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凝聚态物理 > 统计力学

arXiv:1604.00226 (cond-mat)
[提交于 2016年4月1日 ]

标题: 分子马达的离散步长在力的作用下导致双峰非高斯速度分布

标题: Discrete step sizes of molecular motors lead to bimodal non-Gaussian velocity distributions under force

Authors:Huong T. Vu, Shaon Chakrabarti, Michael Hinczewski, D. Thirumalai
摘要: 生物机器的物理性质的波动与其功能密不可分。 过程性分子马达(如kinesin-1)的运行长度和速度分布可以通过单分子技术获得,但迄今为止尚缺乏对这些概率的严格理论模型。 我们推导出一个动力学模型的精确解析结果,以预测通用有限过程性分子马达在轨道上前进和后退步态时的抗力($F$)依赖速度($P(v)$)和运行长度($P(n)$)分布函数。 我们的理论通过仅使用解离率作为参数,定量解释了kinesin-1在零力下的数据,适用于$P(n)$和$P(v)$,从而允许我们获得这些量在负载下的变化。 在非零$F$处,$P(v)$是非高斯的,并且是双峰的,在$v$的正负值处有峰值。 预测$P(v)$是双峰的是由于动力蛋白-1的离散步长,即使考虑步长分布时这一结论仍然成立。 尽管这些预测是基于对动力蛋白-1数据的分析,但我们的结果是普遍的,应适用于任何通过采取离散步长在轨道上行走的过程性马达。
摘要: Fluctuations in the physical properties of biological machines are inextricably linked to their functions. Distributions of run-lengths and velocities of processive molecular motors, like kinesin-1, are accessible through single molecule techniques, yet there is lack a rigorous theoretical model for these probabilities up to now. We derive exact analytic results for a kinetic model to predict the resistive force ($F$) dependent velocity ($P(v)$) and run-length ($P(n)$) distribution functions of generic finitely processive molecular motors that take forward and backward steps on a track. Our theory quantitatively explains the zero force kinesin-1 data for both $P(n)$ and $P(v)$ using the detachment rate as the only parameter, thus allowing us to obtain the variations of these quantities under load. At non-zero $F$, $P(v)$ is non-Gaussian, and is bimodal with peaks at positive and negative values of $v$. The prediction that $P(v)$ is bimodal is a consequence of the discrete step-size of kinesin-1, and remains even when the step-size distribution is taken into account. Although the predictions are based on analyses of kinesin-1 data, our results are general and should hold for any processive motor, which walks on a track by taking discrete steps.
评论: 30页,14图
主题: 统计力学 (cond-mat.stat-mech) ; 生物物理 (physics.bio-ph); 亚细胞过程 (q-bio.SC)
引用方式: arXiv:1604.00226 [cond-mat.stat-mech]
  (或者 arXiv:1604.00226v1 [cond-mat.stat-mech] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.1604.00226
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Phys. Rev. Lett. 117, 078101 (2016)
相关 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.078101
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来自: Dave Thirumalai [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2016 年 4 月 1 日 13:08:13 UTC (2,308 KB)
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