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分子马达定向运动物理机制研究

文书堂  
【摘要】:近年来,随着光钳技术(optical tweezers)、基因组序列(sequence analysis)方法、x射线晶体成像(x-ray crystallographer)分析以及荧光荧光显微镜(fluorophore image)等实验技术的发展,使得人们可以对单个分子马达的生物结构和运动过程进行观测,从而积累了大量的实验现象,为建立物理模型提供了基础。现已发现的分子马达有数百种,虽然它们在生物结构上不同,但它们都能将化学能(通常是ATP或者是类似ATP的AMP-PNP)转化为动能。依据分子马达与轨道作用方式的不同,可将分子马达分为线性分子马达和旋转式分子马达。本文简单介绍了人们较熟悉的肌球蛋白分子(myosin)、驱动蛋白分子(kinesin)、动力蛋白(dynein)和细菌鞭毛马达,讨论它们的生物学构造、物理学模型及其在生命活动中的重要作用。通过近年有关肌球蛋白和驱动蛋白的生物化学实验研究,发现每种马达的头部(Head domain)都有包含结合ATP和结合轨道位点的催化核(catalytic core),它们是动力作用的核心,且每种马达都有与动力作用有着密切联系的颈部(neck and neck linker)。对分子马达生物结构的研究,为建立物理模型和深入理解理解其定向运动机制奠定了基础。 物理学上将分子马达简化为布朗马达(Brownian motors)或者更为复杂的双头布朗马达模型(two coupled Brownian motors),其运动用Langevin方程或Fokker-Plank方程进行描述。热棘轮模型是迄今为止最为成功的,本文介绍了两个典型的分子马达物理模型:一是势垒的两态涨落驱动的布朗马达,给出用特征值法求解Fokker-Plank方程的方法。二是具有内部自由度的布朗马达。在此模型中,轨道是一列全同的小球,马达和轨道都被看成电偶极子,其间的相互作用是电性的,相互作用的大小用分子马达绕轴心旋转的内部自由度的变化来表示,且假设旋转是连续的,并用矩阵连分式的方法解析求解定向流的大小。 本文在热棘轮模型的基础上,提出了双布朗粒子闪烁热棘轮模型,分子马达与轨道的作用用不对称势描述,用闪烁势描述ATP水解向分子马达提供能量的过程,为计算简单,假设是势能变化于两态之间,两粒子之间的相互作用用谐振子势描述,用数值模拟的方法解Langevin方程,得到了平均速度及其与各个参量之间的关系。给出了热噪声强度、跃迁率和颈的长度(neck length)对定向运动的影响,发现定向流的大小和方向依赖于三者的耦合,且颈的长度(neck length)的大小会引起定向流的反向。


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