细胞膜是细胞表面主要由膜脂和膜蛋白组成的双分子层。细胞膜使细胞内部组织与外界环境分隔开,同时也在细胞内外能量和物质交换过程中扮演着重要的角色。细胞膜的侧向组织(lateral organization)和膜内分子的动力学行为在很多细胞的生命活动过程中起着非常重要的作用,因此弄清楚细胞膜的微观结构和动力学性质对于理解细胞膜的生物功能以及相关的生物过程或疾病的微观机制具有非常重要的意义。已有研究表明,脂分子在细胞膜中的侧向分布是不均匀的,在一定条件下会发生相分离形成微观畴结构(domain)。然而,由于细胞膜系统结构和动力学性质的复杂性,无法从实验上直接观察和研究真实细胞膜中纳米尺寸的微观畴结构,人们对于细胞膜内脂分子(尤其是带电脂分子)侧向相分离和侧向动力学行为的微观机制知之甚少。本文主要采用基于粗粒化MARTINI力场的分子动力学方法,详细研究了脂分子的带电性质以及不饱和度对细胞膜微观结构和动力学性质的影响。我们主要模拟了由带电或不带电的饱和脂分子、不饱和脂分子和胆固醇组成的三组分细胞膜模型脂质双分子层。通过改变脂分子的带电性质和不饱和度,分析脂分子的面积、扩散系数和有序度等,从分子层次上系统地揭示了脂分子的带电性与不饱和度是如何共同影响细胞膜的微观结构和动力学性质的。我们的研究结果主要包括以下几部分:(1)当不饱和脂分子的不饱和度较低时,系统中带电脂分子之间的静电相互作用会抑制脂双层发生相分离行为,特别是当脂双层中的饱和脂分子带电,不饱和脂分子不带电时,脂分子在脂双层中的分布近似均匀。这种情况下,脂质双层膜的微观结构受到带电脂分子之间的静电相互作用的影响很大。(2)当不饱和脂分子的不饱和度较高时,不管是电中性的膜还是带电的膜,都发生强相分离,分成流体有序畴和流体无序畴。显然,在这种情况下,脂双层膜的微观结构主要由脂分子的不饱和度控制,脂分子的带电性对脂双层的相分离行为几乎没有影响。(3)通过比较各个脂双层膜内脂分子的侧向扩散系数,我们发现,带电脂分子之间的静电排斥相互作用能够增加脂分子在膜平面内的扩散速度。尤其是在含有低不饱和度脂分子的系统里,静电排斥相互作用对脂分子侧向扩散的影响非常显著。在含有高不饱和度脂分子的系统里,由于系统发生强相分离,静电排斥相互作用对脂分子侧向扩散的影响不太明显,但是跟电中性系统里脂分子的侧向扩散比较还是有些增强。我们的这项研究工作为理解细胞膜中微观畴结构和脂分子的侧向扩散的微观机制提供了一些理论参考。