【摘要】：脂質雙層膜是所有生物體中細胞和細胞內(nèi)膜的主要成分,它在生物過程中必不可缺,例如細胞信號傳導和蛋白質功能。脂質雙層膜現(xiàn)在還被用于產(chǎn)生在多種疾病的治療中靶向遞送蛋白質,核酸和藥物的裝置。使用這些結構開發(fā)治療劑的科學家已經(jīng)取得了顯著進展。通過計算機技術里面的工具可以讓研究人員在分子水平上可視化脂質雙層的結構和功能,這有助于提高這些領域的發(fā)展速度。脂質雙層膜模型可以為納米材料和脂質雙層膜的相互作用這類方面的研究提供基礎。本文的主要研究工作如下:首先,介紹了脂質雙層膜的研究背景和意義,對現(xiàn)階段脂質雙層膜的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了總結和分析;概述了分子動力學(MD)的基本原理、計算流程和相關機制,并介紹了脂質雙層膜的馬丁尼力場和耗散粒子動力學的基礎理論;概述了脂質雙層膜仿真建模時使用的PACKMOL、Moltermplate、大規(guī)模原子分子并行模擬器(LAMMPS)和開源可視化處理工具(OVITO)分子模擬軟件。其次,在建模的過程中,由于馬丁尼(Martini)力場采用的單位為實際物理單位,所以參數(shù)的選擇較為方便,而耗散粒子動力學(簡稱DPD)力場將單位無剛量化,其參數(shù)的設置涉及了較多實驗和理論研究。本文在對Martini力場下的1-棕櫚酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷酸膽堿(DPPC)的基礎上針對DPD力場下的脂質雙層模型1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸膽堿(DOPC),確定合適的度量單位及模擬參數(shù)。總結了關鍵參數(shù)的單位和標準,使用并編寫符合PACKMOL和Moltemplate語法格式的腳本文件產(chǎn)生模擬所需的系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)文件。最后,選定MD計算的起點和溫度,并針對Martini力場下的DPPC脂質雙層膜自組裝及電穿孔現(xiàn)象進行了分子動力學模擬分析,對于DPD力場下的DOPC脂質雙層膜NVT系綜及電穿孔現(xiàn)象進行模擬分析。本文在Martini力場的基礎上對DPD力場DOPC模型的模擬參數(shù)和單位尺度進行了校準。本文基于粗粒度分子動力學(GCMD),研究了溶劑為水的脂質雙層膜建模方法,旨在對脂質雙層膜的不同初始狀態(tài)提供了高效的建模方法,并擴展了分子動力學模擬的時間尺度、提高了計算效率;對脂質雙層膜在Martini力場下的自組裝行為進行了模擬,并給出了徑向分布函數(shù)(RDF)分析的曲線;進一步,研究了DPD力場與Martini力場的基本模擬參數(shù)設置和校準。本文的研究為探究脂質雙層膜與納米材料相互作用的研究提供了高效的建模方法,通過分析脂質雙層膜在電場下電穿孔現(xiàn)象的不同屬性與場強大小的關系,為今后粗粒度分子動力學在生物醫(yī)療等相關方面的應用提供了理論參考。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：Q26
【圖文】：

在 MS-RBC 模型中的 RBC 膜被建模為粘彈性彈簧的二維三角網(wǎng)絡，其包括彈性、彎曲和粘性特性等數(shù)據(jù)。圖1.1 健康人類的紅細胞對于生物膜電穿孔，人們通過分析過程的分子動力學模擬提供了原子觀察水平。在膜外部電場存在的情況下，兩個脂質和水分子的單層之間的優(yōu)選偶極取向的不對稱變化加速了電穿孔的形成，導致不對稱的電場，特別是在疏水核心之間的過渡區(qū)域和親水性頭部區(qū)域（參見 Tieleman[30]）。其與這種不對稱性相關聯(lián)，脂質突起的數(shù)量顯著增加。這一發(fā)現(xiàn)得到了以前的模擬研究人員的支持，這些研究進行了在部分原子電荷設置為零的情況下辛烷板[30]或 DPPC 雙層電穿孔形成所需增加的電場強度[31]。通過分析電穿孔形成時間的分布和與動力學實驗的比較，建議兩種中間體：取決于外部場強度具有改進的頭基取向（T）的狀態(tài)和膜上封閉水脂薄膜的預制狀態(tài)（Q）（圖 1.2E=0.395V/nm，18.7ns 之后的電穿孔形成的快照。突出了初始步驟的脂質和水分子

[35]仍然是必要的。圖1.2 典型電穿孔現(xiàn)象對于納米材料與脂質雙層膜相互作用的 CGMD。在熱波動下，納米材料經(jīng)歷布朗運動，包括在雙層附近的快速振動、旋轉和遷移。觀察到一旦片狀物發(fā)現(xiàn)具有與膜幾乎正交的最銳角之一的構型，就開始自發(fā)穿入雙層。納米材料與脂質的尾部組之間的吸引力相互作用促進了穿透，但是只有在穿透角的頂端接觸雙層的疏水核心之后才發(fā)生穿孔。在粗粒度（CoarseGrain，簡稱 CG）模擬中，脂質膜可以被納米材料片完全穿透，伴隨著納米材料片的傾斜，進行最大化其與膜內(nèi)部的覆蓋。在本文的模擬中，小石墨烯薄片由于尺寸小而最終嵌入雙層膜。具有兩個不同拐角角度（30°和 60°）的菱形石墨烯薄片的模擬表明

胞器的整體結構和完整性得以保留（圖 1.3D 和 E），證實了體外試驗顯示了保存的細胞活力。圖1.3 多層石墨烯微片的細胞攝取和內(nèi)化。1.3 本文主要工作由上述內(nèi)容可以分析出脂質雙層膜的計算模擬在瘧疾等疾病的理論分析中發(fā)揮著重要的作用。本課題基于 CGMD，使用 PACKMOL 和 Moltemplate 軟件創(chuàng)建溶劑為水的脂質雙層膜模擬系統(tǒng)。旨在對 Martini 和 DPD 力場基本模擬參數(shù)的不同衡量尺度進行比較，并為脂質雙層膜的不同初始狀態(tài)提供高效的建模方法。研究了脂質雙層膜電穿孔的不同特征與場強大小的關系，研究的結果能夠促進對脂質雙層膜的全面認識，并為脂質雙層膜在生物醫(yī)療等應用中提供更多的理論支持。本文各個章節(jié)的具體內(nèi)容安排如下：第一章，首先介紹本課題研究的背景和意義；然后介紹現(xiàn)階段脂質雙層膜在醫(yī)學研究領域以及對于脂質雙層膜的膜電穿孔現(xiàn)象及用于生物醫(yī)療的研究現(xiàn)狀；最后介紹本文的主要內(nèi)容和工作安排。第二章，主要介紹本文涉及的理論。首先介紹分子動力學模擬技術的基本原理；然后介紹了粗粒化模擬技術理論，重點介紹了本文所采用的 Martini 力場和 DPD 力場的基本原理

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本文編號：2756222