馬達(dá)蛋白沿微管運動的理論模擬與時間飛行法測量光阱剛度.pdf

1、在生物體內(nèi)，分子馬達(dá)參與肌肉收縮、胞質(zhì)運輸、DNA轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞有絲分裂等一系列重要的生命活動。這些生命過程受到生物大分子動力學(xué)行為的調(diào)控，在單分子水平上呈現(xiàn)一定的物理特性，如驅(qū)動蛋白行走的步距、力和速度。這些物理量已成為分子水平上表征其生物特性和生命過程的重要參量。由于光鑷能夠?qū)ξ⑶蚴┘悠づＡ考壍牧Σ⑼瑫r測量納米精度（可達(dá)埃）的位移，已成為研究分子馬達(dá)運動的重要工具。在本文的工作中，利用光鑷體外檢測驅(qū)動蛋白K560的運動并對馬達(dá)蛋白的定向

2、運動進(jìn)行了理論模擬。
　　 馬達(dá)蛋白K560屬于kinesin-1家族蛋白，它能沿著細(xì)胞骨架一微管做定向行走。我們以K560做研究對象，用光鑷捕獲表面修飾K560馬達(dá)的羧基聚苯乙烯小球（直徑約0.5微米）定位到微管上，體外觀察K560馬達(dá)的運動，測量得到的解離力與運動速度均與國際文獻(xiàn)報道一致。K560運動性實驗有助于我們進(jìn)一步研究驅(qū)動蛋白的動力學(xué)行為。
　　 細(xì)胞內(nèi)馬達(dá)蛋白靠水解ATP產(chǎn)生定向運動。一方面，細(xì)胞內(nèi)的液體環(huán)

3、境為化學(xué)反應(yīng)提供能量來源。根據(jù)酶促反應(yīng)過程，采用蒙特卡羅算法對kinesin和dynein的運動進(jìn)行了模擬，分析得出ATP濃度降低、負(fù)載力增大都會減小馬達(dá)的行走速度。另一方面，液體環(huán)境還相當(dāng)于熱浴，為馬達(dá)蛋白的動力學(xué)過程產(chǎn)生隨機(jī)漲落力和相關(guān)能量耗散。采用布朗棘輪模型模擬出無負(fù)載力情況下單頭dynein馬達(dá)的梯跳運動。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本相符，模擬給出的預(yù)計可指導(dǎo)與馬達(dá)功能相關(guān)的實驗。
　　 為了實時地監(jiān)控馬達(dá)在微管上的步進(jìn)運動

4、，我們設(shè)計了光鑷前向探測系統(tǒng)一采用位置敏感探測器直接監(jiān)控顯微鏡聚光鏡后焦平面的激光強(qiáng)度變化。后焦面干涉法與激光光阱的位置無關(guān)，可同時進(jìn)行橫向探測和軸向探測。其三維靈敏度高，線性度好，探測速度快。目前，我們搭建的前向探測系統(tǒng)可以分辨10nm的位移。若進(jìn)一步降低環(huán)境噪聲，分辨率有望能做到更低。
　　 在細(xì)胞層次的力學(xué)特性測量中，由于細(xì)胞的不規(guī)則形狀以及細(xì)胞膜內(nèi)外的折射率相差較小，采用后焦面干涉法以及功率譜密度法不能夠有效地獲取細(xì)胞的

5、位置信息。為此我們發(fā)展了一種基于時間飛行的方法，通過相機(jī)記錄直徑為10微米左右的微球在向光阱中飛行的動態(tài)過程，測量光阱對特定微球的剛度。通過比較不同功率下，不同大小以及不同材料的微球的光阱剛度和誤差，結(jié)果表明時間飛行法適用于測量直徑范圍5～10μm微球的光阱剛度。
　　 本文的創(chuàng)新點在于利用光鑷技術(shù)在單分子層次上開展馬達(dá)蛋白行走機(jī)制的研究。包括理論模擬單頭馬達(dá)的行走和實驗上觀察到K560馬達(dá)的行走。另外，發(fā)展了時間飛行測量光阱剛