相场动力学模型对细胞运动和细胞分裂的生理机制研究

摘要

软物质在自然界、日常生产生活中广泛存在。原核细胞分裂和真核细胞运动是两个重要的生命活动，在本文中基于相场动力学模型耦合作用力产生机制和反应扩散模型分别对它们展开理论研究。
　　一直以来原核细胞分裂机制是人们研究的热点，FtsZ蛋白在细胞分裂过程中发挥着重要作用，是调控细菌细胞分裂的主要物质，细胞分裂过程中会在细胞分裂位点自我组装形成Z环。我们将Z环作用力产生机制和相场动力学模型结合起来，从初态和不同反应速率常数对细胞分裂的影响进行深入探究，通过分析Z环作用力大小、细胞半径变化、Z环中水解的微丝单元的比例以及微丝长度密度分布函数等来研究原核细胞分裂过程中的细胞形态变化和细胞分裂力学机制。此外，我们还从Z环准稳态分布中得到Z环上微丝单元个数以及水解微丝单元的比例的理论值，将理论值和模拟结果进行比较，我们发现它们的数值拟合非常好，并且和实验参数也基本保持一致。这些研究结果说明相场方法能非常有效地反应原核细胞分裂的生命过程。
　　细胞运动涉及细胞骨架和细胞之间的相互协同作用，其中包括细胞膜上的表面张力作用和曲面弹性能的作用、细胞内肌动蛋白聚合时产生的“突起力”和肌球蛋白作用下的“收缩力”、细胞和基板的相互作用等。为此，我们基于相场动力学理论和反应扩散理论，将细胞内肌动蛋白的动态组装行为、肌球蛋白的生理作用、以及细胞与基体的相互作用等因素与细胞的形态变化和运动相耦合关联起来建立新的细胞运动机制模型，以研究细胞运动中的形态及速度变化。通过该理论模型预测在一定生理条件下细胞稳态的形态和运动速度，研究结果表明理论结果和仿生实验结果相对吻合。此外，我们还系统研究了细胞运动速度及形态对肌动蛋白与肌球蛋白浓度以及肌动蛋白组装成微丝的速率常数的依赖关系。
　　基于相场动力学模型建立的理论模型，能够有效地解决界面跟踪的问题，还有望进一步拓展到细胞收缩、细胞在流动场的运动等复杂生命体系。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 生物背景

1．1．1 细胞

1．1．2 细胞骨架

1．1．3 真核细胞运动机制

1．1．4 原核生物细胞分裂

1．2 相场动力学理论

1．2．1 两种微观组织模型

1．2．2 相场动力学模型原理

1．2．3 相场动力学模型应用

1．3 本论文研究的主要内容及意义

第2章 相场动力学模型研究原核细胞分裂过程中形态变化和力学机制

2．1 引言

2．2 理论模型

2．3 数值计算和模拟参数

2．3．1 相场演化方程的数值求解

2．3．2 模拟参数和初始条件

2．4 结果与讨论

2．4．1 细胞分裂动态过程

2．4．2 初态对细胞分裂稳态的影响

2．4．3 各反应速率对细胞分裂稳态的影响

2．5 本章小结

第3章 相场动力学模型研究细胞运动中的形态变化

3．1 引言

3．2 理论模型和方法

3．3 数值计算和模拟参数

3．4 结果和讨论

3．4．1 细胞运动过程中肌动蛋白和肌球蛋白浓度分布

3．4．2 肌动蛋白和肌球蛋白浓度对细胞稳态运动的影响

3．4．3 肌动蛋白的速率常数对细胞稳态运动的影响

3．4．4 肌球蛋白的速率常数对细胞稳态运动的影响

3．4．5 肌球蛋白和肌动蛋白相互作用因子对细胞稳态运动的影响

3．4．6 肌球蛋白初始浓度分布对细胞稳态运动的影响

3．5 本章小结

结论与展望

参考文献