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。     

囊泡转运中的Rab小G蛋白与马达分子

Rab是小分子GTP结合蛋白Ras超家族中最大的亚家族,在囊泡运输的不同阶段发挥着调节作用.在与GTP结合后,Rab可募集特异的效应蛋白到膜上.近来发现,许多Rab可募集与微管和肌动蛋白相关的马达分子到靶膜,从而调节相应囊泡的转运.Rab所具有的分子开关特性,使其可在空间和时间上对囊泡转运进行调控.     

细菌鞭毛马达——一种卓越的分子机器

鞭毛马达(flagellar motor)是一种分子旋转马达,它在细菌鞭毛的结构与功能中起着中心作用.鞭毛马达的结构已基本清楚,主要由Mot A、Mot B、Fli G、Fli M和Fli N 5种蛋白组成定子(stator)和转子(rotor),其驱动力来自于跨膜的H⁺或Na⁺流.目前对鞭毛马达的旋转动力学及旋转力矩产生机制已有初步的了解.鞭毛马达可作为研究分子旋转马达的理想模型,对其深入研究将有助于认识生物能量转化利用及细胞运动的机制并具有广泛的生物学意义.     

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。     

分子马达KIF1A的研究进展

驱动蛋白家族成员1A(kinesin family member 1A,KIF1A)属于向微管正向端移动的驱动蛋白第三家族,它能够利用三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)水解释放的能量实现沿微管定向运动。KIF1A是轴突末端的突触囊泡体沿微管输运的重要载体,其马达结构域的突变将导致多种与神经有关的疾病和缺陷。文中主要综述了近年来KIF1A有关的生命过程和疾病的研究进展,介绍了KIF1A催化ATP水解反应的各中间态结构,同时基于这些结构信息,阐述了KIF1A的运动形式、核苷酸轮换机制和运动机理,并对今后的研究前景进行了展望,旨为KIF1A相关研究提供思路。     

蚂蚁为什么是“大力士”

蚂蚁能够举起比自身重100倍的物体,是生物中的"大力士"。但蚂蚁肌肉的组成及结构与人的横纹肌并无根本区别,都是利用肌动蛋白-肌球蛋白之间的相互作用产生拉力。这种作用机制在单细胞的真核生物中就已经存在,说明肌肉的进化已经有很长的历史。除了肌肉收缩,这套系统还在细胞内"货物"的运输、细胞运动和细胞分裂中起重要作用。蚂蚁之所以"力气大"是因为一个简单的几何原理,即物体尺寸变化时,线性、面积和体积变化的速度不同。     

分子马达生物传感器检测食源性轮状病毒

通过分子马达生物传感器技术建立一种特异、便捷、快速的食源性轮状病毒检测方法.以F0F1-ATPase为核心构建分子马达,以轮状病毒保守片段VP7设计各血清型通用探针,通过生物素-亲和素系统将探针与分子马达连接构建F0F1-ATPase分子马达检测装置.提取病毒RNA并将其与生物传感器结合的同时启动ATP合成,比较其荧光强度的差别,可以对样品中的RNA进行检测.此方法的病毒RNA检测灵敏度为0.005 ng/mL,对轮状病毒检测特异,与甲肝病毒、诺如病毒无交叉反应,在1h内即可完成检测.运用此方法随机检测15份样品,检测结果与RT-PCR一致.结果表明,分子马达生物传感器检测轮状病毒的方法灵敏、特异,可用于食源性轮状病毒的快速检测.     

分子马达不等间距四态跃迁模型

用主方程方法研究分子马达一维周期性四态不等间距随机跃迁模型,得出稳态情况下分子马达的漂移速度V、扩散系数D及随机参数r,将三者随ATP的浓度［ATP］及外力F的变化进行了曲线拟合,并同大量实验结果进行了比较,定性半定量地分析了分子马达在拖动负载运动时的动力学行为.     

逃逸速率对分子马达定向运动的影响

在考虑逃逸速率的情况下采用主方程方法研究分子马达,计算了逃逸速率对分子马达的漂移速率、扩散系数、停留时间以及分子马达在轨道上移动的距离．通过计算发现,逃逸速率影响分子马达的定向运动．     

应用主方程方法研究分子马达的定向运动

利用主方程的方法,研究了在一维三态周期跳跃模型下分子马达的定向运动。首先假定马达在任意两个相邻状态之间的跃迁距离（substeps）相等,对于给定的任意初始分布,得出了与时间有关的几率分布的解析表达式,包括到达稳态之前的所有的瞬态过程,由此可获得马达在各个时刻的漂移速率v、扩散系数D以及描述马达随机性质的随机参数r(randomness parameter）。同时不计算了马达到达稳态所需要的特征时间。根据马达的运动特点,我们又把以上结果推广到了不等间隔的情况,并引入了外力分配系数θj^ 和θj^-来表征外力对跃迁率的影响程度,以便于研究马达在拖动负载运动时的动力学行为,使之更符合生物化学的实际。并把计算结果（漂移速率v和随机参数r分别随[ATP]和外力f的变化关系）同实验进行了比较,与实验值符合较好。     

一种生物分子马达的冲激力模型

基于动力冲程模型并结合布朗棘轮模型的扩散机制,提出了分子马达的冲激力模型。该模型基于一系列具有时间或空间周期性的啄函数来模拟分子马达的做功冲击,得到了关于几率流（速度）的解析结果。计算结果与实验数据相符合。为了产生非零的几率流,新模型并不要求分子马达与轨道间的势能必须是不对称的,因而相对于布朗棘轮模型来说更加稳健。     

多分子马达输运机制的动力学研究

对多分子马达输运机制进行模拟,得到了外加负载力和货物运输速度、马达个数和货物运输距离的关系,定性半定量的解释了一些实验现象,为多分子马达研究开辟了一条全新的途径.     

基于分子马达生物传感器技术的副溶血性弧菌分子分型方法的初步研究

[目的]建立基于分子马达技术的简便快速的分子分型方法,对携带和非携带毒力基因的副溶血性弧菌进行快速分类.[方法]以F0F1-ATPase为核心构建分子马达,以副溶血性弧菌毒力基因tdh、trh和种特异性基因tlh、toxR为靶基因设计4个探针.通过生物素-亲和素系统将探针与分子马达连接构建F0F1-ATPase分子马达生物传感器,对10株副溶血性弧菌分离株进行分类,并与PCR-电泳-凝胶成像结果进行比较;同时对生物传感器的检测灵敏度和特异性进行研究.[结果]10株试验菌株中10株tdh阳性,0株trh阳性,而10株菌都携带tlh和toxR,与PCR-电泳-凝胶成像结果一致;分子马达生物传感器的最低检测限为1 pg/反应体系,且能够对副溶血性弧菌特异性识别,PCR-电泳-凝胶成像方法的最低检测限为10 pg/PCR反应体系.[结论]建立了基于分子马达的分子分型方法,能够对副溶血性弧菌的致病性进行快速诊断,检测灵敏度比PCR-电泳-凝胶成像方法高了10倍,而且特异性非常高.该方法简便、快速、省时、省力,适用于地方疾控部门和口岸检疫部门的基层实验室开展副溶血性弧菌监测和流行病学溯源工作.     

萱草花粉类动力蛋白生物物理学及药理学性质

利用FPLC技术从萱草花粉中鉴定并纯化了动力蛋白,研究了它的酶学性质及部分生物化学性质。结果如下:纯化的类动力蛋白分子量为100kD,等电点pI=6·15和6·80。在280nm波长激发下,最大的荧光发射波长是346nm。荧光光谱分析结合紫外吸收光谱及导数光谱分析推断它含有色氨酸和酪氨酸残基。药理学性质研究表明巯基可能在酶的活性中心起重要作用。     

运动与马达蛋白

运动与马达蛋白傅友兰,刘国琴（中国农业大学,北京１０００９４）你对拳击运动员的漂亮一击一定久久难以忘怀,你对雄鹰翱翔于天空、小虎奔跑于草原的优美动作一定赞叹不已,但你想过没有,这些运动是否也和马路上穿梭来往的机动车一样需要“马达”来驱动？除了我们每天...     

肌肉力量的微观起源

人体实现机械运动所需的力量是由肌肉产生的。理解肌肉的力产生机理是目前科学研究的最前沿课题之一。肌肉的最基本单元是肌小节。肌小节是一个设计极为精巧的力学装置,其中负责产生力的是一种叫做肌球蛋白的分子马达。通过介绍肌小节和肌球蛋白的结构和工作原理,可以看到生命如何利用蛋白质分子巧妙地实现了复杂的力学功能。此外,对于肌球蛋白马达研究中有待理解的相关问题也进行了简要介绍。     

驱动蛋白的研究进展

驱动蛋白是一类典型的分子马达蛋白,它在胞内运输、有丝分裂、细胞形成、细胞功能等方面起着至关重要的作用.驱动蛋白不仅负责运输各种膜细胞器、蛋白复合体、mRNA等以保证细胞的基本活性,还在大脑的发育、记忆功能以及神经元的活性等方面扮演着极其重要的角色,可以说驱动蛋白是生命体系赖以生存的基础之一.     

论活细胞内的分子涨落

提出活细胞内部分子涨落的观点,用这个观点对活细胞内细胞器非匀速运动、神经轴浆转运小泡跳跃式运动、有丝分裂中期染色体振荡、有丝分裂后期染色子体运动中停顿等表观上不同的许多实验现象进行统一的解释.还提出一种实验确定连接的马达蛋白分子平均数目的方法.     

化学所成功实现分子马达在蛋白微胶囊表面的组装

在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的支持下,胶体、界面与化学热力学院重点实验室的研究人员在旋转分子马达的分子仿生组装方面取得新进展,研究工作发表在近期出版的Adv Mater（2008,20：601．5）上。细胞生长代谢的整个过程需要能量,绝大多数情况下能量由ATP的高能键水解而获得,而ATP又是通过ATP合酶合成所得到。ATP合酶是线粒体、叶绿体和细菌中能量转化的核心酶,在跨膜质子动力势的推动下催化合成ATP。     

分子马达定向运动的两态模型

采用非对称周期势来描述马达蛋白与具有周期性和极性的微丝轨道之间的相互作用,计算了马达蛋白两态模型的几率流和有效势之间的关系。计算结果表明：马达蛋白的定向运动不仅与有效势的整体倾斜密切相关,还与有效势的势垒高度有关。有效势倾斜等效于一个平均力的作用,而这一平均力的存在体现了两态跃迁细致平衡的破坏。同时将不同ATP浓度下力与速度的关系曲线与实验作了比较,这些曲线与实验定性吻合。