肌节作为骨骼肌的结构和功能单元,主要由粗肌丝和细肌丝构成,粗肌丝上伸出多个II型肌球蛋白。在骨骼肌收缩时,肌球蛋白会周期性地结合于细肌丝,并对其施加力作用,致使肌丝间会发生相对滑动。对骨骼肌收缩进行定量研究,有助于理解力对肌球蛋白工作的影响;有助于认识分子马达间的协调作用;有助于加深对分子马达工作机制的认识;有助于促进对分子马达参与的诸多细胞活动的研究,如细胞分裂、纤毛摆动、细胞机械感知和细胞内物质运输等。本文利用理论建模与数值模拟方法对骨骼肌收缩进行多尺度研究,工作或可以用于设计高能量转换率的人工马达。主要研究内容有:(1)利用肌节收缩的稳态模型,对不同情形下的肌节收缩过程进行模拟。研究ATP水解脱开方式和断键脱开方式对工作肌球蛋白力的调节作用。模拟结果表明,在肌球蛋白仅可通过ATP水解方式从细肌丝脱开时,工作肌球蛋白的数目随着外力的增大而增多,此时工作肌球蛋白上的力近乎不变,呈现力稳态现象。在肌球蛋白仅能通过逆锁键断键方式从细肌丝脱开时,工作肌球蛋白的数目不能得到很好的调节,此时肌球蛋白上的力随着外力的增大而增大,表明肌球蛋白的力稳态现象与逆锁键的存在无关。(2)结合肌球蛋白的结构,发展肌球蛋白的瞬态模型,研究肌球蛋白的做功过程,讨论温度对肌球蛋白做功的影响。结果表明,肌球蛋白上的力与滑移距离间呈双线性关系,在肌节收缩时,做功过程中肌球蛋白上的力近乎不变,做功结束后肌球蛋白上的力随着滑移距离的增大而线性减小。随着温度的升高,肌球蛋白的等长肌力会增大,等张收缩长度会下降,而肌球蛋白可释放的弹性能却近乎不变。(3)利用肌球蛋白的状态转换模型,分析肌球蛋白的脱开方式,计算肌球蛋白不同脱开方式的脱开速率。结果表明,肌球蛋白的状态转换和断键间存在耦合性,由于状态转换速率要高于肌球蛋白的断键速率,致使实验所测得肌球蛋白脱开速率较高。(4)结合肌球蛋白做功的瞬态模型,建立肌节收缩的瞬态理论,研究肌球蛋白做功过程对肌节收缩的影响,建立肌球蛋白行为与肌节行为之间的联系。在模型中考虑肌球蛋白断键方式,研究断键方式的存在对肌节收缩速度、工作肌球蛋白数目和工作肌球蛋白上力的影响。肌节收缩瞬态模型下肌节收缩速度、工作肌球蛋白数目和其上的力随外力的变化趋势与实验结果相近,随着外力的增大,肌节收缩速度减小,工作肌球蛋白的数目增多,工作肌球蛋白上的力近乎不变。结果表明瞬态模型能较好地模拟肌节收缩,可用于进一步的瞬态过程研究,如模拟肌节收缩的力瞬态过程和速度瞬态过程;模拟应力纤维对基体刚度的感知过程等。