神奇的生物酶——旋转分子马达

 生命是美丽的,美丽因生命而存在,生命因美丽而永恒。生命科学以其特有的魅力吸引人们参与到对它的研究中来,研究生命科学、向生命学习将是本世纪生命科学研究的特色。众所周知,ATP(三磷酸腺苷)作为生物体内的能量货币,其合成作用是生物世界中最普遍的化学反应,其水解反应所释放的能量为系统提供了驱动力,使得分子马达沿着轨道做定向运动。到目前为止,人类制造的任何一部宏观机器都无法同分子马达运动的连续性、高效性以及运动中各个部分所表现出的协调性相比。     

Dynamical Properties of Potassium Ion Channels with a Hierarchical Model

It is well known that potassium ion channels have higher permeability than K ions, and the permeable rate of a single K ion channel is about 108 ions per second. We develop a hierarchical model of potassium ion channel permeation involving ab initio quantum calculations and Brownian dynamics simulations, which can consistently explain a range of channel dynamics. The results show that the average velocity of K ions, the mean permeable time of K ions and the permeable rate of single channel are about 0.92nm/ns, 4.35ns and 2.30 ×10^8 ions/s, respectively.     

肌球蛋白Ⅵ分子马达周期势场下的弹性扩散模型

肌球蛋白Ⅵ分子马达因其特殊的结构及胞内功能,其动力学原理成为研究的热点. 从肌球蛋白Ⅵ自身结构和实验现象出发,建立其弹性扩散模型,并通过Monte Carlo方法分析了肌球蛋白Ⅵ满足朗之万方程的随机动力学行为. 结果表明,在环境噪声作用下,具有弹性势能和轨道周期势能的肌球蛋白Ⅵ可以进行梯跳运动和有效的输运,但负载力会减弱分子马达系统的输运能力;当弹性系数一定时,弹性链越长平均速度越小,当弹性链长度一定时,合理选择弹性系数平均速度可达到最大值;另外,负载力的存在使肌球蛋白Ⅵ在接触位点的平均驻留时间呈指数增加. 关键词： 分子马达 肌球蛋白Ⅵ 朗之万方程 弹性扩散模型     

Stochastic Four-State Mechanochemical Model of F1-ATPase

F1-ATPase, a part of ATP synthase, can synthesize and hydrolyze ATP moleculars in which the central γ-subunit rotates inside the α3β3 cylinder. A stochastic four-state mechanochemical coupling model of F1-ATPase is studied with the aid of the master equation. In this model, the ATP hydrolysis and synthesis are dependent on ATP, ADP, and Pi concentrations. The effects of ATP concentration, ADP concentration, and the external torque on the occupation probability of binding-state, the rotation rate and the diffusion coefficient of F1-ATPase are investigated. Moreover, the results from this model are compared with experiments. The mechanochemical mechanism F1-ATPase is qualitatively explained by the model.     

基于三磷酸腺苷调节的分子马达单向能量跃迁模型

分子马达的梯跳运动和在过阻尼溶液中动力学原理尚未揭示清楚, 从分子马达输运特点和实验现象出发, 构建满足朗之万方程的单向能量跃迁模型, 并通过Monte Carlo方法分析了分子马达的随机动力学行为. 结果表明, 在合适的跃迁能量作用下, 分子马达可以利用噪声进行稳定的梯跳运动和有效的输运, 但负载力会减弱分子马达系统的输运能力; 轨道周期势虽影响分子马达速度的大小但不会改变其运动方向, 分子马达运动方向由跃迁能量决定; 另外, 虽然在不同的噪声强度时平均速度不为零, 但是分子马达系统的高效输运对噪声有一定选择性. 关键词： 分子马达 能量跃迁 朗之万方程 噪声强度     

分子马达动力学

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. Motor protein is a kind of small machines that convert chemical energy to mechanical works. It is revealed from the study of the two dimensional model that the non conservative impulsive force plays a significant role in the exchanging process of energy. A four state model characterizing the coupling of mechanical and chemical processes of molecular motor is also discussed.     

分子马达的调节机制

细胞维持生命就需要不断与外界进行物质交换,并且在细胞内部也频繁地进行着物质交换。细胞内部高度分化,由不同的细胞器（如细胞核,高尔基复合体等）组成,我们将细胞器比做“工厂”,每个工厂都有自己独一无二的“产品”（货物）,细胞器是如何将产品分配给他们的“消费者”以及其他的工厂呢？在细胞内,运输货物的主要任务由分子马达（简称马达）家族中的肌球蛋白,驱动蛋白及动力蛋白来完成。马达完成运输的过程可分为三步：（1）识别货物并与货物结合;（2）沿着各自的“轨道”完成多个化学．力学循环,运输的过程中可能需要马达之间任务的交接;（3）将到达目的地时,识别目的地并将货物卸下。为了深入的介绍马达的调节机制,在内容上作了如下安排：1．介绍马达的基本概念及分类。2．介绍马达的结构及其运动特性。     

基于冲击力模型的分子马达动力学分析

从分子马达输运特点和实验现象出发,建立满足朗之万方程的冲击力模型,分析分子马达定向输运的动力学行为.研究发现:在合适的冲击力和噪声强度的共同作用下,分子马达可以稳定的梯跳跃迁运动和有效的输运;分子马达在轨运动的方向由冲击力的方向决定;另外,虽然在不同的噪声强度时平均速度都不为零,但是整个分子马达系综的高效输运对噪声强度有一定的选择性;系综的平均速度随着负载力的增大而减小,甚至会产生反方向的运动.     

The synchronization of FitzHugh--Nagumo neuron network coupled by gap junction

It is well known that the strong coupling can synchronize a network of nonlinear oscillators. Synchronization provides the basis of the remarkable computational performance of the brain. In this paper the FitzHugh-Nagumo neuron network is constructed. The dependence of the synchronization on the coupling strength, the noise intensity and the size of the neuron network has been discussed. The results indicate that the coupling among neurons works to improve the synchronization, and noise increases the neuron random dynamics and the local fluctuations; the larger the size of network, the worse the synchronization. The dependence of the synchronization on the strength of the electric synapse coupling and chemical synapse coupling has also been discussed, which proves that electric synapse coupling can enhance the synchronization of the neuron network largely.     

二维耦合定向输运模型研究

建立了外部驱动力及噪声作用下的二维耦合定向输运模型, 其中的一个维度上为周期性分段棘齿势, 另一垂直维度上为周期性对称非棘齿势, 外部驱动力及噪声加在周期对称非棘齿势方向上, 而棘齿势方向不加任何驱动, 采用非平衡统计及非线性动力学理论研究了过阻尼情况下耦合系统在两个维度上的输运性质. 结果显示, 棘齿势与非棘齿势方向均可产生定向输运, 其中棘齿势方向的系统平均速度对耦合强度、噪声强度、驱动力强度及粒子数目均有明显的依赖性, 合适的耦合强度、噪声强度、驱动力强度或粒子数目下均可产生最大输运速度. 而非棘齿势方向的系统平均速度受非棘齿势势垒高度影响显著, 但随耦合强度、驱动力强度、驱动力初相位差及粒子数目的变化均出现波动现象, 表现出平均速度对这些参量的依赖性较弱.