尿素/氧化三甲胺混合溶剂影响单壁碳纳米管内部水合性质的分子动力学模拟

杨立江高毅勤,*

（1北京大学化学与分子工程学院，北京分子科学国家实验室，北京 100871；2北京大学生物动态光学成像中心，北京 100871）

尿素/氧化三甲胺混合溶剂影响单壁碳纳米管内部水合性质的分子动力学模拟

杨立江1,2高毅勤1,2,*

（1北京大学化学与分子工程学院，北京分子科学国家实验室，北京 100871；2北京大学生物动态光学成像中心，北京 100871）

尿素是早已被人们认识的蛋白质变性剂，而氧化三甲胺则是最常用的蛋白质结构保护剂。虽然多年来被广泛应用在生物实验中，但是它们是如何在蛋白质结构形成中起作用，特别是氧化三甲胺是如何在高浓度尿素环境中起到抑制尿素蛋白变性作用的分子机制，至今仍然没有得到圆满解答。本文以单壁碳纳米管为模型疏水体系，采用分子动力学模拟研究尿素/氧化三甲胺混合溶液中纳米管内部水合性质，结果表明氧化三甲胺更易与水分子和尿素分子形成较强相互作用从而稳定了水溶液结构，这一结果亦表明了氧化三甲胺可以通过间接机制抵消尿素分子对于碳纳米管内部水合性质的影响。

尿素；氧化三甲胺；碳纳米管；水合作用；分子动力学

1 引 言

渗透调节物质（osmolytes），主要包括各种多羟基化合物、糖类、有机溶剂和多种氨基酸以及它们的衍生物1–3。这些小分子对蛋白质的折叠、结构稳定性和功能都有重要的影响2–10。尽管许多年来科学家们对于渗透调节物质的研究已经积累了大量生物化学和热力学实验数据，但是渗透调节物质改变蛋白质结构稳定性的分子机制仍然没有被认识清楚。从微观层次解释现有生物化学研究结果，揭示渗透调节物质影响蛋白质结构形成和稳定性的分子机制是当前蛋白质科学研究中的一个重要前沿课题1。

在众多的渗透调节物质中，尿素是一种在生物实验中广泛使用的蛋白质结构变性剂，而氧化三甲胺（TMAO）则是一种作用明显的蛋白质结构的保护剂。氧化三甲胺可以有效增强蛋白质和核酸的结构稳定性，有效抑制由尿素、温度和压力变化等引起的蛋白质变性11–16。在过去几十年的实验和理论研究中，研究者对于渗透调节物质影响蛋白质结构的机制提出了很多理论和假设，其中被广泛接受的是“直接作用”17–21和“间接作用”22–25两种机理。所谓“直接作用”机制是指渗透调节物质通过与蛋白质的直接静电/范德华相互作用影响蛋白质结构的形成，而“间接作用”机制的支持者则认为渗透调节物质通过与蛋白质周围的水相互作用从而间接影响蛋白质结构的稳定性。因此“间接作用”机制支持者认为尿素是所谓的水结构的破坏剂“（structure breaker）”26，而氧化三甲胺是水结构的稳定剂“（structure maker）”27。

实际上在对渗透调节物质是如何影响蛋白质结构的研究领域，之所以至今仍然不能提出一个大家普遍认同的机理，一个重要的原因是渗透调节物小分子、水和蛋白质三者共存的体系中，各种分子之间的相互作用复杂，需要全面考虑渗透调节物小分子与蛋白质、水分子与蛋白质、渗透物小分子与水分子，渗透物小分子之间，以及水分子之间的相互作用，而其它分子与蛋白质的相互作用又需要分别考虑与蛋白质主链原子和支链原子之间的相互作用等，想要从这些纷繁复杂的相互作用中提炼出一个简单而统一的分子层次的机制自然难度很大。过去人们之所以会提出“直接”和“间接”两种截然不同的作用机制，一个主要原因也是由于体系中相互作用太复杂，研究者对某一个方面因素的关注，有时不可避免地忽视了其他因素。因此人们也尝试使用适当简化的体系来研究渗透物小分子的作用，在这样的体系中由于分子间相互作用种类较少，所以更容易发现其中占主导地位的相互作用，从而澄清相应的分子机制。例如Zangi等21就研究了尿素分子对于简单的疏水平面水合作用的影响，还有一些利用各种不同的输水体系研究水合作用的工作28–30。2010年我们研究组也使用分子动力学模拟研究了渗透调节物分子对一个简单且易于控制的疏水物质——碳纳米管内部的水合作用的影响，揭示出了尿素、乙醇和氧化三甲胺等不同渗透物小分子引起碳纳米管内部水分子数目变化的本质原因31。在此简化体系理论研究的基础上，我们还进一步研究了尿素、氧化三甲胺和四甲基脲在短肽链折叠中的作用，其结果也验证了我们在简化体系中得到的结论，强调了“间接作用”的重要性32。后续研究工作中，我们还有针对性地探讨了一系列渗透调节物分子对蛋白质的溶解度、结构形成和聚集等过程的影响。用分子模拟以蛋白质在常见无机盐、胍盐和醇等的水溶液中的折叠作为模型体系，详细研究了共溶剂分子或无机盐对水溶液以及溶液环境对蛋白质折叠的影响，提出了阴阳离子协同性和氢键受体给体平衡的概念，解释了包括无机盐以及有机小分子在内的一系列渗透调节物分子对于蛋白质二级结构的影响，针对蛋白质变性和保护中的直接与间接作用提出了一个统一的分子图像33–39。

在本篇论文的工作中我们使用分子动力学模拟研究尿素/氧化三甲胺混合溶液中碳纳米管内部的水合作用，目的是更进一步理解氧化三甲胺是如何抑制尿素对于碳纳米管内部水合性质的增强，并希望对此简化模型的研究能帮助我们更深入地了解氧化三甲胺对于尿素蛋白质变性作用的抑制机制。

2 方 法

本文采用的是110个碳原子组成的“扶手椅（armchairs）”型单壁碳纳米管，手性参数（6, 4），长度为1.34 nm，直径为0.67 nm，碳纳米管的初始结构由“nanotube coordinate generator”程序生成（http:// www.photon.t.u-tokyo.ac.jp）。组成碳纳米管的碳原子在模型中被描述为不带电荷的范德华粒子，其力场参数采用Hummer等40模拟中所使用的一组参数。研究中共模拟了四种类型的溶液条件：纯水，4 mol·L–1尿素水溶液，4 mol·L–1氧化三甲胺水溶液和4 mol·L–1尿素/氧化三甲胺混合溶液（尿素与氧化三甲胺物质的量比为1 : 1）。四种溶液中均加入942个水分子，水分子采用TIP3P模型41，尿素和氧化三甲胺采用文献42,43中使用的力场参数。本文采用AMBER 9分子动力学程序包对上述体系在周期性边界条件和等温等压系综下分别进行了125 ns的分子动力学模拟，体系的温度通过Langevin动力学控温方法维持在300 K （Langevin 动力学中使用5 ps–1的控温频率），体系的压力则通过Berendsen弱耦合方法44控制在101.325 kPa，压力控制的弛豫时间选为2 ps。模拟中使用了非键相互作用截断半径1.0 nm，长程相互作用使用particlemesh Ewald方法45处理。模拟的步长设为2 fs，因此使用SHAKE方法46限制了所有氢原子的键振动。

图1 进入碳纳米管内部的水分子数目（N）随时间的变化Fig.1 Number （N） of water molecules inside the nanotube as a function of time

3 结果与讨论

3.1 尿素和氧化三甲胺对碳纳米管内部水合性质的影响

虽然碳纳米管是疏水的，但是Hummer等47在研究中指出，碳纳米管内外水分子的超额化学势差会导致水分子进入碳纳米管内部。在我们以前的研究中，为了更清楚地呈现不同渗透调节物分子对于碳纳米管水合性质的影响，我们选择了一个相对较小的碳纳米管直径（0.67 nm）31。在本文的研究中我们仍然采取相同策略，仍然使用0.67 nm直径的碳纳米管，这个尺寸刚好允许水分子进入碳纳米管内部而大多数渗透调节物分子都由于分子尺寸限制无法进入。对于碳纳米管在每一种溶剂中模拟了125 ns后，每一个模拟的最后50 ns的轨迹被用来做进一步的分析。首先，我们计算了在四种溶液的模拟中进入碳纳米管内部的水分子数目，图1显示了进入碳纳米管内部的水分子数目随模拟时间的变化。

在图1中可以观察到模拟过程中进入碳纳米管内的水分子数目在0–5之间变化，并且模拟过程中可以观察到多次碳纳米管内部水分子充满状态和无水分子进入的空腔状态之间的转换。图1（b）的结果表明尿素分子会促进水分子更频繁地进入碳纳米管通道，通道中进入了4–5个水分子的充满状态占据多数情况，这与我们以前高浓度的尿素溶液（7 mol·L–1）模拟31的结果是相一致的。图1（c）中氧化三甲胺的加入明显减少了进入碳纳米管通道的水分子，碳纳米管通道很多情况下处于“干燥”的空腔状态。图1（d）所示的尿素/氧化三甲胺混合溶液中进入碳纳米管通道内的水分子数目也比较少，但是由于尿素和氧化三甲胺对于进入碳纳米管通道的水分子的促进或抑制作用的相互竞争，最后造成的结果就是在混合溶液中进入碳纳米管通道的水分子数目对比单一氧化三甲胺溶剂的情况有明显提高。通过计算四种溶液中进入碳纳米管通道的平均水分子数目可以更明显的看到上述趋势：纯水3.62，4 mol·L–1尿素溶液3.83，4 mol·L–1氧化三甲胺溶液1.43，4 mol·L–1尿素/氧化三甲胺混合溶液1.65。

图2 尿素和水分子相对氧化三甲胺分子的径向分布函数（RDFs）Fig.2 Radial distribution functions （RDFs） of urea and water molecules to TMAO

3.2 尿素、氧化三甲胺和水分子的相互作用

为了研究氧化三甲胺如何抑制尿素的作用，我们对尿素/氧化三甲胺混合溶液中尿素、氧化三甲胺和水分子的相互作用进行了细致分析。首先，我们计算了氧化三甲胺分子的疏水位点（甲基）和氢键质子受体位点（氧原子）与水分子和尿素分子的径向分布函数，如图2所示。从图2（a, b）我们可以发现水分子在氧化三甲胺分子的甲基和O原子位置都有分布，显示氧化三甲胺在混合溶液中能被水分子很好溶解。特别的，由图2（b）水分子的氧原子在氧化三甲胺氢键受体位点处径向分布函数可以明显看到一个很突出的尖峰，这表明氧化三甲胺有很强的与水分子形成氢键的能力。图2（c）和2（d）描述了尿素在氧化三甲胺分子周围的分布，其分布函数的性状与水分子的相应分布函数非常相似，即尿素分子也与氧化三甲胺很好的相互作用，但是图2（d）中的第一个峰低于图2（b）中的尖峰，这表明水分子比尿素更倾向于与氧化三甲胺发生相互作用，占据其第一溶剂化层。

图3 水分子中氧原子在氧化三甲胺氧原子附近的径向分布Fig.3 TMAO-water oxygen radial distribution function

作为对比，我们也计算了4 mol·L–1氧化三甲胺溶液中水分子对氧化三甲胺的径向分布函数。图3中对比了在4 mol·L–1氧化三甲胺溶液和尿素/氧化三甲胺混合溶液中水分子中氧原子相对于氧化三甲胺氧原子的径向分布函数。为了更清楚地看到两种溶液环境中径向分布函数的不同，我们将分布函数第1个峰值处放大并画入图3的嵌入图中。从放大后的对比图可以看到混合溶液中该峰得到了轻微增强，也就是说混合溶液中水分子与氧化三甲胺的相互作用更具有优势。

图4 尿素/氧化三甲胺混合溶液中可能形成氢键原子对的径向分布函数Fig.4 Radial distribution function of possible hydrogen bonding atoms in urea/TMAO solutions

为了表征尿素/氧化三甲胺混合溶液中各组分形成氢键能力的不同，我们计算了尿素/氧化三甲胺混合溶液可能形成氢键的原子之间的径向分布函数，由于氧化三甲胺并不能提供氢键质子给体，因此它只能与溶液中水分子和尿素分子提供的氢键质子给体形成氢键。图4（a）描述了水分子中的氢原子相对尿素分子氧原子和氧化三甲胺氧原子的径向分布函数，我们可以发现，在第一分布峰处水氢原子在氧化三甲胺氧原子附近的分布远远高于尿素氧原子，这清楚地展示了氧化三甲胺比尿素更容易与水形成氢键。图4（b）表征的是尿素和水中氢原子在氧化三甲胺氧原子周围的径向分布。结果表明氧化三甲胺更倾向于与水分子形成氢键，因为水分子中氢原子在氧化三甲胺氧原子第一溶剂化层的分布远高于尿素的氢原子。

利用径向分布函数我们也计算了尿素溶剂和尿素/氧化三甲胺混合溶剂中尿素分子第一溶剂化层中水分子的平均数目nAB，其计算公式48为

其中nAB代表距A类型原子rc距离之内的B类型原子数目，pB是体系中B类型原子的数密度。

通过比较表1中尿素和尿素/氧化三甲胺溶剂中尿素第一溶剂化层内水分子的数目，可以看到由于氧化三甲胺的竞争，在尿素/氧化三甲胺溶剂中尿素分子第一溶剂化层中要比在单一尿素溶剂中少11个水分子（考虑到尿素分子中有两个氮原子，氮原子第一溶解层内水分子数目要乘以2）。

表1 尿素和尿素/氧化三甲胺混合溶液中尿素第一溶剂化层内水分子平均数目Table 1 Averaged number of water molecules in the first solvation shell of urea in the urea and urea/TMAO solutions

综上所述，带有一个氢键质子受体的氧化三甲胺分子非常易与水分子发生氢键作用，正是由于氧化三甲胺分子倾向与水分子和尿素分子形成氢键的特性，稳定了水分子参与的氢键网络，从而使得从体相水中抽取水分子进入碳纳米管内部的惩罚加大。这种通过改变水分子行为和化学势来影响体系行为的机制和“间接作用”机制是一致的。

为了进一步研究氧化三甲胺对水分子的氢键网络结构的影响，我们计算了在三种溶液中水分子的径向分布函数，如图5所示。在图5（a）所示的水分子氧-氧径向分布函数g（r）中首先我们可以看到由于共溶剂的加入，在0.277 nm位置附近出现一个非常突出的尖峰，尤其在氧化三甲胺和混合溶液中这个尖峰更加显著。为了能更清楚的比较不同溶液中水分子的径向分布，图5（a）的第2和第3峰所在区域被放大显示在图5（b）中。在图5（b）中很明显可以看到混合溶液中g（r）分布介于尿素和氧化三甲胺溶液的结果之间。对于水的“structure breaker”——尿素，低平的第2和第3峰证明在尿素影响下水的结构有序性不佳，而加入氧化三甲胺后，它会夺取水分子和尿素分子的氢键质子给体以形成氢键，通过这些氢键的形成，尿素对水溶液结构的破坏作用得到了抑制。上述推断从图5（b）上看就是水的径向分布图上的第1和第2个山谷被降低，因此形成了较为明显的第2和第3个峰，这也意味着更加有序的水结构（径向分布图上较突出并向外偏离零点的分布峰代表有序的结构，而不明显并偏向零点的分布峰则代表较混乱的结构）。

除了从径向分布函数角度考量，在不同溶液中水分子氢键或者氢键网络的稳定性也可以通过计算形成氢键的原子之间的距离和角度分布来判断。如图6所示尿素/氧化三甲胺混合溶液中，水形成的氢键的距离和角度分布更接近氧化三甲胺的结果，即更短的作用距离和更大的作用角度，这也证明了混合溶液中氧化三甲胺使得水分子能形成更短也更强的氢键相互作用。

为了对比不同溶液环境中各组分形成氢键的情况，我们对三种包含共溶剂的溶液中氢键形成情况做了统计（见表2）。判断氢键形成的标准同图6的图注所述。

由形成氢键数目的对比可知，在尿素/氧化三甲胺混合溶液中由于氧化三甲胺具有很强的与水形成氢键的能力，所以它会与尿素分子竞争水分子以形成氢键，另一方面氧化三甲胺分子也会与尿素分子的氢键给体形成氢键，从而进一步减少尿素分子与水分子形成氢键的能力。而尿素分子与水形成的氢键的减少（减少了尿素对水分子结构的破坏作用）和氧化三甲胺与水生成氢键对于水分子氢键网络的稳定作用，同时造成了混合溶液中尿素增强碳纳米管内部水合作用的消失。其实通过本文中模拟观察到的现象也是符合我们所提出的蛋白质结构破坏剂和保护剂的氢键受体给体平衡40概念的。氢键受体给体平衡强调分别富含质子受体和给体的共溶剂对于蛋白质二级结构会有保护和破坏两种截然相反的作用，比如富含氢键给体的尿素和胍盐就是两类典型的蛋白质结构破坏剂，它们通过增加溶液中自由氢键给体，以直接和间接作用的方式增强氨基酸氨基的水溶性使蛋白质结构遭到破坏。而相对的，醇类和氧化三甲胺等富含氢键受体的分子则通过减少溶液中自由氢键给体，降低蛋白骨架的水溶性来达到保护蛋白质二级结构的作用。通过对本文四种溶剂体系中平均每分子所带自由氢键给体和受体的计算比较（表3），我们可以看到对比纯水体系尿素溶剂中尿素略微提高了自由氢键给体的数目，而氧化三甲胺溶剂中由于氧化三甲胺只提供氢键受体，所以体系中自由氢键受体数目大大增加而自由氢键给体数目减少。尿素/氧化三甲胺混合溶剂中自由氢键受体给体数目与氧化三甲胺溶剂情况类似，因此在此溶剂中尿素对于碳纳米管内部水合作用的增强基本被抑制了。

表2 三种溶剂中各组分平均每个分子形成的氢键个数Table 2 Averaged hydrogen bond number per molecule for solution species in 3 different solutions

表3 四种溶剂中平均每分子氢键受体/给体数目Table 3 Averaged numbers of hydrogen bond acceptors/donors per molecule in 4 different solutions

4 结 论

本文通过分子动力学模拟研究了尿素、氧化三甲胺、尿素/氧化三甲胺混合溶剂三种溶剂对单壁碳纳米管通道中水合性质的影响。模拟结果显示尿素提高了水分子进入碳纳米管通道的数目，氧化三甲胺大大降低了进入碳纳米管通道的水分子数目，而尿素/氧化三甲胺混合溶液的结果更倾向于单一氧化三甲胺溶剂的结果，即抑制了尿素对碳纳米管内部水合作用的促进。因为模拟中碳纳米管的直径只允许水分子通过，因此共溶剂分子并不能直接进入纳米管通道来影响水合性质，所以这个简单的体系是检验氧化三甲胺抑制尿素蛋白质变性机制的合适的简化模型。模拟结果表明，混合溶液中由于氧化三甲胺非常倾向与水分子和尿素形成氢键，这使得水分子氢键网络稳定性增强，导致的结果就是加大了体相水分子进入碳纳米管通道的惩罚，抑制了尿素促进水分子进入纳米管通道的作用。本文的研究对帮助研究者理解共溶剂影响水合机理有一定作用，然而这里只是研究了一个简化的疏水体系，对于复杂的蛋白质等生物大分子中共溶剂的变性和保护作用的研究还需要综合考虑多方面的因素。需要指出的是，本文提出的氧化三甲胺抑制尿素变性剂作用的机理更多的是从间接作用机制方面进行考虑，但是，在真实的蛋白质环境中共溶剂分子与蛋白质的直接作用也起到相当关键的作用。另外，作为具有输运分子应用前景的碳纳米管，其本身水合性质的研究也是有价值的研究课题，当然这就需要更细致的研究不同手性参数的碳纳米管中溶液分子的相互作用的差别，这也将是我们下一步的一个研究方向。

（1）Kresheck, G. C.； Scheraga, H. A. J. Phys. Chem. 1965， 69 （5）, 1704. doi: 10.1021/j100889a043

（2）Camilloni, C.； Rocco, A. G.； Eberini, I.； Gianazza, E.； Broglia, R. A.； Tiana, G. Biophys. J. 2008， 94 （12）, 4654. doi: 10.1529/biophysj.107.125799

（3）Moglich, A.； Krieger, F.； Kiefhaber, T. J. Mol. Biol. 2005， 345（1）, 153. doi: 10.1016/j.jmb.2004.10.036

（4）Das, A.； Mukhopadhyay, C. J. Phys. Chem. B 2008， 112 （26）, 7903. doi: 10.1021/jp800370e

（5）Soper, A. K.； Finney, J. L. Phys. Rev. Lett. 1993， 71 （26）, 4346. doi: 10.1103/PhysRevLett.71.4346

（6）Turner, J.； Soper, A. K.； Finney, J. L. Mol. Phys. 1990， 70 （4）, 679. doi: 10.1080/00268979000102661

（7）Bolen, D. W.； Rose, G. D. Annu. Rev. Biochem. 2008， 77, 339.doi: 10.1146/annurev.biochem.77.061306.131357

（8）Stumpe, M. C.； Grubmuller, H. J. Am. Chem. Soc. 2007， 129（51）, 16126. doi: 10.1021/ja076216j

（9）Stumpe, M. C.； Grubmuller, H. J. Phys. Chem. B 2007， 111 （22）, 6220. doi: 10.1021/jp066474n

（10）Canchi, D. R.； Garcia, A. E. Annual Review of Physical Chemistry 2013， 64, 273. doi: 10.1146/annurev-physchem-040412-110156

（11）Lin, T. Y.； Timasheff, S. N. Biochemistry 1994， 33 （42）, 12695. doi: 10.1021/bi00208a021

（12）Auton, M.； Bolen, D. W. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2005，102 （42）, 15065. doi: 10.1073/pnas.0507053102

（13）Gluick, T. C.； Yadav, S. J. Am. Chem. Soc. 2003， 125 （15）, 4418. doi: 10.1021/ja0292997

（14）Venkatesu, P.； Lin, H. M.； Lee, M. J. Thermochim. Acta 2009，491 （1–2）, 20. doi: 10.1016/j.tca.2009.02.017

（15）Venkatesu, P.； Lee, M. J.； Lin, H. M. J. Phys. Chem. B 2009， 113（15）, 5327. doi: 10.1021/jp8113013

（16）Krywka, C.； Sternemann, C.； Paulus, M.； Tolan, M.； Royer, C.；Winter, R. ChemPhysChem 2008， 9 （18）, 2809. doi: 10.1002/cphc.200800522

（17）Robinson, D. R.； Jencks, W. P. J. Am. Chem. Soc. 1965， 87 （11）, 2462. doi: 10.1021/ja01089a028

（18）Lim, W. K.； Rosgen, J.； Englander, S. W. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009， 106 （8）, 2595. doi: 10.1073/pnas.0812588106

（19）Hua, L.； Zhou, R. H.； Thirumalai, D.； Berne, B. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2008， 105 （44）, 16928. doi: 10.1073/pnas.0808427105

（20）Das, P.； Zhou, R. H. J. Phys. Chem. B 2010， 114 （16）, 5427. doi: 10.1021/jp911444q

（21）Zangi, R.； Zhou, R. H.； Berne, B. J. J. Am. Chem. Soc. 2009， 131（4）, 1535. doi: 10.1021/ja807887g

（22）Wetlaufer, D. B.； Coffin, R. L.； Malik, S. K.； Stoller, L. J. Am. Chem. Soc. 1964， 86 （3）, 508. doi: 10.1021/ja01057a045

（23）Finer, E. G.； Franks, F.； Tait, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1972， 94（13）, 4424. doi: 10.1021/ja00768a004

（24）Das, A.； Mukhopadhyay, C. J. Phys. Chem. B 2009， 113 （38）, 12816. doi: 10.1021/jp906350s

（25）Idrissi, A.； Cinar, E.； Longelin, S.； Damay, P. J. Mol. Liq. 2004，110 （1–3）, 201. doi: 10.1016/j.molliq.2003.09.015

（26）Frank, H. S.； Franks, F. J. Chem. Phys. 1968， 48 （10）, 4746. doi: 10.1063/1.1668057

（27）Zou, Q.； Bennion, B. J.； Daggett, V.； Murphy, K. P. J. Am. Chem. Soc. 2002， 124 （7）, 1192. doi: 10.1021/ja004206b

（28）Sarma, R.； Paul, S. J. Chem. Phys. 2011， 135 （17）, 174501. doi: 10.1063/1.3655672

（29）Koishi, T.； Yasuoka, K.； Wilow, S. Y.； Fujikawa, S.； Zeng, X. C. J.Chem. Theory Comput. 2013， 9 （6）, 2540. doi: 10.1021/ct3010968

（30）Sarma, R.； Paul, S. J. Phys. Chem. B 2012， 116 （9）, 2831. doi: 10.1021/jp2104402

（31）Yang, L. J.； Gao, Y. Q. J. Am. Chem. Soc. 2010， 132 （2）, 842. doi: 10.1021/ja9091825

（32）Wei, H. Y.； Fan, Y. B.； Gao, Y. Q. J. Phys. Chem. B 2010， 114（1）, 557. doi: 10.1021/jp9084926

（33）Wei, H. Y.； Yang, L. J.； Gao, Y. Q. J. Phys. Chem. B 2010， 114（36）, 11820. doi: 10.1021/jp103770y

（34）Shao, Q.； Fan, Y. B.； Yang, L. J.； Gao, Y. Q. J. Chem. Phys. 2012， 136 （11）, 115101. doi: 10.1063/1.3692801

（35）Shao, Q.； Gao, Y. Q. J. Chem. Phys. 2012， 137 （14）, 145101. doi: 10.1063/1.4757419

（36）Shao, Q.； Fan, Y. B.； Yang, L. J.； Gao, Y. Q. J. Chem. Theory Comput. 2012， 8 （11）, 4364. doi: 10.1021/ct3002267

（37）Gao, Y. Q. J. Phys. Chem. B 2012， 116 （33）, 9934. doi: 10.1021/jp305532h

（38）Xie, W. J.； Gao, Y. Q. Faraday Discuss. 2013， 160, 191. doi: 10.1039/C2FD20065A

（39）Xie, W. J.； Gao, Y. Q. J. Phys. Chem. Lett. 2013， 4 （24）, 4247. doi: 10.1021/jz402072g

（40）Hummer, G.； Rasaiah, J. C.； Noworyta, J. P. Nature 2001， 414（6860）, 188. doi: 10.1038/35102535

（41）Jorgensen, W. L.； Chandrasekhar, J.； Madura, J. D.； Impey, R. W.； Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983， 79 （2）, 926. doi: 10.1063/1.445869

（42）Duffy, E. M.； Kowalczyk, P. J.； Jorgensen, W. L. J. Am. Chem. Soc. 1993， 115 （20）, 9271. doi: 10.1021/ja00073a050

（43）Kast, K. M.； Brickmann, J.； Kast, S. M.； Berry, R. S. J. Phys. Chem. A 2003， 107 （27）, 5342. doi: 10.1021/jp027336a

（44）Berendsen, H. J. C.； Postma, J. P. M.； Vangunsteren, W. F.；Dinola, A.； Haak, J. R. J. Chem. Phys. 1984， 81 （8）, 3684. doi: 10.1063/1.448118

（45）Darden, T.； York, D.； Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993， 98 （12）, 10089. doi: 10.1063/1.464397

（46）Ryckaert, J. P.； Ciccotti, G.； Berendsen, H. J. C. J. Comput. Phys. 1977， 23 （3）, 327. doi: 10.1016/0021-9991（77）90098-5

（47）Hummer, G. Mol. Phys. 2007， 105 （2–3）, 201. doi: 10.1080/00268970601140784

（48）Sarma, R.； Paul, S. J. Phys. Chem. B 2013， 117 （18）, 5691. doi: 10.1021/jp401750v

Molecular Dynamic Simulations of the Effects of Trimethylamine-N-oxide/Urea Mixture on the Hydration of Single-Walled Carbon Nanotube Interiors

YANG Li-Jiang1,2GAO Yi-Qin1,2,*
（1Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, P. R. China；2Biodynamic Optical Imaging Center, Peking University, Beijing 100871, P. R. China）

Urea is known for protein denaturation. The counteracting effect of trimethylamine-N-oxide（TMAO） against urea-induced protein denaturation is also well established. Howeνer, what is largely unknown is the mechanism TMAO counteracts urea. In this article, the hydration of the interior of a simple single-walled carbon nanotube in a urea/TMAO mixture is studied as a model system for hydrophobic hydration using molecular dynamic simulations. The results show that TMAO counteracts the hydration effect of urea to the nanotube interior through strong interactions among TMAO, water, and urea. The strong interactions of TMAO and water stabilize the water structure, which counteracts the effects of urea indirectly.

Urea; Trimethylamine-N-oxide; Carbon nanotube; Hydration; Molecular dynamics

O645.11

10.3866/PKU.WHXB201512161

Received: October 8, 2015； Revised: December 15, 2015； Published on Web: December 16, 2015.

*Corresponding author. Email: gaoyq@pku.edu.cn； Tel: +86-10-62752431.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China （21373016, 21233002, 21125311, 21573006）.

国家自然科学基金（21373016, 21233002, 21125311, 21573006）资助项目

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