胞内冰生长的理论分析及保护剂溶液氢键特性的MD模拟

【摘要】： 胞内冰的生成和生长对细胞冷冻损伤的研究有着至关重要的意义。要充分了解胞内冰对细胞的伤害作用,除了冰晶的生成和生长,还需要研究胞内冰与冷冻保护剂(cryoprotective agent,CPA)、胞内蛋白和细胞膜的相互作用,而作为这一系列研究的基础,必须首先分析冷冻保护剂水溶液的结构和动力。以甘油为CPA,小鼠卵母细胞为模型细胞,修正了Karlsson胞内冰生长模型,并利用分子动力学方法对CPA—水二元溶液和CPA—水—氯化钠三元溶液进行了模拟。 提出了一种求解变组元体系成核温度的方法,并联合细胞脱水方程,研究了胞内溶液均相成核温度随时间的变化。发现甘油—水—氯化钠三元溶液均相成核温度的下降值ΔT_h与平衡凝固点的下降值ΔT_m呈现如下的关系:ΔT_h=1.17ΔT_m。利用该关系和软冲突修正方程,修正了Karlsson扩散控制胞内冰生长模型。并利用修正后的模型预测了模型细胞玻璃化过程中的临界冷冻速率和临界浓度。预测值与实验值吻合较好,且修正后模型的预测值明显要优于Karlsson模型的预测值。进一步研究表明,当最终的晶体体积分数大于0.1时,必须考虑软冲突对胞内冰生长的影响。 分析了CPA—水二元体系和CPA—水—氯化钠三元体系中氢键的结构和动力。发现在二元和三元体系中仅存在O—H…O类型的氢键。水中O原子(OH2)的氢键能力明显强于甘油分子中O原子(O1、O2和O3)的氢键能力。平均每个OH2原子参与的氢键数目随甘油浓度的增加而减少,而平均每个O1、O2和O3原子参与的氢键数目随甘油浓度的变化没有明显的变化规律。水分子中H原子的氢键能力略小于甘油分子中H原子的氢键能力,但与O原子不同,H原子的这种差别相当小。平均每个H原子参与的氢键数目随甘油浓度的变化几乎不变。分子的统计结果显示:随甘油浓度的增加,平均每个甘油分子参与的氢键数目有降低的趋势,但是考虑到偏差,差别并不明显;随甘油浓度的增加,平均每个水分子参与的氢键数目缓慢减少。动力分析结果表明:随甘油浓度的增大,氢键截断自相关函数的松弛时间和生存周期均呈现增大的趋势;水分子之间氢键相互作用的周期小于甘油分子与水分子之间氢键作用的周期,表明甘油分子和水分子之间的氢键比水分子之间的氢键更牢固。甘油的存在对Na~+离子和Cl~-离子的水合结构并没有产生太大的影响。 根据氢键结构和动力的分析结果,从微观角度分析了CPA降低水溶液的冰点。加入CPA后,平均每个水分子参与的氢键数目减少以及CPA分子与水分子之间氢键相互作用的周期大于水分子之间氢键作用的周期是CPA降低水溶液冰点的微观机理。为了进一步从量的角度探求CPA降低水溶液的冰点与溶液微观结构的关系,提出了一种新的参数——氢键受体数目与供体数目比。研究表明:在较低的CPA浓度下,溶液平衡融化温度T_m与水分子氢键受体数目与供体数目比φ_w呈线性关系;随CPA浓度的增大,T_m与φ_m的线性关系逐渐破裂,而T_m与甘油分子氢键受体数目与供体数目比φ_g呈线性关系。φ_w与T_m和φ_g与T_m的线性关系成立的浓度范围与采用的偏差容忍度有关。采用2K的偏差容忍度时,在所有氢键准则和温度下,二元和三元溶液中均存在某个浓度x_g~*:当x_g≤x_g~*时,T_m与φ_m呈线性关系;当x_g≥x_g~*时,T_m与φ_g呈线性关系。对于二元溶液,x_g~*=0.15,对于三元溶液,0.13＜x_g~*＜0.15。