驱动蛋白颈链对接机制的研究进展

驱动蛋白能够携带"货物"沿微管高速连续行走,在行走过程中,将ATP结合与水解释放的化学能转化为机械能。驱动蛋白的由十几个氨基酸组成的颈链周期性地与驱动蛋白头部对接和分离是其行走的关键步骤,也是驱动蛋白发力做功的关键环节。现结合本课题组最新的研究结果,对驱动蛋白颈链3个部分不同的对接机制的研究进展进行综述。驱动蛋白颈链对接机制的阐明,加深了人们对于驱动蛋白沿微管行走机制的理解,同时也为其他分子马达工作机理的研究提供了参考。     

驱动蛋白的结构与功能

驱动蛋白是一类蛋白质超家族的总称,其中驱动蛋白-1(以下简称驱动蛋白)是目前已知的有机体内最小的马达蛋白.驱动蛋白能够催化三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)分子的水解反应,将贮藏在ATP中的化学能转变为自身机械运动所需的机械能.驱动蛋白能够沿着微管连续定向运动,在细胞的有丝分裂和胞内物质运输中发挥重要作用.在真核细胞中,驱动蛋白主要以二聚体的形式存在,其结构主要包括4个部分,即马达头部、茎部、连接头部与茎部的颈链以及与"货物"相结合的尾部.驱动蛋白二聚体独特的结构特征以及各个组成部分协调的构象变化,保证了其沿微管的连续行走.目前,驱动蛋白的结构与功能之间的关系的研究取得了重要的进展.随着实验和计算水平的不断提高,彻底了解驱动蛋白的运动机理已经为期不远了.     

驱动蛋白结构与运动机制

驱动蛋白是一类能够利用ATP水解释放的化学能驱动其所携带的“货物”分子沿着微管（microtubule,MT）定向运动的分子马达,在细胞器运输、有丝分裂、轴突运输等方面有着重要的生理作用。随着驱动蛋白结合ADP、ATP和未结合核苷酸（APO）三种特征状态的晶体结构的解析,驱动蛋白构象变化的研究得到了进一步发展,而在力产生机制和运动模型方面仍然存在较大争议。本文以kinesin-1家族为例,分析了驱动蛋白三种特征状态结构的特点、状态结构间的构象转变,论述了驱动蛋白的力产生机制和整个迈步过程。并探讨了驱动蛋白的运动模型,同时采用分子动力学模拟比较了驱动蛋白的两种迈步方式,为深入研究驱动蛋白提供了一定的理论计算。最后,基于本课题组对复杂体系的研究,对驱动蛋白体系的控制机制提出了新的假设,并对未来的研究方向进行了展望。     

植物驱动蛋白: 从微管阵列到生理活动调控

驱动蛋白(kinesin)是以微管为轨道的分子马达, 其催化ATP水解为ADP, 将贮藏在ATP分子中的化学能高效地转化为机械能, 在细胞形态建成、细胞分裂、细胞运动、胞内物质运输和信号转导等多种生命活动中发挥重要作用。对植物驱动蛋白的研究落后于动物和真菌, 其原因不仅由于植物进化出独有的驱动蛋白家族, 而且其家族成员数量远多于动物驱动蛋白。该文主要总结了驱动蛋白在微管阵列动态组织, 包括周质微管和有丝分裂早前期微管带、纺锤体及成膜体中的角色和功能, 以及其对植物生理活动的调控作用。同时对重要经济作物大豆(Glycine max)中的驱动蛋白进行了系统分析、分类及功能预测, 发现大豆驱动蛋白数量庞大。结合公共数据库中大豆转录组数据, 对部分大豆驱动蛋白进行功能预测, 以期对大豆及其它作物驱动蛋白功能研究提供线索和启示。     

鼠脑驱动蛋白ATP水解机制的晶体学分析

鼠脑驱动蛋白是一类利用ATP水解释放的能量在微管系统上高连续性运动的常规驱动蛋白。了解ATP水解的化学能如何转化为机械动能是驱动蛋白研究中的重大课题。为此,鼠脑驱动蛋白单体(rK354)的晶体通过浸泡的方式引入ATP的结构类似物AMPPNP。rK354-AMPPNP复合物和rK354-ADP复合物结构的比较,揭示了开关区域Ⅱ的Glu237起连接ATP的γ-磷酸和驱动蛋白微管结合区的枢纽作用。     

Ser203在大鼠脑驱动蛋白水解ATP中重要作用的晶体学分析

鼠脑驱动蛋白（rat brain kinesin）是一种利用水解ATP所释放的能量在微管束上高速并且连续性运动的常规驱动蛋白. 它在神经突触的物质运输中起着重要作用. 研究驱动蛋白是如何将ATP中储藏的化学能转化为机械动能是理解其运动机能的重要课题. 本课题获得了鼠脑驱动蛋白单体与ATP结构类似物AMPPCP形成的复合物晶体结构. 将这个晶体结构与鼠脑驱动蛋白单体-另一种ATP结构类似物AMPPNP形成的复合物晶体结构以及鼠脑驱动蛋白单体-ATP水解产物ADP形成的复合物晶体结构进行相互比较,揭示了活性中心的开关区域I中丝氨酸203可能作为质子的供体,加速了ATP中gamma-磷酸和beta-磷酸的断裂,从而导致ATP的水解.     

鼠脑驱动蛋白的表达、纯化和结晶

驱动蛋白是一类利用水解ATP为ADP和磷酸的过程中释放的能量沿微管系统运动的蛋白。为了研究ATP中储存的化学能是如何转化为驱动蛋白的机械动能,鼠脑驱动蛋白的相关N-端区域在BL21-Codon Plus(DE3)-RP感受态大肠杆菌细胞中大量地表达。通过SP-强阳离子交换色谱和分子筛色谱的两步骤纯化,蛋白最终产量高达10 mg/L细胞培养液,蛋白纯度可以达到95%以上。纯化的蛋白具有水解ATP酶的活力,并与驱动蛋白抗体有特异性的反应。驱动蛋白可以在如下条件结晶:1.7 mol/L(NH4)2SO4,500 mmol/L NaCl,20%glycerol。晶体衍射的分辨率可以达到2.0。     

G蛋白在细胞机械感受机制中的作用

机械刺激对生物器官、细胞的生理活动具有重要的影响.虽然生物细胞对各种机械作用具有各自不同的反应形式,但大多具有类似的机械感受机制,即首先由细胞膜、整合素-细胞骨架感受,在激活G蛋白等信号分子后,进一步引起生理、病理反应.因此,G蛋白可能是完成机械能向化学能转化的关键环节.     

ClpP蛋白酶研究进展：从细菌到人线粒体

Caseinolytic protease（ClpP）是一种包含丝氨酸蛋白酶催化三联体结构域的ATP依赖的蛋白水解酶,广泛存在于原核生物以及真核生物的线粒体和叶绿体中。它通常与AAA＋家族的分子伴4gClpX结合形成ClpXV蛋白酶复合物,AAA＋家族成员能利用水解ATP提供的能量将蛋白底物去折叠,随后将底物分子转移至ClpP蛋白酶的水解腔体进行降解。ClpP蛋白酶对细胞内蛋白质量控制及维持体内稳态起到至关重要的作用。该文综述了近年来有关ClpP蛋白酶在结构、功能以及与细菌毒力的关系和有关药物开发等方面的研究。     

分子发动机研究进展

分子发动机是利用化学能/化学势进行机械作功的生物大分子,包括线性分子发动机与旋转式分子发动机两大类.它们参与了胞质运输、DNA复制、基因转录、ATP合成／水解等一系列重要生命活动过程.目前对于各种分子发动机的结构及作用机制的研究取得了一些重要进展.     

ATPase旋转催化运动的随机跃迁动力学研究

ATP合酶既可在跨膜质子势的推动下催化合成ATP,也可以利用水解ATP释放的化学能而充当质子泵,把质子从线粒体基质中输送到内膜外侧,其能量转化效率却高得惊人,几乎达到100%。在旋转分子马达ATP合酶结构为基础上,结合随机主方程方法,提出了描述旋转分子马达ATPase合酶四态随机跃迁不等距旋转催化运动的理论模型;得到其角速度、扩散系数与ATP浓度之间的变化关系,并且得出了符合旋转分子马达生物机理的结果,定性半定量地解释了其动力学行为。     

构建“小”的艺术——从分子开关到分子马达

生物体的复杂结构和功能为我们提供了启发和挑战,即如何在分子水平构建纳米结构,并控制它的功能。通过＂自下而上＂的路线,我们着重在以下方面进行了探索：组装对外界刺激具有响应性的纳米体系,其中关键是在分子和超分子水平控制它的动态过程。分子开关是受外界刺激控制的单元,并可作为分子存储和电子元件。本文介绍了一类受光控制的分子开关,由于光控的简单性和高效性,此类光分子开关有望在分子水平的信息存储领域展现重要的应用价值。此外,通过将另一类光分子开关螺吡喃与通道蛋白结合,成功实现了蛋白孔的光控开关,可以被称为＂分子阀门＂,对未来的可控药物释放提供了很好的模型。分子马达是对纳米科学的巨大挑战,并将是未来分子机器的核心组成部分。本文介绍了新型的光驱动分子马达,对外界能量的利用使马达能够进行循环的定向运动,并且对马达分子结构的设计,能够构建出速度更快的第二代光驱动分子马达。然后,通过化学方法能够将该马达固定在纳米颗粒以至宏观界面的表面上,马达仍然能够受光驱动而高效运行。最后,本文展示了分子马达的一些应用,例如,马达的运动能够引起与之结合的高分子体系、液晶,甚至宏观物体的变化。     

纳米机器——分子马达

介绍了细胞内分子马达的能量转化途径,几种纳米分子马达如驱动蛋白、动力蛋白、肌球蛋白和旋转马达的结构和功能,并展望了分子马达对人类的贡献。     

植物中的金属蛋白酶FtsH

FtsH是一种对ATP和Zn^2＋依赖型金属蛋白酶,广泛存在于原核生物和真核生物中。具有高度保守的AAA结构域和Zn^2＋结合模块,在真核生物中是多基因家族。FtsH具有ATP酶活性,蛋白水解活性和分子伴侣活性,参与蛋白质质量平衡控制,还与热激、高渗、光胁迫、低温、病害等胁迫响应有联系。文章介绍FtsH基因的发现和分布,结构、FtsH的底物识别机制以及FtsH功能的研究概况。     

光合作用中的能量转化过程

光合作用是光能转变为化学能的过程,这一概念在高中生物学课程中是个重点对于这个过程如何发生．有一个流传颇广的说法．即第1步是光能转变为电能,第2步是电能转变为不稳定的化学能,第3步是不稳定的化学能转变为稳定的化学能、不稳定的化学能指的是NADPH和ATP中的能量．稳定的化学能指的是糖类分子中的能量。这种说法是错误的。     

《植物细胞》：一马达蛋白突变可阻碍细胞生长

马达蛋白（motor protein）是依赖于细胞骨架蛋白将化学能转变为机械能的一类蛋白,在动植物细胞生长和细胞分裂中是必不可少的。但是除提供能量之外,该类蛋白在动物和植物细胞中是否还具有其它生理功能还不为人所知。     

铜绿微囊藻的分子研究进展

中国淡水湖泊、水库众多,富营养化问题严重。铜绿微囊藻是中国湖泊、水库及其他水域生态系统发生、形成富营养化危害的主要藻类。目前对铜绿微囊藻的研究主要集中在水华成因、生长的特点、作用机理等,对其生命活动相关的分子机制研究不多。该文主要从生物节律、毒素合成、藻胆蛋白合成及其调控机制和ATP合成酶等四个方面综述了铜绿微囊藻的分子研究进展,为今后进一步研究铜绿微囊藻的分子作用机理及其防治具有重要意义。     

C－反应蛋白与模型受体的特异性结合

Ｃ－反应蛋白是动物体内一种典型的急性期反应蛋白,本文人工合成了两种可以与Ｃ－反应蛋白特异性结合的兼性分子作为Ｃ－反应蛋白的模型受体,以便进一步在脂单层膜表面上组装Ｃ－反应蛋白的二维晶体。作为第一步工作。本文研究了兼性分子的特性以及荧光光谱方法监测兼性分子与Ｃ－反应蛋白之间特异性相互作用。荧光光谱实验结果表明受体与Ｃ－反应的特异结合会引起荧光强度的下降。     

生物体内的纳米机器——分子马达

分子马达是生物体内具有马达功能的一类蛋白质大分子纳米机器,可以执行完成生命体内的一切活动,包括肌肉的收缩、细胞内部物质的运输、遗传物质(DNA)的复制、细胞的分裂等等。按照分子马达的不同种类,介绍了各类线性分子马达(如驱动蛋白、动力蛋白和肌球蛋白)的结构、运动方式、主要功能等生物特征,并介绍了旋转分子马达(如ATP合酶)的生物特征,最后进行总结,展望未来。     

C－反应蛋白与模型受体的特异性结合

Ｃ－反应蛋白是动物体内一种典型的急性期反应蛋白。本文人工合成了两种可以与Ｃ－反应蛋白特异性结合的兼性分子作为Ｃ－反应蛋白的模型受体,以便进一步在脂单层膜表面上组装Ｃ－反应蛋白的二维晶体。作为第一步工作,本文研究了兼性分子的特性以及荧光光谱方法监测兼性分子与Ｃ－反应蛋白之间特异性相互作用。荧光光谱实验结果表明受体与Ｃ－反应的特异结合会引起荧光强度的下降。