细胞内相分离诱导膜形态转变的机理研究

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软物质与人们的生活息息相关,在自然界、日常生活和生产中广泛存在。本论文主要围绕聚合物和生物膜复合体系开展一些理论工作。在囊泡膜内封装有聚合物的复合体系具有丰富的相结构。文献报道,生物物理学家分别用不同的方法对该体系开展了相关的仿生实验。然而到目前为止,理论上研究这一复合体系的报道还很少。本文将高分子体系的自洽场理论和生物膜体系的Helfrich曲面弹性理论拓展至聚合物和囊泡的复合体系。我们引入聚合物链不能穿透囊泡膜的限制条件,同时考虑了聚合物链与聚合物链、聚合物链与囊泡膜、聚合物链与溶剂之间的相互作用,重新推导出囊泡膜平衡的形状方程。通过对自洽场和Helfrich曲面弹性理论复合模型的数值实现,得到了封装在囊泡内的聚合物的浓度分布以及囊泡的形状。在本文第三章中,我们主要考察了聚合物的穿透性、组成和吸附强度对聚合物和囊泡复合体系相形态的影响。通过聚合物和囊泡复合体系与单纯囊泡体系的相图比较,可以看出前者存在扁圆形囊泡的区间范围明显增大。而这两个体系的主要差别是:在复合体系中,聚合物链受限于囊泡膜内,导致其对囊泡内表面施加了不均匀的熵致压力,从而诱发囊泡发生形变。当聚合物链段和囊泡内表面相互作用时,聚合物链段不仅对囊泡内表面施加熵致压力,还改变了囊泡的表面张力。而熵压和表面张力改变量的大小与相互吸附作用参数、囊泡内壁周围的聚合物浓度息息相关。通过形状方程我们还可以看出聚合物和囊泡复合体系的相形态受到复合体系中众多参数的影响,比如囊泡膜本身的弯曲刚性、表面张力等。这是均聚物、均聚物、囊泡膜三者相互作用的复杂过程。此外,我们的理论还可以拓展到多组分复杂拓扑结构的均聚物或共聚物链被封装在囊泡膜内的复合体系。这一研究将为人们实验研究聚合物和囊泡复合体系的相形态提供一些理论指导。此外,我们还针对近年来兴起的生物物理学领域的热点问题,即肌动蛋白单体聚合成肌动蛋白微丝以及从微丝上解聚的动力学过程进行了理论研究。我们用主方程的方法理论研究了耦合ATP水解的肌动蛋白微丝自组装动力学过程,建立了有详细推导过程的理论分析模型,并讨论了肌动蛋白微丝的增长速率和扩散系数与自由的ATP-肌动蛋白单体浓度之间的依赖关系。结果表明,理论分析得到的临界浓度和最大扩散系数不但与实验上测得的符合较好,还与布朗动力学理论模拟的结果吻合的非常完美。这一研究结果将有助于解释实验中观察到的肌动蛋白单体在临界浓度附近微丝出现长度大涨落的现象。
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