碳纳米管作用下淀粉样蛋白片段的组装和外场中纳米水的组装

论文摘要

最近的实验和理论研究表明,碳纳米管具有一定的生物特性和仿生特性。比如,碳纳米管会影响淀粉样蛋白质聚集的过程；碳纳米管可以作为生物通道或核糖体的简化模型,等等。虽然这方面已有不少的实验工作,然而,碳纳米管与蛋白质分子间的相互作用的详细情况仍然没有得到很好的理解。在本论文中,我们采用全原子分子动力学模拟（MD）研究了的老年痴呆症有关的淀粉样蛋白Aβ（Aβ25-35）在碳纳米管表面的吸附特性,构象变化以及形成p桶结构的动力学过程。在该过程中,我们发现了碳纳米管诱导的自组装。为了深入理解这种组装的机理,我们基于一个简单模型和系综理论研究了刚性大分子组装的各种可能的驱使力。另外,生物通道和核糖体中受限的纳米水结构也有着重要的生物意义,同时也得到了广泛的关注。本论文中,我们通过大量的计算机模拟对外场作用下的碳纳米管中受限水的各种相行为进行了研究。发现受限于纳米碳管中的水在外电场作用下有新的纳米冰相存在。本论文分为四个部分：第一章是绪论部分,介绍了蛋白质的性质、研究意义和现状,以及碳纳米管的结构和性质；第二章是原理和方法部分,主要介绍计算机模拟的方法和系综理论；第三章,第四章和第五章是第三部分,是本文的核心,采用分子动力学方法模拟了肽的低聚体在碳纳米管表面形成p桶结构的动力学过程；基于系综理论研究了疏水作用驱使的大分子自组装的热力学性质；还研究了在外电场作用下碳纳米管中的受限水的相变行为。第六章为第四部分,是本文的总结与展望。各章详细内容如下：第一章简单介绍了蛋白质的性质、研究意义和现状,并介绍了碳纳米管对蛋白质构型的影响。第二章介绍了本文所用的一些研究方法,包括：分子动力学方法,系综理论。第三章中,我们研究了在纳米碳管的诱导下,两个Aβ25-35四聚体的p片层在碳管表面形成β桶结构的动力学过程。Aβ25-35的p桶的形成至少涉及两个步骤：（1）碳纳米管与Aβ25-35的疏水侧链间的强疏水相互作用造成Aβ25-35组成的p片层的弯曲；（2）伴随p片层内部氢键网络的重构,两片层接口处肽链主干间形成氢键。详细分析表明,β桶结构的形成来源于碳纳米管表面与蛋白之间的去水效应和蛋白与蛋白之间的相互作用的共同贡献。而这种β桶结构对抑制淀粉样纤维形成是有积极作用的。第四章中,我们基于系综理论研究了疏水作用驱使的大分子自组装的热力学性质。并发现,熵和焓（源于疏水作用）可以协同驱使大分子发生自组装。第五章中,我们研究了在外电场作用下碳纳米管中的受限水的相变行为。些新的纳米水相在我们的研究中被发现,同时,电场驱使的受限水的相变也在我们的模拟中看到在第六章中我们对本文的工作进行了总结,并对后续研究进行了展望。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 研究背景
• §1.1.1 研究意义
• §1.1.2 研究现状
• §1.2 蛋白质简介
• §1.2.1 蛋白质的结构
• §1.2.2 蛋白质的性质
• §1.2.3 蛋白质的功能
• §1.3 碳纳米管简介
• §1.3.1 碳纳米管的结构
• §1.3.2 碳纳米管的性质
• §1.3.3 碳纳米管的生物功能
• §1.4 蛋白质和碳纳米管相互作用
• §1.4.1 实验方面的研究
• §1.4.2 理论方面的研究
• 参考文献
• 第二章 分子动力学与系综理论
• §2.1 分子动力学方法
• §2.1.1 经典多粒子系统内部的相互作用
• §2.1.2 经典多粒子系统与外界的相互作用
• §2.1.3 经典力学的描述
• §2.1.4 分子动力学模拟的步骤
• §2.1.5 常用力场介绍
• §2.1.6 分子动力学的元胞和周期性边界
• §2.2 系综理论
• §2.2.1 系综定义
• §2.2.2 相空间 刘维尔定理
• §2.2.3 微正则系综、正则系综和巨正则系综
• 参考文献
• 第三章 碳纳米管诱导下Aβ25-35低聚体形成的β桶结构
• §3.1 引言
• §3.2 理论模型和方法
• §3.2.1 模型
• §3.2.2 模拟参数
• §3.3 结果和讨论
• §3.3.1 数据分析
• §3.3.2 碳管表面的两个β平行折叠的四聚体
• §3.3.3 碳管表面的两个β反平行/平行混合折叠的四聚体
• §3.3.4 碳管表面的两个β折叠五聚体
• §3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 刚性蛋白质及刚性纳米颗粒自组装的热力学机理研究
• §4.1 引言
• §4.2 模型和方法
• §4.3 计算过程
• §4.4 分析与讨论
• §4.4.1 水分子间相互作用对自组装行为的影响
• §4.4.2 大分子的亲水性对自组装行为的影响
• §4.4.3 水分子间相互作用驱使的自组装
• §4.4.4 解离-组装两相的相图
• §4.5 结论
• 参考文献
• 第五章 碳纳米管中的受限水在外场下的相变行为
• §5.1 引言
• §5.2 计算细节
• §5.3 结果与讨论
• §5.3.1 受限水随温度和电场变化时的相变行为
• §5.3.2 相变过程中水分子的物理特性分析
• §5.3.3 电场在受限水相变行为中的驱使作用
• §5.3.4 关于电场和温度的E-T相图
• §5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 论文列表及其它
• 致谢