拥挤环境下的高分子扩散动力学

摘要

扩散现象广泛存在于自然界中，并且对一系列物理化学反应的过程起着重要作用。随着高分子科学的发展，研究者们发现在高分子体系中，分子拥挤效应对其中的大分子的扩散有明显的影响，并由此影响到了很多高分子体系中的物理和化学过程，例如蛋白质在DNA链上搜寻目标、大分子配体在搜寻平面上目标等。对分子拥挤环境下的大分子扩散动力学研究有助于我们揭开对高分子体系的化学物理本质的理解。本文从以下三个方面研究了大分子在拥挤环境下通过扩散进行的不同物理过程:
　　1.大分子在拥挤环境下的亚扩散
　　在气体或者小分子液体中，分子扩散的均方位移与扩散时间成正比关系～t，而在大分子拥挤体系，如生物细胞中，研究者们观察到了大分子的亚扩散行为，即～tα，α＜1。本文中通过朗之万动力学模拟方法，研究拥挤剂粒子的浓度以及尺寸对体系中示踪粒子亚扩散指数和扩散系数的关系。
　　2.蛋白质在拥挤环境下搜寻DNA上目标位点的动力学
　　蛋白质分子在细胞拥挤环境中寻找DNA上特定位点的过程对DNA的转录、复制等过程中起重要作用。前人在研究此过程中提出促进扩散模型，即蛋白质交替进行溶液本体中的三维扩散和沿DNA链方向的一维扩散。我们在本文中利用朗之万动力学模拟方法，构建了简单的蛋白质在DNA链上通过促进扩散寻找目标位点的模型，研究DNA-蛋白质间的非特异性相互吸引强度和体系中分子拥挤剂浓度对蛋白质搜寻DNA链上目标的速率的影响。
　　3.配体在拥挤环境下搜寻表面上目标位点的动力学
　　在表面上发生化学物理过程，如细胞表面的分子识别中，反应中的配体搜寻表面上受体的过程有着重要作用。前人在研究中提出，配体在搜寻表面上受体的过程中交替进行三维扩散和吸附于表面的二维扩散。在本文中，我们构建了单个配体在分子拥挤环境下搜寻平面上目标位点的粗粒化模型，并通过朗之万动力学模拟，研究配体-表面间的非特异性相互吸引强度ε和体系中分子拥挤剂浓度φ对搜寻时间的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高分子科学中常用的计算机模拟方法介绍

1．1．1 分子动力学模拟方法

1．1．2 朗之万动力学模拟

1．2 计算机模拟中的常见技巧

1．2．1 周期性边界条件

1．2．2 Verlet临近列表算法

1．2．3 珠簧链模型(bead-spring model)

1．3 高分子的静力学性质

1．3．1 理想链模型

1．3．2 真实链构象理论

1．4 高分子的动力学性质

1．4．1 Rouse模型

1．4．2 Zimm模型

1．5 扩散

1．5．1 Fick定律

1．5．2 扩散系数的计算

1．5．3 均方位移

1．6 分子拥挤

1．6．1 体积排除效应

1．6．2 拥挤环境对粒子扩散的影响

1．7 速率过程理论

1．7．1 Kramers速率理论

1．7．2 首次通过问题理论

1．8 本文的选题依据和科学问题的提出

1．8．1 拥挤环境下大分子亚扩散的研究

1．8．2 拥挤环境下大分子搜寻反应位点的动力学

参考文献

第二章 大分子在拥挤环境下的亚扩散动力学

2．1 引言

2．2 模型以及模拟方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 摩擦系数ξ0和拥挤剂浓度φ对亚扩散指数α的影响

2．3．2 示踪粒子尺寸σ1和拥挤剂粒子尺寸σc对亚扩散指数α的影响

2．3．3 示踪粒子尺寸σ1拥挤剂粒子尺寸σc及拥挤剂浓度φ对亚扩散指数α的影响

2．4 本章小结

参考文献

第三章 拥挤环境下蛋白质搜寻DNA上目标的动力学

3．1 引言

3．2 模型与方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 理论

3．3．2 模拟结果

3．4 本章小结

参考文献

第四章 在拥挤环境下大分子搜寻平面上目标的动力学

4．1 引言

4．2 模型与方法

4．3 模拟结果与讨论

4．3．1 理论分析

4．3．2 模拟结果

4．4 本章小结

参考文献

结论

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果