驱动蛋白力产生机制的研究

驱动蛋白颈链对接过程及其力产生机制的研究,是揭示驱动蛋白结构与功能的关系,认识 生物体蛋白质中普遍存在的、高效的能量转化机制和精确的构象变化调控机制的一个基础性课 题。本文中,我们对驱动蛋白颈链对接的过程及其力产生机制进行了系统地分析研究。通过分子 动力学模拟,得到了处于空态的马达头部的合理结构。在此结构的基础上,通过对颈链对接的启 动机制以及具体实现过程、ATP结合引起的马达头部转动到颈链对接过程力传递路径的分析,从 动力学上实现了驱动蛋白颈链对接;澄清了颈链对接的启动机制、颈链向马达头部对接的实现机 制、驱动蛋白向前行走时的力产生机制、以及驱动蛋白双头力学化学循环调控机制。对文中所讨 论的一些关键问题,给出了实验验证的可能方案。本文的研究结果对理解驱动蛋白结构与功能关 系、分子马达的力产生机制、做功原理和高效的能量转换机制有重要的参考价值。     

驱动马达定向运动的随机动力学模型

本文在非对称周期势中考虑驱动马达的机械化学耦合,基于布朗马达的工作原理,利用MATLAB数值模拟驱动马达在一定实验条件下的运动特征.我们首先模拟了单个驱动马达的位移和速度随时间变化的图像,然后分别计算了多个驱动马达运动的平均速度,最后计算了不同负载力条件下马达运动速度的系综平均值.模拟结果表明驱动马达在定向运动中存在等待态和行走态,行走步长约为8.2nm,且马达运动具有一定的随机性.通过与实验比较,发现模型计算结果与实验吻合.     

驱动蛋白单向运动机理

驱动蛋白马达在实验和理论上已被进行了广泛的研究. 然而, 其行进运动的微观机理仍未确定. 在本文中我们基于化学、力学和电学耦合提出了一个交臂模型来描述这种行进运动. 在该模型中，驱动蛋白两个头的ATP水解化学反应速率由作用在其颈上的力（包括内部弹性力和外部负荷）来调控. 在低外部负荷情况下, 驱动蛋白的后头的ATP水解化学反应速率远大于前头的速率, 因而两个头在ATP水解化学反应和力学周期循环中是协调的且马达以每步消耗一个ATP的方式的行走. 在大的前向负荷情况下, 两个头的ATP水解化学反应速率变得可比拟, 因而两个头在ATP水解化学反应和力学周期循环中不再很好地协调. 该模型与驱动蛋白的结构研究结果以及ATP水解化学反应路径一致. 利用此模型所估算的驱动力（约5.8 pN）与实验结果（5~7.5 pN）一致. 所估算的每步中的运动时间（约10）也与实验测量值（0~50）符合. 解释了已观察到的每步（8nm）分为两个半步的现象. 所得到的运动速度-负荷曲线与已有的实验结果一致.     

向生命学习新的机制

根据有关分子马达的重要实验结果,明确指出分子马达的运动过程是一个化学、电学、力学3种过程互相耦合的生物学过程。主要介绍有关kinesin的力产生机制的研究现状以及在这方面的研究。On the basis of the important experimental results of molecular motors, it was polnted out that the moving process of molecular motors is a coupling biological process of chemical-electrical-mechanical processes. This clever mechanism of energy conversion on the molecular level with several processes coupled together had never been observed before. The understanding of this new mechanism is an important step towards the understanding of life and an important content of what we can learn from life. We introduced here the status of the investigations on the mechanism for the force generation of kinesin and the studies of the authors in this field     

用弹性模型分析分子马达向前向后运动的概率

通过考虑分子马达kinesin的两个头处于不同的力学化学状态时具有不同的劲度系数,建立了弹性模型并根据玻尔兹曼定律分析了分子马达向前向后的行走概率,得到向前向后运动概率之比与外力的依赖关系,与Carter和Cross的实验结果相吻合.并且还用建立的弹性模型分析了实验上观察到的分子马达单向运动的因为以及在有外力时分子马达...     

软物质实验方法前沿:单分子操控技术

传统的分子生物学实验方法基本都是系综的方法,测量的信号来自大量的生物分子的平均响应,这不利于得到生物分子的构象转变与功能的动力学细节.另外,很多生物大分子如细胞骨架蛋白、分子马达等在行使功能的时候都会受到或者产生力的作用,传统的实验方法也难于研究生物分子的力学响应.最近20年左右发展起来的单分子操控技术可以实现对单个分子的操控,同时测量单个分子在拉力作用下的力学响应.最为常用的单分子操控技术主要包括光镊、磁镊和原子力显微镜,不同的技术有不同的特点和适用范围.本文对几种常用的单分子操纵技术的特点,包括物理原理、可以施加的力的范围与精度、可以测量的分子长度范围与精度等做一个系统的介绍.另外,单分子操控技术在生物大分子如核糖核酸(DNA),脱氧核糖核酸(RNA)和蛋白质的构象转变,相互作用,以及分子马达的功能机理等方面已经取得的丰富成果也给出概括性的介绍.本文对生物学家系统的了解单分子操控技术和如何应用该技术解决自己的生物问题提供一个有益的参考.     

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。     

细菌运动中的物理生物学

细菌是一个包含从分子到宏观多尺度多系统强烈耦合的复杂生物体系.细菌的运动行为在每一个时空尺度都蕴含有丰富的生物和物理学现象.例如,细菌对氧气和很多化合物有很强的应激反应;细菌体内信号传感网络会影响细菌鞭毛马达的转动;纳米尺度的细菌鞭毛马达转动会影响细菌在界面附近的游动、趋化性、积聚、黏附、飞速旋转;单个细菌的活跃状态和环境的物理化学性质又会影响细菌部落的生长过程.微生物膜在空间中的扩张会形成丰富多彩的宏观自组织斑图.细菌运动的物理生物学涉及到力学、流体和统计物理等多个学科的研究范畴.本文分别介绍细菌鞭毛马达、细菌微生物膜的集群运动、细菌在界面的运动以及细菌趋化性和生化信号传感等方面的若干最新研究进展.     

分数阶双头分子马达的欠扩散输运现象

研究具有幂律记忆性的细胞液中双头分子马达的定向输运现象,选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数,建立了分数阶过阻尼耦合Brown马达模型,讨论了阶数及耦合系数对双头分子马达定向输运速度的影响. 仿真结果表明,分数阶过阻尼双头分子马达也会产生定向输运现象,并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流. 当噪声强度固定时,输运速度随着阶数以及耦合系数的变化均会出现广义随机共振现象. 特别地,研究发现双头分子马达在记忆闪烁棘轮势中具有某些单头分子马达所不具备的运动特性,定向流的大小和方向由噪声与双头间作用力相互耦合控制. 关键词： 分数阶双头分子马达 欠扩散 定向输运 广义随机共振     

分子马达肌球蛋白Ⅵ研究进展

生命体的一切活动，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，都是源于具有马达功能的蛋白质大分子做功的结果，它们称为分子马达（molecular motor）。具体到细胞内的物质运输，生物体主要依靠两种细胞骨架系统——微管和微丝，以及与之相关的马达蛋白。微管、微丝和马达蛋白组成的系统就好比细胞内的交通网络，不断进行着货物的运输，动力由三磷酸腺苷（ATP）水解所产生的能量来提供，其运转效率比一般的马达高得多，有的甚至接近100％。长距离的胞内运输主要是由沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）和动力蛋白（dynein）承担，而短距离的运输可能需要在微丝上运动的肌球蛋白（myosin）。     

体相微马达双气泡聚并驱动的界面演化机制

微纳米马达是建立微流体环境与宏观操控的桥梁,气泡微马达的驱动速度高,这一优势在实际应用中不可替代.管式气泡马达适用于复杂场景但能量转化率低,气泡驱动的Janus微球马达效率高但仅适用于气液界面附近.鉴于此,本文提出通过双气泡聚并方式驱动Janus微球马达的新体系,调和了高能量转化率与界面受限的矛盾.在实验中,借助高速摄像记录了双气泡聚并驱动微马达的～100μs级过程,气泡聚并紧邻微球发生,通过释放的能量驱动微球显著运动,其融合过程是独特的可动曲壁受限下的气液界面演化问题.进一步结合伪势格子Boltzmann数值方法探究了气泡聚并驱动的流体动力学机制.研究结果揭示了不同时段气泡聚并的细节,给出了气泡颗粒尺寸比等因素对微球位移、初始动能转换率的影响,确认了双气泡聚并释放表面能的高效驱动机制.     

自扩散泳微观转动马达的介观模拟

转动的微尺度马达是一类重要的微流器件.近年来,因为其重要的应用及理论价值引起了学术界的广泛关注.本文提出了一种新型的自扩散泳驱动的微观转动马达模型.通过介观动力学模拟,验证了该模型的有效性.模拟结果表明,该自扩散泳微观转动马达可以单向地自驱动转动,并且转动速度和马达表面发生的催化化学反应速率(即自产生的浓度梯度场强弱)、以及液体分子与马达之间的相互作用有关.此外,研究了两个转动马达共存时的运动行为,重点考察了马达之间的流体力学相互作用和浓度梯度场效应对马达转动的影响.该自扩散泳微观转动马达为设计实用的微流器件提供了新的思路和参考,也为研究活性胶体系统的集体行为提供了理想模型.     

驱动马达与轨道之间纳米摩擦的随机动力学研究

研究了驱动马达与轨道之间纳米摩擦的微观机制.通过基于克拉默斯(Kramers)理论的"键断裂"模型,得到了驱动马达与轨道之间纳米摩擦与马达行走速度之间关系.研究表明我们的理论结果与实验吻合.     

分子马达肌球蛋白VI研究进展

生命体的一切活动,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,都是源于具有马达功能的蛋白质大分子做功的结果,它们称为分子马达(molecularmotor)。具体到细胞内的物质运输,生物体主要依靠两种细胞骨架系统——微管和微丝,以及与     

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.     

超分子液晶

一、超分子化学与液晶简介近年来,超分子化学成为化学科学中分子设计领域的一个中心课题。超分子化学可定义为“分子之上的化学”,即超越分子的化学,它与分子化学的区别在于,分子化学主要研究原子之间通过共价键(或离子键)形成的分子实体的结构与功能,而超分子化学则研究两个或     

生物分子马达

生物分子马达处在生命与纳米两学科的交叉点上,注定会成为本世纪基础研究的主角之一。生物分子马达的研究尽管经历了150多年,但突破性进展出现在最近二十年,这既得益于单分子技术的发展,更要归功于物理学家、生物化学家、医学家及计算学家等的联合交叉研究。文章回顾了分子马达研究的历程,展示了主要成果,也提出了面临的问题。     

一个了解宇宙的新窗口——分子天体物理学介绍

 现代科学的显著特点之一是它的综合性和整体性,即各个学科之间的交互影响.分子天体物理学的建立和发展是一个很好的例子.在它的发展过程中,物理学和化学的基础研究,射电天文学和空间天文学的最新技术成就与天体物理学和天体化学密切配合,相互推动.在短短的二十多年中形成了一门生气勃勃的新学科.它为天文学提供了一个了解宇宙的新窗口,有力地推动了恒星演化的极早期阶段和晚期阶段的研究.     

方波电泳电场驱动下液膜马达的电致流动特征

液膜马达作为一种新颖的实验装置在基础研究和技术应用方面都将会发挥着重要的作用, 深入研究各种条件下液膜马达的电致流动特征是非常有意义的. 本文从理论上研究了均匀恒定外电场中的液膜马达在方波电泳电场驱动下的动力学特征, 解析地给出了液膜转动的线速度随时空变化的规律. 理论结果表明, 液膜会随着电泳电场频率的增大由对称性往复转动逐渐转变为振动, 这不仅有助于从理论上认识液膜马达振动的物理根源, 也为在实际应用中设计液膜搅拌机提供了一种新思路.     

费恩曼教育思想与分子马达

费恩曼惯用独特的方法研究当时的主流问题,虽然仅发表48篇学术论文,但是他的巧妙思维值得后人学习.费恩曼为了验证热力学第二定律,设计了一个著名的棘轮与爪思想实验,其诱发了近30年来的分子马达工作机制的研究.