一种新的磷脂分子膜界面分子动力学模拟

黎维新*，潘记四，刘正奇，牛亚兰

（广西科技师范学院 机械与电气工程学院，广西 来宾）

磷脂分子的种类很多，不同磷脂分子一般是由亲水头部基团和两条疏水的碳氢尾链组成，这样的结构便于在水溶液中形成双层膜结构。由磷脂胆碱（简称PC）组成亲水头部基团的磷脂分子是动物细胞中最常见的一种电中性磷脂分子，PC 磷脂分子结构主要是由甘油三脂作为骨架一端连接磷酸基团和胆碱基团，另外连接着两条脂肪酸的长尾链。磷脂分子的带电基团与膜界面很多性质是紧密联系的，如膜界面水分子的结构和动态性、离子与膜的相互作用、纳米材料与磷脂分子的作用等[1]。近年来，有研究团队通过交换自然存在的PC 膜的磷酸基团和胆碱基团的位置，人工合成一种新的磷脂分子——翻转磷脂（PCE）[2]。实验和分子模拟研究表明相比自然的磷脂分子组成的PC 膜，翻转磷脂分子组成的PCE 膜有许多不一样的性质[2-3]。实验结果显示虽然PC 膜和PCE 膜拥有相同带电基团，但它们整个膜界面的水分子平均偶极取向是相反的[4]。我们前面工作也指出磷脂分子基团位置的改变使膜界面水分子氢键网络发生重大的调整[5]。由于理解膜界面的水分子性质对于理解许多生物过程是非常关键的[6]，而基团位置互换后对翻转膜界面上水分子结构性质影响的认识还远远不够。为此，本文利用分子动力学方法对翻转磷脂膜和自然的磷脂膜进行研究，其中重点关注膜界面各基团附近水分子的差异。

1 系统参数和计算方法

系统模拟选用的软件是Gromacs 4.5[7]，选取了自然存在的DOPC 分子组成磷脂双层膜和人工合成的DOPCE 分子组成的磷脂双层膜系统。DOPC 和DOPCE 磷脂分子结构如图1 所示，图中标示了胆碱基团和磷酸基团的位置。每个模拟系统是含72 个磷脂分子和2 300 个水分子。系统经过平衡模拟后，在NPT 系综继续跑了200ns 模拟进行数据的采集和分析。水分子选用的SPC/E 水模型，磷脂膜力场来自经典磷脂膜Berger 力场和Gromacs 参数结合。

图1 DOPC 和DOPCE 磷脂分子的分子结构示意

2 结果与讨论

膜系统的组成成分沿膜法向的粒子数分布反映了其在膜内的分布。这里选择了水分子、胆碱基团(N)、磷酸基团(P)和疏水的脂肪酸链的碳氧双键(C=O)这些系统组成部分。从图2 可以看出两个系统水分子沿膜中心分布在DOPC 和DOPCE 膜的胆碱基团N 和磷酸基团P 分布区域是重叠的，表明两膜系统的水分子都能深入膜内部。DOPC 膜的水分子分布曲线在距离膜中心1 nm 处位置接近于0，而DOPCE 膜水分子在距离膜中心小于1 nm 处的分布接近为零，这表明水分子在DOPCE 膜中更加深入膜内部，接近脂肪酸链的C=O 区域里面，进入疏水区域。至于胆碱N 和磷酸基团P 的分布曲线，在DOPC 膜中胆碱基团N 分布比P的分布更加靠近膜外，而在DOPCE 膜中则是磷酸基团P 的分布比胆碱基团N 分布更靠近膜外，这与它们两个的分子结构的位置是一致。

图2 DOPC 和DOPCE 膜系统各成分沿膜法向的粒子数分布

本文接着计算了两种膜分子的磷酸基团和胆碱基团周围水分子径向分布函数g(r)[8]，如图3 所示。首先关注磷酸基团P 周围水分子分布情况，DOPCE 和DOPC 膜的磷酸基团P 周围水分子径向分布函数的峰值位置没有明显变化，但是DOPCE 膜第一个峰值要比DOPC 膜要稍微高一些。至于胆碱基团N 周围水分子分布，由图3 可见DOPCE 径向分布函数第一个峰值要比DOPC 膜的明显要低一些。由于径向分布函数曲线积分可以反映周围水分子数的增减，因此翻转磷脂膜的磷酸基团P 附近包围的水分子稍微多一些，而其胆碱基团附近的水分子则是明显地减少。

图3 DOPC 和DOPCE 膜中胆碱基团N 和磷酸基团P 周围水分子径向分布函数

为了深入认识翻转磷脂膜的胆碱和磷酸基团的周围水分子环境变化，本文研究了膜界面水分子的平均偶极取向沿膜法向的分布。如图4 中内嵌的小图所示，z 方向代表膜界面的法向方向，即是由膜中心指向膜界面外的方向，取水分子的偶极取向与z 方向的夹角θ 平均值来衡量水分子的平均偶极取向。是统计距离膜中心同一位置的水分子偶极取向角进行平均。当为正的时候，水分子的偶极取向朝向膜外；当为负的时候，水分子的偶极取向指向膜内部。由图4 可见，翻转磷脂DOPCE 膜各位置的水分子平均偶极取向主要是正的，表明偶极朝向膜外的水分子数量整体占优势，而DOPC 膜界面水分子的平均偶极取向是负的，说明其水分子偶极主要是朝向膜内部。该结果表明翻转磷脂膜基团的位置交换使膜界面水分子平均偶极取向改变，与前面的实验和模拟报道是一致的[4]。水分子平均偶极取向和膜界面的磷脂分子的相互作用有很大关系，而磷脂分子各基团与其第一壳层的水分子相互作用最为强烈，为此，我们进一步分析了磷脂膜的磷酸基团和胆碱基团附近水分子平均偶极取向沿膜法向的分布。

图4 DOPC 和DOPCE 膜系统水分子平均偶极取向沿膜法向的分布

根据水分子在磷脂分子的两个带电基团位置可分为三类：一类仅在磷酸基团第一壳层内的水分子(P)；一类仅在胆碱基团第一壳层内(N)；第三类是同时属于磷酸基团和胆碱基团的(PN)，即在磷酸基团和胆碱基团第一壳层的重叠区域。图5 显示了膜系统中这三类水分子的平均偶极取向沿膜法向的分布。从图5 可见，DOPC 膜系统中除了胆碱附近水分子N 在靠近体相水侧存在部分是正的，沿膜界面的较大范围位置上它的三类水分子平均偶极取向是负的，表明自然存在的DOPC 膜基团附近水分子偶极主要都朝向膜内。与此不同的是，DOPCE 膜界面的三类水分子差异却很大：（1） DOPCE 膜界面大部分位置的N 类水分子平均偶极取向是正的，而DOPC 膜的N类水分子是负的，即出现水分子偶极取向相反的现象；（2） PN 类水分子靠近膜中心侧平均偶极取向是负的，靠近体相水侧是正的，而在DOPC 膜中PN 类水分子平均偶极取向主要是负的，说明也存在水分子偶极取向相反的现象；（3） P 类水分子分布都是负的，两膜系统没有明显差异。翻转磷脂膜基团的位置交换使与胆碱相关的N 类和PN 类水分子偶极取向变化较大，水分子的平均偶极取向都出现方向相反现象。至于这一问题，我们认为由于磷酸基团拥有四个氧原子容易跟周围水分子形成稳定的氢键，较长时间地束缚着水分子，使它附近水分子能较长时间保持水分子的偶极取向。而胆碱基团不易与周围水分子形成氢键结构，其周围水分子容易受到基团位置变化的影响，当胆碱基团跟磷酸基团位置交换后，其更靠近膜内部，越往膜里面的水分子数越少，且膜内空间要相对更拥挤，这造成与胆碱基团相关的水分子偶极取向容易受到影响，所以与它相关的水分子偶极取向变化明显。

图5 DOPC 和DOPCE 膜界面不同类型水分子（P，N，PN）平均偶极取向沿膜法向的分布

3 结论

通过对翻转磷脂膜的分子动力学模拟，本文发现：（1） 翻转磷脂膜中水分子能更深入膜内。（2）相比自然磷脂膜，翻转磷脂膜的磷酸基团第一壳层拥有的水分子数目更多，而它的胆碱基团水分子要更少一些。（3） 翻转磷脂膜界面水分子的平均偶极取向是逆向的，且与翻转磷脂膜中胆碱基团相关的N 和PN 类水分子的偶极取向都存在方向相反的现象。我们认为翻转磷脂膜界面处水分子的平均偶极取向变化主要与其胆碱基团位置的水分子偶极取向变化有关。