生物膜形狀的理論研究.pdf

1、生物膜結(jié)構(gòu)不僅是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組織形式，也是生命活動的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。許多生命過程，如能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)運輸、信息識別與傳遞、細(xì)胞發(fā)育與分化，以及神經(jīng)傳導(dǎo)、激素作用等都與生物膜有密切關(guān)系。然而，由于真實的細(xì)胞膜十分復(fù)雜，人們必須尋找合適的模型。幸運的是，理論和實驗均表明由兩親性分子所形成的囊泡(vesicle)是細(xì)胞膜最為簡單有效的模型。因此，本論文圍繞生物膜開展了四個方面的研究工作：錨泊有聚合物鏈的囊泡；剛棒／柔性高分子錨泊流體膜；多層囊泡的復(fù)

2、雜形狀；耗散粒子動力學(xué)對多組分膜相分離的動力學(xué)研究。 第一部分：錨泊聚合物鏈的囊泡。生物膜通常被蛋白質(zhì)、膽固醇、糖類等生物大分子所“修飾”。作為生物膜的簡化模型，聚合物鏈錨泊囊泡的研究具有極其重要的生物學(xué)意義。我們將多組分聚合物體系的自洽平均場理論和囊泡的膜彎曲彈性理論拓展至聚合物鏈錨泊囊泡體系。我們引入聚合物鏈不能穿透囊泡膜的限制條件，考慮了高分子鏈段和囊泡膜的相互作用，以及高分子鏈段和溶劑的相互作用，重新推導(dǎo)出新的膜平衡的形

3、狀方程。聚合物錨泊囊泡和單純囊泡體系的主要差別是，由于囊泡膜對聚合物鏈的幾何空間限制，聚合物鏈段對囊泡表面施加不均勻的熵壓，誘發(fā)了聚合物錨泊囊泡的不對稱性。當(dāng)高分子鏈段和囊泡表面存在相互作用時，聚合物鏈不僅對囊泡表面施加外壓，還改變了囊泡的表面張力。而壓力和表面張力的改變大小和相互作用參數(shù)、聚合物鏈段的濃度分布息息相關(guān)。當(dāng)囊泡膜和高分子鏈段的相互作用從排斥變?yōu)閺娢綍r，聚合物的濃度分布也實現(xiàn)從“mushroom”至“pancake”的轉(zhuǎn)

4、變。溶劑對囊泡形狀的影響不顯含在我們推導(dǎo)的形變方程中，而是通過改變聚合物鏈段的濃度分布來實現(xiàn)囊泡形狀的改變。聚合物鏈對囊泡的影響隨著囊泡的彎曲剛性的降低而變得顯著。錨泊聚合物鏈的鏈長對囊泡的形狀的影響很小，而在高分子鏈段和囊泡膜存在相互作用時，錨泊聚合物鏈鏈長的變化則對囊泡的形狀有著顯著的影響。這是因為囊泡膜表面高分子鏈段的濃度分布受錨泊高分子鏈鏈長、膜和鏈段相互作用強度、錨泊高分子鏈數(shù)目等參數(shù)的共同影響。不同于聚合物錨泊流體膜體系，聚

5、合物錨泊囊泡形狀的變化要考慮囊泡的全局因素，因此囊泡形狀的變化非常復(fù)雜，難以用單純囊泡的對稱性給以描述。我們利用新拓展的理論研究了聚合物錨泊囊泡形狀的變化。此外，我們的理論還可以拓展到多組分、不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚合物鏈錨泊囊泡體系，從而為將來研究細(xì)胞的生命活動提供一種方法。 第二部分：剛棒／柔性高分子錨泊的流體膜。我們依然運用高分子的自洽場理論和膜彈性理論結(jié)合的方法，研究柔性鏈或剛棒錨泊流體膜的復(fù)合體系。由于膜的不可穿透性，減少了高

6、分子鏈的活動空間，為了使高分子獲得更高的構(gòu)象熵，膜發(fā)生彎曲遠(yuǎn)離高分子。在錨泊點附近，柔性鏈和剛棒濃度分布不同，導(dǎo)致膜在錨泊點附近變形的趨勢也不同。尤為重要的是，由于剛棒的取向和膜曲率的連續(xù)性之間的矛盾，導(dǎo)致剛棒和膜之間存在有限距離。膜和高分子之間相互吸附作用會影響高分子的行為：對于柔性鏈，吸附強度從弱到強，其構(gòu)象分布發(fā)生從“mushroom”至“pancake”的轉(zhuǎn)變；對于剛棒的分布則發(fā)生“扇形”至“錐形”的轉(zhuǎn)變，且“扇形”的半徑和剛棒

7、的長度保持一致。如果膜和柔性鏈之間沒有相互作用時，鏈長的增加不會對膜對形狀產(chǎn)生明顯的作用，但當(dāng)膜和柔性鏈之間有吸附作用時，鏈長的增大會加劇膜的形變。而對于剛棒，甚至在膜和剛棒沒有任何相互作用時，由于其在膜上的覆蓋面積和鏈長呈正比，隨著鏈長的增加，增大了鏈的末端距，剛棒在膜施加熵壓的接觸點增大了，導(dǎo)致膜會隨著鏈長的增加而進一步遠(yuǎn)離剛棒。此外，膜本身的彎曲剛性和表面張力也會影響膜的形變。 第三部分：多膜囊泡的復(fù)雜形狀。一些細(xì)胞器，如

8、線粒體等，均具有雙層膜的構(gòu)造。對于含有雙層膜構(gòu)造的細(xì)胞器，細(xì)胞器外、雙層膜間區(qū)和雙層膜內(nèi)各區(qū)的壓力差別將導(dǎo)致非常復(fù)雜的形態(tài)。為了對這類細(xì)胞器的形態(tài)提供理論模型，我們采用離散空間變分的方法研究了多層囊泡的復(fù)雜形狀問題，即單層囊泡置于可變形的受限環(huán)境下的形狀。我們主要討論了雙層囊泡之間的面積比、彎曲剛性模量、各部分幾何空間壓力比、以及靜電相互作用對多層囊泡的復(fù)雜形狀的影響。當(dāng)內(nèi)膜的面積大于外膜面積時，內(nèi)膜主要以皺褶的形式存在于外膜空間；當(dāng)內(nèi)

9、膜面積小于外膜面積時，每層膜的形狀和其所處空間的勢差(壓力)有關(guān)，如果膜所包圍的空間的壓力大于此膜外部空間的壓力，膜的形狀大部分以圓的形式存在。外膜和內(nèi)膜的彎曲剛性模量在各部分空間壓力不同時，其對多層囊泡形狀的影響也不同。不均勻的長程靜電相互作用的存在可使內(nèi)膜形成的管狀皺褶均勻分布在外膜所包圍的幾何空間。雙層囊泡根據(jù)各部分自由能的貢獻的大小調(diào)整外膜和內(nèi)膜形狀，以及每層囊泡所包圍空間體積。這些結(jié)果將對于理解諸如線粒體之類細(xì)胞器的形態(tài)具有積

10、極的意義。 第四部分：耗散粒子動力學(xué)研究多組分膜的相分離過程。在適當(dāng)?shù)臏囟然蚱渌麠l件下，兩親性脂類分子通常不均勻地分布在雙分子層生物膜中，膜的側(cè)向上存在著復(fù)雜的微區(qū)，這些微區(qū)在膜內(nèi)移動，與細(xì)胞中的蛋白質(zhì)輸送及細(xì)胞內(nèi)信息傳遞等功能的實現(xiàn)有密切關(guān)系。我們通過介觀的模擬方法—耗散粒子動力學(xué)(DPD)的方法研究了單組分聚集體的形成過程和條件，結(jié)果表明可得到各種聚集體，如膠束、柱狀、球形的囊泡；用同樣的方法，我們還研究了多組分膜相分離過程