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生物分子马达


□ 舒咬根

  摘要 生物分子马达处在生命与纳米两学科的交叉点上,注定会成为本世纪基础研究的主角%--。生物分子马达的研究尽管经历了150多年,但突破陆进展出现在最近二十年,这既得益于单分子技术的发展,更要归功于物理学家、生物化学家、医学家及计算学家等的联合交叉研究。文章回顾了分子马达研究的历程,展示了主要成果,也提出了面临的问题。
  关键词 分子马达,持续性,自动性,力学化学耦合
  
  1 引言
  
  生物分子马达是将化学能转化为力学能的生物大分子。这些大分子广泛存在于细胞内,它们是蛋白质,也可以是DNA,常处在纳米尺度,因此也称纳米机器。生物分子马达能主动地从环境中俘获“能量分子”ATP,借助热涨落来消耗ATP水解所释放出的化学能,进而改变自己的构象一旦与轨道结合,马达通过构象变换产生与轨道间的相对运动,因此,它们具备“自动性”(motility)。生物分子马达按材料属性可分为两大族,分别是蛋白马达和DNA马达。
  1.1蛋白马达
  蛋白马达按运动形式又可分为线动和转动两大类。线动马达常常与特定轨道结合在一起,利用ATP水解释放出的化学能产生与轨道的相对运动,其作用机制与人造发动机类似。这类马达主要有肌球蛋白(myosin)、驱动蛋白(kinesin)和动力蛋白(dynein)等;转动马达则类似于人造电机,也由“转子”和“定子”两部分组成这类马达包括鞭毛马达(flagellar)和ATP合成酶(ATP syn-thase)等。它们往往是可逆的。其中ATP合成酶既是“电动机”又是“发电机”。某些蛋白马达的性质及其与人造机器的比较。
  
  线动马达又可分为持续(proeesNve)和非持续(non-proeessive)马达。所谓“持续马达”是指那些能沿轨道作长距离连续推进而不脱轨的马达,其“占空比”(duty rati-o)接近100%,在细胞内独立担当各种任务。而“非持续马达”的“占空比”低于2%,它们往往聚团,以集体形式参与细胞的运动,肌肉收缩即为该现象的体现形式之一。
  1.2 DNA马达
  DNA作为生命遗传物质,其生化性质和生物学意义已为人们所熟知。然而作为一种纳米尺度的材料,DNA以其自身的可编程性、结构的多样性和变化的可控性等诸多优点成为纳米科学、生物科学和材料科学交汇点的一颗明星。
  DNA分子马达运转的基础是DNA不同构象间的可控转化,这种转化的控制条件可以是多种多样的。目前已经设计的DNA马达按控制条件可分为两大类:一类是环境刺激响应的马达,这类分子的构象取决于溶液的环境条件,如温度、pH值或某种离子的浓度等,因此,通过变温或加人酸、碱、盐等方法改变溶液的环境条件,即可驱动马达的运转;第二类是基于链交换反应的马达,即利用DNA双链互补配对的性质,将特异性的DNA链作为燃料来驱动DNA分子的构象变化。 ......
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摘自:物理
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