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1、河北工业大学硕士学位论文Myosin V定态持续及不等间距跃迁动力学研究姓名：葛亮申请学位级别：硕士专业：生物物理学指导教师：赵同军20071201河北工业大学硕士学位论文 - i - Myosin V 定态持续及不等间距跃迁动力学研究 定态持续及不等间距跃迁动力学研究 摘摘 要要 Myosin V 广泛存在于神经细胞以及色素细胞中。它们担负多种形式的胞内运输，当它们的输运出现问题时将会导致毛发变白或神经系统的崩溃。Myosin V 属于肌球蛋白超大家族中的一员，是非传统的肌球蛋白，Myosin V 的显著特点是它不同于其它肌球蛋白集体协作式的运动。其运动机制和驱动蛋白类似，是一种持续性蛋白马
2、达。Myosin V 能够在“脱轨”之前经历许多次催化水解同时沿微丝（actin filament）一步一步运动长达几微米。目前，Myosin V 已成为肌球蛋白家族中最重要的研究对象之一。 Myosin V 具有独特的结构特征和运动特征，在最近几年吸引了许多研究者的注意力。随着单分子荧光技术和光钳技术的发展，不但可以清晰地观察到马达蛋白的结构，还可以观察到 Myosin V 沿肌动蛋白微丝以一种“Hand-over-Hand”的形式向正极（barbed end）一步一步做定向运动，并且每一步长度大约是 36nm，这么大的步长恰好和肌动蛋白微丝的周期长度相一致，Myosin V 每向前运动一步
3、都伴随着一个 ATP 分子的水解，因此，myosin V 的运动具有周期性。Myosin V 将 ATP 水解产生的化学能转化为机械能，来实现它对“货物”的输运。 近几年来，Myosin V 一系列跃迁模型相继建立起来，比如弹性杆臂模型，两态随即跃迁模型，三态随机跃迁模型，但从生物化学观点来看，Myosin V 分子在一个力学化学周期中经历了多个中间状态。目前，一般认为一个力学化学周期中经历了五个中间态是合理的。为此，本文在五态跃迁模型下着重讨论了 Myosin V 的在马达拖动负载时持续向前运动的定态跃迁， 得到了稳态漂移速度随着 ATP 浓度的理论变化曲线，同实验结果进行了比较，结果表明：
4、理论曲线与实验基本吻合，较好的说明了马达在拖动负载运动时的各种动力学行为。另外本文还运用一维 N 态随机跃迁的理论推导出在马达拖动负载时五态跃迁的稳态弛豫时间同 ATP 浓度和负载力的函数关系曲钱，并且同实验结果进行了比较，这样有助于我们对 Myosin V 动力学更进一步的理解。在附录 B 中，我们还对分子马达的力能学做了初步讨论。 关键词：关键词：Myosin V，五态模型，化学动力学，跃迁速率，不等间距跃迁，稳态分析 Myosin V 定态持续及不等间距跃迁动力学研究 - ii - THE RESEARCH OF PROCESSIVE DYNAMICS OF THE MYOSIN VS
5、STATIONARY STATE MOTION AND TRANSITION DYNAMICS WITH UNEQUEL SUBSTEPS ABSTRACT Myosin V exist in nerve cells or in pigment cells extensively.Myosin V is a motor involved in different forms of intracellular transport .When the transport cant work,the hair will turn white or the nerve system will brea
6、k down. Myosin V is one of the myosin superfamily.It is an unconventional motor. The distinct characteristic of Myosin V with the other myosins which do cooperative movement. The mechanism of the myosin V is similar to the kinesin. As a processive motor, a myosin V molecule carries its intracellular
7、 cargo for long distances along an actin track, taking multiple steps before detaching and deriving the energy for each step from the hydrolysis of ATP. Myosin V is one of the most important studying object of myosin superfamily. Because it was the first discovered processive motor from the myosin s
8、uperfamily and due to its unique features, including a very long step size, it has drawn a lot of attention in recent years and now belongs to the best studied motor proteins. The experiments have characterized it mechanically biochemically optically and structurally. These studies have shown that m
9、yosin V walks along actin filaments in a hand-over-hand fashion with an average step size of about 36 nm, roughly corresponding to the periodicity of actin filaments. The energy of the hydrolysis of ATP made the myosin V transport the “cargo”. These years ,many transition models were constructed,suc
10、h as elatic lever arm model,2-state transition model and 3-state transition model.But from the viewpoint of the biochemistry,myosin V molecule experience many middle state. At present,it is reasonable to consider that there are 5 middle state in one mechanical and chemical cycle.Therefore,we discuss
11、 5-state model of the myosin Vs processive directional movement under the load force.We obtain the velocity as a function of the ATP concentration.The theoretical curves accord with 河北工业大学硕士学位论文 - iii - the experimental data.And it explains kinds of the dynamics of the motor under the load force. In
12、 addition,We worki out the dwell time as a function of the ATP concentration and the load force by the theory of one dimension N-state transition model.They accord with the experimental data.This work helps us to understand the kinetics mechanism of myosin V better. In addendum B,we have discussed t
13、he energetics of molecule motor. KEY WORDS: Myosin V, 5-state model, Chemical kinetics, Transition rate, Transition with unequal substeps, Analysis of steady state 河北工业大学硕士学位论文 - 1 -第一章 绪第一章 绪 论论 1991 年美国科学家Johnston在小鼠稀有变种里首次发现了一种致使毛发变白的基因， 取名 myosin V。它广泛存在于神经细胞以及色素细胞中。 Myosin V担负多种形式的胞内运输，当它的输运出现问
14、题时将会导致毛发变白或神经系统的崩溃。Myosin V属于肌球蛋白超大家族中的一员，是非传统的肌球蛋白，Myosin V的显著特点是它不同于其它肌球蛋白集体协作式的运动。其运动机制和驱动蛋白类似，是一种持续性蛋白马达1-3。 Myosin V能够在 “脱轨” 之前经历许多次催化水解同时沿微丝 （actin filament）一步一步运动长达几微米。目前，Myosin V已成为肌球蛋白家族中最重要的研究对象之一。 Myosin V具有独特的结构特征和运动特征，在最近几年吸引了许多研究者的注意力。随着单分子荧光技术和光钳技术的发展，不但可以清晰地观察到马达蛋白的结构，还可以观察到Myosin V
15、沿肌动蛋白微丝以一种“hand-over-hand”的形式向正极（barbed end）一步一步做定向运动，并且每一步大小大约是 36nm，4这么大的步长恰好和肌动蛋白微丝的周期长度相一致，myosin V每向前运动一步都伴随着一个ATP分子的水解，因此，myosin V的运动具有周期性。Myosin V将ATP水解产生的化学能转化为机械能，来实现它对“货物”的输运。近几年来，Myosin V一系列跃迁模型相继建立起来，比如弹性杆臂模型、两态随机跃迁模型，三态随机跃迁模型，但从生物化学观点来看，Myosin V分子在一个力学化学周期中经历了多个中间状态。5-8目前，一般认为一个力学化学周期中经
16、历了五个中间态是合理的。为此， 本文对五态跃迁模型运用化学动力学方法和不等间距跃迁的方法进行了计算和分析， 得到了和实验相一致的结果，第二章介绍了分子马达的研究背景，特别是本文的研究对象Myosin V的生物学背景。第三、四章为本人的主要工作，其中第三章对单分子马达Myosin V的定态持续运动的动力学进行了研究，第四章是Myosin V的稳态的不等间距跃迁的动力学研究和分析。同时，把得到的结果与实验进行了比较和分析，理论与实验结果相一致，这样有助于对Myosin V动力学更进一步的理解。在第五章中，对本文作的主要工作做了一个总结，并且作出了对分子马达研究的展望。另外，在附录中给出了分子马达力能学方面的初步结果。 Myosin V 定态持续及不等间距跃迁动力学研究 - 2 - 第二章第二章 分子马达的研究背景介绍分子马达的研究背景介绍 21 分子马达分子马达 如果地球上只有植物，不管是如何的绿色葱郁，总还是缺乏趣味，因此当动物也出现的时候，这个星球才真正热闹起来。顾名思义，动物之所以能够活跃气氛的关键，就是能够自主运动，而自主运动的关键，则是在于动物具有能够
