受限于同心圓柱套筒間的半剛性高分子鏈構(gòu)象行為.pdf

1、2005年,Yehuda Snir和Randall D.Kamien在自然科學(xué)雜志science上發(fā)表了一篇熵變驅(qū)動螺旋構(gòu)象形成的文章,文中對鏈因避免排除體積重疊而自發(fā)形成螺旋結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)做了一定的理論解釋。我們試圖通過理論計(jì)算模擬來進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論。我們知道,當(dāng)把一根半剛性的管子放在一個擁擠的環(huán)境中時,管子常常會通過改變自身的形狀來達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。而當(dāng)管子的厚度同自身的長度達(dá)到合適的比例時,管子會自然形成最緊湊的螺旋結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象不

2、難見到,比如在稠密而擁擠的細(xì)胞環(huán)境中,長分子鏈(例如一個細(xì)胞中的DNA)就經(jīng)常采用規(guī)則的螺旋狀構(gòu)造來形成一個較佳的存在方式。近來,生物聚合物高分子鏈的受限,由其是其受限過程中螺旋結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),引起了人們的廣泛關(guān)注。有工作利用蒙特卡羅方法研究了半柔性高分子鏈在具有弱吸附勢的圓柱表面的螺旋構(gòu)象行為。一方面由于存在分子與分子間相互作用及管子與鏈間的范德瓦爾斯力的相互競爭,另一方面由于存在彎曲能和吸收的熵,從而最終導(dǎo)致圍繞管周圍的高分子鏈產(chǎn)生規(guī)則

3、的螺旋結(jié)構(gòu),并幾乎以單分子層的形式吸附在在圓柱半徑外。如不考慮鏈與管間的作用力,僅考慮鏈的空間受限,是否會出現(xiàn)類似的情況呢?
　　 為此,本文采用非格點(diǎn)蒙特卡羅模擬方法對聚合物高分子鏈在共軸同心圓柱間的受限螺旋構(gòu)象行為進(jìn)行了研究,同時假定鏈與管間沒有任何力的作用。首先,通過改變受限環(huán)境及高分子鏈的剛性強(qiáng)度,得到本模型中影響高分子鏈構(gòu)成螺旋結(jié)構(gòu)的一系列參數(shù)。其次,對高分子鏈的螺旋結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)象參數(shù)進(jìn)行了分析討論,例如:高分子鏈的均方

4、末端距,高分子鏈的持久長度,高分子鏈的螺旋取向參數(shù)G(m)等。最后,對比討論了相同環(huán)境下,不同剛?cè)嵝枣湹姆€(wěn)定構(gòu)象差異。
　　 1.受限于共軸同心圓柱間的聚合物高分子鏈,高分子鏈的構(gòu)象會隨著鏈自身剛?cè)嵝缘淖兓兓?。在達(dá)到熱力學(xué)平衡后,受限柔性高分子鏈會雜亂無章的纏繞在一起,呈線團(tuán)結(jié)構(gòu),找不到任何規(guī)律；受限剛性高分子鏈會變成一條幾乎拉直的鏈,并沿著圓柱中心軸方向延展；而半柔性高分子鏈的構(gòu)形則變得十分有規(guī)律,能形成自然界中最常見的螺

5、旋結(jié)構(gòu)。
　　 2.高分子鏈螺旋結(jié)構(gòu)的形成還受到受限環(huán)境的影響。將半柔性高分子鏈?zhǔn)芟拊趦蓤A柱間,只有在一定的內(nèi)外圓柱半徑范圍內(nèi),才能形成清晰可辨的螺旋結(jié)構(gòu)。內(nèi)圓柱半徑較小,或是外圓柱半徑較大,都會使螺旋結(jié)構(gòu)減緩甚至消失。
　　 3.高分子鏈螺旋結(jié)構(gòu)的形成還與鏈自身的長度有關(guān)。鏈長越短,達(dá)到穩(wěn)定構(gòu)象需的模擬時間越短,產(chǎn)生的螺旋數(shù)目小,螺旋的形成對受限環(huán)境要求較高；鏈長越長,則需要的模擬時間越長,螺旋數(shù)目較大,螺旋的形成對環(huán)

6、境要求會適當(dāng)降低。
　　 4.內(nèi)外圓柱半徑分別為R1=2.0和R2=5.0。當(dāng)b=0時,高分子鏈中的單體沿圓柱半徑方向百分比含量幾乎差不多,統(tǒng)計(jì)參與螺旋的單體數(shù)百分比非常低,幾乎為0。因?yàn)榇藭r,鏈雜亂的纏繞在一起,不會形成螺旋構(gòu)象,故沿圓柱半徑方向近似均勻分布且沒有單體參與了螺旋。
　　 5.內(nèi)外圓柱半徑分別為R1=2.0和R2=5.0。當(dāng)b在20附近時,高分子鏈中的單體在內(nèi)圓柱外壁附近富集,百分比含量很高,統(tǒng)計(jì)參與螺旋

7、的單體數(shù)百分比較大,少數(shù)可達(dá)到70％以上。這是因?yàn)榘肴嵝枣溊p繞在內(nèi)圓柱外表面,并保持了很好的螺旋結(jié)構(gòu)。
　　 6.內(nèi)外圓柱半徑分別為R1=2.0和R2=5.0。當(dāng)b趨近于100時,高分子鏈幾乎變成了直鏈,螺旋數(shù)目小,統(tǒng)計(jì)參與螺旋的單體數(shù)百分也比較低,并隨著b的增加,逐漸趨向?yàn)?。
　　 由于真實(shí)生物大分子常常是在擁擠的細(xì)胞環(huán)境中完成其各項(xiàng)功能作用的,這些工作也許可以對今后進(jìn)一步研究生物大分子在受限環(huán)境中的工作提供幫助。<