真核细胞中驱动蛋白的机制及其作用

真核细胞中驱动蛋白的机制及其作用徐荣，电气工程及其自动化1303，3130100717，513031329@摘要：马达蛋白（motor proteins)主要分为驱动蛋白（kinesin)，动力蛋白(dynein)，以及肌球蛋白（myosin)。

其中驱动蛋白是在微管上作定向运动的，在细胞内的运输机制中起重要作用的分子马达。

从1985年发现至今，驱动蛋白一直是生物学界研究的热门话题。

本文就近年来对这种分子马达的机制功能研究做一简要的综述。

关健词：驱动蛋白,机制,功能作用在无比精密的细胞结构中，有一类分子，在细胞中发挥着核心运转的作用，它们大大提高了细胞中物质转换流动的速率，它们就是分子马达。

分子马达是分布在细胞内部或表面的一类蛋白，又称马达蛋白，它负责细胞内的一部分物质或者整个细胞的运动，从这个角度看，生物体内各种组织、器官乃至整个生物体的运动最终都归结为分子马达微观上的运动。

而在真核细胞中，主要有三种马达蛋白——驱动蛋白、动力蛋白、肌球蛋白，它们三者间有共同点，也有区别较大之处。

本文将对驱动蛋白的机制及功能等方面进行分析总结，与另外两类马达蛋白做比较，并对其研究发展进行展望。

驱动蛋白(kinesin)是一类能利用ATP水解所释放的能量驱动自身及所携带的货物分子沿微管运动的马达蛋白，与细胞内物质运输有关，是1985年美国加州大学的Vale等首次在鱿鱼和哺乳动物神经组织进行蛋白生化分馏实验中发现的[1]。

驱动蛋白之中根据结构的不同可分为很多种，目前在真核细胞生物（人与小鼠为例）体内发现了45种驱动蛋白，它们参与了各类的生命活动，广泛地存在生物体内。

1 驱动蛋白结构驱动蛋白一般是一条大约长80nm 的杆状结构分子。

其中一端是驱动蛋白的头部，由2个直径10nm的球状结构组成，另一端是呈扇形的尾部，而两端之间相连的铰链区呈杆状，称为驱动蛋白的颈部。

球状的头部和杆状的颈部是由重链聚合而成，扇状的尾部则是由重链和轻链组成。

其中，球状头部的马达结构域上具有ATP结合位点和微管结合位点，颈部区域比较柔韧，能够改变自身的运动方向与弯曲度，尾部具有识别膜状细胞器及囊泡物质的受体，主要负责细胞运输货物的绑定。

一般情况下，不同种类的驱动蛋白的基本结构都是基本相同的，而且它们都有着相同的马达结构，不同的地方主要在于驱动蛋白的马达结构域的位置有所差异，有三种分类——在重链的N端、在重链的M端、以及在重链的C端。

其中在N端的较为普遍，在C端与M端的较少。

2 微管简介在分析驱动蛋白的运动机制前，先要介绍驱动蛋白的轨道——微管。

微管是目前人类发现在细胞内距离最长的运输轨道，它的基本组成单位是α和β两种微管蛋白，其中α和β是蛋白上的两种不同的亚基。

微管的每一根纵向纤维都是由这两种微管蛋白，通过亚基交替的螺旋排列而成。

由这两种微管蛋白形成了微管蛋白二聚体，这种二聚体结构长为8nm。

α和β微管蛋白交替螺旋形成的结构具有周期性，这是驱动蛋白可以在其上做规律运动的重要因素之一。

而另外一个因素是α和β两种亚基的特性。

这两种亚基均可结合GTP，与α微管蛋白结合的GTP是不能水解的，但与β微管蛋白结合的GTP是能水解的，与β微管蛋白相结合的GDP也能被交换成GTP。

因β微管蛋白相结合的GDP可以被GTP所替代，通过水解GTP释放的能量来驱动自身运动，所以驱动蛋白只和β亚基结合。

另外微管具有正负极，微管在进行组装时，装配较慢的一端是负极，装配较快的一端是正极。

因为微管的正负极差异，马达结构域不同的驱动蛋白运行的方向是有差异的。

马达结构域在重链N端的驱动蛋白可以通过ATP水解产生的能量由微管负极向正极运动，而在重链C 端的则由微管正极向负极运动[1]。

3 驱动蛋白的作用机制在驱动蛋白沿微管运动的过程中，马达结构域与ATP结合，获得了ATP水解释放能量后，驱动蛋白自身的形态会发生变化。

而这种蛋白自身构象变化究竟是怎样的呢？关于驱动蛋白的运动形态变化的方式有两种假设——inchworm model及hand-over-hand model。

从分子层次的角度分析，前者正如其英文名“尺蠖”——一种蠕动的虫子，是指一种蠕动式的模型，即两个球状头部的运动是“脚靠脚”的方式进行的，每两个ATP 供能周期驱动蛋白在微管上移动8nm，即一个微管蛋白二聚体的长度；而后一种模型——交臂模型，则是两个头部相互交替阶梯式前进的，即一个周期两个头部各走一个互不重复的8nm，这样一个ATP供能周期就“走”了8nm。

2003年12月18日，美国伊利诺斯大学教授Paul Selvin等人在Science Express上发表了关于利用fluorescence imaging one nanometer accuracy (FIONA，纳米精度的荧光成像，即通过将荧光染料附着在需要观察的分子上，利用荧光追踪显微镜观察其变化)技术研究驱动蛋白分子在微管上移动的论文[2]。

它们发现了在一个ATP功能循环中，整个驱动蛋白分子移动了大约8nm，虽然Selvin和他的同事测量的数据精度不能达到zero nanometers，但这已足够表示驱动蛋白是通过交臂模型的运动方式进行运动的。

而这种相对比较高效并且协调的机制恰好非常符合驱动蛋白常常在细胞内做长距离运输的火车的特点（这个在后文还会详细提到）。

综合上文所分析的内容，我们可以了解到，在驱动蛋白沿微管运动的过程中，球状的马达结构域与ATP结合，在ATP水解释放能量的同时，驱动蛋白自身的构象发生变化而相偶联。

从而使两个球状头部交替与微管上的特定位点相结合，并且以交臂的方式(hand-over-hand)，一步一步进行运动，每运动一步水解一个ATP，整个分子沿微管前进8nm。

除了这一个基本的机制以外，近几年利用不断进步的科技技术尤其是FIONA技术，人们对驱动蛋白的运输机制了解发现越来越多，很多情况下，驱动蛋白的运输不仅是沿着单一轨道来运输物质，有多种运输方式[3]。

比如，驱动蛋白不但可以单独运输物质，而且还可以集体协作，不仅可以沿单一轨道前进而且也可以在前进中变换轨道。

还有研究发现生物体细胞内的物质沿轨道前进的距离大于单分子马达运输的距离，也就是说细胞内的物质是由多个分子马达协作完成的。

如细胞内的脂肪滴通常是由多个驱动蛋白共同协作一同沿微管完成运输的，因为由多个驱动蛋白共同运输的方式可以产生较大的动力，即使在粘稠的细胞质中物质也可以以较快的速度前进。

此外研究还发现驱动蛋白也可以与肌球蛋白共同协作运输物质，这种运输方式会引起较强的电相互作用，使得它们前进的距离要比两者单独运输的距离远。

另外驱动蛋白通常会遇到轨道交叉的情况，研究发现单个驱动蛋白遇到微管交叉时，体积较小的单驱动蛋白很容易从微管上面或下面穿过继续沿原微管前进，但当碰到多个驱动蛋白共同运送物质的情况时，遇到轨道交叉时会发生转轨的现象。

虽然驱动蛋白根本上的在工作过程中的分子机制目前尚不清楚，就像许多蛋白我们知道它的功能及机制，但是仍未明白为什么它会通过其独有的机制发挥如此神奇的功能，这有待我们继续深入地研究。

4 驱动蛋白的功能特点我在这里讲的功能主要指的是驱动蛋白所参与的细胞生命活动，它为各种生命活动所需货物的运输提供动力。

细胞的生长发育神经元的发育、信号传导、有丝分裂中纺锤体的形成及染色体的移、mRNA和蛋白质的运输、间期细胞中内质网从核膜向周缘的扩展、膜性细胞器的运输、微管多聚体的动力学控制、信号传导等，都与驱动蛋白息息相关。

关于驱动蛋白的特点，我总结为三个点——高效，快速，精致。

所谓高效是指相比与传统的利用热能与机械能转换的马达，驱动蛋白上的马达结构域的能量转化效率高出好几倍。

而快速是指移动的速率，据Vale教授的分析，虽然驱动蛋白的在微管上的移动速率一般只有0.4mm每小时的数量级，但是从相比与自身长度的速率来看，它达到了4000000倍自身长度每小时的速率，这比一般的发动机要快4倍以上。

精致则指的是分子马达的大小，这自然是人造的内燃机的马达无法相比的。

5 驱动蛋白与另外两种马达蛋白的对比细胞中除了驱动蛋白，还有两大类马达蛋白一齐“运转”细胞——动力蛋白及肌球蛋白。

动力蛋白主要分为两类，即细胞质动力蛋白和轴丝动力蛋白。

轴丝动力蛋白是在有纤毛和鞭毛结构的细胞中发现的，它产生的力可以使微管发生弯曲，从而使纤毛和鞭毛产生拍击。

而细胞质动力蛋白与驱动蛋白的机制功能类似，一般都是双头分子马达，在所有的动物细胞和绝大部分植物细胞中都能发现。

它沿着微管行走，完成如物质运输和中心体装配等[4]。

在细胞质动力蛋白运动过程中，它其中的一个杆总是链结在微管上，依靠这种方式，细胞质动力蛋白可以持续移动很长距离而不与微管分离。

细胞质动力蛋白可以帮助内质网、溶酶体进行物质运输，参加染色体的定位及细胞的有丝分裂过程中纺锤体的形成。

肌球蛋白与另外两类蛋白最大的不同处就在于其主要功能不是运输，而是为肌肉提供收缩力。

另外，肌球蛋白是在微丝（肌动蛋白丝）上“行走”的，目前较为流行的学说是“肌丝滑动学说”，它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（微丝）和细丝（肌球蛋白丝）本身的长度都不发生改变，当肌丝滑动时，肌球蛋白的头部与肌动蛋白的分子发生接触、转动，最后脱离的连续过程，其结果使细丝进行相对的滑动[5]。

三种马达蛋白对比起来，他们的功能有不少是相互协作的，比如有丝分裂、细胞内各类货物的运输与驱动蛋白和动力蛋白都有相当大的关系。

但是三种蛋白的分子机理究竟是怎样的仍尚未研究清楚。

6 驱动蛋白的研究前景展望目前有关驱动蛋白的研究成果发现主要集中在静态的功能推测和分析上，至于驱动蛋白在工作过程中的分子机制还不清楚。

有研究发现，在癌症细胞中驱动蛋白表达失调，它们与癌症的发展、侵袭和转移有很高的相关性，但是在癌症中它们的高表达量的分子机制还不清楚。

通过查找相关的文献，有关于驱动蛋白的文章中，研究驱动蛋白与各类癌症关系的论文数不胜数，可见驱动蛋白的机理对治疗癌症的研究突破有着重要意义。

另外，许多科学家利用仿生学原理，尝试制造纳米级的分子马达。

康奈尔大学的卡洛·蒙特马格诺及其同事首次成功研制出一种与病毒颗粒大小相仿的微型马达，它依靠ATP等生化物质来提供动力[6]。

可以想象诸如某种混合型机器人将修复人体细胞、对抗感染、输送药物，乃至用正常基因更换病变基因。

虽然实验室已经以驱动蛋白为原型，制造出纳米尺度的双足马达，但是，在分子步行器研究领域依然存在着两个核心问题：一是在绝热环境中，受随机力影响,马达在局部的、静止的、不对称的轨道上，如何动态地维持其长程地定向运动；二是易受涨落影响的多组分马达，如何协调运动[7]。

这也就是实际的应用环境达不到理论的理想环境要求而使人造稳定的分子马达难以在一般环境中实现的问题。