马达蛋白的运行机制及肌动蛋白纤维的生长机制

The main projects studied in this proposal are as follows. (a) Mathematical modeling of stochastic growth and shortening of actin filament in cells, and explicit expressions of the mean growth velocity, mean cap length, etc. will be obtained. (b) Presenting a mathematical model to describe the mechanochemical cycles of general processive motor proteins, and then based on this model, the biophysical properties of motor protein kinesin, dynein and myosin will be detailed discussed. (c) The transmembrane transport process of ions will be described by a new model, in which the chemical master equation and the TASEP (totally asymmetry simple exclusion process) are combined. In each model, all the values of model parameters will be obtained by fitting to the updated experimental data, and then corresponding biophysical properties of the related life processes will be analyzed.. The study of above projects will be helpful to understand the basic principles of related processes in living cells, and might be also biomedically meaningful. The basic idea used in this proposal is that, based on the related biophysical and biochemical principles and especially the recent experimental observations, the mathematical models will be firstly designed, and then the corresponding model parameters will be determined by the experimental data. Finally, biologically meaningful predictions will be obtained by theoretical analysis and numerical calculations.

该申请项目将主要就以下几个问题展开研究：（a）建立描述细胞内肌动蛋白纤维随机生长过程的数学模型，并得到相关生物物理量（平均生长速度、生长帽子的长度等）的显式表达式；（b）首次建立统一的描述马达蛋白力学化学循环过程的数学模型，并据此对马达蛋白kinesin、dynein、myosin的生物物理性质进行分析；（c）首次建立基于化学主方程与TASEP过程相结合的描述细胞内外离子通过膜上的离子通道进行输运的数学模型。在研究中，模型参数将通过最新的试验数据来确定，并据此预测出更多的有关细胞生命活动的基本生物物理性质。.该项目的研究成果将有助于理解某些细胞生命活动的基本原理，并将会具有一定生物医学意义。该项目研究的基本思路是，首先根据最新的试验现象，并依据有关的生物物理与生物化学原理建立相应的数学模型，再通过具体的试验数据确定模型中的参数，最后再通过理论分析或数值计算的方法得出具有生物意义的预测。

该研究项目主要是围绕生物分子马达的运行机制问题展开的，包括单个分子马达的运行原理；几个分子马达协同作用下的细胞内货物的运输规律与机制；大量分子马达沿同一条轨道运行时的物理性质；以及在基因转录过程中分子马达RNA聚合酶的相关性质等等。所采用的主要研究思路是，基于最新的相关试验现象，并根据相应的生物物理与生物化学原理，对相应的过程建立合理的数学模型，并对模型进行理论上的分析或数值上的计算，以期望能够得到试验上尚未发现的规律，或者是对已有的试验现象进行原理上的分析或解释。通过本项目的研究，我们主要得到了如下相应的研究结果：（1）对分子马达驱动下的货物的运行规律进行了研究，其中首次考虑了货物运动方向的记忆性问题。（2）对于大量分子马达沿相同轨道运行时的相应性质进行了研究，其中首次考虑了轨道长度对于相应性质的影响。（3）研究了大量的具有多个化学态的分子马达沿轨道运行时的物理性质，特别是相应的马达密度的域墙与边界层的存在性条件等。（4）对于在研究单个分子马达的性质时所采用的模型的问题进行了分析，发现分子马达在不同的外力作用下它们的中间态的数量实质上是不同的，因而目前存在的相关模型是具有一定的缺陷的，所以它们是具有一定的使用范围的。（5）基于最新的试验结果，对于鞭毛马达的运行原理通过模型进行了理论上的研究。（6）对于具有多个ATP绑定位点的酶的性质用统计物理的方法进行了研究。（7）对于分子机器RNA聚合酶的性质进行了理论上的研究，主要考虑了两个方面的问题，一是RNA聚合酶的运动可能会因某些原因被暂时阻止，二是RNA聚合酶的运动情况与相应的轨道性质（即DNA上启动子的序列）是相关联的。 该项目的研究成果对于进一步的理解和看清楚分子马达的相关性质具有一定的帮助作用，并对相关的试验具有对应的指导意义。