ATP水解机理对肌动蛋白组装成纤维过程的影响

Cell movement plays vital roles in many biological processes, but the changes in the dynamical structure of cytokeleton under the cell are the driving force of cell movements. As a kind of the cytoskeleton, it is very important in biological meanings to study the effects of actin filaments on the mechanism of cell movement. In order to study the dynamical structure of actin filaments, it is nesseceary to study the basic problems, for example, actin polymerization dynamics and ATP hydrolysis mechanism. Scienstists agree that the dynamics of actin polymerization is coupled with ATP hydrolysis, however, it is not still clearly known the ATP hydrolysis mechanism. To solve these unknown problems, researchers carry out a serious of in vitro experiments. It is found in these experiments that the lengths of actin filaments exhibihit large fluctuations near critical concentrations, and these behavors are closely related with ATP hdyrolysis mechanisms. Likewise, a new kind of ATP hydrolysis mechanism called cooperative mechanism is proposed via the depolymerization experiment of actin filaments.These experimental results as the basis of biological background are provided to study the dynamics of actin polymerization. The theoretical studies not only confirm the known experimental results, but also explain the unknown problem found in experiments. We choose the actin polymerization coupled to ATP hydrolysis to study the associated physical problems found in actin polymerizations.

细胞运动在细胞生命活动中占有重要的地位，而细胞骨架网络的动态结构变化是细胞运动的主要驱动力。作为细胞骨架的一种，探索肌动蛋白纤维的动态结构对细胞运动的机制具有十分重要的生命意义。为研究这类纤维的动态结构，非常有必要研究肌动蛋白纤维的聚合动力学和ATP水解机理等基本问题。科学家们普遍认为肌动蛋白单体的聚合动力学紧密耦合着ATP水解机理，但目前尚未完全清楚ATP水解机理。为了研究这些悬而未决的基本问题，开展了一系列的仿生实验。这些实验观察到肌动蛋白纤维的长度存在明显的涨落行为，而该行为与ATP水解机理息息相关。而通过肌动蛋白纤维的解聚实验则提出了新的水解机理模型。这些实验结果为我们研究肌动蛋白聚合动力学的理论研究提供了一定生物背景基础。理论的研究不但可以证实实验结果，还可诠释实验中尚未清楚的问题。我们选择耦合ATP水解机理的肌动蛋白单体聚合作为切入点，探讨聚合动力学中存在的相关物理问题。

细胞运动和细胞分裂在细胞生命活动中占有重要的地位，而细胞骨架网络的动态结构变化是细胞运动和细胞分裂的主要驱动力。探索肌动蛋白纤维的动态结构对真核细胞运动的机制具有十分重要的生命意义，而探索FtsZ环的动态结构对原核细胞分裂的作用机制有重要生命意义。为研究这些细胞骨架的动态结构，非常有必要研究肌动蛋白纤维和FtsZ动态环的生成动力学、动态图谱结构和ATP/GTP水解机理等基本物理问题。因此，本项目基于真核细胞的细胞骨架肌动蛋白纤维和原核细胞的细胞骨架FtsZ纤维，从粒子基模拟和蒙特卡罗模拟、理论分析，以及耦合相场动力学和FtsZ环构象描述的理论模型的建立，考虑单根肌动蛋白纤维具有不同水解机理，到单根肌动蛋白纤维稳态图谱的生成动力学和结构塑性，尤其是肌动蛋白纤维在临界浓度附近存在的长度涨落，到细胞中央动态FtsZ环的动态态构象、细菌收缩作用力的产生机理、细胞分裂时间等方面，以及它们在细胞分裂和细胞运动等生命过程中的作用机制都作出了深入的理论研究。该研究具有基础性和前瞻性，对生命科学和软物质物理学具有极其重要的理论指导意义。