基于粗粒度分子动力学的脂质双层膜建模方法及电穿孔特性研究

论文摘要

脂质双层膜是所有生物体中细胞和细胞内膜的主要成分,它在生物过程中必不可缺,例如细胞信号传导和蛋白质功能。脂质双层膜现在还被用于产生在多种疾病的治疗中靶向递送蛋白质,核酸和药物的装置。使用这些结构开发治疗剂的科学家已经取得了显着进展。通过计算机技术里面的工具可以让研究人员在分子水平上可视化脂质双层的结构和功能,这有助于提高这些领域的发展速度。脂质双层膜模型可以为纳米材料和脂质双层膜的相互作用这类方面的研究提供基础。本文的主要研究工作如下:首先,介绍了脂质双层膜的研究背景和意义,对现阶段脂质双层膜的国内外研究现状进行了总结和分析;概述了分子动力学（MD）的基本原理、计算流程和相关机制,并介绍了脂质双层膜的马丁尼力场和耗散粒子动力学的基础理论;概述了脂质双层膜仿真建模时使用的PACKMOL、Moltermplate、大规模原子分子并行模拟器（LAMMPS）和开源可视化处理工具（OVITO）分子模拟软件。其次,在建模的过程中,由于马丁尼（Martini）力场采用的单位为实际物理单位,所以参数的选择较为方便,而耗散粒子动力学（简称DPD）力场将单位无刚量化,其参数的设置涉及了较多实验和理论研究。本文在对Martini力场下的1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DPPC）的基础上针对DPD力场下的脂质双层模型1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DOPC）,确定合适的度量单位及模拟参数。总结了关键参数的单位和标准,使用并编写符合PACKMOL和Moltemplate语法格式的脚本文件产生模拟所需的系统模拟数据文件。最后,选定MD计算的起点和温度,并针对Martini力场下的DPPC脂质双层膜自组装及电穿孔现象进行了分子动力学模拟分析,对于DPD力场下的DOPC脂质双层膜NVT系综及电穿孔现象进行模拟分析。本文在Martini力场的基础上对DPD力场DOPC模型的模拟参数和单位尺度进行了校准。本文基于粗粒度分子动力学（GCMD）,研究了溶剂为水的脂质双层膜建模方法,旨在对脂质双层膜的不同初始状态提供了高效的建模方法,并扩展了分子动力学模拟的时间尺度、提高了计算效率;对脂质双层膜在Martini力场下的自组装行为进行了模拟,并给出了径向分布函数（RDF）分析的曲线;进一步,研究了DPD力场与Martini力场的基本模拟参数设置和校准。本文的研究为探究脂质双层膜与纳米材料相互作用的研究提供了高效的建模方法,通过分析脂质双层膜在电场下电穿孔现象的不同属性与场强大小的关系,为今后粗粒度分子动力学在生物医疗等相关方面的应用提供了理论参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文主要工作
• 第二章 粗粒度分子动力学模拟方法基础
•   2.1 分子动力学模拟技术
•     2.1.1 分子动力学模拟基本理论
•     2.1.2 牛顿运动方程式的数值解法
•     2.1.3 周期性边界条件与最近镜像
•     2.1.4 积分步程的选取
•     2.1.5 简化单位
•   2.2 粗粒化模拟技术
•     2.2.1 键相互作用
•     2.2.2 非键相互作用
•     2.2.3 马丁尼力场
•     2.2.4 耗散粒子动力学理论
•     2.2.5 粗粒化模型
•   2.3 MD模拟研究常用软件
•     2.3.1 PACKMOL软件
•     2.3.2 Moltemplate软件
•     2.3.3 LAMMPS软件
•     2.3.4 OVITO软件
•   2.4 本章小结
• 第三章 粗粒度脂质双层膜的分子动力学建模
•   3.1 粗粒度脂质双层膜模型
•     3.1.1 常用脂质模型概述
•     3.1.2 DPPC和DOPC的全原子和粗力度模型
•   3.2 模型单位选择
•     3.2.1 Martini力场单位
•     3.2.2 DPD力场单位选择
•   3.3 使用PACKMOL工具建立粗粒子坐标文件
•     3.3.1 Martini力场下单分子坐标文件
•     3.3.2 DPD力场下的单分子坐标文件
•     3.3.3 Martini力场下系统坐标文件的产生
•     3.3.4 DPD力场下系统坐标文件的产生
•   3.4 模型参数设置
•     3.4.1 键相互作用参数的选择
•     3.4.2 DPD时间步长与噪音等级的选择
•     3.4.3 DPD力场的时间长度
•     3.4.4 DPD力场下的温度设置
•     3.4.5 DPD排斥参数的选择
•   3.5 仿真系统脚本文件的生成
•     3.5.1 Martini力场下的Moltemplate软件输入脚本文件
•     3.5.2 DPD力场下的Moltemplate软件输入脚本文件
•   3.6 本章小结
• 第四章 粗粒度脂质双层膜分子动力学模拟与电穿孔分析
•   4.1 分子动力学计算
•     4.1.2 MD计算初始设定
•     4.1.3 定温计算法
•     4.1.4 各种系综的MD计算方法
•   4.2 径向分布曲线函数分析
•   4.3 脂质双层膜的各系综MD模拟
•     4.3.1 Martini力场DPPC脂质双层膜的自组装MD模拟
•     4.3.2 DPD力场DOPC脂质双层膜的MD模拟
•   4.4 脂质双层膜电穿孔的MD模拟
•     4.4.1 Martini力场DPPC脂质双层膜电穿孔的MD模拟
•     4.4.2 DPD力场DOPC脂质双层膜电穿孔的MD模拟
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 本文的不足与未来工作展望
•     5.1.1 本文存在的不足
•     5.1.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 附录
•   附录1 Martini水分子坐标程序
•   附录2 脂质单分子坐标程序
•   附录3 水分子坐标程序
•   附录4 脂质单分子坐标程序
•   附录5 PACKMOL指令脚本程序
•   附录6 DPD力场下脂质坐标程序
•   附录7 Martini水分子属性参数程序
•   附录8 DPPC脂质属性参数程序
•   附录9 DPPC体系坐标程序
•   附录10 DPD水分子属性参数程序
•   附录11 DOPC属性参数程序
•   附录12 DOPC体系坐标程序
•   附录13 系统最小化仿真程序
•   附录14 自组装模拟仿真程序
•   附录15 npt系综模拟程序
•   附录16 nve系综模拟程序

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 干觐瑞

导师: 王卫东

关键词: 脂质双层膜,粗粒度分子动力学,建模方法,电穿孔特性,马丁尼力场,耗散粒子动力学

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 西安电子科技大学

分类号: Q26

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.002491

总页数: 100

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