世界上最小的馬達

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　　世界上最小的馬達-分子馬達

　　分子馬達(molecularmotor)，是美國康奈爾大學(xué)研究人員在活細胞內(nèi)的能源機制啟發(fā)下，制造出的一種馬達。這種微型馬達以三磷酸腺苷酶為基礎(chǔ)，依靠為細胞內(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。

　　分子馬達即分子機械或納米馬達molecular motor(nano-mot-motor,NMM),是由生物大分子構(gòu)成，利用化學(xué)能進行機械做功的納米系統(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。當它們被浸于 ATP溶液后，其中5個分子馬達轉(zhuǎn)動了起來，轉(zhuǎn)速達到每秒鐘8轉(zhuǎn)。據(jù)介紹，這種馬達只有在顯微鏡下才能被觀察到，其鎳螺旋槳長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，又名分子發(fā)動機，是分布于細胞內(nèi)部或細胞表面的一類 蛋白質(zhì)，它們的 構(gòu)象會隨著與ATP和 ADP的交替結(jié)合而改變，ATP 水解的 能量轉(zhuǎn)化為 機械能，引起馬達形變，或者是它和與其結(jié)合的分子產(chǎn)生移動。就是說，分子馬達本質(zhì)上是一類 ATP酶。例如肌肉中的 肌球蛋白會拉動粗肌絲向中板移動，引起肌肉收縮。而另外兩種分子馬達：驅(qū)動蛋白和動力蛋白，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)許多非肌細胞的肌球蛋白。其家族有13個成員，每個成員在 結(jié)構(gòu)上都分為頭，頸和尾部三個部分，形似豆芽，而組成上則有輕重兩種鏈。其中的調(diào)節(jié)輕鏈是肌球蛋白接受調(diào)解的位點，就是說，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。一些細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。Ⅰ型和Ⅴ型則是二聚體。趨向微絲的正極運動。蛋白的頭部能就尾部作屈伸運動，并在“屈”的時候拉動微絲相對向后運動。肌球蛋白除了參與 肌肉收縮外，還被認 為是 細胞遷移

　　所需的重要分子之一。肌球蛋白非?？赡軈⑴c了“前進的四個步驟”里面胞體收縮的那一步。另外，在細胞突出一端也可觀察到肌球蛋白，它可能是幫助運輸粘著所需要的蛋白質(zhì)，提高粘著效率。

　　分子馬達靠很小的增值來工作，轉(zhuǎn)入蛋白質(zhì)構(gòu)象的改變從而能進行有引導(dǎo)的運動，它需要一條引導(dǎo)馬達裝配的運動軌道進行有規(guī)則的運動來通過一段距離。實際上，我們以前已經(jīng)遇到過一類分子馬達，它利用我們即將涉及的分子機器，即沿著DNA和 RNA軌跡運動的 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、釋放，都是產(chǎn)生運動的機制。

　　也存在一種完全不同的策略，就象 大腸桿菌之類的 細菌那樣用來產(chǎn)生運動，一套 鞭毛扮演著 螺旋槳，在細菌細胞膜中做馬達旋轉(zhuǎn)，這個旋轉(zhuǎn)的馬達被一個跨膜的蛋白質(zhì)濃度梯度所驅(qū)動，代替被 ATP水解所驅(qū)動，一套蛋白質(zhì)濃度梯度去轉(zhuǎn)動運動的機理類似于ATP合成酶的F0亞基的作用.但是,儲存生化能量的主要模式都是ATP和離子 濃度梯度,被漸進式的利用去驅(qū)動有機分子運動.

　　真核細胞含有三種主要的馬達蛋白家族： 肌球蛋白、kinesins蛋白和 動力蛋白。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，開始時被描繪成有它自己的作用基礎(chǔ)，沿著肌纖蛋白的絲運動，肌肉肌球蛋白包括兩個拷貝,它們都有一個87kd分子團的 重鏈，一個必需的 輕鏈,和一個起調(diào)節(jié)作用的 輕鏈。人類基因似乎能編碼超過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程。kinesins蛋白在蛋白質(zhì)、囊泡和沿微管的 細胞器轉(zhuǎn)運中起作用，包括 染色體分離。kinesins蛋白常包括兩個拷貝，一個是重鏈，一個是輕鏈，它的重鏈大約只有肌球蛋白長度的一半。人類基因至少能編碼40種kinesins蛋白。在一些真核細胞中，動力蛋白能驅(qū)動纖毛和鞭毛的運動，和其他作用蛋白相比，動力蛋白較大，有個大于500kd的分子團重鏈，人類基因似乎能編碼大約10種動力蛋白。

　　比較 肌球蛋白，kinesins和動力蛋白的氨基酸序列，并沒有出現(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子家族的一個成員，我們以前在19S 蛋白解體系統(tǒng)中遇到過該子家族，動力蛋白有6個序列編碼一個沿著它的長段排列的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酶的知識來分析這些馬達蛋白的運動機理。