反馈耦合棘轮的能量转化效率研究

论文摘要

至今,关于生物分子马达定向输运的研究已引起学者们的广泛兴趣。分子马达是存在于生物体内能够把化学能转化为机械能的一大类酶蛋白生物分子,主要参与细胞内的货物输运过程、细胞分裂等绝大多数生命活动。分子马达的大小通常是纳米量级,与物理学里布朗粒子的运动特性极其相似,因而人们往往通过构建更切合实际的物理模型来研究分子马达定向输运机制。实验结果表明细胞内大多数的分子马达对外做功的效率都非常高,而人造马达的效率与实验上测得的马达效率相比仍有很大差距,因此从理论上提高耦合马达对外做功时的效率问题至今仍是非常重要的研究课题。随着实验上相关反馈技术的不断深入,理论上进一步研究反馈棘轮的能量转化效率则十分必要。通过对不同反馈控制棘轮定向输运效率的研究,不仅能够深入地了解粒子的输运机制,且有助于分析生物医学上药物投放等输运过程。同时,也可为医疗上如何提高药物的有效利用率等方面提供一定的理论指导。本文通过对朗之万方程的数值模拟,讨论了无负载作用下耦合布朗粒子的定向运动和存在负载时反馈脉冲棘轮的定向输运及能量转化效率问题。深入分析了弹簧自由长度、耦合强度、外力振幅及脉冲相位等参量对布朗棘轮的质心平均速度Vcm、平均有效扩散系数Deff及能量转化效率η的影响。研究发现,无负载作用时,选择合适的弹簧自由长度及耦合强度都能增强反馈控制棘轮的定向输运。同时,反馈棘轮存在一个最优的外力振幅能使耦合棘轮的反向几率流达到最大,且通过调节合适的噪声强度,能使反馈控制棘轮的定向输运有所提高。此外,合适的时间尺度也能促进反馈耦合棘轮的定向输运。研究还发现,存在负载条件下,选择合适的弹簧自由长度及耦合强度可使反馈脉冲棘轮的定向输运达到最强,同时也能增强耦合布朗粒子拖动负载做功时的能量转化。此外,在一个演化周期内合适的脉冲相位能够诱导棘轮产生两次流反转,且通过调节相位还能增强棘轮的定向输运。本硕士论文所得结论不仅可为实验上设计合适的反馈控制方式来优化棘轮的定向输运性能,而且还能为生物医疗上药物的精准投放和纳米器件的性能提高提供一定的理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
•   一、分子马达的生物学背景及研究意义
•   二、生物分子马达概述
•     （一）动力蛋白马达的结构及功能
•     （二）肌球蛋白马达的结构及功能
•     （三）驱动蛋白马达的结构及功能
•     （四）转动分子马达：ATP合成酶和鞭毛马达
•   三、小结
• 第二章 布朗棘轮的研究现状
•   一、布朗运动理论
•     （一）布朗运动的朗之万方程
•     （二）Einstein的朗之万理论
•   二、布朗棘轮的理论研究
•     （一）斯莫卢霍夫斯基一费曼棘轮模型
•     （二）闪烁棘轮模型
•     （三）摇摆棘轮模型
•   三、反馈棘轮的定向输运研究
•     （一）反馈棘轮的实验研究进展
•     （二）反馈棘轮的数值研究方法
•     （三）反馈棘轮的定向输运
•     （四）反馈棘轮的输运效率研究进展
• 第三章 无负载反馈控制棘轮的定向输运
•   一、反馈控制棘轮模型
•   二、参量说明
•   三、反馈控制棘轮的定向输运
•     （一）自由长度的影响
•     （二）耦合强度的影响
•     （三）外力振幅的影响
•   四、小结
• 第四章 反馈脉冲棘轮的能量转化效率
•   一、反馈脉冲棘轮模型
•   二、反馈脉冲棘轮的定向输运
•     （一）自由长度的影响
•     （二）耦合强度的影响
•   三、反馈脉冲棘轮的流反转
•   四、反馈脉冲棘轮的能量转化效率
•     （一）自由长度的影响
•     （二）耦合强度的影响
•   五、小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 个人简历及攻读硕士学位期间的学术成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 延明月

导师: 高天附

关键词: 生物分子马达,反馈棘轮,几率流,能量转化效率

来源: 沈阳师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 生物学,生物医学工程

单位: 沈阳师范大学

分类号: R318

总页数: 45

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