張玉杰，李曉毅

(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院， 北京 100049)

蛋白質(zhì)吸附是基礎(chǔ)而重大的問題。當(dāng)外來的納米粒子進(jìn)入細(xì)胞和血漿，首先會(huì)發(fā)生蛋白質(zhì)的吸附[1]。納米粒子能夠穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，在器官中聚集并引發(fā)毒性反應(yīng)[2]。因此研究蛋白質(zhì)的吸附對(duì)于揭示納米粒子的生物效應(yīng)是必不可少的。同時(shí)，蛋白質(zhì)吸附與一系列生物傳感器件緊密聯(lián)系，如藥物運(yùn)輸和癌癥治療等[3-7]。因此，基于安全性和潛在應(yīng)用等方面的考慮，蛋白質(zhì)的吸附具有十分重要的意義。

細(xì)胞色素c是生命中一種重要的水溶性氧化還原蛋白，分子內(nèi)部包含一個(gè)血紅素(中心卟啉鐵)，廣泛存在原核生物和真核生物細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜上。細(xì)胞色素c中心的血紅素是電子轉(zhuǎn)移的核心，在細(xì)胞能量消耗、生長(zhǎng)和分化中有著重要的作用[8-9]。

在過去的30年，富勒烯及其衍生物在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，包括神經(jīng)保護(hù)、抗氧化、抗菌和抗病毒活性[10-11]。富勒烯的球狀結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈的非極化特性，可以形成容易穿過細(xì)胞膜的脂質(zhì)體系[12]。在生物技術(shù)中，它已被廣泛應(yīng)用于藥物運(yùn)輸和生物傳感器等領(lǐng)域。其衍生物富勒醇和三丙二酸富勒烯是通過在富勒烯的碳上引入羥基和羧基而得到，其官能團(tuán)分別為羥基和羧基，從而提高富勒烯的水溶性。

本文主要利用分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究細(xì)胞色素c和富勒醇(分子式為C60(OH)24)[13]、三丙二酸富勒烯(分子式為C60(C(COOH)2)3的吸附作用，為研究二者之間進(jìn)一步的物理化學(xué)反應(yīng)提供基礎(chǔ)。

1 計(jì)算方法

體系中的蛋白質(zhì)為馬心細(xì)胞色素c(Cytc，1HRC),其初始結(jié)構(gòu)是從蛋白庫(kù)中獲得。富勒烯衍生物是由Materials Studio軟件搭建。體系中的水分子模型為TIP3P，體系到水盒子邊界的距離為1 nm。為了模擬生理環(huán)境，體系中添加Na+和Cl-,濃度為0.15 mol/L。采用CHARMM[14]力場(chǎng)，所用的軟件為NAMD[15]。模擬過程是在NPT(1 atm,300 K)系綜下進(jìn)行的。溫度和壓強(qiáng)分別用Berendsen恒溫和恒壓方法保持穩(wěn)定。整個(gè)模擬采用周期性邊界條件。

2 結(jié)果與討論

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的生物活性和生物功能。為了度量蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，本文分析相互作用能、均方根偏差(root mean square deviation, RMSD)、均方回轉(zhuǎn)半徑(radius of gyration, Rg)隨吸附模擬時(shí)間的變化曲線。其中，RMSD為蛋白質(zhì)在這個(gè)時(shí)刻的構(gòu)象與初始構(gòu)象進(jìn)行對(duì)比，使之與初始構(gòu)象的重心重合，然后計(jì)算每個(gè)對(duì)應(yīng)原子的坐標(biāo)的差值，把差值平方再平均，最后開根號(hào)。它表示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的演化。Rg為蛋白分子內(nèi)的每個(gè)原子到蛋白質(zhì)質(zhì)心距離的平方的平均值，表示蛋白質(zhì)在空間的伸展程度。如圖1(a)所示，P1(細(xì)胞色素c與富勒醇)和P2(細(xì)胞色素c與三丙二酸富勒烯)的相互作用能隨著模擬時(shí)間的變化，一直穩(wěn)定在某一個(gè)值左右，沒有大幅度的變化，說明體系處于穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)也說明15 ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)這兩個(gè)體系也是足夠的。從圖1(b)可以看出，兩個(gè)體系在15 ns的模擬時(shí)間內(nèi)，細(xì)胞色素c的RMSD值先處于上下波動(dòng)的狀態(tài)，最后逐漸趨于穩(wěn)定，說明體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到平衡。該結(jié)果與均方回轉(zhuǎn)半徑得到的結(jié)果一致。細(xì)胞色素c的結(jié)晶回轉(zhuǎn)半徑為1.324 nm，在水溶液中為1.333 nm，細(xì)胞色素c在吸附富勒烯衍生物之后，所有的回轉(zhuǎn)半徑都在1.3～1.4 nm之間，P1的平均回轉(zhuǎn)半徑為1.312 nm，P2的平均回轉(zhuǎn)半徑為1.314 nm，如表1所示。表明細(xì)胞色素c結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1 相互作用能及RMSD隨時(shí)間的變化Fig.1 Temporal evolution of the interaction energy (a) and RMSD (b)

表1 體系的均方回轉(zhuǎn)半徑、距離和接觸原子數(shù)Table 1 Average value of Rg, distance, and number of contacting atoms

注：a接觸原子數(shù)為距離細(xì)胞色素c表面0.5 nm范圍內(nèi)的富勒烯衍生物的非氫原子數(shù)；b表示細(xì)胞色素中的Fe原子到富勒烯衍生物的質(zhì)心距離。

除吸附能外，均方回轉(zhuǎn)半徑、距離的變化和接觸原子數(shù)也可以表明體系的吸附構(gòu)象。距離指細(xì)胞色素c中的Fe原子到富勒醇和三丙二酸富勒烯質(zhì)心間的距離。接觸原子數(shù)是指距離細(xì)胞色素c表面0.5 nm范圍內(nèi)的富勒醇和三丙二酸富勒烯的原子數(shù)。由表1可知，富勒醇與細(xì)胞色素c的距離更近，并且與蛋白質(zhì)的接觸原子數(shù)也會(huì)更多。這主要是由于富勒醇中的羥基官能團(tuán)的個(gè)數(shù)比較多，并在富勒烯表面分布均勻，相比于三丙二酸富勒烯而言，富勒醇具有更高的水溶性，在水溶液中可以更穩(wěn)定地存在，同時(shí)，富勒醇中的羥基與蛋白質(zhì)殘基中氨基形成的氫鍵也遠(yuǎn)多于三丙二酸富勒烯中的羧基與氨基所形成的氫鍵，從而大大加強(qiáng)了富勒醇與蛋白的相互作用。因此，富勒醇與細(xì)胞色素c的相互作用更強(qiáng)，可以更穩(wěn)定地吸附在細(xì)胞色素c的表面，圖2為穩(wěn)定后的軌跡截圖。

圖2 體系P1在15 ns時(shí)的軌跡截圖Fig.2 Snapshot of system P1 at 15 ns

3 結(jié)論

本文通過分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究富勒醇和三丙二酸富勒烯與細(xì)胞色素c的吸附過程， 通過相互作用能、均方回轉(zhuǎn)半徑、均方根偏差、接觸原子數(shù)等研究吸附后的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，細(xì)胞色素c的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生很大的改變。此外，模擬結(jié)果也表明，富勒醇與細(xì)胞色素c的因含有較多的氫鍵數(shù)而具有更強(qiáng)的相互作用，更容易對(duì)生物體產(chǎn)生影響。

本文的計(jì)算結(jié)果是在中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心超級(jí)計(jì)算中心的“元”超級(jí)計(jì)算機(jī)上得到的。