环状酪氨酸二肽自组装行为的分子动力学模拟

李佳宇，李明林,2

(1.福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350108；2.福建省医疗器械与医药技术重点实验室，福建 福州 350108)

0 引言

自组装在许多动态、多组件系统中很常见，从智能材料、自愈结构到网状传感器中都能看到自组装的身影，它是制造纳米结构集成的少数实用策略之一.肽分子可以通过非共价相互作用[1]进行自组装，形成形态稳定、规整的纳米结构.单个肽分子的特征尺寸[2]约为2～30 nm.因此，任何肽基材料都可能被正式指定为纳米材料.由于肽分子的结构特征，肽分子中的原子具有空间有序性，这种有序排列的官能团确保肽分子自组装成各种结构，如胶束、囊泡、纤维及各种有序的图案等[3]，形成的结构类型取决于许多因素[4]，包括溶液的pH值、光照、温度等条件.

二肽具有良好的光电特性、压电性能和响应特性[5]，还具有容易制备和掺杂、低成本等工艺特点，在微电子器件、药物释放、组织工程等领域具有良好的应用前景.针对苯丙氨酸的光电特性已有大量研究且制备了多种基于苯丙氨酸的传感器[6].酪氨酸二肽与苯丙氨酸二肽作为氨基酸类衍生物，有许多相同特性，但酪氨酸二肽具有更强的非共价键[7].Kwak等[8]发现包含酪氨酸端基的分子在水溶液中会自组装成球形纳米结构，且表现出光致发光现象.Shi等[9]构建环状酪氨酸二肽(cyclo-dityrosine，CYY)纳米纤维，发现其具有负光电导性和光电导性，热效应导致基于CYY的光电存储器电阻增加，影响导电性能.目前对酪氨酸二肽的研究较少，缺乏在微观方面对自组装机理的解释.分子动力学方法不仅能提供聚集体直观的三维结构，而且还能提供一些结构和动力学性质.本研究采用分子动力学探究不同温度CYY在水溶液中的自组装行为.

1 实验模型与方法

Lan等[10]发现，在质量分数为5%的溶液中CYY会自组装成凝胶.基于以上实验，构建1个 5 nm × 5 nm × 5 nm的立方体模拟盒子，再将一定数量的CYY分子随机分布在盒子中.CYY的分子结构如图1所示，在其分子周围加水进行溶剂化，得到质量分数为4%～24%的CYY溶液.其中，质量分数为19%的结构较为规整，选取该体系作为模拟的初始盒子.如图2所示，水分子用蓝色的点模型表示，CYY分子用红色的 CPK(corey-pauling-koltun)模型表示.通过构造298～403 K时的温度，以此探究温度对CYY的自组装影响.

图1 CYY的分子结构Fig.1 Molecular structure of CYY

图2 初始模型Fig.2 Initial model

分子动力学模拟选择GROMOS 54a7[11]力场，在GROMACS 4.0.5软件中实施.建立初始构型，采用三维周期性边界条件，对每个体系进行能量最小化.接着分别使用正则系综(NVT)、等温等压系综(NPT)进行弛豫，将溶质和溶剂耦合到外部温度浴和压力浴中.该过程选择Berendsen恒温器和Parrinello-Rahman恒压器，压力维持在100 Pa，模拟步长设为2 fs，温度设为298～403 K，每个体系模拟时长为40 ns.以LINCS约束算法来约束分子键长，水分子简化为刚性(SPC)模型，并采用可视化分子动力学模拟(VMD)软件对原子轨迹进行可视化.

2 实验结果与讨论

2.1 聚集体结构

如图3所示，溶剂可及表面积(solvent accessible surface area，SASA)可用来检测自组装聚集体的完成情况和稳定性，其中，黑色曲线为CYY整体的SASA，红色曲线表示电荷为-0.2～0.2之间的疏水基部分，蓝色曲线为其他电荷的亲水基.

图3 不同温度下的SASAFig.3 SASA at different temperatures

在模拟过程中亲水基的SASA始终大于疏水基，所以从宏观上讲，CYY自组装形成的纳米结构是水溶性的.298 K时，SASA在5 ns左右骤降，与水溶液接触的表面积减少，并在随后的模拟时间内维持一个稳定的数值，表明自组装已完成.408 K时，SASA震荡幅度过大，此时纳米结构较为不稳定.在VMD中观察模拟结构，不同温度下的CYY均能在25 ns内聚集在一起.

图4为CYY在31.9 ns的聚集体结构主视图，CYY分子用红色的CPK模型表示.当温度为298～358 K时，CYY均形成了纳米柱结构且能在水溶液中保持稳定.当温度为373和403 K时，CYY自组装成团簇状纳米球结构，说明温度对CYY的自组装结构有一定的调控作用.

图4 不同温度下的凝聚态结构Fig.4 Views of the configurations at different temperature

2.2 相互作用

计算不同体系的库伦和范德华相互作用能量.如图5所示，CYY分子之间的相互作用均大于CYY与水分子之间的相互作用，表明CYY在水溶液中依靠静电相互作用和范德华力的协同作用完成自组装.其中，范德华相互作用的大小远远小于静电相互作用的大小，数值约为静电相互作用的1/3，表明静电相互作用是自组装的主要推动力.当温度从298 K升高到403 K时，体系的相互作用并没有出现明显升高或降低的趋势，而是稳定在一个平衡值左右，表明温度的变化不会显著影响自组装过程中的非共价相互作用力.

2.3 氢键

氢键网格被广泛应用于水溶液中的自组装研究，计算不同体系的氢键数目，如图6所示.

图5 体系相互作用Fig.5 Interaction energy

图6 氢键数目Fig.6 Number of hydrogen bonds

当水分子作为氢键上的受体时，CYY分子上的O1、O2、O3和O4(图1)可以与水分子形成氢键.氢键对于温度较为敏感，随着温度的升高，氢键逐渐断裂，氢键数目整体呈降低趋势，在403 K时氢键数目最少.O1和O4与水分子形成的氢键小于O2和O3与水分子形成的氢键，说明CYY分子上的肽键更容易与水分子形成稳定的氢键网格，从而推动聚集情况的发生.对比范德华力和静电相互作用的较小变化，氢键可能在自组装过程中起到了更大的作用.但是当温度大于373 K时，加热处理会减少自组装的氢键数目，从而降低自组装结构的稳定性.

3 结语

自组装技术的关键是自组装体接近或达到热力学平衡状态，从而保持结构的稳定.采用分子动力学模拟研究了CYY在不同温度下的自组装行为.结果表明，在298～358 K，CYY分子可以在很短的时间内完成自组装，形成一维纳米柱结构，并保持结构的稳定.在373和403 K时，CYY会自组装成球状纳米结构.通过分析CYY分子之间的相互作用，以及CYY分子与水分子之间的相互作用，得出氢键起到了主要的推动作用，他与静电相互作用、范德华力协同作用，共同完成CYY分子在水溶液中的自组装.当温度大于373 K时，自组装结构变化较大难以在水溶液中保持稳定，表明在高温情况下，CYY自组装结构极易塌陷，难以维持稳定的纳米结构.温度对CYY的自组装结构有一定的调控作用，298～358 K为适宜CYY分子自组装的环境参数.