簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 蕭禎源
hsiao, chen-yuan
論文名稱： 布朗馬達在兩狀態間切換之運動分析
The Kinetic Analysis of Brownian Motors in two states Transition
指導教授： 黃明哲
huang, ming-jer
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 56
中文關鍵詞： Fokker-Planck equation 、Rocking ratchet 、Flashing ratchet 、布朗馬達
外文關鍵詞： Fokker-Planck equation, Brownian motor, Rocking ratchet, Flashing ratchet
相關次數： 點閱：98  下載：6 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 生物馬達為微觀與巨觀界面間相互影響的例子。這些分子機械的運動是由非常大的黏滯性和分子間碰撞所引起的布朗力，而並非由慣性和加速度所控制。另一方面，ATP水解的生物化學過程中，隨著能量的釋放，布朗運動可用於整流、形成淨流動和功。
    為了使布朗馬達能往單一方向來運動，本文採用Rocking ratchet 和 Flashing ratchet 兩者耦合的模型來模擬布朗馬達的運動情況。
    本文採用 Fokker-Planck equation 當作布朗馬達的運動方程式，利用連續馬可夫過程 (continuous Markov process) 描述其跳躍過程(jump process)與跳躍率(jump rate)，來求得布朗馬達運動性質。
    使用MATLAB7.0 軟體計算上述的方程式，分析兩個位能狀態的切換，加上週期性鋸齒狀波且受到外力作用，來討論布朗馬達的平均速度與效率的影響。

    Biological motors are examples of systems at the interface between the microscopic and macroscopic world. The motion of these molecular machines is dominated not by inertia and acceleration in response to a macroscopic force, but by very large viscosity and by random Brownian forces arising from collisions with the molecules of the medium. On the other hand, the release of energy by a biochemical process such as ATP hydrolysis allows Brownian motion to be rectified.

    In order to make Brownian motors produce motion in one direction, This paper uses the coupling model of Rocking ratchet and flashing ratchet to simulate the movement situation of Brownian motors.

    The Fokker-Planck equation is the governing equation in this paper, using continuous Markov process to describe a jump process and the jump rates to request the property of Brownian motion.

    This paper used MATLAB 7.0 to calculate the equations above, to analyze the two states transition, and plus period potential with external force. To discuss the velocity and efficiency of Brownian motions.

    中文摘要 I 英文摘要 II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 符號說明 IX 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機與目的 2 1-3 文獻回顧 3 第二章 布朗馬達原理簡介 6 2-1 布朗馬達簡述 6 2-1-1 布朗馬達的隨機力學 7 2-1-2 布朗馬達運動的隨機性質 7 2-1-3 馬達蛋白的性質 8 2-2 布朗運動概論 9 2-2-1 布朗馬達模型簡介 11 2-2-2 布朗棘輪(Brownian Ratchet) 12 2-2-3 Rocking ratchet 14 2-2-4 Flashing ratchet 14 第三章 布朗馬達模型模擬的建立 16 3-1 基本原理介紹 16 3-2 兩狀態間模型 17 3-3 數學理論 19 3-4 數值演算法 22 第四章 結果與討論 29 4-1 布朗粒子平均速度 29 4-2 布朗馬達效率 30 4-3 各種參數對運動速度的影響 30 4-3-1 改變波的振幅A之平均速度 31 4-3-2 改變波的對稱性dS之平均速度 31 4-3-3 改變外力F之平均速度 32 4-3-4 改變作切換兩狀態時的粒子通過寬度dw之平均速度 32 4-4 各種參數對運動效率的影響 33 4-4-1 改變波的振幅A之效率 33 4-4-2 改變波的對稱性dS之效率 34 4-4-3 改變外力F之效率 34 4-4-4 改變作切換兩狀態時的粒子通過寬度dw之效率 35 第五章 結論與未來研究方向 36 5-1 結論 36 5-2 未來研究方向 37 參考文獻 38 附錄一 41 自述 56 圖目錄 圖2- 1 微管上每個週期有400Debye的偶極………………………………..37 圖2- 2 布朗粒子運動時機械與化學耦合造成位能之切換 37 圖2- 3 布朗棘輪示意圖 37 圖2- 4 布朗棘輪勢能降與輸出功 37 圖2- 5 c次體運作示意圖 37 圖2- 6 非對稱週期位能函數在+F作用力與-F作用力之位能圖 37 圖2- 7 傾斜Flashing ratchet 37 圖3- 1 Feynman熱棘輪……………..........................................................37 圖3- 2 動力蛋白機械化學耦合運動圖 37 圖3- 3 空間離散化的馬可夫鏈 37 圖3- 4 兩狀態位能作切換的切換率方向示意圗 37 圖3- 5 兩狀態切換示意圖 37 圖4- 1 週期性鋸齒狀波..............................................................................37 圖4- 2 鋸齒非對稱波dS=0 37 圖4- 3 鋸齒對稱波dS=0.5 37 圖4- 4 鋸齒非對稱波dS=1 37 圖4- 5 沒受到外力的週期性鋸齒狀波 37 圖4- 6 受外力作用的週期性鋸齒狀波 37 圖4- 7 本文的模型兩狀態間相差了半個週期 37 圖4- 8 改變波的振幅A之平均速度 37 圖4- 9 改變波的對稱性dS之平均速度 37 圖4- 10 改變外力F之平均速度 37 圖4- 11 改變切換兩狀態時粒子通過寬度dw之平均速度 37 圖4- 12 改變波的振幅A之效率 37 圖4- 13 改變波的對稱性dS之效率 37 圖4- 14 改變外力F之效率 37 圖4- 15 改變切換兩狀態時粒子通過寬度dw之效率 37

    1. Astumian, R. D. Thermodynamics and Kinetics of a Brownian Motor. Science. 276, 917-922 (1997).

    2. Astumian, R. D. and Bier, M., Mechanochemical Coupling of the Motion of Molecular Motors to ATP Hydrolysis, Biophysical Journal, Vol.70, 637-653 (1996).

    3. Bier, M. and Astumian, R. D., Biased Brownian motion as the operating principle for microscopic engines, Bioelectrochemistry and Bioenergetics. 39, 67-75 (1996).

    4. Elston, T. C., A Marcoscopic Description of Biomolecular Transport., J. Math. Biol, 41, 189-206, (2000).

    5. Hirakawa, E., Higuchi, H., and Toyoshima, Y.Y., Processive movement of single 22S dynein molecules occurs only at low ATP concentrations, RNAS dynein molecules occurs only at low ATP concentrations, PNAS, 97, 2533-2537 (2000).

    6. Imre Derenyi and Tamas Vicsek, Realistic Models of Biological Motion,rxiv preprint cond-mat/9810326 (1998).

    7. Keller, D. & Bustamante, C. The Mechanochemistry of Molecular Motors.
    Biophysical Journal. 78, 541-556 (2000).

    8. Ai, B. Q., Wang, X. J, Liu, G. T., Xie, H. Z., Wen, D. H., Chen, W., and
    Liu, L. G., Current reversals in an inhomogeneous system with asymmet- ric unbiased fluctuations, Eur. Phys. J. B 37, 523-526 (2004).

    9. Makhnovskii, Y. A., Rozenbaum, V. M., Yang, D. Y., Lin, S. H. & Tsong, T. Y. Flashing Ratchet Model with High Efficiency. Physical Review E. 69, 021102 (2004).

    10. MARTIN BIER, Brownian ratchets in physics and biology., Contemporary Physics, volume 38, number 6, pages 371 - 379, (1997).

    11. M. Nishiyama, H. Higuchi, and T.Yanagida, “Chemomechanical coupling of the forward and backward steps of single kinesin molecules”, Nature Cell Biol 4, 790-797, (2002).

    12. Oster, G. & Wang, H. How protein motors convert chemical energy into mechanical work. In Molecular Motors,M. Schliwa, ed. 207-228, Wiley-VCH (2002).

    13. Oster, G. & Wang, H. Reverse engineering a protein: the mechano chemistry of ATP synthase. Biochim. Biophys. Acta 1458, 482-510 (2000).

    14. Parrondo, J. M. R., Blanco, J. M., Cao, F. J. & Brito, R. Efficiency ofBrownian Motors. Europhys. Lett. 43, 248-254 (1998).

    15. Peskin, C.S., and Oster, G. F., Force production by depolymerizing mirot-bules : load-velocity and run-pause statistics, Biophys. J., 69, 2268-2276, (1995).

    16. Peter Reimann, Brownian motors: noisy transport far from equilibrium1., Universit¨at Augsburg, Institut f¨ur Physik, Universit¨atsstr. 1, 86135 Augsburg, Germany, (2000).

    17. Richard, B., Melissa, A., Make room for dynein, Cell Biology, 8, 490-494, (1998).

    18. Wang, H., Peskin, C. S. & Elston, T. C. A Robust Numerical Algorithm forStudying Biomolecular Transport Processes. J. Theor. Biol. 221, 491-511 (2003).

    19. Zeldovich, K. B., Joanny, J. F. & Prost, J. Motor Proteins Transporting
    Cargos. Eur. Phys. J. E. 17, 155-163 (2005).

    20. 黃彥博, 分子馬達酵素蛋白之不可逆性因子耦合, 國立成功大學工程 科學系碩士論文 (2006).

    21. 賴冠旭, 生物分子馬達運動分析, 國立成功大學工程科學系碩士論文 (2006).

    22. 楊秉凡, 切換速率對布朗馬達運動分析, 國立成功大學工程科學系碩 士論文 (2007).
    23. 陳相慶, 布朗馬達於變溫下之運動分析, 國立成功大學工程科學系碩 　 　　　　　士論文 (2007).
    24. 龐寧寧, 布朗運動界面成長與擴散現象, 物理雙月刊, 27卷3期(2005).

    下載圖示 校內：2009-08-25公開
    校外：2009-08-25公開
    QR CODE