生物膜相中脂质亚扩散的模拟与广义朗之万方程研究

《Biophysical Journal》：Simulation and Generalized Langevin Equation Study of Lipid Subdiffusion in Biomembrane Phases

脂质异常扩散行为及其机制研究：采用全原子分子动力学模拟DMPC双分子层在凝胶、皱褶和流体相态下的动态特性，基于广义朗之万方程分析发现短时亚扩散源于暂态笼效应和记忆效应，氢键约束显著影响相态依赖的分子排列与扩散限制。

　　

摘要

在生物膜中，脂质的运动行为与布朗粒子的经典扩散行为存在偏差，即表现出“异常”扩散现象。那么，这种异常扩散行为在凝胶相、波纹相和流体生物膜相中的变化情况如何呢？在本研究中，我们对二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱（DMPC）双层膜在三种不同相态下的全原子分子动力学（MD）进行了模拟，并利用广义朗之万方程（GLE）框架对结果进行了分析。该分析重点关注了在相对较短的皮秒至纳秒时间尺度上的亚扩散行为，揭示了分子在从振动运动向非谐运动转变过程中的局部约束和瞬态笼效应。研究发现，波纹相和凝胶相表现出强烈的瞬态笼效应及持久的记忆效应，从而导致显著的亚扩散行为。研究还探讨了氢键在脂质限制中的作用，表明其对相依赖的分子有序性和短时间扩散约束具有影响。这些发现展示了广义朗之万方程框架在表征分子传输和脂质动力学方面的有效性，同时也为更长时间尺度的膜动力学研究提供了参考。