氨基酸及多肽在方解石表面吸附的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究

周曉曉，趙振楠，王淑玲，謝 恬,，沈嘉煒

(1.廣東藥科大學(xué)中藥學(xué)院，廣州 511400； 2.杭州師范大學(xué)，a.醫(yī)學(xué)院；b.醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，杭州 310036)

和羧基COO-本身的電性是影響氨基酸在材料表面的吸附的重要因素；方解石晶體表面的電荷分布與密度顯著地影響多肽或蛋白質(zhì)中具有電荷的殘基的吸附取向、結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度，表明在研究生物礦化過程中，需要注意到晶體生長(zhǎng)過程中生物分子和晶核及表面之間的晶格匹配。

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氨基酸及多肽在方解石表面吸附的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究

周曉曉1，趙振楠2a，王淑玲2b，謝 恬1,2b，沈嘉煒2a

(1.廣東藥科大學(xué)中藥學(xué)院，廣州 511400； 2.杭州師范大學(xué)，a.醫(yī)學(xué)院；b.醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，杭州 310036)

分子動(dòng)力學(xué)模擬；方解石；五聚天冬氨酸；天冬氨酸；賴氨酸

0 引 言

從納米級(jí)別的蛋白世界、磁性細(xì)菌到介觀尺度的牡蠣殼、珊瑚、象牙、骨骼和牙釉質(zhì)，生物體發(fā)展了一套系統(tǒng)的化學(xué)體系，將硬物質(zhì)和軟物質(zhì)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)合成各種功能性的有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料的系統(tǒng)，這個(gè)合成過程稱為生物礦化[1]。生物體對(duì)生物礦化過程的調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的多層次過程，其中生物大分子的構(gòu)象和排列及其與無機(jī)礦物相的相互作用是生物礦化過程的兩個(gè)主要方面，因此生物分子在晶體表面的選擇性吸附是生物礦化研究的關(guān)鍵問題之一[2]。

盡管許多實(shí)驗(yàn)表征方法，如原子力顯微鏡(atomic force microscopy，AFM)、掃描電鏡(scanning electronic microscopy，SEM)、透射電鏡(transmission electron microscope，TEM)、X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)等加深了人們對(duì)生物礦化機(jī)理的認(rèn)識(shí)[3-5]，但是在原子及分子水平上，人們對(duì)生物分子與無機(jī)晶體顆粒及其表面相互作用(如吸附驅(qū)動(dòng)力、結(jié)合位點(diǎn)、生物分子構(gòu)型變化、溶劑作用等)和無機(jī)晶體顆粒在生物分子調(diào)控下的組裝動(dòng)力學(xué)過程的理解仍然十分有限[6]。計(jì)算機(jī)模擬是聯(lián)系理論和實(shí)驗(yàn)之間的橋梁，其中，分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics，MD)模擬在研究生物分子/無機(jī)材料復(fù)合體系的相互作用和組裝中，已展現(xiàn)出巨大的作用。該方法不僅可以獲得界面上生物分子的取向、構(gòu)型、相互作用位點(diǎn)，吸附自由能等結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)信息，也能夠了解分子自組裝的動(dòng)力學(xué)行為。Hoefling等[7]通過MD研究20個(gè)氨基酸在Au(111)表面的吸附作用，發(fā)現(xiàn)其相互作用自由能與氨基酸形成β-折疊的現(xiàn)象密切相關(guān)，即指出肽結(jié)合金的吸附原理和金表面附近氨基酸易形成β-折疊的現(xiàn)象。Nawrocki等[8]用基于MD的傘式采樣方法來研究水溶液中ZnS(110)表面附近的20個(gè)氨基酸的平均力場(chǎng)勢(shì)能，證明了ZnS表面和氨基酸之間相互作用與吸附構(gòu)象的相關(guān)性。

碳酸鈣(CaCO3)是自然界廣泛分布的天然礦物質(zhì)，也是一種常見于生物體的無機(jī)材料，并在生物體中發(fā)揮著重要的作用，是一種研究生物礦物和仿生材料的生長(zhǎng)機(jī)制的理想模型系統(tǒng)[9]。本文以CaCO3方解石(calcite)晶型作為生物礦化研究的模型，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，分別研究賴氨酸、天冬氨酸和五聚天冬氨酸在方解石(104)晶面的吸附過程，并探究其吸附特點(diǎn)及動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

1 模擬方法和模擬細(xì)節(jié)

1.1 方解石表面和模型

圖1 方解石(104)晶面(圓點(diǎn)代表Ca2+，粗短線代表

1.2 模擬細(xì)節(jié)

1.3 力場(chǎng)參數(shù)的校正與設(shè)定

1.3.1 SPC/E水模型及LJ勢(shì)參數(shù)擬合

表1 Ca2+和在SPC/E和TIP4P_Ew水模型中的水化自由能及實(shí)驗(yàn)值 kJ/mol

圖在TIP4P_EW和SPC/E水中的解離自由能

圖3 Ow和Oc在方解石(104)晶面的歸一化密度注：Ow代表水中氧原子；Oc代表碳酸根中的氧原子。

1.3.2 其它相互作用的力場(chǎng)參數(shù)

圖4 增加Lennard-Jones (12, 6)勢(shì)C12斥力參數(shù)獲得的不同濃度Na2CO3溶液的密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 五聚天冬氨酸在方解石晶面上的吸附

(a) 五聚天冬氨酸在方解石(104)晶面吸附狀態(tài)正面

(b) 五聚天冬氨酸在方解石晶面吸附狀態(tài)側(cè)面

(c) 羧基中氧原子和水中氧原子與晶面距離變化與其密度關(guān)系圖5 五聚天冬氨酸在方解石晶面上的吸附狀態(tài)與特點(diǎn)

2.2 天冬氨酸和賴氨酸在方解石(104)晶面的吸附

自由能是檢驗(yàn)判斷一個(gè)熱力學(xué)過程是否自發(fā)進(jìn)行的有效方法[23-25]。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，通常利用計(jì)算平均力勢(shì)能或者熱力學(xué)積分法來計(jì)算生物體系的自由能。在本研究中計(jì)算天冬氨酸及賴氨酸等小分子在方解石(104)晶面吸附的自由能時(shí)，采用的是計(jì)算平均力勢(shì)能。天冬氨酸和賴氨酸的在方解石(104)晶面的典型吸附狀態(tài)及在晶面的吸附自由能如圖6 (a)-(b)所示。天冬氨酸和賴氨酸在晶面的吸附自由能如圖6(c)所示，天冬氨酸在距離晶面0.40 nm處有一個(gè)吸附自由能的最小值，即天冬氨酸在該位點(diǎn)時(shí)在方解石(104)晶面的吸附最為穩(wěn)定；賴氨酸在距離0.36、0.46 nm有兩個(gè)吸附自由能的局域最小值，即在該兩位點(diǎn)時(shí)在晶面的吸附最為穩(wěn)定。

為探究天冬氨酸和賴氨酸在方解石(104)晶面上的吸附自由能與相應(yīng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，作者對(duì)其穩(wěn)定的吸附構(gòu)象進(jìn)行進(jìn)一步的分析。結(jié)果表明，天冬氨酸穩(wěn)定吸附于方解石表面時(shí)，有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，主要是帶負(fù)電的羧基與帶正電的鈣離子以及N端帶正電的氨基和帶負(fù)電的碳酸根之間的靜電相互作用，此外氨基與羧基除了靜電相互作用外，氨基中的氮和碳酸根中的氧原子還通過水分子形成氫鍵進(jìn)行橋連，即天冬氨酸中的羧基和氨基是影響其在方解石(104)晶面吸附的重要因素。賴氨酸穩(wěn)定吸附于方解石(104)晶面時(shí)，也有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，主要通過帶正電荷的兩個(gè)氨基分別與方解石(104)晶面帶負(fù)電的碳酸根之間的靜電相互吸引以及水橋氫鍵和方解石(104)晶面相互作用，即賴氨酸中的兩個(gè)氨基是影響其在方解石(104)晶面吸附的重要因素。由圖6(c)可知賴氨酸在方解石(104)晶面的吸附自由能普遍小于天冬氨酸在方解石(104)晶面上的吸附自由能，天冬氨酸的作用基團(tuán)主要是羧基和氨基，而賴氨酸的作用基團(tuán)是兩個(gè)氨基，說明相較于羧基，氨基與晶面的相互作用更強(qiáng)。

(a) 天冬氨酸在方解石(104)晶面的典型吸附狀態(tài)

(b) 賴氨酸在方解石(104)晶面的典型吸附狀態(tài)

(c) 天冬氨酸和賴氨酸在方解石(104)表面法線方向上的自由能曲線圖6 天冬氨酸和賴氨酸在方解石(104)晶面的典型吸附狀態(tài)及自由能

3 結(jié) 論

有大量研究表明，許多因素可以顯著地影響生物分子在生物材料表面的吸附行為，包括分子的結(jié)構(gòu)、無機(jī)礦物表面電荷分布、表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、溶液中的離子強(qiáng)度和pH值等。通過加深理解這些影響因素的作用機(jī)理，從而通過改變這些影響因素來調(diào)控蛋白質(zhì)吸附的行為和動(dòng)力學(xué)過程，這在生物礦化、生物材料、生物傳感器、蛋白質(zhì)的分離以及生物電池等領(lǐng)域具有重要意義。

[1] MANN S. Molecular tectonics in biomineralization and biomimetic materials chemistry[J]. Nature, 1993, 365(6446): 499-505.

[2] 王本,唐?？?生物礦化：無機(jī)化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)間的橋梁[J].化學(xué)進(jìn)展,2013,23(4):633-640.

[3] RUIZAGUDO E, PUTNIS C V. Direct observations of mineral - fluid reactions using atomic force microscopy: the specific example of calcite[J]. Mineralogical Magazine, 2015, 76(1): 227-253.

[4] SAUNDERS M, KONG C, SHAW J A, et al. Matrix-mediated biomineralization in marine mollusks: a combined transmission electron microscopy and focused ion beam approach[J]. Microscopy and Microanalysis, 2011, 17(2): 220-5.

[5] SIMMONS LM, MONTGOMERY J, BEAUMONT J, et al. Mapping the spatial and temporal progression of human dental enamel biomineralization using synchrotron X-ray diffraction[J]. Archives of Oral Biology, 2013, 58(11): 1726-1734.

[6] 王婷.生物大分子對(duì)碳酸鈣結(jié)晶的調(diào)控及其機(jī)理探究[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2011:53-68.

[7] HOEFLING M, LORI F, COMI S, et al. Interaction of amino acids with the Au(111) surface: adsorption free energies from molecular dynamics simulations[J]. Langmuir , 2010, 26(11): 8347-8351.

[8] NAWROCKI G, CIEPLAK M. Interactions of aqueous amino acids and proteins with the (110) surface of ZnS in molecular dynamics simulations[J]. Journal of Chemical Physics, 2014, 140(9): 1964-1964.

[9] 楊士林,宋微.PASP調(diào)控球形碳酸鈣沉積過程研究[J].人工晶體學(xué)報(bào),2013,42(7):1475-1480.

[10] VAN DSD, LINDAHL E, HESS B, et al. GROMACS: fast, flexible, and free[J]. Journal of Computational Chemistry, 2005, 26(16): 1701-18.

[11] 劉忠亮,李曉霞,石靜,等.分子動(dòng)力學(xué)模擬LINCS約束算法的GPU并行化[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2012,29(8):907-912.

[12] MIYAMOTO S, KOLLMAN P A. Settle: an analytical version of the SHAKE and RATTLE algorithm for rigid water models[J]. Journal of Computational Chemistry, 1992, 13(8): 952-962.

[13] 石靜,李曉霞,劉忠亮,等.Particle-Mesh-Ewald(PME)算法在GPU上的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2012,29(5):517-522.

[14] RAITERI P, GALE J D, QUIGLEY D, et al. Derivation of an accurate force-field for simulating the growth of calcium carbonate from aqueous solution: a new model for the calcite-water interface[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(13): 5997-6010.

[15] JORGE M, GARRIDO N M, QUEIMADA A J, et al. Effect of the integration method on the accuracy and computational efficiency of free energy calculations using thermodynamic integration[J]. Journal of Chemical Theory and Computation,2010,6(4):1018-1027.

[16] SCHMID R, MIAH A M, SAPUNOV V N. A new table of the thermodynamic quantities of ionic hydration: values and some applications (enthalpy-entropy compensation and Born radii)[J]. Physical Chemistry Chemical Physics,2000,2(2):97-102.

[17] MACUS Y. Thermodynamics of solvation of ions. Part 5 Gibbs free energy of hydration at 298.15[J]. Journal of the Chemical Society Faraday Transactions, 1991, 87: 2995-2999.

[18] KUMAR S. The weighted histogram analysis method for free-energy calculations on biomolecules. I. the method[J]. Journal of Computational Chemistry, 1992, 13(8): 1011-1021.

[19] DANG L X, SMITH D E. Comment on “Mean force potential for the calcium-chloride ion pair in water”[J]. Journal of Chemical Physics, 1995, 102(8): 3483-3484.

[20] DEMICHELIS R, RAITERI P, GALE J D, QUIGLEY D, et al. Stable prenucleation mineral clusters are liquid-like ionic polymers[J]. Nature Communications, 2011, 2(6): 1145-1154.

[21] WEERASINGHE S, SMITH P E. A Kirkwood-Buff derived force field for sodium chloride in water[J]. Journal of Chemical Physics, 2003, 119(21): 11342-11349.

[22] GONCALVES F A, KESTIN J. The viscosity of Na2CO3and K2CO3aqueous solutions in the range 20-60℃[J]. International Journal of Thermophysics, 1981, 2(4):315-322.

[23] EA GISLASON, NC CRAIG. Criteria for spontaneous processes derived from the global point of view[J]. Journal of Chemical Education,2013,90(90):584-590.

[24] 任聚杰,郭子成,楊建一,等.自發(fā)過程及其判據(jù)的討論[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(1):18-21.

[25] 李大珍.有關(guān)熱力學(xué)自發(fā)過程及熱力學(xué)判據(jù)的一些看法[J].大學(xué)化學(xué),1993,8(2):43-45.

(責(zé)任編輯： 廖乾生)

Molecular Dynamics Simulations of Polypeptide/Amino Acids Adsorption on Calcite Surface

ZHOUXiaoxiao1,ZHAOZhennan2a,WANGShuling2b,TIANXie1,2b,SHENJiawei2a

(1.College of Traditional Chinese Medicine, Guangdong Pharmaceutical University,Guangzhou 511400, China; 2a. School of Medicine; 2b.Medical Experimental Center, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China.)

molecular dynamics simulation; calcite; polyaspartate; apartic acid; lysine

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.07.019

2016-10-26 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2017-04-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21403049)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY14B030008)；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目

周曉曉(1992-)，女，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事藥物制劑開發(fā)方面的研究。

沈嘉煒，E-mail：shen.jiawei@hotmail.com

和羧基COO-本身的電性是影響氨基酸在材料表面的吸附的重要因素；方解石晶體表面的電荷分布與密度顯著地影響多肽或蛋白質(zhì)中具有電荷的殘基的吸附取向、結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度，表明在研究生物礦化過程中，需要注意到晶體生長(zhǎng)過程中生物分子和晶核及表面之間的晶格匹配。

O647.31+4

A

1673- 3851 (2017) 04- 0580- 07