分子机器及其在纳米生物医学领域的研究进展

分子机器及其在纳米生物医学领域的研究进展

分子机器及其在纳米生物医学领域的研究进展

北京大学生物医学工程专业

张睿霦（10403048）

分子机器也称分子马达(molecular motor)，由生物大分子构成，是能将化学能转化为机械能的纳米系统。分子马达大体可分为六类：细胞骨架蛋白、聚合体、G蛋白、旋转的马达、环状蛋白以及核苷酸马达。天然的分子马达在生物体内的胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等生命活动起着重要作用。通过对分子马达的深入研究，人们对细胞内部的认识已经从静态环境转变到有分子机器运输物质的动态环境中。 1 旋转式分子马达

旋转式分子马达工作时，类似于定子和转子之间的旋转运动。ATP酶是一种生物体中普遍存在的酶。它由两部分组成：一部分结合在线粒体膜上，由a亚基、b 亚基及c 亚基构成，嵌在双分子膜中。a b 在一起被认为是马达的“定子”，而c 被看作是马达的“转子”。另一部分在膜外，由3对a、β亚基相间组成类似橘子瓣的“定子”和一个由γ、ε亚基组成的“转子”构成。还有一个连在b 亚基上的δ亚基。

1.1 F-ATP酶分子马达

F-ATP酶的a 、b 和c 亚基构成质子流经膜的通道。当质子流经F 时产生力矩，从而推动了F -ATP酶的g亚基的旋转。g亚基的顺时针与逆时针旋转分别于ATP的合和水解相关联。F -ATP酶直径小于12mm，能产生大于100pn的力，无载荷时转速可达17r／s。

1.2 鞭毛分子马达

鞭毛是细菌的运动器官，是由以数个 μm大小的菌体产生(根据细菌的各类，可产生数个鞭毛)。鞭毛是呈螺旋形的细长纤维，其长度大体上从数 μm 到10μm之间，直径20mm左右，转速可高达15000r／min。这是具有与电机各部件功能相应结构的蛋白质分子本身构建完成的超分子机械。鞭毛马达由10种蛋白质组成，掩含在膜内，由各个部件的蛋白质承担，使马达旋转。鞭毛与电动机不同点在于：鞭毛马达不通过电流产生磁场而运动，而是使用ATP的分解导致分子形状的变化(它们包含了精巧的分子棘轮结构)，从而驱动蛋白质运动。同时因鞭毛马达是将每个原子作为零件而设计的，可产生数10nm的推进距离，且在结构上可以实现方向的变换。

2 细胞骨架蛋白

细胞骨架蛋白包括肌球蛋白、动力蛋白、和驱动蛋白，它们的能量来源都是ATP，以线性的运动形式行使细胞器运输等功能。肌肉的肌球蛋白马达和常规的驱动蛋白马达是迄今为止研究得最多且最具有代表性的两个系统，它们的大小尺度都是几十纳米(nm)

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