分子马达（molecular motor）是指由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。生命体的一切活动，包括肌肉收缩、物质运输、DNA复制、细胞分裂等，追踪到分子水平都是来源于具有马达功能的蛋白质大分子做功推送的结果，因此它们被称为分子马达或蛋白质马达。

分子马达（molecular motor）即分子机械或纳米马达（nano-mot-motor，NMM），是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。

分子马达，又名分子发动机，是分布于细胞内部或细胞表面的一类蛋白质，它们的构象会随着与ATP和ADP的交替结合而改变，ATP水解的能量转化为机械能，引起马达形变，或者是它和与其结合的分子产生移动。就是说，分子马达本质上是一类ATP酶。例如肌肉中的肌球蛋白会拉动粗肌丝向中板移动，引起肌肉收缩。而另外两种分子马达：驱动蛋白和动力蛋白，它们能够承载着分子“货物”，如质膜微粒，甚至是线粒体和溶酶体，在由微管构成的轨道上滑行，起到运输的作用。

研究人员把金属镍制成的螺旋桨嫁接到三磷酸腺苷酶分子中轴上。当它们被浸于ATP溶液后，其中5个分子马达转动了起来，转速达到每秒钟8转。这种马达只有在显微镜下才能被观察到，其镍螺旋桨长750纳米（一纳米为十亿分之一米）。根据拍摄到的画面，可以看到一个尘埃粒子先被旋转的螺旋桨吸入、再被甩出的情景。

分子马达主要包括驱动蛋白（kinesin）、肌球蛋白（myosin）、动力蛋白（dynein）、DNA解旋酶、RNA聚合酶（RNA polymerase）和旋转分子马达（Rotary Molecular Motor）等，这些蛋白在生物体内参与了胞质运输、DNA和RNA复制、细胞分裂、肌肉收缩和ATP的合成等一系列重要的生命活动。通常，人们按其运动机制将其分为线性分子马达和旋转分子马达，其中线性分子马达包括驱动蛋白、肌球蛋白和动力蛋白等等，旋转分子马达主要包括 ATP合酶、细菌鞭毛以及各种门马达等等。线形分子马达的结构都可分为头部、颈部和尾部。 实验表明，线性分子马达以hand-over-hand（双手交替，或者叫做铰进）的形式运动。这种模式中，蛋白的2个臂交替引导运动，就像人走路一样两脚交替前进。

1、驱动蛋白

驱动蛋白（kinesin）是1985年从鱿鱼的轴质(axonplasm)中分离的一种蛋白，主要存在于真核细胞内，以微管蛋白（microtubule）为轨道。体外实验证明驱动蛋白的运输具有方向性，沿微管（microtubule）的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能，如运送细胞器和物质小泡，并参与细胞的有丝分裂。 驱动蛋白是一个大的复合蛋白，由几个不同的结构域组成，包括2条重链和1条轻链，总分子量为380×106。它有1对球形的头，是产生动 力的“电机”，还有一个扇形的尾，是货物结合部位。

2、动力蛋白

动力蛋白（Dynein）发现1963年，主要存在于真核细胞内以及鞭毛和纤毛中。它们沿微管负向运动运送物质，并在鞭毛和纤毛的运动中起重要作用。Dynein分子量巨大接近1.5×109，由2条相同的的重链和一些种类繁多的轻链级结合蛋白构成。它有2个大的球形的头部， 是生成力的部位，它在细胞中至少有2个功能：①是有 丝分裂中染色体运动的力的来源； ②作为负端微管走向的发动机， 担负小泡和各种膜结合细胞器的运输任务。研究发现，可能是dynein的颈部在决定运动方向上起着决定性的作用。在细胞分裂中，纺锤体的分离就是在类kinesin马达和dynein的共同作用下完成的。

研究发现动力蛋白突变与一些神经退变及肾脏病有关，它与一种特殊的调节蛋白的相互作用， 可损害神经细胞传导，从而产生类似于肌萎缩侧索硬化的症状，研究还发现动力蛋白短缺还会引起心肌病。

3、DNA解旋酶

DNA解旋酶作为线性分子马达，以DNA分子为轨道，与ATP水解释放的能量相偶联，在释放ADP和Pi的同时将DNA双链分开成2条互补单链。解旋酶是一类解开氢键的酶，由水解ATP来供给能量。它们常常依赖于单链的存在，并能识别复制叉的单链结构。在细菌中类似的解旋酶很多，都具有ATP酶的活性，大部分的移动方向是5′→3′，但也有3′→5′移到的情况。

4、肌球蛋白

肌球蛋白是微丝结合蛋白，最早发现于肌肉组织，1970年后逐渐发现许多非肌细胞的肌球蛋白。其家族有13个成员，每个成员在结构上都分为头，颈和尾部三个部分，形似豆芽，而组成上则有轻重两种链。其中的调节轻链是肌球蛋白接受调解的位点，就是说，调节轻链的磷酸化/去磷酸化状态影响着肌球蛋白的活性。其中Ⅰ和Ⅱ型是研究得最彻底的分子马达。一些细胞具有突变的肌球蛋白，它们能正常伸出伪足，但是却不能成功移动。Ⅰ型和Ⅴ型则是二聚体。趋向微丝的正极运动。蛋白的头部能就尾部作屈伸运动，并在“屈”的时候拉动微丝相对向后运动。肌球蛋白除了参与肌肉收缩外，还被认为是细胞迁移所需的重要分子之一。肌球蛋白非常可能参与了“前进的四个步骤”里面胞体收缩的那一步。另外，在细胞突出一端也可观察到肌球蛋白，它可能是帮助运输粘着所需要的蛋白质，提高粘着效率。

分子马达靠很小的增值来工作，转入蛋白质构象的改变从而能进行有引导的运动，它需要一条引导马达装配的运动轨道进行有规则的运动来通过一段距离。实际上，我们以前已经遇到过一类分子马达，它利用我们即将涉及的分子机器，即沿着DNA和 RNA轨迹运动的解螺旋酶。沿重复同一亚单位组成的蛋白丝（如肌纤蛋白和微管）在高度亲缘关系和低亲缘关系间的马达蛋白质的循环，是为使丝状轨道响应于ATP的结合，水解。ATP的每一次结合、推动、释放，都是产生运动的机制。

也存在一种完全不同的策略，就像大肠杆菌之类的细菌那样用来产生运动，一套鞭毛扮演着螺旋桨，在细菌细胞膜中做马达旋转，这个旋转的马达被一个跨膜的蛋白质浓度梯度所驱动，代替被ATP水解所驱动，一套蛋白质浓度梯度去转动运动的机理类似于ATP合成酶的F0亚基的作用。但是，储存生化能量的主要模式都是ATP和离子浓度梯度，被渐进式的利用去驱动有机分子运动。

真核细胞含有三种主要的马达蛋白家族：肌球蛋白、kinesins蛋白和动力蛋白。在肌肉中的肌球蛋白，开始时被描绘成有它自己的作用基础，沿着肌纤蛋白的丝运动，肌肉肌球蛋白包括两个拷贝，它们都有一个87kd分子团的重链，一个必需的轻链，和一个起调节作用的轻链。人类基因似乎能编码超过40种截然不同的肌球蛋白,在肌肉收缩中有些功能和另一些参与不同种类的其他过程。kinesins蛋白在蛋白质、囊泡和沿微管的细胞器转运中起作用，包括染色体分离。kinesins蛋白常包括两个拷贝，一个是重链，一个是轻链，它的重链大约只有肌球蛋白长度的一半。人类基因至少能编码40种kinesins蛋白。在一些真核细胞中，动力蛋白能驱动纤毛和鞭毛的运动，和其他作用蛋白相比，动力蛋白较大，有个大于500kd的分子团重链，人类基因似乎能编码大约10种动力蛋白。

比较肌球蛋白，kinesins和动力蛋白的氨基酸序列，并没有出现这些蛋白质家族之间有意义的关系，但是，在确定它们的三维结构之后，肌球蛋白和kinesins家族的成员之间被发现有显著的相似性，特别是肌球蛋白和kinesins都包含同源的P-环NTP酶核心部位，这些在G蛋白中也存在。动力蛋白重链的序列分析揭示出它是P-环NTP酶的AAA子家族的一个成员，我们以前在19S 蛋白解体系统中遇到过该子家族，动力蛋白有6个序列编码一个沿着它的长段排列的P-环NTP酶整环。从而，可以利用有关G蛋白和其他P-环NTP酶的知识来分析这些马达蛋白的运动机理。

由人类控制的分子马达可以打造纳米机器人(也称分子机器人)。

目前人类还无法制造纳米这么小的机器人，一部分原因是找不到足够小的动能装置。分子马达既然能把生物能转化为机械能，一旦被人类完美地控制，就完全可以充当纳米机器人的发动机。可以把分子马达看成一个最简单的纳米机器人，像一种长了两条“腿”的肌球蛋白分子马达，可以做线性推进运动，在人体内，它的一大作用是在细胞内搬运小泡等物质，理论上，如果再给它装个筐，它也能运其他东西。

目前，科学家还在研究怎样把多个分子马达组合，或把它们和其他分子联系，组成一个稍微“复杂”的机器。在实验室里，科学家已经做成了由350个原子组成的螺旋桨、2.5纳米大小的升降机、3纳米的剪刀，这些都可以算是纳米机器人的雏形。

纳米机器人潜在用途十分广泛，其中特别重要的就是应用于医疗领域。例如美国佛罗里达大学的科学家最近研制出一种能够 100%地杀灭丙肝病毒的纳米机器人。这种纳米机器人由两组物质构成：一组是能够攻击并摧毁RNA（参与复制丙肝相关蛋白）的酶，另一部分是一种寡核苷酸，能识别疾病相关蛋白并将酶送过去消除危害。在细胞培养和小鼠实验中，这个新方法已达到了近乎 100%的有效率，且没有任何副作用，例如免疫系统反应。这项新成果促进了医疗纳米机器人的发展，目前也逐步向临床应用迈进。