双柱粒子及管状生物膜在相互作用研究

　　双柱粒子及管状生物膜在相互作用研究第一章序论1.1生物膜生命是什么，从何而来？这个问题困扰了人类数以千年，直到最近两个世纪我们才发现了生命的奥秘。以人类为例，组成一个标准人类的化学成分包括：18千克炭、50千克水、足以做2000根火柴的磷以及少许的氮、一枚铁钉大小的铁、另外还需微量的20种其他元素。从化学上这些物质的总和与一个健康的人没有任何区别，但从生物学角度我们却截然不同，人是有生命的！这些相同的化学物质有机的组成了细胞，六万亿个微小的复杂的生命体组成了我们的身体，简单的说我们就是细胞。自从17世纪胡克在显微镜下首次看到细胞以来，生物学家就开始对生物膜结构和功能进行研究，到如今生物膜的研究现已发展成为一个横跨生物学、物理学、化学等学科的交叉研究领域。作为细胞的天然屏障，细胞膜又称为质膜，它是由脂质、蛋白质以及糖类等物质所组成的包裹在细胞外围的薄膜。在真核细胞内围绕细胞器外围的薄膜又称细胞内膜，细胞内膜和质膜存在诸多相似性，固将其二者统称为生物膜[1]。细胞膜的发现可以追溯到1855年，当时瑞典科学家奈利研究发现分子在进入受伤的细胞时比进入完整细胞更为容易，于是他提出细胞存在一层薄膜屏障的假设。他通过探针穿刺细胞实验，观察发现在探刺过程中存在阻力并且细胞表面出现褶皱，从而验证了细胞表面存在薄膜，进而发现了生物膜。由细胞所组成的生物中除某些病毒外都具有生物膜，所以生物膜概念的提出是人类对生命对细胞认识的重要飞跃[1-3]。如图1-1所示生物膜是细胞膜与细胞内的膜系统的统称（线粒体、高尔基体等表面的薄膜)，总厚度约5.0~10.0纳米。进一步的研究发现生物膜在生物体的生命活动中起着至关重要的作用。生物体内诸多重要生命过程，例如物质的运输、能量传递、细胞之间的识别、细胞免疫、神经传导、激素和药物的作用等，无不与生物膜息息相关。..1.2生物膜的功能与结构 生物膜也可以被称为细胞膜，细胞膜的最首要功能是分割并形成独立的细胞以及细胞器，进而为复杂的生命活动提供稳定而理想的大环境，即细胞膜的区间化作用。细胞膜表面的多重受体蛋白为多种酶的结合提供位点，进而使得细胞与外界信号进行响应。作为信息和能量等物质的传递媒介，细胞膜提供细胞之间识别、粘附和交流的机会[2]。而细胞膜的选择性和通透性使得细胞膜具有调节物质的跨膜运输的特性。以物质的跨膜运输(TransportofMacromolecules)为例，细胞膜一方面避免细胞与外界环境、细胞内各区域之间的物质自由混合，另一方面又为各个区间的有控制的交流或通讯提供了手段。细胞膜提供了一种选择性通透屏障，进而确保适宜的物质从外界进入而避免不适宜的物质进入细胞。它不仅能够保障细胞对基本营养物质的摄取、代谢物的排除以及细胞内离子浓度的调节，并且又能使细胞维持相对稳定的内环境。物质的跨膜输运对细胞的生存和生长至关重要。对于小分子物质的跨生物膜输运的机制，主要包括被动扩散和主动运输两类。物质分子借助前者跨膜输运无需消耗代谢能，分子从高浓度一侧向低浓度一侧运动。物质的主动输运则需要消耗代谢能从而使物质从低浓度一侧向高浓度一侧运动。一般来说，对于生物大分子的跨膜输运不能采取被动扩散或主动运输等方式。但是，细胞可以通过内吞作用从环境中摄取大分子或颗粒物质，并且通过胞吐作用分泌蛋白质等大分子。细胞器之间可以通过囊泡输运(VesicularTraffic)进行生物大分子的流通。第二章研究综述2.1几何模型以柱状胶体粒子与平面膜的相互作用体系为例，由于平面膜的厚度较自身体积小许多，平面膜可以近似看成没有厚度的薄膜。利用该体系的对称性我们可以用一个二维模型来描述，即用曲线表示可以形变的平面膜、圆球代表柱状胶体粒子的横截面。对该体系运用角弧长参数化法[41]描述几何模型，基于Helfrich理论在能量角度引入表面张力能、弯曲能和吸附能，并最终表示出体系的总自由能。体系发生相互作用之后平面生物膜的一部分与柱状胶体粒子发生吸附作用，发生吸附作用的这部分膜的形状进而可以由柱状胶体粒子的形状确定。对于自由膜部分设平面膜与柱粒子分离的位置为自由膜的原点，只要给出(s)自由膜部分每一点的横纵坐标，膜的形状方程就可由(2.2)式得出。故(s)是自由膜部分的形状函数，也是求解膜的形状的关键，而唯一决定(s)的是体系的自由能。接下来我们就将根据Helfrich理论，讨论包括表面张力能、弯曲能和吸附能在内的体系自由能。..2.2能量模型 经过粗粒化近似后本文所研究的生物膜是二维的不可压缩的薄膜，即无厚度的曲面。在无任何外场影响下，生物膜的能量不会因为平动或转动而改变。膜的形状会随着柱状胶体粒子与生物膜相互作用而发生变化，我们把由膜的弯曲形变所产生的能量称为弯曲能。弯曲能与膜的形变相关，故在二维平面坐标中弯曲能与膜的曲率有关。作为一种物理效应，表面张力具有使液体的表面积趋向最小的性质。从力学角度上内聚力是形成表面张力的原因，以空气中的水珠为例如图2-3所示，在液体内部的每个分子都会受到邻近分子的吸引力（也存在排斥力)，但受到的合力为零。然而在液体表面，即液体与气体的分界面上的液体分子受到的引力是不均衡的，合外力不为零并且最终表现为指向液体内部的引力如图2-4(a)。所以液体才会有缩小自身表面积的趋势，进而在宏观上的表现为表面张力现象。从能量角度，对于液体内部的分子，其周围相邻的分子数目较多，所具有的分子势能低。在液体表面的分子，其周围相邻的分子数目少，所具有的分子势能高。由于稳定状态的能量最低，液体表面层中的分子具有趋向液体内部的倾向进而使得表面积减小，表面张力也被称为表面张力能。.第三章主要研究内容.....19引言........193.1双柱粒子与管状膜对称相互作用.......193.1.1.体系自由能......203.1.2.平衡构型.....233.1.3.二级相变.....263.1.4.一级相变.....283.1.5.本章小结.....293.2双柱粒子与管状膜的相互作用......303.2.1.体系自由能......303.2.2.二级相变.....343.2.3.一级相变.....363.2.4.体系相对位置的不同对相变的影响......383.2.5.本章小结.....41第四章总结与展望....434.1研究结论......434.2本文的不足.......43第三章主要研究内容 引言这一部分我们通过利用Hefrich理论首先研究了双柱胶体粒子与管状生物膜对称的相互作用体系[38]，得出了体系的自由能、通过正则方程与打靶法确定了体系的结构并且分析了体系的相变。进一步，对于两个柱胶体粒子与管状生物膜非对称的相互作用体系，在进行类似的相关研究之后又分析并讨论了胶体粒子与管状生物膜的相对位置对体系相互作用的影响。考虑到这个体系是两个柱状粒子与管状膜的对称相互作用，由于管状膜的长度远大于柱状粒子，当柱状粒子与其相互作用时管状膜沿轴向的形变可以忽略不计。故该体系可以用一个二维模型来描述，用闭合曲线表示管状膜，在相互作用前管状膜是一个闭合的圆，所以管状膜的形变就是该曲线沿径向的改变。本文中体系的自由能可以通过Hefrich理论求得，其中包括两个重要参量即弯曲刚度和表面张力系数。考虑到管状膜与柱状粒子表面的短程吸引力，用参量w即单位面积的吸附能来体现。进而体系的自由能可表示为三部分，表面张力能、弯曲能和吸附能。..结论对于双柱粒子与管状膜对称的相互作用体系，我们运用Helfrich理论得到了体系自由能，通过对体系总约化自由能差的分析，发现体系存在三个相即三种状态，解吸附状态、弱吸附状态以及深度吸附状态。并且研究还发现两个相变即二级相变和一级相变。其中二级相变是连续相变，这是指的是体系从解吸附状态到弱吸附状态的相变。一级相变是不连续相变，这是指的是体系从弱吸附状态到深度吸附状态的相变，并且在一级相变中，能量曲线图有明显的能垒使得相变不连续。计算所得的相图可以为实际应用中相类似的生物现象提供理论帮助。我们同样应用Helfrich理论模型研究了双柱胶体粒子与管状生物膜的非对称相互作用。通过对体系总约化自由能差的分析同样得到了连续和不连续的两个相变即二级相变和一级相变。并且研究得出双柱粒子与管状膜相对位置的不同会对体系相变及其结构产生不同程度的影响。计算所得的相图也可以更进一步的为某些生物单元的结构转变提供理论借鉴。