黎維新，潘記四，曾憲彪，唐國寧

(1.廣西科技師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣西 來賓 546100；2.廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 引言

眾所周知，作為生物膜的骨架——磷脂雙層膜的穩(wěn)定性和流動(dòng)性是一個(gè)疏水效應(yīng)的結(jié)果，即磷脂分子為了盡量避免非極性的碳?xì)滏湵┞端衃1-3]。生物膜和其關(guān)聯(lián)的界面水分子是有機(jī)體的關(guān)鍵成分，這是因?yàn)槟そ缑嫠肿拥膭?dòng)態(tài)性質(zhì)和氫鍵結(jié)構(gòu)不僅反映了水分子與膜各種成分的相互作用，而且直接影響其機(jī)制，反過來調(diào)控生物膜的功能活性[4-5]，所以生物膜的結(jié)構(gòu)和功能與其水合水分子性質(zhì)有很大關(guān)系。磷脂分子種類很多，主要結(jié)構(gòu)多數(shù)是由親水的頭部基團(tuán)和疏水的碳?xì)滏溄M成，其中最常見的親水頭部基團(tuán)是甘油-3-磷酸膽堿的磷脂分子（簡稱PC）[6]。磷脂分子頭部有不同的帶電基團(tuán)與水分子的氫鍵作用，使得水分子就像被磷脂分子綁定了[7]。研究報(bào)道PC 磷脂分子的頭部基團(tuán)周圍的水分子主要是與磷酸基團(tuán)形成強(qiáng)氫鍵，而膽堿基團(tuán)的周圍存在6-10 個(gè)水分子相互作用形成籠型結(jié)構(gòu)[7-9]。分子動(dòng)力學(xué)研究表明磷脂分子的氧原子可以和1-3 個(gè)水分子形成氫鍵。PC 磷脂分子的不同氧原子與周圍水分子形成的氫鍵數(shù)存在差異，這與它的氧原子在磷脂膜界面內(nèi)的位置有關(guān)，靠近膜外面的氧原子氫鍵的數(shù)更多一些，氫鍵壽命短，遠(yuǎn)離膜界面的氧原子氫鍵壽命要更長，而且膜內(nèi)的水分子間的氫鍵比膜外的體相水分子間的氫鍵壽命也更長[8,9]。還有，一個(gè)水分子存在同時(shí)和兩個(gè)磷脂分子形成氫鍵的現(xiàn)象，也可能有一個(gè)水分子和同一磷脂分子的兩個(gè)氧原子形成氫鍵的情況[9]，被稱為“氫鍵水橋”，氫鍵水橋使膜界面形成了一個(gè)龐大的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]。磷脂分子和水分子氫鍵作用與膜界面水分子的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性質(zhì)息息相關(guān)。膜界面水分子擴(kuò)散增強(qiáng)被認(rèn)為是打破了連接兩個(gè)磷脂分子間的部分氫鍵水橋的原因[10]。實(shí)驗(yàn)證明膜界面水分子取向表現(xiàn)出一定的有序性，這被認(rèn)為與磷脂不同的親水基團(tuán)形成氫鍵的水分子有關(guān)聯(lián)[11-12]。不同磷脂分子種類和不同頭部基團(tuán)使膜界面性質(zhì)也不一樣，膜界面的氫鍵結(jié)構(gòu)性質(zhì)也有很大差異。最近Perttu E K 團(tuán)隊(duì)通過轉(zhuǎn)換自然存在的PC 膜頭部基團(tuán)的磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)的位置，人工合成了一種新的磷脂分子——翻轉(zhuǎn)磷脂（簡稱PCE）[13]。實(shí)驗(yàn)和分子模擬研究發(fā)現(xiàn)[13-16]：翻轉(zhuǎn)磷脂膜有與相應(yīng)的PC 膜一樣的相轉(zhuǎn)變溫度，更大的磷脂分子平均面積，更高的小分子滲透率和更慢的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)函數(shù)，同時(shí)翻轉(zhuǎn)磷脂氫鍵數(shù)發(fā)生變化，其磷酸基團(tuán)的氫鍵數(shù)有所增加。顯然，要理解生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，需要研究生物膜和界面水分子的相互作用，即要研究水分子與構(gòu)成表面的生物分子相互作用。作為生物膜的主要成分，磷脂分子與膜界面水分子的氫鍵作用是膜界面相互作用的重要形式，這就需要我們進(jìn)一步去認(rèn)識(shí)磷脂分子的基團(tuán)位置交換對膜界面氫鍵性質(zhì)的影響。而氫鍵網(wǎng)絡(luò)是磷脂膜與水分子氫鍵作用的重要特征，基團(tuán)位置交換對膜界面氫鍵網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的研究還沒有報(bào)道。為此，我們利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了自然存在的DOPC 膜和相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)磷脂膜DOPCE 膜系統(tǒng)的氫鍵行為的差異，以探究翻轉(zhuǎn)磷脂分子頭部基團(tuán)位置變化對膜界面氫鍵網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)影響。

2 系統(tǒng)參數(shù)和計(jì)算方法

2.1 模擬參數(shù)設(shè)置

由72 個(gè)DOPC 分子組成的磷脂膜系統(tǒng)和由72 個(gè)DOPCE 分子組成的磷脂膜系統(tǒng)被運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行了研究，每個(gè)膜系統(tǒng)的磷脂分子與水分子的比例為1：32。兩種磷脂分子結(jié)構(gòu)如圖1(a)和(b)所示，從圖1 可以，兩種膜差別在于交換了磷酸集團(tuán)和膽堿集團(tuán)位置。分子模擬的具體參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)經(jīng)過平衡模擬后，再在NPT 系綜跑了100ns 模擬進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析。溫度設(shè)置為303 K，使用Berendsen[17]熱浴控制，溫度耦合時(shí)間取0.1ps。系統(tǒng)壓強(qiáng)設(shè)置為1bar，耦合時(shí)間為2.0ps。范德瓦爾斯相互作用選取1.2nm 的截?cái)喟霃剑L程靜電作用計(jì)算使用的是PME 算法[18]，1.2nm 截?cái)喟霃?。水分子力場參?shù)選用SPC/E 水模型[19]，磷脂膜力場來自經(jīng)典磷脂膜Berger 力場[20]和Gromacs 參數(shù)[21]結(jié)合，系統(tǒng)的模擬運(yùn)行都是在Gromacs4.5 下進(jìn)行[20]。

圖1 DOPC 和DOPCE 磷脂分子結(jié)構(gòu)圖，圖中用黃色標(biāo)示磷酸基團(tuán)，淺綠色標(biāo)示了膽堿基團(tuán)，紅色數(shù)字表示了磷脂分子的8 個(gè)不同的氧原子。

2.2 氫鍵定義

氫鍵定義是采用的是Luzar 幾何定義[22]，該方法在分子動(dòng)力學(xué)模擬研究中被廣泛應(yīng)用于氫鍵計(jì)算。具體定義如下：如圖2 所示，設(shè)水分子氧原子與磷脂分子的氧原子距離為ROO，θ為ROO方向和水分子中氧原子和與磷脂氧原子形成氫鍵的氫原子的O-H 方向的夾角，當(dāng)滿足ROO＜3.5 ? 且θ＜30。，認(rèn)為該水分子與磷脂氧原子形成了氫鍵。其中3.5 ?是膜系統(tǒng)的磷脂的氧原子關(guān)于水分子氧原子的徑向分布函數(shù)曲線的第一極小值位置。

圖2 氫鍵的幾何定義示意圖。圖中紅色的是氧原子，白色的是氫原子。

2.3 氫鍵相關(guān)函數(shù)

磷脂分子與水分子間的氫鍵相關(guān)函數(shù)可以用來表征氫鍵動(dòng)態(tài)性，可以反映經(jīng)過時(shí)間t后氫鍵還繼續(xù)存在的概率大小。氫鍵相關(guān)時(shí)間函數(shù)C(t)定義如下[22]：

式中h(t)是水分子的存在函數(shù)，對于一個(gè)水分子與磷脂某個(gè)氧原子形成氫鍵開始計(jì)時(shí)為t0，此時(shí)氫鍵存在函數(shù)h(t0)取值1，經(jīng)過時(shí)間t時(shí)，該氫鍵依然存在時(shí)h(t+t0)值為1，否則h(t+t0)值為0，其中＜…＞表示對所有的同類型的磷脂氧原子的與水分子氫鍵求平均。

3 結(jié)果與討論

首先關(guān)注磷脂分子的氧原子形成的氫鍵情況。表1顯示了DOPC和DOPCE磷脂分子的8個(gè)氧原子形成的平均氫鍵數(shù)。從表1可以看到，在DOPC磷脂分子中，磷酸基團(tuán)的O2和O3在8個(gè)氧原子形成的氫鍵數(shù)是最多。O6的氫鍵數(shù)跟O2和O3的氫鍵數(shù)相當(dāng)。還有O1和O8氫鍵數(shù)為0.44和0.55，也有相對可觀的氫鍵數(shù)。而O4、O5和O7形成氫鍵數(shù)很少。至于DOPCE磷脂分子,O2和O3形成的氫鍵數(shù)也是最多的。但是O6形成的氫鍵數(shù)僅有DOPC磷脂分子的一半，存在明顯差異。它的O1得氫鍵數(shù)卻是DOPC磷脂分子一倍，這也是兩膜系統(tǒng)氫鍵又一明顯差異。至于O8，兩種磷脂分子的氫鍵數(shù)相差并不明顯。O1、O2、O3、O4是磷脂分子的磷酸基團(tuán)中的4個(gè)氧原子，這里還注意到DOPC的磷酸基團(tuán)的平均氫鍵數(shù)共為3.4，DOPCE的磷酸基團(tuán)平均氫鍵數(shù)總共為4.26，表明DOPCE磷脂分子磷酸基團(tuán)形成氫鍵數(shù)增多。而考慮整個(gè)分子形成氫鍵數(shù)情況，DOPC的氫鍵數(shù)為5.59，DOPCE的氫鍵數(shù)為5.47，DOPC磷脂分子形成的氫鍵數(shù)要比DOPCE的多一些。這表明由于磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)的位置互換，使DOPCE磷脂分子的磷酸基團(tuán)更靠近膜外水分子，基團(tuán)的氧原子形成氫鍵的機(jī)會(huì)增多，靠近疏水端的碳氧雙鍵的氧原子氫鍵數(shù)減少了。

表1 DOPC 和DOPCE 磷脂分子的8 個(gè)氧原子的平均氫鍵數(shù)

磷脂分子的氧原子形成的平均氫鍵數(shù)僅是顯示了哪些氧原子比較容易形成氫鍵，但是不能清晰地說明膜界面氫鍵網(wǎng)絡(luò)的變化。本文統(tǒng)計(jì)了兩個(gè)膜系統(tǒng)的磷脂分子間的氫鍵水橋和磷脂分子內(nèi)的氫鍵水橋情況。圖3（a）和（b）給出了磷脂分子內(nèi)的兩氧原子與同一個(gè)水分子形成氫鍵和磷脂分子間通過同一個(gè)水分子形成氫鍵連接在一起的情況，一個(gè)水分子與兩個(gè)磷脂氧原子形成的氫鍵在這被稱為“氫鍵水橋”。通過計(jì)算得到兩膜系統(tǒng)的氫鍵水橋數(shù)據(jù)情況如下：整個(gè)DOPC系統(tǒng)中得到磷脂分子間的氫鍵水橋平均數(shù)目為65.69個(gè)，而DOPCE膜系統(tǒng)為30.73個(gè)；DOPC膜系統(tǒng)中同一個(gè)磷脂分子內(nèi)的氫鍵水橋平均數(shù)是9.5個(gè)，而DOPCE膜系統(tǒng)的是23.39個(gè)?？梢?，基團(tuán)位置的交換使DOPCE膜磷脂分子間的氫鍵水橋數(shù)減少了，增加了分子內(nèi)氫鍵水橋數(shù)，表明DOPCE膜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了明顯的變化。

圖3 （a）是DOPCE磷脂分子內(nèi)的氫鍵水橋。（b）是DOPCE磷脂分子間的氫鍵水橋，圖中黑色箭頭標(biāo)示了水分子的位置，紅色虛線表示形成了氫鍵。圖中紅色的是氧原子，白色的是氫原子，藍(lán)色的是氮原子，棕褐色的是磷原子，藍(lán)綠色的是碳原子。

氫鍵水橋連接方式主要有三種：磷酸氧原子—水分子—磷酸氧原子（簡寫磷酸—磷酸）；磷酸氧原子—水分子—碳氧雙鍵氧原子（簡寫磷酸—C=O）；碳氧雙鍵氧原子—水分子—碳氧雙鍵氧原子（簡寫C=O—C=O）。為了更加細(xì)致分析兩個(gè)膜系統(tǒng)的膜界面的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，本文詳細(xì)計(jì)算了兩個(gè)膜系統(tǒng)的氫鍵水橋連接方式比例，結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4可以看出DOPC的磷脂分子內(nèi)氫鍵水橋情況為：磷酸—磷酸為27.75%，C=O—C=O為36.99%，磷酸—C=O為35.26%。DOPCE的磷脂分子內(nèi)氫鍵水橋情況為：磷酸—磷酸為59.51%，C=O—C=O為11.01%，磷酸—C=O為29.48%。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，DOPCE的磷脂分子內(nèi)的磷酸基團(tuán)形成氫鍵水橋占比明顯變大，C=O—C=O間的氫鍵水橋占比明顯變小，而磷酸—C=O間的氫鍵水橋占比變化不大。至于磷脂分子間的氫鍵水橋，從圖5可以看出磷脂分子間的氫鍵水橋情況，DOPC：磷酸—磷酸為26.34%，C=O—C=O為7.38%，磷酸—C=O為66.28%；DOPCE：磷酸—磷酸為12.34%，C=O—C=O為0.34%，磷酸—C=O為87.32%。從圖5可以看出DOPC和DOPCE膜系統(tǒng)的磷脂分子間的連接主要都是通過磷酸與C=O間的氫鍵水橋連接。雖然兩個(gè)膜系統(tǒng)的的磷酸基團(tuán)氧原子形成氫鍵數(shù)最多，但是分子間的磷酸與C=O更易形成氫鍵水橋。DOPCE膜系統(tǒng)中分子間的C=O—C=O的氫鍵水橋幾乎不存在，這也是翻轉(zhuǎn)磷脂膜的一個(gè)明顯變化。實(shí)驗(yàn)和理論表明翻轉(zhuǎn)磷脂分子的頭部基團(tuán)的轉(zhuǎn)動(dòng)變慢，而DOPCE磷脂分子內(nèi)的氫鍵水橋增加必然會(huì)約束磷脂頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)，這可能是翻轉(zhuǎn)磷脂膜頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)變慢的另一原因。

圖4 DOPC 和DOPCE 磷脂分子內(nèi)氫鍵水橋類型占比

圖5 DOPC 和DOPCE 磷脂分子間氫鍵水橋類型占比

為了研究磷脂分子與水分子間氫鍵的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，本文計(jì)算了磷脂分子氧原子氫鍵相關(guān)函數(shù)，氫鍵相關(guān)函數(shù)可以反映經(jīng)過時(shí)間t后磷脂氧原子還和原來的水分子形成的氫鍵存在的概率大小，通過比較氫鍵相關(guān)函數(shù)曲線的衰減還可以比較磷脂分子不同氧原子的氫鍵壽命的大小。這里僅對表1所示形成氫鍵數(shù)較多的五個(gè)氧原子（O1、O2、O3、O6、O8）的氫鍵相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，另外三個(gè)氧原子形成氫鍵很少，這里不做考慮。如圖6所示是DOPC磷脂分子各個(gè)氧原子氫鍵相關(guān)函數(shù)曲線。從圖可以看出DOPC磷脂分子各氧原子衰減快慢順序?yàn)椋篛6＞O8＞O2＞O3＞O1。它呈現(xiàn)規(guī)律是靠近疏水碳?xì)湮叉湹腛6和O8的氫鍵相關(guān)函數(shù)衰減慢，而靠近水相的磷酸氧原子的氫鍵相關(guān)函數(shù)則衰減要快一些。磷酸基團(tuán)裸露的氧原子O2和O3比O1要慢一些。這些也關(guān)于其他類型的PC磷脂分子結(jié)果一致[8]。圖7表示DOPCE磷脂分子氧原子氫鍵相關(guān)函數(shù)曲線，可以看見DOPCE磷脂分子中的氧原子氫鍵相關(guān)函數(shù)衰減快慢順序?yàn)椋篛6＞O1＞O2＞O8＞O3。在DOPCE磷脂分子中靠近疏水的碳?xì)湮叉淥6依然衰減的最慢，緊接卻是O1，這是與DOPC膜非常不一樣的。至于O8，它比磷酸氧原子衰減要快一些，這也是與DOPC磷脂分子不一樣的地方。所以相比DOPC，由于膽堿基團(tuán)和磷酸基團(tuán)的位置交換DOPCE磷脂分子的氧原子氫鍵動(dòng)態(tài)性表現(xiàn)很大差異。特別注意到DOPCE的O1的氫鍵數(shù)和衰減都有明顯變化，其中原因還是未知。

圖6 DOPC 磷脂分子氧原子氫鍵相關(guān)函數(shù)縱坐標(biāo)為以10 為底的對數(shù)坐標(biāo)

圖7 DOPCE 磷脂分子氧原子氫鍵相關(guān)函數(shù)縱坐標(biāo)為以10 為底的對數(shù)坐標(biāo)

4 結(jié)論

本文利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了自然存在的DOPC 膜和人工合成的DOPCE 膜界面的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)和DOPC 膜相比，由于磷脂分子的磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)的位置交換，DOPCE 膜界面氫鍵網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)很大差異。主要有：

（1）磷脂分子的氧原子氫鍵數(shù)存在差異，主要是DOPCE 磷脂分子的磷酸基團(tuán)氫鍵數(shù)有所增加，其中O1 的氫鍵數(shù)增加明顯，膜界面內(nèi)部的O6 氫鍵數(shù)減少了一半。

（2）磷脂分子間氫鍵水橋數(shù)目和分子內(nèi)氫鍵水橋存在差異，磷脂分子的磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)的位置交換導(dǎo)致DOPCE 磷脂分子間氫鍵水橋數(shù)目是減少，而其分子內(nèi)氫鍵水橋數(shù)目是增加了，同時(shí)DOPCE 磷脂分子間氫鍵水橋數(shù)目和分子內(nèi)氫鍵水橋連接形式占比也發(fā)生了變化。由于磷脂分子之間氫鍵對主要是磷酸基團(tuán)與C=O 基團(tuán)的間的連接，這會(huì)對磷脂分子頭部轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行約束，我們認(rèn)為這可能是翻轉(zhuǎn)磷脂膜頭部基團(tuán)轉(zhuǎn)動(dòng)變慢的原因之一。

（3）氫鍵相關(guān)函數(shù)存在差異，最顯著的是DOPCE 磷脂分子的O1 氫鍵相關(guān)函數(shù)衰減變慢。

磷脂分子的磷酸基團(tuán)和膽堿基團(tuán)的位置交換使磷脂膜界面氫鍵結(jié)構(gòu)的變化，其導(dǎo)致的膜功能變化仍需要未來理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究。