自组装环肽纳米管的分子模拟研究

论文摘要

由D,L-氨基酸交替连接形成的环状分子,采用平环状构象,通过氨基酸上的C=O和N-H基团与相邻环间形成分子间氢键,而自组装成开放型的环肽纳米管。环肽纳米管结构简单、稳定,易于合成,通过控制环肽氨基酸的数目和种类可以得到适合尺度和外壁性质的纳米管。基于环肽纳米管优越的结构特性,其在分子识别、生物离子通道、超分子自组装、药物设计、电子器件、光电材料和催化材料等方面有许多潜在的应用价值。成为物理、化学、生物和材料科学交叉学科中的研究热点。然而环肽纳米管特别易于聚集,其结构和性质的实验研究比较困难。分子模拟可以在原子水平上对纳米尺度的结构进行细致的研究,为此本文利用分子模拟方法,建立了cyclo-[D-Ala-L-Ala]n （n=3,4,5,6,7,8）, cyclo-[D-Phe-L-Ala]n （n=3,4,5,6,7,8）和cyclo-[（1R,3S）-γ-Acc-D-Phe]n （n=3,4）三个环肽系列的单体、二聚体以及纳米管模型,对环肽单体构象、二聚体的结构和性质、自组装纳米管的结构和性质以及纳米管的自组装和传输机理进行了系统的研究。研究结果表明,在cyclo-[D-Ala-L-Ala]n （n=3,4,5,6,7,8）, cyclo-[D-Phe-L-Ala]n （n=3,4,5,6,7,8）环肽体系中,随着n的增大,分子的构象数增大,环肽越不容易保持平环状的构象;预言了实验上还没有得到的n=7,8的环肽纳米管的平环状分子构象,揭示了环十四和环十六肽纳米管存在的可能性。当环肽由不同种氨基酸组成时,尤其在杂环肽中,它的两个残基面会产生差异,从而影响自组装体的性质。在α,γ杂环肽cyclo-[（1R,3S）-γ-Acc-D-Phe]n （n=3,4）中,由于单体的残基面分别由α,γ-氨基酸残基控制,因此存在差异。由不同氨基酸残基面接触形成的α-α型二聚体比γ-γ型二聚体稳定。以不同的残基面相接触和作为端口的二聚体表现出对CHCl3分子不同的吸附和解吸能力。因此,可以通过改变纳米管端口残基面上的基团结构,对纳米管传输通道实现改性。环肽纳米管的内、外径和纳米管壁厚通过分析纳米管中的原子浓度分布得到。具有相同残基数的纳米管具有相同的内径;纳米管的外径大小受侧链影响;具有相同侧链的纳米管的壁厚相同。水分子在反平行的环肽纳米管中沿轴向呈现一维双向扩散,分子的扩散速度随纳米管直径的增大而加快。在环肽纳米管中,环间的超分子协同作用会改变单体和二聚体在纳米管中的结构和性质。受限于环肽纳米管中的水分子在氢键作用下协同运动;CHCl3在纳米管cyclo-[（1R,3S）-γ-Acc-D-Phe]3内则表现为固体的波动性,MDS偶尔的跳动说明分子在纳米管内可以移动。在对环肽单体、二聚体和纳米管结构、性质模拟的基础上,设计了具有各向异性的纳米管,并且在实验上得到了验证。同时设计了具有定向传输功能的环肽纳米管。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 环肽的来源
• 1.2.1 自然界中的环肽
• 1.2.2 人工合成环肽
• 1.3 环肽的应用
• 1.3.1 环肽在药物上的应用
• 1.3.2 环肽在超分子识别中的应用
• 1.3.3 环肽在生物离子通道上的应用
• 1.4 自组装环肽纳米管
• 1.4.1 环肽纳米管的结构特征
• 1.4.2 环肽纳米管的自组装设计
• 1.4.3 环肽纳米管的表征方法
• 1.4.4 环肽纳米管的应用前景
• 1.5 环肽纳米管的理论与模拟研究
• 1.5.1 环肽纳米管的理论研究
• 1.5.2 环肽纳米管的第一性原理研究
• 1.5.3 环肽纳米管的分子动力学研究
• 1.5.4 环肽纳米管的蒙特卡洛研究
• 1.6 本文研究目的及主要内容
• 第2章 材料体系和研究方法
• 2.1 材料体系
• 2.2 基本理论
• 2.2.1 分子力学方法
• 2.2.2 分子动力学法
• 2.3 初始模型
• 2.3.1 环肽单体模型
• 2.3.2 环肽二聚体模型
• 2.3.3 环肽纳米管模型
• 2.4 模拟方法
• 2.5 模拟平台
• 第3章 环肽单体构象
• 3.1 引言
• 3.2 环肽单体骨架环的构象
• 3.3 环肽侧链的构象
• 3.4 环肽残基面的构象
• 3.5 本章小结
• 第4章 环肽二聚体的结构和性质研究
• 4.1 引言
• 4.2 单体环肽二聚体的结构
• 4.3 环肽二聚体在溶剂中的结构
• 4.3.1 二聚体中氢键的结构
• 4.3.2 二聚体的空间结构
• 4.4 环肽二聚体的吸附和解吸性质
• 3 的吸附'>4.4.1 环肽二聚体对CHCl₃的吸附
• 4.4.2 二聚体中小分子的解吸
• 4.4.3 分子绑定能研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 自组装环肽纳米管的结构和性质
• 5.1 引言
• 5.2 自组装环肽纳米管的结构
• 5.2.1 自组装环肽纳米管的氢键结构
• 5.2.2 自组装环肽纳米管的直径
• 5.3 自组装环肽纳米管在不同溶剂中的稳定性
• 5.3.1 纳米管在溶剂中的结构
• 5.3.2 纳米管在溶剂中的稳定性
• 5.4 自组装环肽纳米管的表面性质
• 5.4.1 自组装环肽纳米管的外表面性质
• 5.4.2 自组装环肽纳米管的内表面性质
• 5.5 自组装环肽纳米管的分子迁移运动
• 5.5.1 分子在纳米管中的一维迁移
• 5.5.2 分子在纳米管中的双向扩散
• 5.6 本章小结
• 第6章 环肽纳米管自组装机理和传输效应
• 6.1 引言
• 6.2 自组装环肽纳米管中的超分子效应
• 6.2.1 超分子作用力对环肽纳米管性质的影响
• 6.2.2 超分子作用力对环肽纳米管结构的影响
• 6.3 自组装环肽纳米管中的自组装效应
• 6.3.1 自组装纳米管中环的能量
• 6.3.2 自组装纳米管中环的活动性
• 6.4 自组装环肽纳米管中的协同效应
• 6.4.1 环肽纳米管中受限分子的协同效应
• 6.4.2 环肽的协同效应对分子吸附的影响
• 6.5 自组装环肽纳米管中分子的传输效应
• 6.5.1 受限分子的协调扩散运动
• 6.5.2 内、外溶剂分子结合能和活动性研究
• 6.5.3 分子在纳米管中的排列
• 6.6 本章小结
• 第7章 自组装环肽纳米管的设计和表征
• 7.1 引言
• 7.2 各向异性环肽纳米管的设计与实验验证
• 7.3 具有定向传输环肽纳米管的设计
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历