表面吸附驱动的大分子链跨膜输运动力学

摘要

高分子穿越纳米孔隙是一个典型的非平衡过程，这一现象普遍存在于生命体系中，例如DNA和RNA穿过核孔，蛋白质穿越各种细胞器膜，病毒注射入宿主细胞等等。由于其在快速和廉价DNA测序、药物控制释放和基因表达等领域巨大而重要的潜在应用，生物大分子穿孔行为成为了炙手可热的研究对象，不管是在实验、理论分析上还是在计算机模拟方面。大分子穿越纳米孔道的过程中伴随着分子链构象数目的大大降低，因此这是一个要克服很大的熵障碍的过程。聚合物的跨膜输运过程需要一定的驱动力来克服熵障碍，对驱动机理的研究是了解大分子穿孔过程的重要组成部分。纵观大分子穿孔这一课题在近二十年来的发展，我们发现穿孔的驱动力主要有外加电场力、化学势能差、分子马达和孔所在膜表面的吸附作用等。在本文中，我们利用三维的朗之万动力学(LD)模拟方法研究了以孔隙右侧（trans）膜表面对大分子链的吸附作用为驱动力的穿孔行为。另外，我们对孔所在的膜表面粗糙度对穿孔行为的影响也进行了研究，我们的这一研究是最早的，在前人的研究中鲜有报道。
　　建立简单的柔性链穿孔模型，首先我们通过改变大分子链与膜表面之间的LJ势的势阱深度ε来研究吸附强度对穿孔过程的影响，证实了吸附作用是穿孔的驱动力，而且随着吸附强度的增大，大分子链的穿孔成功率呈增加的趋势，这也证实了吸附作用可以促进穿孔的进行。进一步的研究结果表明，存在最佳的吸附强度使得大分子穿孔的时间最短，我们从理论上分析了这一现象，给出了合理的解释。
　　对于膜表面粗糙度，我们通过调节链粒子-墙粒子之间的LJ势的直径σsp来改变粗糙度，σsp越小表示表面越粗糙，反之越光滑。研究发现，大分子的平均穿孔时间随着表面变光滑而减小，而且平均穿孔时间与大分子链长之间的标度关系随着表面变粗糙也减小。这些现象可以通过大分子链在吸附表面的扩散系数对穿孔的影响米解释，膜表面越光滑，分子链扩散得越快，因此可以加快穿孔的进行。当吸附强度太大时，整个分子链在吸附表面呈紧紧趴在表面的“薄饼”状态，此时扩散非常慢，因为孔口的粒子来不及移走而拥堵了孔的出口。
　　本文的最后我们讨论了表面吸附强度和表面粗糙度对平均穿孔时间的概率分布的影响，研究表明膜表面最光滑和在最佳吸附强度下的时间分布最接近于高斯分布。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高分子材料和软物质

1．2 高分子穿越纳米孔道的跨膜输运过程的生物背景

1．3 高分子的静态性质

1．4 聚合物的动力学

1．4．1 理想链模型

1．4．2 真实链

1．5 高分子链的拉伸与吸附

1．5．1 高分子链的拉伸

1．5．2 高分子链的吸附

第二章 模拟方法和计算模型

2．1 引言

2．2 动力学模拟方法

2．2．1 蒙特卡罗方法(Monte Carlo，MC)

2．2．2 分子动力学模拟(Molecular dynamics，MD)

2．2．3 朗之万动力学模拟

2．3 珠簧链模型

2．4 算法

2．4．1 基本Verlet算法

2．4．2 速度Verlet算法

2．5 周期性边界条件与积分步长

第三章 表面吸附驱动的大分子链跨膜输运的模拟与理论分析

3．1 引言

3．2 计算模型和参数设定

3．2．1 计算模型

3．2．2 参数设定

3．2．3 初始构象的设定

3．2．4 体系的松弛过程和穿孔过程中程序的设定

3．3 表面吸附强度对大分子穿孔的影响

3．3．1 表面吸附强度对大分子穿孔成功率的影响

3．3．2 表面吸附强度ε对穿孔时间τ的影响

3．3．3 表面吸附强度ε对标度行为α的影响

3．4 表面粗糙度对大分子穿孔的影响

3．4．1 粗糙度对高分子在表面扩散的影响

3．4．2 粗糙度对穿孔时间τ的影响

3．5 穿孔时间τ的分布

3．6 本章总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果