1、分子马达(molecular motor）,一.概念,分子马达:将细胞内利用ATP供能,产生推动力，进行细胞内的物质运输或细胞运动的蛋白质分子称为分子马达或马达蛋白(motor proteins)。,假设的分子发动机的工作模型，它不同于火车沿着铁轨运输货物, 而是靠它的臂同固定轨道的结合并不停地摆动向前推进。,分子发动机运输模型,在一次机械活动的循环中，发动机与轨道的结合点结合；,在力的驱动下，发动机进行机械运动；,发动机与结合点脱离；,发动机回到原来的位置；开始新的循环。,分子发动机运行的方式,分子马达引导的运输有两个主要的特点:(1)分子马达的运输是单方向进行的，一种发动机分子只能引导一种
2、方向的运输。 (2)分子马达引导的运输是逐步行进而不像火车的轮子是连续运行的。之所以要逐步进行，是因为分子发动机要通过一系列的构型变化才能完成行进的动作。,分子马达运输的主要特点,分子马达包括线性推进和旋转式两大类。其中线性分子马达是将化学能转化为机械能，并沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白（myosin）、驱动蛋白（kinesin）、DNA解旋酶（DNA helicase）和RNA聚合酶(RNA polymerase)等。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。,(一).肌球蛋白（myos
3、in）,肌球蛋白约占总肌肉蛋白的1/3。它是分子量为480000的高度不对称性分子。肌球蛋白分子分长棒形的尾部和两个球形的头部两部分，故该种分子既有球蛋白又有纤维蛋白的性质。长棒形的尾部由两个细长的各含2000氨基酸残基的 螺旋螺旋状卷曲而成，又称双螺旋。其螺旋表面的电荷密度甚高。每一根多肽链都在其一端形成球状区。称S1区,它具有腺苷三磷酸(ATP)水解酶活力。在S1区还有与肌动蛋白和几个阳离子结合的位置。该酶的活力由镁离子激活。每个球状头部S1非共价键结合两条轻链。基本轻链(分子量约1600020000)和调节轻链（分子量约1600020000）。,肌球蛋白,肌球蛋白（myosin）,功能:
4、用来驱动肌肉以及在细胞内搬运小泡等物质 轨道:以肌动蛋白丝(微丝)为轨道定向移动 能量来源:其运动过程与ATP水解相偶联，,肌球蛋白在肌肉的收缩的作用,肌肉收缩图解,肌球蛋白在肌肉的收缩的作用,肌动蛋白的工作原理可概括如下：肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离；ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲（微丝的负极），引起细肌丝向M线移动；ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。如此循环（图）。,驱动蛋白的结构,(二).驱动蛋白（kinesin） 1.分子结构驱动蛋白是一个大的复合蛋白，由几个不同的结构域组成, 包括两条重链和一
5、条轻链, 总分子量为380kDa。它有一对球形的头，是产生动力的“电机”; 还有一个扇形的尾，是货物结合部位。,驱动蛋白的结构和运输方式,2. 运输方向体外实验证明驱动蛋白的运输具有方向性，从微管的(-)端移向微管的(+)端，驱动蛋白是正端走向的微管发动机。,驱动蛋白（kinesin）,一.功能:，完成各种细胞内外传质功能。由于神经轴中所有的微管都是正端朝向轴突的末端，而负端朝向细胞体，所以驱动蛋白在神经细胞中负责正向的运输任务。二.轨道:驱动蛋白则以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动.三.能量来源:水解ATP,(三).细胞质动力蛋白(dynein) 细胞质动力蛋白(dynein)是一个巨
6、大的分子，分子量超过10万道尔顿。由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成（鞭毛二联微管外臂的动力蛋白具有三个重链）。,二.运输方式细胞质动力蛋白在微管上移动的方向与驱动蛋白相反，从正端移向负端。,细胞质动力蛋白的运输方式。,一.功能:1.是有丝分裂中染色体运动的力的来源；2.是作为负端微管走向的发动机，担负小泡和各种膜结合细胞器的运输任务。二.轨道:驱动蛋白则以微管蛋白为轨道，沿微管的正极向负极运动.三.能量来源,动力蛋白在纤毛和鞭毛的运动的作用,纤毛和鞭毛的运动是依靠动力蛋白（dynein）水解ATP，使相邻的二联微管相互滑动.纤毛动力蛋白是一种多头的蛋白(图)。在电子显微镜下
7、观察，纤毛动力蛋白像是具有23个头的一束花，每一支花都是由一个大的球形结构域和一个小的球形结构域组成，中间通过一个小的杆部同基部相连。纤毛动力蛋白的基部同A管相连，而头部同相邻的 B 管相连。头部具有ATP结合位点，能够水解ATP。,微管动力蛋白的结构,鞭毛轴丝结构,1.纤毛和鞭毛的动力蛋白头部与相邻二联管的B微管接触, 促进同动力蛋白结合的ATP水解, 并释放ADP和Pi;2.由于ATP水解, 改变了A微管动力蛋白头部的构象, 促使头部朝向相邻二联管的正极滑动, 使相邻二联管之间产生弯曲力;3.新的ATP结合,促使动力蛋白头部与相邻B微管脱离;4.ATP水解, 使动力蛋白头部的角度复原;5.
8、带有水解产物的动力蛋白头部与相邻二联管的B微管上的另一位点结合, 开始下一个循环。,纤毛/鞭毛动力微管的滑动模型,(四)DNA解旋酶（DNA helicase）,功能:参与DNA解链 轨道:在DNA复制过程中，以DNA分子为轨道，象解开拉链的拉链头一样，负责把DNA双链分开为两条互补单链 能量来源:DNA解旋酶作为线性分子马达，以DNA分子为轨道，与ATP水解释放的能量相偶联，在释放ADP和Pi的同时将DNA双链分开成两条互补单链。,(五)RNA聚合酶(RNA polymerase),功能:参与RNA聚合 轨道:在DNA转录过程中，以DNA模板为轨道移动，参与RNA的聚合工作。 能量来源:RN
9、A聚合酶则在DNA转录过程中，沿DNA模板迅速移动，消耗的能量来自核苷酸的聚合及RNA的折叠反应。,(六)F1-ATP酶,结构: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。 运动机理:当质子流经这样的通道时产生力矩，从而推动暴露在膜外的亚基的旋转，成为线粒体重要的运输工。 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12 nm，能产生大于100 pN 的力，无载荷时转速可达17转/秒。F1-ATP酶与纳米机电系统（nanoNEMS）的组合已成为新型纳米机械装置。,总结与展望,分子马达作功原理及其能量转换机制的研究是一个涉及生物、化学、物理等多学科的重要课题在近几年来，课题的研究取得很大进展：一是实验手段日趋完善，实验结果越加精确二是课题的研究得到了多学科普遍重视，研究工作开展活跃，并已取得一些重要成果，为进一步深入研究打下了很好基础但这些仅仅是初步的研究分子马达运动机制还有许多工作要做，存在着许多挑战性多学科的问题有待解决,THE END,
