一種新的磷脂分子膜界面分子動力學(xué)模擬

黎維新*，潘記四，劉正奇，牛亞蘭

（廣西科技師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣西 來賓）

磷脂分子的種類很多，不同磷脂分子一般是由親水頭部基團(tuán)和兩條疏水的碳?xì)湮叉溄M成，這樣的結(jié)構(gòu)便于在水溶液中形成雙層膜結(jié)構(gòu)。由磷脂膽堿（簡稱PC）組成親水頭部基團(tuán)的磷脂分子是動物細(xì)胞中最常見的一種電中性磷脂分子，PC 磷脂分子結(jié)構(gòu)主要是由甘油三脂作為骨架一端連接磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)，另外連接著兩條脂肪酸的長尾鏈。磷脂分子的帶電基團(tuán)與膜界面很多性質(zhì)是緊密聯(lián)系的，如膜界面水分子的結(jié)構(gòu)和動態(tài)性、離子與膜的相互作用、納米材料與磷脂分子的作用等[1]。近年來，有研究團(tuán)隊(duì)通過交換自然存在的PC 膜的磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)的位置，人工合成一種新的磷脂分子——翻轉(zhuǎn)磷脂（PCE）[2]。實(shí)驗(yàn)和分子模擬研究表明相比自然的磷脂分子組成的PC 膜，翻轉(zhuǎn)磷脂分子組成的PCE 膜有許多不一樣的性質(zhì)[2-3]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示雖然PC 膜和PCE 膜擁有相同帶電基團(tuán)，但它們整個膜界面的水分子平均偶極取向是相反的[4]。我們前面工作也指出磷脂分子基團(tuán)位置的改變使膜界面水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)發(fā)生重大的調(diào)整[5]。由于理解膜界面的水分子性質(zhì)對于理解許多生物過程是非常關(guān)鍵的[6]，而基團(tuán)位置互換后對翻轉(zhuǎn)膜界面上水分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)影響的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為此，本文利用分子動力學(xué)方法對翻轉(zhuǎn)磷脂膜和自然的磷脂膜進(jìn)行研究，其中重點(diǎn)關(guān)注膜界面各基團(tuán)附近水分子的差異。

1 系統(tǒng)參數(shù)和計算方法

系統(tǒng)模擬選用的軟件是Gromacs 4.5[7]，選取了自然存在的DOPC 分子組成磷脂雙層膜和人工合成的DOPCE 分子組成的磷脂雙層膜系統(tǒng)。DOPC 和DOPCE 磷脂分子結(jié)構(gòu)如圖1 所示，圖中標(biāo)示了膽堿基團(tuán)和磷酸基團(tuán)的位置。每個模擬系統(tǒng)是含72 個磷脂分子和2 300 個水分子。系統(tǒng)經(jīng)過平衡模擬后，在NPT 系綜繼續(xù)跑了200ns 模擬進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析。水分子選用的SPC/E 水模型，磷脂膜力場來自經(jīng)典磷脂膜Berger 力場和Gromacs 參數(shù)結(jié)合。

圖1 DOPC 和DOPCE 磷脂分子的分子結(jié)構(gòu)示意

2 結(jié)果與討論

膜系統(tǒng)的組成成分沿膜法向的粒子數(shù)分布反映了其在膜內(nèi)的分布。這里選擇了水分子、膽堿基團(tuán)(N)、磷酸基團(tuán)(P)和疏水的脂肪酸鏈的碳氧雙鍵(C=O)這些系統(tǒng)組成部分。從圖2 可以看出兩個系統(tǒng)水分子沿膜中心分布在DOPC 和DOPCE 膜的膽堿基團(tuán)N 和磷酸基團(tuán)P 分布區(qū)域是重疊的，表明兩膜系統(tǒng)的水分子都能深入膜內(nèi)部。DOPC 膜的水分子分布曲線在距離膜中心1 nm 處位置接近于0，而DOPCE 膜水分子在距離膜中心小于1 nm 處的分布接近為零，這表明水分子在DOPCE 膜中更加深入膜內(nèi)部，接近脂肪酸鏈的C=O 區(qū)域里面，進(jìn)入疏水區(qū)域。至于膽堿N 和磷酸基團(tuán)P 的分布曲線，在DOPC 膜中膽堿基團(tuán)N 分布比P的分布更加靠近膜外，而在DOPCE 膜中則是磷酸基團(tuán)P 的分布比膽堿基團(tuán)N 分布更靠近膜外，這與它們兩個的分子結(jié)構(gòu)的位置是一致。

圖2 DOPC 和DOPCE 膜系統(tǒng)各成分沿膜法向的粒子數(shù)分布

本文接著計算了兩種膜分子的磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)周圍水分子徑向分布函數(shù)g(r)[8]，如圖3 所示。首先關(guān)注磷酸基團(tuán)P 周圍水分子分布情況，DOPCE 和DOPC 膜的磷酸基團(tuán)P 周圍水分子徑向分布函數(shù)的峰值位置沒有明顯變化，但是DOPCE 膜第一個峰值要比DOPC 膜要稍微高一些。至于膽堿基團(tuán)N 周圍水分子分布，由圖3 可見DOPCE 徑向分布函數(shù)第一個峰值要比DOPC 膜的明顯要低一些。由于徑向分布函數(shù)曲線積分可以反映周圍水分子數(shù)的增減，因此翻轉(zhuǎn)磷脂膜的磷酸基團(tuán)P 附近包圍的水分子稍微多一些，而其膽堿基團(tuán)附近的水分子則是明顯地減少。

圖3 DOPC 和DOPCE 膜中膽堿基團(tuán)N 和磷酸基團(tuán)P 周圍水分子徑向分布函數(shù)

為了深入認(rèn)識翻轉(zhuǎn)磷脂膜的膽堿和磷酸基團(tuán)的周圍水分子環(huán)境變化，本文研究了膜界面水分子的平均偶極取向沿膜法向的分布。如圖4 中內(nèi)嵌的小圖所示，z 方向代表膜界面的法向方向，即是由膜中心指向膜界面外的方向，取水分子的偶極取向與z 方向的夾角θ 平均值來衡量水分子的平均偶極取向。是統(tǒng)計距離膜中心同一位置的水分子偶極取向角進(jìn)行平均。當(dāng)為正的時候，水分子的偶極取向朝向膜外；當(dāng)為負(fù)的時候，水分子的偶極取向指向膜內(nèi)部。由圖4 可見，翻轉(zhuǎn)磷脂DOPCE 膜各位置的水分子平均偶極取向主要是正的，表明偶極朝向膜外的水分子數(shù)量整體占優(yōu)勢，而DOPC 膜界面水分子的平均偶極取向是負(fù)的，說明其水分子偶極主要是朝向膜內(nèi)部。該結(jié)果表明翻轉(zhuǎn)磷脂膜基團(tuán)的位置交換使膜界面水分子平均偶極取向改變，與前面的實(shí)驗(yàn)和模擬報道是一致的[4]。水分子平均偶極取向和膜界面的磷脂分子的相互作用有很大關(guān)系，而磷脂分子各基團(tuán)與其第一殼層的水分子相互作用最為強(qiáng)烈，為此，我們進(jìn)一步分析了磷脂膜的磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)附近水分子平均偶極取向沿膜法向的分布。

圖4 DOPC 和DOPCE 膜系統(tǒng)水分子平均偶極取向沿膜法向的分布

根據(jù)水分子在磷脂分子的兩個帶電基團(tuán)位置可分為三類：一類僅在磷酸基團(tuán)第一殼層內(nèi)的水分子(P)；一類僅在膽堿基團(tuán)第一殼層內(nèi)(N)；第三類是同時屬于磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)的(PN)，即在磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)第一殼層的重疊區(qū)域。圖5 顯示了膜系統(tǒng)中這三類水分子的平均偶極取向沿膜法向的分布。從圖5 可見，DOPC 膜系統(tǒng)中除了膽堿附近水分子N 在靠近體相水側(cè)存在部分是正的，沿膜界面的較大范圍位置上它的三類水分子平均偶極取向是負(fù)的，表明自然存在的DOPC 膜基團(tuán)附近水分子偶極主要都朝向膜內(nèi)。與此不同的是，DOPCE 膜界面的三類水分子差異卻很大：（1） DOPCE 膜界面大部分位置的N 類水分子平均偶極取向是正的，而DOPC 膜的N類水分子是負(fù)的，即出現(xiàn)水分子偶極取向相反的現(xiàn)象；（2） PN 類水分子靠近膜中心側(cè)平均偶極取向是負(fù)的，靠近體相水側(cè)是正的，而在DOPC 膜中PN 類水分子平均偶極取向主要是負(fù)的，說明也存在水分子偶極取向相反的現(xiàn)象；（3） P 類水分子分布都是負(fù)的，兩膜系統(tǒng)沒有明顯差異。翻轉(zhuǎn)磷脂膜基團(tuán)的位置交換使與膽堿相關(guān)的N 類和PN 類水分子偶極取向變化較大，水分子的平均偶極取向都出現(xiàn)方向相反現(xiàn)象。至于這一問題，我們認(rèn)為由于磷酸基團(tuán)擁有四個氧原子容易跟周圍水分子形成穩(wěn)定的氫鍵，較長時間地束縛著水分子，使它附近水分子能較長時間保持水分子的偶極取向。而膽堿基團(tuán)不易與周圍水分子形成氫鍵結(jié)構(gòu)，其周圍水分子容易受到基團(tuán)位置變化的影響，當(dāng)膽堿基團(tuán)跟磷酸基團(tuán)位置交換后，其更靠近膜內(nèi)部，越往膜里面的水分子數(shù)越少，且膜內(nèi)空間要相對更擁擠，這造成與膽堿基團(tuán)相關(guān)的水分子偶極取向容易受到影響，所以與它相關(guān)的水分子偶極取向變化明顯。

圖5 DOPC 和DOPCE 膜界面不同類型水分子（P，N，PN）平均偶極取向沿膜法向的分布

3 結(jié)論

通過對翻轉(zhuǎn)磷脂膜的分子動力學(xué)模擬，本文發(fā)現(xiàn)：（1） 翻轉(zhuǎn)磷脂膜中水分子能更深入膜內(nèi)。（2）相比自然磷脂膜，翻轉(zhuǎn)磷脂膜的磷酸基團(tuán)第一殼層擁有的水分子數(shù)目更多，而它的膽堿基團(tuán)水分子要更少一些。（3） 翻轉(zhuǎn)磷脂膜界面水分子的平均偶極取向是逆向的，且與翻轉(zhuǎn)磷脂膜中膽堿基團(tuán)相關(guān)的N 和PN 類水分子的偶極取向都存在方向相反的現(xiàn)象。我們認(rèn)為翻轉(zhuǎn)磷脂膜界面處水分子的平均偶極取向變化主要與其膽堿基團(tuán)位置的水分子偶極取向變化有關(guān)。