利用珠鏈在週期性棘齒上震動 模擬驅動蛋白馬達的運動行為

Simulation of motion of kinesin molecular motor by vibrated granular chains on the periodic ratchet

陳冠華(Chen, KuanHua)

指導教授 ： 周亞謙

國立清華大學/理學院/物理學系/碩士(2012年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2012.00378

摘要

驅動蛋白是分子馬達的一種，在細胞內扮演運輸物質的工作，它由細胞內獲取ATP能量轉換為動能在微管上往固定方向運動；驅動蛋白的結構可以分為3個部分(1)Two-Head(2) Stalk(3)Tail，Head吸附在微管表面以獲取ATP能量，Tail負責連接負載物，使驅動蛋白能拖動負載物運行，而Stalk是長鏈聚合物連結Tail和Head；驅動蛋白最有名的模型是 hand - over- hand model，指的是驅動蛋白在微管上靠著兩個Head交互往前移動，其中一個Head往前移動時另一個Head會固定於微管上，就如同走路一樣，所以驅動蛋白被稱作”會走路的蛋白質 ”；研究發現，驅動蛋白必須同時存在Head和Stalk的結構才能夠沿著微管運動，甚至只要一個Head連接著Stalk就能沿著微管運行，這個現象是無法用hand - over- hand model解釋的；有趣的是Stalk不僅是連接Tail和Head的功能還參與驅動蛋白運動的過程，所以了解Stalk如何在驅動蛋白運動的作用具有重要的意義；驅動蛋白有輸送物質的功能和高能量轉換率(%60)，所以了解驅動蛋白的運動機制對奈米機器人等仿生的應用非常重要。

本實驗用珠鏈和週期性棘齒結構的震動板去模擬驅動蛋白在微管上的運動，珠鏈類比為驅動蛋白的Stalk、棘齒板類比為微管，來模擬出驅動蛋白的Stalk在微管上
的運動行為，實驗結果得到震動中的珠鏈在棘齒板上的運動行為和驅動蛋白在微管上運動有8種相似之處的運動行為

1. 固定方向運動；驅動蛋白在微管上是從minus end 到 plus end方向運動 [1]；珠鏈從棘齒結構勾到股方向運動。
2. 驅動蛋白的運動速度與空間內ATP濃度是正相關[9]；珠鏈的運動速度與振動板的垂直加速度是正相關。
3. 驅動蛋白在不同ATP濃度的溶液中，Stall force幾乎不變[10]；珠鏈的Stall force與振動板的垂直加速度關聯性不大。
4. 驅動蛋白受到與運動方相反方向的施力，施力值與驅動蛋白質心速度是線性關係，施力越大則驅動蛋白的質心速度越小[10]；珠鏈受到與運動方相反方向的施力，施力值與珠鏈質心速度是線性關係，施力越大則珠鏈的質心速度越小。
5. 驅動蛋白在低速運動下(<20nm/s)，質心會以8nm為單位(微管組成的單位長度)往plus end方向運動[7]；利用珠鏈和震動中棘齒板可以模擬出珠鏈質心以單一個棘齒結構寬為移動單位從勾到股方向運動
6. 兩個驅動蛋白作用於負載上，stall force剛好是一個驅動蛋白stall force施力的2倍[18]，而數值模擬作用於負載的驅動蛋白數量與Stall force成正比關係[17][18]；珠鏈實驗的stall force與珠鏈並聯數目成正比關係。
7. 作用於負載的驅動蛋白數量與負載質心速度無關[15]；珠鏈實驗的珠鏈質心速度與珠鏈並聯數目無關。
8. 實驗上驅動蛋白只需要一個Head和Stalk結構就能在微管上運動[14]；單一條珠鏈在棘齒板上運動，就可以模擬出Stalk結構在微管上運動。

生物研究認為Head是驅動蛋白的動力來源，Head由溶液中獲得ATP能量產生運動；從珠鏈模擬驅動蛋白的結果，我相信Stalk做布朗運動撞擊微管表面是驅動蛋白的動力來源，而Head的功能是將驅動蛋白吸附在微管表面。對於驅動蛋白的研究而言，這是一個全新的想法，如果這個想法是正確的，則對於驅動蛋白的研究會是非常重要的貢獻。

關鍵字

驅動蛋白 ； 微管 ； 分子馬達

並列摘要

無資料

並列關鍵字

kinesin ； Microtubule ； Molecular motor

參考文獻

[20] 曾喬毓, ”鑰匙鏈在喇叭平台上振動的統計行為 ”, 國立清華大學碩士論文 , 2012

[1] J. Howard, Mechanics of motor proteins and cytoskeleton.

[2] N. Hirokawa , Science 279 , 23 (1998).

[4] S. T. Brady, Nature 317, 73-75(1985).

[17] Z. Wang and M. Li, Physical Review E 80, 041923 (2009)