生物分子在納米材料表面的吸附及納米孔道中的輸運行為.pdf

1、生物分子和固體表面之間的相互作用是自然界一個非常普遍但又十分復雜的現(xiàn)象，是納米技術、生物材料和生物技術中的基本問題，在生物礦化、組織工程、生物材料、生物傳感器、藥物輸運與分離等領域均有涉及。例如，蛋白質在羥基磷灰石(HAP)表面的吸附是植入機體內的材料與組織作用的第一步，機體細胞通過表面受體與吸附蛋白質相互識別，引起后續(xù)的生理反應，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，并最大程度的恢復移植物的生理功能?？刂聘鞣N材料表面吸附的蛋白質的數(shù)量、排列及構象成為了材料最終品質的決定因素。在納米微孔中，生物分子具有與體相中不同的性質，如催化性能的增強、蛋白質結構穩(wěn)定性的增加、蛋白質新的折疊機理、有序的水分子結構等。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，藥物輸運系統(tǒng)，基因快速測序，生物傳感器等領域都有廣闊的應用前景。利用量子化學計算以及分子模擬研究生物分子與固體材料的

3、相互作用，已經顯示出了強大的優(yōu)勢，成為了除實驗手段外有力的研究工具。
　　 本論文首先利用分子動力學（molecular dynamics，MD）和操控式分子動力學(steered molecular dynamics，SMD)模擬研究了含有細胞結合位點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、吸附過程的驅動力及吸附位點、吸附對細胞結合位點以及后繼細胞粘附的影響。在此基礎上，我們利用分子動力學模擬研究

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力學行為，研究揭示了在碳納米管表面誘導下的蛋白質構象變化。接著我們構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，利用分子動力學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力學，發(fā)現(xiàn)了碳納米管表面有序水分子對蛋白質吸附重要的調節(jié)作用。最后，我們利用量子化學的方法，對水分子在不同

5、手性碳納米管內部的輸運進行了三維勢能面的掃描，解釋了水分子在不同手性碳納米管內部的排列方式，擴散途徑和輸運機理。本論文的主要研究結果如下：
　　 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，使蛋白質在表面附近的構象進行局部的重排，并且導致二級結構部分或完全地缺失。靜電相互作用被證明是蛋白質在羥基磷灰石表面吸附的驅動作用力，是蛋白質與羥基磷灰石表面相互作用的主導作用力，帶凈電荷的-COOˉ和-NH3+顯示了

6、與羥基磷灰石表面之間最強的相互作用。與細胞粘附的活性相關的RGD三肽序列的構象，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，而構象的改變可能會影響RGD三肽序列的生物活性。
　　 2．通過對蛋白質吸附過程中相互作用能曲線的研究以及模擬軌跡的動畫，我們發(fā)現(xiàn)，蛋白質的構象和取向選擇性由表面的性質和形貌所誘導。在蛋白質越過不同的能壘之后，與表面有較高親和性的一個或多個殘基開始吸附在碳納米管表面，并使相互作

7、用能下降到下一個臺階。在吸附過程中，模型蛋白中α螺旋的二級結構受到輕微影響。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，這導致了模型蛋白的三級結構發(fā)生了較大的變化。這些構象變化可能較大地影響蛋白質的生物活性。
　　 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使多肽在帶電荷的碳納米管表面的構象變化更小，但由于

8、模型多肽與帶電荷表面強烈的靜電相互作用，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。這個現(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，也許可以同時達到兩方面的目的：增加多肽/蛋白質在碳納米管表面的吸附強度，并且保持多肽/蛋白質構象的完整性。
　　 4．通過對armchair(14，14)和zigzag(24，0)碳納米管中水的勢能面的掃描，我們發(fā)現(xiàn)水分子在armcha