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分子馬達定向輸運實驗研究
分子馬達的研究是當今生命科學(xué)研究的熱點問題之一，也是生物物理學(xué)學(xué)科中的一個重要研究方向，以下是小編搜集整理的一篇探究分子馬達定向輸運實驗，供大家閱讀參考。
引言
分子馬達是一類指廣泛存在于細胞內(nèi)部的能夠?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化成為機械能的酶蛋白分子。 人們用肉眼看不到它，也聽不到它發(fā)出的聲音。生命體的一切生命活動，追蹤到分子水平，都是來源于具有馬達功能的蛋白質(zhì)大分子做工推動的結(jié)果。這類蛋白質(zhì)及具有酶的活性又具有運動的活性，其特點是催化 ATP(三磷酸腺苷)水解為 ADP(二磷酸腺苷)和 Pi(無機磷)，并將儲存在 ATP 分子中的化學(xué)能高效率的轉(zhuǎn)化為機械能實現(xiàn)自身的定向運動，從而參加細胞的生命活動，如細胞分裂，中心法則的執(zhí)行，ATP 合成，肌肉收縮等。
目前，已發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)的分子馬達有上百種，根據(jù)它們的作用方式不同，分子馬達可分為兩類：一類是線性分子馬達，一類是旋轉(zhuǎn)分子馬達。 線性分子馬達又可分為持續(xù)類和非持續(xù)類。 分子馬達在運動中產(chǎn)生的物理量是納米尺度，因此統(tǒng)稱為納米機器。
1分子馬達定向輸運實驗簡介
1.1 肌球蛋白馬達和驅(qū)動蛋白馬達
首先進入單分子操縱領(lǐng)域的分子馬達是負責(zé)肌肉收縮的肌球蛋白馬達和負責(zé)囊泡輸運的驅(qū)動蛋白馬達，這些馬達利用 ATP 水解能沿各自的軌道運動。肌球蛋白馬達是分子馬達蛋白中的一個超大家族，到目前為止，其成員已達 145 個，它是一種基于肌動蛋白的機械酶，通過水解 ATP 來產(chǎn)生力，從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成沿肌動蛋白細絲作定向運動的機械能，正是這種線性定向運動實現(xiàn)了細胞多彩多態(tài)的功能。
肌球蛋白馬達與驅(qū)動蛋白馬達的結(jié)構(gòu)相似， 前者是非持續(xù)的，每次“束縛”到細絲上只經(jīng)歷一個 ATP 催化循環(huán)，隨即便“自由”到溶液中進行擴散運動其行為類似真核細胞的胞質(zhì)中找到。肌肉是由很大的肌纖維束組成，每一肌纖維又是由一束肌原纖維組成。 肌肉收縮是由肌動蛋白絲與肌球蛋白絲的相對滑動所致。 實驗表明，肌球蛋白絲和肌動蛋白絲之間有橫橋連接，雖然在此過程中橫橋曲線發(fā)生了某些變化，但是橫橋與肌動蛋白絲接觸段滑動的距離似乎從未超過 10nm,因此，為了產(chǎn)生如此大的整體滑動，橫橋可能在肌動蛋白絲之間來回往復(fù)的運動。
肌肉絲是由肌動蛋白、原肌球蛋白和肌干蛋白組成研究表明，ATP 水解是肌球蛋白和肌動蛋白相互作用的直接結(jié)果。 這一生物化學(xué)過程可表示如下：
(逆過程可忽略)驅(qū)動蛋白馬達的持續(xù)性是指馬達能沿微管連續(xù)行走數(shù)百步而不會掉下來， 這一特性對于囊胞和細胞器的長距離輸運顯得尤為重要。在一個傳統(tǒng)的滑行實驗中，Howard 及其同事首先發(fā)現(xiàn)微管能在單個驅(qū)動馬達上運動; 其后，Block 及其同事觀察到了驅(qū)動馬達能在微管上連續(xù)行走;Hackney 在一個運動性實驗中證明了驅(qū)動馬達每次遇到微管能連續(xù)水解數(shù)百個 ATP. 驅(qū)動蛋白的力學(xué)化學(xué)過程和肌球蛋白的力學(xué)化學(xué)過程有些不同。 通過測量一個 ATP 水解周期的各級化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù) k,驅(qū)動蛋白的力學(xué)化學(xué)過程為
生物學(xué)上，利用分子遺傳學(xué)方法產(chǎn)生各種變異的驅(qū)動蛋白，也是在驅(qū)動蛋白重鏈不同的氨基酸某處截斷。
1.2 旋轉(zhuǎn)分子馬達
旋轉(zhuǎn)式分子馬達工作時， 類似于定子和轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)運動，比較典型的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機有 F1-ATP 酶。 ATP 酶是一種生物體中普遍存在的酶。 它由兩部分組成，一部分結(jié)合在線粒體膜上，稱為 F0;另一部分在膜外，稱為 F1. F0-ATP 酶的 a、b 和 c 亞基構(gòu)成質(zhì)子流經(jīng)膜的通道。 當質(zhì)子流經(jīng) F0 時產(chǎn)生力矩，從而推動了 F1-ATP 酶的 g 亞基的旋轉(zhuǎn)。 g 亞基的順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)分別與 ATP 的合成和水解相關(guān)聯(lián)。
F1-ATP 酶直徑小于 12nm,能產(chǎn)生大于 100pN 的 力 ,無載荷時轉(zhuǎn)速可達 17 轉(zhuǎn)/秒。 F1-ATP 酶與納米機電系統(tǒng)的組合已成為新型納米機械裝置。
旋轉(zhuǎn)分子馬達與量子點技術(shù)結(jié)合有望出新成果， 近些年非典、禽流感的頻繁暴發(fā)，使得重要傳染病的快速檢測技術(shù)成為各個國家和科學(xué)界共同面對的重要挑戰(zhàn)，發(fā)展對禽流感的快速檢測技術(shù)成為十分緊迫的任務(wù)。 首先要求技術(shù)能夠?qū)η萘鞲胁《具M行快速方便的監(jiān)控;其次，應(yīng)具有對“新型病毒”快速初篩應(yīng)答的能力。 而目前傳統(tǒng)測定技術(shù)難以同時滿足上面的需求。
我國的分子馬達研究起步于 2001 年， 是當時國家基金委審批的第一個重大交叉項目，現(xiàn)在，我們可以自豪地說，中國已經(jīng)有了旋轉(zhuǎn)分子馬達研究技術(shù)，有了這方面的自主知識產(chǎn)權(quán)。
2總結(jié)與展望
分子馬達的研究是當今生命科學(xué)研究的熱點問題之一，也是生物物理學(xué)學(xué)科中的一個重要研究方向。 分子馬達沿微管的運動過程當中，通過其結(jié)合，水解 ATP 分子，并釋放水解產(chǎn)物(ADP 和 Pi)，馬達蛋白的構(gòu)想不斷發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了馬達的定向運動，這是個力學(xué)，電學(xué)和化學(xué)相互耦合的過程。
實驗上，多個蛋白馬達可組合成一個納米機器。 最新的科學(xué)研究表明，科學(xué)家們已經(jīng)已經(jīng)做成了由 350 個原子組成的螺旋槳、2.5 納米大小的升降機、3 納米的剪刀，這些都可以算是納米機器人的雛形。 當然，人類最終的夢想是讓這個機器人跟宏觀世界的機器人一樣，完成任何復(fù)雜的操作。在醫(yī)療上，我們向人體內(nèi)注射這種納米機器，進而修復(fù)人體細胞，輸運藥物，更換基因來進行治療基因引起的無法治愈的遺傳病。 在未來的某一天，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會完成我們現(xiàn)在無法想象的奇跡。
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