大分子链的环化反应及分子伴侣辅助下的链跨膜输运动力学

摘要

本文利用朗之万动力学(LD)模拟方法研究了分子伴侣辅助下的大分子链跨膜输运动力学，以及大分子链的环化反应动力学。首先通过简单的刚性链模型研究了分子伴侣辅助下的大分子链跨膜输运机制，证实了跨膜输运为力驱动过程。进一步的模拟结果表明存在最佳的分子伴侣与链单元间结合能以及分子伴侣浓度使得输运最快，并且从输运过程中大分子链受到了驱动力和摩擦力对这一现象进行了合理的解释。考虑到真实高分子链都是具有一定柔顺性的，我们分别模拟了完全柔性链和半刚性链在分子伴侣辅助下的跨膜输运动力学。对于完全柔性链，研究发现结合能和分子伴侣浓度的增大可以极大地提高大分子链的输运成功率。而是当结合能很小时，输运成功率随分子伴侣浓度的增大出现极大值。有意思的是，当体系中的分子伴侣浓度很低时，存在最佳结合能使得长链的输运过程最快。也就是说，在低分子伴侣浓度条件下，输运动力学呈现出明显的链长效应。此外，还发现存在最佳分子伴侣浓度使得输运过程最快。对于半刚性链，我们发现平均输运时间随结合能的增大单调增加，并根据张力传播理论从链尺寸和输运过程中大分子链质心的平均速率两方面进行了解释。最大停留时间对应的输运坐标随着链刚性增大而变小。通过计算张力传播理论中的特征时间，即由于大分子链受驱动后产生的扰动传播至序列上的最后一个链单元所需的时间可以很好地理解这一现象。在极低分子伴侣浓度条件下，我们发现平均输运时间随结合能增大的行为取决于链刚性大小:当链刚性较小时，平均输运时间出现极小值;当链刚性较大时，平均输运时间单调减小。通过计算停留时间和累积停留时间以及捕捉瞬时链构象，我们认为是否发生从折叠状至球状的链构象转变可能是平均输运时间随结合能增大如何变化的决定性因素。
　　本文研究了具有排除体积效应的大分子链的环化反应动力学以及成环后的稳定性。模拟结果表明，平均环化时间与链长存在明显的标度关系，且其标度指数由于有限链长效应随反应半径的增大呈线性增大。对大分子链的环化时间分布的研究表明排除体积效应并不改变环化反应过程的统计特性，即环化时间的概率密度分布可用单一指数衰减函数进行拟合，其环化反应过程为近似为泊松过程。对成环稳定性的研究表明成环后的稳定性几乎与链长无关，并且随反应半径的增大呈线性增强。研究了大分子链本身的内摩擦和溶剂质量对其环化反应动力学的影响。结果表明，大分子链在良溶剂中的环化反应过程是扩散控制的。通过将溶剂黏度外推至零，我们发现此时的平均环化时间并不为零，表明大分子链本身的内摩擦对其环化反应动力学的贡献不可忽略。当大分子链在劣溶剂中进行环化反应时，其平均环化时间与在良溶剂中的相比降低了约一个数量级，并且随着溶剂变劣平均环化时间出现了极小值。通过计算完成环化反应所需克服的能垒以及两个链末端粒子相互靠近运动时的有效扩散系数，我们认为是二者之间的竞争导致平均环化时间随溶剂质量变化出现了非单调行为。最后，对环化时间的数据拟合表明大分子链负的排除体积也不会对环化反应过程的泊松统计特征造成影响。我们相信这些结果肯定了内摩擦在环化反应动力学中的贡献。此外，也阐明了溶剂质量对大分子链环化反应动力学的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高分子科学中常用计算机模拟方法介绍

1．1．1 分子动力学模拟

1．1．2 朗之万动力学模拟

1．1．3 边界条件

1．2 聚合物链构象和动力学理论

1．2．1 理想链模型

1．2．2 真实链构象理论

1．2．3 单链动力学模型

1．3 速率过程理论

1．3．1 Kramers速率理论

1．3．2 首次通过问题理论

1．4 大分子链跨膜输运动力学研究概述

1．4．1 生物学背景

1．4．2 单分子实验

1．4．3 纳米孔

1．4．4 从物理的角度看大分子链跨膜输运问题

1．5 大分子链环化反应动力学研究概述

1．5．1 生物学背景

1．5．2 实验及理论研究回顾

1．6 本论文选题的依据和科学问题的提出

1．6．1 分子伴侣辅助下的大分子链跨膜输运动力学

1．6．2 大分子链环化反应动力学

第二章 分子伴侣辅助下的刚性链跨膜输运动力学

2．1 引言

2．2 模型和模拟方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 分子伴侣辅助下的大分子链跨膜输运机制

2．3．2 结合能和分子伴侣浓度对平均输运时间的影响

2．3．3 输运时间的分布

2．4 小结

第三章 柔性大分子链在分子伴侣辅助下的跨膜输运动力学

3．1 引言

3．2 模型与模拟方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 结合能和分子伴侣浓度对输运成功率的影响

3．3．2 输运时间的分布

3．3．3 平均输运时间的结合能和分子伴侣浓度依赖性

3．3．4 平均输运时间与链长的标度关系

3．4 小结

第四章 半刚性大分子链在分子伴侣辅助下的跨膜输运动力学

4．1 引言

4．2 模型与模拟方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 链刚性对平均输运时间的影响

4．3．2 停留时间

4．3．3 低分子伴侣浓度下链刚性对输运动力学的影响

4．4 小结

第五章 自回避大分子链环化反应动力学及成环稳定性研究

5．1 引言

5．2 模型与模拟方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 大分子链链长和反应半径对环化反应动力学的影响

5．3．2 环化时间的统计特征

5．3．3 成环稳定性

5．4 小结

第六章 内摩擦和溶剂质量对自回避大分子链环化反应动力学的影响

6．1 引言

6．2 模型与模拟方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 大分子链在良溶剂中的环化反应：内摩擦是否有贡献?

6．3．2 大分子链在劣溶剂中的环化反应

6．3．3 大分子链在劣溶剂中的环化时间概率密度分布

6．4 小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果