双层磷脂是大多数活生物、病毒和囊泡中细胞膜的主要结构。双层磷脂在分子渗透、药物输送、受精、吞噬以及调节细胞盐浓度和pH值等各种生命现象和过程中起着重要的作用。

棘手的是，双层磷脂非常薄且易碎，导致其排列结构很难用传统的光学显微镜来观察。为了尽可能完美地提供一个解决方案，通过建立一种由常见的DMPC（磷脂酰胆碱）分子组成的双层磷脂模型，我们依托理论计算手段在无损、生物环境下确认了磷脂在生物膜中排列的相结构。生物膜中磷脂排列结构的进展可能推动对生物信息记录，复制和传递的理解。

01动态平衡下的双层磷脂系统

整个分子动力学模拟采用Gromacs软件包，在模拟过程中使用了加热和退火的方法。模拟系统在前ns内将温度线性地从K加热到K，维持温度在K处模拟ns，在最后ns内将温度线性地从K退火到K。加热和退火之后，在生理环境下继续进行1.3μs的模拟用以观察磷脂分子在磷脂双分子层中的自组装过程。最终，在双层磷脂体系达到了动态平衡，我们观察磷脂分子的轨迹发现，一个DMPC分子总是被六个DMPC分子围绕，并且周围这六个DMPC分子组成一个平行六边形状。

图1.磷脂双分子层的自组装动力学和动态平衡状态下磷脂分子在双分子层中的典型构象。(a)黑色、蓝色和橙色曲线分别表示系统温度(T)、总能量(E)和每个DMPC分子的平均面积(ρ)随时间的变化。(b)在俯视磷脂双分子层的情况下，DMPC分子在磷脂双分子层中的典型位置。

02双层磷脂体系的稳定

在室温K及高温K状态下，我们分别统计了磷脂分子在磷脂双分子层中的分布，结果显示：两种温度状态下，每个DMPC分子在单层内部，其周围分子具有不同的排列规则。值得注意的是，在室温下，磷脂分子在磷脂双分子层中会自组装成具有动态的六边形排列结构。然而在高温下，磷脂分子在磷脂双分子层中无法完成六边形排列结构的自组装。由此可见，高温会破坏磷脂分子在双分子层中的固有排列结构，进而使得生物膜的正常生物功能受到影响。

图2.DMPC分子周围相邻脂质分子的径向分布及角度分布。(a)六边形排列结构下分子位置的示意图。红球代表分子的位置；??ij是i号分子到j号分子的向量。(b)DMPC分子周围相邻分子的径向分布密度，黑线和红线分别表示K和K的情况。(c)DMPC分子周围的相邻分子的??ij与模拟盒子的x轴之间夹角θ的概率分布(p)。上图和下图分别对应??ij从DMPC分子指向最近邻和第二近邻的情况。灰色圆圈和红色正方形分别对应于系统温度条件为K和K的情形。

03双层磷脂的自由能态势

每个DMPC分子周围存在六个低自由能区域，由磷脂组成的六边形排列结构中任何一个分子的最近相邻区与低自由能区域相对应。同样地，距DMPC分子较远处也存在六个具有较低自由能区域对应于六边形排列结构的次近邻区。正是研究体系中磷脂分子存在着这种结构与自由能面一一对应，使得分子动力学模拟具有更强的说服力。

图3.DMPC分子的自由能全景图。DMPC分子周围的自由能涨落（F）关于坐标参数rx和ry的分布。红色和蓝色分别对应较高和低自由能涨落。实线和虚线六边形分别代表DMPC分子的最近邻和次近邻区。

该项研究于年成功发表在ChinesePhysicsB期刊（Vol.29,No.3），欢迎各位致力于这一研究领域的研究者进行探讨与交流。思想火花的碰撞，凭借各位同仁在科研上的造诣必将推动该领域及相关领域的科研攻关。

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