分子马达与力生成

肌球蛋白、驱动蛋白和动力蛋白等马达蛋白如何将ATP的化学能转化为沿细胞骨架轨迹的定向力和运动。

Definition

分子马达是一种蛋白质，它将化学能（通常来自ATP水解）转化为机械功，沿聚合物轨迹或底物产生定向力和运动。

Scope

本主题涵盖分子马达的物理学：将核苷酸水解与构象变化和步进耦合的机械化学循环、力-速度关系、进程性以及热噪声在定向运动中的作用。它借鉴了分辨单个马达步进的单分子测量，而轨迹本身和下游细胞力学则在相邻主题中讨论。

Core questions

• 马达的化学循环如何与其机械步进耦合？
• 单个马达产生多大的力和步长？
• 为什么有些马达在不脱离的情况下能进行许多步进（进程性），而另一些则不能？
• 马达如何在热扰动下实现定向运动？

Key theories

机械化学循环

每一轮核苷酸结合、水解和产物释放都驱动一系列构象状态，这些状态将马达附着到其轨迹上，产生动力冲程，并使其脱离，因此化学和机械紧密耦合。

对抗热噪声的定向运动

马达在热力与其产生的力相当的范围内运行，它们通过利用ATP的自由能偏置其循环，而不是通过压倒热波动来实现净定向运动。

Mechanisms

马达结合其轨迹和核苷酸，水解并释放产物驱动构象动力冲程，使负载位移几纳米，然后马达释放并重新结合，重复循环。马达能产生的力约为皮牛顿量级，其速度随阻力增加而下降，从而定义了力-速度曲线。进程性马达协调两个头部，使至少一个保持附着，从而实现长距离运行，而非进程性马达则以团队形式工作。由于它们在热能显著的尺度上作用，马达利用ATP的能量纠正而非克服热运动。

Clinical relevance

马达蛋白驱动肌肉收缩、细胞内运输和细胞分裂，其功能障碍或靶向与心脏、神经和肿瘤相关；此处的生物物理学是教育背景，而非临床建议。

History

继肌肉滑动纤维理论之后，20世纪90年代的光学陷阱实验，包括直接测量单个肌球蛋白的步进和力，解析了单个马达的机械化学循环，并将马达确立为单分子生物物理学的核心研究对象。

Key figures

• James Spudich
• Jonathon Howard
• Ronald Vale
• Toshio Yanagida

Seminal works

• finer1994
• howard2001

Frequently asked questions

单个分子马达产生多大的力？

大约几个皮牛顿，步长为几纳米，这已在单分子光学陷阱实验中直接测量得到。

进程性是什么意思？

进程性马达在脱离之前沿其轨迹连续进行许多步进，因为它始终保持至少一个部分结合；非进程性马达在每次相互作用后脱离并以群体形式工作。