肌球蛋白V持續(xù)運(yùn)動(dòng)特性的動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、肌球蛋白Ⅴ作為最常見的線性分子馬達(dá)之一，是將ATP水解過程中釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的納米機(jī)器，參與細(xì)胞器和mRNA等的輸運(yùn)過程，其沿著肌動(dòng)蛋白絲所作的定向和持續(xù)運(yùn)動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)這些功能的基本條件。駐留時(shí)間、平均速度及運(yùn)行長(zhǎng)度是反映肌球蛋白Ⅴ持續(xù)運(yùn)動(dòng)特性的重要參數(shù)。近年來的單分子實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，肌球蛋白Ⅴ駐留時(shí)間的分布呈雙指數(shù)曲線的形式，指數(shù)的系數(shù)與ATP和ADP的濃度及負(fù)載的大小密切相關(guān)，而平均速度與運(yùn)行長(zhǎng)度的分布也同樣受到ATP和ADP的

2、濃度及負(fù)載的影響?，F(xiàn)有的理論研究尚難以完整地解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　肌球蛋白Ⅴ的運(yùn)動(dòng)蘊(yùn)含著深刻的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，因此建立力學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，是研究其運(yùn)動(dòng)特性的有效方法?；谝韵聦?shí)驗(yàn)結(jié)果:ATP濃度越高，肌球蛋白持續(xù)運(yùn)動(dòng)的駐留時(shí)間越短，平均速度越大;ADP的釋放限制肌球蛋白力學(xué)化學(xué)循環(huán)速率，本文將ADP的釋放及其逆過程和ATP與肌球蛋白Ⅴ的結(jié)合這兩個(gè)因素，作為決定肌球蛋白Ⅴ運(yùn)動(dòng)特性的主要矛盾，對(duì)傳統(tǒng)的多態(tài)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立了一種三

3、態(tài)力學(xué)化學(xué)耦合模型。相對(duì)于傳統(tǒng)的力學(xué)化學(xué)耦合模型，本模型在以下三個(gè)方面做了簡(jiǎn)化:(1)從統(tǒng)計(jì)意義上，認(rèn)為肌球蛋白兩個(gè)頭部的力學(xué)和化學(xué)循環(huán)相對(duì)獨(dú)立，從而在計(jì)算中只需考慮單頭的循環(huán)過程;(2)將肌球蛋白Ⅴ的化學(xué)循環(huán)過程，簡(jiǎn)化為肌球蛋白Ⅴ結(jié)合ATP、結(jié)合ADP和釋放ADP幾個(gè)步驟，忽略了Pi的釋放等細(xì)節(jié)。(3)在力學(xué)和化學(xué)耦合機(jī)制方而，不考慮肌球蛋白運(yùn)動(dòng)過程中復(fù)雜的構(gòu)象變化及構(gòu)象變化對(duì)雙頭化學(xué)反應(yīng)速率的影響，僅考慮負(fù)載對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。相

4、比之下，傳統(tǒng)的多態(tài)模型考慮了較多的狀態(tài)轉(zhuǎn)化及力學(xué)化學(xué)耦合過程，雖然能夠計(jì)算出更為精確的結(jié)果，但難以給出分子馬達(dá)持續(xù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的解析解。與最簡(jiǎn)單的二態(tài)模型相比，本文的三態(tài)模型能夠?qū)TP水解循環(huán)中ATP與ADP所起的作用區(qū)分開，從而能體現(xiàn)ATP與ADP對(duì)分子馬達(dá)持續(xù)運(yùn)動(dòng)特性的影響，彌補(bǔ)二態(tài)模型的不足。
　　依據(jù)簡(jiǎn)化的三態(tài)力學(xué)化學(xué)模型，采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法，本文定量研究了肌球蛋白Ⅴ的持續(xù)運(yùn)動(dòng)特性，重點(diǎn)考察ATP與ADP的濃度以及負(fù)載對(duì)駐留

5、時(shí)間、平均速度以及運(yùn)行長(zhǎng)度的影響，得到以下結(jié)果:(1)得出了駐留時(shí)間分布的雙指數(shù)解析解和平均速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，明確了它們與ATP濃度、ADP濃度以及負(fù)載的定量關(guān)系;(2)通過肌球蛋白Ⅴ雙頭駐留時(shí)間的聯(lián)合概率分布，得出了運(yùn)行長(zhǎng)度分布的解析解。理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，證明本文提出的簡(jiǎn)化模型合理可行，為研究肌球蛋白Ⅴ提供了新的理論工具。
　　本文的研究還發(fā)現(xiàn)，ATP和ADP的濃度比對(duì)于駐留時(shí)間、平均速度的值具有決定性的作用，A