驱动蛋白马达KIF1A的静电运动机制

摘要

运动是生命体的一个本质特征，正因如此人们常说：生命在于运动。生命体很多运动都是通过一种神奇的蛋白机器来完成的，它就是分子马达。所有的分子马达都有一个共同的特征，即利用ATP水解释放的能量来调整构象的变化，最终实现在细胞质内沿轨道的定向运动。分子马达在细胞内能够通过纳米级的步子来完成多种货物的运输，改变细胞的位置，驱动细胞分裂，并且当它们的作用积累到一定程度就可以引起整个机体的运动。驱动蛋白马达(kinesin)是一类在微管(microtubule)上运动的分子马达，虽然关于它的研究上已取得了一定的成果，但是到目前为止，人们仍不清楚驱动蛋白马达将ATP水解的化学能转化成机械能的微观机理，以及它是如何实现在微管表面定向的周期性前进的。 为了探测驱动蛋白的微观运动机制，我们以一类单头驱动蛋白马达KIF1A作为研究对象，这种马达可以沿微管连续前进约700步而不从微管上脱离。由于驱动蛋白马达与微管相互作用的关键部位主要是一些带正电的氨基酸，而微管表面主要是一些含负电的氨基酸，所以在驱动蛋白马达沿微管运动时静电相互作用一定扮演了重要角色，基于K1F1A已有的相关研究和得到的结晶结构，我们利用泊松-波尔兹曼方程研究了KIF1A的静电运动机制，通过计算发现： 第一，KIF1A马达头部与微管间的静电相互作用能具有严格的周期性，而且静电相互作用在保持马达定向移动到微管正端过程中起到了至关重要的作用； 第二，当马达头部完成ATP水解时，进入一个活跃的解离状态(active-detaching state)，在这个状态马达头部与微管间相互作用最弱，但是这时马达头部在微管势场下的最低势能点已经偏离了结合位点，所以在静电力（约为2PN）和其它张力的驱动下马达可以顺利地从结合位点解离； 第三，驱动蛋白马达KIF1A在从弱结合态向强结合态转化过程中存在一个过渡的结合状态，在这个状态期间马达完成了合理结合位点的识别，我们利用同源模建(homology model)的方法模建了这个过渡状态时的结构，通过计算发现静电相互作用对驱动蛋白结合位点的正确识别起到了很大的帮助作用; 最后，根据计算结果和理论分析，我们给出了关于单头马达KIF1A的一个完整的静电运动机制。虽然我们的计算主要基于一类单头马达KIF1A，但是这种通过静电相互作用分析马达运动机制的研究方式，必将为驱动蛋白马达和其它类马达的研究提供新的前景。