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环肽纳米管作为跨膜水通道的分子设计

刘健  
【摘要】:跨膜水通道在生物体内和工业生产中发挥着不可或缺的重要作用,探究水在这些微孔道中的动力学特性有助于在理解生物活性、设计新型渗滤材料和纳米器件等。受限在在纳米尺度的管腔中的水分子在结构及运动性能上都同宏观下有很大差别。本文设计了一系列由D,L-交替肽环平行堆叠形成的纳米管,即环肽纳米管(cyclic Peptide NanoTubes,PNTs),并将其嵌入生物膜中以模拟跨膜水通道,探究水在此类纳米跨膜通道中的结构、能量效应和传输性能等。 50 ns的分子动力学(MD)模拟发现水分子在跨膜环八肽8×(WL)4/POPE中的分布以一种新奇的1-2-1-2 file存在,形成了一种奇特的氢键网络,这种结构完全不同于其他的水链形式。The potential of mean force (PMF)分析表明形成这种奇特结构的主要原因是管壁的几何造型所囿。计算发现在两侧管口附近水分子呈现强的偶极定向作用,水链的偶极在两侧相对。在管中某个位置出现反转,氢键网络中出现D-缺陷。 设计了三个长度相等但管径各异的跨膜PNT体系,8×(WL)n=3,4,5/POPE,高精度的MD模拟分析得到了三种管径中的水链结构和微观动力学性能。分别呈现单链,1-2-1-2 file和接近本体水的结构,水分子间的运动相关系数分别为0.4、0.2和0.03。水分子个体的和水链集合坐标的扩散运动均为无偏的布朗过程,从均方位移vs时间间隔之间良好的线性关系计算得到了三种不同管径的PNTs中的扩散系数和传输系数。此外,对在给体系施加了一定强度的跨膜渗透压,实施了非平衡MD模拟,获得了净的水流速(j)及与平衡MD模拟得到的相一致的渗透传输系数pf。分析了三种管径的PNTs中的渗透传输系数pf和扩散传输系数pd的比值(pf / pd)。 分别设计了五个管径相同管长不同的跨膜PNTs k×(WL)n=4/POPE, k=6,7,8,9,10和不同膜厚度的8×(WL)n=4/octane体系。MD模拟表明pf随管长(L)的变化规律为(~ L-2.0),而不是宏观的反比或普遍认可的无关。能量分析发现在PNT内部存在若干水分子的能垒,其高度约为~ 3 kBT,这合理解释了pf与L的平方反比关系。pd同管长的关系为~ L-1.8,这与由水在管中奇特的1-2-1-2结构相吻合。在模拟所及的精度内,这两个参数对L皆为平方反比关系,且其比值大约为一常数。对三个不同膜厚度的PNTs的另一系列模拟发现水传输同外界膜厚度无关,这是由于膜对管中水的作用力太弱所致。对水传输起决定作用的是膜的种类而不是其厚度。 两组参数,传输速率和扩散系数,以及flow和net flux,都是常用来描述水流的方法。本文从纯数学上首次推导了一个联系两组参数的方程,并在碳纳米管中进行了验证。MD模拟的结果同公式预测结果高度吻合。可由此方程进一步导出了flow和net flux同温度压强的关系。


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