分子马达运动机制的动力学研究

摘要

生物体内的一切活动，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，都是具有马达功能的分子马达做功推动的结果。分子马达是可以高效率地将化学能直接转化为机械能的一类蛋白质。当分子马达的运用协调起来就产生了宏观的定向运动而做功，其中蕴含的动力学机制已成为众多研究者们关注的焦点。本文首先对分子马达的研究作了简单介绍，包括分子马达的种类、驱动蛋白和ATP合酶的生物化学研究进展以及分子马达的生物物理研究进展。 本文对驱动蛋白的定向运动进行了理论分析，提出驱动蛋白产生定向运动的三个必要条件，并对驱动蛋白这些条件的形成作了深入分析。在分析的过程中，本文提出了两个全新的基本观点，为驱动蛋白的定向运动提供了一种可能的解释。 因分子马达处于胞质液体的环境中，物理学上将其看成是布朗棘轮，通过非平衡统计物理的Langevin方程或Fokker-Planck方程进行分析和计算。本文对处于不同环境下的分子马达系统，采用计算机模拟和Monte Carlo方法对其Langevin方程进行计算分析，比较分子马达在这些系统下定向运动的能力，得出：无外部驱动力时，仅在白噪声的作用下不能驱动分子马达作定向运动；当系统存在恒定外力或正弦形式的周期外力，在白噪声作用下分子马达沿微管作定向运动，只是在正弦外力下马达的定向运动能力比相应条件恒定外力下的要弱很多；无外部驱动力时，色噪声在非对称周期势下能驱动分子马达作定向运动，而在对称周期势下不能。本文还对分子马达在定向运动过程中的停留时间作了深入研究。根据前面对不同系统下马达定向运动能力的对比分析，我们选取在色噪声和恒定外力共同作用下的分子马达系统，建立相应的Langevin方程。应用Monte Carlo方法计算分析了色噪声关联时间、噪声强度及外部作用力与停留时间的关系，并与同条件下这些参数和跃迁时间JT的关系作比较分析，分别对产生这些结果的内在原因进行分析，对这些结果作出可能的解释。 进一步考虑到驱动蛋白的双头结构，本文引入双头耦合作用势函数，建立了在色噪声和恒定外部驱动力共同作用下的双头耦合模型。通过二阶龙格一库塔算法求解该模型下的Langevin方程组，并结合MonteCarlo模拟方法，我们计算分析了双头耦合作用势的耦合系数和阱深参数对分子马达两头间运动及马达整体定向运动的影响。计算结果表明：(1)耦合系数能决定耦合作用势将马达束缚在势阱中的能力，耦合系数越大，耦合作用势对马达运动的制约越强，定向运动能力越弱； (2)阱深参数既决定束缚马达于势阱中的能力，又决定对两头问运动的牵制作用。阱深参数越大，耦合作用势将马达束缚在势阱中的能力越强，同时对两头间距离的牵制作用减弱，这两个完全相反的作用效果互相竞争，由它们决定着马达定向运动能力的增强或减弱。

目录

文摘

英文文摘

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第一章前言

1.1分子马达的种类

1.2驱动蛋白的生物化学研究进展

1.2.1驱动蛋白简介

1.2.2驱动蛋白的结构

1.2.3驱动蛋白的运动特点

1.2.4驱动蛋白的运动机制

1.3 ATP合酶的生物化学研究进展

1.3.1 ATP合酶的结构

1.3.2 ATP合酶的催化机制

1.4分子马达的生物物理研究进展

1.4.1布朗马达模型与非平衡输运理论

1.4.2化学力学模型

1.4.3近年来的研究进展

1.5本课题的研究意义和研究内容

第二章驱动蛋白定向运动的理论分析

2.1非平衡涨落驱动定向运动

2.1.1热运动模型

2.1.2电势场模型

2.1.3能量场模型

2.2驱动蛋白产生定向运动的条件

2.2.1非对称势场

2.2.2绑定态理论

2.2.3蛋白质构象转变理论

2.3驱动蛋白定向运动的生物结构学模型

2.3.1驱动蛋白分子的结构元件及其作用

2.3.2生物结构学模型

第三章不同分子马达系统下的物理模型的分析比较

3.1白噪声及不含外力

3.2白噪声及恒定外力

3.3白噪声及非恒定外力

3.4色噪声及不含外力

第四章停留时间的研究

4.1物理模型的建立

4.2停留时间与跃迁时间

4.3关联时间τ的影响

4.4噪声强度D的影响

4.5外部作用力F0的影响

第五章分子马达的双头耦合模型研究

5.1双头耦合模型的建立

5.2双头耦合作用势对马达两头之间运动的影响

5.2.1对两头间的平均距离Dis的影响

5.2.2对两头的翻转次数Rev和连续最大行走时间MaxT的影响

5.3双头耦合作用势对马达定向运动的影响

5.3.1对粒子流〈X〉的影响

5.3.2对停留时间DT和跃迁时间JT的影响

第六章结论

参考文献

附录A

攻读学位期间发表的学术论文

致谢