張玉杰，李曉毅

(中國科學院大學材料科學與光電技術學院， 北京 100049)

蛋白質吸附是基礎而重大的問題。當外來的納米粒子進入細胞和血漿，首先會發(fā)生蛋白質的吸附[1]。納米粒子能夠穿過細胞膜進入細胞，在器官中聚集并引發(fā)毒性反應[2]。因此研究蛋白質的吸附對于揭示納米粒子的生物效應是必不可少的。同時，蛋白質吸附與一系列生物傳感器件緊密聯系，如藥物運輸和癌癥治療等[3-7]。因此，基于安全性和潛在應用等方面的考慮，蛋白質的吸附具有十分重要的意義。

細胞色素c是生命中一種重要的水溶性氧化還原蛋白，分子內部包含一個血紅素(中心卟啉鐵)，廣泛存在原核生物和真核生物細胞的線粒體內膜上。細胞色素c中心的血紅素是電子轉移的核心，在細胞能量消耗、生長和分化中有著重要的作用[8-9]。

在過去的30年，富勒烯及其衍生物在多個領域具有廣泛的應用，包括神經保護、抗氧化、抗菌和抗病毒活性[10-11]。富勒烯的球狀結構具有強烈的非極化特性，可以形成容易穿過細胞膜的脂質體系[12]。在生物技術中，它已被廣泛應用于藥物運輸和生物傳感器等領域。其衍生物富勒醇和三丙二酸富勒烯是通過在富勒烯的碳上引入羥基和羧基而得到，其官能團分別為羥基和羧基，從而提高富勒烯的水溶性。

本文主要利用分子動力學模擬，研究細胞色素c和富勒醇(分子式為C60(OH)24)[13]、三丙二酸富勒烯(分子式為C60(C(COOH)2)3的吸附作用，為研究二者之間進一步的物理化學反應提供基礎。

1 計算方法

體系中的蛋白質為馬心細胞色素c(Cytc，1HRC),其初始結構是從蛋白庫中獲得。富勒烯衍生物是由Materials Studio軟件搭建。體系中的水分子模型為TIP3P，體系到水盒子邊界的距離為1 nm。為了模擬生理環(huán)境，體系中添加Na+和Cl-,濃度為0.15 mol/L。采用CHARMM[14]力場，所用的軟件為NAMD[15]。模擬過程是在NPT(1 atm,300 K)系綜下進行的。溫度和壓強分別用Berendsen恒溫和恒壓方法保持穩(wěn)定。整個模擬采用周期性邊界條件。

2 結果與討論

蛋白質的結構決定蛋白質的生物活性和生物功能。為了度量蛋白質的結構，本文分析相互作用能、均方根偏差(root mean square deviation, RMSD)、均方回轉半徑(radius of gyration, Rg)隨吸附模擬時間的變化曲線。其中，RMSD為蛋白質在這個時刻的構象與初始構象進行對比，使之與初始構象的重心重合，然后計算每個對應原子的坐標的差值，把差值平方再平均，最后開根號。它表示蛋白質結構隨時間的演化。Rg為蛋白分子內的每個原子到蛋白質質心距離的平方的平均值，表示蛋白質在空間的伸展程度。如圖1(a)所示，P1(細胞色素c與富勒醇)和P2(細胞色素c與三丙二酸富勒烯)的相互作用能隨著模擬時間的變化，一直穩(wěn)定在某一個值左右，沒有大幅度的變化，說明體系處于穩(wěn)定的狀態(tài)，同時也說明15 ns的分子動力學模擬對這兩個體系也是足夠的。從圖1(b)可以看出，兩個體系在15 ns的模擬時間內，細胞色素c的RMSD值先處于上下波動的狀態(tài)，最后逐漸趨于穩(wěn)定，說明體系結構已經達到平衡。該結果與均方回轉半徑得到的結果一致。細胞色素c的結晶回轉半徑為1.324 nm，在水溶液中為1.333 nm，細胞色素c在吸附富勒烯衍生物之后，所有的回轉半徑都在1.3～1.4 nm之間，P1的平均回轉半徑為1.312 nm，P2的平均回轉半徑為1.314 nm，如表1所示。表明細胞色素c結構的穩(wěn)定性。

圖1 相互作用能及RMSD隨時間的變化Fig.1 Temporal evolution of the interaction energy (a) and RMSD (b)

表1 體系的均方回轉半徑、距離和接觸原子數Table 1 Average value of Rg, distance, and number of contacting atoms

注：a接觸原子數為距離細胞色素c表面0.5 nm范圍內的富勒烯衍生物的非氫原子數；b表示細胞色素中的Fe原子到富勒烯衍生物的質心距離。

除吸附能外，均方回轉半徑、距離的變化和接觸原子數也可以表明體系的吸附構象。距離指細胞色素c中的Fe原子到富勒醇和三丙二酸富勒烯質心間的距離。接觸原子數是指距離細胞色素c表面0.5 nm范圍內的富勒醇和三丙二酸富勒烯的原子數。由表1可知，富勒醇與細胞色素c的距離更近，并且與蛋白質的接觸原子數也會更多。這主要是由于富勒醇中的羥基官能團的個數比較多，并在富勒烯表面分布均勻，相比于三丙二酸富勒烯而言，富勒醇具有更高的水溶性，在水溶液中可以更穩(wěn)定地存在，同時，富勒醇中的羥基與蛋白質殘基中氨基形成的氫鍵也遠多于三丙二酸富勒烯中的羧基與氨基所形成的氫鍵，從而大大加強了富勒醇與蛋白的相互作用。因此，富勒醇與細胞色素c的相互作用更強，可以更穩(wěn)定地吸附在細胞色素c的表面，圖2為穩(wěn)定后的軌跡截圖。

圖2 體系P1在15 ns時的軌跡截圖Fig.2 Snapshot of system P1 at 15 ns

3 結論

本文通過分子動力學模擬的方法研究富勒醇和三丙二酸富勒烯與細胞色素c的吸附過程， 通過相互作用能、均方回轉半徑、均方根偏差、接觸原子數等研究吸附后的結構。結果表明，細胞色素c的結構沒有發(fā)生很大的改變。此外，模擬結果也表明，富勒醇與細胞色素c的因含有較多的氫鍵數而具有更強的相互作用，更容易對生物體產生影響。

本文的計算結果是在中國科學院計算機網絡信息中心超級計算中心的“元”超級計算機上得到的。