旋转生物马达中的质子输运与力矩产生

我们在一个简单的纳米机电模型框架内分析了旋转生物马达的动力学，该模型由定子部分和一个具有十二个质子结合位点的环形转子组成。该模型与嵌入膜内的腺苷三磷酸 (ATP) 合酶 F$_0$马达密切相关，后者将质子跨膜电化学梯度的能量转化为转子的机械运动。研究表明，位于周质质子传导通道（质子源）附近的带负电的空转子位点与带正电的定子电荷之间的库仑耦合，在力矩产生过程中起主导作用。当接近源出口时，转子位点的质子能级高于位于胞质通道（质子汇）附近的位点能级。在该力矩产生过程的第一阶段，电化学势能转化为转子上质子结合位点的势能。随后，库仑力的切向分量产生机械力矩。我们证明，在低温下，负载马达工作在穿梭机制下，消耗电化学势能而不产生任何单向旋转。当温度升高且布朗棘轮机制启动时，马达切换至力矩产生机制。在存在由 ATP 水解产生的显著外部力矩的情况下，该系统作为质子泵运行，逆跨膜电势梯度转运质子。尽管我们的分析也适用于细菌鞭毛马达，但此处我们专注于 F$_0$马达。