生物分子在納米材料表面的吸附及納米孔道中的輸運(yùn)行為.pdf

1、生物分子和固體表面之間的相互作用是自然界一個(gè)非常普遍但又十分復(fù)雜的現(xiàn)象，是納米技術(shù)、生物材料和生物技術(shù)中的基本問題，在生物礦化、組織工程、生物材料、生物傳感器、藥物輸運(yùn)與分離等領(lǐng)域均有涉及。例如，蛋白質(zhì)在羥基磷灰石(HAP)表面的吸附是植入機(jī)體內(nèi)的材料與組織作用的第一步，機(jī)體細(xì)胞通過表面受體與吸附蛋白質(zhì)相互識(shí)別，引起后續(xù)的生理反應(yīng)，這要求在醫(yī)療移植材料如骨骼、牙齒、皮膚或組織的移植過程中，所選擇的蛋白質(zhì)具有優(yōu)異的粘附性能，才能保證移植物

2、與肌體有良好的生物相容性，并最大程度的恢復(fù)移植物的生理功能。控制各種材料表面吸附的蛋白質(zhì)的數(shù)量、排列及構(gòu)象成為了材料最終品質(zhì)的決定因素。在納米微孔中，生物分子具有與體相中不同的性質(zhì)，如催化性能的增強(qiáng)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的增加、蛋白質(zhì)新的折疊機(jī)理、有序的水分子結(jié)構(gòu)等。這些特殊的現(xiàn)象使得微孔納米材料，例如碳納米管在生物醫(yī)藥材料，藥物輸運(yùn)系統(tǒng)，基因快速測(cè)序，生物傳感器等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。利用量子化學(xué)計(jì)算以及分子模擬研究生物分子與固體材料的

3、相互作用，已經(jīng)顯示出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，成為了除實(shí)驗(yàn)手段外有力的研究工具。
　　 本論文首先利用分子動(dòng)力學(xué)（molecular dynamics，MD）和操控式分子動(dòng)力學(xué)(steered molecular dynamics，SMD)模擬研究了含有細(xì)胞結(jié)合位點(diǎn)的纖連蛋白的子模塊在親水性的羥基磷灰石(001)表面的吸附和脫附行為、吸附過程的驅(qū)動(dòng)力及吸附位點(diǎn)、吸附對(duì)細(xì)胞結(jié)合位點(diǎn)以及后繼細(xì)胞粘附的影響。在此基礎(chǔ)上，我們利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究

4、了人血清蛋白（human serum albumin，HSA）的子模塊在不同孔徑的疏水性單壁碳納米管表面的吸附動(dòng)力學(xué)行為，研究揭示了在碳納米管表面誘導(dǎo)下的蛋白質(zhì)構(gòu)象變化。接著我們構(gòu)造了表面攜帶不同電荷的親水性碳納米管表面，并以中性的疏水碳納米管表面作為參照，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了胰島素多肽在不同電性的碳納米管表面的吸附行為及吸附動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)了碳納米管表面有序水分子對(duì)蛋白質(zhì)吸附重要的調(diào)節(jié)作用。最后，我們利用量子化學(xué)的方法，對(duì)水分子在不同

5、手性碳納米管內(nèi)部的輸運(yùn)進(jìn)行了三維勢(shì)能面的掃描，解釋了水分子在不同手性碳納米管內(nèi)部的排列方式，擴(kuò)散途徑和輸運(yùn)機(jī)理。本論文的主要研究結(jié)果如下：
　　 1．由于羥基磷灰石(001)表面附近不同殘基親疏水性及帶電荷的差異，使蛋白質(zhì)在表面附近的構(gòu)象進(jìn)行局部的重排，并且導(dǎo)致二級(jí)結(jié)構(gòu)部分或完全地缺失。靜電相互作用被證明是蛋白質(zhì)在羥基磷灰石表面吸附的驅(qū)動(dòng)作用力，是蛋白質(zhì)與羥基磷灰石表面相互作用的主導(dǎo)作用力，帶凈電荷的-COOˉ和-NH3+顯示了

6、與羥基磷灰石表面之間最強(qiáng)的相互作用。與細(xì)胞粘附的活性相關(guān)的RGD三肽序列的構(gòu)象，在以不同的初始取向吸附到羥基磷灰石表面的FN-Ⅲ10中顯示了極大的差異性，而構(gòu)象的改變可能會(huì)影響RGD三肽序列的生物活性。
　　 2．通過對(duì)蛋白質(zhì)吸附過程中相互作用能曲線的研究以及模擬軌跡的動(dòng)畫，我們發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)的構(gòu)象和取向選擇性由表面的性質(zhì)和形貌所誘導(dǎo)。在蛋白質(zhì)越過不同的能壘之后，與表面有較高親和性的一個(gè)或多個(gè)殘基開始吸附在碳納米管表面，并使相互作

7、用能下降到下一個(gè)臺(tái)階。在吸附過程中，模型蛋白中α螺旋的二級(jí)結(jié)構(gòu)受到輕微影響。然而，連接這些α螺旋的無規(guī)則卷曲區(qū)域則發(fā)生明顯的形變，這導(dǎo)致了模型蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化。這些構(gòu)象變化可能較大地影響蛋白質(zhì)的生物活性。
　　 3．與模型多肽在中性碳納米管表面的吸附相比，在帶電荷的碳納米管管壁外更加有序的水化層阻止了模型多肽在帶電荷的碳納米管表面更加緊密的吸附。這種水分子的屏蔽效應(yīng)使多肽在帶電荷的碳納米管表面的構(gòu)象變化更小，但由于

8、模型多肽與帶電荷表面強(qiáng)烈的靜電相互作用，在兩種表面攜帶電荷的體系中，多肽與碳納米管表面的總相互作用能比多肽與中性碳納米管之間的更強(qiáng)。這個(gè)現(xiàn)象提示我們，通過各種方式使碳納米管表面攜帶一定數(shù)量的電荷，也許可以同時(shí)達(dá)到兩方面的目的：增加多肽/蛋白質(zhì)在碳納米管表面的吸附強(qiáng)度，并且保持多肽/蛋白質(zhì)構(gòu)象的完整性。
　　 4．通過對(duì)armchair(14，14)和zigzag(24，0)碳納米管中水的勢(shì)能面的掃描，我們發(fā)現(xiàn)水分子在armcha