞，细胞呈现出一个独立的、有序的、自动控制性很强的代谢体系，那么维持细胞新陈代谢需要消耗大量的能量，这些能量的直接来源就是高能磷酸化合物ATP.随着1929年，K．Lohmann首先发现了ATP(三磷酸腺苷)，一直到1939年至1941年期间，FritzLipmann(1953年诺贝尔奖得主

3、)证实了ATP是细胞内所有生物化学能量的储运者，并且证实能量是储藏于高能磷酸键中.所有的生物中，从细菌、霉菌一直到高等动物、植物，包括人类在内，ATP都扮演了能量储运者的角色，这是由其分子结构所决定的.ATP结构中的两个磷酸基团可从一端依次移去而分别生成ADP和AMP(单磷酸腺苷).生物有机体中，ATP的合成是主要的化学反应之一.估计一个成年人在静止状态下，24h内竟有40kg的ATP发生转化，假设核苷酸池是100mmol,那么人体内每个分子ATP必须磷酸化，平均下来每天每分子ATP要磷酸化1000次，由此ATP在细胞能量产生和需求过程中的桥梁作用可见一斑！而合成ATP的酶主要是F1F

4、0型ATP合成酶,也称为ATP合成酶，ATP合酶的重要在于ATP支持几乎所有需要能量的细胞活动，这是一种典型的旋转分子马达，ATP合[1]482-510成作用是生物世界中最普遍的化学反应，而ATP合酶是地球上最普遍存在、最丰富的蛋白质.那么什么又是分子马达呢？生命活动与体内的输运过程密切相关，像我们在宏观层次中用到的热机一样，在生物体内也存在着许多具有马达功能的微观“机器”——分子马达(molecularmotor)，又称马达蛋白（motorprotein）.物理机械意义上的马达是指将其他形式能量转化为机械能的机器，生物上分子马达是把化学能直接转换为机械能的酶蛋白大分子的总称，它们广泛

5、存在于肌肉纤维和细胞组织内部.到目前为止，人们发现的这类分子马达已有上百种，它们在生物体内执行着各种各样的功能，参与了大量的生命活动过程，从肌肉的收缩，遗传物质DNA的复制，一直到细胞的有丝分裂等等.从运动形式上可以把这些马达分为两类：线性马达和旋转马达.目前的研究中，了解比较深入的主要有：（1）肌球蛋白马达(myosin)，对它的研究可以追溯到1864年，它是人们最早研究的马达之一，主要存在于肌肉纤维和真核细胞内.它们在肌动蛋白纤丝上运动，执行肌肉收缩，细胞内物质输运和细胞物质形态改变等功能；（2）驱动蛋白马达（kinesin），发现于1985年，主要存在于真核细胞内.它们沿着微管运

6、动，负责运送细胞器和细胞小泡，并参与细胞的有丝分裂；以上两种为线性运动马达.（3）旋转分子马达,主要包括ATP合酶、细菌鞭毛以及各种门马达.较典型的旋转马达是ATP合酶，它们是合成ATP的基本场所，也是生物体能量转化的核心酶，全称为F0F1-三磷酸腺苷酶，它广泛存在于线粒体内膜，是我们以下介绍的重点.372旋转分子马达简介旋转分子马达是由生物大分子构成的，是合成ATP的关键蛋白,因为它体积小，能量的转化效率高，而且可以进行逆向运动，所以马达研究领域本身以及纳米技术领域的研究人员，对于这一分子转换机制都很感兴趣.随着实验的进展，人们对它的能量转化机制的研究一直是最具吸引力的研究课题之一，

7、旋转分子马达可能是自[2]459-469然界发现的最小的分子马达，其运转效率几乎接近100%.PaulBoyer在《我的ATP合酶研究之旅》中曾经指出生物体内所有的酶都是美丽的，但ATP合酶是其中最美丽、最不寻常、最重要的酶之一！它的美丽在于它是迄今为止已经解析出详细三维结构的最大非对称结构，因而它的研究，对于人们理解生命中的运动现象是非常重要和富有启发性的，不仅有助于我们揭示蛋白质的运动机理，深入认识生命活动的本质，而且可以帮助人类搞清生物体