什么是分子馬達(What Molecular Motors)？

分子馬達是生物體細胞環境中蛋白質的集合，通過復雜的折疊和化學過程，可以為各種目的進行機械運動，例如在細胞胞漿內運輸物質或電荷，或復制DNA和其他化合物。分子運動蛋白也是肌肉收縮和活動的基礎，例如細菌通過螺旋槳驅動...

分子馬達是生物體細胞環境中蛋白質的集合，通過復雜的折疊和化學過程，可以為各種目的進行機械運動，例如在細胞胞漿內運輸物質或電荷，或復制DNA和其他化合物。分子運動蛋白也是肌肉收縮和活動的基礎，例如細菌通過螺旋槳驅動的游泳運動進行運動。大多數天然分子馬達從運動源于生物體產生維持生命所需能量的基本過程，即化合物三磷酸腺苷（ATP）的分解和合成。

大多數分子馬達從ATP的分解和合成中獲得能量。盡管在基本水平上，分子馬達執行許多相同的功能作為宏觀人類尺度上的機電馬達，它們在一個完全不同的環境中工作。大多數分子馬達活動發生在一個液體環境中，這種環境由熱動力驅動，并直接受到附近分子的隨機運動的影響，稱為布朗運動。這種有機環境，以及蛋白質折疊和分子馬達所依賴的化學反應的復雜性質，使得人們對其行為的理解成為一項耗時數十年的研究。在原子和分子尺度上的納米技術研究主要集中在利用生物材料和制造類似的分子馬達上日常工程所熟悉的馬達。其中一個突出的例子是1999年美國馬薩諸塞州波士頓學院的一個科學家小組制造的一個由78個原子組成的馬達，它花了4年的時間來建造這種馬達有一個旋轉的主軸，旋轉一圈需要幾個小時，設計成只朝一個方向旋轉。分子馬達以ATP合成為能源，被用作研究平臺，了解化學能轉化為機械運動的基本原理。類似的研究自從荷蘭和日本科學家利用碳來制造由光能和熱能驅動的合成分子馬達以來，從2008年開始，最近的嘗試已經開發出一種方法來制造一種能夠產生連續水平旋轉扭矩的馬達，分子馬達的功能和結構各不相同。主要的運輸馬達由肌球蛋白、運動蛋白和動力蛋白驅動，肌動蛋白是肌肉收縮中的主要蛋白質，這種蛋白質存在于從藻類到人類的各種物種中。關于這些蛋白質如何發揮作用的研究，到2011年已經非常詳細了現在我們知道，對于50納米長的驅動蛋白分子消耗的每一個ATP分子，它能夠在一個細胞內移動8納米的化學物質。驅動蛋白在將化學能轉化為機械能方面的效率為50%，并且能夠產生比標準汽油機大15倍的功率。肌球蛋白是分子馬達中最小的一種，但它對肌肉收縮，一種稱為ATP合酶的ATP也是一種分子馬達，用來建立二磷酸腺苷（ADP）作為ATP儲存能量。然而，到2011年發現的最顯著的天然分子運動是為細菌運動提供動力的運動。一種叫做鞭毛以螺旋槳驅動的方式旋轉，如果按人類日常使用的發動機水平來衡量，其動力將是普通汽油發動機的45倍。

發表于 2020-09-06 21:17
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分類：科學教育

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