李微[1]2004年在《分子马达高斯跃迁定向运动机制的研究》文中研究说明分子马达是广泛存在于细胞内部的具有马达功能的酶蛋白生物大分子。分子马达通过催化叁磷酸腺苷分子(ATP)水解，将化学能转化为机械能产生自身的定向运动。 当对分子马达的动力学进行初步的理论分析时，构造简明合理的物理模型至关重要。在现有的理论中，有人提出马达在不同状态之间跃迁发生在某些固定的位置，这就是所谓的定点跃迁理论，这种理论的假定过强，在物理上难以被人们接受。也有人提出均匀跃迁理论，认为马达在不同状态之间的跃迁在各个位置都是等几率的。但这种模型通常只对相互作用势取分段线性函数形式才有解析解，所处理的问题具有较大的局限性。 针对上述两种模型的局限性，在布朗马达理论框架中，我们提出了分子马达的高斯跃迁模型。我们认为马达在不同状态之间的跃迁不再局限于某些固定的跃迁点，也不是在各个位置都是等几率的，而是发生在某些点附近的一定宽度范围内，用跃迁宽度这一特征量表征跃迁范围的大小，能够较好地说明分子马达的动力学行为。在理论分析中，假定跃迁速率与位置有关且在跃迁点附近具有高斯函数形式。将布朗粒子的几率密度在跃迁点附近展开，可以进行任意阶的计算。 我们选取简单的两态模型，讨论了布朗粒子定向运动产生的几率流随温度、跃迁速率和跃迁宽度的变化关系。计算结果表明，在温度很低或很高时，定向运动的几率流都趋于零；在适当的温度范围内，对于某一确定的跃迁速率，总存在一个几率流的最大值，而且随着速率的增加相应于最大几率流的温度值升高。也就是说只有在适当的温度和跃迁速率下，才会有较大的流，说明几率流对温度和跃迁速率都是有选择的。在此基础上，我们着重讨论了跃迁宽度对几率流的影响。当温度很低或很高时，跃迁宽度对流的影响并不明显。然而在适当的温度范围内，允许粒子在一定宽度内跃迁，粒子在这一范围内出现几率增加，就使得更多的粒子跃迁几率增加，产生了较大的几率流。所以说跃迁宽度对流的影响是较为明显的。此外，我们选取的相互作用势更接近于定点跃迁模型中的简单锯齿势的形式，计算外力对几率流的影响。几率流随外力变化的总体趋势与定点跃迁模型的结果是一致的。这一新的理论可以涵盖早期的定点跃迁模型和均匀跃迁模型，是讨论多态动力学体系相关问题的一个更一般的理论框架。
张红卫[2]2002年在《分子马达定向运动机制研究》文中指出近年来，随着光钳技术、分子遗传学方法、x射线晶体结构分析以及显微成像等实验技术的发展，使得人们可以对单个分子马达的运动过程进行观测和操作，从而对分作马达的结构、运动学和动力学的认识有了长足的进步。现已发现的分子马达有上百种，虽然它们在结构上有所不同，但它们都能在消耗化学能(通常是ATP)／化学势的同时沿轨道作定向运动。依据分子马达与轨道作用方式的不同，可将分子马达分为线性分子马达和旋转式分子马达。本文简单介绍了人们较熟悉的肌球蛋白(myosin)、驱动蛋白(kinesin)、动力蛋白DNA解旋酶和F_1-ATP合酶、细菌鞭毛马达，讨论它们的构造、动力学特征及其在生命活动中的重要作用。通过比较大量有关肌球蛋白和驱动蛋白的生物化学实验发现，每种马达的头部都有包含结合ATP和结合轨道位点的“催化核”，它们是动力作用的核心，且每种马达都有与动力作用有着密切联系的“颈部”。研究分子马达的物质结构基础，有助于理解其定向运动机制。 因分子马达处于胞质液体的环境中，物理学上将其看成是布朗粒子或布朗棘轮，其运动可以纳入布朗运动的理论框架去讨论，通过非平衡统计物理的Langevin方程或Fokker-Plank进行分析和计算。分子马达在随机涨落的同时发生着一系列周期性的化学反应(如ATP的结合、水解、ADP和Pi的释放等)以及由此导致的马达本身构型的变化，构型变化进而又导致了分子马达头部同轨道作用力大小的变化。这些因素的共同作用，使得分子马达在由势涨落引起随机运动的基础上出现宏观定向运动，即定向几率流。探讨马达定向运动机制就是研究几率流。构造一个分子马达模型至少需要两个条件：分子马达各状态之间的化学反应的速率常数(跃迁几率)和体系的势能函数。在此基础上，本文介绍了两个典型的分子马达物理模型：一是势垒的两态涨落驱动的布朗马达，给出用特征值法求解Fokker-Plank方程的方法。二是具有内部自由度的布朗马达。在此模型中，轨道是一列全同的小球，马达和轨道都被看成电偶极子，其间的相互作用是电性的，相互作用的大小用分子马达绕轴心旋转的内部自由度的变化来表示，且假设旋转是连续的，并用矩阵连分式的方法解析求解定向流的大小。 为了尽可能与生物学原型吻合，本文在具有内部自由度的布朗马达的基础上，提出了 研究生论文：《分子马达定向运动机制研究》一个新的模型，假定布朗马达在几个分离态（为计算简单假设是两态）之间随机跃迁对应于ATP水解循环，且轨道是平直的，用差分的方法解FokkerPlank方程，计算几率流的数值解。在讨论噪声强度和跃迁几率对定向运动的影响时发现，流的大小对此二者都有一定的选择性，且跃迁几率的大小可能会引起流的反转。
田茎[3]2007年在《分子马达定向运动机制的研究》文中认为分子马达是具有马达功能的蛋白质大分子，广泛存在于生物体细胞内，是一类可以高效率的将储存在ATP中的化学能直接转化为机械能的蛋白质。生物体的一切生命活动，都离不开分子马达做功的推动。分子马达通过催化ATP水解获得能量，从而产生宏观运动，在这个过程中，伴随着ATP水解的化学过程而产生的运动的动力学机制是我们关注的焦点问题。由于在分子尺度上，蛋白质马达布朗运动的特征十分明显，因而在不考虑分子马达构象变化的情况下，通常把分子马达抽象为布朗粒子，利用非平衡态统计理论解释分子马达在介质中的运动机制。周围环境的影响被简化为某种特定形式噪声的激励作用，分子马达与轨道之间的相互作用可以用特定的势函数来表示。论文中首先简单地介绍了几种经典的马达蛋白的生物结构和催化ATP水解的工作机制；接着，介绍在描述分子马达定向运动机制中常用的主方程和Langevin方程，详细介绍了数值求解Langevin方程的Runge-Kutta算法和Monte Carlo模拟方法，并结合简单具体模型进行了讨论。在第叁部分，介绍了一些特殊的布朗马达模型。第四章中我们提出了二维闪烁布朗马达型，分析了在白噪声作用下和非恒定外部驱动力下的分子马达各个参量的对稳态流J的影响。
胡锡龙[4]2007年在《基于高分子模型的分子马达动力学研究》文中研究指明分子马达是生物体内将叁磷酸腺苷(ATP)水解释放出来的化学能直接转化为定向机械能的一类蛋白质酶的总称。其运动机制的核心是：将无规的化学反应热直接转化为有序的机械能。分子马达的运动机制已成为当今生物学界和物理学界的研究热点，因为它涉及到一个更为广泛的物理问题：在没有外力的作用下，如何将无规的热运动转化为定向的机械能?对这个问题的解答将直接让人联想到违背热力学第二定律的第二类永动机。生物学家关注的是分子马达的微观领域，它们致力于分子马达的蛋白质生物结构和构象形态的研究；而物理学家则从宏观的角度把分子马达抽象成为一个简单的粒子，研究其将随机运动转化为定向运动的机制，至于分子马达的内部细微结构往往被忽略。本文则以分子马达的中的驱动蛋白为原型，兼顾其生物结构和物理意义，提出了支化链模型，线性场和不对称势场下的高分子链模型，从高分子的角度来研究分子马达的运动机制。1．本文用短链组成了一个一端吸附的3臂支化链模型，用来模拟驱动蛋白在运动过程中的构象分布和能量转化关系；模型的求解过程中发现：以无限高方势阱为边界条件，用量子力学中的传播函数可以精确地描述高分子短链的末端距分布，并且通过传播函数的组合性质，可以研究星型支化链中任意两臂的末端距分布；最后的理论推导结果表明：支化点的位置变化决定了驱动蛋白整个分子链的构象，这与实验室得到的结果一致。2．本文从理论上推导出线性场下高分子链末端距分布函数，并通过Monte Carlo模拟发现：在线性场下，高分子理想链和真实链的均方末端距
李微, 赵同军, 郭鸿涌, 纪青, 展永[5]2004年在《布朗马达的非均匀高斯跃迁模型》文中提出提出了布朗马达的非均匀高斯跃迁理论 ,用布朗粒子在多态之间的跃迁模型描述分子马达的定向运动 .假定跃迁速率与位置有关 ,且在跃迁点附近具有高斯函数形式 ,将布朗粒子在x处的概率密度Pm(x ,t)在跃迁点附近展开 ,可以进行任意阶的近似计算 .这一理论涵盖了以往的定点跃迁模型和均匀跃迁模型 .作为具体例子 ,研究了系统在两态之间的跃迁问题 .假定在一个周期内有两个跃迁点 ,讨论了布朗粒子定向运动产生的概率流随温度、跃迁速率和跃迁宽度的变化关系
支联合[6]2002年在《非平衡涨落理论用于分子马达研究》文中研究指明分子马达是细胞内的能量转化器和营养物质的运输器。它的定向运动机制是现在诸多学科研究的前沿和热点。本文首次提出了双头相互作用的分子马达定向运动机制的模型，尝试了物理上研究分子马达定向运动机制的新方法。本文内容包括：首先综述生物学领域分子马达研究的最新进展，内容安排为：肌球蛋白的结构和功能，驱动蛋白的结构和功能，肌球蛋白和驱动蛋白定向运动机制的结构生物学方面的最新进展；其次综述并分析了当前研究分子马达定向运动机制的几种物理模型，内容安排为：分子马达运动的基本观点和建构模型的一般方法，势垒的两态涨落诱导的分子马达运动模型，分子马达定向运动的偶极子模型；最后讨论双头相互作用的分子马达模型，内容安排为：先详细论述模型的构建，再建立Langevin方程和Fokker-Planck方程，接着用差分的方法求解出Fokker-Planck方程的解，然后分析和研究分子马达定向运动的机制。
吴丹[7]2007年在《非线性系统中的时间延迟和噪声》文中进行了进一步梳理本文从非线性动力学系统的朗之万方程出发,通过近似方法和数值模拟,从理论上分析了时间延迟和不同类型的噪声对系统统计性质的影响。主要研究了系统的定态解,噪声诱导相变类比,平均首通时间,噪声诱导的分子马达中的输运,以及时间延迟影响下的随机共振现象。首先,我们研究了不同类型的噪声对双稳激光系统动力学行为的影响。对于非高斯噪声和高斯噪声之间存在耦合的双稳激光系统,我们采用了路径积分近似和泛函近似方法,计算出系统的定态分布函数和平均首通时间,分析了噪声间的耦合强度λ和偏离高斯噪声参量q对噪声诱导的相变类比和平均首通时间的影响。结果表明,噪声间的耦合强度能诱导重复相变类比,偏离高斯噪声参量能诱导一级相变类比。改变噪声间的耦合强度或者偏离高斯噪声参量都能使平均首通时间曲线从单调递减变为单峰函数。对于受两种不同种类的色噪声驱动的双稳激光系统,我们综合运用了统一色噪声近似和泛函近似的方法,得到了系统的定态分布函数和激光强度方差的解析解,分析了两种不同色噪声的关联时间τ_1,τ_2以及噪声间的耦合强度λ对激光双稳系统涨落的影响。结果表明,乘性噪声关联时间τ_1,能抑制激光系统的涨落,而耦合噪声的关联时间τ_2,能增强激光系统的涨落。强度方差在耦合强度λ=0两侧对称分布,当|λ|增加时,位于λ=0两侧的强度方差曲线的峰值也对称地增加。其次,我们探讨了时间延迟对非线性系统的随机共振现象的影响。对于含有非高斯噪声和时间延迟的双稳系统,我们综合运用了路径积分近似,统一色噪声近似和小时间延迟近似的方法,推导了系统的定态分布函数;然后通过双态理论求出了系统信噪比的解析式。分析了延迟时间τ,非高斯噪声的关联时间τ_0和偏离高斯噪声参量q对系统的定态分布函数和信噪比的影响。结果发现,定态分布函数曲线中峰的分布以及信噪比曲线中单峰和双峰再到单峰的跃迁现象依赖于参数τ,τ_0和q的取值。对于受周期信号驱动的含有时间延迟和高斯白噪声的FitzHugh-Nagumo神经元模型,我们通过数值模拟计算了系统的傅立叶系数Q,研究了神经元的随机共振。结果发现,系统的随机共振是周期信号和噪声强度的非单调函数,随机共振的周期行为依赖于时间延迟。由此可见,通过选择适当的时间延迟能调控系统的随机共振。最后,我们探讨了噪声和时间延迟对分子马达输运的影响。对于由外界周期力驱动的含有时间延迟的分子马达,我们讨论了噪声强度和时间延迟对分子马达的平均速度和校正效率的影响。研究表明:噪声强度的增加减小了正向平均速度和校正效率,而时间延迟的增加能够使平均速度和校正效率的峰的个数和高度皆发生变化,并且破坏速度几率密度分布的对称性。当空间对称的周期性Josephson结受时间延迟和耦合噪声的影响时,我们通过小时间延迟近似,并根据几率守衡定律推导出了几率流的表达式。分析了加性噪声强度,乘性噪声强度,噪声耦合强度,时间延迟对Josephson结的几率流的影响。研究结果表明,适量的时间延迟能够提高几率流。噪声间的耦合是产生几率流的原因,并决定着几率流的方向。负的耦合强度能诱导正向几率流,而正的耦合强度能产生负向几率流。几率流的绝对值是加性噪声的单峰函数,是乘性噪声的单调递增函数。数值模拟结果验证了近似理论分析的正确性。
冯玉宇[8]2015年在《耦合布朗马达的定向运输研究》文中认为物质和能量输运之间的关系一直是人们孜孜不倦在探寻的重点问题之一。在诸多输运现象中,生命活动中外力效果为零甚至是无外力的主动输运引起了学者广泛的注意。本文的研究受启发于生物体内一些蛋白能直接将ATP的化学能转化为机械能,无需经过热能的中间态,由这些蛋白进行的能量转化,其效率率远远超过了人造系统,我们称这类蛋白质为分子马达。分子马达在生命体内广泛存在,并行使着自身特定的职能,研究发现是这些分子马达的存在使得生命体的主动运输成为可能。人们准确分析了分子马达所处的环境,将分子马达简化为在空时非对称周期势中,受外部非平衡热涨落影响的布朗马达,从而模拟出生物体生命活动的机理。本文从分子马达结构、周期势的、非平衡热涨落等几个方面,深入分析了分子马达的输运机制。首先我们研究了分子达的构造及其所处环境。分子马达能够进行主动运输且输运效率之高,与其自身结构息息相关。在实验分析驱动蛋白、动力蛋白、肌球蛋白这叁类分子马达蛋白的结构和在生物体运动的机理,再从物理学角度分析,将其视作处于棘轮势中的布朗粒子,分析其机械化学性质,并介绍如何实现了对分子马达从生物学向物理学的跨越。其次分了在噪声影响下粒子的输运,利用噪声谐振子严格可解的特点,对产生简谐噪声的坐标项和产生简谐速度噪声的速度项进行分析,解出能够反映噪声性质的关联函数,从而很好的模拟出对分子马达输运产生影响的非平衡热涨落。其次,通过对各种分子马达模型进行分析,对于分子马达的研究从一维的棘轮势着手,分别研究了粒子体系仅仅受棘轮势惯性影响,以及在添加外部非高斯噪声后,粒子体系受棘轮势惯性影响和噪声影响下,粒子体系的输运机制。对模型进行拓展,在二维的棘轮势中,分子马达仅仅受棘轮势和受棘轮势和噪声共同影响下,粒子体系的输运机制。最后,基与对粒子间存有相互作用的考虑,可以将分子马达看做是耦合的布朗粒子,考虑耦合分子马达受棘轮势和噪声影响下,粒子体系的输运机制。本文从时间、空间、分子马达内部结构以及马达所处环境等几个方面,简单的介绍了分子马达定向输运的产生机制,建立了较为完善的分子马达模型,深入的对分子马达输运机制进行了探讨。获得了各种最佳的参数,这些参数有助于指导以后纳米机器的制备,以及单分子操纵技术参数的选取,通过适当的调整参数还可以有效的实现粒子流的增强、抑制和反转,为进行粒子筛选参数的选取提供了依据。
高天附[9]2009年在《叁种典型布朗马达的定向输运与非平衡态热力学分析》文中研究说明在传统的热力学中,一旦知道系统的始态和终态能量以及连接两态的路径,便可确定系统对外作的功。事实上,两态的能量及系统与环境在路径上的交换热均有k_BT涨落,只是在玻耳兹曼统计中,这个量级的涨落被忽略了。如果系统很小,这样的涨落则不能被忽略。这类微观系统的统计热力学问题是纳米科学当前所面临的研究障碍。分子马达正是这样的微观系统,可为物理学家解决该问题提供一个理想的研究平台。近年来噪声诱导定向输运的现象已经引起人们的广泛兴趣。这种现象已经被普遍地应用在物理、化学以及生物上。理论和实验上研究的都比较集中的一个系统是动蛋白马达或者力蛋白马达的定向运动。这类马达蛋白主要负责细胞器官的输送,它们的运动是随机的但平均来说是定向运动,并且可以用布朗棘轮来构建这样的模型。于是布朗马达的概念便被用来解释噪声诱导定向输运。基于以上原因,本论文围绕几种典型的布朗马达模型进行讨论,研究了马达的定向输运行为。同时应用非平衡态热力学理论探索受不可逆因素影响的热驱动布朗马达系统的各种最优性能参量对马达性能的影响。主要研究内容如下:介绍了布朗运动的动力学理论,对定向输运系统(热力学棘齿)和布朗马达作一整体概述。详细介绍了分子马达的研究历史、分类、模型的构建以及理论框架,同时还对现有模型中马达模型研究的不足作了探讨和分析,期望对今后的研究有所启示。研究了由两个相同周期不对称势垒构成的两态闪烁棘齿模型中布朗粒子的定向输运。采用幂级数展开的方法得到了几率流的解析式,给出几率流随外参数变化的特性曲线。详细地讨论了不对称参数,势垒高度以及两态间的跃迁率等因素对几率流的影响。发现几率流不但会受到不对称参数和势垒高度的影响,而且两态间的跃迁率同样会影响到几率流。当两态间的跃迁率不等时,还发现势垒高度不仅会改变几率流的大小而且还会改变几率流的方向。基于一个更为普遍的布朗马达模型,解析求解了热驱动布朗马达的昂色格系数和普适效率。发现模型的昂色格系数满足倒易关系,由粒子运动产生的动能变化部分不会影响昂色格系数。仅当系统的热漏部分可以忽略时,昂色格系数行列式等于零。此外,详细地讨论了表征模型的各个参数对热布朗马达效率的影响。给出普适效率随系统参量变化的特性曲线,计算了效率的最大值和相应的优化参数。得到的计算结果更具有普遍意义,它们可以用来分析布朗马达在叁个有趣条件下的性能特性:没有热漏情况,平均速度等于零的情况和线性响应区附近的情况。在上述基础上,建立了一个等效的循环系统,运用非平衡态热力学理论计算了系统的昂色格系数和最大输出功率时的效率。发现模型的昂色格系数满足倒易关系,对于现实系统的不可逆因素同样会影响模型的昂色格系数。仅当热漏和粒子动能改变部分可以忽略时,昂色格系数行列式等于零。同时还发现在非平衡态热力学框架下,对于不可逆热布朗马达的输出功率和效率可以表述成和不可逆卡诺热机相同的形式,因此所得的结果更具有普遍意义。此外这些结论还可以用来分析一类热驱动布朗马达的性能特性。基于理论上可以计算且实验上可以操作的双阱棘齿势,研究了延迟时间,粒子数,势垒的不对称参量对延迟反馈棘轮性能的影响。计算了布朗粒子的质心速度,平均有效扩散系数以及Pe数。详细地解释了这些参数不仅会受到延迟时间和粒子数的影响,而且还会受到双阱棘齿势的不对称参数的影响。很有趣地发现通过改变系统的粒子数可以获得定向流的反转。期望能够在某些物理和生物系统中观测到这些结果,因为本模型采用的是更为实际的并且可以在实验上实现的双阱棘齿势垒。本论文所得的结果可作为进一步深入研究上述叁种典型布朗马达的理论基础,也可为相关纳米机器的优化设计提供理论参考。
舒咬根[10]2004年在《生物分子马达的定向输运机制及其ATP水解动力学》文中研究表明近十年来，随着单分子操纵技术的发展，分子马达的运动性实验研究已成为生物物理领域的热点之一。对于那些依赖于ATP(叁磷酸腺苷)来实现化学能与机械能之间相互转换的分子马达，同时观测ATP水解(或合成)的反应动力学过程和马达机械运动的进程为揭示分子马达的机械化学耦合提供了一条途径。 非持续马达的在位比较低(≤2％)，在细胞内的布朗运动特性比较明显。本文引入两态棘轮势模型，将ATP水解的释能反应唯象地视为对布朗马达的一个激励。在外场的作用下，布朗马达会定向漂移，其漂移速度与化学激励强度有关，这一模型在马达的定向漂移速度与ATP浓度之间建立了联系，从而为研究分子马达的机械化学耦合提供了一个理论基础(见第3章)。 集体分子马达在细胞内的行为(如肌肉收缩)不同于单个分子马达。本文在两态棘轮势中讨论了多马达强耦合体系的ATP水解反应动力学，显示了集体马达不同于单个马达的协同效应(见第4章)。 驱动马达的单分子酶学实验揭示了负载对驱动马达的影响。具体表现在两方面：一是降低了马达运动的饱和速度；二是减少了ATP的有效绑定速率。本文提出双头强耦合“滑行”模型(简单的“尺蠖”模式)较满意地解释了上述实验结果(参见第5章)。 有关分子马达及其运动性和机械化学耦合方面的最新实验进展，简要介绍于第2章。
参考文献：
[1]. 分子马达高斯跃迁定向运动机制的研究[D]. 李微. 河北工业大学. 2004
[2]. 分子马达定向运动机制研究[D]. 张红卫. 郑州大学. 2002
[3]. 分子马达定向运动机制的研究[D]. 田茎. 郑州大学. 2007
[4]. 基于高分子模型的分子马达动力学研究[D]. 胡锡龙. 东华大学. 2007
[5]. 布朗马达的非均匀高斯跃迁模型[J]. 李微, 赵同军, 郭鸿涌, 纪青, 展永. 物理学报. 2004
[6]. 非平衡涨落理论用于分子马达研究[D]. 支联合. 郑州大学. 2002
[7]. 非线性系统中的时间延迟和噪声[D]. 吴丹. 苏州大学. 2007
[8]. 耦合布朗马达的定向运输研究[D]. 冯玉宇. 西北农林科技大学. 2015
[9]. 叁种典型布朗马达的定向输运与非平衡态热力学分析[D]. 高天附. 厦门大学. 2009
[10]. 生物分子马达的定向输运机制及其ATP水解动力学[D]. 舒咬根. 厦门大学. 2004