溶剂化效应对阴离子型天冬氨酸在HA (110)表面吸附行为影响的密度泛函理论研究

王 群, 孙玉希, 赵 洪, 潘文慧,马 燕, 马 萃

(1. 绵阳师范学院生命科学与技术学院, 绵阳 621006; 2. 绵阳师范学院光致功能材料重点实验室, 绵阳 621006)

1 引 言

羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HA)作为硬组织的主要无机成分, 具有优异的生物相容性和良好的生物活性, 及较好的骨传导能力, 可以广泛应用于骨修复或矫形外科手术中[1, 2]. 当HA植入体内时, 周围的蛋白质、体液会自发吸附于材料表面, 从而进一步诱导细胞附着、增殖和迁移等行为. 因此, 蛋白质吸附在HA表面对其生物学性质起着非常重要的作用[3].

天冬氨酸(ASP)是自然界中最丰富的人体的20种氨基酸之一, 而且天冬氨酸是三肽序列精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(ARG-GLY-ASP, RGD)的碳端, 在生物医学领域具有特殊的用途[4]. 研究表明ASP可以作为晶体生长的催化剂, 从而调节生物矿化[5], 例如, Eidenassmann等人[6]研究了ASP对羟基磷灰石-明胶体系的矿化影响. ASP也可以是无机磷灰石材料的成核剂, 可以促进细胞外基质矿化、诱导细胞分化, 进而影响骨的生长, 因此能够用来治疗骨相关疾病[7, 8]. 研究表明ASP还可以作为HA生长的抑制剂, 研究专家对它们的抑制机理也进行了详细地研究, 例如, Huang等人[9]研究发现HA的晶体生长受到ASP抑制, 而且抑制活性随着ASP浓度的增加而增加. 研究者也对ASP在HA表面的吸附机理进行了研究, 比如, Tanaka等人[10]研究了ASP, 丙氨酸(ALA)和赖氨酸(LYS)在HA表面的吸附. 研究表明ASP和LYS分别在弱酸性和弱碱性溶液中对HA具有较高亲和力, 但发现ALA的亲和力几乎与溶液的pH无关.

通常生物分子与生物材料之间的相互作用发生在固液表面, 因此, 不同溶剂环境对生物分子和生物材料之间的相互作用也起着不可估量的影响[11, 12]. Wang等人[11]用分子动力学和密度泛函理论方法研究了骨形态蛋白-7与纳米结构HA的相互作用, 发现水溶剂会大大削弱它们之间的作用. Zhang等人[12]用分子动力学方法研究了色氨酸, 丝氨酸, 精氨酸和天冬氨酸在HA (100)水层中的吸附, 他们表明当吸附的氨基酸分子占据Ca和P位点时, 可以抑制和调节HA在其晶面的生长. 吸附的氨基酸层也可以改变水合层的界面并影响HA中离子进出的运输, 从而控制生物矿化. 应允攀等人[13]采用密度泛函理论结合COSMO溶剂模型的方法，研究了溶剂效应对两种典型MOF材料几何结构及电子稳定性的影响.

尽管实验和理论研究提供了一些有价值的参考信息, 但在不同溶剂中氨基酸与HA (110)表面的相互作用机理较难用传统实验方法解释清楚, 尤其是对吸附过程中的电子分布、电荷转移等情况无法直观彻底地了解. 因此, 计算模拟是研究生物分子与生物材料表面相互作用的行之有效的方法之一. 本研究采用第一性原理密度泛函理论的方法, 通过吸附能、态密度、布居电荷和差分电荷密度等详细地研究了ASP在真空条件、隐形溶剂、水环境和水层中与HA (110)表面的相互作用机理. 期望研究结果对氨基酸在不同溶剂条件下与HA的作用提供有价值的理论参考信息.

2 模型的建立和计算方法

2.1 模型的建立

天冬氨酸模型: 图1a展示了阴离子型ASP的三维结构, HOOCCH(NH2)CH2COO-为其分子式. 可以看出一个ASP分子含有三个功能团, 即α-氨基(α-NH2),α-羧基(α-COOH)和β-羧酸根离子(β-COO-).

HA (110)模型：HA (110)模型是通过HA切面获得, 本研究构建了一个88个原子的HA (110)双胞结构, 赋予HA (110)周期性, 并在其上方加上厚度为25 Å的真空层, 结构优化之前和优化之后如图1b和1c所示. 本研究中采用HA (110)晶面用于研究与ASP之间的相互作用，是因为此表面不仅对分子具有较高吸附强度，而且也是大量理论和实验研究中发现的较稳定的表面[14,15].

图 1 (a) 天冬氨酸阴离子的三维结构图; (b) HA (110)表面结构优化前的三维结构图; (c)HA (110)表面结构优化后的三维结构图.Fig. 1 Three dimensional structures of anionic aspartic acid after the geometry optimization (a), HA (110) surface before (b) and after (c) the geometry optimization.

ASP在HA (110)表面不同溶剂中的吸附模型:

第一个模型为真空条件下模型, 将优化了的阴离子型ASP放置于HA (110)表面, 称之为ASP-HA (110)-Vacuum模型, 结构优化之后如图2a所示；

第二个模型为隐形溶剂模型, 在第一模型基础上加上隐形溶剂水COSMO-water, 称之为ASP-HA (110)-CW模型, 结构优化之后如图2b所示；

第三个模型为水环境模型, 在第一模型基础上将阴离子型ASP中-COO-附近放三个水分子, HA (110)表面随机放置3个水分子, 称之为ASP-HA (110)-WE模型, 结构优化之后如图2c所示；

第四个模型为水层模型, 在第一模型基础上先在HA (110)表面放一层水分子, 本研究中放置了六个水分子, 然后在HA (110)和水层优化完之后, 其水层表面放置阴性ASP分子, 称之为ASP-HA (110)-WL模型, 结构优化之后如图2d所示.

图2 结构优化之后的(a) ASP-HA (110)-Vacuum模型；(b) ASP-HA (110)-CW模型；(c) ASP-HA (110)-WE模型；(d) ASP-HA (110)-WL模型.Fig. 2 After the geometry optimization: (a) ASP-HA (110)-Vacuum; (b) ASP-HA (110)-CW; (c) ASP-HA (110)-WE; (d) ASP-HA (110)-WL models.

2.2 计算方法

本研究用量子力学中的基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)进行研究, 使用Accelrys公司生产的Materials Studio中的Dmol3模块进行计算. 该模块中物理波函数用数值基组表示[16, 17]. 采用双重数值基组, 用DFT半核赝势处理内层电子[18], 用Perdew-Burke-Ernzerhof的广义梯度近似计算交换-关联能[19], 布里渊区域内的K点设置为2 × 2 × 1[20], 费米拖尾效应(Fermi smearing)值设置为0.005 Ha (1 Ha = 27.2114 eV) , 全局轨道截断(global orbital cutoff) 值设置为5.2 Å. 体系的几何构型优化和能量计算收敛标准为: 自洽循环数量级(SCF tolerance)不大于1.0 × 10-6Ha / atom; 能量数量级(energy)不大于1.0 × 10-5Ha / atom; 最大应力(Max. force)不大于0.002 Ha / Å; 最大位移(Max. displacement)不大于0.005 Å.

2.3 吸附能

吸附能(adsorption energy,Eads)是反映ASP和HA表面之间相互作用强度的参数,可以根据方程(1)计算得到

Eads=Etotal-(EASP+EHA)

(1)

其中Etotal,EASP,EHA分别代表吸附体系的总能, ASP的能量和HA(110)表面的能量. 如果Eads< 0, 则是热力学上稳定吸附的体系,Eads负值越大表示体系越能稳定存在[21,22]. 本研究中吸附能的值如表1所示.

3 结果与讨论

3.1 不同溶剂中阴离子型ASP在HA (110)表面的吸附能分析

ASP吸附在各种HA (110)表面, 吸附能如表1所示. 在真空条件下(Vacuum), ASP吸附在HA 表面有最大的吸附能, 为-4.09 eV, 而且它们之间是典型的化学吸附. 在其表面形成了一个“bridge bidenate”O-Ca-O和一个“monodenate”Ca-O相互作用, Ca-O距离分别为2.328 Å、2.212 Å和2.305 Å, 如图2a所示. 在隐性溶剂水的条件下(CW), ASP也能较稳定地吸附于HA (110)表面, 吸附能为-2.57 eV, 说明隐性溶剂水分子阻碍了ASP在其表面的吸附, 虽然在其表面也形成了一个“bridge bidenate”O-Ca-O和一个“monodenate”Ca-O相互作用, 但是Ca-O距离都有所增大, 分别为2.458、2.459和2.336 Å (图2b). 在水环境的条件下(WE), ASP吸附在HA表面, 吸附能大大减小, 变为-0.76 eV, 且它们之间仅仅存在典型的物理吸附, ASP的-COO-以及水分子和PO4中O原子之间形成了三个-COO-…H2O…OPO3“water-bridged”氢键, 如图2c所示. 在水层的条件下(WL), ASP吸附在HA表面, 吸附能相对于真空条件下有所减小, 变为-3.81 eV, 且它们之间不仅存在物理吸附, 也存在化学吸附. 在ASP和HA表面, 不仅形成了一个-COO-…H2O…OPO3“water-bridged” 氢键, 还在ASP中-NH2和水之间形成了一个普通的-NH2…H2O氢键. 而且, 在HA中ASP和Ca原子之间也形成了一个“Ca-O”静电相互作用, 如图2d所示, Ca-O距离分别为2.506和2.508 Å.

表1 不同溶剂中天冬氨酸在HA(110)表面的吸附能

在WL模型中Ca-O的相互作用距离大于真空条件下的相互作用距离, 因此, 与真空模型相比, WL模型的吸附能有所减小. 但同时WL模型中不仅存在Ca-O相互作用, 还存在水桥氢键作用, 因此WL模型中相互作用又比WE模型中大.

总结：吸附能结果表明在不同溶剂中ASP与HA (110)表面作用大小顺序为ASP-HA (110)-Vacuum模型>ASP-HA (110)-WL模型>ASP-HA (110)-CW模型>ASP-HA (110)-WE模型. 此结论表明, 当HA和氨基酸表面有溶剂分子包围时会影响氨基酸在HA (110)表面的吸附, 水分子会阻碍ASP中O原子和Ca原子之间的主要的“Ca-O”静电相互作用, 导致了吸附大大减小, 这也是和文献结果相吻合的. 例如, Wang等人[23]报道HA表面的水分子可以阻止牛血清白蛋白(BSA)移动到HA表面附近, 从而阻碍与HA中的表面原子发生作用, 此外, 氨基酸残基, H2O和HA底物之间也存在水桥氢键作用. Guo等人[24]发现H2O分子在RGD三肽与石墨烯(G)和氧化石墨烯(GO)相互作用过程中, 由于遮挡了G及GO的主要活性位点, 因此在水体系中, RGD对G和GO的吸附作用比真空中弱. 但是此研究中吸附能结果也表明, 当水层中的水未完全遮挡HA表面的Ca原子时, ASP中活性基团-COO-仍然可以和HA中Ca原子相互作用, 形成Ca-O相互作用.

3.2 态密度分析

基于能带理论的态密度 (density of states, DOS) 分析有助于进一步分析ASP与HA之间相互作用的本质. 相邻原子的局域态密度(partial density of states, PDOS)在同一能量处同时出现尖峰, 则将其称之为杂化峰(hybridized peak), 它可以直观地展示相邻原子之间的作用强弱[25]. 本研究中主要分析了ASP与HA相互作用的相邻原子的PDOS图, 如图3所示, 由于在ASP-HA (110)-WE模型中, Ca原子与ASP中O原子未发生相互作用, 故在此PDOS分析中未考虑此模型. 图3展示了另外三种模型在相互作用时Ca原子与ASP中O原子之间峰重叠的位置. 通过PDOS图发现以上三种模型在-25-10 eV之间有峰重叠, 说明两两原子在这些位置有相互作用的可能性.

3.3 布居电荷分析

布居电荷分析有助于帮助我们了解ASP吸附到HA材料表面之后电子的转移情况. 本研究中电子之间的转移情况如表2所示, 因为在ASP-HA (110)-WE模型中不存在Ca-O静电相互作用, 因此, 此研究中只分析了其它三个模型.

图3 原子分态密度图 (a) ASP-HA (110)-Vacuum模型; (b) ASP-HA (110)-CW模型; (c) ASP-HA (110)-WL模型.Fig. 3 The partial densities of states for the (a) ASP-HA (110)-Vacuum; (b) ASP-HA (110)-CW; (c) ASP-HA (110)-WL models.

从表中结果可以看到, 三个模型中均是HA中Ca失去电子, ASP中-COO-的O原子得到电子, 也就是说Ca原子上的电子转移到了ASP的O原子上, 两者之间形成了Ca-O或者O-Ca-O相互作用. 而且研究发现, 在ASP-HA (110)-Vacuum和ASP-HA (110)-CW模型中, 两个O原子均得到了电子, 两个Ca失去了电子, 但是前者中Ca原子和O原子的电荷转移量均大于后者, 因此通过布居电荷分析也可以发现ASP在真空中吸附强于在隐性溶剂中的吸附. 而在ASP-HA (110)-WL模型中只有一个Ca原子失去了电子, 两个O原子得到了电子, 所以在ASP-HA (110)-WL模型中ASP吸附相对于ASP-HA (110)-Vacuum模型较弱. 布居电荷的结果也是和吸附能、态密度结果一致的.

3.4 差分电荷密度分析

电子密度图也可以直观地展示生物分子和生物材料之间的相互作用, 电子密度差可以揭示在吸附过程中电子密度的变化, 如公式(2)所示. 在差分电荷密度图中红色代表该区域原子得到电子, 蓝色代表该区域原子失去电子.

Δρ=ρtotal-(ρASP+ρHA)

(2)

不同溶剂中ASP在 HA (110)表面上的吸附的差分电荷密度如图4所示. 从图4a、4b和4d中可以看到, ASP的-COO-中O原子周围是红色, 表明ASP中O原子与HA相互作用时得到了电子, 而HA表面的Ca原子周围具有明显的蓝色, 表明电子从HA材料表面转移到了ASP的O原子上. 因此Ca原子和ASP中O原子之间生成了“monodenate” Ca-O或“bridge bidenate” O-Ca-O静电相互作用. 而从图4c中, 研究发现在HA表面, 电子缺失出现在PO4的区域, 而电子聚集在ASP中-COO-区域, 因此从差分电荷密度图也可以看出ASP与HA表面通过H2O分子形成-COO-…H2O…OPO3“water-bridged” 氢键作用.

表2 HA表面的Ca原子与天冬氨酸中的O原子布居电荷分析.

Table 2 Population charges of atoms between the Ca atoms of HA and O atoms in ASP.

ASP-HA (110) VacuumatomsBefore adsorptionAfter adsorption△eCa821.5241.5380.014Ca831.5581.5810.033O141-0.362-0.614-0.252O142-0.340-0.757-0.417ASP-HA (110)-CWatomsBefore adsorptionAfter adsorption△eCa821.5601.5730.013Ca831.5421.5520.010O141-0.442-0.621-0.179O142-0.456-0.755-0.299ASP-HA (110)-WLatomsBefore adsorptionAfter adsorption△eCa821.5091.5190.010O141-0.338-0.375-0.013O142-0.463-0.605-0.142

图4 差分电荷密度图. (a) ASP-HA (110)-Vacuum；(b) ASP-HA (110)-CW；(c) ASP-HA (110)-WE；(d) ASP-HA (110)-WL.Fig. 4 A three-dimensional isosurface plots of the deformation electron density with an isovalue of 0. 2 e/Å3. (a) ASP-HA (110)-Vacuum; (b) ASP-HA (110)-CW; (c) ASP-HA (110)-WE; (d) ASP-HA (110)-WL models.

4 结 论

本研究采用DFT的方法研究了不同溶剂条件下阴离子型ASP与HA (110)表面相互作用的机理. 研究发现天冬氨酸与HA材料在真空、隐形溶剂水、水层条件下都可以形成“monodenate” Ca-O或“bridge bidenate” O-Ca-O共价相互作用, 在水环境条件下主要形成“water-bridge”氢键作用. 而且相互作用大小为真空条件下最大, 水层条件次之, 隐性溶剂水中第三, 水环境条件下最小. 但总体来说在所有溶剂条件下, ASP与HA相互作用都有所减小. ASP在不同溶剂条件与HA (110)相互作用机理的研究有望为其它氨基酸在不同溶剂中的应用提供有价值的理论参考.