生物膜的结构和性质关系的模拟的研究.pdf

摘要 生物膜的结构与性质关系的模拟研究 摘要 生物膜作为细胞的重要组成部分，它的结构与性质的关系对细 胞生物学的发展和完善具有重要的意义。本文简要概述了生物膜 的组成，结构和功能。介绍了生物膜的结构功能和膜中磷脂分子 和膜蛋白质分子性质的研究现状。由于目前对生物膜各方面性质 的研究还存在不足，因此还需要进一步更加深入的研究。本文中 应用耗散粒子动力学方法(dissipative particle 子层面上对生物膜体系的动力学性质和微观状态进行了研究，取 得了一些成果。 本文应用耗散粒子动力学方法(DPD)研究了在水溶液中表面活 性剂包裹油性溶质形成的胶束与生物膜发生碰撞融合与溶质传递的 过程。揭示了在此过程中，溶质如何通过胶束与生物膜的碰撞融合来 进行物质传递，以及存在哪些因素会影响整个过程。模拟结果表明胶 束首先在水中与生物膜进行间歇性碰撞，然后胶束与生物膜发生融 合，最后胶束中的溶质分子向生物膜进行传递与扩散。其中融合过程 可以分为三个单元过程：(1)分子接触。(2)孔道形成。(3)孔道增 长。在整个碰撞融合与溶质传递过程中，存在两个速度控制步骤，即 胶束与生物膜间水膜的破裂和融合时孔道的产生。胶束的初始碰撞速 度，表面张力，胶束与生物膜间亲水头基的相互作用力以及空间排斥 摘要 等影响因素在模拟中被检测。结果发现在碰撞融合过程中，耗散力 (depletionforce)发挥了重要的作用。而胶束的初始碰撞速度对融合比 率(fusionratio)基本没有影响。胶束表面张力增强有助于孔道的生成， 提高了融合比率。而胶束与生物膜间亲水头基的相互作用力以及空间 排斥加大，则增加了融合时的能量壁垒，降低了融合比率。 由哑铃状双头磷脂分子(bolaform 胞膜具有优良的热稳定性。例如耐热嗜酸古生菌(Sulfolobus 生存。此种优良的热稳定性的原理还没有完全发现。本文应用耗散 粒子动力学方法(DPD)使用囊泡结构作为模型研究了古生菌细胞膜 在高温下的热稳定性和破裂机理。与由单极性磷脂分子(monopolar 质的关系。在分子层面，解释了古生菌细胞膜的优良热稳定性的原因 和破裂机理。 ion channelofsmallconductance MscS)的结构与性质，本文建立了新的蛋 白质粗粒化模型。在粗粒化过程中，离子通道蛋白质(MscS)的基本结 构被保留。在耗散粒子动力学(DPD)模拟中发现，离子通道蛋白质模 型根据模型参数的不同，存在两种不同的构型状态：打开状态和闭合 状态。在膜表面张力相同条件下，离子通道的构型状态取决于蛋白质 的结构，主要是蛋白质中穿膜Q螺旋的长度。模拟结果发现一定尺寸 的蛋白质丌关状态转变依靠膜表面张力的变化，性质和真实的小电导 摘要 率机械敏感性离子通道蛋白质相同。 应用耗散粒子动力学(DPD)方法本文还研究了锚定蛋白质 (anchored protein)在细胞膜上的自聚过程。模拟发现锚定蛋白质的聚 集速度和程度与细胞膜中锚定蛋白质的疏水长度有关。锚定蛋白质的 聚集机理是：蛋白质的插入使周围细胞膜的上下两层结构发生不同变 化，并且上下两层彼此耦合，这种变化促使蛋白质发生聚集。只有当 锚定蛋白质的渗透深度(penetrationdepth)超过半膜厚度，下层的细胞 膜结构才会发生剧烈形变。插入细胞膜深度较浅的锚定蛋白质，周围 的细胞膜厚度变化较小。而插入细胞膜较深的锚定蛋白质则使细胞膜 厚度波动加大。本文将锚定蛋白质的聚集机理与穿膜蛋白质的聚集机 理相比较，找出了它们的异同点。 关键词：生物膜，耗散粒子动力学，胶束，哑铃状双头磷脂分子，机 械敏感性离子通道，锚定蛋白质 摘要 THE RELATIoNSHIPoF STRUCTURESAND