蛋白質(zhì)-多肽在碳納米管中輸運(yùn)行為的分子動力學(xué)研究.pdf

1、近年來，納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用獲得了廣泛關(guān)注。其中碳納米管和生物大分子的組合體系為新型生物和納米技術(shù)應(yīng)用開啟了一道大門，這類組合體系近年來一直成為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。作為納米量級的管道，碳納米管可以被用來傳輸和封裝流體和生物類分子，從而引發(fā)多種獨(dú)特的復(fù)合體系的設(shè)計與發(fā)展，廣泛應(yīng)用于藥物傳輸裝置和生物分子輸運(yùn)等領(lǐng)域。同時，多種共價和非共價功能化處理大大改進(jìn)了碳納米管的生物兼容性，使其在醫(yī)學(xué)診斷和藥物輸運(yùn)應(yīng)用方面發(fā)揮更為廣泛的用

2、途。目前在計算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)研究兩方面都可以觀察到大小合適的生物分子自發(fā)進(jìn)入碳納米管形成包裹物的過程。為研究這類過程在分子尺度上發(fā)生的微觀細(xì)節(jié)以及多種影響因素的綜合效應(yīng)，計算機(jī)分子模擬已經(jīng)顯示出了強(qiáng)大的優(yōu)勢，成為了除實(shí)驗(yàn)手段外有力的研究工具。
　　 本論文主要利用分子動力學(xué)(molecular dynamics，MD)和操控式分子動力學(xué)(steered molecular dynamics，SMD)模擬研究了具有不同結(jié)構(gòu)和功能的多

3、肽和蛋白質(zhì)在一系列單壁碳納米管內(nèi)的輸運(yùn)和封裝行為，并對這類現(xiàn)象的機(jī)理從多個角度進(jìn)行了分析和闡述。我們以柱狀多肽、球狀蛋白質(zhì)和α螺旋多肽為研究模型，考察了這些生物大分子在不同屬性的碳納米管內(nèi)部的輸運(yùn)，首先從動力學(xué)角度分析了輸運(yùn)過程中的有利因素和不利因素，接著從熱力學(xué)角度研究了體系中的自由能變化，同時考察了蛋白質(zhì)在受限條件下的結(jié)構(gòu)變化。最后研究了碳納米管的管徑和手性對于封裝生物分子的影響，并考察了溶劑分子在該類動力學(xué)行為中扮演的角色。本論文

4、試圖為碳納米管在藥物輸運(yùn)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用提供信息，主要的研究結(jié)論如下：
　　 1.通過觀察類骨膠原蛋白多肽在扶手椅型單壁碳納米管內(nèi)的輸運(yùn)過程，我們發(fā)現(xiàn)該剛性三螺旋結(jié)構(gòu)多肽能夠自發(fā)進(jìn)入一定管徑的扶手椅型單壁碳納米管內(nèi)部，并在不改變條件的情況下不容易主動出來。我們著重考察了多肽封裝于碳納米管內(nèi)部的動力學(xué)機(jī)理后發(fā)現(xiàn)，該動力學(xué)過程的主要驅(qū)動力為多肽和碳納米管間的范德華相互作用，而主要的阻礙因素來自排出碳納米管內(nèi)部原有水分子的過程和對體系溶

5、劑氫鍵網(wǎng)絡(luò)的破壞。
　　 2.通過研究藍(lán)藻金屬硫蛋白在扶手椅型單壁碳納米管內(nèi)的封裝過程，我們著重分析了該類封裝過程的熱力學(xué)因素：在蛋白質(zhì)從管外運(yùn)動到管內(nèi)的過程中體系的自由能明顯降低，這是該過程能夠自發(fā)進(jìn)行的最根本原因。同時，在進(jìn)入碳納米管的過程中，該金屬硫蛋白出現(xiàn)階梯狀的結(jié)構(gòu)調(diào)整，以使得其與碳納米管管壁間的相互作用最大化。這種結(jié)構(gòu)變化對該蛋白質(zhì)的活性位點(diǎn)沒有明顯影響。
　　 3.我們通過研究柱狀多肽和球狀蛋白在一系列不同

6、管徑的扶手椅型單壁碳納米管內(nèi)的封裝過程，從動力學(xué)和熱力學(xué)兩個角度闡述了管徑對于多肽/蛋白質(zhì)封裝過程的影響。綜合來說，對于給定的多肽/蛋白質(zhì)客體分子來說，碳納米管的封裝過程存在一個最合適的管徑。
　　 4.我們以具有α螺旋二級結(jié)構(gòu)的多肽為模型，研究了其在扶手椅型和鋸齒型不同手性碳納米管孔道中輸運(yùn)行為的差異：該模型多肽更容易進(jìn)入扶手椅型碳納米管的內(nèi)部，而這主要是由于不同手性的碳納米管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于水分子在管道內(nèi)的排列方式和擴(kuò)散速度具