接触依赖离子门控解释细菌鞭毛马达的方向不对称性
生物物理
2026-04-02 v1 生物大分子
摘要
细菌鞭毛马达（BFM）是一种由细胞膜两侧离子电化学势驱动的旋转分子机器。近期冷冻电镜结构揭示了一种类似齿轮的架构，其中多个定子与一个大转子啮合。一个长期存在的谜题是其扭矩-速度关系的方向不对称性：逆时针（CCW）旋转时呈凹形，而顺时针（CW）旋转时几乎呈线性。在这里，我们开发了一个随机力化学模型，明确包含了转子-定子耦合和详细的离子转运动力学。通过将生理学扭矩-速度数据与转子-定子相对运动的近期测量结果相结合，我们表明在生理条件下，马达处于紧密耦合状态，使得扭矩-速度关系对机械相互作用的具体形式基本不敏感。这一发现排除了转子-定子力学差异作为CW-CCW不对称性起源的可能性。受冷冻电镜结构的启发，我们提出了一种接触依赖门控机制，其中MotA-FliG相互作用调节靠近FliG环的MotB亚基的离子释放速率。分子动力学模拟表明CW马达中MotA-FliG接触更紧密，意味着与CCW相比离子释放速率降低。我们的模型表明，差异化的门控强度解释了观察到的不对称性：CCW中更强的门控缩短了无扭矩等待阶段，增强了扭矩产生，并产生了凹形的扭矩-速度曲线，而CW中较弱的门控产生较低的扭矩和线性的关系。这种基于结构的框架定量地将分子不对称性与马达功能联系起来，并确定了用于靶向扰动和突变研究的特定界面。
引用
@article{arxiv.2604.00470,
title = {Contact-Dependent Ion Gating Explains Directional Asymmetry in the Bacterial Flagellar Motor},
author = {Jiading Zhu and Yongnan Hu and Yuhai Tu and Yuansheng Cao},
journal= {arXiv preprint arXiv:2604.00470},
year = {2026}
}