基于计算机模拟的多分子马达协作研究

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生物体内各种神奇的过程,比如货物运输、肌肉收缩、信号传导等,无一不需要一类重要的蛋白质分子。这类蛋白质分子可以高效地将化学能转化为机械能,从而产生定向运动。因这种蛋白质分子具有宏观马达的性质,但又处于纳米尺度,故称之为分子马达。分子马达主要分为旋转型和直线推进型,二者除了运动轨道和运动形式之外,并没有本质的区别。经常以驱动蛋白为例研究直线推进型分子马达,驱动蛋白以恒定步长沿微管向微管正极端运动。分子马达的实验研究已经很多,其中最典型的是单分子实验,揭示了单个分子马达的运动机制。受此启发,也产生了很多用以揭示马达运动规律的理论模型。然而细胞内的货物通常需要多个分子马达协同运输,揭示多个分子马达协同货物运输中的合作性对于揭示生命规律意义重大。本文以驱动蛋白为例,运用计算机模拟中的蒙特卡洛模拟方法研究了多个分子马达的运动。分子马达被抽象成一维线性弹簧,其尾部固定在货物上,其头部可以绑定到微管格点上,也可以从微管格点上脱离,还可以在微管上前进或后退。货物整体上受到一个向微管负极端的、恒定的负载外力,且多个分子马达之间只能通过货物发生相互作用。多个分子马达尾部在货物上的绑定位置是固定的,且间距相同。马达头部的绑定率是常数,而脱离率、前进速率、后退速率都是依赖于负载外力的。通过对比实验结果并结合已有的理论模型,给出了四种速率的准确形式,并用蒙特卡洛方法模拟了四种概率下多马达的运动过程,进而统计了行走距离、平均速率、头部间距的时间关联等物理量。模拟结果显示,在低负载区多分子马达的平均速率随马达数目的增加而略微下降,在高负载区随马达数目的增加而增加,而行走距离总是随着马达数目的增加而迅速增加。研究零负载下两马达的运动发现,马达劲度系数越大,两马达头部间距越小。虽然两马达头部间距随时间变化,但在不同时刻存在时间关联,且关联时间与马达劲度系数成反比。另外负载力也可以使两马达头部间距变小。模拟结果表明,多个分子马达合作确实能使货物运输得更远,有利于细胞内货物的长距离运输。而货物负载较小时,多马达合作并不能增加运输速率,只有货物负载较大时,多马达运输速率的增加才比较明显。这说明货物负载较大时,多马达的合作性优势更明显。货物负载较大时,两马达头部间距变小,也有利于多马达发挥合作性。另外还可以通过两马达头部间距的关联时间推测马达劲度系数。
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