分子马达

分子马达是自然的（生物的）或人造的分子机器，它们是生物体内运动的基本要素。一般而言，电动机是一种以一种形式消耗能量并将其转换为运动或机械功的设备。例如，许多蛋白质为基础的分子马达线束的化学自由能由释放的水解的ATP，以执行机械功。就能量效率而言，这种类型的电动机可以优于目前可用的人造电动机。分子电动机与宏观电动机之间的一个重要区别是，分子电动机在热浴中运行，在该环境中，由于热噪声引起的波动很大。

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

生物上重要的分子马达的一些例子：

• 细胞骨架马达
  • 肌球蛋白负责肌肉收缩，细胞内货物运输和产生细胞张力。
  • 驱动素在顺行转运中使细胞内部的货物沿着微管离开细胞核。
  • 动力蛋白产生逆行运输中纤毛和鞭毛的轴突跳动，并且还沿着微管将货物运输到细胞核。
• 聚合马达
  • 肌动蛋白聚合产生力，可用于推进。使用ATP。
  • 使用GTP的微管聚合。
  • 动力蛋白负责将网格蛋白芽从质膜中分离出来。使用GTP。
• 旋转马达：
  • F _o F ₁ -ATP合酶家族的蛋白质将ATP中的化学能转换为质子梯度在膜上或周围的化学势能。化学反应的催化和质子的运动通过配合物各部分的机械旋转相互耦合。这涉及线粒体和叶绿体中的ATP合成，以及质子穿过液泡膜的泵送。
  • 引起大肠杆菌和其他细菌游动和翻滚的细菌鞭毛起着刚性螺旋桨的作用，由旋转马达提供动力。该马达由跨膜的质子流驱动，可能使用与ATP合酶中F.马达类似的机制。

• 核酸电动机：
  • RNA聚合酶从DNA模板转录RNA。
  • DNA聚合酶将单链DNA变成双链DNA。
  • 解旋酶在转录或复制之前分离核酸的双链。使用ATP。
  • 拓扑异构酶减少细胞中DNA的超螺旋。使用ATP。
  • RSC和SWI / SNF复合物可在真核细胞中重塑染色质。使用ATP。
  • SMC蛋白负责真核细胞中的染色体浓缩。
  • 病毒DNA包装马达将病毒基因组DNA注入衣壳中，作为其复制周期的一部分，将其紧密包装。提出了几种模型来解释蛋白质如何产生将DNA驱入衣壳所需的力。与所有其他生物驱动器相比，另一种建议是，力不是直接由蛋白质产生，而是由DNA本身产生。在此模型中，ATP水解用于驱动蛋白质构象变化，从而交替使DNA脱水和再水化，从B-DNA循环驱动至A-DNA然后再回来。A-DNA比B-DNA短23％，并且DNA收缩/扩展循环与蛋白质-DNA紧握/释放循环耦合，以产生将DNA推入衣壳的前向运动。

• 酶马达：
  • 过氧化氢酶
  • 尿素酶
  • 醛缩酶
  • 己糖激酶
  • 磷酸葡萄糖异构酶
  • 磷酸果糖激酶
  • 葡萄糖氧化酶
• 化学家已经创造出合成分子马达，它们产生旋转，并可能产生扭矩。

由于运动事件是随机的，因此分子运动通常使用Fokker-Planck方程或蒙特卡洛方法进行建模。这些理论模型在将分子电动机视为布朗电动机时特别有用。

在实验生物物理学中，可以通过许多不同的实验方法来观察分子马达的活​​动，其中包括：

• 荧光方法：荧光共振能量转移（FRET），荧光相关光谱（FCS），全内反射荧光（TIRF）。
• 磁性镊子还可用于分析在长DNA片段上运行的电动机。
• 中子自旋回波谱仪可用于观察纳秒级的运动。
• 光学镊子（请勿将其与分子镊子相混淆）由于其弹簧常数低而非常适合研究分子电动机。
• 散射技术：基于暗场显微镜或干涉散射显微镜（iSCAT）的单粒子跟踪。
• 单分子电生理学可用于测量单个离子通道的动力学。

还使用了更多技术。随着新技术和方法的发展，人们期望自然发生的分子电动机的知识将有助于构造合成纳米级电动机。

最近，化学家和纳米技术领域的人们已经开始探索从头创造分子马达的可能性。这些合成分子电动机目前受到许多限制，将其限制在研究实验室中使用。但是，随着我们对纳米级化学和物理学的了解增加，许多这些局限性可能会克服。通过研究Grubb催化剂体系中的催化剂扩散，迈出了了解纳米级动力学的xxx步。其他系统，例如纳米汽车，虽然在技术上不是电动机，但也说明了最近对合成纳米尺度电动机的努力。

其他非反应性分子也可以充当马达。通过使用染料分子可以证明这一点，该染料分子通过有利的疏水相互作用在聚合物溶液的梯度中定向移动。最近的另一项研究表明，染料分子、硬和软胶体颗粒能够通过排除体积效应的方式在聚合物溶液中移动。