论文摘要
驱动蛋白是细胞内通过水解三磷酸腺苷在微管上持续定向运动的双头分子马达,在细胞内货物的运输及细胞分裂过程中起到重要作用。分子马达关键性的问题是其化学力学耦合机制,对其研究有助于生物物理学的发展。自从驱动蛋白被发现以来,研究者们通过各种各样的实验手段研究了驱动蛋白的动力学特性,取得了十分丰富的研究成果。为了解释驱动蛋白的运动机理,研究人员提出了驱动蛋白的传统运动模型,认为驱动蛋白运动的动力来自于颈链对接,但是实验上发现颈链对接前后的自由能变化不足以提供驱动蛋白运动所需要的能量;另外实验上发现驱动蛋白也能够通过水解三磷酸腺苷作出后退运动,传统模型也无法对后退运动给出合理的解释。本论文以已知的分子结构、生化实验和全原子分子动力学模拟的结果为基础提出了一个新的模型,利用提出的模型,使用布朗动力学模拟和蒙特卡洛模拟相结合的方法,对驱动蛋白的运动过程进行了详细的数值模拟研究,取得了以下研究成果。（1）我们利用提出的模型,对双头驱动蛋白的动力学运动过程进行了数值模拟计算,合理解释了实验上发现的溶液黏度、外部加载力、ATP浓度、颈链长度、颈链对接、与驱动蛋白头部相连的小球等因素对驱动蛋白动力学运动的影响,得到了与单分子实验相符的数值模拟结果。用统一的参数解释了野生型驱动蛋白和颈链加长突变体驱动蛋白的动力学特性,成功解释了颈链加长突变体在外力大于失速力时出现的后退运动现象。（2）实验上发现茎部较短的驱动蛋白连续两步运动的平均驻留时间一快一慢,而且茎部越短驱动蛋白步进运动的不对称性越明显。我们利用提出的模型计算研究了驱动蛋白步进运动的不对称性,发现横向外部加载力和纵向外部加载力都会使得不对称性增加,这与实验结果是一致的。我们的模型给出了驱动蛋白步进运动的不对称性的分子机理。我们预测颈链加长突变体不存在步进运动的不对称性。（3）我们利用提出的模型,详细计算了不同种类的驱动蛋白（野生型和颈链加长突变体）的运动长度,合理解释了实验上发现的驱动蛋白的运动长度与外部加载力方向之间的不对称关系。另外,计算结果合理解释了实验上发现的增加磷浓度对驱动蛋白运动长度的增强效应。我们预测了当小球与驱动蛋白头部直接相连时运动长度与外部加载力之间的关系,将来可以通过单分子实验验证。（4）我们利用提出的模型,详细计算了三种不同家族的驱动蛋白（Kinesin-1,Kinesin-2和Kinesin-5）的动力学特性。数值模拟得到的三种家族的野生型驱动蛋白和颈链长度变化突变体的运动速度和运动长度随外部加载力的变化关系与单分子实验结果一致。计算研究表明三种家族的驱动蛋白的运动机理相同,不同的动力学特性是由化学反应速率和驱动蛋白与微管之间结合能的强弱不同导致的。（5）我们利用提出的模型,计算研究了驱动蛋白的脱离速率与外部加载力之间的变化关系。我们的计算结果表明驱动蛋白的脱离速率随着负向外部加载力的增加表现出非单调增加的特性,随着正向加载力的增加表现出单调增加的特性。这与三个不同实验组的实验结果是相符的。我们的模型揭示了驱动蛋白的脱离速率随负向外部加载力的增加出现突然下降的原因。我们所使用的研究方法具有普遍意义,可以推广到对其它分子马达运动机理的研究。我们的研究模型和结论很好的揭示了驱动蛋白的运动机理,对于理解分子马达在线性轨道上的力学化学耦合机制具有启发意义。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 郭思考
导师: 谢平
关键词: 布朗动力学,蒙特卡洛,力学化学,分子马达,理论建模
来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 生物学
单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
分类号: Q51
DOI: 10.27604/d.cnki.gwlys.2019.000039
总页数: 110
文件大小: 4886k