PE表面与磷脂、多肽弱相互作用的分子模拟

论文摘要

表面相互作用在化学科学研究和工业应用中占有十分重要的地位。生物分子如磷脂、蛋白质、多糖等,他们和材料表面的相互作用是研究和开发生物材料的关键问题,然而目前通过实验手段很难在单分子水平上研究表面相互作用强弱及其微观机理方面的问题。随着计算机技术的发展及其和化学科学研究的日益结合,分子模拟技术在研究表面及分子间相互作用和揭示微观机理方面显示出巨大的潜力,科研工作者将其应用于进行材料及药物设计等方面的研究取得了较好的效果。本文尝试通过分子动力学模拟对多肽片段、磷脂分子和表面结合有功能性基团的聚乙烯单分子层表面相互作用过程进行研究。较为详细的解释了实验体系模型的抽象和计算机模型的建立、分子模拟的应用范围及模拟过程中所采用的方法和参数设置,介绍了多种动力学轨迹分析方法,通过分析结果探讨相互作用的微观动态过程和机理。通过本课题的研究,希望能够对分子模拟的方法和相关理论作以总结,对模拟表面相互作用及有目的进行分子设计有一定的指导作用。本论文工作主要在Material Studio软件包下进行,采用NVT系综、CVFF及CFF91力场作用模型,分别通过力场分配和量子化学计算分子体系各个原子的Mulliken电荷分布。在Discover模块下对磷脂分子1,2-dimyristoyl-sn-glycero-phosphatidylcholine（DMPC）分别与表面结合有-OH、-CO、-COOH、-COO-以及未修饰的聚乙烯单分子表面在真空和水溶液体系中相互作用过程进行分子动力学模拟;对甘氨酸四肽片段分别与表面结合有、-NH2、-OH、-COOH、-COO-以及未修饰的聚乙烯单分子表面在水溶液体系中相互作用过程进行分子动力学模拟。以研究其材料表面官能团对分子间弱相互作用的影响和相互作用过程中对生物分子构象变化的影响;寻找适合研究模拟表面相互作用的模型和方法。通过模拟磷脂分子DMPC和表面结合有-CH3、-OH、-CO、-COOH、-COO-等基团的真空和水溶液体系,分析体系非键相互作用能、概率密度、径向分布函数等数据,结果显示:-COOH、-COO-表面和DMPC分子有很强的相互作用,他们之间的静电相互作用是吸附过程中的关键因素,而-OH和-CH3等基团结合表面和DMPC分子之间的相互作用很弱。通过模拟甘氨酸四肽和表面结合有-NH2、-CH3、-OH、-COOH、-C00-等基团的水溶液体系,分析体系非键相互作用能、径向分布函数、扭转角分布等数据,结果显示:-COOH、-COO-表面和甘氨酸四肽分子有很强的相互作用,表面的电荷对甘氨酸四肽的构象变化有很大影响;通过对9种甘氨酸四肽的稳定构象和-COOH-PE SAM表面相互作用进行动力学模拟,发现舒展构象和表面之间的亲和性较好。通过以上的分子模拟工作,结合前人以及我们的实验研究,表明通过在材料表面增加负电荷基团数量和亲水性的改善可以明显改善表面和生物分子之间的相容性,以达到可控材料设计的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 分子模拟的发展现状
• 1.1.1 量子力学方法
• 1.1.2 分子力学方法
• 1.1.3 分子动力学方法
• 1.1.4 蒙特卡洛方法
• 1.2 常用分子模拟程序
• 1.2.1 商业程序
• 1.2.2 非商业程序
• 1.3 分子模拟的应用概述
• 1.4 本课题研究背景和思路
• 第2章 系统模型选取、方法和相关参数
• 2.1 前言
• 2.1.1 模拟过程采用的模型及其构建过程
• 2.1.2 体系模型尺寸和模拟时间
• 2.2 力场选择
• 2.2.1 传统力场
• 2.2.2 第二代力场
• 2.2.3 通用力场
• 2.3 长程作用力的计算方法
• 2.3.1 基于原子的截断方式（Atom Based Cutoff）
• 2.3.2 基于原子组的截断方式（Group Based Cutoff）
• 2.3.3 Cell Multipole加和方法
• 2.3.4 EWald加和方法
• 2.4 电荷赋值方法
• 2.4.1 力场自带电荷
• 2.4.2 量子化学计算方法
• 2.4.3 QEq方法
• 2.5 系综的选择
• 2.5.1 NVT系综
• 2.5.2 NVE系综
• 2.5.3 NPT系综
• 2.5.4 NPH系综
• 2.5.5 μVT系综
• 2.5.6 系综选择的基本原则
• 2.6 温度控制方法
• 2.6.1 速度标度法
• 2.6.2 Berendsen热浴法
• 2.6.3 Nose-Hoover热浴法
• 2.6.4 Nose-Andersen法
• 2.7 构型及能量优化方法
• 2.7.1 最陡下降法（Steepest Descent Method）
• 2.7.2 共轭梯度法（Conjugate-Gradient Method）
• 2.7.3 Newton-Raphson法
• 第3章 磷脂分子和PE表面的相互作用模拟
• 3.1 前言
• 3.2 非键相互作用研究方法和现状
• 3.3 模拟过程
• 3.3.1 体系所采用的模型及其构建
• 3.3.2 分子模拟方法及其参数
• 3.4 结果讨论
• 3.4.1 动力学轨迹的分析及其算法
• 3.4.2 DMPC在表面上的相互非键能和相互作用能分析
• 3.4.3 DMPC在表面上的距离分布
• 3.4.4 吸附自由能和NPD分布
• 3.4.5 DMPC在PE SAM表面的径向分布函数
• 3.5 本章小结
• 第4章 多肽片段和PE表面相互作用模拟
• 4.1 前言
• 4.2 研究现状及理论模型
• 4.2.1 多肽与表面相互作用研究的现状
• 4.2.2 多肽与表面相互作用的研究方法和模型
• 4.3 模拟过程
• 4.3.1 体系所采用的模型及其构建
• 4.3.2 分子模拟方法及其参数
• 4.4 结果讨论
• 4.4.1 PE SAM表面和甘氨酸四肽之间的非键能分析
• 4.4.2 甘氨酸四肽在表面的径向分布函数
• 4.4.3 甘氨酸四肽扭转角变化
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果