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受限于同心圆柱套筒间的半刚性高分子链构象行为

作　者: 向张衡
导　师: 章林溪
学　校: 浙江大学
专　业: 物理学
关键词: 蒙特卡罗模拟聚合物高分子链共轴同心圆柱自由能熵螺旋构象
分类号: O631.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

2005年,Yehuda Snir知Randall D.Kamien在自然科学杂志Science上发表了一篇熵变驱动螺旋构象形成的文章,文中对链因避免排除体积重叠而自发形成螺旋结构的观点做了一定的理论解释。我们试图通过理论计算模拟来进一步验证这一结论。我们知道,当把一根半刚性的管子放在一个拥挤的环境中时,管子常常会通过改变自身的形状来达到更稳定的状态。而当管子的厚度同自身的长度达到合适的比例时,管子会自然形成最紧凑的螺旋结构。这种现象不难见到,比如在稠密而拥挤的细胞环境中,长分子链(例如一个细胞中的DNA)就经常采用规则的螺旋状构造来形成一个较佳的存在方式。近来,生物聚合物高分子链的受限,由其是其受限过程中螺旋结构的出现,引起了人们的广泛关注。有工作利用蒙特卡罗方法研究了半柔性高分子链在具有弱吸附势的圆柱表面的螺旋构象行为。一方面由于存在分子与分子间相互作用及管子与链间的范德瓦尔斯力的相互竞争,另一方面由于存在弯曲能和吸收的熵变,从而最终导致围绕管周围的高分子链产生规则的螺旋结构,并几乎以单分子层的形式吸附在在圆柱半径外。如不考虑链与管间的作用力,仅考虑链的空间受限,是否会出现类似的情况呢?为此,本文采用非格点蒙特卡罗模拟方法对聚合物高分子链在共轴同心圆柱间的受限螺旋构象行为进行了研究,同时假定链与管间没有任何力的作用。首先,通过改变受限环境及高分子链的刚性强度,得到本模型中影响高分子链构成螺旋结构的一系列参数。其次,对高分子链的螺旋结构相关构象参数进行了分析讨论,例如：高分子链的均方末端距,高分子链的持久长度,高分子链的螺旋取向参数G(m)等。最后,对比讨论了相同环境下,不同刚柔性链的稳定构象差异。1.受限于共轴同心圆柱间的聚合物高分子链,高分子链的构象会随着链自身刚柔性的变化而变化。在达到热力学平衡后,受限柔性高分子链会杂乱无章的缠绕在一起,呈线团结构,找不到任何规律；受限刚性高分子链会变成一条几乎拉直的链,并沿着圆柱中心轴方向延展；而半柔性高分子链的构形则变得十分有规律,能形成自然界中最常见的螺旋结构。2.高分子链螺旋结构的形成还受到受限环境的影响。将半柔性高分子链受限在两圆柱间,只有在一定的内外圆柱半径范围内,才能形成清晰可辨的螺旋结构。内圆柱半径较小,或是外圆柱半径较大,都会使螺旋结构减缓甚至消失。3.高分子链螺旋结构的形成还与链自身的长度有关。链长越短,达到稳定构象需的模拟时间越短,产生的螺旋数目小,螺旋的形成对受限环境要求较高；链长越长,则需要的模拟时间越长,螺旋数目较大,螺旋的形成对环境要求会适当降低。4.内外圆柱半径分别为R1=2.0和R2=5.0。当b=0时,高分子链中的单体沿圆柱半径方向百分比含量几乎差不多,统计参与螺旋的单体数百分比非常低,几乎为0。因为此时,链杂乱的缠绕在一起,不会形成螺旋构象,故沿圆柱半径方向近似均匀分布且没有单体参与了螺旋。5.内外圆柱半径分别为R1=2.0和R2=5.0。当b在20附近时,高分子链中的单体在内圆柱外壁附近富集,百分比含量很高,统计参与螺旋的单体数百分比较大,少数可达到70%以上。这是因为半柔性链缠绕在内圆柱外表面,并保持了很好的螺旋结构。6.内外圆柱半径分别为R1=2.0和R2=5.O。当b趋近于100时,高分子链几乎变成了直链,螺旋数目小,统计参与螺旋的单体数百分也比较低,并随着b的增加,逐渐趋向为0。由于真实生物大分子常常是在拥挤的细胞环境中完成其各项功能作用的,这些工作也许可以对今后进一步研究生物大分子在受限环境中的工作提供帮助。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-12
1 绪论  12-29
  1.1 高分子科学的建立与发展  12
  1.2 高分子的结构性质及统计特点  12-16
    1.2.1 高分子的结构特点  12-13
    1.2.2 链的均方末端距和均方回转半径  13-15
    1.2.3 持久长度  15-16
  1.3 高分子链构象的理论基础  16-20
    1.3.1 无规行走链模型  16-17
    1.3.2 受限的理想链模型  17-18
    1.3.3 自避行走链  18-20
  1.4 高分子链的空间受限构象  20-23
    1.4.1 高分子的受限现象  20-21
    1.4.2 国内外研究现状分析  21-23
  1.5 研究目的及研究内容  23-25
  参考文献  25-29
2 计算机模拟方法  29-40
  2.1 前言  29-30
  2.2 分子动力学(Molecular Dynamics,MD)及基本原理  30-32
  2.3 Monte Carlo方法及其基本思想  32-38
    2.3.1 概述  32-33
    2.3.2 格子(lattice-chain)模型和非格子(off-lattice chain)模型  33-34
    2.3.3 非格子链(off-lattice chain)模型  34-38
  参考文献  38-40
3 高分子链在共轴同心圆柱套筒间的受限  40-62
  3.1 前言  40
  3.2 理论和方法  40-44
  3.3 结果和讨论  44-60
    3.3.1 受限高分子链的螺旋构象  44-53
    3.3.2 受限高分子链构象的统计性质  53-59
    3.3.3 结论  59-60
  参考文献  60-62
作者简历  62

受限于同心圆柱套筒间的半刚性高分子链构象行为

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