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(molecularmotor)，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。ab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。1.1F-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昀多且昀具有代表性的两个系统，它们的大小尺度都是几十纳米(nm)量级。近来，利用高分辨率电子显微镜观察到这两种蛋白马达的头部的结合区，发现它们大小虽不相同，肌球蛋白是驱动蛋白的3倍，但包含着十分相似的蛋白质折叠结构，甚至连在功能催化活性部位的残基都是同源的。这本该意味着它们的功能也应是相似的，然而在ATP作用下一个肌球蛋白马达沿着肌动蛋白丝作跳跃式的运动，马达与轨道之间的结合只是瞬时的，只有大量肌球蛋白马达在一起才有可能作连续性运动，而单个动蛋白马达却可以使负载沿着微管运行相当长的距离而不“脱轨”，作前进式运动。这种在结构上相似而在功能上存在巨大差异的问题一直令人十分困惑。这实际上是涉及如何统一认识众多种类的分子马达在结构与功能上所显示出来的多样性。2.1肌球蛋白对肌肉的肌球蛋白（见下图）研究始于1864年，肌球蛋白是长形不对称“Y”形分子，长约160nm。肌球蛋白含有两条完全相同的长肽链和两对短肽链，组成两个球状头部和一个长杆状尾部。肌球蛋白分子量约460kD，长肽链的分子量约240kD，称为重链；短链则称为轻链。肌球蛋白作为细胞骨架的分子马达，是一种多功能蛋白质，其主要功能是为肌肉收缩提供力。纤丝滑动学说认为肌肉收缩是由于肌动蛋白细丝与肌球蛋白丝相互滑动的结果。在肌肉收缩过程中，粗丝和细丝本身的长度都不发生改变，当纤丝滑动时，肌球蛋白的头部与肌动蛋白的分子发生接触、转动，昀后脱离，其结果使细丝进行相对的滑动。2.2驱动蛋白驱动蛋白Kinesin（如上图所示）是由两条轻链和两条重链构成的四聚体，外观具有两个球形的头（具有ATP酶活性）、一个螺旋状的杆和两个扇子状的尾。通过结合和水解ATP，导致颈部发生构象改变，使两个头部交替与微管结合，从而沿微管行走，将“尾部”结合的“货物”（运输泡或细胞器）转运到其它地方。人们将驱动蛋白分为3个重要的结构域，两个头部构成了马达结构域(motordomain)，它们的结构相同，每个头上都有核酸催化位点和与微管的结合位点；第二个结构域为二聚化结构域(dimerizationdomain)，包括缠绕螺旋部分(coiledcoil)，它使两个头连接起来，且用尾部拉住负载；第三个结构域是颈部连接域(necklinker)，它包括两个颈部，它们连接在马达域上，并且可以伸屈。实验表明，颈部的结构及构象变化对整个马达的运动有着非常重要的影响。通常认为颈部连接域起着力学放大器的作用，它可以将催化位点内产生的微小的构象变化放大为马达的运动。马达两个头部间的相互作用是通过二聚化结构域和颈部连接域来实现的。这两个域也有一定的化学功能：实验发现马达的两个头部的化学状态是相互关联的，当其中的一个头处在一个化学态时，另一个头只能处于某一相应的化学态。细胞内的分子马达沿着特定的轨道运动，正如同肌球蛋白沿着肌动蛋白丝(actinfilament)运动一样，驱动蛋白沿着微管作定向运动。驱动蛋白的运动轨道——微管(microtube)，如下图所示。它是由13根纵向原纤维排成的中空管，外径约25～26纳米(nm)，内径15nm，管壁厚6~9nm，平均直径为24nm，微管有正负极之分，装配快的一端为正极，装配慢的为负极。每一根纵向原纤维由a和β两种微管蛋白亚基(tubulinsubunit)交替排列而成。a亚基含450个氨基酸残基，β亚基含455个氨基酸残基，这两种微管蛋白形成了长度为8nm的微管蛋白二聚体。两种亚基均可结合GTP，α球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换，是α球蛋白的固有组成部分，β球蛋白结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP。据估计哺乳动物中类似于kinesin的蛋白（KLP,kinesin-likeproteinorKRB,kinesin-relatedprotein）超过50余种，大多数KLP能向着微管（+）极运输小泡，也有些如Ncd蛋白（一种着丝点相关的蛋白）趋向微管的（-）极。驱动蛋白只和B亚基结合，单个驱动蛋白可以沿微管运动而不脱落．对单个的驱动蛋白沿微管的运动过程进行的观测表明，它在微管表面作平行于原纤维的运动。驱动蛋白在微管上的运动被简化为“交臂模型(hand-over-hand)”，即马达是在两个头的相互配合的运动中前进的。Hackney发现两个头上都已结合了ADP的驱动蛋白同微管结合时，只有一个头上的ADP快速释放，由此判断两个头上的ATP水解周期处于异步状态，提出了交替循环机制模型(AlternatingCycleMechanism)，体现在步行上就是Hand-over-hand方式：运动时两个头部交替地与微管结合脱离，始终保持有一个头结合到微管上起固定作用，另一个头得以脱离微管向前运动。关于驱动蛋白在微管上的运动，K．Svoboda等人测出了驱动蛋白的平均位置与时间的关系。驱动蛋白的这种运动方式被称为梯跳运动(steppingmotion)。实验室的观测表明，单个驱动蛋白沿着微管呈梯跳式的运动，平均每步的步长是8nm，恰好与微管蛋白二聚体的长度相等。而且它的运动速度很0.01秒约8nm。其运动速度与阻力成反比。实验发现，利用光钳或玻璃纤维施加阻力，单个驱动蛋白可沿着微管克服阻力运动达数百纳米，直至阻力增加到5—6pN时，它才停止运动，所以单个驱动蛋白能够产生的昀大力为5~6pN。没有ATP结合时，驱动蛋白与微管结合很强，能够承受10pN以上的力。驱动蛋白的运动具有高度连续性，它能在脱离微管前走上百步，它在微管上连续移动的距离被称为跑动长度。StevenM．Block小组作了一系列实验，结果表明，驱动蛋白的跑动长度及平均运动速度与ATP的浓度和负载力有关。驱动蛋白的运动机制一直是人们研究的焦点，近来的实验得到了许多驱动蛋白在不同运动阶段的构象变化的信息。研究表明，这些蛋白分子可以利用其构象的变化而产生运动。人们认为随着ATP的水解，发生在马达头部ATP结合位点内的微小的构象变化，经过颈部连接域的作用被放大，从而引起马达与负载整体的运动。这是一个化学过程与力学过程相互耦合的过程。3应用前景分子马达昀具应用前景的是将DNA用于纳米机械装置制成DNA马达。2000年8月，Bell实验室和牛津大学的研究者开发了第一个DNA马达。据预测，DNA马达技术可制造比当今快1000倍的计算机。在制作DNA马达时，DNA既是结构材料，而且也作为“燃料”。美国康乃尔大学的科学家们已成功地制造出与病毒大小差不多的分子马达。该生物分子马达是以200nm长、80nm直径宽的金属镍为轴，以长750nm、直径为150nm的镍作为推进器。据研究人员的观察，该分子马达被浸泡至ATP溶液中后，利用生物分子细胞内的化学反应，以ATP作为能源，每秒转速可达8圈，并可连续转动2．5小时。专家认为，像这样的微型分子马达可当作是纳米机器人或其它纳米组成零件的一部分。它的潜在应用价值是非常之大的。将来可利用该马达制成的潜艇进入人体的血管之中，不必采用传统的开刀方式，即可清除脑血管中的血块，清理血管壁上沉积物质．以排除中风的危险。目前对于分子马达的运动仍有许多细节还不清楚。对于分子马达的运转过程中所涉及到的诸多化学反应，例如ATP的水解、各个步骤当中ATP的结合与ADP和无机磷酸盐的脱离、蛋白分子马达的构型变化等等，还需要更加细致深入的研究。目前科学家们正在使用更加先进的光钳以及光学探测器技术，来探索分子马达的更多秘密。参考文献1.KatePoole,KhaledKhairy,JensFriedrichs,ClemensFranz,DavidACisneros,JonathonHoward,DanielMueller(2005)Molecular-scaletopographiccuesinducetheorientationanddirectionalmovementoffibroblastsontwo-dimensionalcollagensurfaces.JournalofMolecularBiology349(2):380-3862.IngmarH.Riedel,KarstenKruse,JonathonHoward(2005)ASelf-OrganizedVortexArrayofHydrodynamicallyEntrainedSpermCells.Science309:300-30320043.CarolynJLawrence,RKellyDawe,KarenRChristie,DonWCleveland,ScottCDawson,SharynAEndow,LawrenceSBGoldstein,HollyVGoodson,NobutakaHirokawa,JonathonHoward,RussellLMalmberg,JRichardMcIntosh,HarukataMiki,TimothyJMitchison,YasushiOkada,AnireddySNReddy,WilliamMSaxton,ManfredSchliwa,JonathanMScholey,RonaldDVale,ClaireEWalczak,LindaWordeman(2004)Astandardizedkinesinnomenclature.JournalofCellBiology167(1):19-224.HenryHaeberle,MikaFujiwara,JodyChuang,MichaelMMedina,MayuriVPanditrao,SusanneBechstedt,JonathonHoward,EllenALumpkin(2004)Molecularprofilingrevealssynapticreleasemach