分子馬達的研究是當今生命科學研究的熱點問題之一，也是生物物理學學科中的一個重要研究方向，以下是小編蒐集整理的一篇探究分子馬達定向輸運實驗，供大家閱讀參考。
引言
分子馬達是一類指廣泛存在於細胞內部的能夠將化學能轉化成爲機械能的酶蛋白分子。 人們用肉眼看不到它，也聽不到它發出的聲音。生命體的一切生命活動，追蹤到分子水平，都是來源於具有馬達功能的蛋白質大分子做工推動的結果。這類蛋白質及具有酶的活性又具有運動的活性，其特點是催化 ATP(三磷酸腺苷)水解爲 ADP(二磷酸腺苷)和 Pi(無機磷)，並將儲存在 ATP 分子中的化學能高效率的轉化爲機械能實現自身的定向運動，從而參加細胞的生命活動，如細胞分裂，中心法則的執行，ATP 合成，肌肉收縮等。
目前，已發現生物體內的分子馬達有上百種，根據它們的作用方式不同，分子馬達可分爲兩類：一類是線性分子馬達，一類是旋轉分子馬達。 線性分子馬達又可分爲持續類和非持續類。 分子馬達在運動中產生的物理量是納米尺度，因此統稱爲納米機器。
1分子馬達定向輸運實驗簡介
1.1 肌球蛋白馬達和驅動蛋白馬達
首先進入單分子操縱領域的分子馬達是負責肌肉收縮的肌球蛋白馬達和負責囊泡輸運的驅動蛋白馬達，這些馬達利用 ATP 水解能沿各自的軌道運動。肌球蛋白馬達是分子馬達蛋白中的一個超大家族，到目前爲止，其成員已達 145 個，它是一種基於肌動蛋白的機械酶，透過水解 ATP 來產生力，從而將化學能轉變成沿肌動蛋白細絲作定向運動的機械能，正是這種線性定向運動實現了細胞多彩多態的功能。
肌球蛋白馬達與驅動蛋白馬達的結構相似， 前者是非持續的，每次“束縛”到細絲上只經歷一個 ATP 催化循環，隨即便“自由”到溶液中進行擴散運動其行爲類似真核細胞的胞質中找到。肌肉是由很大的肌纖維束組成，每一肌纖維又是由一束肌原纖維組成。 肌肉收縮是由肌動蛋白絲與肌球蛋白絲的相對滑動所致。 實驗表明，肌球蛋白絲和肌動蛋白絲之間有橫橋連接，雖然在此過程中橫橋曲線發生了某些變化，但是橫橋與肌動蛋白絲接觸段滑動的距離似乎從未超過 10nm,因此，爲了產生如此大的整體滑動，橫橋可能在肌動蛋白絲之間來回往復的運動。
肌肉絲是由肌動蛋白、原肌球蛋白和肌幹蛋白組成研究表明，ATP 水解是肌球蛋白和肌動蛋白相互作用的直接結果。 這一生物化學過程可表示如下：
(逆過程可忽略)驅動蛋白馬達的持續性是指馬達能沿微管連續行走數百步而不會掉下來， 這一特性對於囊胞和細胞器的長距離輸運顯得尤爲重要。在一個傳統的滑行實驗中，Howard 及其同事首先發現微管能在單個驅動馬達上運動; 其後，Block 及其同事觀察到了驅動馬達能在微管上連續行走;Hackney 在一個運動性實驗中證明了驅動馬達每次遇到微管能連續水解數百個 ATP. 驅動蛋白的力學化學過程和肌球蛋白的力學化學過程有些不同。 透過測量一個 ATP 水解週期的各級化學反應速率常數 k,驅動蛋白的力學化學過程爲
生物學上，利用分子遺傳學方法產生各種變異的驅動蛋白，也是在驅動蛋白重鏈不同的氨基酸某處截斷。
1.2 旋轉分子馬達
旋轉式分子馬達工作時， 類似於定子和轉子之間的`旋轉運動，比較典型的旋轉式發動機有 F1-ATP 酶。 ATP 酶是一種生物體中普遍存在的酶。 它由兩部分組成，一部分結合在線粒體膜上，稱爲 F0;另一部分在膜外，稱爲 F1. F0-ATP 酶的 a、b 和 c 亞基構成質子流經膜的通道。 當質子流經 F0 時產生力矩，從而推動了 F1-ATP 酶的 g 亞基的旋轉。 g 亞基的順時針與逆時針旋轉分別與 ATP 的合成和水解相關聯。
F1-ATP 酶直徑小於 12nm,能產生大於 100pN 的 力 ,無載荷時轉速可達 17 轉/秒。 F1-ATP 酶與納米機電系統的組合已成爲新型納米機械裝置。
旋轉分子馬達與量子點技術結合有望出新成果， 近些年非典、禽流感的頻繁暴發，使得重要傳染病的快速檢測技術成爲各個國家和科學界共同面對的重要挑戰，發展對禽流感的快速檢測技術成爲十分緊迫的任務。 首先要求技術能夠對禽流感病毒進行快速方便的監控;其次，應具有對“新型病毒”快速初篩應答的能力。 而目前傳統測定技術難以同時滿足上面的需求。
我國的分子馬達研究起步於 2001 年， 是當時國家基金委審批的第一個重大交叉項目，現在，我們可以自豪地說，中國已經有了旋轉分子馬達研究技術，有了這方面的自主知識產權。
2總結與展望
分子馬達的研究是當今生命科學研究的熱點問題之一，也是生物物理學學科中的一個重要研究方向。 分子馬達沿微管的運動過程當中，透過其結合，水解 ATP 分子，並釋放水解產物(ADP 和 Pi)，馬達蛋白的構想不斷髮生變化，從而實現了馬達的定向運動，這是個力學，電學和化學相互耦合的過程。
實驗上，多個蛋白馬達可組合成一個納米機器。 最新的科學研究表明，科學家們已經已經做成了由 350 個原子組成的螺旋槳、2.5 納米大小的升降機、3 納米的剪刀，這些都可以算是納米機器人的雛形。 當然，人類最終的夢想是讓這個機器人跟宏觀世界的機器人一樣，完成任何複雜的操作。在醫療上，我們向人體內注射這種納米機器，進而修復人體細胞，輸運藥物，更換基因來進行治療基因引起的無法治癒的遺傳病。 在未來的某一天，科學技術的發展會完成我們現在無法想象的奇蹟。
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