生物膜與膠體粒子相互作用的Helfrich理論研究.pdf

1、生物物理學(xué)是物理學(xué)與生物學(xué)相結(jié)合的一門交叉學(xué)科,是生命科學(xué)的重要分支.生物膜的相關(guān)研究一直以來是生物物理學(xué)研究的熱點(diǎn).細(xì)胞內(nèi)很多基本的生化功能都離不開生物膜的參與,比如,DNA的復(fù)制、蛋白質(zhì)的合成、分泌以及激素反應(yīng)等.這些生物過程中有很多可以看作是大分子粒子與生物膜的相互作用,最顯著的一個(gè)就是控制傳輸機(jī)制的過程,比如內(nèi)吞和外排作用.實(shí)驗(yàn)上可以制取脂質(zhì)雙分子膜,并展成所需要的形狀,這為研究一些重要的生物過程提供了一個(gè)平臺(tái).可見,研究生物膜

2、與膠體粒子的相互作用具有非常重要的意義,而Helfrich理論模型為研究生物膜與膠體粒子相互作用提供了理論基礎(chǔ).
　　采用Helfrich理論模型研究了剛性球粒子和管狀生物膜的相互作用.系統(tǒng)的自由能通過Helfrich理論中的表象參數(shù)(表面張力系數(shù)、彎曲能、吸附能)和幾何參數(shù)來描述.將寫出來的Helfrich自由能關(guān)于幾何參數(shù)最小化,就得到了體系的穩(wěn)定構(gòu)型.
　　本論文基于Helfrich理論模型研究了單球形膠體粒子、雙球形

3、膠體粒子以及多個(gè)球形膠體粒子和管狀生物膜相互作用體系中的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu),并分析了體系的相變情況.主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作:
　　(1)介紹與本工作有關(guān)的Helfrich基礎(chǔ)理論.首先給出理論中生物膜的幾何模型和能量模型,包括角弧長參數(shù)化、膜的表面張力能量、膜的彎曲能以及膜和粒子之間的吸附能等基本物理概念.以球形膠體粒子和管狀生物膜為例,展示了如何得到體系的Helfrich能量,以及如何求解體系的穩(wěn)定結(jié)構(gòu).
　　(2)利用正

4、則方程將求得的體系的Helfrich哈密頓,轉(zhuǎn)化成常微分方程組,并用打靶法對(duì)上述方程組進(jìn)行了數(shù)值求解.
　　(3)計(jì)算單球形膠體粒子、雙球形膠體粒子以及多個(gè)球形膠體粒子和管狀生物膜相互作用體系中的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和相變情況.計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)雙球粒子和管狀生物膜的相互作用,發(fā)現(xiàn)了他人的類似工作中所沒有的一個(gè)新相,這個(gè)相以內(nèi)接觸角為特征,在新相的基礎(chǔ)上討論了與之相關(guān)的體系結(jié)構(gòu)和相變特點(diǎn)等物理性質(zhì).在單球粒子和雙球粒子體系的基礎(chǔ)上,又進(jìn)一步擴(kuò)展

5、到多球體系,通過對(duì)幾何模型和能量模型的分析計(jì)算,得到了多球粒子可能存在的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu),并得到了相邊界隨著球粒子數(shù)目的變化規(guī)律.本理論計(jì)算的結(jié)果,在實(shí)驗(yàn)上容易進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證,能夠?yàn)橄嚓P(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供一定的理論解釋,并對(duì)可能出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出建議.
　　第一章為綜述,主要從總體上介紹了生物物理學(xué)的發(fā)展以及生物膜和膠體粒子相互作用的研究進(jìn)展;第二章介紹了Helfrich理論模型;第三章介紹了Helfrich哈密頓以及體系穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的求解;