[发明专利]一种微管-驱动蛋白输运系统的行走动力学计算方法

说明书

本发明公开了一种微管‑驱动蛋白输运系统的行走动力学计算方法，首先获得微管‑驱动蛋白输运系统的物理参数，建立微管‑驱动蛋白输运系统的几何模型，对模型的惯性场和变形场进行有限元离散，结合第二类Lagrange方程获得驱动蛋白结构和微管结构各自的动力学方程。接着根据驱动蛋白与微管不同结合阶段的不同约束条件，合并驱动蛋白结构的动力学方程和微管结构的动力学方程，并删除多余自由度，构建微管‑驱动蛋白输运系统的动力学方程。最后使用Newmark法对系统动力学方程直接积分，求解输运系统在驱动蛋白行走过程中的位移、速度和加速度。本发明不仅可以求解驱动蛋白在微管上行走时系统的耦合振动，还可以获得货物受流体环境作用时输运系统的瞬态动力响应。

技术领域

本发明涉及蛋白质机器动力学领域，具体涉及一种微管-驱动蛋白输运系统的行走动力学计算方法。

背景技术

微管-驱动蛋白输运系统是囊泡运输和细胞分裂等一系列生命活动的重要组成部分。研究微管-驱动蛋白输运系统的行走动力学行为，有助于明确微管与驱动蛋白间相互作用的力学机理，深入理解分子转运系统的运动机制，并进一步推动仿生纳米机械的设计与合成。

在驱动蛋白行走过程中，颈链与微管的结合状态包含一个头部结合和两个头部结合的切换，并且行走过程会造成驱动蛋白空间位置变化。当驱动蛋白只有一个头部结合微管时(即单头结合阶段)，驱动蛋白有且仅有一个头部连接在微管上，所有外力都经由茎部，通过单根颈链与微管的约束传递给微管结构，另外一个颈链内部则没有力的传递；当驱动蛋白两个头部都结合微管时(即双头结合阶段)，驱动蛋白的两个头部分别与微管结合，外力都经由茎部，通过两根颈链从不同的接触约束点传递给微管结构。两个阶段驱动蛋白的空间位置不同，与微管的约束条件不同，其各自的停留时间也不相同，因此研究驱动蛋白行走过程中微管-驱动蛋白输运系统的动力学，需要对两个阶段的系统响应分别求解。

目前已有的理论研究，大多是对微管结构和驱动蛋白结构力学行为的单独求解，忽略了两个结构之间的相互作用，也难以计算微管-驱动蛋白整个输运系统受到外部扰动时的动力响应。少部分的对于微管-驱动蛋白输运系统的研究中，系统的物理模型极端简化，忽略了微管结构内部二聚体纵向与横向相互作用的差异，也没有考虑驱动蛋白行走过程中空间结构的不同以及与微管间约束条件的改变，这样求得的系统响应不仅难以与实际输运状况相吻合，对于仿生机械的研究也没有足够的借鉴意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微管-驱动蛋白输运系统的行走动力学计算方法，不仅可以求解驱动蛋白在微管上行走的耦合振动，还可以获得货物受流体环境作用时输运系统的瞬态动力响应。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微管-驱动蛋白输运系统的行走动力学计算方法，具体包括以下步骤：

步骤1：基于分子势能与结构应变能等效的原理获得微管驱动蛋白输运系统的物理参数，建立微管-驱动蛋白输运系统几何模型；

步骤2：对微管-驱动蛋白输运系统几何模型的惯性场和变形场进行有限元离散，结合第二类Lagrange方程获得驱动蛋白结构和微管结构各自的动力学方程；

步骤3：根据不同结合阶段的不同约束条件，合并驱动蛋白结构的动力学方程和微管结构的动力学方程，删除多余自由度，构建微管-驱动蛋白输运系统的动力学方程；

步骤4：使用Newmark法对微管-驱动蛋白输运系统动力学方程直接积分，求解微管-驱动蛋白输运系统在驱动蛋白行走过程中的瞬态动力学响应。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明考虑了驱动蛋白不同结构域的力学性能差异，以及微管结构内部二聚体纵向与横向的不同相互作用，其中的各项物理参数基于单分子实验数据等效获得，使得模型更能反应纳米结构的尺度效应；