生物膜的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的模擬研究.pdf

1、生物膜作為細(xì)胞的重要組成部分，它的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系對(duì)細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展和完善具有重要的意義。本文簡(jiǎn)要概述了生物膜的組成，結(jié)構(gòu)和功能。介紹了生物膜的結(jié)構(gòu)功能和膜中磷脂分子和膜蛋白質(zhì)分子性質(zhì)的研究現(xiàn)狀。由于目前對(duì)生物膜各方面性質(zhì)的研究還存在不足，因此還需要進(jìn)一步更加深入的研究。本文中應(yīng)用耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法(dissipative particle dynamics，DPD)，在分子層面上對(duì)生物膜體系的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和微觀狀態(tài)進(jìn)行了研究，取得了一些

2、成果。
　　 本文應(yīng)用耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法(DPD)研究了在水溶液中表面活性劑包裹油性溶質(zhì)形成的膠束與生物膜發(fā)生碰撞融合與溶質(zhì)傳遞的過程。揭示了在此過程中，溶質(zhì)如何通過膠束與生物膜的碰撞融合來進(jìn)行物質(zhì)傳遞，以及存在哪些因素會(huì)影響整個(gè)過程。模擬結(jié)果表明膠束首先在水中與生物膜進(jìn)行間歇性碰撞，然后膠束與生物膜發(fā)生融合，最后膠束中的溶質(zhì)分子向生物膜進(jìn)行傳遞與擴(kuò)散。其中融合過程可以分為三個(gè)單元過程：(1)分子接觸。(2)孔道形成。(3)孔道

3、增長。在整個(gè)碰撞融合與溶質(zhì)傳遞過程中，存在兩個(gè)速度控制步驟，即膠束與生物膜間水膜的破裂和融合時(shí)孔道的產(chǎn)生。膠束的初始碰撞速度，表面張力，膠束與生物膜間親水頭基的相互作用力以及空間排斥等影響因素在模擬中被檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在碰撞融合過程中，耗散力(depletion force)發(fā)揮了重要的作用。而膠束的初始碰撞速度對(duì)融合比率(fusion ratio)基本沒有影響。膠束表面張力增強(qiáng)有助于孔道的生成，提高了融合比率。而膠束與生物膜間親水頭基的

4、相互作用力以及空間排斥加大，則增加了融合時(shí)的能量壁壘，降低了融合比率。
　　 由啞鈴狀雙頭磷脂分子(bolaform phospholipid)構(gòu)成的古生菌細(xì)胞膜具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。例如耐熱嗜酸古生菌(Sulfolobusacidocaldarius)，能夠在65-80℃的熱溫泉和酸性條件下(pH=2-3)生存。此種優(yōu)良的熱穩(wěn)定性的原理還沒有完全發(fā)現(xiàn)。本文應(yīng)用耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法(DPD)使用囊泡結(jié)構(gòu)作為模型研究了古生菌細(xì)胞膜在高

5、溫下的熱穩(wěn)定性和破裂機(jī)理。與由單極性磷脂分子(monopolarphospholipid)構(gòu)成的普通細(xì)胞膜比較，發(fā)現(xiàn)了古生菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。在分子層面，解釋了古生菌細(xì)胞膜的優(yōu)良熱穩(wěn)定性的原因和破裂機(jī)理。
　　 根據(jù)小電導(dǎo)率機(jī)械敏感性離子通道蛋白質(zhì)(mechanosensitive ionchannel ofsmall conductance MscS)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，本文建立了新的蛋白質(zhì)粗?；Ｐ?。在粗粒化過程中，離子通道

6、蛋白質(zhì)(MscS)的基本結(jié)構(gòu)被保留。在耗散粒子動(dòng)力學(xué)(DPD)模擬中發(fā)現(xiàn)，離子通道蛋白質(zhì)模型根據(jù)模型參數(shù)的不同，存在兩種不同的構(gòu)型狀態(tài)：打開狀態(tài)和閉合狀態(tài)。在膜表面張力相同條件下，離子通道的構(gòu)型狀態(tài)取決于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，主要是蛋白質(zhì)中穿膜α螺旋的長度。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)一定尺寸的蛋白質(zhì)開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變依靠膜表面張力的變化，性質(zhì)和真實(shí)的小電導(dǎo)率機(jī)械敏感性離子通道蛋白質(zhì)相同。
　　 應(yīng)用耗散粒子動(dòng)力學(xué)(DPD)方法本文還研究了錨定蛋白質(zhì)(anc

7、hored protein)在細(xì)胞膜上的自聚過程。模擬發(fā)現(xiàn)錨定蛋白質(zhì)的聚集速度和程度與細(xì)胞膜中錨定蛋白質(zhì)的疏水長度有關(guān)。錨定蛋白質(zhì)的聚集機(jī)理是：蛋白質(zhì)的插入使周圍細(xì)胞膜的上下兩層結(jié)構(gòu)發(fā)生不同變化，并且上下兩層彼此耦合，這種變化促使蛋白質(zhì)發(fā)生聚集。只有當(dāng)錨定蛋白質(zhì)的滲透深度(penetration depth)超過半膜厚度，下層的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)才會(huì)發(fā)生劇烈形變。插入細(xì)胞膜深度較淺的錨定蛋白質(zhì)，周圍的細(xì)胞膜厚度變化較小。而插入細(xì)胞膜較深的錨定蛋