二聚体分子马达中的信息流、门控与能量学

属于驱动蛋白与肌球蛋白超家族的分子马达通过循环经历一系列化学态来水解ATP。这些胞质马达是由两个相连的相同单体球状蛋白构成的二聚体。由ATP水解产生的自由能驱动，马达在极性轨道（微管或肌动蛋白丝）上进程性行走，这意味着仅一个头脱离并执行机械步进而另一个保持结合在轨道上。因此，一个马达头必须调控另一个的化学态，称为“门控”，这一概念尚未被完全理解。受实验启发——实验显示仅ATP水解能量的一小部分被用于推动驱动蛋白马达对抗负载前进——我们证明额外能量被用于协调二聚体中两个头的化学循环，这一特征刻画了门控。为此，我们基于信息论与随机热力学发展了一个通用框架，并确立门控可用马达头间的信息流来量化。将该理论应用于驱动蛋白-1与肌球蛋白V表明，在小于临界值$F_c$的外加阻力负载下，信息流以正协同性发生。当力超过$F_c$时，有效信息流停止。有趣的是，$F_c$独立于通过ATP水解产生的输入能量，并与向后步进概率开始增加的力相重合。我们的发现表明运输效率仅在小于$F_c$的力下最优，这意味着这些马达必须在$\textit{in vivo}$条件下的低负载下运作。