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环肽纳米管模拟生物水通道传输特性的MD研究

2020-12-08阅读(774)

环肽纳米管模拟生物水通道传输特性的MD研究

论文摘要

本文采用分子动力学（MD）方法对三种管径分别为6、8和10 ?的跨膜环肽纳米管8×cyclo（WL）n=3,4,5-PNT/POPE,采用平衡及非平衡分子动力学方法模拟研究水分子在此类跨膜纳米通道中的结构特点和传输特性（包括水链结构、偶极取向、密度分布和渗透与扩散特性等）,主要研究成果如下:1.采用模拟退火和MD模拟的构象搜索方法获得了三种不同管径的环肽纳米管8×cyclo（WL）n=3,4,5-PNT的最低能量构象。考察了模拟过程中环肽纳米管骨架结构的稳定性。完全水化的POPE脂膜经过预平衡后,获得了每个脂分子的面积和有效厚度基本保持不变的POPE脂膜平衡构型。将环肽纳米管的平衡构型插入平衡的水―脂膜中,预平衡后获得了相应的平衡构型。2.对跨膜环八肽纳米管8×cyclo（WL）4-PNT/POPE体系进行50 ns的MD模拟,详细考察了纳米管内水链的结构及其形成机制。水分子在该纳米管内存在波状模式的水链,以“1-2-1-2”方式排列,即每个α-plane区域有一个水分子,每个mid-plane区域有两个水分子,波长恰好为两相邻环肽间的距离4.8 A。（1）管内水分子的柱形分布函数曲线和PMF（Potential of Mean Force）计算说明,跨膜环八肽纳米管中形成“1-2-1-2”水链模式的主要原因是该纳米管的空间限制作用。管内水分子的径向分布函数（O-O和H-H）合理解释了环八肽纳米管中“1-2-1-2”水链结构。管内mid-plane区域的每个水分子与骨架间形成强氢键的几率不到0.1,表明环八肽纳米管与水分子间的氢键作用不是影响管内“1-2-1-2”水链结构形成的主要因素。环八肽纳米管中水分子形成的氢键网络模式为:在α-plane区域的一个水分子与相邻mid-plane区域的两个水分子形成氢键,mid-plane区域的每个水分子与相邻α-plane区域的水分子和纳米管骨架C=O形成氢键。（2）纳米管内水分子的偶极取向和水分子沿管轴的势能曲线表明,水分子的偶极翻转发生在第三和第四个环之间,来自于环肽纳米管、脂膜和本体水分子的合力对管内靠近管口的水分子（|z|>10 ?）有很强的定位效应;在管中间部分的水分子（|z|<10 ?）,外界的影响不够强,不足以克服热运动。3.采用平衡MD和非平衡MD模拟,分析了水分子在三种跨膜环肽纳米管8×cyclo（WL）n=3,4,5-PNT/POPE中的传输性质,得到三种纳米管中水分子传输的特点和特性参数diffusion permeability（ pd）和osmotic permeability（ pf）。（1）跨膜环六肽纳米管中,水分子呈单链排列,大多数水分子占据着mid-plane区域的位置;跨膜环八肽纳米管中,水分子为“1-2-1-2”模式排列;跨膜环十肽纳米管中,水分子的排列近似为本体水中的结构。（2）水分子在三种跨膜环肽纳米管8×cyclo（WL）n=3,4,5-PNT/POPE中运动是一维扩散运动,沿纳米管管轴方向运动,满足菲克运动。（3）采用平衡MD模拟首次获得了水分子在三种跨膜环肽纳米管8×cyclo（WL）n=3,4,5-PNT/POPE中的扩散特性参数diffusion permeability （pd）分别为0.488、21.17和94.08 ?3/ns。采用平衡和非平衡MD模拟两种方法首次获得了水分子在上述三种纳米通道中的渗透特性参数osmotic permeability （pf）分别为3.97、66.15和496.86 ?3/ns（平衡MD）,2.30、71.85和473.31 ?3/ns（非平衡MD）。本文模拟获得的pf值与AQP1的pf实测值有一定的可比性。比较了三种环肽纳米管的pf/pd值与+1（为管内水分子的平均数目）的关系,发现只有环六肽纳米管pf/pd值近似等于+1,说明水分子在管中协同运动,没有交换和穿越,符合单链传输的特点。随着纳米管管径变大,水链不再以单链形式存在,（N+1）/（pf/pd）值随着管径变大。综上,本文选定具有合适疏水性侧链的环肽纳米管8×cyclo（WL）n=3,4,5-PNT嵌入到完全水化的POPE脂膜中组成的系统作为生物水通道的简化模型,获得的水链结构及其形成机制的分析和水分子在三种跨膜通道中的扩散和渗透特性的分析,将有助于在原子水平揭示纳米尺度水通道的本质特征。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题研究背景
  • 1.1.1 环肽纳米管简介及其研究进展
  • 1.1.2 生物水通道简介
  • 1.1.3 PNTs 模拟生物水通道研究进展
  • 1.2 课题的提出及研究内容和目标
  • 参考文献
  • 第二章 计算理论和方法
  • 2.1 分子动力学模拟简介
  • 2.2 分子力场
  • 2.3 MD 模拟中边界条件
  • 2.4 MD 模拟中的系综
  • 2.5 MD 模拟退火搜索分子平衡构象
  • 2.6 MD 模拟中自由能的计算
  • 2.7 常用的MD 模拟软件
  • 参考文献
  • n=3,4,5-PNT/POPE 的构造与预平衡'>第三章 三种跨膜环肽纳米管8×cyclo（WL）n=3,4,5-PNT/POPE 的构造与预平衡
  • 3.1 引言
  • 3.2 模型构造和MD 模拟方法
  • 3.2.1 模型构造
  • 3.2.2 MD 模拟方法
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 8×cyclo（WL）4-PNT 的预平衡
  • 3.3.2 POPE 脂膜的预平衡
  • 3.3.3 8×cyclo（WL）n=3,4,5-PNT/POPE 的预平衡
  • 3.4 小结
  • 参考文献
  • 第四章 跨膜环肽纳米管8×cyclo（WL）4-PNT/POPE 中水链结构的MD 研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 模拟体系的构造和MD 模拟方法
  • 4.2.1 模拟体系的构造
  • 4.2.2 MD 模拟方法
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 纳米管内的水链结构
  • 4.3.2 环肽纳米管中的氢键网络
  • 4.3.3 管内水分子的偶极取向
  • 4.4 小结
  • 参考文献
  • 第五章 水分子在三种跨膜环肽纳米管8×cyclo（WL）n=3,4,5-PNT/POPE 中传输特性的MD 研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 模拟体系的构建和理论方法
  • 5.2.1 模拟体系的构建
  • 5.2.2 理论方法
  • 5.2.3 MD 模拟方法
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 平衡MD 模拟
  • 5.3.2 非平衡MD 模拟
  • 5.3.3 pf /pd 的值
  • 5.4 小结
  • 参考文献
  • 全文结论
  • 硕士期间发表论文
  • 致谢

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