半柔性大分子穿过软孔道过程的计算机模拟

Biomacromolecule translocation in biological membrane is an important process in biological system. Therefore, it is necessary to understand the conformation and dynamic behaviors of biomacromolecule during translocation. The project tries to simulate the process of semiflexible macromolecule translocation through soft pore into crowded environment,using dynamic Monte Carlo method based on off-lattice model.A discretized version of the Helfrich model is used to simulate soft pore. The combination of random function,iterative method and weighting function is beneficial to control the relaxation of soft pore. The project focuses on the influence of chain length, size of soft pore,binding energy of chaperone and chaperone concentration on the conformation and scaling behavior of semiflexible macromolecule in the translocation process. Comparing with the results of semiflexible macromolecule through a synthetical pore, the role of soft pore in the semiflexible macromolecule translocation process can be understood. In addition, the electrostatic interaction is introduced to semiflexible macromolecule model to simulate biomacromolecule.Basing on the model, the translocation process of single chain or multi-chain is simulated. These studies can provide some insights into the conformation and dynamic behavior of semiflexible macromolecule in the translocation process, which is helpful for us to recognize biological systems.

生物大分子在生物膜中的输运是生物大分子进入各种细胞器官的重要过程，对生物大分子输运过程的构象及动力学行为进行研究具有重要意义。本项目采用基于非格子模型的动态蒙特卡洛方法模拟半柔性大分子穿越软孔道进入拥挤环境的过程。借助Helfrich模型的离散模型来模拟软孔道。通过随机函数、迭代方法和权重函数三者的结合让软孔道涨落运动。主要研究链长、软孔道尺寸、分子伴侣与半柔性大分子之间作用能及分子伴侣的浓度对半柔性大分子输运过程中的构象及其标度关系的影响。通过与半柔性大分子迁移穿越合成孔道的模拟结果进行对比，分析软孔道在半柔性大分子穿孔过程中所起的作用。此外，引入静电相互作用来描述带电生物大分子，并研究带电生物大分子单链及多链穿过软孔道的输运过程。通过这些研究，能对生物大分子输运过程中的构象及动力学行为等方面有比较深入的了解，从而加深对生物体本身的认识。

生物大分子在生物膜中的输运是生物大分子进入各种细胞器官的重要过程，因此对生物大分子输运过程的构象及动力学行为进行研究具有重要意义。由于半柔性大分子模型可以很好的体现出生物大分子性质，因此本项目采用半柔性大分子来模拟生物大分子穿孔过程。本项目前主要做了以下研究：.1、采用动态蒙特卡罗(DMC)方法分别模拟线性半柔性大分子和环形半柔性大分子在单体间的吸附能的作用下的折叠过程。研究了大分子的弯曲能b和吸附能对大分子构象的影响。研究表明线性半柔性大分子在吸附能的作用下折叠成螺绕环，并螺绕环的圈数可以通过吸附能和b调控，而环形半柔性大分子在自吸附能的作用下可以折叠成螺旋结构。.2、采用DMC方法模拟半柔性大分子吸附到平面上的过程。研究表明当平面的吸附能大于某个临界值时，半柔性大分子完全吸附到平面上并形成准二维环状结构。.3、采用DMC方法模拟半柔性大分子与分子伴侣相互吸引的过程。研究表明可以通过半柔性大分子来调控分子伴侣的空间分布，在半柔性大分子调控下分子伴侣可以排列成一个圆。.4、采用DMC方法模拟受限于圆柱体内的半柔性大分子的折叠过程。研究结果表明当圆柱体的半径较小和b适中时，大分子折叠成螺旋结构。.5、采用DMC方法模拟半柔性大分子穿孔进入球腔的过程。系统地研究电场强度E、链长N、b等对半柔性大分子输运过程构象和动力学行为的影响。平均穿孔时间tau和链长N之间存在标度关系，即，tau~N^alpha, E和b都对alpha有影响。.6、采用DMC方法模拟半柔性大分子穿孔进入由两块无限大相互平行的平面间包围的空间过程。系统地研究了E、N、b、两平面间的间距R对半柔性大分子输运过程的构象和动力学行为的影响。研究表明，当R小于某个数值时，R对tau有很大影响，且tau随R的增大而减小。此外tau~N^alpha，tau~b^beta。穿孔刚结束，大分子投影到平面上的构象显示刚性大分子呈螺旋状，说明刚性大分子与没有孔道的平面间产生了强烈的相互作用。该研究有助于理解生物大分子穿越生物膜孔道这一重要的生物现象。