氨基酸及多肽在方解石表面吸附的分子动力学模拟研究

2017-08-16周晓晓赵振楠王淑玲沈嘉炜

浙江理工大学学报(自然科学版) 2017年4期

周晓晓，赵振楠，王淑玲，谢恬,，沈嘉炜

(1.广东药科大学中药学院，广州 511400； 2.杭州师范大学，a.医学院；b.医学实验中心，杭州 310036)

和羧基COO-本身的电性是影响氨基酸在材料表面的吸附的重要因素；方解石晶体表面的电荷分布与密度显著地影响多肽或蛋白质中具有电荷的残基的吸附取向、结构与强度，表明在研究生物矿化过程中，需要注意到晶体生长过程中生物分子和晶核及表面之间的晶格匹配。

氨基酸及多肽在方解石表面吸附的分子动力学模拟研究

周晓晓1，赵振楠2a，王淑玲2b，谢恬1,2b，沈嘉炜2a

(1.广东药科大学中药学院，广州 511400； 2.杭州师范大学，a.医学院；b.医学实验中心，杭州 310036)

分子动力学模拟；方解石；五聚天冬氨酸；天冬氨酸；赖氨酸

0 引言

从纳米级别的蛋白世界、磁性细菌到介观尺度的牡蛎壳、珊瑚、象牙、骨骼和牙釉质，生物体发展了一套系统的化学体系，将硬物质和软物质结合起来，设计合成各种功能性的有机无机复合材料的系统，这个合成过程称为生物矿化[1]。生物体对生物矿化过程的调控是一个复杂的多层次过程，其中生物大分子的构象和排列及其与无机矿物相的相互作用是生物矿化过程的两个主要方面，因此生物分子在晶体表面的选择性吸附是生物矿化研究的关键问题之一[2]。

尽管许多实验表征方法，如原子力显微镜(atomic force microscopy，AFM)、扫描电镜(scanning electronic microscopy，SEM)、透射电镜(transmission electron microscope，TEM)、X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)等加深了人们对生物矿化机理的认识[3-5]，但是在原子及分子水平上，人们对生物分子与无机晶体颗粒及其表面相互作用(如吸附驱动力、结合位点、生物分子构型变化、溶剂作用等)和无机晶体颗粒在生物分子调控下的组装动力学过程的理解仍然十分有限[6]。计算机模拟是联系理论和实验之间的桥梁，其中，分子动力学(molecular dynamics，MD)模拟在研究生物分子/无机材料复合体系的相互作用和组装中，已展现出巨大的作用。该方法不仅可以获得界面上生物分子的取向、构型、相互作用位点，吸附自由能等结构及热力学信息，也能够了解分子自组装的动力学行为。Hoefling等[7]通过MD研究20个氨基酸在Au(111)表面的吸附作用，发现其相互作用自由能与氨基酸形成β-折叠的现象密切相关，即指出肽结合金的吸附原理和金表面附近氨基酸易形成β-折叠的现象。Nawrocki等[8]用基于MD的伞式采样方法来研究水溶液中ZnS(110)表面附近的20个氨基酸的平均力场势能，证明了ZnS表面和氨基酸之间相互作用与吸附构象的相关性。

碳酸钙(CaCO3)是自然界广泛分布的天然矿物质，也是一种常见于生物体的无机材料，并在生物体中发挥着重要的作用，是一种研究生物矿物和仿生材料的生长机制的理想模型系统[9]。本文以CaCO3方解石(calcite)晶型作为生物矿化研究的模型，通过分子动力学模拟，分别研究赖氨酸、天冬氨酸和五聚天冬氨酸在方解石(104)晶面的吸附过程，并探究其吸附特点及动力学机制。

1 模拟方法和模拟细节

1.1 方解石表面和模型

图1 方解石(104)晶面(圆点代表Ca2+，粗短线代表

1.2 模拟细节

1.3 力场参数的校正与设定

1.3.1 SPC/E水模型及LJ势参数拟合

表1 Ca2+和在SPC/E和TIP4P_Ew水模型中的水化自由能及实验值 kJ/mol

图在TIP4P_EW和SPC/E水中的解离自由能

图3 Ow和Oc在方解石(104)晶面的归一化密度注：Ow代表水中氧原子；Oc代表碳酸根中的氧原子。

1.3.2 其它相互作用的力场参数

图4 增加Lennard-Jones (12, 6)势C12斥力参数获得的不同浓度Na2CO3溶液的密度。

2 结果与讨论

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)晶面吸附状态正面

(b) 五聚天冬氨酸在方解石晶面吸附状态侧面

2.2 天冬氨酸和赖氨酸在方解石(104)晶面的吸附

自由能是检验判断一个热力学过程是否自发进行的有效方法[23-25]。在分子动力学模拟中，通常利用计算平均力势能或者热力学积分法来计算生物体系的自由能。在本研究中计算天冬氨酸及赖氨酸等小分子在方解石(104)晶面吸附的自由能时，采用的是计算平均力势能。天冬氨酸和赖氨酸的在方解石(104)晶面的典型吸附状态及在晶面的吸附自由能如图6 (a)-(b)所示。天冬氨酸和赖氨酸在晶面的吸附自由能如图6(c)所示，天冬氨酸在距离晶面0.40 nm处有一个吸附自由能的最小值，即天冬氨酸在该位点时在方解石(104)晶面的吸附最为稳定；赖氨酸在距离0.36、0.46 nm有两个吸附自由能的局域最小值，即在该两位点时在晶面的吸附最为稳定。

为探究天冬氨酸和赖氨酸在方解石(104)晶面上的吸附自由能与相应结构的关系，作者对其稳定的吸附构象进行进一步的分析。结果表明，天冬氨酸稳定吸附于方解石表面时，有两个结合位点，主要是带负电的羧基与带正电的钙离子以及N端带正电的氨基和带负电的碳酸根之间的静电相互作用，此外氨基与羧基除了静电相互作用外，氨基中的氮和碳酸根中的氧原子还通过水分子形成氢键进行桥连，即天冬氨酸中的羧基和氨基是影响其在方解石(104)晶面吸附的重要因素。赖氨酸稳定吸附于方解石(104)晶面时，也有两个结合位点，主要通过带正电荷的两个氨基分别与方解石(104)晶面带负电的碳酸根之间的静电相互吸引以及水桥氢键和方解石(104)晶面相互作用，即赖氨酸中的两个氨基是影响其在方解石(104)晶面吸附的重要因素。由图6(c)可知赖氨酸在方解石(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，天冬氨酸的作用基团主要是羧基和氨基，而赖氨酸的作用基团是两个氨基，说明相较于羧基，氨基与晶面的相互作用更强。

(a) 天冬氨酸在方解石(104)晶面的典型吸附状态

(b) 赖氨酸在方解石(104)晶面的典型吸附状态

3 结论

有大量研究表明，许多因素可以显著地影响生物分子在生物材料表面的吸附行为，包括分子的结构、无机矿物表面电荷分布、表面的拓扑结构、溶液中的离子强度和pH值等。通过加深理解这些影响因素的作用机理，从而通过改变这些影响因素来调控蛋白质吸附的行为和动力学过程，这在生物矿化、生物材料、生物传感器、蛋白质的分离以及生物电池等领域具有重要意义。

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(责任编辑：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.)