驱动蛋白是一种进化精细调控的、方向性锁定的分子棘轮-棘爪装置

常规驱动蛋白是一种二聚体马达蛋白，负责将膜状细胞器向微管正端运输。单个驱动蛋白二聚体表现出坚定的方向性和数百个连续步进，然而其详细的物理机制仍不清楚。本文通过充分考虑分子细节，计算了所有可能相互作用构型下整个二聚体-微管系统的自由能。仅利用第一性原理和几个已测量的结合能及势垒能，系统级分析揭示了构型间不可逾越的能量间隙、由机械提升构型简并性引起的不对称基态，以及确保两个马达结构域交替催化协调的禁止跃迁。这些丰富的物理效应将驱动蛋白二聚体转化为一个分子棘轮-棘爪装置，该装置坚定地将二聚体的运动锁定在微管正端，并确保其以交替步态连续步进。然而，在一定范围的极端负载下，该棘轮-棘爪装置会出现缺陷但并未完全失效，从而允许连续的后退步。本研究提供了定量证据，表明驱动蛋白的多种分子特性已通过进化适应来精细调控该棘轮-棘爪装置，从而确保马达蛋白的卓越性能。