王宛 陳素玲

(軟凝聚態(tài)物理及交叉研究中心&物理與光電 能源學院 蘇州大學 江蘇蘇州 215006)

1 前言

近年來,聚酰胺-胺樹枝形大分子(PAMAM)作為一種新型的藥物載體受到研究人員的廣泛關注。研究PAMAM分子與體內蛋白直接相互作用,對優(yōu)化其載藥功能具有一定的指導意義。此外,他們還發(fā)現(xiàn)高代數(shù)的樹枝形大分子對淀粉樣蛋白聚集過程抑制程度變大。

本文,我們研究Amyloid蛋白對PAMAM樹枝形分子的影響。Amyloid蛋白是與神經(jīng)退行性疾病有關。此蛋白的氨基酸依次是:SNNFGAIISS。在此工作中,我們利用粗?；肿觿恿W模擬探索PAMAM與Amyloid蛋白間相互作用行為,研究Amyloid蛋白對第四代PAMAM樹枝形分子結構的影響,并計算其間有效自由能。

2 模型和方法

我們采用粗?；姆肿觿恿W模擬研究第四代PAMAM樹枝形分子與Amyloid蛋白分子在不同pH環(huán)境下的相互作用。不同pH下PAMAM樹枝形分子所帶的電荷不同,在酸性條件下(～4),PAMAM最外層胺及內部叔胺全部質子化,共有126個正電荷。在中性條件下(～7),PAMAM分子只有最外層胺被質子化,這樣一個第四代樹枝形分子帶有64個正電荷。Amyloid蛋白分子在兩種pH下都不攜帶靜電荷。在Marrink等人開發(fā)的粗?；?MARTINI力場)框架下,我們對PAMAM樹枝形分子和Amyloid蛋白進行了粗粒化的操作。通過與全原子模擬和實驗數(shù)據(jù)的對比,之前發(fā)表的文章已經(jīng)證明我們采用的力場和粗?；椒ǖ目捎眯??；贛ARTINI力場,我們用標準12/6的Lennard-Jones(LJ)勢代表范德華力作用,用庫侖勢代表靜電相互作用,相對介電常數(shù)εrel取15。為了節(jié)約計算時間,我們進行了截斷處理。LJ勢截斷到1.2nm,并從0.9nm處開始進行平滑處理;庫侖勢也截斷到1.2nm,且從0.0nm處進行平滑處理。

3 結果和討論

3.1 回轉半徑

實驗已經(jīng)證實帶電納米粒子可以潛入到細胞膜,但誘導膜形成空洞的能力依賴于納米粒子的尺寸。因此,我們首先研究了在PAMAM樹枝形分子與Amyloid蛋白相互作用過程中,尺寸的變化。平衡后,我們對每個窗口下PAMAM的回旋半徑(Rg)進行了計算。我們發(fā)現(xiàn)在中性pH下,PAMAM樹枝形分子的回旋半徑在每個窗口下都小于酸性pH下得到的回旋半徑;這和無Amyloid蛋白分子復合下的結果是一致的。這是因為酸性環(huán)境下,PAMAM不僅表面氨基被質子化,而且內部分叉處氨基也被質子化了。Amyloid蛋白分子的結合在一定程度上改變樹枝形分子本身靜電排斥導致的回旋半徑?？梢妰煞NpH條件下,樹枝形分子內部無具有足夠的空間容納Amyloid多肽的存在,排斥體積效應導致樹枝形分子的結構發(fā)生變化,這一結論在下面的徑向分布結果中也能證實。

3.2 形狀

Giri等人結合大量實驗技術及計算建模來研究G4 PAMAM與HAS在生理pH的水溶液中的相互作用。發(fā)現(xiàn)HAS對PAMAM的束縛常數(shù)(Kb)取決于他們的尺寸及它們末端基團的化學成分。樹枝形分子是一柔性的納米粒子,在水溶液中具有類球形結構。因此,研究類Amyloid蛋白對PAMAM形狀的影響具有一定的意義。

此外,我們進一步計算了樹枝形分子隨兩分子質心距離變化下的平均縱橫比,進一步證實了Amyloid蛋白對PAMAM樹枝形分子的形態(tài)有一定影響。

3.3 徑向分布

我們進一步計算了樹枝形分子與Amyloid蛋白在相互作用過程中以樹枝形分子質心為中心的徑向密度分布函數(shù)(RDF),首先可以證實的是PAMAM分子在兩種pH環(huán)境下都是內密外疏結構,即RDF隨徑向距離的增大,密度降低。另外我們發(fā)現(xiàn)在限制質心距離為4.0nm和5.0nm時, 兩種pH下,Amyloid fibril的分布基本一致,而且分布比較寬,說明這種情況下Amyloid蛋白有足夠的空間自由旋轉。

3.4 平均力勢(PMF)

PMF與質心距離的關系可以反映兩分子間的有效相互作用。我們采用傘狀抽樣和WHAM分析方法獲得了PAMAM分子和Amyloid蛋白分子間PMF與他們質心距離的關系。樹枝形分子的質子化程度對兩分子相互作用有著很大的影響。在低pH情況下,隨著兩分子間距離的減小,PMF值一直增加;說明樹枝形分子不喜歡Amyloid蛋白靠近。而在中性條件下,情況完全不同。這說明在中性條件下,Amyloid fibril分子能與樹枝形分子形成穩(wěn)定的復合結構。

4 結論

我們應用粗粒化分子動力學模擬了G4 PAMAM樹枝形大分子與Amyloid蛋白在不同pH溶液中的相互作用。我們發(fā)現(xiàn)Amyloid蛋白在兩種pH環(huán)境下對樹枝形分子的大小、形狀及密度分布有一定影響,樹枝形分子內部空間不足以容納Amyloid蛋白分子。自由能的計算結果表明在酸性環(huán)境中兩種分子都不容易形成穩(wěn)定的復合結構,而在中性環(huán)境中可以形成穩(wěn)定的復合結構。

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