基于高分子模型的分子馬達(dá)動力學(xué)研究.pdf

1、分子馬達(dá)是生物體內(nèi)將三磷酸腺苷(ATP)水解釋放出來的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為定向機(jī)械能的一類蛋白質(zhì)酶的總稱。其運動機(jī)制的核心是：將無規(guī)的化學(xué)反應(yīng)熱直接轉(zhuǎn)化為有序的機(jī)械能。分子馬達(dá)的運動機(jī)制已成為當(dāng)今生物學(xué)界和物理學(xué)界的研究熱點，因為它涉及到一個更為廣泛的物理問題：在沒有外力的作用下，如何將無規(guī)的熱運動轉(zhuǎn)化為定向的機(jī)械能?對這個問題的解答將直接讓人聯(lián)想到違背熱力學(xué)第二定律的第二類永動機(jī)。 生物學(xué)家關(guān)注的是分子馬達(dá)的微觀領(lǐng)域，它們致力于分

2、子馬達(dá)的蛋白質(zhì)生物結(jié)構(gòu)和構(gòu)象形態(tài)的研究；而物理學(xué)家則從宏觀的角度把分子馬達(dá)抽象成為一個簡單的粒子，研究其將隨機(jī)運動轉(zhuǎn)化為定向運動的機(jī)制，至于分子馬達(dá)的內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)往往被忽略。本文則以分子馬達(dá)的中的驅(qū)動蛋白為原型，兼顧其生物結(jié)構(gòu)和物理意義，提出了支化鏈模型，線性場和不對稱勢場下的高分子鏈模型，從高分子的角度來研究分子馬達(dá)的運動機(jī)制。 1．本文用短鏈組成了一個一端吸附的3臂支化鏈模型，用來模擬驅(qū)動蛋白在運動過程中的構(gòu)象分布和能量轉(zhuǎn)化

3、關(guān)系；模型的求解過程中發(fā)現(xiàn)：以無限高方勢阱為邊界條件，用量子力學(xué)中的傳播函數(shù)可以精確地描述高分子短鏈的末端距分布，并且通過傳播函數(shù)的組合性質(zhì)，可以研究星型支化鏈中任意兩臂的末端距分布；最后的理論推導(dǎo)結(jié)果表明：支化點的位置變化決定了驅(qū)動蛋白整個分子鏈的構(gòu)象，這與實驗室得到的結(jié)果一致。 2．本文從理論上推導(dǎo)出線性場下高分子鏈末端距分布函數(shù)，并通過Monte Carlo模擬發(fā)現(xiàn)：在線性場下，高分子理想鏈和真實鏈的均方末端距＜R2＞與鏈

4、長N仍然滿足特定的指數(shù)關(guān)系：＜R2＞～N2ν，臨界指數(shù)ν依然存在：而數(shù)值計算的結(jié)果表明：在0.2到0.8之間選取兩個斜率相差較大的線性場，則分別位于這兩個勢場中高分子鏈的尺寸將有明顯的差異，這為不對稱鋸齒型勢場下分子馬達(dá)定向運動機(jī)制提供了理論支持；最后本文通過對臨界指數(shù)ν與線性場強(qiáng)度的關(guān)系研究后發(fā)現(xiàn)：線性場對高分子鏈尺寸的影響等價于高分子鏈所處空間維數(shù)的改變。 3．不對稱鋸齒型勢場下，高分子鏈構(gòu)象分布的研究為驅(qū)動蛋白的運動機(jī)制提

5、供了一個可供解釋的高分子模型。研究表明：在該勢場下一端固定的高分子鏈的另一自由端在空間上呈現(xiàn)明顯的不對稱性分布，這說明高分子鏈在不對稱的鋸齒型勢場下能產(chǎn)生一個定向的幾率流，在這種情況下，熱力學(xué)第二定律受到限制；其機(jī)理為：不對稱勢場本身的尺寸和高分子的尺寸處于同一水平，導(dǎo)致高分子的鏈段在不對稱勢場中變得顯著，基于宏觀統(tǒng)計理論的熱力學(xué)第二定律在微觀意義下受到限制，無規(guī)到有序轉(zhuǎn)變成為可能；本文通過數(shù)值模擬證明了上述的定向運動機(jī)理：當(dāng)高分子鏈的