Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad saeed Saeedi,Ahmad Reza Pishevar,Ebrahim Shirani
محمدسعید سعیدی (استاد راهنما) احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد راهنما) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Somaye Yaghoobi kupaei
سمیه یعقوبی کوپائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386

TITLE

Simulation of Biological Cell Bilayer Membranes and Calculation of Diffusion Coefficient for water through the membrane by Dissipative Particle Dynamics Method
The plasma membrane that surrounds all living cells must be strong enough to prevent the permeation of unwanted ions and molecules,but also flexible enough.Solutions of amphiphilic molecules such as lipids in water are characterized by a wide range of length scales. These molecules usually resemble semiflexible rods with a length of the order of 1–2 nm, which is already large compared to the atomic size .0.1 nm.We perfect to use Dissipative Particle Dynamic method to simulate biological membranes. In this method, several atoms are united into a single simulation particle. Forces in DPD are pairwise additive, conserve momentum, have no hard core, and are short-ranged.Our bilayer membranes are composed of surfactants which consist of hydrophilic head groups and hydorophobic tail groups.Double-chain surfactants have symmetric chains or maybe asymmetric chains. In addition, we incorporate the bending stiffness of these chains. Unsaturated carbon bonds can change the stiffness of a membrane lipid. We model the stiffness of the chain by introducing this bond bending potential.Using DPD simulations, we observe the self-assembly of the surfactant molecules into bilayer membranes. We also calculate the surface tension of the bilayers. The stress profile is gained and is similar to that found in coarse-grained Molecular Dynamics simulations, but requires a fraction of the computational cost.The effect of changes in the chain length and stiffness of the surfactants on the properties of the model membranes are studied. We observe that changes of the stiffness have significant effects if these changes are made close to the head group of the surfactant. If, on the other hand, changes are made at the end of the tail of the surfactant, the properties of the bilayer are similar to the properties of a bilayer consisting of flexible chains. We observed as the tail length increases, the area per surfactant increases then we compare these results with the theoretical calculations of Cantor on a lattice model. We were able to give to our surfactants a special chemistry structure and do this membrane simulation more actual. It becomes our work quite distinct from most of studies. Another goal in this work is to calculate the diffusion coefficient of the water through the modeled membrane. Then we compare this coefficient with theoretical results and other simulations like Molecular Dynamics simulation and in this way we could validate our results. Dissipative Particle Dynamics therefore allows the study of the equilibrium behavior of fluid bilayer membranes hundreds of times larger than that can be achieved using Molecular Dynamics simulations, and opens the way to the investigation of complex mesoscopic cellular phenomena. Key words : Dissipative particle dynamicsc, Biological Membrane
غشاء پلاسمایی که همه ی سلول های زنده را احاطه کرده به اندازه ی کافی باید قوی باشد زیرا که این غشاء باید از نفوذ یون ها و مولکول های ناخواسته جلوگیری کند. علاوه بر این باید به اندازه ی کافی انعطاف پذیر باشد . پروسه های دینامیکی که در رابطه با غشاهای بیولوژیکی اتفاق می افتد، وقایعی را پوشش می دهد که از نظر ابعاد طولی نسبت به اندازه مولکولی بزرگتر است. مولکول های لیپید معمولاً شبیه به میله های نیمه انعطاف پذیری به طول nm2-1 هستند در حالی که سایز اتمی حدود nm1/0 است. همین طور مقیاس های زمانی این فرایند ها بسیار بزرگتر از زمان تناوب نوسان های مولکولی می باشد. بنابراین در شبیه سازی دولایه ای لیپیدی با گستره ی وسیعی از مقیاس های طولی و زمانی سروکار خواهیم داشت. با توجه به این مطلب از روش مناسب دینامیک استهلاکی ذره برای شبیه سازی سیال دولایه ای لیپیدی بهره برده ایم. در این مدلسازی توانسته ایم تجمع خودبه خود روکنشگرهای تشکیل دهنده ی غشاء را به درستی مدل کرده و خواصی مانند تعادل و پروفیل فشار جانبی را در آن بررسی کنیم. همچنین پیوندهای غیر اشباع در ساختار شیمیایی روکنشگرهای تشکیل دهنده ی غشاء را بااعمال یک پتانسیل خمشی مدل کرده و تأثیر این پیوندهای غیر اشباع را روی خواص غشاء مورد بررسی قرار داده ایم. نتایج نشان دادند که تأثیر مکان قرارگیری پیوندهای غیر اشباع روی این خواص بسیار مهم است. در صورت قرارگرفتن این نوع پیوند در انتهای دم پلیمرهای تشکیل دهنده، خواص فیزیکی غشاء بسیار شبیه به غشاهایی است که کاملاً منعطف در نظر گرفته شده باشند لیکن وقتی این پیوند نزدیک به سر پلیمر قرار داشته باشد منجر به ایجاد ساختاری فشرده تر برای غشاء بیولوژیکی می گردد. تأثیر طول زنجیره های هیدروکربنی نیز بر روی ساختار غشاء مورد مطالعه قرار گرفت و همانند نتایج به دست آمده با مطالعات تئوری به رفتاری خطی برای مساحت بر واحد تعداد روکنشگر نسبت به تعداد زنجیره های هیدروکربنی دست یافته ایم. پلیمرهای تشکیل دهنده ی غشاء را در دو نوع تک شاخه ای و دو شاخه ای شبیه سازی کردیم و خواص را برای هر یک مورد مطالعه و بررسی قرار دادیم. در حالت مدلسازی شاخه ای برای اولین بار توانسته ایم جنس پلیمر را از لحاظ ساختار شیمیایی به طور مشخص مدلسازی کنیم که این کار وجه تمایز کار ما با کارهای قبلی بوده است. هدف دیگر ما در این تحقیق محاسبه ی ضریب دیفیوژن آب از غشاهای مدلسازی شده بوده است که این کار به درستی با نتایج تئوری یا شبیه سازی های حاصل از دینامیک مولکولی مورد ارزیابی و اعتبارسنجی قرار گرفت. کلمات کلیدی: دینامیک استهلاکی ذره، غشاء بیولوژیکی، دولایه ی لیپیدی، دیفیوژن.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی