支配肌球蛋白 V 运动性的设计原则

分子马达肌球蛋白 V 在步进过程中表现出广泛的路径谱系，这与其生物功能密切相关。其中理解最透彻的是通过摆动杠杆臂向肌动蛋白丝正端进行的手交手步进，这对它作为细胞运输者的角色至关重要。然而，单分子实验也表明，该马达会“跺脚”，即一只手脱离并重新结合到同一位点，并且在足够大的负载下会发生后撤步。解释肌球蛋白 V 依赖于负载的步进路径的完整分类，以及这些路径在多大程度上受马达结构和机械化学的约束，仍然是未解之谜。从聚合物模型出发，我们发展了一种解析理论来理解支配马达动力学的最小物理属性。特别是，我们求解了马达头部到达目标结合位点的首达问题，研究了负载向后拉动马达、前导头部的应变使扩散偏向目标方向、以及由于恢复冲程而优先结合到前向位点等竞争效应。该理论重现了多种实验数据，包括脱离头部的平均轨迹中的动力冲程和慢速扩散搜索机制，以及前向与后向步进比、运行长度和速度的力依赖性。这种解析方法得出了失速力的公式，确定了化学循环速率与杠杆臂弯曲刚度等机械特征的相对贡献。最重要的是，通过全面探索马达的设计空间，我们预测肌球蛋白 V 是一种鲁棒的马达，其动力学行为不会因反应循环的合理扰动或杠杆臂架构的变化而受损。