分子马达定向输运实验研究

　　0引言

　　分子马达是一类指广泛存在于细胞内部的能够将化学能转化成为机械能的酶蛋白分子。 人们用肉眼看不到它，也听不到它发出的声音。生命体的一切生命活动，追踪到分子水平，都是来源于具有马达功能的蛋白质大分子做工推动的结果。这类蛋白质及具有酶的活性又具有运动的活性，其特点是催化 ATP（三磷酸腺苷）水解为 ADP（二磷酸腺苷）和 Pi（无机磷），并将储存在 ATP 分子中的化学能高效率的转化为机械能实现自身的定向运动，从而参加细胞的生命活动，如细胞分裂，中心法则的执行，ATP 合成，肌肉收缩等。

　　目前，已发现生物体内的分子马达有上百种，根据它们的作用方式不同，分子马达可分为两类：一类是线性分子马达，一类是旋转分子马达。 线性分子马达又可分为持续类和非持续类。 分子马达在运动中产生的物理量是纳米尺度，因此统称为纳米机器。

　　1分子马达定向输运实验简介

　　1.1 肌球蛋白马达和驱动蛋白马达

　　首先进入单分子操纵领域的分子马达是负责肌肉收缩的肌球蛋白马达和负责囊泡输运的驱动蛋白马达，这些马达利用 ATP 水解能沿各自的轨道运动。肌球蛋白马达是分子马达蛋白中的一个超大家族，到目前为止，其成员已达 145 个，它是一种基于肌动蛋白的机械酶，通过水解 ATP 来产生力，从而将化学能转变成沿肌动蛋白细丝作定向运动的机械能，正是这种线性定向运动实现了细胞多彩多态的功能。

　　肌球蛋白马达与驱动蛋白马达的结构相似， 前者是非持续的，每次“束缚”到细丝上只经历一个 ATP 催化循环，随即便“自由”到溶液中进行扩散运动其行为类似真核细胞的胞质中找到。肌肉是由很大的肌纤维束组成，每一肌纤维又是由一束肌原纤维组成。 肌肉收缩是由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致。 实验表明，肌球蛋白丝和肌动蛋白丝之间有横桥连接，虽然在此过程中横桥曲线发生了某些变化，但是横桥与肌动蛋白丝接触段滑动的距离似乎从未超过 10nm,因此，为了产生如此大的整体滑动，横桥可能在肌动蛋白丝之间来回往复的运动。

　　肌肉丝是由肌动蛋白、原肌球蛋白和肌干蛋白组成研究表明，ATP 水解是肌球蛋白和肌动蛋白相互作用的直接结果。 这一生物化学过程可表示如下：

　　（逆过程可忽略）驱动蛋白马达的持续性是指马达能沿微管连续行走数百步而不会掉下来， 这一特性对于囊胞和细胞器的长距离输运显得尤为重要。在一个传统的滑行实验中，Howard 及其同事首先发现微管能在单个驱动马达上运动； 其后，Block 及其同事观察到了驱动马达能在微管上连续行走；Hackney 在一个运动性实验中证明了驱动马达每次遇到微管能连续水解数百个 ATP. 驱动蛋白的力学化学过程和肌球蛋白的力学化学过程有些不同。 通过测量一个 ATP 水解周期的各级化学反应速率常数 k,驱动蛋白的力学化学过程为
　　

　　生物学上，利用分子遗传学方法产生各种变异的驱动蛋白，也是在驱动蛋白重链不同的氨基酸某处截断。

　　1.2 旋转分子马达

　　旋转式分子马达工作时， 类似于定子和转子之间的旋转运动，比较典型的旋转式发动机有 F1-ATP 酶。 ATP 酶是一种生物体中普遍存在的酶。 它由两部分组成，一部分结合在线粒体膜上，称为 F0;另一部分在膜外，称为 F1. F0-ATP 酶的 a、b 和 c 亚基构成质子流经膜的通道。 当质子流经 F0 时产生力矩，从而推动了 F1-ATP 酶的 g 亚基的旋转。 g 亚基的顺时针与逆时针旋转分别与 ATP 的合成和水解相关联。

　　F1-ATP 酶直径小于 12nm,能产生大于 100pN 的 力 ,无载荷时转速可达 17 转/秒。 F1-ATP 酶与纳米机电系统的组合已成为新型纳米机械装置。

　　旋转分子马达与量子点技术结合有望出新成果， 近些年非典、禽流感的频繁暴发，使得重要传染病的快速检测技术成为各个国家和科学界共同面对的重要挑战，发展对禽流感的快速检测技术成为十分紧迫的任务。 首先要求技术能够对禽流感病毒进行快速方便的监控；其次，应具有对“新型病毒”快速初筛应答的能力。 而目前传统测定技术难以同时满足上面的需求。

　　我国的分子马达研究起步于 2001 年， 是当时国家基金委审批的第一个重大交叉项目，现在，我们可以自豪地说，中国已经有了旋转分子马达研究技术，有了这方面的自主知识产权。

　　2总结与展望

　　分子马达的研究是当今生命科学研究的热点问题之一，也是生物物理学学科中的一个重要研究方向。 分子马达沿微管的运动过程当中，通过其结合，水解 ATP 分子，并释放水解产物（ADP 和 Pi），马达蛋白的构想不断发生变化，从而实现了马达的定向运动，这是个力学，电学和化学相互耦合的过程。

　　实验上，多个蛋白马达可组合成一个纳米机器。 最新的科学研究表明，科学家们已经已经做成了由 350 个原子组成的螺旋桨、2.5 纳米大小的升降机、3 纳米的剪刀，这些都可以算是纳米机器人的雏形。 当然，人类最终的梦想是让这个机器人跟宏观世界的机器人一样，完成任何复杂的操作。在医疗上，我们向人体内注射这种纳米机器，进而修复人体细胞，输运药物，更换基因来进行治疗基因引起的无法治愈的遗传病。 在未来的某一天，科学技术的发展会完成我们现在无法想象的奇迹。

　　参考文献:
　　[1]R.A.Cross,1.Crevel,N.J.Carter.et al,Thee on formational cycle of kinesin[J]. TheRoyal Soeiety,2000,355:459-464.
　　[2]展永,包景东，卓益忠。布朗马达的定向输运模型[J].物理学报，l997,46:1880.
　　[3]吕刚,纪青，展永，卓益忠。驱动蛋白及其研究进展[J].现代物理知识，2002,14（5）：16-20.