In this paper, a nonuniform size modified Poisson-Boltzmann ion channel (nuSMPBIC) model is presented as a nonlinear system of an electrostatic potential and multiple ionic concentrations. It mixes nonlinear algebraic equations with a Poisson boundary value problem involving Dirichlet-Neumann mixed boundary value conditions and a membrane surface charge density to reflect the effects of ion sizes and membrane charges on electrostatics and ionic concentrations. To overcome the difficulties of strong singularities and exponential nonlinearities, it is split into three submodels with a solution of Model 1 collecting all the singular points and Models 2 and 3 much easier to solve numerically than the original nuSMPBIC model. A damped two-block iterative method is then presented to solve Model 3, along with a novel modified Newton iterative scheme for solving each related nonlinear algebraic system. To this end, an effective nuSMPBIC finite element solver is derived and then implemented as a program package that works for an ion channel protein with a three-dimensional molecular structure and a mixture solution of multiple ionic species. Numerical results for a voltage-dependent anion channel (VDAC) in a mixture of four ionic species demonstrate a fast convergence rate of the damped two-block iterative method, the high performance of the software package, and the importance of considering nonuniform ion sizes. Moreover, the nuSMPBIC model is validated by the anion selectivity property of VDAC.


翻译:在本文中,一个非统一尺寸的改进Poisson-Boltzmann离子信道(nuSMPBIC)模型(nuSMPBIC)模型作为电子静态潜能和多离子浓度的非线性系统,将非线性代数方程式与Poisson边界值问题混合在一起,其中涉及Drichlet-Neumann混合边界值条件和反映离子尺寸和膜表面电荷对电静态和离子浓度的影响的膜表面电荷密度。为了克服强超奇度和指数非线性能的困难,该模型分为三个非线性模型,其中一种是模型1,收集所有单点和模型2和模型3,比原的NuSMBBIC模型更易于数字解。 之后,向模型3型双层双层迭接合方法与新修改的牛顿迭接合方法一起,用于解决每个非线性平流系统的影响。为此,将一个有效的 nuSMUPIC定质定值元素解,然后作为程序包件,该软件的模型将用来计算离子流系统内流层内所有单体级级级级级级级级级级级级的内级级级级级级级的内级级级级数据级数据流流数据,一个快速流流流流流流流压压解的高级分子流体积积积的高级分子流流体积积积积积积积积积积积积的分子积积积积积积积积积积积积积积积积积积积积积积体积积积积积积积积体积体积体积体积积积积积积体积体积结构。

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