驅(qū)動蛋白馬達KIF1A的靜電運動機制.pdf

1、運動是生命體的一個本質(zhì)特征，正因如此人們常說：生命在于運動。生命體很多運動都是通過一種神奇的蛋白機器來完成的，它就是分子馬達。所有的分子馬達都有一個共同的特征，即利用ATP水解釋放的能量來調(diào)整構(gòu)象的變化，最終實現(xiàn)在細胞質(zhì)內(nèi)沿軌道的定向運動。分子馬達在細胞內(nèi)能夠通過納米級的步子來完成多種貨物的運輸，改變細胞的位置，驅(qū)動細胞分裂，并且當(dāng)它們的作用積累到一定程度就可以引起整個機體的運動。驅(qū)動蛋白馬達(kinesin)是一類在微管(microt

2、ubule)上運動的分子馬達，雖然關(guān)于它的研究上已取得了一定的成果，但是到目前為止，人們?nèi)圆磺宄?qū)動蛋白馬達將ATP水解的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機械能的微觀機理，以及它是如何實現(xiàn)在微管表面定向的周期性前進的。 為了探測驅(qū)動蛋白的微觀運動機制，我們以一類單頭驅(qū)動蛋白馬達KIF1A作為研究對象，這種馬達可以沿微管連續(xù)前進約700步而不從微管上脫離。由于驅(qū)動蛋白馬達與微管相互作用的關(guān)鍵部位主要是一些帶正電的氨基酸，而微管表面主要是一些含負電的

3、氨基酸，所以在驅(qū)動蛋白馬達沿微管運動時靜電相互作用一定扮演了重要角色，基于K1F1A已有的相關(guān)研究和得到的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，我們利用泊松-波爾茲曼方程研究了KIF1A的靜電運動機制，通過計算發(fā)現(xiàn)： 第一，KIF1A馬達頭部與微管間的靜電相互作用能具有嚴格的周期性，而且靜電相互作用在保持馬達定向移動到微管正端過程中起到了至關(guān)重要的作用； 第二，當(dāng)馬達頭部完成ATP水解時，進入一個活躍的解離狀態(tài)(active-detaching

4、 state)，在這個狀態(tài)馬達頭部與微管間相互作用最弱，但是這時馬達頭部在微管勢場下的最低勢能點已經(jīng)偏離了結(jié)合位點，所以在靜電力（約為2PN）和其它張力的驅(qū)動下馬達可以順利地從結(jié)合位點解離； 第三，驅(qū)動蛋白馬達KIF1A在從弱結(jié)合態(tài)向強結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化過程中存在一個過渡的結(jié)合狀態(tài)，在這個狀態(tài)期間馬達完成了合理結(jié)合位點的識別，我們利用同源模建(homology model)的方法模建了這個過渡狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)，通過計算發(fā)現(xiàn)靜電相互作用對驅(qū)