生物分子界面作用的模拟研究

论文摘要

蛋白质是重要的生物分子,是生命的物质基础。它与外界环境的界面作用与很多生命过程如细胞粘附、组织发育等密切相关。理解蛋白质与表面的相互作用及机制,不仅具有重要的基础意义,而且在纳米材料生物效应的研究中也有着潜在的应用价值。我们利用两种计算模拟方法,搭建了多尺度的模型系统,围绕蛋白质界面作用的重要环节（吸附、脱附等）及其关键影响因素（界面水等）进行了系统的研究,并观察到了生物分子界面行为中的标度关系。本论文的第三章和第四章,我们采用分子动力学模拟方法,对人血清白蛋白在氨基封端的自组装单层所修饰的金纳米表面的界面行为,特别是当溶液pH变化时蛋白质的自发脱附行为,进行了系统的研究。当溶液pH较低时,蛋白质能够通过盐桥作用吸附在表面。当溶液pH升高时,蛋白质处于弱吸附状态,且蛋白质存在横向扩散现象,蛋白与表面之间的夹层水分子数增多。当溶液pH值进一步升高时,进一步增强的蛋白质横向扩散和增多的夹层水分子促进了盐桥的断裂并且抑制了蛋白质和表面之间盐桥的重新形成,蛋白质逐渐从表面脱附。本研究所发现的蛋白的自发脱附过程及其机制有助于纳米材料防污表面的开发和生物安全性的提高。我们首次刻画了蛋白的自发脱附过程并阐明了其中的机制,填补了对蛋白质自发脱附研究的空白。本研究被Physical Chemistry Chemical Physics选为封底文章。通过对蛋白质自发脱附过程的刻画,本文发现界面水分子在蛋白质自发脱附中发挥着重要的作用。因此,调控界面水分子的行为对诱导随机吸附的蛋白质的自发脱附具有重要意义。本论文的第五章,我们采用分子动力学模拟方法研究了自组装单层表面亲疏水基团的混合比例对界面水分子动力学行为的影响。研究发现,随着混合表面中亲水基团比例的增加,表面附近水分子的扩散系数急剧下降。我们认为这是因为混合表面中的亲水基团能够通过氢键相互作用影响很大范围内的水分子。本论文的第六章,我们使用两个平行表面模拟了细胞中的受限环境,采用蒙特卡罗模拟研究了双表面的吸引作用对格点模型的链状分子动力学行为的影响。当表面吸引较弱即低于临界吸附点时,链状分子的平动弛豫时间τ和转动弛豫时间τR与两个表面间距H存在幂次关系τ～H-a和τR～H-β,且标度指数随表面吸引的增加而增大;当表面吸引高于临界吸附点时,这两个标度关系都因为链状分子在表面的吸附而被破坏掉。我们对受限链状分子的动力学性质的研究,对于开发利用受限来操纵生物分子界面行为的器件非常重要。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 蛋白质的吸附现象
•     1.2.1 蛋白质吸附的应用
•     1.2.2 蛋白质吸附所带来的挑战
•   1.3 影响蛋白质界面作用的因素
•     1.3.1 蛋白质本身的性质
•     1.3.2 材料表面的物理化学性质
•     1.3.3 外界环境的因素
•     1.3.4 表面水化层的影响
•   1.4 抗蛋白吸附材料的研究进展
•     1.4.1 抗蛋白质吸附机理
•     1.4.2 材料表面改性及其在抗吸附材料研究中的应用
•   1.5 本论文的研究内容及意义
• 2 模型及模拟方法
•   2.0 引言
•   2.1 分子动力学模拟方法
•     2.1.1 分子动力学背景介绍
•     2.1.2 运动方程的积分
•     2.1.3 周期性边界条件
•     2.1.4 力场
•     2.1.5 系综理论
•     2.1.6 Gromacs软件简介
•   2.2 蒙特卡罗模拟方法
•     2.2.1 蒙特卡罗统计原理介绍
•     2.2.2 Metropolis重要性抽样方法
•     2.2.3 高分子的粗粒化模型
• 3 溶液pH对蛋白质吸附的影响
•   3.1 研究背景
•   3.2 模型及方法
•     3.2.1 蛋白质模型
•     3.2.2 表面模型
•     3.2.3 模拟细节
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 水溶液中蛋白质结构的平衡
•     3.3.2 蛋白质的稳定吸附
•     3.3.3 蛋白质的弱吸附
•   3.4 小结
• 4 吸附态蛋白质对溶液pH改变的响应
•   4.1 研究背景
•   4.2 模型及方法
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 蛋白质的弱吸附
•     4.3.2 蛋白质的自发脱附
•   4.4 小结
• 5 界面水分子动力学行为的研究
•   5.1 研究背景
•   5.2 模型和方法
•     5.2.1 表面模型
•     5.2.2 模拟细节
•   5.3 结果与讨论
•   5.4 小结
• 6 双表面对链状分子动力学行为的影响
•   6.1 研究背景
•   6.2 模型及计算方法
•   6.3 结果与讨论
•   6.4 小结
• 7 总结与展望
•   7.1 研究工作总结
•   7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 田冉冉

导师: 罗孟波,李敬源

关键词: 蛋白质,界面水分子,生物分子,吸附,脱附,分子动力学模拟,蒙特卡罗模拟

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 数学,生物学

单位: 浙江大学

分类号: Q51;O242.2

总页数: 110

文件大小: 7982K

下载量: 138