世界上最小的馬達(dá)

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　　世界上最小的馬達(dá)-分子馬達(dá)

　　分子馬達(dá)(molecularmotor)，是美國(guó)康奈爾大學(xué)研究人員在活細(xì)胞內(nèi)的能源機(jī)制啟發(fā)下，制造出的一種馬達(dá)。這種微型馬達(dá)以三磷酸腺苷酶為基礎(chǔ)，依靠為細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)提供能量的高能分子三磷酸腺苷(ATP)為能源。

　　分子馬達(dá)即分子機(jī)械或納米馬達(dá)molecular motor(nano-mot-motor,NMM),是由生物大分子構(gòu)成，利用化學(xué)能進(jìn)行機(jī)械做功的納米系統(tǒng)。

　　研究人員把金屬鎳制成的 螺旋槳嫁接到三磷酸腺苷酶分子中軸上。當(dāng)它們被浸于 ATP溶液后，其中5個(gè)分子馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)了起來(lái)，轉(zhuǎn)速達(dá)到每秒鐘8轉(zhuǎn)。據(jù)介紹，這種馬達(dá)只有在顯微鏡下才能被觀察到，其鎳螺旋槳長(zhǎng)750納米(一納米為十億分之一米)。根據(jù)拍攝到的畫面，研究人員可以看到一個(gè)塵埃粒子先被旋轉(zhuǎn)的螺旋槳吸入、再被甩出的情景。

　　分子馬達(dá)，又名分子發(fā)動(dòng)機(jī)，是分布于細(xì)胞內(nèi)部或細(xì)胞表面的一類 蛋白質(zhì)，它們的 構(gòu)象會(huì)隨著與ATP和 ADP的交替結(jié)合而改變，ATP 水解的 能量轉(zhuǎn)化為 機(jī)械能，引起馬達(dá)形變，或者是它和與其結(jié)合的分子產(chǎn)生移動(dòng)。就是說(shuō)，分子馬達(dá)本質(zhì)上是一類 ATP酶。例如肌肉中的 肌球蛋白會(huì)拉動(dòng)粗肌絲向中板移動(dòng)，引起肌肉收縮。而另外兩種分子馬達(dá)：驅(qū)動(dòng)蛋白和動(dòng)力蛋白，它們能夠承載著分子“貨物”-------------如： 質(zhì)膜微粒，甚至是 線粒體和 溶酶體，在由微管構(gòu)成的軌道上滑行，起到運(yùn)輸?shù)淖饔谩?/p>

　　肌球蛋白是微絲結(jié)合蛋白， 最早發(fā)現(xiàn)于肌肉組織，1970年后逐漸發(fā)現(xiàn)許多非肌細(xì)胞的肌球蛋白。其家族有13個(gè)成員，每個(gè)成員在 結(jié)構(gòu)上都分為頭，頸和尾部三個(gè)部分，形似豆芽，而組成上則有輕重兩種鏈。其中的調(diào)節(jié)輕鏈?zhǔn)羌∏虻鞍捉邮苷{(diào)解的位點(diǎn)，就是說(shuō)，調(diào)節(jié)輕鏈的 磷酸化/去 磷酸化狀態(tài)影響著肌球蛋白的活性。其中Ⅰ和Ⅱ型是研究得最徹底的分子馬達(dá)。一些細(xì)胞具有突變的肌球蛋白，它們能正常伸出 偽足，但是卻不能成功移動(dòng)。Ⅰ型和Ⅴ型則是二聚體。趨向微絲的正極運(yùn)動(dòng)。蛋白的頭部能就尾部作屈伸運(yùn)動(dòng)，并在“屈”的時(shí)候拉動(dòng)微絲相對(duì)向后運(yùn)動(dòng)。肌球蛋白除了參與 肌肉收縮外，還被認(rèn) 為是 細(xì)胞遷移

　　所需的重要分子之一。肌球蛋白非常可能參與了“前進(jìn)的四個(gè)步驟”里面胞體收縮的那一步。另外，在細(xì)胞突出一端也可觀察到肌球蛋白，它可能是幫助運(yùn)輸粘著所需要的蛋白質(zhì)，提高粘著效率。

　　分子馬達(dá)靠很小的增值來(lái)工作，轉(zhuǎn)入蛋白質(zhì)構(gòu)象的改變從而能進(jìn)行有引導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)，它需要一條引導(dǎo)馬達(dá)裝配的運(yùn)動(dòng)軌道進(jìn)行有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)來(lái)通過(guò)一段距離。實(shí)際上，我們以前已經(jīng)遇到過(guò)一類分子馬達(dá)，它利用我們即將涉及的分子機(jī)器，即沿著DNA和 RNA軌跡運(yùn)動(dòng)的 解螺旋酶。沿重復(fù)同一亞單位組成的蛋白絲(如肌纖蛋白和 微管)--在高度親緣關(guān)系和低親緣關(guān)系間的馬達(dá)蛋白質(zhì)的循環(huán)，是為使絲狀軌道響應(yīng)于ATP的結(jié)合， 水解。ATP的每一次結(jié)合、推動(dòng)、釋放，都是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的機(jī)制。

　　也存在一種完全不同的策略，就象 大腸桿菌之類的 細(xì)菌那樣用來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，一套 鞭毛扮演著 螺旋槳，在細(xì)菌細(xì)胞膜中做馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)被一個(gè)跨膜的蛋白質(zhì)濃度梯度所驅(qū)動(dòng)，代替被 ATP水解所驅(qū)動(dòng)，一套蛋白質(zhì)濃度梯度去轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)理類似于ATP合成酶的F0亞基的作用.但是,儲(chǔ)存生化能量的主要模式都是ATP和離子 濃度梯度,被漸進(jìn)式的利用去驅(qū)動(dòng)有機(jī)分子運(yùn)動(dòng).

　　真核細(xì)胞含有三種主要的馬達(dá)蛋白家族： 肌球蛋白、kinesins蛋白和 動(dòng)力蛋白。初一看，這些蛋白家族好像彼此很不同。在肌肉中的肌球蛋白，開始時(shí)被描繪成有它自己的作用基礎(chǔ)，沿著肌纖蛋白的絲運(yùn)動(dòng)，肌肉肌球蛋白包括兩個(gè)拷貝,它們都有一個(gè)87kd分子團(tuán)的 重鏈，一個(gè)必需的 輕鏈,和一個(gè)起調(diào)節(jié)作用的 輕鏈。人類基因似乎能編碼超過(guò)40種截然不同的 肌球蛋白,在肌肉收縮中有些功能和另一些參與不同種類的其他過(guò)程。kinesins蛋白在蛋白質(zhì)、囊泡和沿微管的 細(xì)胞器轉(zhuǎn)運(yùn)中起作用，包括 染色體分離。kinesins蛋白常包括兩個(gè)拷貝，一個(gè)是重鏈，一個(gè)是輕鏈，它的重鏈大約只有肌球蛋白長(zhǎng)度的一半。人類基因至少能編碼40種kinesins蛋白。在一些真核細(xì)胞中，動(dòng)力蛋白能驅(qū)動(dòng)纖毛和鞭毛的運(yùn)動(dòng)，和其他作用蛋白相比，動(dòng)力蛋白較大，有個(gè)大于500kd的分子團(tuán)重鏈，人類基因似乎能編碼大約10種動(dòng)力蛋白。

　　比較 肌球蛋白，kinesins和動(dòng)力蛋白的氨基酸序列，并沒(méi)有出現(xiàn)這些蛋白質(zhì)家族之間有意義的關(guān)系，但是，在確定它們的三維結(jié)構(gòu)之后，肌球蛋白和kinesins家族的成員之間被發(fā)現(xiàn)有顯著的相似性，特別是肌球蛋白和kinesins都包含同源的P-環(huán)NTP酶核心部位，這些在 G蛋白中也存在。動(dòng)力蛋白重鏈的序列分析揭示出它是P-環(huán)NTP酶的AAA子家族的一個(gè)成員，我們以前在19S 蛋白解體系統(tǒng)中遇到過(guò)該子家族，動(dòng)力蛋白有6個(gè)序列編碼一個(gè)沿著它的長(zhǎng)段排列的P-環(huán)NTP酶整環(huán)。從而，可以利用有關(guān)G蛋白和其他P-環(huán)NTP酶的知識(shí)來(lái)分析這些馬達(dá)蛋白的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。