磷脂膜与穿膜肽、C60相互作用的粗粒化模拟

摘要

高级哺乳动物细胞膜是一个由蛋白质、脂质、胆固醇、糖类组成的复杂体，其中各组分因膜种类的不同，含量也有很大差异。细胞膜具有高度非对称性，各种组分在膜上的分布也具有不对称性。细胞膜功能很多，在细胞内外的物质运送、能量传递、代谢调控等中起着重要作用。在医药方面，很多疾病都与膜组分的变化有着密切联系。因此，掌握细胞膜的结构和性质，以及与外界物质的相互作用有着相当重要的意义。本文中，我们使用粗粒化分子动力学模拟的方法研究了胆固醇浓度对非对称红细胞膜的影响，分析了外界物质穿膜肽和C60与非对称膜的相互作用机理，为药物设计和运输提供了一些理论指导。 第一章，简要介绍了高等哺乳动物中细胞膜的组分、结构性质以及动力学性质。穿膜肽的分类与应用及其进入细胞的途径，以及穿膜肽与磷脂膜相互作用的研究进展情况。C60及其应用前景，脂质膜与C60相互作用机制以及研究进展。 第二章，主要介绍了粗粒化分子动力学模拟方法。首先简单介绍了粗粒化分子动力学方法的发展历程及MARTINI粗粒化力场和MARTINI模型，随后简要介绍了MARTINI力场下粒子间相互作用参数以及模拟参数的设置。最后介绍了本文中所使用到的粗粒化模型。 第三章，这是主要研究的第一部分内容。胆固醇广泛存在于高等哺乳动物的细胞膜中，胆固醇浓度的变化与一些疾病有着密不可分的联系，比如心脑血管类疾病动脉粥样硬化。由胆固醇引起的细胞膜结构和动力学性质等方面的变化，一直是研究的热点问题。基于人红细胞膜模型，我们利用粗粒化分子动力学方法探究了胆固醇浓度对非对称磷脂膜的影响。我们的研究结果表明，胆固醇浓度的增加可以引起脂质膜厚度和磷脂尾部序参量的增加，单个磷脂平均表面积的减小和脂质横向扩散速率的下降。胆固醇浓度也影响着胆固醇分子在磷脂双分子层之间的翻转行为。这些研究结果，对增进理解含胆固醇脂质膜的结构和动力学性质有一定指导意义。 第四章，这是主要研究的第二部分内容。穿膜肽可以有效地“携带”药物分子、蛋白质等渗入到细胞内，从而有效地杀死病变细胞，在临床医学上有着广阔的应用前景。我们基于粗粒化分子动力学方法探究了 Arg9 穿膜肽浓度对磷脂膜穿透的影响。研究结果表明，由于磷脂膜中高能量势垒的存在，单个穿膜肽无法穿透磷脂膜。只有当穿膜肽与磷脂膜比例达到一定比例时，才会有一定数量穿膜肽进入细胞质内。我们详细分析了出现这种现象的原因，这是增强的穿膜肽和磷脂膜间的库仑相互作用和穿膜肽间的协同效应共同导致的。该研究可以更好地帮助理解穿膜机制，为药物输送提供一些理论指导。 第五章，作为研究内容的第三部分，我们分析了纳米材料C60与非对称脂质膜的相互作用。C60具有很多优异特性，在生物医药领域潜在着重要应用。我们研究了胆固醇浓度对C60进入不对称脂膜的影响。结果表明，胆固醇浓度影响着C60在脂质膜内扩散。同时，C60也对脂质膜的结构产生了影响，但并未导致脂质膜破裂。C60的加入增加了脂质分子的表面积，减小了质膜厚度和磷脂尾部序参量，胆固醇浓度的不同也影响着这些参量的改变。 第六章，我们总结了本文工作，并对以后的工作进行了展望。

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