形变引起的生物膜微观结构变化的分子动力学模拟研究

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1、万方数据形变引起的生物膜微观结构变化的分子动力学模拟研究THECHANGEOFBlOMEMBRANEMICROSTRUCTURElNDUCEDBYTHEMORPHOLOGlCALDEFORMATION：AMOLECULARDYNAMlCSSIMULAT10NSTUDY研究生：专业：导师：学位授予单位：武庆炎理论物理梁清浙江师范大学万方数据形变引起的生物膜微观结构变化的分子动力学模拟研究摘要生物膜是细胞及各种细胞器表层的膜，它将膜的内部组织和外界环境分隔开，并保护细胞免受外界的干扰。它可以选择性的让生物体所需的各种物质(比如离子和葡萄糖)通过生物膜，从而维持生物的新陈代谢。生物膜的主要结构

2、是磷脂双分子层，它主要由饱和脂分子，不饱和脂分子和胆固醇构成。最近的研究表明，由这三种组分构成的膜，在一定的温度条件下会发生液体有序相和液体无序相两相分离的现象。而膜处于此种两相共存的状态时，两种相的位置分布会受到外界条件的影响。膜的形变会影响膜的相分离行为。当形变在膜上产生一个高度弯曲的区域时，由于组成膜的磷脂分子的性质不同，它们会对形变产生不同的反应，由弯曲刚度较小的脂分子组成的液体无序相会积聚到弯曲的地方，而由弯曲刚度高的脂分子构成的液体有序相会到较平直的地方，从能量角度看，脂分子的这种侧向组织行为可以降低膜的弯曲能。此外，膜的弯曲也会影响膜上的蛋白质分布，在重新分布的过程中蛋白质

3、会移动到新位置。因为蛋白质是插入脂分子中或者黏着在由脂分子构成的膜的表面上的，所以蛋白质的移动与脂分子有关。本文主要研究在模型膜中膜的弯曲对脂分子和蛋白质分布的影响。由于生物膜具有复杂的结构并且具有高度的动态性，所以用实验的方法对其直接研究具有一定的困难。分子动力学模拟是研究此类问题的有效方法之一。在此研究中，首先制作了弯曲的生物膜，之后研究膜的弯曲对磷脂分子和蛋白质分布的影响。本论文的具体研究内容为：第一，用模拟的方法验证已经在实验中观察到的DPPC／DLiPC／胆固醇三组分弯曲膜的脂分子的侧向组织行为；第二，研究在一定条件下不相分离的平面膜，查看膜的弯曲是否会促进其相分离；第三，在弯

4、曲的膜上放入不同种类的膜蛋白，研究膜蛋白的侧向组织行为；第四，蛋白质和脂分子的相互作用应该会反过来影响膜的形状，所以又研究了弯曲膜的曲率变化。万方数据通过模拟研究主要得到了以下结果：第一，用模拟的方法研究三组分弯曲膜的相分离行为，发现其结果和已有的实验一致；第二，本文研究所用的不相分离的三组分平面膜在弯曲的情况下也不会相分离；第三，膜的弯曲会影响蛋白质的分布。在这个研究中所用的蛋白质外形是近似于圆柱形的，所以其侧向组织行为和圆锥形或楔形的蛋白质有区别。在模拟中发现，由于膜上各不同部位的脂分子密度不同，这些圆柱形的蛋白质会自发的积聚到膜上较低密度的弯曲部位，并且膜蛋白到达弯曲部位后其外形会

5、随之改变，这种变化使得它们能稳定的保持在弯曲的部位。而在研究中用到的另一种蛋白质，由于其外形基本保持不变，所以比之前的蛋白质保持处于弯曲部位的稳定性要差；第四，通过对比含有蛋白质的膜和不含蛋白质的膜的弯曲部位曲率，发现前者的弯曲部位的曲率比后者要大。这项研究通过用分子动力学模拟的方法考察生物膜在弯曲状态下的微观结构，为形变的生物膜中脂分子和膜蛋白的侧向组织行为的相关机制提出了一定的理论见解。关键词：生物膜；膜蛋白；曲率；分子动力学；侧向组织行为万方数据THECHANGE0FBIOMEMBRANEMICROSTRUCTUREINDUCEDBYMORPHOLOGICALDEFORMATION

6、：AMOLECULARDYNAMlCSSIMULAT10NSTUDYABSTRACTBiomembraneisakindofmembranethatlocateonthesurfaceofcellsandorganelles，itseparatestheinnerofcellsfromememalenvironmentandprotectcellsagainstoutsideinterference．Itcancontrolthepermeabilityofsubstancesthatarenecessaryfororganisms(suchasionandglucose)andthem

7、bymaintainthebiologicalmetabolismoforganisms．Themainstructureofthebiomembraneisthelipidbilayer，whichiscomposedofsaturatedphospholipids，unsaturatedphospholipidsandcholester01．Recentstudiesshowthatathree--componentmembra