双柱胶体粒子与管状生物膜的相互作用.pdf

物理 学 报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．3(2014) 038701 双柱胶体粒子与管状生物膜的相互作用术 牛余全 郑斌 崔春红 魏巍 张彩霞 孟庆田十 (山东师范大学物理与电子科学学院，济南 250014) (2013年10月4日收到；2013年 10月23日收到修改稿) 本文采用Helfrich理论模型研究双柱胶体粒子与管状生物膜的相互作用．通过对柱状粒子与不同半径的 管状膜吸附时的自由能分析发现，该体系存在具有较小包络角的弱吸附相以及具有较大包络角的深度吸附 相．进一步研究发现体系从解吸附相到弱吸附相的相变是二级相变，而从弱吸附相到深度吸附相的相变是一 级相变．双柱粒子与管状膜相对位置的不同会影响体系相变和结构． 关键词：Helfrich理论，相变，自由能，管状膜 PACS：87．15．一v．68．47．Pe．82．35．Gh DOI：10．7498／aps．63．038701 的平面尺度，所 以上述简化模型是简单而有效的． 1 引 言 目前 已有许多模型应用于研究生物膜 的性 质 以及粒子与生物膜 的相互作用 5[--16]．Deserno 细胞作为生物体结构和功能的最基本单元，其 等 [17--19】曾成功运用Hel~ich理论 [5-9】研究了一个 表面以及 内部都存在着形态和结构不尽相同的薄 球粒子与平面膜的相互作用，内容包括膜的结构和 膜，这层薄膜被称为生物膜．生物膜是沟通细胞 以 对应的体系 自由能，进而发现了生物膜的连续及不 及细胞器 内外环境的特殊生命结构，具有选择性的 连续相变．Tu[¨]引入外微分描述了具有 自由裸露 对物质进行跨膜运输并调节细胞 内外物质平衡的 边界的生物膜，通过对Helfrich自由能的分析得到 功能’lj．当细胞从外界摄取物质 以维持其正常机 了体系的平衡方程 以及边界条件．彭勇刚等 [15]采 能时，就涉及到粒子与生物膜 的相互作用．对于大 用傅里叶空间中的布朗运动方程研究了具有双层 小尺度为几个A的粒子，例如一些离子可以通过简 结构的生物膜的动力学性质．Chen等 [20 5】从理 单扩散或主动运输等方式通过生物膜：然而对于大 论上研究了包括管状膜和柱状胶体粒子在 内的生 分子物质，例如直径大于250nm 的粒子则通过囊 物膜和胶体粒子的相互作用，例如单球粒子和多个 泡转运——胞吞和胞吐 0[，0】的方式，并且该方式会 球粒子在管状膜中与膜的相互作用、被束缚在管状 引起生物膜 的形状变化．按照流体镶嵌模型的描 膜 内部的高分子物质与管状膜 的相互作用 以及单 述-4J．生物膜的基本结构是由两亲性脂质分子所组 柱粒子与管状膜 的相互作用等．Sergey[。]研究了 成的双层膜 以及镶嵌在其上的蛋 白质、酶、胆 固醇 一 个 以及两个柱粒子与平面膜的吸附作用，发现在 等大分子组成．为了克服生物膜结构上的复杂性并 这个简单体系中存在多个相． 从理论上研究生物膜的形变特性，本文将生物膜用 由柱状粒子和管状膜所组成的体系作为理想 类脂双层代替，并将所研究的生物膜抽象成为没有 化模型，可 以用于研究相关生物体系 内粒子和膜 厚度的曲面从而进行研究．实验上主要是通过对人 的相互作用规律，并为其物理特性提供基础性的 工制备的类脂双层开展对生物膜功能和结构的研 理解．例如柱状粒子可 以模