低维纳米材料与蛋白质表界面相互作用机理研究

摘要

随着纳米科学技术，纳米生物医学的快速发展，纳米材料将不可避免的、不断的进入到生物环境中并与人类发生直接的接触，它们可以通过皮肤接触、食物摄取、呼吸吸入等方式进入人体，并通过范德华和静电等相互作用与人体的蛋白质、细胞膜、DNA等生物大分子形成一系列的“纳米材料－生物分子”表界面，为后续的各种生物化学反应活动提供场所。
　　生物分子在纳米材料表面会发生相变，自由能变化，重构，去溶剂化等效应，但是诱导这些行为发生的具体分子机理在很大程度上仍未被理解透彻。一般来说，无机纳米材料和生物大分子发生相互作用的空间尺度在纳米级别，时间尺度在皮秒到微秒级别，这些特点决定了相关的科学问题很难通过实验直接进行研究。分子动力学模拟方法作为实验手段的补充，在阐述纳米材料和生物分子在纳米尺度和纳秒级别下的相互作用方面具有独特的优势。因此，本文采用分子动力学模拟方法，系统研究了蛋白质的基本构成单元—氨基酸在多种典型纳米材料（石墨烯，二氧化钛，铂）表面的吸附的热力学和动力学过程。我们发现所选纳米材料表面的元素种类、原子排布方式、原子电荷会强烈的影响纳米材料表界面第一水合层的水分子行为，而第一水合层中水分子的行为又会显著影响氨基酸的吸附自由能，并最终影响蛋白质吸附的动力学过程及蛋白质本身的结构功能。具体来说：
　　（a）石墨烯表面水分子有序度不高，可以较强吸附末端带平面结构官能团的氨基酸，如Trp、Arg、Tyr、Phe、His等，紧接着是疏水类型氨基酸如Leu、Ile、Val，最弱的是受去溶剂化效应影响的非平面极性氨基酸如Glu、Thr、Ser等；
　　（b）对于TiO2来说，由于表面极性环境影响，TiO2表面可以形成致密的第一水合层，水分子可以站立或者倒立在TiO2表面，由第一水合层的影响，TiO2主要吸附极性氨基酸，尤其是带电氨基酸。Arg、Lys容易吸附到TiO2表面，而Glu和Asp更容易吸附在第二水合层；
　　（c）贵金属Pt不同晶面产生了完全不同的有序水合层结构，在（100）晶面上形成致密的平铺的饱和氢键网络，而在（111）晶面上形成稀疏的未饱和氢键网络，（100）晶面晶面以吸附带电氨基酸Glu/Asp为主，而（111）晶面以吸附末端具有平面结构的氨基酸为主，对HP35模式蛋白的考察也反应了Pt（100）晶面第一水合层的致密水膜可以保护蛋白质二级结构不受破坏，而Pt（111）晶面会对蛋白质二级结构造成较强的破坏。
　　本研究从分子层面揭示了纳米材料—蛋白质表界面的相互作用本质，同时细致的刻画了界面水的作用，厘清了所选几种纳米材料界面本身的物化性质，包括元素种类、形貌、表面化学性质等对生物分子相互作用的影响规律，对指导纳米材料的安全使用，纳米材料特定结合短肽/蛋白质的设计，以及纳米材料的预测和可控合成等方面具有重要的科学意义。

目录

声明

引言

第一章 纳米材料研究进展

1.1纳米材料研究进展

1.2纳米材料的生物应用

1.3 纳米材料在生物系统表面科学中的发展

第二章 分子动力学模拟及自由能计算

2.1 分子动力学基本原理

2.2 分子动力学中的自由能计算

第三章 石墨烯与蛋白质表界面相互作用机理

3.1 引言

3.2 模型及方法

3.3石墨烯与氨基酸的相互作用

3.4 结论

第四章TiO2与蛋白质相互作用机理

4.1 引言

4.2 模型与方法

4.3 结果与讨论

4.4 结论

第五章 铂与蛋白质相互作用机理

5.1 引言

5.2 模型及方法

5.3 结果与讨论

5.4 结论

第六章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢