定义一维系统中依赖于扩散、密度和排斥体积的可逆结合速率

在有效一维系统中发生的结合反应——例如沿 DNA 或其他细丝扩散的蛋白质——带来了一个基本的粗粒化挑战，因为随机轨迹在一维中具有重返性，因此不存在一个唯一的、与分离距离无关的宏观缔合速率。因此，即使对于初始均匀的系统，连续体速率方程在一维中也不是严格精确的。本文提出了一个将随机一维反应-扩散动力学映射为有效动力学模型的实用框架。利用平均首达时间论证和基于粒子的模拟，我们定义了一个依赖于密度的缔合速率及其对应的单速率近似，并定量评估了它们各自在何种条件下能够准确描述底层随机动力学。我们在 NERDSS 软件中采用自由传播子重加权算法实现了具有排斥体积效应的一维反应-扩散，并通过已知的成对极限和多体极限对其进行了验证。结果表明，当控制本征反应性与扩散限制反应性之比的无量纲参数较小时，具有单一有效速率的普通速率方程能够准确再现一维反应动力学；在强速率限制区域内吻合极佳，而随着扩散控制作用增强，偏差也逐渐增大。我们进一步表明，一维中的排斥体积即使在粒子密度适中的情况下，也能够通过减少可及长度并引入阻塞效应，显著改变动力学和稳态平衡布居。总之，这些结果为在可逆一维结合反应中如何在空间模拟、密度依赖速率模型和单速率连续体描述之间进行选择提供了定量指导。

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🏷️ 一维反应扩散 可逆结合动力学 密度依赖速率 排斥体积效应 随机粒子模拟 DNA结合蛋白