氨基酸團簇及磷脂在蒙脫石表面的電子傳遞計算模擬研究*

周 青，董發(fā)勤，邊 亮,孫仕勇,郭玉婷,4，霍婷婷

(1. 西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010;2. 固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010;3. 中國科學院 新疆理化技術(shù)研究所，烏魯木齊 830011;4. 西南科技大學 生命科學與工程學院，四川 綿陽 621010)

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氨基酸團簇及磷脂在蒙脫石表面的電子傳遞計算模擬研究*

周 青1,2，董發(fā)勤2，邊 亮3,孫仕勇1,2,郭玉婷2,4，霍婷婷2

(1. 西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010;2. 固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010;3. 中國科學院 新疆理化技術(shù)研究所，烏魯木齊 830011;4. 西南科技大學 生命科學與工程學院，四川 綿陽 621010)

分子模擬以其在分子尺度上的可視性已成為界面作用研究的一項重要手段。本文通過分子動力學研究氨基酸團簇及磷脂分子與可吸入顆粒物蒙脫石的吸附來模擬蒙脫石進入人體后與人體細胞膜膜蛋白及磷脂分子的相互作用過程。另外在計算體系中加入重金屬離子Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)以了解其對該過程的影響。模擬結(jié)果證明，氨基酸和磷脂均與蒙脫石具有較好的親和性，但氨基酸強于磷脂。重金屬離子則起到了促進作用。通過密度泛函理論研究作用前后分子的電子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，相互作用過程中存在以蒙脫石為供體、氨基酸和磷脂為受體的電子傳遞。

蒙脫石；氨基酸；磷脂；分子模擬；重金屬離子；電子傳遞

0 引 言

大氣顆粒物污染日趨嚴重，大氣顆粒物被吸入人體后會刺激巨噬細胞、呼吸道上皮細胞等產(chǎn)生自由基[1]。具有強氧化性的自由基由于含有未偶電子，不僅可以使細胞膜的不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化，而且可以攻擊膜蛋白，核酸等生物分子使之發(fā)生鏈內(nèi)或鏈間交聯(lián)、斷裂，從而引起細胞的氧化損傷，甚至凋亡[2-6]。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒的成分及比表面積與其誘導產(chǎn)生細胞氧化損傷的能力有直接關(guān)系[3-4]。

作為大氣顆粒物礦物成分的一種[4, 7]，蒙脫石的片層具有極高的橫縱比(約500)和比表面積(約800 m2/g)[8]。盡管關(guān)于蒙脫石粉塵的致病案例早有報道，其致病機理的研究卻并不多見[9-11]。然而，由于在自然條件下蒙脫石層帶負電且有可交換的層間陽離子，其與生物分子如氨基酸、蛋白質(zhì)、脂多糖等的相互作用研究相對較多，尤其是蒙脫石吸附氨基酸、蛋白質(zhì)[12-15]。一定程度上，蒙脫石和氨基酸以及蛋白質(zhì)的相互作用是其二者親和力的一種反映，研究二者的吸附作用對于研究蒙脫石致病機理有一定的幫助。氨基酸、蛋白質(zhì)、磷脂等生物分子在蒙脫石表面的吸附普遍認為由離子交換、靜電作用、氫鍵、范德華力等完成的[14]。

近年來，隨著計算模擬技術(shù)的發(fā)展，分子動力學模擬已廣泛應用于生物大分子結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的研究中，而應用于礦物與生物大分子的交互作用的較少[13, 16]。本文建立蒙脫石模型以及由多肽(谷氨酸、甘氨酸、絲氨酸、精氨酸)以及磷脂單分子層組成的細胞膜模型。通過計算機模擬二者在Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ) 4種重金屬離子影響下的相互作用[17]，以獲得二者的形變以及二者的電子傳輸機制等相關(guān)信息。通過分子模擬，從分子視角在一定程度上洞悉蒙脫石粉塵被吸入肺泡之后與人體細胞細胞膜的相互作用，以期為粉塵的致病機理提供一定的參考。

1 計算模擬方法

模擬計算軟件采用的是Materials Studio(Accelrys, USA)。采用分子力學建立谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、絲氨酸(Ser)、精氨酸(Arg) 4種氨基酸團簇和磷脂(Phospholipid)等生物分子(BM)團簇模型[18](詳見表1)及蒙脫石(MMT)模型[19]。

表1 生物分子模型的基本參數(shù)

蒙脫石對4種氨基酸團簇的吸附位點及吸附量通過巨正則蒙脫卡洛計算獲得。計算步數(shù)為10 000 000步，計算方法采用的是Metropolis法，采用Universal力場，運動方程由Verlet算法整合[20]。

隨后采用Universal力場進行分子動力學弛豫。先NPT系綜后NVT系綜，弛豫時間均為1 000 ps，步長設為1 fs，溫度設為310 K，壓力為標準大氣壓0.1 MPa。長程靜電作用計算采用Atom-based方法，短程范德華作用計算采用Ewald & group方法。弛豫過程中溫度采用Nose-Hoover熱浴調(diào)節(jié)，壓力由Berendsen恒壓器調(diào)節(jié)[21]。

圖1 模擬計算過程圖示

最后利用密度泛函理論(DFT)進行量化計算。采用Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)廣義梯度近似(GGA)交換泛函計算生物分子與礦物結(jié)構(gòu)之間的電子傳遞[22]。平面波截斷能量收斂為500 eV，采用3×3×3的k點抽樣在布里淵區(qū)內(nèi)進行倒易空間積分。整個計算過程如圖1所示。

2 結(jié)果討論

2.1 相互作用強弱及相互作用位點

蒙脫石與生物分子的親和性實際上表示為生物分子在蒙脫石表面的吸附。吸附作用的強弱在數(shù)值上表現(xiàn)為吸附能的不同，吸附能的計算公式為Eadsorption=E(adsobate+substrate)-Eadsorption-Esubstrate。吸附能為負值表示吸附行為是自發(fā)進行的，吸附后體系整體能量降低且體系穩(wěn)定，吸附過程是放熱的。吸附能的絕對值越大，表明吸附作用越強烈，蒙脫石與生物分子的相互作用也就越明顯。

本文采用蒙脫卡洛計算得到了蒙脫石吸附生物分子的吸附能及吸附后生物分子的變形能，計算結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，蒙脫石與5種生物分子之間的吸附能皆為負值，說明蒙脫石與5種生物分子均存在較強相互作用。其中，蒙脫石對4種氨基酸團簇的作用強于磷脂分子，4種氨基酸團簇則大體一致。較強的相互作用則導致生物分子較大的形變，數(shù)值上表達為變形能的絕對值較大，稍后將結(jié)合鍵能及扭轉(zhuǎn)能的變化綜合討論。

表2 蒙脫石吸附生物分子的吸附能與變形能(kJ/mol)

Table 2 Adsorption and deformation energy of biomolecules on montmorillonite surface (kJ/mol)

能量PhospholipidGlySerGluArg吸附能-2052.56-2549.35-2549.97-2542.67-2552.49變形能-2185.72-2673.44-2670.71-2661.77-2668.83

2.2 相互作用前后生物分子的能量變化

生物分子的形變更加具體地反映為鍵能、扭轉(zhuǎn)能等的變化。本文不僅計算了包括鍵能、扭轉(zhuǎn)能在內(nèi)的價鍵能，還計算了包括靜電作用能以及范德華能在內(nèi)的非鍵合能，具體與圖3所示。由圖3可以看出，相似結(jié)構(gòu)的生物分子的價鍵能與分子的原子數(shù)呈一定的正相關(guān)。與蒙脫石作用后，5種生物分子的鍵能及扭轉(zhuǎn)能均升高。由于蒙脫石分子對生物分子界面原子的作用，使得生物分子不得不縮短鍵長以加強對表層原子的束縛，生物分子的鍵能相應變大。同理，由于蒙脫石的作用，緊縛的生物分子柔性減弱，鍵角旋轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)以及面外彎曲能力較弱，扭轉(zhuǎn)能升高。重金屬離子的存在則加強了蒙脫石與生物分子的作用，鍵能和扭轉(zhuǎn)能進一步升高。值得一提的是，在重金屬離子的協(xié)同作用下，個別生物分子的鍵能竟達873.80 kJ/mol。

與價鍵能相比，非鍵合能的變化顯得似乎沒有規(guī)律可循。不同于價鍵能，非鍵合能的變化是生物分子內(nèi)、生物分子與生物分子之間以及生物分子與蒙脫石之間作用疊加的結(jié)果?？偟膩砜?，長程靜電作用強于短程范德華作用，即在相互作用過程中，靜電作用力起主導作用。磷脂與Gly體系以范德華引力為主，其它生物分子體系以范德華斥力為主；磷脂與谷氨酸體系以靜電斥力為主，其它生物分子體系以引力為主。

圖2 分子動力學弛豫之后蒙脫石與生物分子相對位置圖

圖3 生物分子相互作用前后體系的能量變化

2.3 蒙脫石與生物分子之間的電子傳遞

確定了相互作用基團后，采用DFT理論進行量子化學計算，得到了相互作用前后體系分子的電子結(jié)構(gòu)，從而得到二者之間的電子傳遞情況。

分子的表面電勢是分子軌道及電子密度的反映，通過繪制分子的表面電勢等高線圖，可以定性地了解電子的傳遞方向，電勢低的區(qū)域的有相對自由的電子，而電勢高的區(qū)域則表示該區(qū)域?qū)﹄娮哟嬖谳^強的吸引力，電勢越高，得電子能力也就越強。從圖4可以看出，蒙脫石整體勢能較低，其中側(cè)面邊緣的硅氧四面體的Si原子區(qū)域存在明顯的負值區(qū)，這主要是由于邊緣的Si的外層電子p軌道上的兩個電子未參與成鍵。未成鍵的孤對電子由于沒有鍵的束縛，能量又處于最高、次高，易于偏向電子受體，從而從蒙脫石分子中失去。而生物分子的外層密布著高電勢區(qū)，這主要是由于外層H原子的電子由于受到內(nèi)層原子吸引，幾乎向外裸露的H原子核有較強的吸引電子的能力?？傊瑥内厔萆?，蒙脫石易于失去電子，而生物分子易于得到電子。

為進一步定量地了解二者之間的電子傳遞，根據(jù)量化計算結(jié)果，對蒙脫石與生物分子的作用基團進行Mulliken布局分析。Mulliken電荷是原子周圍電子密度高低的直接反映，電荷越高，電荷密度越低。Mulliken電荷的分子結(jié)果如表3所示，蒙脫石的Al、Si原子在作用后，電子密度變低，其中Al的變化尤為明顯；氧原子的電子密度增高。氨基酸—NH2和—COOH的電子密度增高。磷脂分子酯基—COO—電子密度增高，而親水端上—H2PO4的電子密度反而變低。

圖4 蒙脫石與生物分子的表面電勢等值線圖

作用基團作用前作用后PhospholipidGlySerGluArg蒙脫石Al1.5602.2292.2732.4032.2132.252Si2.0152.0682.1802.3362.3512.460O(四面體)-0.995-1.194-1.187-1.310-1.221-1.303O(八面體)-0.923-1.204-1.209-1.373-1.275-1.269氨基酸—NH2-0.102～-0.109—-0.173-0.158-0.139-0.119—COOH-0.481～-0.372—-0.527-0.659-0.572-0.648磷脂—COO—-0.279-0.366—————H2PO40.3460.418————

與表面電勢顯示的趨勢較為一致，蒙脫石主要為電子供體，而生物分子為電勢受體，磷脂的親水基團—H2PO4除外。只是不同的是蒙脫石最大的電子供體為Al而非Si，這主要是因為孤對電子只在蒙脫石片層的側(cè)面Si原子中存在，而且Al的電子吸引能力比Si弱。Al、Si原子的電子經(jīng)由表層O原子傳遞給生物分子的作用基團，故蒙脫石表層氧原子的電子密度也有所增高。通過對磷脂作用基團—H2PO4的單個原子進行布局分析發(fā)現(xiàn)P原子為主要的電子供體(電荷由2.110 e升高為2.316 e)。由于重金屬離子是以蒙脫卡洛方法加入計算體系，以場的形式存在，其不存在電子得失，但重金屬離子加強了蒙脫石及生物分子的極化，并在傳遞過程中起到介導作用。

3 結(jié) 論

(1) 通過分子模擬計算發(fā)現(xiàn)蒙脫石在靜電力為主的作用力下，與蛋白質(zhì)和磷脂分子通過—NH2、—COOH、—H2PO4、—COO—相互作用，且蛋白質(zhì)的作用強于磷脂。在蒙脫石的作用下，生物分子發(fā)生較大的形變，鍵能增強，柔性變低。重金屬離子的存在則加強了該過程，發(fā)揮了協(xié)同作用。

(2) 通過對相互作用后體系的電子結(jié)構(gòu)計算發(fā)現(xiàn)蒙脫石與生物分子的活性基團之間發(fā)生了以蒙脫石的Al、Si為供體、生物分子為受體的電子傳遞。

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2. Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle,

Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;

3. Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences,

Urumqi 830011, China;

4. School of Life Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology,

Mianyang 621010, China)

ZHOU Qing1,2,DONG Faqin2,BIAN Liang3,SUN Shiyong1,2,GUO Yuting2,4，HUO Tingting2

(1. School of Environment and Resources, Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010, China;

Molecular simulation has been an important tool in the study of interface interaction due to its visibility at the scale of molecular. To simulate the interaction between montmorillonite and cell membrane, the adsorption of the amino acids clusters and phospholipids on montmorillonite surface was studied by molecular dynamics simulation. Moreover, the heavy metal ions Cr(Ⅲ), Cr(Ⅵ), Cd(Ⅱ), Pb(Ⅱ) was added into the calculation system to acquire its effect on the adsorption process. The results showed that amino acids and phospholipids both had good affinity with montmorillonite. However, amino acids were stronger than phospholipids. Heavy metal ions then played a synergistic role. The electron transition between montmorillonite and the biomolecules was found by the calculation of electronic structure with Density Fuctional Theory. During the process, montmorillonite acted as donor and the biomolecules acceptors.

montmorillonite; amino acids; phospholipid; molecular simulation; heavy metal ion; electron transition

1001-9731(2016)04-04129-05

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2014CB846003)；國家自然科學基金重點資助項目(41130746,41472310)

2015-12-06

2016-03-05 通訊作者：董發(fā)勤，E-mail: fqdong@swust.edu.cn

周 青 (1990-)，男，河南信陽人，在讀碩士，師承董發(fā)勤教授，從事環(huán)境礦物學研究。

X513；O561

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.026