擁擠及受限環(huán)境下的高分子動力學(xué)研究.pdf

1、生物大分子通常受限在比其自身輪廓長度小很多的細胞中。與此同時，活體細胞內(nèi)存在著許多的大分子物質(zhì)，例如，蛋白質(zhì)、脂質(zhì)體、核糖體、細胞纖維骨架、染色體等等，這些大分子物質(zhì)占據(jù)了細胞內(nèi)部20％-40％的空間。在受限和擁擠的細胞內(nèi)環(huán)境中，生物大分子的許多動力學(xué)行為與在稀溶液中的情況有很大的差別，例如:分子的擴散、蛋白質(zhì)的構(gòu)象與折疊速率、雙分子反應(yīng)的速率和平衡等等。研究受限和擁擠對這些反應(yīng)的影響已然成為理解細胞內(nèi)各類生物化學(xué)物理反應(yīng)的重要問題之一

2、。
　　首先，運用理論分析與二維空間的郎之萬動力學(xué)模擬的方法，我們研究了在不對稱擁擠環(huán)境中的高分子鏈的穿孔動力學(xué)。不對稱的擁擠環(huán)境是由不同的擁擠劑粒子大小引起的，在模型中，我們令cis和trans兩側(cè)的擁擠劑粒子體積分數(shù)φ相同，cis側(cè)擁擠劑粒子的尺寸固定為σ，但改變ans側(cè)擁擠劑粒子的尺寸σb，使得σb＞σ。我們發(fā)現(xiàn)高分子更傾向于往含有較大尺寸擁擠劑粒子的一側(cè)（trans側(cè)）輸運，這與理論期待的方向一致。然而，我們發(fā)現(xiàn)擁擠劑的尺

3、寸對高分子鏈從cis側(cè)往trans側(cè)的輸運概率、輸運時間、以及輸運時間的分布的影響較為復(fù)雜。特別是當固定φ時，高分子鏈的輸運時間與輸運概率都隨trans側(cè)擁擠劑粒子直徑σh的增加表現(xiàn)出非單調(diào)的行為。這種非單調(diào)的行為是通過熵驅(qū)動力f和阻滯力fr的相互競爭來理解。
　　接著，我們通過三維空間的朗之萬動力學(xué)模擬方法研究了大分子擁擠效應(yīng)和結(jié)合粒子的吸引作用對受限在圓柱型腔體中的兩條完全重疊的高分子鏈的鏈分離動力學(xué)的影響。我們發(fā)現(xiàn)鏈分離時間

4、隨擁擠濃度的變化主要受擴散控制（Diffusion-limited）因素的影響，擁擠劑濃度的增加，導(dǎo)致體系的粘度增加，使得分子鏈擴散系數(shù)減小，從而增加了兩條鏈分離所需的時間。同時我們發(fā)現(xiàn)對于固定的擁擠劑粒子濃度，擁擠劑粒子尺寸越大，其分離時間越小。此外，我們研究了結(jié)合粒子與分子鏈的結(jié)合效應(yīng)對鏈分離的影響，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)合粒子的存在能夠顯著的加快受限管道中兩條分子鏈的分離。這一研究為理解細菌體在復(fù)制過程中染色體DNA向子代細胞中快速遷移的機制

5、提供了一個新的理論假說，對理解這一過程有著重要意義。
　　最后一章中，我們研究了分子鏈的剛性對受限在納米管道中的分子鏈的逃逸動力學(xué)的影響。首先，我們從理論解析的角度利用Odijk提出的deflection model得到半剛性鏈逃逸的驅(qū)動力以及整個過程的動力學(xué)解析，隨后我們的數(shù)值模擬的結(jié)果能夠很好的與理論預(yù)測吻合。我們發(fā)現(xiàn)，無論對半剛性鏈還是柔性鏈，根據(jù)分子鏈長度N與管道長度h的比值，存在一個臨界鏈長Nc（剛好滿足R=h），將分子

6、鏈的逃逸劃分為兩個區(qū)域。在短鏈區(qū)(N＜Nc)，半剛性鏈的的逃逸時間依賴于鏈長，并且要小于柔性鏈。相反的，在長鏈區(qū)域(N＞Nc)，鏈逃逸時間τlong不依賴于鏈長的改變，此時半剛性鏈的逃逸時間要大于柔性鏈。隨后我們發(fā)現(xiàn)τmax和τlong隨管長的標度關(guān)系中的標度指數(shù)都隨著剛性的增加略有下降，一個是由于在對τshort作偏微分求極值時忽略了短鏈的驅(qū)動逃逸過程所花費的時間τshort,2帶來的誤差，另一個是由于在運動方程中，忽略了溢出管道外的