（理论物理专业论文）鞭毛和纤毛拍击机制的理论研究.pdf

内蒙古人学硕十学位论文 鞭毛和纤毛拍击机制的理论研究 摘要 大多数动物和植物的精子都有鞭毛，精子及许多原生动物都以鞭毛或纤毛 为运动器，它们以拍击的方式运动推进身体前进，研究表明拍击是由位于鞭毛 轴丝微管上的动力蛋白所驱动。现阶段对于鞭毛和纤毛拍击的研究主要集中在 两个方面：对动力蛋白分子工作循环模式的研究以及对鞭毛和纤毛拍击机制的 研究。 关于动力蛋白的研究，已经给出了动力蛋白的三级结构【1 1 、动力蛋白的单 分子动力行为特征 2 1 等，并提出了动力蛋白水解a t p 的工作循环模型3 1 。关于 鞭毛和纤毛拍击机制的研究，目前仍是一个很广阔的未知领域，虽然已经通过 实验清楚的掌握了鞭毛和纤毛的微观结构，给出了鞭毛和纤毛拍击的滑移理论 【4 1 ，但关于拍击的合理的动力学机制尚未建立起来，仍停留在猜想和假设的阶 段。 本文共分为三部分：第一部分介绍鞭毛和纤毛的结构以及鞭毛和纤毛的微 管滑行学说；第二部分介绍动力蛋白的结构、单分子动力学实验以及动力蛋白 工作循环的机械化学偶联，这是研究鞭毛和纤毛产生弯曲的基础，其中前两部 分关于鞭毛拍击的基础知识介绍中引用了郁英文章【5 1 中关于相关知识的介绍； 内蒙占人学硕卜学侮论文 第三部分通过对鞭毛弯曲的滑移曲线进行模拟，给出了间接描述鞭毛摆动的切 向角曲线方程。由此方程得到的鞭毛的弯曲切向角曲线与实验曲线非常吻合， 进而对鞭毛波形的传播进行了定性的研究。另一方面通过对鞭毛结构的假设， 推断鞭毛摆动形成的波形应近似于驻波，在此基础上依据鞭毛的各个参数给出 了鞭毛摆动时沿鞭毛轴丝方向的切向角曲线，通过与由实验得到的多个物利，的 切向角曲线比较，发现基本相符，说明了所做的假设的合理性，为以后建立鞭 毛拍击的动力学理论奠定了一定的基础。 关键词：鞭毛拍击，动力蛋白，切向角，波形方程 i l 内蒙古人学硕十学何论文 t h et h e o r e t i c a ls t u d yo nt h em e c h a n i s m s o fb e a t i n go ft h ef l a g e l l u ma n dc i l i a a b s t r a c t t h es p e r m a t o z o o no fm o s ta n i m a l sa n dp l a n t sh a st h es t r u c t u r eo f f l a g e l l a t h e f l a g e l l aa n dc i l i am o v et h e m s e l v e sb ye x h i b i t i n gr h y t h m i cb e a t i n g t h ee x p e r i m e n t s h o w st h a tt h em o t i v ef o r c ef o rt h eb e a ti sp r o v i d e db yd y n e i nl y i n go nt h e a x o n e m a lm i c r o t u b u l e t h ec u r r e n ts t u d i e so nb e a t i n go ft h ef l a g e l l aa n dc i l i a m a i n l yc o n c e n t r a t eo nt w oa s p e c t s ：o n ei so nt h ec i r c u l a t i o np a t t e r no fd y n e i n m o l e c u l e sw o r k i n g ；t h eo t h e ri so nt h em e c h a n i s mo fb e a t i n go ft h ef l a g e l l aa n d c i l i a s t u d i e so nd y n e i nh a v eg a i n e ds o m ea c h i e v e m e n t ss u c ha st h e t e r t i a r y s t r u c t u r eo ft h ed y n e i n ，d y n a m i cc h a r a c t e r so ft h es i n g l em o l e c u l a r , t h ec i r c u l a t i o n m o d e lo fd y n e i na t p a s e sw o r k i n ga n ds oo n w i t hr e g a r dt ot h es t u d i e so ft h e m e c h a n i s m so ft h eb e a t i n go ff l a g e l l aa n dc i l i a ，i ti ss t i l lav e r yw i d eu n k n o w nf i e l d t oi n v e s t i g a t e t h es t u d i e so nt h em e c h a n i s mo ft h eb e a t i n go ft h ef l a g e l l aa n dc i l i a 内蒙占人学硕十学位论文 h a v ep o i n t e dt h e i rm i c r o s t r u c t u r ea n ds l i d i n gt h e o r y , b u tt h ed y n a m i c a lm e c h a n i s m h a sn o tf o r m e d ，w h i c hr e m a i n so ns u s p e c t i n ga n dh y p o t h e s i z i n g t h et h e s i si sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s i np a r t1 ，t h es t r u c t u r e so ft h ef l a g e l l a a n dc i l i a ，a n dt h et h e o r yo fm i c r o t u b u l es l i d i n ga r ei n t r o d u c e d i np a r t2 ，t h e s t r u c t u r e so fd y n e i na n dt h em e c h a n i c a lm e a s u r e m e n t so ni n d i v i d u a ld y n e i na r e i n t r o d u c e d ，w h i c hi st h eb a s i so fi n v e s t i g a t i n gt h eb e n d i n go ff l a g e l l aa n dc i l i a i n p a r t1a n d2 ，y uy i n g si n t r o d u c t i o no ft h eb a s e m e n tk n o w l e d g ei ss i t e d i np a r t3 ， t h es h e a ra n g l ee q u a t i o no ft h e s w i n g i n go ft h ef l a g e l l a i s g i v e nb a s e do nt h e e x p e r i m e n to fi m i t a t i n gt h eb o n d s l i ps h e a ra n g l ec u r v e so ft h ef l a g e l l aa n dc i l i a t h eb e n d i n gc u r v e sd e r i v e df r o mt h ee q u a t i o na r ev e r ys i m i l a rt ot h ee x p e r i m e n t a l o n e s ，s ot h a tt h eq u a l i t a t i v es t u d yo nt h ep r o p a g a t i n go ft h ef l a g e l l a sw a v ei s c a r r i e do n m e a n w h i l e ，i tc a nb ei n f e r r e dt h a tt h ew a v e f o r mo ft h es w i n g i n go ft h e f l a g e l l as h o u l db es i m i l a rt os t a t i o n a r yw a v et h r o u g ht h eh y p o t h e s i so nt h es t r u c t u r e o ft h ef l a g e l l a t h es h e a ra n g l ec u r v e s ，w h i c ha r ep o i n t i n gt oa x i a lf i l a m e n tw h e n t h ef l a g e l l ai ss w i n g i n g ，a r eo b t a i n e db a s e do nt h eg i v e np a r a m e t e r so ft h ef l a g e l l a c o m p a r i n gw i t ht h es h e a ra n g l ec u r v e so fv a r i o u ss p e c i e sf r o mt h ee x p e r i m e n t ，w e c a nf i n dt h a tt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r es i m i l a rt ot h ee x p e r i m e n t a lc u r v e s t h e r e f o r e ， t h ec o n c l u d eo ft h et h e s i si st h a tt h eh y p o t h e s i si sr a t i o n a l ，w h i c hw i l lb eh e l p f u lf o r s t u d y i n gt h ed y n a m i c a lt h e o r yo f t h eb e a t i n go ff l a g e l l aa n dc i l i a k e yw o r d s ：b e a t i n go ft h ef l a g e l l u m ，d y n e i n ，s h e a ra n g l e ，w a v ee q u a t i o n i v 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文 已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得内蒙古大 学及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名盔二彗 二指导教师签名： 日 期：卫k g 卫日 。期： 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的 全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行 检索，也可以采用影印、缩印或其他复铜手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作 者在学期间取得的研究成果属于内蒙吉大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须 征得内蒙古大学就读期间导师的同意：若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公 开发表 学位论文作者签名：老虽 指导教师签名： 日 期：列跹e l 期： 内蒙古人学硕十学位论文 己- - i 吉 jl 目 生命在于运动，机体的一切活动，从肌肉收缩、鞭毛和纤毛的拍击、细胞内部的运输、 遗传物质的复制、一直到细胞的分裂等等，追踪到分子水平，都是来源于具有马达功能的 蛋白质大分子做功推动的结果。因此它们被称为分子马达、马达蛋白或蛋白质机器等。到 目前为止，已有百种以上的分子马达被确定，它们在机体内执行着各种各样的生物功能【5 1 。 动力蛋白是一类大的并且在形态学上最为复杂的生物马达蛋白。g i b b o n s 和b o w e 在 1 9 6 5 年首次发现并将它命名为动力蛋白【6 j 。动力蛋白主要存在于真核生物的鞭毛、纤毛及 细胞质中，动力蛋白主要分为两大类：轴丝动力蛋白和细胞质动力蛋白。细胞质中动力蛋 白参与细胞内的各种过程，例如有丝分裂中纺锤体的形成、高尔基体的运动、各种各样液 泡的逆向疏运以及细胞器沿着微管的运动等【7 1 。鞭毛和纤毛中的动力蛋白位于组成鞭毛或纤 毛轴丝的双联微管上，它们通过与相邻双联微管的结合，以a t p 水解所释放的能量做功， 使得鞭毛或纤毛产生弯曲运动【8 1 1 】。 鞭毛和纤毛的拍击是动力蛋白作用的结果，动力蛋白通过将a t p 水解为a d p 和p i 过 程中获得的化学能转化为机械能，使得组成鞭毛和纤毛轴丝的双微管之间产生滑移，由于 双微管在鞭毛和纤毛的基部是锁死的，这种微管的滑移就表现为鞭毛和纤毛的弯曲。产生 于鞭毛和纤毛基部的弯曲通过向后传播，使得鞭毛和纤毛产生拍击形式的运动。 关于产生于鞭毛基部的弯曲是怎样向尾部传播的，目前还没有理论对其进行合理的解 释。 本文通过对实验中测得的鞭毛产生弯曲时的滑移曲线进行模拟，得到了描述鞭毛拍击 的切向角曲线方程。通过对鞭毛结构的假设，推断鞭毛摆动形成的波形应近似于驻波，在 此基础上依据鞭毛的各个参数给出了鞭毛摆动时沿鞭毛轴丝方向的切向角曲线，通过与由 实验得到的多个物种的切向角曲线比较，发现基本相符，说明了所作假设的合理性，进而 对鞭毛的波形传播机理进行探索。 内蒙占人学硕 学位论文 一、鞭毛和纤毛的结构 鞭毛是细胞表面的特化结构，从细胞质膜和细胞壁伸出细胞外面的蛋白质组成细长、 波曲的丝状体，表面围以细胞膜，使细胞具有运动性。在哺乳动物中，纤毛只出现在一些 特定的部位，如呼吸道的上皮等。鞭毛和纤毛基本上是同源结构，两者直径相似，均为0 1 5 - - 0 3 p , m 。两者的主要区别在于：细胞上鞭毛数目少，通常仅一至数根，而纤毛的数目可多达 1 0 0 1 0 0 0 根；鞭毛长而纤毛短，鞭毛长度可达15 0 p m ，而纤毛长度仅为5 1 0 p t m ；鞭毛和 纤毛的运动方式不同，鞭毛以抽打的方式运动，而纤毛以摆动或波动的方式运动。它们都 极易脱落，并非生命活动所必需。 ( 一) 鞭毛和纤毛的结构 鞭毛和纤毛的外表是一层外膜，它与细胞的原生质膜相连。膜内含有一个规则排列的由 微管相互连接形成的骨架，称为轴丝。轴丝是鞭毛和纤毛基本的微管结构，同时也是主要的 运动单位。轴丝中央由两根单微管构成中央管，两管之间由长约6 n m 的“短桥”相连，中央管 外围包围着由蛋白质构成的但不与其发生直接联系的辅助结构中央鞘，再外层排列着由9 对 双联微管构成的外双联体。如图1 1 所示。鞭毛的微管排列并不始终如一，在鞭毛基部每组 微管逐渐减为一条，达到基部时，它们就相互融合。外围9 组二联管在进入细胞质后变成三 联管，形成筒状结构，称为基体，来源于中心粒，结构与其完全相同，终止在细胞核或其附 近，表明鞭毛受核的控制。中央管进入细胞质之前终止，此处有一钩状弯曲，称为钩形鞘， 起到连接基体和轴丝的作用。 双联微管( a 一亚微管、b 亚微管组成的双联微管) 间有1 0 。的倾斜，因此a 亚微管比 b 亚微管更接近轴，a 亚微管较小，但较完备，有1 3 条原纤维，而b 亚微管的微管较大， 但不完备，只有l l 条原纤维。a 管对着相邻的b 管伸出两排动力蛋白臂，可与b 管间歇性 连接。双联微管之间还存在一种细丝连接，称为微管连丝蛋白，其功能可能与鞭毛在滑行 运动时维持其几何学上的结构完整性有关【1 2 】。 2 内蒙占人学顾十学位论文 奸e* 图1 1 鞭毛，纤毛的结构 f i 9 11 t h es t r t l c t u r 8 0 f f l a g e l l a o rc i l i a 图12 中可以观察到a - 亚微管与中央微管外鞘之间具有放射辐条连接。辐条在鞭毛不 弯曲的区段以垂直方向连到中央鞘上，而在弯曲的区段则相对的脱玎。几乎所有生物的鞭 毛都呈现“9 + 2 ”的微管排列，但也有许多物种的这一结构在进化中有明显的偏离，例如， 扁虫的为“9 + 1 ”模式，亚洲马蹄蟹、鳗鱼和蜉蝣的为“9 + 0 ”模式等。某些缺少中央元件的鞭 毛能运动，另外一些则不能运动。但如果将“9 + 2 ”模式鞭毛的中央微管去掉，结果会导致 运动能力雀失。存在一个非常有趣的现象，在天然的缺少中央两个单微管的鞭毛拍击中即 所谓的“9 + 0 ”鞭毛拍击中，鞭毛的拍击呈现一种螺旋式拍击，而小是我们在“9 + 2 ”鞭毛中所 观察到的平面式拍击。所以有假殴认为放射辐条和中央微管可能对鞭毛的平面拍击起关键 作用旧。 围i2 典型真核细胞的鞭毛或纤毛结构 f i g1 2 t h es t r t l e t t l r e o f t y p i c a le u k a r y o t i e f l a g e l l a o r c i l i a 内蒙占人学硕 学位论文 鞭毛有两个主要的功能：第一是使细胞在液体介质中运动：第二是帮助细胞锚定在 个地方，使自己不易移动。此外，不同种类的细菌其鞭毛数目、着生位置和排列都不同 因此鞭毛还可以可用以鉴别细菌种类。 ( 二) 鞭毛和纤毛拍击的滑移理论 鞭毛和纤毛的运动可解释为相邻双联微管之间的相对滑动【j ”。 位于a - 亚微管上的动力蛋白臂可与b 一亚微管上的微管结合蛋白连结形成横桥，产生鞭 毛运动所需的力或力矩。实质上，从一个双微管上伸出的动力蛋白臂沿相邻的双微管的外 壁“行走”，使两个取微管之间相对滑动。如图1 3 所示，步骤1 ，沿下方双微管a 亚微管锚 定的动力蛋白臂附着在上方双微管b 亚微管的结合位点上。步骤2 ，动力蛋白分子发生构 象变化，致使下方的双微管朝向上方的双微管底端滑动( 箭头所指) 。步骤3 动力蛋白臂 已从上方双微管的b 亚微管上解离。步骤4 ，动力蛋白臂重新附着到上方双微管上，以便 开始下一循环。 轴丝向一侧的册动与向另一侧的滑动交替进行，以使鞭毛的一部分先向一个方向弯曲， 然后再向相反的方向弯曲。这就要求在任意时刻，轴丝一侧的动力蛋白臂是有活性的，而 另一侧的动力蛋白臂足失活的卅。 图i3 鞭毛争纤毛弯曲机制 f i 9 13t h e m e c h a n i s m o f l l a g e l l aa n dc i l i a s b e n d i n g 善蓦毫园 内蒙古人学硕十学位论文 ( 一) 动力蛋白的结构 二、动力蛋白 动力蛋白是鞭毛和纤毛能够运动的关键组分。所以，对动力蛋白的更深入的了解对于 理解鞭毛和纤毛的弯曲运动是十分关键的i ”j 。 每个动力蛋白都是由1 到3 条蛋白质重链组成的复合体，同时也包含有大量起着调节 作用的轻链【l6 1 。每条重链的相对分子质量都大于5 0 0 0 0 0 d a ，每条重链上都有a t p 的水解位 点和微管结合位点，从而构成了一个基本的马达单位1 1 7 】。 电镜照片显示组成动力蛋白的每条重链都折叠成一个有着两个伸出的分支结构的球状 头部。两个分支结构杆( s t a l k ) 和茎( s t e m ) 分别从球状头部伸出【1 8 2 0 1 ，这两个分支结构可分别 与微管结合【1 6 】【2 1 2 2 ，如图2 1 所示。一般认为茎与a 亚微管结合，并且它们的结合是锁死 的，杆与b 亚微管结合。 动力蛋白的杆长可达1 0 1 1 i l l 【垮】，呈反平行的螺旋结构，在其顶端有- d , 的球形区域，该 区域是对a t p 敏感的微管结合区域2 3 2 5 1 。杆及其头部是由重链c 末端区域的2 3 形成的 【2 3 】【2 6 1 。茎结合着具有调节功能的轻链，它是由n 末端区域形成的，包含有大量的短的伸长 结构，这些结构被预测呈平行结构【2 7 】【2 8 】。通过对衣藻中动力蛋白的电子显微照片的研究表 明杆和茎都是易弯曲的，而且茎通过一个长约1 0 n m 的钩形连接体( 1 i n k e r ) 与头部连接，该连 接体横跨动力蛋白头部。所以茎由三个不同的结构域构成：基部( b a s e ) 、颈部( n e c k ) 和钩形 连接体( 1 i n k e r ) ，如图2 1 b 所示。 a a d 图2 1 动力蛋白结构 f i 9 2 1t h es t r u c t u r eo fd y n e i n 内蒙古人学硕十学位论文 动力蛋白重链属于a a a 机械化学超家族酶【2 9 1 ( a a a ：a t p a s e sa s s o c i a t e dw i t hd i v e r s e c e l l u l a ra c t i v i t i e s ) 。序列分析和电镜照片表明动力蛋白头部的每条重链都包含有6 个相互衔 接着的a a a 分子1 3 0 ( a a a l a a a 6 ) 。它们与相邻的n 端和c 端一起排列成一环状结构域 2 1 3 3 】。在6 个a a a 分子中前4 个a a a 分子即a a a l 卅a a 4 具有保守的p 1 0 0 p 结构【2 8 】， 便于在这些位点上与核苷酸结合【3 3 1 。然而只有最接近n 一未端的a a al 是唯一的一个有着可 观的a t p 水解速率的a t p 水解位点1 3 训。其余3 个位点的功能尚不清楚，但是认为它们起调 节的作用，很有可能是调节着动力蛋白与a d p 的结合。因为对某些动力蛋白而言，a t p 诱 导微管移位需要a d p 的参与或是由a d p 来加速这一移位过程的1 3 4 3 5 】。 ( 二) 动力蛋白的单分子实验 s h i n g y o j i 等人【3 1 给出的动力蛋白体外实验【3 6 】，如图2 2 。 图2 2 动力蛋白体外动力动力学测试实验简图 f i g2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p o s e dd y n e i na l m s ，o nad o u b l e tm i c r o t u b u l e ( d ) ， i n t e r a c t i n gw i t has i n g e rm i c r o t u b u l e ( m t ) 将轴丝中的一个双微管分离出来，露出有活性的动力蛋白分子，将一个小珠连接到单 微管上，利用光学镊子操纵小珠，动力蛋白水解a t p 由光照激发，得到实验结果：1 、让单 微管和双微管之间夹角为3 0 0 ，光照后动力蛋白开始工作，两管问趋向平行，可能由于有更 多的动力蛋白参与管间作用。单管移动的最大速度为6 4 m s 。2 、让单微管和双微管间的 夹角为8 0 0 ，此时单双微管之间只有一个动力蛋白分子产生作用。单管移动的速度为 6 内蒙占人学硕十学位论文 5 3 9 m s 。力持续的时间从几百微秒到几秒，一个动力蛋白所产生的最大力约为6 p n 。单微 管移动1 0 0 n m 不脱离双微管的动力蛋白，说明动力蛋白也是一过程马达。3 、单微管移动 1 0 0 n m 后开始振动，见图2 2 。2 倍振幅为3 2 1 + 1 0 7 n m ，振动频率为7 2 2 4 - 1 5 4 h z 。鞭毛的 拍击可能源于动力蛋白的振动。动力蛋白沿微管移动一步为8 n m ，振动表明动力蛋白向一 个方向移动4 步( 3 2 n m 8 n m ) 便改变方向。动力蛋白消耗一个a t p 移动一步，完成一个工作 循环。它是怎么对前一个循环保持记忆，知道下一步该通向什么方向呢? 这个问题至今还 在困惑着人们。 ( 三) 动力蛋白水解a t p 的工作循环 动力蛋白在水解a t p 的循环过程中会采取多种过渡的生化状态。在a t p 存在的状态下 动力蛋白迅速和a t p 结合成d a t p 状态，然后a t p 水解呈现d a d p p i 状态，释放p i 呈现 d a d p 状念，最后释放a d p 回到起始状态d 。d 表示动力蛋白。一般认为这些生化状态和 动力蛋白产生力、产生运动的构象状态相对应【3 7 1 。k o n 等人【3 8 】用f r e t ( f l u o r e s c e n c er e s o n a n c e e n e r g yt r a n s f e rm e a s u r e m e n t ) 研究了动力蛋白水解a t p 过程中所处的生化状态与动力蛋白构 象之间的关系，结果发现在动力蛋白水解a t p 的过程中，动力蛋白存在两种特殊的状态： 状态一和状态二。状态一是指动力蛋白处于不结合a t p 或处于与a t p 或其水解产物的低能 结合状态，状态二是指动力蛋白处于和a t p 或其水解产物的高能结合状态i ”】。 a d p 弧p d 是d a t p d - a d p t a ilrrk)lion|； 1 d 羹a d 婶溉 d - a d p 。只 p 1 图2 3 动力蛋白水解a t p 工作循环 f i g2 3t h em o d e lo fd y n e i na t p a s ec y c l e 7 o 彳 l 内蒙古人学颈f 学位论文 动力蛋白可在以上这两种状态之间相互转化，每一次转化都对应动力蛋白丰t 的侧移， 但是侧移的方向却还不清楚。在这些实验结果的基础上，给出了动力蛋白水解a t p 的循环 模型，如图23 所示。其中d 表示动力蛋白处于状态一，d 表示动力蛋白处于状态二。 由该模型知道，动力蛋白在水解a t p 循环的工作过程中可以处于多种生化状态但是 这些状态与动力蛋白产生动力的行为之b j 存在什么样的关系还是未知的。 ( 四) 动力蛋白工作循环的机械化学偶联模型 在k o n 等人4 恰出的动力蛋白水解a t p 的工作循环模型的基础上，结合有关动力蚩自 的实验和理论知识，已有工作给出动力蛋白工作循环的机械化学偶联模型如图2 4 所示。其 中d 表示动力蛋白不结合a t p 或与a t p 及其水解产物处于低能结合状态，d 表示动力蛋 白和a t p 及其水解产物处于高能结合状态，a 表示和动力蛋白头部结合的a 亚微管，b 表 示和动力蛋白杆结台的b 一亚微管1 4 0 l 。 卅。| 蔫慧篾。：篇凳葛 昏蒿芦 d r 种b b 卯u i n 。 s + l r + j j lq l 渊一锺惑4 - 籍惑 圈2 4 动力蛋白水解a t p 的机械化学偶联 f i g24 t h es c h e m a t i c m e c h a n o c h e m i e a lc y c l e o f d y e n i n a t p a s e 在此模型中，动力蛋白头部和a 一亚微管存在一个分离奋和五个结合态。图中步骤i ， 由于a t p 与动力蛋白头部的结合，使得动力蛋白与a 亚微管及b 亚微管分离。此时a t p 与动力蛋白处于低能结合状态，表示为da t p 的形式口】。步骤2 ，a t p 与动力蛋白由低能 结合奄到高能结合态的转变，引起动力蛋白头部的构象变化，动力蛋白头部发生旋转h 1 ， 导致了动力蛋白头部与a 亚微管的结合，同时也使得动力蛋白杆与b 一亚微管结合，可以表 示为d aba t p 。步骤3 ，a t p 被水解为a d p 和p i ，a d p 和p i 同动力蛋白处于高能 内蒙古人学硕十学位论文 结合态口j ，表示为d ab a d pp i 。步骤4 为p i 的释放，但是在这一步中a d p 仍然 与动力蛋白处于高能结合状态口j ，表示为d + aba d p 。步骤5 ，p i 的释放触发了动力 蛋白头部的旋转，使得杆的头部相对与b 亚微管发生侧移，产生使微管弯曲的力，a d p 与 动力蛋白处于低能结合态，表示为da ba d p 。这一步可以看作动力冲程( p o w e r s t r o k e ) 。步骤6 为a d p 的释放，动力蛋白同a 亚微管及b 亚微管回到起始的结合状态。 a t p 又可以与动力蛋白迅速结合，以此循环下去。 因为动力蛋白杆与b 一亚微管的结台状态与a t p 是否与动力蛋白头部结合没有关系” 不妨假设在整个动力蛋白水解a t p 的过程中，动力蛋白杆与b 亚微管的结合与解离同动力 蛋白头部和a - 亚微管的结合与解离同步发生。 在动力蛋白水解a t p 的工作循环模型中，动力蛋白每水解一分子a t p ，动力蛋白的杆 就会发生两次侧移 2 1 。而杆的侧穆是由头部的旋转引起的1 4 2 。由l i n d e m a n n 和h u n t 4 1 1 所提 出的关于动力冲程的机制如图2 5 所示，可以看到，动力蛋白分子在产生力的过程中，先转 动其头部使其自身与a 亚微管处于结合状态，然后再次转动头部带动杆侧移使双微管之间 发生滑移。b u r g e s s 等口1 在对动力蛋白水解循环进行分析的过程中发现，动力蛋自释放a d p 和p l 的过程与动力冲程有关。而动力蛋白要产生力的作用，在动力冲程过程中其头部必须 与a 亚微管处于结合状态h “。 所以可认为动力蛋白杆的第一次摆动对应于步骤2 中由于a t p 与动力蛋白由低能结合 状态到高能结合状态的转变，引起动力蛋白头部构象变化，使之发生旋转，同时也引起动 力蛋白头部与a - 亚微管、动力蛋白杆与b 一亚微管的结合。动力蛋白杆的第二次摆动对应于 步骤4 中动力冲程的发生。 图25 动力蛋白动力冲程机制 f i g2 5 t h e m e c h a n i s mo f 恤d v n e i nd o c c e i - s t r o k e 内蒙古人学硕十学位论文 三、鞭毛和纤毛拍击波形传播理论 ( 一) 鞭毛和纤毛拍击的波形模拟 鞭毛和纤毛拍击的实验及理论研究 11 鞭毛和纤毛拍击波形 在关于鞭毛和纤毛的早期研究进程巾值得关注的进步是：a n o nv a i l l e e r w e n h o e k 在1 6 7 5 年开始使用光学显微镜观察原生生物纤毛的拍击4 ”。1 8 3 5 年s h a r p e y 认为鞭毛和纤毛本身 是一个自身的长度可收缩的运动器官，而不是依靠细胞质的流动或其它可收缩性物质的运 动而运动的。1 9 4 9 年r o t h s c h i l d 和s w 枷 l 首先运用了d a r k f i e l dv i d e o p h o t o g r a p h i c 技术来研 究精子运动一】。g r a y 在1 9 5 5 年将这一技术发展运用于记录海胆精子单个鞭毛的波动形式 4 5 1 。g f a 一“1 在1 9 5 5 年发现，海胆精子鞭毛的拍击近似为平面拍击，拍击频率为3 0 4 0 h z 。 并且提出尽管在鞭毛两侧弯曲程度是不一样的，但在鞭毛拍击的特定阶段鞭毛弯衄形成一 种正弦曲线。b r o k a w 4 7 1 通过提高空间分辨率的实验方法对海胆精子鞭毛的运动作了进一 步的分析，结果表明，任一时刻的波形都可以用由一系列短的、直的区域接合而成的圆弧 形波形来表示。鞭毛弯曲形成的正弦波形是只有在鞭毛头部被固定时，才能表现出来的特 殊的波动形式。这个圆弧形波形后来被大部分学者所接受，被认为是虽接近实际波形的形 式。 w o o l l e y 和v e m o n 旧利用电子显微镜照片技术给出了鞭毛弯曲循环的图片，如图31 所 不： 图片显示，鞭毛弯曲的波形近似于平面波形，拍击的方式是起始于基部的一个弯曲继 而向尾部传播。 、 5 n 图3 1 鞭毛波的一个循环 f i g3 1o n ec y c l e o f t h e f l a g e l l a r w a v e 10 3 b棚 儿 内蒙。 人学硕 ：学位论文 1 2 拍击过程中双微管的滑行方式 鞭毛和纤毛的弯曲运动是由于双微管之问的相对滑移造成的。用光显微镜决定鞭毛基 部的方向非常困难。在暗区域显微镜照片中，精子头部图像干扰了对鞭毛基部方向的观测。 甚至在把精子头部去掉，只剩下一条完整的游动着的鞭毛的情况下，弯曲依然发生在非常 靠近基部的区域，使得在基部几乎没有一个直的区域来有效的对其轴向进行精确的测量【4 8 1 。 由于这些原因，许多对精子鞭毛运动的研究都采用了精子头部的轴向作为切向角的参考方 向，并且假设这个轴向在鞭毛拍击的整个循环中都与鞭毛的基部保持一恒定不变的角度。 用这种方法计算得的自由游动精子的滑移的曲线表明滑移的振幅不是一个常数【4 9 5 3 1 。这样 的情况可以解释同步滑移确实存在，并且叠加在振幅相同的节奏滑移之上。 也有人猜想这一振动的同步滑移可能是由于鞭毛基部相对头部方向的改变而人为造成 的5 1 1 ，但是直到现在仍然没有一个独立的实验来检验这种可能性是否成立。 c h a r l e sj b r o k a w 5 4 1 采用了一种新的方法金珠定位法【5 引，对拍击鞭毛中微管之间的 滑移进行直接测量。把金珠附着在裸露的去膜的鞭毛的外双微管上从而测定金珠的运动。 海鞘精子，由m g a t p 激活后产生相对高频率的拍击，使得精子在游动过程中精子头部在方 向上有较大的振动，这种新的方法表明精子头部与鞭毛的连接是非常柔软的，因此相对与 精子头部进行的角度的测量不能给出鞭毛滑移的精确数值。通过金珠定位法对海鞘精子进 行测量，测量的数值证明了相对于精子头部轴向测量角度的正确性，并且证明了在这些精 子鞭毛中弯曲形成过程中节奏滑移和同步滑移的存在。 1 3 鞭毛和纤毛拍击微观滑移理论研究 海胆精子沿着他们的鞭毛产生近似的平面波。弯曲波的形成与轴丝微管间的滑移区域 有关，鞭毛弯曲曲率方向的改变对应于滑移方向的改变【5 6 1 。在鞭毛中这样的微管之间发生 的滑移不能够进行直接的观测，但是可以通过对鞭毛的弯曲图线进行间接的测量。如图3 2 所示，外双微管之间的滑移可以通过鞭毛的弯曲图形计算得到，但是得假设轴丝没有扭曲。 在这些假设条件下鞭毛某一特定点上两个外部双微管之间的滑移的总量就与该点的切向角 成比例，在计算切向角时，一般认为鞭毛基部没有滑移。比例常数是双微管之间的距离： 在弯曲平面上两个发生相互滑移的双微管之间的距离【5 1 】 5 7 巧引。因此滑移值就会随着所选双 微管的不同而不同，所以可以用“切向角”来方便的描述微管之间的滑移，而不用制定比例 常数。一组切向角的曲线就可以表示为不同时刻沿着鞭毛的位置的函数。这就为描述鞭毛 中发生的滑移提供了种有用的方法。 | ；一c 主j 眨 图3 2 鞭毛弯曲和滑移形式 a ，两条平行的曲线代表两个外双微管，基部锁死，鞭毛弯曲时，这两个微管可以发 生相对滑移。 b ，轴丝横截面上微管的分布，两个外双微管之间的距离( 如双微管7 和9 之间的距 离) 如图所示。 c ，由图a 中曲线得到的切向角图线。 f i g3 2t h eb e n d i n ga n ds l i d i n gp a t t e mo ff l a g e l l a r a ，lw op a r a l l e ll i n e sr e p r e s e n tt w oo u t e rd o u b l e tm i c r o t u b u l e s ，t i e df i r m l yt o g e t h e ra tt h e i r b a s a l ( 1 e f t ) e n d s ，w h i c hs l i d er e l a t i v et oo n ea n o t h e ra st h ef l a g e l l u mb e n d s b ，t h ea r r a n g e m e n to fm i c r o t u b u l es e e ni nac r o s s s e c t i o no fa na x o n e m e t h ed o u b l e t s e p a r a t i o ni st h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ed o u b l e t s ( i nt h i sc a s ed o u b i t s 7a n dd o u b l e t s 9 ) s h o w na b o v e c ，s h e a ra n g l ev a l u e sa saf u n c t i o no f l e n g t h a 妇， c = 旧 一 l 州呻 l = n c ： 盎 k 一 口 a j 芷 们 a l o n gt h ef l a g e l l u mf o rt h eb e n d i n gp a t t e r ni n 图3 3 海胆精子鞭毛的一个弯曲波的切向角图线 o f i g3 3t h es h e a ra n g l eg r a p h i c sc o r r e s p o n d e n c ew i t ht h ef l a g e l l a sb e n d i n gw a v eo f s e a u r c h i n 1 2 内蒙古人学硕 学位论文 如图3 3 所表示的是由鞭毛弯曲的波形( 图3 1 ) 计算得到的双微管之间的滑移的曲线 1 5l 】【5 9 - - 6 0 】 o 2 鞭毛和纤毛拍击波形的模拟 2 1 节奏滑移、同步滑移以及由二者叠加而成的滑移曲线 图3 4 a 表示一组假想的由圆弧构成的切向角曲线【5 4 l ，它表示前面所提到的节奏滑移曲 线，节奏滑移是指在鞭毛任意一点的滑移振动的振幅都相同。同步滑移如图3 4 b 所示【5 0 】， 称之为同步振动滑移。 鞭毛精子的基部区域一般包含有两个发展着的弯曲。在许多情况下这两个发展着的弯 曲有着大致相同的方向相反的角速度，因此，由这两个发展着的弯曲所形成的总的滑移值 相对较小，不能改变沿着鞭毛梢部区域形成的弯曲的节奏滑移模式。 对精子鞭毛运动的研究都采用了精子头部的轴向作为决定切向角的参考方向，并且假 设这个轴向在鞭毛拍击的整个循环中都与鞭毛的基部保持一恒定不变的角度。用这种方法 计算得的自由游动精子的滑移的曲线类似于图3 4 c 4 9 5 3 1 ，表明滑移的振幅不是一个常数。 这样的情况可以解释同步滑移虽然数值较小，但它是滑移中确实存在的并且叠加在振幅相 同的节奏滑移之上吲6 1 】。 懿 喜o ，5 oo 蔷o ， 蕾 鑫一0 - 5 图3 4 鞭毛弯曲形式的切向角曲线 a ，节奏滑移曲线b ，同步滑移曲线c ，节奏滑移和同步滑移叠加而成的曲线 f i g3 4s h e a ra n g l ec u l v e sf o rf l a g e l l a rb e n d i n gp a t t e r n a ，r e p r e s e n tt h ep a t t e md e s c r i b e da sm e t a c h r o n o u ss l i d i n g b ，r e p r e s e n tt h ep a t t e r nd e s c r i b e da ss y n c h r o n o u ss l i d i n g c ，r e p r e s e n tt h es u mo ft h em e t a c h r o n o u ss l i d i n gi naa n dt h es y n c h r o n o u ss l i d i n gi nb 2 2 对节奏滑移、同步滑移及由二者叠加而成的曲线的构建 在滑移曲线模拟这方面已有文献运用此方法做了一部分工作，并通过将拟合函数的图像 内蒙古人；乏硕i ：学位论文 与已有数据对比分析，推导出了动力蛋白的工作机制极有可能是一个动力蛋白与b 一微管分离 的瞬间，下一个动力蛋白立即与b 一微管连接的结论。其不足之处在于对从鞭毛基部丌始到距 基部81 tm 处的这一部分没有进行模拟，而鞭毛拍击的波形是由基部产生并向后传播的，所以 对于此段的研究对整个波形具有重要的意义，并且通过观察实验记录图像发现，在距头部较 近的位置扰动很大，据此猜想在头部附近的动力蛋白工作循环机制可能更复杂，因此对这部 分的模拟的重要性不容忽视，本文即在这方面进行了一些如下的改进： 2 2 1 对应图3 4 a 构建节奏滑移曲线： 曲线l ： “0 5 c o s 【簪一( 三+ 百2 7 瑚 ( o ，6 0 ) 曲线2 ： 曲线3 ： 曲线4 ： 1 0 5 c 。s 卜三+ 孥x 】( o ，2 ) 。2五 。、。7 1 0 5 e o s - 等- & 一( 三+ 等瑚( 2 ，6 0 ) 1 0 5 c 。s 【一至+ 车x 】( o ，4 ) 2五 。、77 1 0 5 c 。s 亭州争百2 7 纠 ( 4 ，6 0 ) ( 三+ 百2 7 训 ( o ，6 ) ( 詈+ 百2 7 纠 ( 6 ，6 。) 曲线5 ： “。5 c 。s 等州三+ 了2 7 纠 ( 0 6