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分子马达四态随机跃迁定向运动机制的研究

吴魏霞  
【摘要】: 分子马达在生命活动中起着十分重要的作用,它们在肌肉收缩、细胞内部输运、遗传物质DNA的复制及细胞的有丝分裂过程中执行着各种各样的功能。分子马达是一种以ATP为“燃料”的分子机器,可高效地将ATP水解释放的化学能转化为机械能,产生协调的定向运动而做功。特别是驱动蛋白马达,它具有定向梯跳的运动特性,其中蕴含的动力学机制已成为众多研究者们关注的焦点。 根据实际的生物背景,驱动蛋白沿微管作定向运动,构成这些微管的蛋白亚基顺序排列,形成非对称的周期性结构,且驱动蛋白在运动过程中构象发生了变化,在一个力学和化学循环中要经历多个中间态,各个态之间的跃迁具有随机性。基于这种情况,本文建立了一维周期性四态随机跃迁模型,并利用主方程方法进行了研究。 本文主要分三部分来介绍。第一部分介绍了分子马达的生物学背景,包括其种类、结构特征及沿轨道的运动学性质。第二部分介绍了一种研究随机跃迁的方法—主方程方法,着重推导了粒子做一维周期性N态随机跃迁时达到稳态的速度、扩散系数的一般表达式。第三部分根据分子马达实际的力学化学耦合过程,建立起比两态模型更接近实际的模型—一维周期性四态随机跃迁模型。并取得了如下成果: 1.计算了分子马达在等间距跃迁情况下,当给定初始分布时,任意位置任意时刻主方程中几率分布的解析表达式。 2.分析了在最初一段时间内分子马达的暂态特征及到达稳态所需的特征时间,结果表明:分子马达的暂态特征由初始条件和跃迁速率常数共同决定,而到达稳态所需的时间只由跃迁速率常数决定。 3.计算了分子马达在不等间距跃迁情况下几率分布的解析表达式。 4.将分子马达拖动负载时的稳态速度V和随机参数r随ATP浓度[ATP]的理论变化拟合曲线同实验进行了比较,结果表明:拟合曲线与实验基本吻合,较好地说明了马达在拖动负载运动时的各种动力学行为。


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