第九章-分子馬達教案

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)1生物物理學(xué)河北工業(yè)大學(xué)生物物理所河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)29.1

分子馬達概述9.2分子馬達運動的軌道-細胞骨架9.3形形色色的分子馬達9.4朗之萬輸運理論和主方程方法第9章

分子馬達河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)39.1

分子馬達概述細胞中的分子馬達分子馬達的能量來源研究分子馬達的意義河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)4細胞中的分子馬達馬達：將其他形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。動畫motor-movie特性：既具有酶的活性又具有運動活性的蛋白質(zhì)。分子馬達：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的蛋白質(zhì)大分子。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)5

功能：像宏觀機器一樣，這些生物大分子通過進化而發(fā)展到能執(zhí)行多種特殊的功能，如肌肉的收縮，細胞內(nèi)部的運輸，遺傳物質(zhì)(DNA)的復(fù)制，染色體和紡錘體的運動，鞭毛和纖毛的運動，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等。細胞中的分子馬達河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)6

“分子馬達或馬達蛋白”可催化ATP（三磷酸腺苷）水解為ADP（二磷酸腺苷）和Pi（無機磷），同時在分子尺度上高效地將儲存在ATP分子中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，并產(chǎn)生協(xié)調(diào)地定向運動。且它的效率極高，有的幾乎是100%。分子馬達的能量來源河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)7ATP

ADP+Pi+能量ATP（水解）酶

—為各項生命活動提供能量

+能量

+PiADP酶2酶1ATP分子馬達的能量來源河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)8光合作用呼吸作用各生命活動ATPADPPi能量能量Pi合成酶水解酶ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化示意圖ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)9用于生物發(fā)電發(fā)光用于大腦思考用于恒定體溫ATP的利用（ATP的生理功能）ATPATPATP河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)10用于主動運輸，細胞的生長分裂等用于各種運動，如肌細胞收縮ATPATP的利用（ATP的生理功能）河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)

一.

澄清分子馬達的動力學(xué)機制，解釋與此有關(guān)的生命現(xiàn)象本質(zhì),研究分子馬達的控制機理對于發(fā)現(xiàn)在眾多疾病狀態(tài)中基本細胞的出錯過程有著重要的意義

(癌癥、先天性生理缺陷、耳聾、呼吸系統(tǒng)紊亂以及神經(jīng)衰弱)

例如：紫杉醇就是由于對微管蛋白分子馬達的運動有干擾,而成為抗癌藥物的明星。

研究分子馬達的意義？河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)

二.啟發(fā)人們研制體積小、信息容量大、反應(yīng)速度快的分子器件.例如美國康乃爾大學(xué)的科學(xué)家人工合成旋轉(zhuǎn)分子馬達，該分子馬達被浸泡至ATP溶液中后,利用生物分子細胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng),以ATP作為能源,每秒轉(zhuǎn)速可達8圈,并可連續(xù)轉(zhuǎn)動2.5小時.

三.馬達本身特點.高效率，特殊的控制方式研究分子馬達的意義？河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)13

最近在人工制造分子馬達方面取得新突破，以色列和美國科學(xué)家研制成能夠停止或暫停的分子馬達，被評為2004年世界十大科技進展之一。

研究分子馬達的意義？河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)14本節(jié)結(jié)束！河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)159.2

分子馬達的運動軌道

真核細胞內(nèi)部的一些蛋白纖維絲在三維立體空間構(gòu)成了復(fù)雜的彈性網(wǎng)架，保持著細胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性，這些網(wǎng)架被稱為細胞骨架。

細胞骨架對于維持細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性，以及在細胞運動、物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞和細胞分化等一系列方面起重要作用。

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)16細胞骨架概述微絲微管9.2

分子馬達的運動軌道河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)17

微管（microtuble）（馬達蛋白為kinesin，dynein）

細胞質(zhì)骨架

(cytoskeleton）微絲（Microfilament）（馬達蛋白為myosin）細胞骨架

中間纖維（intermediatefilament）

核骨架（karyskeletonornuclearmatrix）細胞骨架

微管主要分布在核周圍,并呈放射狀向胞質(zhì)四周擴散。肌動蛋白纖維主要分布在細胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)。而中間纖維則分布在整個細胞中。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)18細胞骨架由三種粗細不同的纖維所構(gòu)成：

＊微管:最粗＊微絲:最細＊中間纖維細胞骨架分類河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)194、使細胞器和囊袋可以在細胞質(zhì)中移動。3、參與細胞的運動。2、使細胞形狀改變。1、維持細胞形狀。細胞骨架的功能河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)209.2.1微絲

微絲（microfilament,MF），又稱肌動蛋白纖維（actinfilament）(如圖)，是由兩條線性排列的肌動蛋白鏈形成的螺旋，形狀如雙線捻成的繩子，周期長度為36-38nm

。微絲纖維的負染電鏡照片微絲纖維結(jié)構(gòu)模型河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)21直徑：7nm存在：整個細胞內(nèi)都有微細絲。組成：微細絲由G細絲蛋白組成。另有別的蛋白質(zhì)與其交錯結(jié)合，形成束狀或網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，對細胞而言是一種機械性支架。1、微絲的組成河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)22微細絲為彈性纖維，不斷地在發(fā)生組合與分解，呈動態(tài)平衡，好比仙女的收縮棒可以快速增長或縮短。2、微絲的裝配（動態(tài)調(diào)節(jié)）河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)23

實際上，在大多數(shù)非肌肉細胞中，微絲是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，持續(xù)進行組裝和解聚，并與細胞形態(tài)維持及細胞運動有關(guān)。細胞內(nèi)許多微絲結(jié)合蛋白參與調(diào)節(jié)肌動蛋白的組裝。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)24（1）構(gòu)成細胞骨架，維持細胞形態(tài)（2）參與肌肉收縮（3）參與細胞分裂（4）參與細胞運動

(5)參與細胞內(nèi)運輸

(6)參與細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)3、微絲的功能河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)25（1）構(gòu)成細胞骨架，維持細胞形態(tài)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)26微細絲可組成肌肉細胞的細肌絲，它與別的蛋白質(zhì)作用產(chǎn)生力量，造成肌肉收縮

。（2）肌肉收縮河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)27參與肌肉收縮河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)28患者萎縮蛋白基因異常，肌肉細胞不能在細胞膜下方形成皮質(zhì)細絲網(wǎng)，即缺乏皮質(zhì)細胞骨架，當(dāng)肌肉細胞收縮或被壓擠時，很容易被破壞，肌肉細胞漸漸死亡，而造成肌肉萎縮。

肌肉萎縮癥產(chǎn)生的原因?河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)29動物細胞分裂末期時，細胞質(zhì)要分裂為二，細胞質(zhì)內(nèi)凹形成收縮環(huán)，收縮環(huán)內(nèi)內(nèi)有微細絲形成，協(xié)助細胞質(zhì)分裂為二。（3）微絲參與細胞分裂河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)30隨著細絲的組合與分解提供細胞移動及改變形狀的力量。（4）微絲參與細胞運動河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)31（5）參與包內(nèi)物質(zhì)運輸河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)329.2.2微管

微管在胞質(zhì)中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為運輸路軌并起支撐作用。微管是由微管蛋白組成的管狀結(jié)構(gòu)。微管主要分布在核周圍,并呈放射狀向胞質(zhì)四周擴散。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)33（1）組成（2）形態(tài)（3）裝配與去裝配（4）微管的功能9.2.2微管河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)34（1）微管組成

微管蛋白

tubulin

組成，它以二聚體存在，進化上高度保守。分為-微管蛋白和-微管蛋白河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)35微管組成總結(jié)直徑：25nm存在：整個細胞都有微小管，包含核。組成：由α,β兩種微管蛋白(tubulin)

組合成。另有五十種以上的蛋白質(zhì)會與微管蛋白結(jié)合，影響微管的穩(wěn)定性。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)36

微管是由微管蛋白（tubulin）單體聚合成的長管狀結(jié)構(gòu)，平均外徑為26nm。微管蛋白單體是由一個α微管蛋白和一個β微管蛋白組成的二聚體，長度為8nm。微管蛋白二聚體再按順序排列構(gòu)成一根原纖維，13根原纖維（Protofilament）構(gòu)成管狀的微管，如圖所示。（2）微管形態(tài)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)37寬至13根原纖維河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)38微管可裝配成單管，二聯(lián)管（纖毛和鞭毛中如圖），三聯(lián)管（中心粒和基體中）。鞭毛、纖毛均由成束的微管組成，以9+2的排列方式，中間兩個單體，外圍

9個雙體。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)39微管是細胞骨架的重要組成，細胞內(nèi)的微管上有Tau蛋白結(jié)合，使微管維持一定的結(jié)構(gòu)。當(dāng)Tau蛋白因磷酸化，而使折疊方式改變，就不能與微管結(jié)合。腦細胞會出現(xiàn)很多纖維糾纏在一起，使腦細胞死亡，而造成老人癡呆癥。老人癡呆癥與細胞骨架的結(jié)構(gòu)有關(guān)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)40微管的極性及動態(tài)調(diào)節(jié)由于微管單體本身都具有極性，導(dǎo)致了在其兩端顯示正極和負極。（+）極(plusend)生長速度快，（-）極(minusend)生長速度慢，也就是說微管蛋白在（+）極的添加速度高于-極。（+）極的最外端是β球蛋白，（-）極的最外端是α球蛋白。微管和微絲一樣具有踏車行為。

（3）裝配與去裝配河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)41微管相應(yīng)調(diào)節(jié)

秋水仙素和長春新堿等可使解聚，紫杉酚可使其組裝，并穩(wěn)定之.河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)42為何秋水仙素可用來誘導(dǎo)多倍體植物的機制?秋水仙素會與微管蛋白結(jié)合，抑制紡錘體(由微管組成)的形成，細胞分裂時，染色體不能排列在赤道板上，平均分開，可能全部往同一極跑，造成多倍體的形成。秋水仙素會抑制微管組合河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)43（4）微管的功能1、維持細胞形態(tài)

2、構(gòu)成纖毛、鞭毛和中心粒等細胞運動器官

3、維持細胞器的位置，參與細胞器的位移參與胞內(nèi)物質(zhì)運輸

4、形成紡錘體，調(diào)節(jié)細胞分裂

5、參與細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)44（i）維持細胞形態(tài)，起支架作用

細胞中的微管就像混凝土中的鋼筋一樣，起支撐作用，在培養(yǎng)的細胞中，微管呈放射狀排列在核外，（+）端指向質(zhì)膜（圖），形成平貼在培養(yǎng)皿上的形狀。在神經(jīng)細胞的軸突和樹突中，微管束沿長軸排列，起支撐作用，在胚胎發(fā)育階段為管幫助軸突生長，突入周圍組織，在成熟的軸突中，微管是物質(zhì)運輸?shù)穆奋?。以細胞核為中心向外放射狀排列的微管纖維（紅色）圖片來自河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)45鞭毛的結(jié)構(gòu)鞭毛軸絲結(jié)構(gòu)（ii）纖毛與鞭毛的運動

纖毛與鞭毛是相似的兩種細胞外長物，前者較短，約5-10um；后者較長，約150um，兩者直徑相似，均為0.15-0.3um。

纖毛和鞭毛的運動是依靠動力蛋白（dynein）水解ATP，使相鄰的二聯(lián)微管相互滑動。

有一種男性不育癥是由于精子沒有活力造成的。這種病人同時還患有慢性支氣管炎，主要是因為是鞭毛和纖毛沒有動力蛋白臂，不能排出侵入肺部的粒子。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)46鞭毛、纖毛均由成束的微管組成，以9+2的排列方式，中間兩個單體，外圍

9個雙體。鞭毛橫切纖毛、鞭毛由微管組成河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)47LM600ColorizedSEM4,100

Ciliaoncellsliningtherespiratorytract

呼吸道細胞的纖毛a

flagellumonaspermcell

精子及其鞭毛河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)48（iii）細胞內(nèi)運輸微管起細胞內(nèi)物質(zhì)運輸?shù)穆奋壸饔?，破壞微管會抑制細胞?nèi)的物質(zhì)運輸。與微管結(jié)合而起運輸作用的馬達蛋白有兩大類：驅(qū)動蛋白kinesin，動力蛋白dynein，兩者均需ATP提供能量。

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)49細胞內(nèi)運輸河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)50細胞里的囊泡會在微管的軌道上運送：細胞內(nèi)具有

送貨蛋白(motorprotein)，他的一端會與囊泡結(jié)合，另一端可以在微管的軌道上行走，有如小貨車。微管參與細胞內(nèi)物質(zhì)的運送河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)51神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)在細胞本體制造，裝在囊泡中，沿著微管的軌道被送到神經(jīng)末稍分泌出去。神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)的分泌需要靠微管河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)52變色龍變色過程，色素粒原集中在細胞中心體附近，當(dāng)有刺激傳來時，色素粒沿著微管的軌道，被運送到細胞表面，造成變色。

變色龍的變色與微管有關(guān)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)53（iv）調(diào)節(jié)細胞分裂，形成紡錘體微管對細胞分裂很重要：

平時微管充滿在細胞質(zhì)內(nèi)呈網(wǎng)狀，當(dāng)細胞分裂時，微管網(wǎng)消失，形成紡錘體

(spindle)，紡錘體協(xié)助細胞將染色體分配到子細胞。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)54

后期可以分為兩個方面（圖）：①后期A，指染色體向兩極移動的過程。這是因為染色體著絲點微管在著絲點處去組裝而縮短，在分子馬達的作用下染色體向兩極移動圖后其A染色體分離，后期B兩極延伸②后期B，指兩極間距離拉大的過程。這是因為一方面極體微管延長，結(jié)合在極體微管重疊部分的馬達蛋白提供動力，推動兩極分離，另一方面星體微管去組裝而縮短，結(jié)合在星體微管正極的馬達蛋白牽引兩極距離加大?？梢娙旧w的分離是在微管與分子馬達的共同作用下實現(xiàn)的河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)55圖馬達蛋白和微管系統(tǒng)共同協(xié)作，使染色體分離河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)56本節(jié)結(jié)束！謝謝大家！河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)579.3形形色色的分子馬達9.3.1分子馬達的種類9.3.2驅(qū)動蛋白和動力蛋白家族9.3.3肌球蛋白家族9.3.4旋轉(zhuǎn)分子馬達河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)589.3.1分子馬達的種類及其生物學(xué)模型

驅(qū)動蛋白（kinesin）線性馬達動力蛋白（dynein）肌球蛋白（myosin）

F-ATP合酶旋轉(zhuǎn)馬達細菌的鞭毛馬達

DNA或RNA馬達河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)59馬達結(jié)構(gòu)示意圖河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)60

線性推進式分子馬達是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為機械能，從而使得馬達分子自身能夠沿著一條線性軌道作定向移動。旋轉(zhuǎn)馬達參與氧化磷酸化過程，在跨膜質(zhì)子勢的推動下催化合成ATP；也可以利用水解ATP的自由能而充當(dāng)質(zhì)子泵，把質(zhì)子從線粒體基質(zhì)中輸送到內(nèi)膜外側(cè)，從而保持跨膜的質(zhì)子濃度梯度。這種酶的大小只有十幾個納米，但其能量轉(zhuǎn)化效率卻高得驚人，幾乎100%！河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)61線性推進馬達如何沿著軌道移動

一種觀點認為分子馬達像蠕蟲一樣沿著軌道平緩蠕動（Inchworm）。另一種觀點認為分子馬達像人一樣沿著軌道大步行走(hand-over-hand)。許多實驗結(jié)果表明，驅(qū)動蛋白、動力蛋白和肌球蛋白V運動機制為步行（"hand-over-hand"）模型。驅(qū)動蛋白和動力蛋白運動的步幅是8nm，肌球蛋白V的步幅為36nm。

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)62Hand-Over-Hand與Inchworm驅(qū)動蛋白Kinesins沿其微管梯跳運動的實驗曲線2004年1月，加州大學(xué)R.D.Vale領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過采用熒光標(biāo)記的方法，利用單納米精確熒光成像技術(shù)FIONA（FluorescenceImagingOne-NanometerAccuracy），可以追蹤單個熒光染料分子的位置，測得的單分子馬達每步為17.33.3nm，這表明馬達是以Hand-Over-Hand模型的方式運動的。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)639.3.2驅(qū)動蛋白和動力蛋白家族驅(qū)動蛋白動力蛋白河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)641、驅(qū)動蛋白（kinesin）

Kinesin發(fā)現(xiàn)于1985年，主要存在于真核細胞內(nèi)，以微管蛋白為軌道，沿微管（microtubule）的負極向正極運動，并由此完成各種細胞內(nèi)外傳質(zhì)功能。驅(qū)動蛋白Kinesin河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)65

它是由兩條輕鏈和兩條重鏈構(gòu)成的四聚體，外觀具有兩個球形的頭（具有ATP酶活性）、一個螺旋狀的桿和兩個扇子狀的尾。通過結(jié)合和水解ATP，導(dǎo)致頸部發(fā)生構(gòu)象改變，使兩個頭部交替與微管結(jié)合，從而沿微管“行走”，將“尾部”結(jié)合的“貨物”（運輸泡或細胞器）轉(zhuǎn)運到其它地方。

大多數(shù)Kinesin能向著微管（+）極運輸小泡，也有些如Ncd蛋白（一種著絲點相關(guān)的蛋白）趨向微管的（-）極。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)66

華盛頓大學(xué)生物化學(xué)系的約納頓·霍華德正在研究牛腦細胞中驅(qū)動蛋白的分子機理。他還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動蛋白行走時，每個分子能產(chǎn)生6×10-9牛頓的力。在納米層次上，這個力很大，足以把一根結(jié)實的微管折成兩段。

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)67Kinesin的作用將細胞器和各種細胞內(nèi)物質(zhì)沿著微管從合成部位快速有效的運送到功能部位，完成各種細胞內(nèi)外傳質(zhì)功能，如運送細胞器和物質(zhì)小泡。（拖運如溶酶體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)質(zhì)之類物質(zhì)從細胞核移向細胞膜，驅(qū)動蛋白與運載物結(jié)合后沿著神經(jīng)軸突向下移動。）參與細胞的有絲分裂，在有絲分裂的過程中，驅(qū)動蛋白使中心粒分開，導(dǎo)致紡錘體極性的形成。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)68

Dynein發(fā)現(xiàn)于1963年，因與鞭毛和纖毛的運動有關(guān)而得名。它主要存在于真核細胞內(nèi)以及鞭毛和纖毛中。它們沿微管負向運動運送物質(zhì)，并在鞭毛和纖毛的運動中起重要作用。

動力蛋白（Dynein）2、動力蛋白（dynein）河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)69

dynein分子量巨大（接近1.5Md），由兩條相同的重鏈和一些種類繁多的輕鏈以及結(jié)合蛋白構(gòu)成（鞭毛二聯(lián)微管外臂的動力蛋白具有三個重鏈）。其作用主要有以下幾個方面：在細胞分裂中推動染色體的分離、驅(qū)動鞭毛的運動、向著微管（-）極運輸小泡。

在細胞分裂中，紡錘體的分離就是在類kinesin馬達和dynein的共同作用下完成的。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)70Dynein的作用驅(qū)動鞭毛和纖毛的運動；在細胞分裂中，紡錘體的分離就是在類kinesin馬達和dynein的共同作用下完成的。沿微管負向運動運送物質(zhì)；（將細胞膜的物質(zhì)移向細胞核）河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)71

科學(xué)家們認為，動力蛋白變異可引起神經(jīng)元大量死亡，神經(jīng)元內(nèi)的物質(zhì)輸送由此受到阻礙，最終導(dǎo)致了運動神經(jīng)元的變性。動力蛋白缺陷會導(dǎo)致腎病

根據(jù)德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的一項新研究，負責(zé)組裝細胞纖毛－－細胞伸出的發(fā)絲狀結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)—動力蛋白缺陷，可能會引起多囊腎。多囊腎是腎衰竭最常見的遺傳起因。

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)72a動力蛋白的結(jié)構(gòu)示意圖；bc均為沿微管正極和負極輸運貨物的驅(qū)動蛋白和動力蛋白河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)73河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)74

驅(qū)動蛋白和動力蛋白把貨物從細胞的一個位置運送到細胞的另一個位置：驅(qū)動蛋白將細胞核的物質(zhì)移向細胞膜，動力蛋白將細胞膜的物質(zhì)移向細胞核。研究人員發(fā)現(xiàn)驅(qū)動蛋白和動力蛋白并不發(fā)生競爭，雖然它們想要將貨物向相反的方向運送。他們還發(fā)現(xiàn)多數(shù)馬達能同時工作，并且產(chǎn)生十倍于個體馬達的速率。這些發(fā)現(xiàn)公布在2005年4月7日的《科學(xué)》雜志上。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)759.3.3肌球蛋白家族

肌球蛋白（myosin），對它的研究可以追溯到1864年，它是人們最早研究的馬達之一，主要存在于肌肉纖維和真核細胞內(nèi)。

它屬于馬達蛋白，可利用ATP產(chǎn)生機械能，趨向微絲的（+）極運動，最早發(fā)現(xiàn)于肌肉組織(myosinII)，1970s后逐漸發(fā)現(xiàn)許多非肌細胞的myosin，目前已知的有15種類型（myosinI-XV）。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)76

肌球蛋白以肌動蛋白絲作為運行的軌道。所有的肌球蛋白都是由一個重鏈和幾個輕鏈組成，并組成三個結(jié)構(gòu)和功能不同的結(jié)構(gòu)域：頭部、頸部和尾部。實驗的觀測技術(shù)方面，目前也達到了空間1納米分辨率和時間500毫秒分辨率的程度，并且能夠連續(xù)“偷窺”一個分子馬達的步行長達100秒以上的時間。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)77肌球蛋白II肌球蛋白V肌球蛋白VI肌球蛋白家族河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)78myosinII結(jié)構(gòu)模型MyosinII是構(gòu)成肌纖維的主要成分之一。由兩個重鏈和4個輕鏈組成，重鏈形成一個雙股α螺旋，一半呈桿狀，另一半與輕鏈一起折疊成兩個球形區(qū)域，位于分子一端，球形的頭部具有ATP酶活性。肌球蛋白II河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)79myosinII的主要功能是驅(qū)動肌肉的收縮。Huxley早在50年代就提出了“肌肉收縮的肌纖絲滑動學(xué)說”：當(dāng)肌肉收縮時，肌纖絲長度的變化完全是由于粗纖絲（由肌球蛋白的尾部組成）與細纖絲（由肌動蛋白組成）彼此相對滑動的結(jié)果。myosinII的功能MyosinII的集體協(xié)作行為河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)80

在ATP的作用下每個myosinII馬達沿著肌動蛋白微絲做跳躍式的運動。每個myosinII馬達與軌道的結(jié)合都只是瞬時的，只有大量的myosinII馬達在一起才能做連續(xù)的定向運動。形象地講，Kinesin好比是單個的挑夫，而myosin則類似集體劃船者。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)81

除了集體協(xié)調(diào)運動的myosinII以外，肌球蛋白家族中還有能夠利用水解ATP的鍵能單獨朝著微絲的正端連續(xù)運動的馬達，以myosinV最為典型。

myosinV結(jié)構(gòu)類似于myosinII，但重鏈有球形尾部，神經(jīng)細胞富含myosinV。MyosinV屬于“非傳統(tǒng)”的線性馬達，它們廣泛的存在于動物的神經(jīng)細胞和酵母細胞中。

在酵母細胞中，馬達把細胞器和mRNA輸運到母體中；而在動物細胞中，馬達負責(zé)著黑色素和其它細胞器的輸運。MyosinV:河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)82

肌球蛋白V馬達是一個二聚體，包括16個多肽鏈，由三個典型的功能部位組成，如圖所示。頭部區(qū)域，包含微絲結(jié)合位點和核苷酸活性位點；頸部區(qū)域，長約24nm，由一段α螺旋上附以六個鈣調(diào)蛋白組成；尾部區(qū)域，由兩條卷曲的螺旋鏈組成，上面沒有鈣調(diào)蛋白。第五種肌球蛋白結(jié)構(gòu)

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)83MyosinV的兩種運動模型實驗上交臂模型（hand-over-hand）得到支持河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)84myosinV的損傷可能會導(dǎo)致細胞色素沉積和一些神經(jīng)性的疾病。

MyosinV還有諸多的問題需要解決。比如，藻類的myosinV的運動速率比哺乳動物的myosinV速率大120倍，達到60μm/s；馬達尾部區(qū)域攜帶貨物可能需要中間蛋白的參與

。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)85MyosinVI:河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)86

肌球蛋白VI運動分子是科學(xué)家特別感興趣的，因為它與肌球蛋白超級家族的多數(shù)其他成員向相反方向運動：它朝肌動蛋白細絲的負端運動，而遠離正端?，F(xiàn)在，研究人員已經(jīng)以2.4埃的分辨率確定了一種被截短了的肌球蛋白VI的結(jié)構(gòu)。這個分子中的杠桿臂重新取向的原子尺度的細節(jié)顯示了兩個獨特的插入物，它們是其反方向運動的關(guān)鍵。

MyosinVI首先是在果蠅上被發(fā)現(xiàn)的.河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)87

myosinVI單體myosinVI二聚體

myosinVI分子馬達，此蛋白區(qū)域相對于其他區(qū)域來說分子量很大，結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，它包括了馬達的所有核心功能：微絲的連接，ATP的連接和水解，馬達力的產(chǎn)生等。最近有人在分析此區(qū)域的分子結(jié)構(gòu)后提出：后邊的插入體可能是引起myosinVI馬達沿微絲負端運動的關(guān)鍵。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)88myosinVI的兩個插入體的作用插入體1調(diào)節(jié)核苷的連接與釋放。插入體2改變桿臂的運動方向（即可能決定myosinVI向微絲負端運動）河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)89myosinVI的胞內(nèi)功能（1）胞內(nèi)移動：在胞內(nèi)很多情況下可能需要一個向微絲負端移動的myosins馬達。這些情況就可能涉及到myosinVI馬達。這些myosinVI分子馬達將趨向于推動肌動蛋白絲序列向外擴展。所以myosinVI可能在褶皺的突出（lamellaeprotrusion）中執(zhí)行一定的功能。從左向右擴展的褶皺的示意圖河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)90myosinVI的胞內(nèi)功能（2）細胞內(nèi)吞作用過程中myosinVI的功能：當(dāng)微絲被連接到質(zhì)膜時，微絲的正端（thebarbedends）和細胞的皮層相連，因此當(dāng)微絲被連接在質(zhì)膜上的時候，向微絲負端移動的myosinVI在內(nèi)吞作用過程中起了重要作用。

細胞的內(nèi)吞作用

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)919.3.4旋轉(zhuǎn)分子馬達

旋轉(zhuǎn)分子馬達（rotarymotor）是由生物大分子構(gòu)成的。因為它體積小，能量的轉(zhuǎn)化效率高，而且可以進行逆向運動，所以馬達研究領(lǐng)域本身以及納米技術(shù)領(lǐng)域的研究人員，對于這一分子轉(zhuǎn)換機制都很感興趣。較典型的旋轉(zhuǎn)馬達是ATP合酶，除了ATP合酶外，沙門氏菌的細菌鞭毛也是一種旋轉(zhuǎn)的分子馬達。

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)旋轉(zhuǎn)分子馬達BacterialflagellarmotorF1FoATPase河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)93ATP合酶在線粒體中的位置

ATP合成酶有時也被稱為F-ATP合成酶，是具有代表性的旋轉(zhuǎn)分子馬達。ATP合成酶是合成ATP的基本場所，也是生物體能量轉(zhuǎn)化的核心酶。它廣泛存在于線粒體內(nèi)膜（如圖所示），細菌的漿膜以及葉綠體的類囊體膜之中。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)94旋轉(zhuǎn)馬達--ATP合酶旋轉(zhuǎn)分子馬達的分子結(jié)構(gòu)

這種旋轉(zhuǎn)分子馬達是合成能源物質(zhì)ATP的關(guān)鍵物質(zhì)。右圖所示為ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)。這種蛋白質(zhì)包括兩部分：可溶部分F1及一個與膜結(jié)合部分F0。不同來源的ATP合成酶基本上有相同的亞基組成和結(jié)構(gòu)，它們都是由多亞基組成。

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)95

F1馬達既能水解ATP又能合成ATP。F0馬達既可作為離子渦輪機又可作為離子泵。當(dāng)F0馬達比較強時，它利用橫跨膜的粒子電化學(xué)勢在相反的方向上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的扭力矩（離子進入膜內(nèi)），此時合成ATP。當(dāng)F1馬達比較強時，它利用ATP水解產(chǎn)生扭力矩，同時使在電化學(xué)梯度下作為離子泵釋放離子。旋轉(zhuǎn)分子馬達以兩種不同的方式把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能。，所以，它表現(xiàn)出兩個主要的能量轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。它可能是自然界發(fā)現(xiàn)的最小的分子馬達，其運轉(zhuǎn)效率幾乎接近100%。旋轉(zhuǎn)馬達--ATP合酶河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)96

定子部分由a亞基、b亞基二聚體、δ亞基、3α亞基、3β亞基（ab2δ3α3β）組成。定子上鑲有一個重要的基礎(chǔ)正電荷：Arg277，它通過靜電排斥力防止線粒體膜間空腔中的離子通過連接兩個親水通道的親水極性條向基質(zhì)中泄漏。

圖5(a)轉(zhuǎn)子—定子的簡圖

(b)轉(zhuǎn)子—定子的側(cè)視圖根據(jù)運動差異，分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)97ATP結(jié)合機理河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)98ATP合酶的作用也可以水解ATP而充當(dāng)質(zhì)子泵；在跨膜質(zhì)子動力勢的推動下催化合成ATP；參與氧化磷酸化和光合磷酸化；是生物體能量轉(zhuǎn)化的核心酶；是合成ATP的基本場所；河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)99

旋轉(zhuǎn)馬達高效性是十分有吸引力的研究領(lǐng)域，科學(xué)家在這一領(lǐng)域已取得了很大的成績。高效性的原因簡述如下。①機械和化學(xué)過程之間的結(jié)合很緊密，這樣熵的損失很?。粡澢摩聛喕o緊的耦合在轉(zhuǎn)動的γ軸上，支持γ軸的疏水套筒和軸幾乎無摩擦；②要求水解循環(huán)產(chǎn)生一個近乎常數(shù)的力矩，實驗證明力矩大小約為44pN?nm；③在合成過程中，有順序的打開氫鍵也幾乎是不損失能量的，因為沒有很突然的彈性反沖。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)100

綜上所述，F(xiàn)1馬達既可以水解ATP又可以合成ATP。Ｆ０既可以作為渦輪機又可以作為離子泵。旋轉(zhuǎn)分子馬達以兩種不同的方式把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能。所以，它表現(xiàn)出兩種主要的能量轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，且轉(zhuǎn)化效率約為100%；故而其研究的意義重大且進展迅速，已成為納米科技進步的重要組成部分。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)101

基本特征：分子馬達的幾何尺度都很小，一般在10nm左右，分子量在幾萬到幾十萬道爾頓。在生物體內(nèi)的馬達蛋白還是一個高度非平衡的體系。分子馬達總是與蛋白亞基緊密結(jié)合，形成非對稱的周期性結(jié)構(gòu)。分子馬達綜述作用：驅(qū)動蛋白Kinesin:將細胞器和各種細胞內(nèi)物質(zhì)沿著微管從合成部位快速有效的運送到功能部位，并參與細胞的有絲分裂。旋轉(zhuǎn)馬達ATP合酶：是合成ATP的基本場所；是生物體能量轉(zhuǎn)化的核心酶；參與氧化磷酸化和光合磷酸化；在跨膜質(zhì)子動力勢的推動下催化合成ATP；也可以水解ATP而充當(dāng)質(zhì)子泵；肌球蛋白Myosin:執(zhí)行肌肉收縮、細胞內(nèi)物質(zhì)輸運和細胞形態(tài)改變等功能。動力蛋白Dymein:在細胞分裂中推動染色體的分離、驅(qū)動鞭毛的運動、向著微管負極極運輸小泡。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)102

總之，生命體內(nèi)的一切活動，從肌肉收縮、細胞內(nèi)部的運輸、遺傳物質(zhì)(DNA)的復(fù)制、一直到細胞的分裂等等,追蹤到分子水平，都是源于具有馬達功能的分子馬達（molecularmotor）或蛋白馬達（motorprotein）作功推動的結(jié)果。且它的效率極高，有的幾乎是100%。2004年世界十大科技進展之一以美科學(xué)家研制成能夠停止或暫停的分子馬達。

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)103（四）研究分子馬達的意義生物學(xué)：分子馬達在生命活動中起著十分重要的作用，細胞內(nèi)物體的主動運動都是基于分子馬達的運動。我們對分子馬達的認識越深刻，就能進一步搞清生命活動的規(guī)律和本質(zhì)。材料學(xué)：利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造類似生物大分子的分子機器。納米科技的最終目的是制造分子機器，納米生物學(xué)應(yīng)該是納米科技中的一個核心領(lǐng)域。西方科學(xué)家設(shè)想用納米技術(shù)，以氨基酸為原料制造分子機器人，利用其它在血液中循環(huán)，對身體各部進行檢測，診斷同時實施特殊治療，例如：對病變細胞的分離，疏通血管血栓，清除脈管脂肪沉積物，吞噬病毒，獵殺癌細胞。醫(yī)學(xué)：研制出十分誘人的以ATP為能源的各種微型機器：諸如某種混合型機器人將修復(fù)人體細胞，對抗感染、輸送藥物、乃至用正?；蚋鼡Q病變基因。物理學(xué)：在準(zhǔn)平衡狀態(tài)下，單個分子馬達可產(chǎn)生定向運動，用以往平衡態(tài)統(tǒng)計物理無法解釋，只可考慮非平衡統(tǒng)計物理方法，而此方法解釋粒子定向輸運理論仍不完善，仍存在研究空間。謝謝大家！本節(jié)結(jié)束河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)1049.4朗之萬輸運理論和主方程方法9.4.1

布朗運動9.4.2布朗運動的朗之萬輸運理論9.4.3主方程方法河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)1059.4.1

布朗運動布朗運動（Brownainmotion）：

1827年，法國植物學(xué)家布朗做了這樣一個實驗：把花粉懸浮在水里，用顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)花粉小顆粒在作不停的、無規(guī)則的運動，這種運動被稱為布朗運動。

科學(xué)觀察表明:布朗運動是絕不會停止的。不管在白天或黑夜,也不管在夏天還是冬天,在顯微鏡下觀察水中的懸浮微粒,隨時都可以看到布朗運動。由此證明,物質(zhì)分子的運動是永不停息的。

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)106布朗粒子：在介質(zhì)中小顆粒受到周圍介質(zhì)分子無規(guī)則頻繁碰撞，這種小顆粒被稱為布朗粒子。

布朗運動是微小粒子表現(xiàn)出的無規(guī)則運動。在布朗運動發(fā)現(xiàn)后50年里，人們一直不了解這種運動的原因。直到1905年愛因斯坦發(fā)表了關(guān)于布朗運動理論的論文，才第一次明確解釋了這種現(xiàn)象，同時這也成為分子運動論和統(tǒng)計力學(xué)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)107

布朗運動代表了一種隨機漲落現(xiàn)象，它的理論在其他領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。如對測量儀器的精度限度的研究；高倍放大電訊電路中的背景噪聲的研究等。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)108

關(guān)于分子馬達運動機制的解釋，目前主要存在兩種研究方法。一種是把分子馬達看作是布朗粒子，利用非平衡態(tài)統(tǒng)計模型來研究。描述布朗粒子的動力學(xué)方程—朗之萬方程。

9.4.2布朗運動的朗之萬方程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)109布朗運動的朗之萬方程布朗粒子以速度v在介質(zhì)中的運動，介質(zhì)分子對布朗粒子的作用力分成兩類：

一類粘滯阻力，布朗粒子的運動受到介質(zhì)分子的碰撞，這一摩擦阻力-αv來表示。

另一類為漲落力，介質(zhì)分子對布朗粒子雜亂無章的碰撞的作用產(chǎn)生的效果用F(t).這樣我們就得到布朗粒子的運動方程為：分子馬達可看作是系統(tǒng)環(huán)境中無規(guī)則運動的布朗粒子，據(jù)牛頓第二定律（1）河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)110（3）單位質(zhì)量的阻尼系數(shù)和分子碰撞漲落力(也叫朗之萬力)（3）式為Langevinequation.（2）將上式變?yōu)楹颖惫I(yè)大學(xué)生物物理學(xué)111關(guān)聯(lián)函數(shù)：隨機變量Γ在t時刻的值為Γ

(t)和t’時刻的值為Γ

(t’)，Γ

(t)和Γ

(t’)乘積的平均值不為零，由（5）可知

<Γ

(t)Γ(t’)>≠0由于是兩個不同時刻的關(guān)聯(lián)，所以稱為二階關(guān)聯(lián)。由多個不同時刻組成的關(guān)聯(lián)成為高階關(guān)聯(lián)。（5）（4）（i）如果Γ(t)滿足（Γ(t)成為白噪聲，滿足方程4和5的關(guān)系）河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)112

白噪聲是一種無規(guī)噪聲，它的瞬時值是隨機變化的。它的幅值對時間的分布滿足正態(tài)分布。它具有連續(xù)的噪聲譜，包含有各種頻率成分的噪聲。它的功率譜密度與頻率無關(guān)，幾個頻率能量的分布是均勻的。

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)113（ii）如果Γ(t)滿足Q(t)成為色噪聲。（6）（7）河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)114如果將研究對象推廣到外場作用的情況，（3）就變?yōu)椋?）

在方程（8）中，隨機力是與隨機變量無關(guān)的，這樣的噪聲又叫做加性噪聲。系統(tǒng)內(nèi)的噪聲常常是加性的。當(dāng)隨機力的強度隨x變化時，該噪聲又被稱為乘性噪聲。（9）（3）河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)115如果將研究對象推廣到外場作用的情況，（3）就變?yōu)椋?）

在方程（8）中，隨機力是與隨機變量無關(guān)的，這樣的噪聲又叫做加性噪聲。系統(tǒng)內(nèi)的噪聲常常是加性的。當(dāng)隨機力的強度隨x變化時，該噪聲又被稱為乘性噪聲。（9）（3）河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)116乘性色噪聲驅(qū)動狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)流Ｊ隨時間的演化關(guān)系布朗粒子定向運動的數(shù)值模擬

1、乘性色噪聲激勵布朗粒子定向輸運

郎之萬輸運舉例河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)117

穩(wěn)態(tài)流Ｊ隨時間的演化關(guān)系(a)乘性白噪聲非周期對稱場

(b)

乘性白噪聲周期對稱場(c)加性白噪聲2、乘性白噪聲激勵布朗粒子定向運動河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)118Q=0.5A=0.9B=0.85=0.15布朗馬達沿一維勢場“梯跳運動”模擬曲線。驅(qū)動蛋白Kinesins沿其微管梯跳運動的實驗曲線3、理論土與實驗分析位移呈“跳躍性”上升,形成左圖的定向梯跳運動，與實驗曲線右圖定性吻合。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)1199.4.3主方程方法

主方程方法是從力學(xué)態(tài)與化學(xué)態(tài)的結(jié)合來解釋分子馬達的運動。因為分子馬達在一個化學(xué)力學(xué)循環(huán)過程各個中間態(tài)之間的躍遷具有隨機性并呈梯跳式運動，因此，研究此過程所用的數(shù)學(xué)理論工具為描述跳過程的隨機方程—主方程。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)120

k1k2kN-1kN

1L

2L…

NL

1L+1

k-1k-2k-(N-1)k-N

d1d2

dN-1

dN

一維周期N態(tài)隨機躍遷模型示意圖

設(shè)分子馬達在t時刻處在位置n的幾率為Pn(t)，則Pn(t)滿足的主方程為：

…x描述跳過程的隨機方程—主方程主要介紹主方程在分子馬達一維N態(tài)周期性隨機躍遷模型中的應(yīng)用。河北