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1、河北工业大学 硕士学位论文 ATPase旋转催化运动的随机跃迁动力学研究 姓名：郑燕 申请学位级别：硕士 专业：理论物理 指导教师：展永 20070601 河北工业大学硕士学位论文 - i - ATPase 旋转催化运动的随机跃迁动力学研究旋转催化运动的随机跃迁动力学研究 摘摘 要要 分子马达是利用化学能进行机械做功的纳米系统，天然的分子马达，如：驱动蛋白、 DNA 和 RNA 聚合酶、 肌球蛋白、 ATP 合酶等， 在生物体内参与了胞质运输、 DNA 和 RNA 复制、细胞分裂、肌肉收缩、ATP 的合成等一系列重要的生命活动。分子马达包括线性分 子马达和旋转分子马达两大类。众多的分子马达中，
2、ATP 合酶作为典型的旋转分子马达， 由于其特有的动力学特性引起了人们的广泛兴趣。该马达蛋白既可在跨膜质子势的推动下 催化合成 ATP；也可以利用水解 ATP 释放的化学能而充当质子泵，把质子从线粒体基质中 输送到内膜外侧，其能量转化效率高达 100%。旋转分子马达的这些特点给生物物理学提出 了新颖而富于挑战性的新课题。 正是在以上意义鼓舞下，本工作首次采用随机动力学主方程方法研究旋转分子马达， 以便从 ATP 合酶动力学的角度进一步了解旋转分子马达动力学机制。具体工作如下：结合 旋转分子马达 ATP 合酶结构的生物背景，选取 ATP 合酶一个 亚基上的催化位点研究， 将 亚基沿 3 3 的运
3、动轨迹视为一维运动，首次运用随机主方程方法，建立了四态随机 跃迁旋转催化运动的理论模型。通过对 ATP 合酶做旋转催化运动的动力学行为作定性分 析，得到各态分布几率与 ATP 浓度之间的变化关系，以及旋转角速度、扩散系数与 ATP 浓度和负载力之间的变化曲线，得出符合旋转分子马达生物机理的结果，定性半定量地解 释了 ATP 合酶的一些实验现象。 关键词：关键词：ATP 合酶，四态模型，主方程方法，生物物理 ATPase 旋转催化运动的随机跃迁动力学研究 - ii - THE RESEARCH OF ATPASES ROTATION CATALYSIS STOCHASTIC TRANSITION
4、 DYNAMICS ABSTRACT Molecular motors are nanometer system which can transduce the chemical energy into mechanical work. Native molecular motors, such as kinesin, myosin, ATPase and so on, play an important role in the process of the intracellular transport, DNA and RNA duplication, mitosis, muscle co
5、ntraction, composition of ATP, and so on. Molecular motors involve two species: linear molecular motors and rotary molecular motors. The ATPase as a kind of typical rotary molecular motor has received extensive interests for its special dynamical mechanics in numerous motors. They can synthesize ATP
6、 using a transmembrane proton potential established by electrochemical gradient or perform as a proton pump using the hydrolysis energy of ATP. The efficiency of the ATPase is approximately 100%. The novel and challenging problems in this field need to be further discussed in the view of biophysics.
7、 The work has been finished under the inspirit of the above-mentioned significance. First introduce the master equation into the research of the rotary molecular motor, in order to know clearly about the mechanism of the rotary molecular motor from the point view of ATPases dynamics. The mainly scie
8、ntific works are as follows : Chose the catalytic sites of one subunit, to acquire the trace of the subunit which rotates around 3 3 subunits and regarded it as one dimension movement. Put forward for the first time a stochastic hopping model which describes the rotary four-state molecular motors dy
9、namic action. And obtained the relationship between the 河北工业大学硕士学位论文 - iii - probability distribution and ATPs concentration, and the change curves between the rotary angle velocity, diffusion coefficient and ATPs concentration, load force, and got a result which accords with the rotary molecular mo
10、tors biological mechanism. And explains several experimental phenomena qualitatively and quasi-quantitively from theory. KEY WORDS: ATPase, four-state model, master equation, biophysics 河北工业大学硕士学位论文 - 1 - 第一章 绪 论第一章 绪 论 分子马达主要包括驱动蛋白（kinesin） 、肌球蛋白（myosin） 、动力蛋白（dynein） 、DNA解旋酶和 RNA聚合酶（RNA polymerase
11、）和旋转分子马达（Rotary Molecular Motor）等 13，这些蛋白在生物体 内参与了胞质运输、DNA和RNA复制、细胞分裂、肌肉收缩和ATP的合成等一系列重要的生命活动 4，5。 通常，人们按其运动机制将其分为线性分子马达和旋转分子马达，其中线性分子马达包括驱动蛋白、肌 球蛋白和动力蛋白等等，旋转分子马达主要包括ATP合酶、细菌鞭毛以及各种门马达等等。旋转分子马 达因为结构精巧，能量转化效率高，某些旋转分子马达效率甚至接近100% 6，因而对其运行机制的研究 倍受科学家的关注。较典型的旋转分子马达是ATP合酶，它们是合成ATP的基本场所，也是生物体能量 转化的核心酶，全称为F0
12、F1-三磷酸腺苷酶，它们广泛存在于线粒体内膜。F0F1-ATPase的能量转化效率 几乎为100%，这是无磨损的生物马达，因此其高效性的研究具有重要的理论意义和潜在的研究价值 7。 并且自从Yashida和Kinosita的直接观测F1-ATPase的旋转运动的单分子实验结果发表后 8，对这一旋转分 子马达相关的实验研究更是层出不穷。 对分子马达的理论研究工作， 主要集中在解释它的运动机制和实验现象上。 因为分子马达在一个化 学力学循环过程各个中间态之间的跃迁具有随机性并呈梯跳式运动， 因此， 研究此过程所用的理论工具 为描述跳过程的随机方法主方程。 主方程用确定的方程来描写随机的不确定的过程
13、， 该研究方法应用 很广泛，它应用于分子马达的生物背景，从力学态与化学态的结合来解释分子马达的运动。 根据这个指导思想，本文工作的主体分为两大部分，第一部分包括第二章节，介绍了分子马达尤其 是旋转分子马达的代表ATP合酶的生物学背景； 第二部分主要包括第三至五章， 分别介绍了主方程方法、 主方程运用于旋转分子马达ATP合酶的动力学分析以及研究前景展望。具体研究内容安排如下： 第二章概述了分子马达研究的生物学背景和基础知识， 具体包括线性分子马达和旋转分子马达的种 类、结构特征、运行机制与最新研究进展； 第三章介绍了描述随机过程的理论计算方法主方程方法，着重计算了线性分子马达一维周期性N 态跃迁
14、模型的稳态情况； 第四章为旋转分子马达四态随机跃迁定向运动机制的研究， 这是本文所做主要工作。 以旋转分子马 达ATP合酶结构为基础，将主方程方法运用其中，提出了描述旋转分子马达ATP合酶四态随机跃迁催化 运动的理论模型，得到各态分布几率与ATP浓度之间的变化关系，以及旋转角速度、扩散系数与ATP浓 ATPase 旋转催化运动的随机跃迁动力学研究 - 2 - 度和负载力之间的变化曲线， 并且得出了符合旋转分子马达生物机理的结果， 定性半定量地解释了其动 力学行为； 第五章为结论与展望， 指出旋转分子马达结构和功能的研究是生命科学的一个核心问题， 并对旋转 分子马达的研究前景进行了展望。 由于分
15、子马达的结构及所处的生物环境极其复杂， 所讨论的的四态模型仍为简化情况， 与实际仍有 很大的差距，参数的设定和选值也有待进一步研究，因此，理论有待于发展。 河北工业大学硕士学位论文 - 3 - 第二章 分子马达研究的生物学背景和基础知识 第二章 分子马达研究的生物学背景和基础知识 2-1 分子马达概述 2-1 分子马达概述 生命是美丽的，美丽因生命而存在，生命因美丽而永恒。伟大的物理学家埃尔文薛定谔在其名著 生命是什么一书中指出 9： “在有机体的生命周期里展开的任何事件，都显示出一种美妙的规律性 和秩序性，我们碰到过的任何一种无生命物质都是无法与之相比的。 ”生命科学以其特有的魅力吸引人 们
16、参与到对它的研究中来，研究生命科学、向生命学习将是本世纪生命科学研究的特色 10。 众所周知，生命结构与生命活动的基本单位是细胞，细胞呈现出一个独立的、有序的、自动控制性 很强的代谢体系， 那么维持细胞新陈代谢需要消耗大量的能量， 这些能量的直接来源就是高能磷酸化合 物ATP(三磷酸腺苷)。随着 1929 年，KLohmann首先发现了ATP，一直到 1939 年至 1941 年期间，Fritz Lipmann(1953 年诺贝尔奖得主)证实了ATP是细胞内所有生物化学能量的储运者，并且证实能量是储藏 于高能磷酸键中。所有的生物中，从细菌、霉菌一直到高等动物、植物，包括人类在内，ATP都扮演了 能量储运者的角色，这是由其分子结构所决定的。ATP分子在酶的作用下，第三个磷酸根能够很快地从 ATP分子上脱掉，使ATP变成ADP，在这个过程中脱掉一个磷酸，高能磷酸键水解，释放出大量的能量； 相反，在能量的供应和酶的作用下，一个磷酸很快地结合在ADP上，使ADP变成ATP，在这个过程中结 合一个磷酸，形成高
