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分子馬達(dá)定向輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究
分子馬達(dá)的研究是當(dāng)今生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，也是生物物理學(xué)學(xué)科中的一個(gè)重要研究方向，以下是小編搜集整理的一篇探究分子馬達(dá)定向輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)，供大家閱讀參考。
引言
分子馬達(dá)是一類指廣泛存在于細(xì)胞內(nèi)部的能夠?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能的酶蛋白分子。 人們用肉眼看不到它，也聽(tīng)不到它發(fā)出的聲音。生命體的一切生命活動(dòng)，追蹤到分子水平，都是來(lái)源于具有馬達(dá)功能的蛋白質(zhì)大分子做工推動(dòng)的結(jié)果。這類蛋白質(zhì)及具有酶的活性又具有運(yùn)動(dòng)的活性，其特點(diǎn)是催化 ATP(三磷酸腺苷)水解為 ADP(二磷酸腺苷)和 Pi(無(wú)機(jī)磷)，并將儲(chǔ)存在 ATP 分子中的化學(xué)能高效率的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)自身的定向運(yùn)動(dòng)，從而參加細(xì)胞的生命活動(dòng)，如細(xì)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(dá)有上百種，根據(jù)它們的作用方式不同，分子馬達(dá)可分為兩類：一類是線性分子馬達(dá)，一類是旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)。 線性分子馬達(dá)又可分為持續(xù)類和非持續(xù)類。 分子馬達(dá)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的物理量是納米尺度，因此統(tǒng)稱為納米機(jī)器。
1分子馬達(dá)定向輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介
1.1 肌球蛋白馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)
首先進(jìn)入單分子操縱領(lǐng)域的分子馬達(dá)是負(fù)責(zé)肌肉收縮的肌球蛋白馬達(dá)和負(fù)責(zé)囊泡輸運(yùn)的驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)，這些馬達(dá)利用 ATP 水解能沿各自的軌道運(yùn)動(dòng)。肌球蛋白馬達(dá)是分子馬達(dá)蛋白中的一個(gè)超大家族，到目前為止，其成員已達(dá) 145 個(gè)，它是一種基于肌動(dòng)蛋白的機(jī)械酶，通過(guò)水解 ATP 來(lái)產(chǎn)生力，從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成沿肌動(dòng)蛋白細(xì)絲作定向運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，正是這種線性定向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞多彩多態(tài)的功能。
肌球蛋白馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)的結(jié)構(gòu)相似， 前者是非持續(xù)的，每次“束縛”到細(xì)絲上只經(jīng)歷一個(gè) ATP 催化循環(huán)，隨即便“自由”到溶液中進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)其行為類似真核細(xì)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(dòng)蛋白絲與肌球蛋白絲的相對(duì)滑動(dòng)所致。 實(shí)驗(yàn)表明，肌球蛋白絲和肌動(dòng)蛋白絲之間有橫橋連接，雖然在此過(guò)程中橫橋曲線發(fā)生了某些變化，但是橫橋與肌動(dòng)蛋白絲接觸段滑動(dòng)的距離似乎從未超過(guò) 10nm,因此，為了產(chǎn)生如此大的整體滑動(dòng)，橫橋可能在肌動(dòng)蛋白絲之間來(lái)回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。
肌肉絲是由肌動(dòng)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(dòng)蛋白相互作用的直接結(jié)果。 這一生物化學(xué)過(guò)程可表示如下：
(逆過(guò)程可忽略)驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)的持續(xù)性是指馬達(dá)能沿微管連續(xù)行走數(shù)百步而不會(huì)掉下來(lái)， 這一特性對(duì)于囊胞和細(xì)胞器的長(zhǎng)距離輸運(yùn)顯得尤為重要。在一個(gè)傳統(tǒng)的滑行實(shí)驗(yàn)中，Howard 及其同事首先發(fā)現(xiàn)微管能在單個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上運(yùn)動(dòng); 其后，Block 及其同事觀察到了驅(qū)動(dòng)馬達(dá)能在微管上連續(xù)行走;Hackney 在一個(gè)運(yùn)動(dòng)性實(shí)驗(yàn)中證明了驅(qū)動(dòng)馬達(dá)每次遇到微管能連續(xù)水解數(shù)百個(gè) ATP. 驅(qū)動(dòng)蛋白的力學(xué)化學(xué)過(guò)程和肌球蛋白的力學(xué)化學(xué)過(guò)程有些不同。 通過(guò)測(cè)量一個(gè) ATP 水解周期的各級(jí)化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù) k,驅(qū)動(dòng)蛋白的力學(xué)化學(xué)過(guò)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(dòng)蛋白，也是在驅(qū)動(dòng)蛋白重鏈不同的氨基酸某處截?cái)唷?/p>
1.2 旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)
旋轉(zhuǎn)式分子馬達(dá)工作時(shí)， 類似于定子和轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，比較典型的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)質(zhì)子流經(jīng) F0 時(shí)產(chǎn)生力矩，從而推動(dòng)了 F1-ATP 酶的 g 亞基的旋轉(zhuǎn)。 g 亞基的順時(shí)針與逆時(shí)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(wú)載荷時(shí)轉(zhuǎn)速可達(dá) 17 轉(zhuǎn)/秒。 F1-ATP 酶與納米機(jī)電系統(tǒng)的組合已成為新型納米機(jī)械裝置。
旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)與量子點(diǎn)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(cè)技術(shù)成為各個(gè)國(guó)家和科學(xué)界共同面對(duì)的重要挑戰(zhàn)，發(fā)展對(duì)禽流感的快速檢測(cè)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(jìn)行快速方便的監(jiān)控;其次，應(yīng)具有對(duì)“新型病毒”快速初篩應(yīng)答的能力。 而目前傳統(tǒng)測(cè)定技術(shù)難以同時(shí)滿足上面的需求。
我國(guó)的分子馬達(dá)研究起步于 2001 年， 是當(dāng)時(shí)國(guó)家基金委審批的第一個(gè)重大交叉項(xiàng)目，現(xiàn)在，我們可以自豪地說(shuō)，中國(guó)已經(jīng)有了旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)研究技術(shù)，有了這方面的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
2總結(jié)與展望
分子馬達(dá)的研究是當(dāng)今生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，也是生物物理學(xué)學(xué)科中的一個(gè)重要研究方向。 分子馬達(dá)沿微管的運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)其結(jié)合，水解 ATP 分子，并釋放水解產(chǎn)物(ADP 和 Pi)，馬達(dá)蛋白的構(gòu)想不斷發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)的定向運(yùn)動(dòng)，這是個(gè)力學(xué)，電學(xué)和化學(xué)相互耦合的過(guò)程。
實(shí)驗(yàn)上，多個(gè)蛋白馬達(dá)可組合成一個(gè)納米機(jī)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(gè)原子組成的螺旋槳、2.5 納米大小的升降機(jī)、3 納米的剪刀，這些都可以算是納米機(jī)器人的雛形。 當(dāng)然，人類最終的夢(mèng)想是讓這個(gè)機(jī)器人跟宏觀世界的機(jī)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(jī)器，進(jìn)而修復(fù)人體細(xì)胞，輸運(yùn)藥物，更換基因來(lái)進(jìn)行治療基因引起的無(wú)法治愈的遺傳病。 在未來(lái)的某一天，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會(huì)完成我們現(xiàn)在無(wú)法想象的奇跡。
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