驅(qū)動(dòng)蛋白靜電作用下的運(yùn)動(dòng)機(jī)制

黃艷賓,鄭燕,李潔

(1.河北工程大學(xué)理學(xué)院,河北邯鄲056038;2.邯鄲學(xué)院物理與電氣工程系,河北邯鄲056005)

與其它分子馬達(dá)一樣,驅(qū)動(dòng)蛋白可以高效率地將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,實(shí)現(xiàn)定向運(yùn)動(dòng),而人類至今沒有關(guān)于化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的應(yīng)用記載。對(duì)于馬達(dá)蛋白的研究,有助于揭示能量轉(zhuǎn)化的過程,深入認(rèn)識(shí)生命活動(dòng)的本質(zhì)。關(guān)于驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)的研究主要圍繞其定向運(yùn)動(dòng)機(jī)制和能量轉(zhuǎn)化機(jī)制兩個(gè)核心問題,Baker等[1]定性地分析了靜電與驅(qū)動(dòng)蛋白的相互作用,Hoenger利用大型計(jì)算機(jī)繪制出了微管的電勢(shì)面[2],Guydosh認(rèn)為驅(qū)動(dòng)蛋白定向運(yùn)動(dòng)是通過構(gòu)象變化產(chǎn)生[3]。本文從驅(qū)動(dòng)蛋白的結(jié)晶結(jié)構(gòu)出發(fā),應(yīng)用靜電相互作用理論進(jìn)行模擬計(jì)算,試圖進(jìn)一步對(duì)靜電作用下驅(qū)動(dòng)蛋白的定向運(yùn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行分析。

1 驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和功能

驅(qū)動(dòng)蛋白是由一個(gè)大的馬達(dá)蛋白家族(KIF family)構(gòu)成的,它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)主要沿微管完成物質(zhì)運(yùn)輸。其常見的是一個(gè)雙頭的二聚物(如圖1),兩個(gè)單體相互卷曲纏繞形成一個(gè)共有的莖狀物,其中,每個(gè)單體包括一個(gè)球形的馬達(dá)頭部(motor do-main)、一個(gè)頸狀連接器(neck linker)—頸鏈,一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的可以卷曲形成二聚體的莖區(qū)(stalk)和一個(gè)球形的尾部(globular tail)。馬達(dá)區(qū)域主要負(fù)責(zé)與微管和核苷酸的結(jié)合,與之相連的是一個(gè)靠核苷酸調(diào)整構(gòu)象變化的頸狀連接器,連接馬達(dá)頸鏈和球形尾部之間的區(qū)域的是莖區(qū)[4-5]。驅(qū)動(dòng)蛋白尾部區(qū)域主要負(fù)責(zé)調(diào)整與輸運(yùn)物質(zhì)間的親和力,限制該區(qū)域的功能將導(dǎo)致神經(jīng)軸突傳輸?shù)南魅鹾捅惠斶\(yùn)膜泡的釋放,此外,當(dāng)不進(jìn)行物質(zhì)輸運(yùn)時(shí),為防止ATP的水解,馬達(dá)的莖區(qū)將彎曲成一種阻礙頭部運(yùn)動(dòng)的構(gòu)象[6-7]。

2 計(jì)算的物理模型

微管是由微管蛋白二聚體構(gòu)成的,每個(gè)二聚體長(zhǎng)約80?,由兩個(gè)單體(α微管蛋白和β微管蛋白)組成。微管蛋白二聚體表面富含大量的帶電氨基酸,具有極性,負(fù)極指α向單體,而微管與單個(gè)的微管蛋白二聚體具有同樣的極性。因此微管電場(chǎng)分布的計(jì)算,是研究馬達(dá)靜電運(yùn)動(dòng)機(jī)制的關(guān)鍵。在計(jì)算中,根據(jù)蛋白結(jié)晶結(jié)構(gòu)1IA0給出的信息,取微管蛋白的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=79.442 509?,相鄰微絲上相鄰微管蛋白的錯(cuò)位差d=10.592 334?,微絲的條數(shù)為15,基于1IA0和2HXH晶體結(jié)構(gòu)給出信息,模建了計(jì)算的模型并且馬達(dá)與微管選用了統(tǒng)一的坐標(biāo)系(圖2),從而給出了微管上各原子的位置坐標(biāo),模擬計(jì)算是在1IA0晶體結(jié)構(gòu)給出的坐標(biāo)系下進(jìn)行的[8,9]。

根據(jù)解泊松方程的結(jié)果[10]可得微管在位置r→的電勢(shì)形式

為了簡(jiǎn)化計(jì)算同時(shí)又要保證計(jì)算的合理性,在處理電荷分布時(shí),主要考慮了帶電氨基酸的作用——在正常生理環(huán)境下顯酸性的是(Asp,Glu),顯堿性的是(Lys,Arg),氨基酸的帶電量都設(shè)為1e。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

由方程(1)可得在微管電場(chǎng)下,驅(qū)動(dòng)蛋白質(zhì)心處于某個(gè)位置r→0(r→j由r→0確定)時(shí)受到的靜電相互作用,表示為

其中,qj—馬達(dá)上處于處的電荷,M—馬達(dá)頭部的電荷總數(shù)。對(duì)于馬達(dá)頭部的核苷酸和鎂離子,在溶液中ATP電離后帶有4個(gè)負(fù)電荷,而ADP在溶液中電離后帶有3個(gè)負(fù)電荷,磷酸基團(tuán)在溶液環(huán)境下帶2個(gè)負(fù)電荷而在酶環(huán)境下帶1個(gè)負(fù)電荷,在生理?xiàng)l件下鎂離子按+2價(jià)處理。

利用方程(2)進(jìn)行模擬計(jì)算,可以得到驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)沿微管的運(yùn)動(dòng)時(shí)的靜電相互作用曲線(圖3),可見：(1)驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)與微管間的靜電相互作用為負(fù),即馬達(dá)運(yùn)動(dòng)中始終受到微管的吸引作用,靜電吸引對(duì)保持馬達(dá)連續(xù)的沿微管運(yùn)動(dòng)起到了一定的保障作用。(2)相互作用曲線沿微管軸向(Z向)呈周期性變化,并且其周期約為80?,恰好與單個(gè)微管蛋白的長(zhǎng)度一致,這表明微管為驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)連續(xù)的周期性前進(jìn)提供了一個(gè)很好的周期性勢(shì)場(chǎng)軌道。(3)相互作用曲線上周期性的出現(xiàn)一些勢(shì)能最低點(diǎn),馬達(dá)必將趨向于這些穩(wěn)定的能量最低點(diǎn),這暗示了馬達(dá)在運(yùn)動(dòng)時(shí)尤其在擴(kuò)散搜索結(jié)合位點(diǎn)階段,靜電相互作用可能扮演非常重要的角色。

4 靜電運(yùn)動(dòng)機(jī)制

化學(xué)能-機(jī)械能模型雖然已經(jīng)能解釋驅(qū)動(dòng)蛋白運(yùn)動(dòng)過程中的力產(chǎn)生機(jī)制[8],但通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中還有靜電相互作用的參與,并且這個(gè)配合化學(xué)能機(jī)械能轉(zhuǎn)化的靜電運(yùn)動(dòng)機(jī)制更能解釋馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)過程。

圖4顯示了驅(qū)動(dòng)蛋白整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的4個(gè)階段,起始階段(圖4-①)馬達(dá)后面的頭部A處于ATP結(jié)合態(tài)而前面的頭部B處于ADP結(jié)合態(tài),此時(shí)頭部A開始水解ATP,在頸鏈對(duì)接的狀態(tài)下,水解釋放的能量引起了馬達(dá)頭部構(gòu)象的變化,從而改變了頭部A的電荷分布降低了與微管的相互作用,當(dāng)水解完成Pi釋放后,處于ADP結(jié)合態(tài)頭部A與微管結(jié)合的最弱,而前面的頭部B由于微管的作用逐漸打開核算結(jié)合位點(diǎn)釋放ADP,進(jìn)入與微管強(qiáng)結(jié)合的空態(tài),從而導(dǎo)致了兩頭部間頸鏈上的張力漸漸加強(qiáng),在張力的作用下處于弱結(jié)合態(tài)頭部A從微管上解離;運(yùn)動(dòng)的第2個(gè)階段(圖4-②),此時(shí)頭部B上的核酸結(jié)合位點(diǎn)逐漸打開結(jié)合新的ATP,ATP的結(jié)合促進(jìn)了其頭上頸鏈與馬達(dá)頭部的結(jié)合,從而縮短兩頭部間自由頸鏈的長(zhǎng)度產(chǎn)生張力,在頸鏈張力的作用下,頭部A穿越頭部B處于其前面的位置;運(yùn)動(dòng)的第3個(gè)階段(圖4-③),此時(shí)頭部A進(jìn)入結(jié)合位點(diǎn)的搜索狀態(tài),由于頭部A和頭部B都處于頸鏈對(duì)接狀態(tài),頸鏈間張力已經(jīng)不再引領(lǐng)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng),根據(jù)計(jì)算可以推測(cè)微管的勢(shì)場(chǎng)此時(shí)扮演了重要角色,正是在微管的靜電勢(shì)場(chǎng)作用下,頭部A不斷調(diào)整自身的構(gòu)象尤其是與微管作用關(guān)鍵區(qū)域的構(gòu)象變化,從而改變表面的電荷分布,使頭部與微管的最佳結(jié)合位置緊密結(jié)合,這個(gè)位置即結(jié)合位點(diǎn);運(yùn)動(dòng)的第4個(gè)階段(圖4-④),馬達(dá)完成一個(gè)步長(zhǎng)的前進(jìn),質(zhì)心也實(shí)現(xiàn)了約80?的位移,頭部A、B分別處于ADP、ATP結(jié)合態(tài),此后,馬達(dá)將重復(fù)類似第一階段的過程,開始新一個(gè)步長(zhǎng)的前進(jìn),通過連續(xù)的周期性前進(jìn)實(shí)現(xiàn)沿微管的定向運(yùn)動(dòng)完成物質(zhì)的輸運(yùn)。

5 結(jié)論

1)馬達(dá)與微管整體靜電相互作用為負(fù)值,表明馬達(dá)受到了靜電吸引作用,微管為馬達(dá)能夠定向移動(dòng)提供了很好的勢(shì)場(chǎng)保證。

2)靜電相互作用具有周期性,并且其周期與微管蛋白的周期性恰好相同,在這種勢(shì)場(chǎng)作用下馬達(dá)能夠順利完成結(jié)合位點(diǎn)的搜索,實(shí)現(xiàn)沿微管連續(xù)的周期性前進(jìn)。

3)在靜電相互作用下,馬達(dá)完成了能量間的轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能-機(jī)械能-靜電能相耦合的定向運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)機(jī)制被稱為驅(qū)動(dòng)蛋白靜電作用下的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。

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