胡立梅 藺存國(guó) 王 利 苑世領(lǐng)

(1山東大學(xué)膠體與界面化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南250100;2海洋腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所,山東青島266101)

1 引言

海洋生物污損會(huì)給船舶和海洋設(shè)施帶來極大的危害:①增加船體自重和船體摩擦阻力,從而增加燃油消耗,增加溫室氣體排放;②影響船舶的使用性能,如阻塞管道、造成材料結(jié)構(gòu)腐蝕損壞;③增加維護(hù)修理費(fèi)用,帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失.因此,采取有效措施防止污損生物的附著極為重要.其中,涂裝防污涂料1-3是最為經(jīng)濟(jì)有效的方法.目前廣泛使用的防污涂料為以氧化亞銅、硫氰酸亞銅為防污劑的無錫自拋光防污涂料,由于銅元素在港口的累積作用給海洋環(huán)境造成嚴(yán)重影響,許多國(guó)家已禁止或限制銅類防污劑的使用.因此開展新型對(duì)環(huán)境友好的防污材料研究勢(shì)在必行.

依據(jù)固體表面與蛋白質(zhì)之間的相互作用,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)親水性防污涂層材料對(duì)抗蛋白質(zhì)吸附的能力要優(yōu)于疏水性防污材料,4,5歸因于蛋白質(zhì)內(nèi)部多為疏水性殘基,因此疏水性防污膜對(duì)蛋白質(zhì)具有更大的親和性;同時(shí),親水性材料表面穩(wěn)定的水化層對(duì)蛋白質(zhì)的吸附過程也具有能障作用,6-9因此親水涂層對(duì)蛋白質(zhì)吸附也具有防污性能.親水或疏水材料表面不同的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì),會(huì)影響周圍水分子的聚集行為和蛋白質(zhì)的吸附,引起抗污損性能的差異,其防污機(jī)理也有所不同.

聚乙二醇(PEG)是一種非枝化水溶性高分子材料,與許多物質(zhì)有很好的相容性,具有良好的穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性,是目前應(yīng)用最為廣泛、抗污染效果最好的防污材料之一.10,11因而,PEG常被作為“標(biāo)尺”,衡量其他材料的抗污染性能.在新興眾多環(huán)保型海洋防污新材料中,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為代表的有機(jī)硅聚合物涂層由于具有較低的表面能、不粘性和在水中的穩(wěn)定性,在海洋船舶中的應(yīng)用越來越廣泛.12,13在眾多實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究中,多把PEG聚合物膜歸為親水防污涂層,而把PDMS聚合物膜當(dāng)作疏水涂層,通過對(duì)比兩種防污材料的結(jié)構(gòu)差異和防污機(jī)理,將有助于理解不同結(jié)構(gòu)類型防污涂層對(duì)蛋白質(zhì)吸附的影響.

實(shí)驗(yàn)研究推測(cè),材料的防污能力與其表面結(jié)合的水化層密切相關(guān),但是如何從微觀層次上理解防污材料表面水化層所起的作用,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究還有一定的難度,其中蛋白質(zhì)吸附的微觀過程一直是實(shí)驗(yàn)研究的難點(diǎn),也是蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)換研究的制約因素.利用分子動(dòng)力學(xué)模擬14在分子層次上研究蛋白質(zhì)與材料表面的相互作用,闡釋相關(guān)吸附機(jī)理,是對(duì)宏觀實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)有益補(bǔ)充,對(duì)理解防污材料表面的水化層結(jié)構(gòu),以及材料表面微觀結(jié)構(gòu)與宏觀防污能力之間的關(guān)系有不可替代的作用.本文通過分子動(dòng)力學(xué)方法研究了溶菌酶蛋白在聚合物防污材料(PEG和PDMS)表面的吸附行為,通過分析蛋白質(zhì)與兩種聚合物結(jié)合位點(diǎn)、蛋白質(zhì)與吸附膜的作用能,以及表面膜附近水分子的氫鍵和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等,尋找親水和疏水兩種聚合物膜防污性能差異的原因,從微觀層面上闡述防污材料的防污機(jī)理.

2 模型與方法

2.1 模型

模擬中選擇溶菌酶蛋白作為目標(biāo)分子,研究蛋白質(zhì)在防污涂層上的吸附.含有129個(gè)氨基酸的溶菌酶蛋白具有優(yōu)良的二級(jí)結(jié)構(gòu),存在典型的α螺旋和β折疊結(jié)構(gòu),易于在模擬過程中觀察其結(jié)構(gòu)變化.大量的實(shí)驗(yàn)和理論方法都對(duì)溶菌酶分子的結(jié)構(gòu)、空間折疊等進(jìn)行過討論,15,16對(duì)其詳細(xì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)有利于我們討論防污膜與蛋白質(zhì)之間的相互作用.模擬中溶菌酶蛋白的晶體結(jié)構(gòu)從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得(PDB號(hào)為7LYZ).選取的兩種聚合物膜包括:(1)利用Materials Studio程序包中的Amorphous Cell模塊構(gòu)建密度為0.965 g?cm-3,厚度為2 nm的PDMS基底;(2)從Materials Studio原有數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出PEG晶格,17分別在x,y,z方向上擴(kuò)展得到與PDMS基底面積相近的PEG基底,并確保蛋白質(zhì)分子在其表面上有足夠大的接觸面積.溶菌酶分子帶有8個(gè)正電荷,因此在模擬體系中加入8個(gè)氯離子作為抗衡離子以平衡體系電荷.為充分研究聚合物膜與蛋白質(zhì)在水中的相互作用,我們?cè)诰酆衔锬ど戏椒謩e添加了相同厚度的水層.作為初始構(gòu)型將溶菌酶分子以相同方向和位置放在距聚合物膜0.7 nm17處的水相中.同時(shí)為防止構(gòu)象重疊,刪除蛋白質(zhì)和聚合物膜周圍0.2 nm之內(nèi)的水分子.

2.2 模擬方法

模擬采用GROMOS 45a3聯(lián)合原子力場(chǎng),18選用GROMACS 4.0.5進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算.19,20模擬中采用周期性邊界條件,其中PDMS基底體系的格子大小選為12.8 nm×10 nm×20 nm,PEG基底體系為13 nm×10 nm×20 nm.在模擬過程中,PEG和PDMS基底的底部固定,表面膜部分未加約束條件,使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確.聚合物膜所用的力場(chǎng)參數(shù)及電荷參見表1.模擬中溶劑水模型為單點(diǎn)電荷(SPC)模型,21采用particle-mesh Ewald(PME)方法22處理長(zhǎng)程靜電相互作用,非鍵相互作用的截?cái)喟霃竭x擇1.2 nm.初始構(gòu)型建立以后,對(duì)所有體系首先利用最速下降法進(jìn)行能量?jī)?yōu)化以消除可能的構(gòu)象重疊,隨后進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算.模擬中選擇Berendsen熱浴法23控制溫度,采用LINCS方法24約束鍵長(zhǎng).分子動(dòng)力學(xué)模擬階段,固定蛋白質(zhì)質(zhì)心在298 K溫度下進(jìn)行15 ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬;然后取消對(duì)質(zhì)心的固定,再進(jìn)行20 ns的動(dòng)力學(xué)模擬,讓蛋白質(zhì)在自由狀態(tài)下與聚合物膜作用達(dá)到平衡,其中模擬步長(zhǎng)為2 fs,間隔0.2 ps記錄一次軌跡信息.

表1 模擬中使用的PDMS和PEG的力場(chǎng)參數(shù)Table 1 Force field parameters for PDMS and PEG used in this work

3 結(jié)果與討論

3.1 溶菌酶蛋白在聚合物膜表面吸附行為

通過整個(gè)模擬過程發(fā)現(xiàn)隨著模擬時(shí)間的變化,溶菌酶蛋白均會(huì)吸附到兩種聚合物表面,在吸附過程中溶菌酶蛋白構(gòu)型及性質(zhì)有不同程度的變化.從圖1中可以看到蛋白質(zhì)在兩種聚合物膜表面吸附后的構(gòu)型形態(tài)不同且吸附在膜表面的殘基也不同.在PDMS表面,蛋白質(zhì)傾向于平鋪吸附,吸附在表面的殘基數(shù)相對(duì)較多;而在PEG表面,蛋白質(zhì)是以側(cè)立的方式吸附于PEG表面,與膜的接觸面積較小.這是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)中極性氨基酸與非極性氨基酸在疏水表面和親水表面相互作用方式不同造成的.疏水基團(tuán)的空間位阻使得分子取向受到限制,盡管在水溶液中蛋白質(zhì)具有將疏水基團(tuán)折疊在分子內(nèi)部,表面顯露極性和帶電基團(tuán)相互作用,但總有一些疏水性基團(tuán)或極性基團(tuán)的疏水部位暴露在蛋白質(zhì)表面.這部分疏水基團(tuán)可與弱疏水基團(tuán)發(fā)生疏水相互作用,被疏水性吸附劑所吸附,因此疏水性表面易于蛋白質(zhì)分子的吸附.

為了更好地了解兩種表面對(duì)蛋白質(zhì)的吸附特性,統(tǒng)計(jì)了吸附在聚合物膜表面上氨基酸殘基(表2).總體上,在PDMS表面上吸附的氨基酸數(shù)目要比在PEG表面上的多,同時(shí),在PDMS表面吸附的氨基酸類型中非極性氨基酸所占的比例要比在PEG表面上的高,親水指數(shù)要大.通常,親水指數(shù)越大,疏水性就越強(qiáng),親水性就越弱.我們推測(cè)這是由于PDMS相對(duì)PEG為疏水結(jié)構(gòu).從表2中可以看出溶菌酶蛋白回轉(zhuǎn)半徑(Rg)相對(duì)于在純水中有變化:在PDMS膜表面有所增大,而在PEG膜表面有所減小.一般而言,蛋白質(zhì)內(nèi)部多為疏水殘基而表面多為親水殘基,因此蛋白質(zhì)傾向于將內(nèi)部的疏水殘基翻轉(zhuǎn)從而與PDMS更好地通過疏水相互作用結(jié)合,吸附在PDMS表面蛋白質(zhì)中心結(jié)構(gòu)較稀疏,這是蛋白質(zhì)內(nèi)部的殘基翻轉(zhuǎn)的結(jié)果,同時(shí)吸附在膜表面的面積較大.而PEG表面吸附的蛋白質(zhì)殘基的平均親水指數(shù)較小,歸因于PEG是親水表面,因而蛋白質(zhì)更傾向于通過表面的親水殘基與PEG作用.從圖2中可以看出,吸附在PEG膜表面的蛋白質(zhì)相對(duì)緊湊,幾乎沒有翻轉(zhuǎn),同時(shí)與膜接觸的面積較小.

圖1 溶菌酶蛋白在聚合物(PDMS,PEG)膜表面的初始構(gòu)型及20 ns動(dòng)力學(xué)模擬之后溶菌酶吸附在聚合物膜表面的形態(tài)Fig.1 Initial configurations of lysozyme protein above the non-fouling membranes and snapshots oflysozyme′s adsorption on two polymer(PDMS,PEG)membranes after 20 ns dynamics simulation

表2 20 ns動(dòng)力學(xué)模擬過程中吸附的殘基類型及蛋白質(zhì)參數(shù)的變化Table 2 Adsorbed residue types and changes of protein parameters during 20 ns dynamics simulation

蛋白質(zhì)分子的均方根偏差(RMSD)可以用來表征其構(gòu)象變化,RMSD是關(guān)于分子在模擬過程中運(yùn)動(dòng)幅度的一個(gè)衡量,RMSD值越大,分子在模擬過程中的位置變化越劇烈.RMSD的定義為:

圖2 20 ns動(dòng)力學(xué)模擬之后溶菌酶吸附在兩個(gè)聚合物膜表面的形態(tài)及吸附殘基Fig.2 Snapshots and adsorbed residues oflysozyme′s adsorption on two polymer membranes after 20 ns dynamics simulation

其中mi是原子i的質(zhì)量,M為所有mi的和,ri(t)是原子i在時(shí)間t時(shí)的位置.t1為模擬過程中的某一時(shí)刻,t2一般為初始時(shí)刻,t2=0.在本工作中,溶菌酶分子的初始結(jié)構(gòu)作為RMSD計(jì)算的參考結(jié)構(gòu).我們計(jì)算了溶菌酶分子中所有原子的RMSD值以及骨架碳的RMSD值(表2).在PDMS表面與PEG表面上溶菌酶分子的Cα-RMSD值均比溶液中的值有所增加,表明表面誘導(dǎo)了蛋白質(zhì)分子構(gòu)象發(fā)生變化.其中,在PDMS表面上Cα-RMSD值要比在PEG表面上的值大,說明溶菌酶蛋白在PDMS表面上的構(gòu)型變化比較大.兩個(gè)表面上所有原子的RMSD值要比Cα-RMSD值變化大,這表明溶菌酶分子的側(cè)鏈、環(huán)區(qū)域或序列末端有較大的運(yùn)動(dòng).同時(shí),從RMSD隨模擬時(shí)間的變化(圖3)顯示RMSD值的增加主要在3.0 ns前,表明構(gòu)象的變化主要是在蛋白質(zhì)以優(yōu)勢(shì)取向吸附在表面后發(fā)生的,這與蛋白質(zhì)吸附的“兩個(gè)階段”機(jī)理一致.第一個(gè)階段(快速吸附階段)主要是短時(shí)間尺度的取向變化階段,蛋白質(zhì)通過平移和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化其與表面的相互作用,并以優(yōu)勢(shì)取向吸附在表面.第二個(gè)階段(緩慢吸附平衡階段)為長(zhǎng)時(shí)間尺度的表面誘導(dǎo)蛋白質(zhì)吸附構(gòu)象變化階段.

圖3 溶菌酶均方根偏差(RMSD)隨時(shí)間的變化Fig.3 Root mean square deviation(RMSD)of lysozyme changes over time

3.2 吸附過程中能量的變化

蛋白質(zhì)與表面的相互作用力主要是范徳華力和庫(kù)侖引力等非鍵作用力.對(duì)于非鍵作用能包含三項(xiàng):排斥項(xiàng)、吸引項(xiàng)、庫(kù)侖項(xiàng).范德華作用的排斥項(xiàng)和吸引項(xiàng)的作用能用Lennard-Jones勢(shì)能表示,而庫(kù)侖項(xiàng)則用庫(kù)侖作用能表示.溶菌酶蛋白質(zhì)分子中具有疏水的、非極性的部分,可以通過范德華力直接與材料表面相互吸引.而蛋白質(zhì)分子中帶有8個(gè)正電荷,電荷的存在使其與膜表面之間形成庫(kù)侖相互作用.從圖4中了解到,不管是范德華作用能還是庫(kù)侖作用能,PDMS體系中的能量要比PEG體系中的能量高,基底對(duì)蛋白質(zhì)的強(qiáng)的作用能表明PDMS基底對(duì)溶菌酶蛋白有較強(qiáng)的吸附作用.

我們分析了兩個(gè)體系在整個(gè)過程中的總非鍵相互作用能的變化,從圖4中可以看到,在整個(gè)蛋白質(zhì)與表面的相互作用過程中,溶菌酶蛋白與PDMS膜表面的結(jié)合能要比PEG膜表面的結(jié)合能要高,這表現(xiàn)為PDMS膜表面對(duì)溶菌酶蛋白分子具有更強(qiáng)的相互作用,強(qiáng)的相互作用牽引蛋白質(zhì)吸附,吸附后構(gòu)型也更加穩(wěn)定,不易脫離.同時(shí),研究了范德華相互作用與庫(kù)侖相互作用在整個(gè)作用能中所占比例,發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)體系中,范德華作用均貢獻(xiàn)了大部分.文獻(xiàn)資料25認(rèn)為,由于是由取向性不好的范德華作用占主導(dǎo),蛋白質(zhì)吸附時(shí)的取向性也是隨機(jī)的.

3.3 水化層分子

圖4 溶菌酶與聚合物膜中范德華作用能和庫(kù)侖作用能所占的比例Fig.4 Decomposed van der waals(VDW)and Coulomb energies between lysozyme and polymer membranes

目前關(guān)于蛋白質(zhì)與膜表面的相互作用中,普遍的觀點(diǎn)26,27均認(rèn)為其與聚合物表面緊密結(jié)合的水化層有關(guān),蛋白質(zhì)要吸附在聚合物膜表面首先要克服該水化層形成的物理壁壘和能量障礙.我們將距離界面膜原子在0.5 nm范圍內(nèi)的水分子定義為水化層水分子,通過水化層中水分子的動(dòng)力學(xué)行為可以了解在蛋白質(zhì)吸附到聚合物表面過程中水化層分子所起作用.

3.3.1 水化層與聚合物膜間的均力勢(shì)

為對(duì)比兩種聚合物膜對(duì)水分子的束縛能力,我們采用均力勢(shì)(PMF)來表示聚合物膜表面的水化層的能障作用.模擬中選取界面膜表層原子與水分子之間的徑向分布函數(shù)g(r),通過方程E(r)=-kBTlng(r)求得PMF,其中kB是波爾茲曼常數(shù),T是溫度,其變化曲線如圖5所示,表示外部水分子靠近聚合物膜的過程中所要克服的阻礙作用.以PEG體系為例說明如下幾點(diǎn):(1)勢(shì)能曲線極小值點(diǎn)(CM)大約在0.20 nm處,表示聚合物膜和一個(gè)水分子直接接觸的距離;(2)勢(shì)能曲線上的第二個(gè)極小值點(diǎn)大約在0.41 nm處,是溶劑分離極小點(diǎn)(SSM),為第二個(gè)溶劑層與水分子接觸的位置,CM和SSM對(duì)應(yīng)的能量數(shù)值決定了第一水化層和第二水化層中水分子與聚合物膜結(jié)合的穩(wěn)定性;(3)CM和SSM中間是一個(gè)比較高的能壘,也就是溶劑層能障(BS),表示水分子從聚合物膜的第二水化層進(jìn)入第一水化層,與聚合物膜結(jié)合時(shí)所需要克服的水化層分子的阻礙作用.隨著水分子與聚合物膜間距離的增大,在無窮遠(yuǎn)處PMF趨向于0.

圖5 水分子與聚合物膜間的均力勢(shì)(PMFs)Fig.5 Potential of mean forces(PMFs)between water and polymer membranes

聚合物膜和水化層分子之間的結(jié)合能ΔE＋=從圖5中可以看出:(1)體系II(PEG基底-蛋白質(zhì))中PEG聚合物膜與水分子之間形成了能量上更加穩(wěn)定的水化層,對(duì)應(yīng)第一水化層中能量數(shù)值為1.43 kJ?mol-1,遠(yuǎn)小于體系I(PDMS基底-蛋白質(zhì))中PDMS聚合物膜與水分子之間的能量數(shù)值(7.22 kJ?mol-1);(2)體系II中PEG聚合物膜與水分子之間的結(jié)合能ΔE＋(4.47 kJ?mol-1)要小于體系I中PDMS聚合物膜與水分子之間的結(jié)合能ΔE＋(9.14 kJ?mol-1),表示水分子PEG聚合物膜之間的結(jié)合需要克服的能壘要低,即水分子與PEG之間的結(jié)合相對(duì)而言要容易一些;但是其解離能ΔE-(1.96 kJ?mol-1)要大于體系I中PDMS聚合物膜與水分子之間的解離能ΔE-(1.36 kJ?mol-1),亦即相對(duì)體系I而言,水分子易于與PEG結(jié)合,但是當(dāng)形成穩(wěn)定的結(jié)合對(duì)以后,水分子亦不易解離.上述分析表明,相對(duì)PDMS膜而言,水分子易于跨過水化層分子的阻礙作用與PEG聚合物膜相結(jié)合,但是二者結(jié)合后也不易解離,說明PEG聚合物膜與水分子的結(jié)合更牢固.

3.3.2 水化層分子的擴(kuò)散性質(zhì)

為了更好地研究水化層分子的作用,我們將溶菌酶固定質(zhì)心且距膜表面1.0 nm進(jìn)行了20 ns的動(dòng)力學(xué)模擬.計(jì)算了模擬過程中最后5 ns聚合物膜表面水化層分子的均方位移(MSD)-時(shí)間曲線,如圖6所示.從圖6中可以看出均方位移與時(shí)間呈線性關(guān)系,說明模擬已經(jīng)達(dá)到平衡.通過公式(2)可求得水化層分子的擴(kuò)散系數(shù)(D):

圖6 兩聚合物膜表面水化層分子的均方位移(MSD)-時(shí)間曲線Fig.6 Plots of mean square displacement(MSD)vs time of hydration molecules above two polymer membranes

其中d為維度數(shù),等于3,N為水化層中的水分子數(shù),分別為第i個(gè)粒子在時(shí)刻t和0時(shí)的坐標(biāo),即為圖6中直線的斜率.我們分析了聚合物膜表面與水花層分子之間形成的氫鍵數(shù)目及氫鍵壽命(表3),通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)單位面積上PEG與水分子形成的氫鍵數(shù)約為1.2 nm-2,而PDMS單位表面積上與水分子形成的氫鍵數(shù)約為0.36 nm-2.通過與體相水的比較,發(fā)現(xiàn)水分子在兩種膜表面的擴(kuò)散均呈一定程度的降低,這是由于膜與水之間存在較強(qiáng)的相互作用,并且PEG由于和水化層分子間存在更多的氫鍵和靜電相互作用,因而擴(kuò)散更慢,說明聚合物膜將該水化層分子緊密束縛在表面.

3.3.3 弛豫時(shí)間

界面附近水分子的弛豫時(shí)間能很好地反映界面與水化層的關(guān)系,弛豫時(shí)間越長(zhǎng)說明界面對(duì)水層的束縛能力越強(qiáng).弛豫時(shí)間通常由在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)殘留在初始厚度范圍內(nèi)水的比例來決定,弛豫時(shí)間可通過壽命自相關(guān)函數(shù)Cr(t)計(jì)算得到:28-30

其中PRj是一個(gè)二值算符(R指水化層分子的厚度),如果第j個(gè)水分子在t時(shí)刻時(shí)仍停留在初始選定的區(qū)域內(nèi),則PRj(t)=1,否則PRj(t)=0.Nw是所有在初始選定范圍內(nèi)的水分子數(shù),<>代表系綜平均.

模擬中選取距離聚合物膜0.4 nm水化層內(nèi)的水分子進(jìn)行分析,其Cr(t)-t關(guān)系圖如圖7所示.為了定量地表示弛豫時(shí)間,對(duì)壽命自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行指數(shù)擬合,Cr(t)=Arexp(-t/τr),其中Ar表示強(qiáng)度系數(shù),τr為弛豫時(shí)間.擬合得到的兩種聚合物膜附近水的弛豫時(shí)間見表3.同樣體相水的弛豫時(shí)間一并列出.從表3中可以發(fā)現(xiàn),PDMS和PEG表面水的弛豫時(shí)間都比體相水長(zhǎng),說明PDMS和PEG均對(duì)水分子有束縛作用,限制了水分子逃逸出水化層的運(yùn)動(dòng),而PEG表面的這種限制作用更加明顯.這表明PEG表面結(jié)合的水化層分子更加緊密,而蛋白質(zhì)要穿過這層水化層分子吸附到表面的難度就更大.

表3 兩表面水化層分子的擴(kuò)散系數(shù)(D),弛豫時(shí)間(τr)和氫鍵性質(zhì)Table 3 Diffusion coefficients(D),residence times(τr),and H-bond of hydration molecules of the two surfaces

圖7 水化層分子的壽命自相關(guān)函數(shù)(Cr(t))Fig.7 Survival time correlation functions(Cr(t))of hydration molecules

3.4 疏水/親水膜的防污機(jī)理

蛋白質(zhì)在聚合物膜表面的吸附是一個(gè)膜與蛋白作用,和膜與水化層分子作用之間相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果.首先蛋白質(zhì)和聚合物膜在溶劑環(huán)境中會(huì)在表面極化出一層緊密結(jié)合的水化層,蛋白質(zhì)要在膜表面吸附首先就要使膜表面和蛋白質(zhì)表面去溶劑化.該過程需要克服一定的能量勢(shì)壘,然后才能在膜與蛋白質(zhì)間作用力的驅(qū)動(dòng)下,蛋白質(zhì)逐漸接近膜表面.從文中的分析可以看出,蛋白質(zhì)與親水性膜和疏水性膜的相互作用方式是不同的.在疏水性膜表面,其對(duì)水化層分子的束縛作用較弱,蛋白質(zhì)吸附到膜表面需要克服的能量較低.同時(shí),由于蛋白質(zhì)分子內(nèi)部多為疏水性殘基,在靠近疏水性膜的過程中,蛋白質(zhì)分子會(huì)在膜表面原子的誘導(dǎo)下發(fā)生構(gòu)象翻轉(zhuǎn),使內(nèi)部的疏水殘基暴露(圖8a),與膜表面通過疏水相互作用更緊密的結(jié)合,接觸面積較大(圖8b),吸附相對(duì)更加穩(wěn)定;在親水性膜表面,由于膜與水化層分子的結(jié)合較為緊密(圖8c),蛋白質(zhì)要吸附到膜表面需要克服更高的能量,蛋白質(zhì)分子表面多為親水殘基,所以在于親水性膜表面的相互作用過程中,蛋白質(zhì)構(gòu)象翻轉(zhuǎn)不大,吸附后與表面膜的接觸面積相對(duì)較小(圖8d).

圖8 蛋白質(zhì)在疏水性與親水性聚合物膜的吸附行為示意圖Fig.8 Illustration of protein adsorption on hydrophobic and hydrophilic polymer membranes

4 結(jié)論

本文對(duì)溶菌酶蛋白在聚二甲基硅氧烷和聚乙二醇表面的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了研究.經(jīng)過20 ns的動(dòng)力學(xué)模擬,蛋白質(zhì)在兩種防污膜表面均完成了吸附,并且在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)也未完成脫附.通過對(duì)蛋白質(zhì)在表面的構(gòu)像變化、能量變化以及兩個(gè)表面的水化層分子的研究表明:(1)對(duì)比兩體系中的RMSD及Rg的變化,發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)在PDMS表面翻轉(zhuǎn)變形較大,且在PDMS表面上吸附的殘基類型及數(shù)目較多.這主要是因?yàn)橄鄬?duì)PEG表面,PDMS為疏水性聚合物膜,蛋白質(zhì)在疏水性材料上容易將內(nèi)部的疏水殘基翻轉(zhuǎn)出來更好地與疏水表面通過疏水相互作用結(jié)合.(2)PDMS表面對(duì)蛋白質(zhì)的吸附能較高,其中范德華作用能占主導(dǎo)作用.較高的作用能牽引蛋白質(zhì)吸附到材料表面,不宜于蛋白質(zhì)防污應(yīng)用.(3)我們從擴(kuò)散性質(zhì)和弛豫時(shí)間對(duì)水化層分子進(jìn)行分析,結(jié)果表明水化層分子在PDMS表面的擴(kuò)散系數(shù)較大,弛豫時(shí)間較短,即PDMS表面對(duì)水化層分子的束縛作用較弱.這是由于首先PEG相對(duì)于PDMS表面有著更豐富的氫鍵受體,單位面積上形成的氫鍵數(shù)目及氫鍵的壽命較長(zhǎng);其次,更為重要的是PEG表面形成的氫鍵壽命更長(zhǎng),即其與水分子形成的氫鍵不易斷裂,使得PEG與水分子的結(jié)合更加緊密,降低了表面水分子的可運(yùn)動(dòng)性,形成了一層結(jié)合穩(wěn)定的水化層,能夠很好地阻礙蛋白質(zhì)的吸附.綜上所述,本文通過研究蛋白質(zhì)與PEG和PDMS聚合物膜的相互作用,從微觀角度解釋了PEG表面相對(duì)PDMS表面阻抗蛋白質(zhì)吸附性能更佳的原因.

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