鞭毛電機(jī)的運行機(jī)理和特性研究.pdf

1、分子電機(jī)是一種特殊的蛋白質(zhì)大分子，廣泛存在于肌肉纖維和細(xì)胞組織中。生命體內(nèi)的一切活動，從肌肉收縮、細(xì)胞內(nèi)部的運輸、遺傳物質(zhì)的復(fù)制，一直到細(xì)胞的分裂等等，都是源于具有分子功能的分子電機(jī)。鞭毛電機(jī)(BacterialFlagellarMotor，簡稱BFM)是生物界中最早發(fā)現(xiàn)的分子旋轉(zhuǎn)電機(jī)。由于其體積大，易人工操作，因而可作為研究分子旋轉(zhuǎn)電機(jī)的理想模型，得到了較為充分的研究。人們提出了各種各樣的模型來解釋其力矩產(chǎn)生過程，對認(rèn)識細(xì)胞運動機(jī)制及

2、生物能量轉(zhuǎn)化機(jī)制有重要的意義。 首先，本文論述了鞭毛電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和各部分的功能，闡述了其轉(zhuǎn)速測量、生物能學(xué)以及旋轉(zhuǎn)動力學(xué)。簡單的介紹了Na+驅(qū)動的鞭毛電機(jī)并對目前鞭毛電機(jī)的研究進(jìn)展作了分析和展望。 其次，本文基于超聲波電機(jī)模型研究了鞭毛電機(jī)的運行機(jī)理。詳細(xì)分析了鞭毛電機(jī)的力矩產(chǎn)生機(jī)制，即H+的跨膜運動帶動定子在超聲波頻域內(nèi)的振動，通過定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用和彈性形變產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，將振動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。利用工程振動學(xué)，對鞭

3、毛電機(jī)定子的振動特性作了詳細(xì)的分析，計算出離子通道的振動頻率，并對振子的振動方程作了解析。通過對宏觀的超聲波電機(jī)的研究，仿真得出了鞭毛電機(jī)轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線，并基于仿真結(jié)果利用旋轉(zhuǎn)動力學(xué)對輸入功率、輸出功率進(jìn)行計算，得出了機(jī)械效率，結(jié)果表明鞭毛電機(jī)是一種效率較高的微電機(jī)。 最后，本文還基于定子—轉(zhuǎn)子之間的靜電作用模型，利用電磁場和細(xì)胞運動學(xué)的知識研究了鞭毛電機(jī)的方向轉(zhuǎn)換機(jī)制，并詳細(xì)分析了鞭毛電機(jī)的力矩產(chǎn)生機(jī)理，得出了鞭毛電機(jī)的轉(zhuǎn)