尿素/氧化三甲胺混合溶劑影響單壁碳納米管內(nèi)部水合性質(zhì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬

楊立江高毅勤,*

（1北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京分子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京 100871；2北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心，北京 100871）

尿素/氧化三甲胺混合溶劑影響單壁碳納米管內(nèi)部水合性質(zhì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬

楊立江1,2高毅勤1,2,*

（1北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京分子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京 100871；2北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心，北京 100871）

尿素是早已被人們認(rèn)識(shí)的蛋白質(zhì)變性劑，而氧化三甲胺則是最常用的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)保護(hù)劑。雖然多年來(lái)被廣泛應(yīng)用在生物實(shí)驗(yàn)中，但是它們是如何在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)形成中起作用，特別是氧化三甲胺是如何在高濃度尿素環(huán)境中起到抑制尿素蛋白變性作用的分子機(jī)制，至今仍然沒(méi)有得到圓滿解答。本文以單壁碳納米管為模型疏水體系，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究尿素/氧化三甲胺混合溶液中納米管內(nèi)部水合性質(zhì)，結(jié)果表明氧化三甲胺更易與水分子和尿素分子形成較強(qiáng)相互作用從而穩(wěn)定了水溶液結(jié)構(gòu)，這一結(jié)果亦表明了氧化三甲胺可以通過(guò)間接機(jī)制抵消尿素分子對(duì)于碳納米管內(nèi)部水合性質(zhì)的影響。

尿素；氧化三甲胺；碳納米管；水合作用；分子動(dòng)力學(xué)

1 引 言

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（osmolytes），主要包括各種多羥基化合物、糖類、有機(jī)溶劑和多種氨基酸以及它們的衍生物1–3。這些小分子對(duì)蛋白質(zhì)的折疊、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能都有重要的影響2–10。盡管許多年來(lái)科學(xué)家們對(duì)于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的研究已經(jīng)積累了大量生物化學(xué)和熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分子機(jī)制仍然沒(méi)有被認(rèn)識(shí)清楚。從微觀層次解釋現(xiàn)有生物化學(xué)研究結(jié)果，揭示滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)形成和穩(wěn)定性的分子機(jī)制是當(dāng)前蛋白質(zhì)科學(xué)研究中的一個(gè)重要前沿課題1。

在眾多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)中，尿素是一種在生物實(shí)驗(yàn)中廣泛使用的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變性劑，而氧化三甲胺（TMAO）則是一種作用明顯的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的保護(hù)劑。氧化三甲胺可以有效增強(qiáng)蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效抑制由尿素、溫度和壓力變化等引起的蛋白質(zhì)變性11–16。在過(guò)去幾十年的實(shí)驗(yàn)和理論研究中，研究者對(duì)于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的機(jī)制提出了很多理論和假設(shè)，其中被廣泛接受的是“直接作用”17–21和“間接作用”22–25兩種機(jī)理。所謂“直接作用”機(jī)制是指滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)通過(guò)與蛋白質(zhì)的直接靜電/范德華相互作用影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成，而“間接作用”機(jī)制的支持者則認(rèn)為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)通過(guò)與蛋白質(zhì)周圍的水相互作用從而間接影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此“間接作用”機(jī)制支持者認(rèn)為尿素是所謂的水結(jié)構(gòu)的破壞劑“（structure breaker）”26，而氧化三甲胺是水結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定劑“（structure maker）”27。

實(shí)際上在對(duì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是如何影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域，之所以至今仍然不能提出一個(gè)大家普遍認(rèn)同的機(jī)理，一個(gè)重要的原因是滲透調(diào)節(jié)物小分子、水和蛋白質(zhì)三者共存的體系中，各種分子之間的相互作用復(fù)雜，需要全面考慮滲透調(diào)節(jié)物小分子與蛋白質(zhì)、水分子與蛋白質(zhì)、滲透物小分子與水分子，滲透物小分子之間，以及水分子之間的相互作用，而其它分子與蛋白質(zhì)的相互作用又需要分別考慮與蛋白質(zhì)主鏈原子和支鏈原子之間的相互作用等，想要從這些紛繁復(fù)雜的相互作用中提煉出一個(gè)簡(jiǎn)單而統(tǒng)一的分子層次的機(jī)制自然難度很大。過(guò)去人們之所以會(huì)提出“直接”和“間接”兩種截然不同的作用機(jī)制，一個(gè)主要原因也是由于體系中相互作用太復(fù)雜，研究者對(duì)某一個(gè)方面因素的關(guān)注，有時(shí)不可避免地忽視了其他因素。因此人們也嘗試使用適當(dāng)簡(jiǎn)化的體系來(lái)研究滲透物小分子的作用，在這樣的體系中由于分子間相互作用種類較少，所以更容易發(fā)現(xiàn)其中占主導(dǎo)地位的相互作用，從而澄清相應(yīng)的分子機(jī)制。例如Zangi等21就研究了尿素分子對(duì)于簡(jiǎn)單的疏水平面水合作用的影響，還有一些利用各種不同的輸水體系研究水合作用的工作28–30。2010年我們研究組也使用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了滲透調(diào)節(jié)物分子對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單且易于控制的疏水物質(zhì)——碳納米管內(nèi)部的水合作用的影響，揭示出了尿素、乙醇和氧化三甲胺等不同滲透物小分子引起碳納米管內(nèi)部水分子數(shù)目變化的本質(zhì)原因31。在此簡(jiǎn)化體系理論研究的基礎(chǔ)上，我們還進(jìn)一步研究了尿素、氧化三甲胺和四甲基脲在短肽鏈折疊中的作用，其結(jié)果也驗(yàn)證了我們?cè)诤?jiǎn)化體系中得到的結(jié)論，強(qiáng)調(diào)了“間接作用”的重要性32。后續(xù)研究工作中，我們還有針對(duì)性地探討了一系列滲透調(diào)節(jié)物分子對(duì)蛋白質(zhì)的溶解度、結(jié)構(gòu)形成和聚集等過(guò)程的影響。用分子模擬以蛋白質(zhì)在常見(jiàn)無(wú)機(jī)鹽、胍鹽和醇等的水溶液中的折疊作為模型體系，詳細(xì)研究了共溶劑分子或無(wú)機(jī)鹽對(duì)水溶液以及溶液環(huán)境對(duì)蛋白質(zhì)折疊的影響，提出了陰陽(yáng)離子協(xié)同性和氫鍵受體給體平衡的概念，解釋了包括無(wú)機(jī)鹽以及有機(jī)小分子在內(nèi)的一系列滲透調(diào)節(jié)物分子對(duì)于蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響，針對(duì)蛋白質(zhì)變性和保護(hù)中的直接與間接作用提出了一個(gè)統(tǒng)一的分子圖像33–39。

在本篇論文的工作中我們使用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究尿素/氧化三甲胺混合溶液中碳納米管內(nèi)部的水合作用，目的是更進(jìn)一步理解氧化三甲胺是如何抑制尿素對(duì)于碳納米管內(nèi)部水合性質(zhì)的增強(qiáng)，并希望對(duì)此簡(jiǎn)化模型的研究能幫助我們更深入地了解氧化三甲胺對(duì)于尿素蛋白質(zhì)變性作用的抑制機(jī)制。

2 方 法

本文采用的是110個(gè)碳原子組成的“扶手椅（armchairs）”型單壁碳納米管，手性參數(shù)（6, 4），長(zhǎng)度為1.34 nm，直徑為0.67 nm，碳納米管的初始結(jié)構(gòu)由“nanotube coordinate generator”程序生成（http:// www.photon.t.u-tokyo.ac.jp）。組成碳納米管的碳原子在模型中被描述為不帶電荷的范德華粒子，其力場(chǎng)參數(shù)采用Hummer等40模擬中所使用的一組參數(shù)。研究中共模擬了四種類型的溶液條件：純水，4 mol·L–1尿素水溶液，4 mol·L–1氧化三甲胺水溶液和4 mol·L–1尿素/氧化三甲胺混合溶液（尿素與氧化三甲胺物質(zhì)的量比為1 : 1）。四種溶液中均加入942個(gè)水分子，水分子采用TIP3P模型41，尿素和氧化三甲胺采用文獻(xiàn)42,43中使用的力場(chǎng)參數(shù)。本文采用AMBER 9分子動(dòng)力學(xué)程序包對(duì)上述體系在周期性邊界條件和等溫等壓系綜下分別進(jìn)行了125 ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬，體系的溫度通過(guò)Langevin動(dòng)力學(xué)控溫方法維持在300 K （Langevin 動(dòng)力學(xué)中使用5 ps–1的控溫頻率），體系的壓力則通過(guò)Berendsen弱耦合方法44控制在101.325 kPa，壓力控制的弛豫時(shí)間選為2 ps。模擬中使用了非鍵相互作用截?cái)喟霃?.0 nm，長(zhǎng)程相互作用使用particlemesh Ewald方法45處理。模擬的步長(zhǎng)設(shè)為2 fs，因此使用SHAKE方法46限制了所有氫原子的鍵振動(dòng)。

圖1 進(jìn)入碳納米管內(nèi)部的水分子數(shù)目（N）隨時(shí)間的變化Fig.1 Number （N） of water molecules inside the nanotube as a function of time

3 結(jié)果與討論

3.1 尿素和氧化三甲胺對(duì)碳納米管內(nèi)部水合性質(zhì)的影響

雖然碳納米管是疏水的，但是Hummer等47在研究中指出，碳納米管內(nèi)外水分子的超額化學(xué)勢(shì)差會(huì)導(dǎo)致水分子進(jìn)入碳納米管內(nèi)部。在我們以前的研究中，為了更清楚地呈現(xiàn)不同滲透調(diào)節(jié)物分子對(duì)于碳納米管水合性質(zhì)的影響，我們選擇了一個(gè)相對(duì)較小的碳納米管直徑（0.67 nm）31。在本文的研究中我們?nèi)匀徊扇∠嗤呗?，仍然使?.67 nm直徑的碳納米管，這個(gè)尺寸剛好允許水分子進(jìn)入碳納米管內(nèi)部而大多數(shù)滲透調(diào)節(jié)物分子都由于分子尺寸限制無(wú)法進(jìn)入。對(duì)于碳納米管在每一種溶劑中模擬了125 ns后，每一個(gè)模擬的最后50 ns的軌跡被用來(lái)做進(jìn)一步的分析。首先，我們計(jì)算了在四種溶液的模擬中進(jìn)入碳納米管內(nèi)部的水分子數(shù)目，圖1顯示了進(jìn)入碳納米管內(nèi)部的水分子數(shù)目隨模擬時(shí)間的變化。

在圖1中可以觀察到模擬過(guò)程中進(jìn)入碳納米管內(nèi)的水分子數(shù)目在0–5之間變化，并且模擬過(guò)程中可以觀察到多次碳納米管內(nèi)部水分子充滿狀態(tài)和無(wú)水分子進(jìn)入的空腔狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。圖1（b）的結(jié)果表明尿素分子會(huì)促進(jìn)水分子更頻繁地進(jìn)入碳納米管通道，通道中進(jìn)入了4–5個(gè)水分子的充滿狀態(tài)占據(jù)多數(shù)情況，這與我們以前高濃度的尿素溶液（7 mol·L–1）模擬31的結(jié)果是相一致的。圖1（c）中氧化三甲胺的加入明顯減少了進(jìn)入碳納米管通道的水分子，碳納米管通道很多情況下處于“干燥”的空腔狀態(tài)。圖1（d）所示的尿素/氧化三甲胺混合溶液中進(jìn)入碳納米管通道內(nèi)的水分子數(shù)目也比較少，但是由于尿素和氧化三甲胺對(duì)于進(jìn)入碳納米管通道的水分子的促進(jìn)或抑制作用的相互競(jìng)爭(zhēng)，最后造成的結(jié)果就是在混合溶液中進(jìn)入碳納米管通道的水分子數(shù)目對(duì)比單一氧化三甲胺溶劑的情況有明顯提高。通過(guò)計(jì)算四種溶液中進(jìn)入碳納米管通道的平均水分子數(shù)目可以更明顯的看到上述趨勢(shì)：純水3.62，4 mol·L–1尿素溶液3.83，4 mol·L–1氧化三甲胺溶液1.43，4 mol·L–1尿素/氧化三甲胺混合溶液1.65。

圖2 尿素和水分子相對(duì)氧化三甲胺分子的徑向分布函數(shù)（RDFs）Fig.2 Radial distribution functions （RDFs） of urea and water molecules to TMAO

3.2 尿素、氧化三甲胺和水分子的相互作用

為了研究氧化三甲胺如何抑制尿素的作用，我們對(duì)尿素/氧化三甲胺混合溶液中尿素、氧化三甲胺和水分子的相互作用進(jìn)行了細(xì)致分析。首先，我們計(jì)算了氧化三甲胺分子的疏水位點(diǎn)（甲基）和氫鍵質(zhì)子受體位點(diǎn)（氧原子）與水分子和尿素分子的徑向分布函數(shù)，如圖2所示。從圖2（a, b）我們可以發(fā)現(xiàn)水分子在氧化三甲胺分子的甲基和O原子位置都有分布，顯示氧化三甲胺在混合溶液中能被水分子很好溶解。特別的，由圖2（b）水分子的氧原子在氧化三甲胺氫鍵受體位點(diǎn)處徑向分布函數(shù)可以明顯看到一個(gè)很突出的尖峰，這表明氧化三甲胺有很強(qiáng)的與水分子形成氫鍵的能力。圖2（c）和2（d）描述了尿素在氧化三甲胺分子周圍的分布，其分布函數(shù)的性狀與水分子的相應(yīng)分布函數(shù)非常相似，即尿素分子也與氧化三甲胺很好的相互作用，但是圖2（d）中的第一個(gè)峰低于圖2（b）中的尖峰，這表明水分子比尿素更傾向于與氧化三甲胺發(fā)生相互作用，占據(jù)其第一溶劑化層。

圖3 水分子中氧原子在氧化三甲胺氧原子附近的徑向分布Fig.3 TMAO-water oxygen radial distribution function

作為對(duì)比，我們也計(jì)算了4 mol·L–1氧化三甲胺溶液中水分子對(duì)氧化三甲胺的徑向分布函數(shù)。圖3中對(duì)比了在4 mol·L–1氧化三甲胺溶液和尿素/氧化三甲胺混合溶液中水分子中氧原子相對(duì)于氧化三甲胺氧原子的徑向分布函數(shù)。為了更清楚地看到兩種溶液環(huán)境中徑向分布函數(shù)的不同，我們將分布函數(shù)第1個(gè)峰值處放大并畫(huà)入圖3的嵌入圖中。從放大后的對(duì)比圖可以看到混合溶液中該峰得到了輕微增強(qiáng)，也就是說(shuō)混合溶液中水分子與氧化三甲胺的相互作用更具有優(yōu)勢(shì)。

圖4 尿素/氧化三甲胺混合溶液中可能形成氫鍵原子對(duì)的徑向分布函數(shù)Fig.4 Radial distribution function of possible hydrogen bonding atoms in urea/TMAO solutions

為了表征尿素/氧化三甲胺混合溶液中各組分形成氫鍵能力的不同，我們計(jì)算了尿素/氧化三甲胺混合溶液可能形成氫鍵的原子之間的徑向分布函數(shù)，由于氧化三甲胺并不能提供氫鍵質(zhì)子給體，因此它只能與溶液中水分子和尿素分子提供的氫鍵質(zhì)子給體形成氫鍵。圖4（a）描述了水分子中的氫原子相對(duì)尿素分子氧原子和氧化三甲胺氧原子的徑向分布函數(shù)，我們可以發(fā)現(xiàn)，在第一分布峰處水氫原子在氧化三甲胺氧原子附近的分布遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于尿素氧原子，這清楚地展示了氧化三甲胺比尿素更容易與水形成氫鍵。圖4（b）表征的是尿素和水中氫原子在氧化三甲胺氧原子周圍的徑向分布。結(jié)果表明氧化三甲胺更傾向于與水分子形成氫鍵，因?yàn)樗肿又袣湓釉谘趸装费踉拥谝蝗軇┗瘜拥姆植歼h(yuǎn)高于尿素的氫原子。

利用徑向分布函數(shù)我們也計(jì)算了尿素溶劑和尿素/氧化三甲胺混合溶劑中尿素分子第一溶劑化層中水分子的平均數(shù)目nAB，其計(jì)算公式48為

其中nAB代表距A類型原子rc距離之內(nèi)的B類型原子數(shù)目，pB是體系中B類型原子的數(shù)密度。

通過(guò)比較表1中尿素和尿素/氧化三甲胺溶劑中尿素第一溶劑化層內(nèi)水分子的數(shù)目，可以看到由于氧化三甲胺的競(jìng)爭(zhēng)，在尿素/氧化三甲胺溶劑中尿素分子第一溶劑化層中要比在單一尿素溶劑中少11個(gè)水分子（考慮到尿素分子中有兩個(gè)氮原子，氮原子第一溶解層內(nèi)水分子數(shù)目要乘以2）。

表1 尿素和尿素/氧化三甲胺混合溶液中尿素第一溶劑化層內(nèi)水分子平均數(shù)目Table 1 Averaged number of water molecules in the first solvation shell of urea in the urea and urea/TMAO solutions

綜上所述，帶有一個(gè)氫鍵質(zhì)子受體的氧化三甲胺分子非常易與水分子發(fā)生氫鍵作用，正是由于氧化三甲胺分子傾向與水分子和尿素分子形成氫鍵的特性，穩(wěn)定了水分子參與的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而使得從體相水中抽取水分子進(jìn)入碳納米管內(nèi)部的懲罰加大。這種通過(guò)改變水分子行為和化學(xué)勢(shì)來(lái)影響體系行為的機(jī)制和“間接作用”機(jī)制是一致的。

為了進(jìn)一步研究氧化三甲胺對(duì)水分子的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響，我們計(jì)算了在三種溶液中水分子的徑向分布函數(shù)，如圖5所示。在圖5（a）所示的水分子氧-氧徑向分布函數(shù)g（r）中首先我們可以看到由于共溶劑的加入，在0.277 nm位置附近出現(xiàn)一個(gè)非常突出的尖峰，尤其在氧化三甲胺和混合溶液中這個(gè)尖峰更加顯著。為了能更清楚的比較不同溶液中水分子的徑向分布，圖5（a）的第2和第3峰所在區(qū)域被放大顯示在圖5（b）中。在圖5（b）中很明顯可以看到混合溶液中g(shù)（r）分布介于尿素和氧化三甲胺溶液的結(jié)果之間。對(duì)于水的“structure breaker”——尿素，低平的第2和第3峰證明在尿素影響下水的結(jié)構(gòu)有序性不佳，而加入氧化三甲胺后，它會(huì)奪取水分子和尿素分子的氫鍵質(zhì)子給體以形成氫鍵，通過(guò)這些氫鍵的形成，尿素對(duì)水溶液結(jié)構(gòu)的破壞作用得到了抑制。上述推斷從圖5（b）上看就是水的徑向分布圖上的第1和第2個(gè)山谷被降低，因此形成了較為明顯的第2和第3個(gè)峰，這也意味著更加有序的水結(jié)構(gòu)（徑向分布圖上較突出并向外偏離零點(diǎn)的分布峰代表有序的結(jié)構(gòu)，而不明顯并偏向零點(diǎn)的分布峰則代表較混亂的結(jié)構(gòu)）。

除了從徑向分布函數(shù)角度考量，在不同溶液中水分子氫鍵或者氫鍵網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也可以通過(guò)計(jì)算形成氫鍵的原子之間的距離和角度分布來(lái)判斷。如圖6所示尿素/氧化三甲胺混合溶液中，水形成的氫鍵的距離和角度分布更接近氧化三甲胺的結(jié)果，即更短的作用距離和更大的作用角度，這也證明了混合溶液中氧化三甲胺使得水分子能形成更短也更強(qiáng)的氫鍵相互作用。

為了對(duì)比不同溶液環(huán)境中各組分形成氫鍵的情況，我們對(duì)三種包含共溶劑的溶液中氫鍵形成情況做了統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表2）。判斷氫鍵形成的標(biāo)準(zhǔn)同圖6的圖注所述。

由形成氫鍵數(shù)目的對(duì)比可知，在尿素/氧化三甲胺混合溶液中由于氧化三甲胺具有很強(qiáng)的與水形成氫鍵的能力，所以它會(huì)與尿素分子競(jìng)爭(zhēng)水分子以形成氫鍵，另一方面氧化三甲胺分子也會(huì)與尿素分子的氫鍵給體形成氫鍵，從而進(jìn)一步減少尿素分子與水分子形成氫鍵的能力。而尿素分子與水形成的氫鍵的減少（減少了尿素對(duì)水分子結(jié)構(gòu)的破壞作用）和氧化三甲胺與水生成氫鍵對(duì)于水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定作用，同時(shí)造成了混合溶液中尿素增強(qiáng)碳納米管內(nèi)部水合作用的消失。其實(shí)通過(guò)本文中模擬觀察到的現(xiàn)象也是符合我們所提出的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞劑和保護(hù)劑的氫鍵受體給體平衡40概念的。氫鍵受體給體平衡強(qiáng)調(diào)分別富含質(zhì)子受體和給體的共溶劑對(duì)于蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)有保護(hù)和破壞兩種截然相反的作用，比如富含氫鍵給體的尿素和胍鹽就是兩類典型的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞劑，它們通過(guò)增加溶液中自由氫鍵給體，以直接和間接作用的方式增強(qiáng)氨基酸氨基的水溶性使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞。而相對(duì)的，醇類和氧化三甲胺等富含氫鍵受體的分子則通過(guò)減少溶液中自由氫鍵給體，降低蛋白骨架的水溶性來(lái)達(dá)到保護(hù)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的作用。通過(guò)對(duì)本文四種溶劑體系中平均每分子所帶自由氫鍵給體和受體的計(jì)算比較（表3），我們可以看到對(duì)比純水體系尿素溶劑中尿素略微提高了自由氫鍵給體的數(shù)目，而氧化三甲胺溶劑中由于氧化三甲胺只提供氫鍵受體，所以體系中自由氫鍵受體數(shù)目大大增加而自由氫鍵給體數(shù)目減少。尿素/氧化三甲胺混合溶劑中自由氫鍵受體給體數(shù)目與氧化三甲胺溶劑情況類似，因此在此溶劑中尿素對(duì)于碳納米管內(nèi)部水合作用的增強(qiáng)基本被抑制了。

表2 三種溶劑中各組分平均每個(gè)分子形成的氫鍵個(gè)數(shù)Table 2 Averaged hydrogen bond number per molecule for solution species in 3 different solutions

表3 四種溶劑中平均每分子氫鍵受體/給體數(shù)目Table 3 Averaged numbers of hydrogen bond acceptors/donors per molecule in 4 different solutions

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了尿素、氧化三甲胺、尿素/氧化三甲胺混合溶劑三種溶劑對(duì)單壁碳納米管通道中水合性質(zhì)的影響。模擬結(jié)果顯示尿素提高了水分子進(jìn)入碳納米管通道的數(shù)目，氧化三甲胺大大降低了進(jìn)入碳納米管通道的水分子數(shù)目，而尿素/氧化三甲胺混合溶液的結(jié)果更傾向于單一氧化三甲胺溶劑的結(jié)果，即抑制了尿素對(duì)碳納米管內(nèi)部水合作用的促進(jìn)。因?yàn)槟M中碳納米管的直徑只允許水分子通過(guò)，因此共溶劑分子并不能直接進(jìn)入納米管通道來(lái)影響水合性質(zhì)，所以這個(gè)簡(jiǎn)單的體系是檢驗(yàn)氧化三甲胺抑制尿素蛋白質(zhì)變性機(jī)制的合適的簡(jiǎn)化模型。模擬結(jié)果表明，混合溶液中由于氧化三甲胺非常傾向與水分子和尿素形成氫鍵，這使得水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性增強(qiáng)，導(dǎo)致的結(jié)果就是加大了體相水分子進(jìn)入碳納米管通道的懲罰，抑制了尿素促進(jìn)水分子進(jìn)入納米管通道的作用。本文的研究對(duì)幫助研究者理解共溶劑影響水合機(jī)理有一定作用，然而這里只是研究了一個(gè)簡(jiǎn)化的疏水體系，對(duì)于復(fù)雜的蛋白質(zhì)等生物大分子中共溶劑的變性和保護(hù)作用的研究還需要綜合考慮多方面的因素。需要指出的是，本文提出的氧化三甲胺抑制尿素變性劑作用的機(jī)理更多的是從間接作用機(jī)制方面進(jìn)行考慮，但是，在真實(shí)的蛋白質(zhì)環(huán)境中共溶劑分子與蛋白質(zhì)的直接作用也起到相當(dāng)關(guān)鍵的作用。另外，作為具有輸運(yùn)分子應(yīng)用前景的碳納米管，其本身水合性質(zhì)的研究也是有價(jià)值的研究課題，當(dāng)然這就需要更細(xì)致的研究不同手性參數(shù)的碳納米管中溶液分子的相互作用的差別，這也將是我們下一步的一個(gè)研究方向。

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Molecular Dynamic Simulations of the Effects of Trimethylamine-N-oxide/Urea Mixture on the Hydration of Single-Walled Carbon Nanotube Interiors

YANG Li-Jiang1,2GAO Yi-Qin1,2,*
（1Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, P. R. China；2Biodynamic Optical Imaging Center, Peking University, Beijing 100871, P. R. China）

Urea is known for protein denaturation. The counteracting effect of trimethylamine-N-oxide（TMAO） against urea-induced protein denaturation is also well established. Howeνer, what is largely unknown is the mechanism TMAO counteracts urea. In this article, the hydration of the interior of a simple single-walled carbon nanotube in a urea/TMAO mixture is studied as a model system for hydrophobic hydration using molecular dynamic simulations. The results show that TMAO counteracts the hydration effect of urea to the nanotube interior through strong interactions among TMAO, water, and urea. The strong interactions of TMAO and water stabilize the water structure, which counteracts the effects of urea indirectly.

Urea; Trimethylamine-N-oxide; Carbon nanotube; Hydration; Molecular dynamics

O645.11

10.3866/PKU.WHXB201512161

Received: October 8, 2015； Revised: December 15, 2015； Published on Web: December 16, 2015.

*Corresponding author. Email: gaoyq@pku.edu.cn； Tel: +86-10-62752431.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China （21373016, 21233002, 21125311, 21573006）.

國(guó)家自然科學(xué)基金（21373016, 21233002, 21125311, 21573006）資助項(xiàng)目

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