驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)KIF1A的靜電運(yùn)動(dòng)機(jī)制.pdf

1、運(yùn)動(dòng)是生命體的一個(gè)本質(zhì)特征，正因如此人們常說(shuō)：生命在于運(yùn)動(dòng)。生命體很多運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)一種神奇的蛋白機(jī)器來(lái)完成的，它就是分子馬達(dá)。所有的分子馬達(dá)都有一個(gè)共同的特征，即利用ATP水解釋放的能量來(lái)調(diào)整構(gòu)象的變化，最終實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)沿軌道的定向運(yùn)動(dòng)。分子馬達(dá)在細(xì)胞內(nèi)能夠通過(guò)納米級(jí)的步子來(lái)完成多種貨物的運(yùn)輸，改變細(xì)胞的位置，驅(qū)動(dòng)細(xì)胞分裂，并且當(dāng)它們的作用積累到一定程度就可以引起整個(gè)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)(kinesin)是一類(lèi)在微管(microt

2、ubule)上運(yùn)動(dòng)的分子馬達(dá)，雖然關(guān)于它的研究上已取得了一定的成果，但是到目前為止，人們?nèi)圆磺宄?qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)將ATP水解的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的微觀機(jī)理，以及它是如何實(shí)現(xiàn)在微管表面定向的周期性前進(jìn)的。 為了探測(cè)驅(qū)動(dòng)蛋白的微觀運(yùn)動(dòng)機(jī)制，我們以一類(lèi)單頭驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)KIF1A作為研究對(duì)象，這種馬達(dá)可以沿微管連續(xù)前進(jìn)約700步而不從微管上脫離。由于驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)與微管相互作用的關(guān)鍵部位主要是一些帶正電的氨基酸，而微管表面主要是一些含負(fù)電的

3、氨基酸，所以在驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)沿微管運(yùn)動(dòng)時(shí)靜電相互作用一定扮演了重要角色，基于K1F1A已有的相關(guān)研究和得到的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，我們利用泊松-波爾茲曼方程研究了KIF1A的靜電運(yùn)動(dòng)機(jī)制，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)： 第一，KIF1A馬達(dá)頭部與微管間的靜電相互作用能具有嚴(yán)格的周期性，而且靜電相互作用在保持馬達(dá)定向移動(dòng)到微管正端過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用； 第二，當(dāng)馬達(dá)頭部完成ATP水解時(shí)，進(jìn)入一個(gè)活躍的解離狀態(tài)(active-detaching

4、 state)，在這個(gè)狀態(tài)馬達(dá)頭部與微管間相互作用最弱，但是這時(shí)馬達(dá)頭部在微管勢(shì)場(chǎng)下的最低勢(shì)能點(diǎn)已經(jīng)偏離了結(jié)合位點(diǎn)，所以在靜電力（約為2PN）和其它張力的驅(qū)動(dòng)下馬達(dá)可以順利地從結(jié)合位點(diǎn)解離； 第三，驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)KIF1A在從弱結(jié)合態(tài)向強(qiáng)結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在一個(gè)過(guò)渡的結(jié)合狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)期間馬達(dá)完成了合理結(jié)合位點(diǎn)的識(shí)別，我們利用同源模建(homology model)的方法模建了這個(gè)過(guò)渡狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)靜電相互作用對(duì)驅(qū)