膜材料与生物分子相互作用的分子模拟

书书书　第５６卷　第１１期　　化　　　工　　　学　　　报　　　　　　　Ｖｏｌ．５６　Ｎｏ．１１　２００５年１１月　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（Ｃｈｉｎａ）　　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　２００５檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文膜材料与生物分子相互作用的分子模拟詹　劲，张敏莲，刘　铮（清华大学化学工程系，北京１０００８４）摘要：以生物分子的膜过滤过程为应用背景，采用分子模拟方法考察不同结构的单体分子对膜表面电位、膜与生物分子相互作用能的影响，以此为基础选择适宜的单体分子进行膜改性以降低因吸附生物分子而导致的膜污染．以氨基酸和二肽为例，采用Ｈｙｐｅｒｃｈｅｍ软件计算考察了丙烯酸、季铵盐及它们的衍生物分子进行膜改性时的效果及其用于生物分子膜过滤时的适宜操作条件．模拟计算结果与实验结果吻合，有关相互作用能的计算结果也与前期实验结果相符．本研究显示出分子模拟技术在分离材料设计和分离过程优化方面所具有的良好应用前景．关键词：分子模拟；电荷；聚集体；相互作用能；膜污染中图分类号：ＴＱ０２８　　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００５）１１－２１５７－０５犕狅犾犲犮狌犾犪狉狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳犻狀狋犲狉犪犮狋犻狅狀犫犲狋狑犲犲狀犿犲犿犫狉犪狀犲犿犪狋犲狉犻犪犾犪狀犱犫犻狅犿狅犾犲犮狌犾犲狊犣犎犃犖犑犻狀，犣犎犃犖犌犕犻狀犾犻犪狀，犔犐犝犣犺犲狀犵（犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犆犺犲犿犻犮犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犜狊犻狀犵犺狌犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犅犲犻犼犻狀犵１０００８４，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｔｅｘｔｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍｏｎｏｍｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｉｔｓｃｈａｒｇｅｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｎｄａｌｓｏｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｍｅｍｂｒａｎｅａｎｄｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，ｔｈｕｓｐｒｏｖｉｄｉｎｇｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｍｏｎｏｍｅｒｓｉｎｍｅｍｂｒａｎｅｃｈａｒｇｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ａｍｉｎｏａｃｉｄｓａｎｄｄｉｐｅｐｔｉｄｅｓｗｅｒｅｔａｋｅｎａｓｓａｍｐｌｅｓｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｈｙｐｅｒｃｈｅｍｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｍｅｍｂｒａｎｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｙａｃｒｙｌｉｃａｃｉｄ，ｑｕａｔｅｒｎａｒｙａｍｍｏｎｉｕｍｃｏｍｐｏｕｎｄａｎｄｔｈｅｉｒｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ，ａｎｄｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗｏｒｋｏｎｍｅｍｂｒａｎｅｃｈａｒｇｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｆｉｒｍｅｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅｉｎａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｐｒｅｖｉｏｕｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗｏｒｋ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｙｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｃｏｕｌｄｂｅｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｅｐａｒａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｈａｒｇｅ；ａｇｇｒｅｇａｔｅ；ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙ；ｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇ　　２００４－１０－１２收到初稿，２００４－１２－０７收到修改稿．联系人：刘铮．第一作者：詹劲（１９７７—），男，博士研究生．基金项目：国家自然科学基金项目（２０１７６０２３）．　引　言膜分离科学和技术是目前化工分离科学和技术领域中发展最为活跃的分支之一，正在被越来越广泛地应用于化工、生化、医药等领域中．膜污染是　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００４－１０－１２．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＬＩＵＺｈｅｎｇ．犈－犿犪犻犾：[e-mail]犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（２０１７６０２３）．　影响各类膜分离过程效果的关键问题之一，也始终是膜分离科学和技术领域研究的核心问题．在影响膜污染的诸多因素中，待分离组分与膜材料间的相互作用是最为主要的内在因素．从分子水平上认识和调控这种相互作用力，对于膜材料设计和膜分离过程优化具有重要的指导作用．分子模拟是借助计算机数值计算来研究分子间和分子内的相互作用以及分子动态行为，得到分子的结构、动力学、热力学方面的信息，进而揭示分子组成与其结构和功能关系的有效方法．计算机技术和计算科学的发展极大地推动着分子模拟方法的研究和应用领域的拓展．在计算机辅助分子设计方面，左之利［１］采用分子力学和量子化学方法（计算软件为Ｈｏｎｄｏ９９）对某些作用于脑啡肽酶的硫乙内酰胺脲衍生物的化学结构进行了分子模拟和量化计算，为合成具有更高药效的无成瘾性镇痛药提供了有益的参考．代振宇［２］利用ＩｎｓｉｇｈｔⅡ分子模拟软件对苯甲酸铵盐在蜡晶表面吸附行为进行了研究，为苯甲酸铵型的柴油流动性改进剂的分子设计提供了基础．王瑾玲［３］利用Ｇａｕｓｓｉａｎ９４软件对合成的两种β二酮类抗菌剂进行了量子化学从头计算，结果显示其中的Ｂ化合物由于吸电子硝基的存在使化合物β形中硝基上电子密度加强，活性增加，故具有较大的抑制革兰阴性菌的能力．计算结果很好地与抗菌实验结果相符．这些结果初步显示出分子模拟在分子设计和化工过程优化方面具有良好的应用前景．本文以膜分离技术应用于蛋白质等生物产品的分离为背景，采用Ｈｙｐｅｒｃｈｅｍ分子模拟软件来计算膜材料和生物分子之间的相互作用能及其与材料分子、生物分子组成之间的关系，以此为基础指导膜改性及膜分离过程优化，最后将计算结果和实验结果进行对比，证实了上述研究思路的可行性．１　研究方法１１　计算环境和方法本文所述计算均采用Ｈｙｐｅｒｃｕｂｅ公司的软件ＨｙｐｅｒｃｈｅｍＲｅｌｅａｓｅ７．０，在ＰＣ机上进行．Ｈｙｐｅｒｃｈｅｍ模拟软件使用较为简单，图形处理形象直观，故本研究中选用此种模拟软件．在Ｈｙｐｅｒｃｈｅｍ中构建单体分子，并采用半经验方法中的ＣＮＤＯ算法进行分子构象的优化和能量计算，从而可以得到分子中各原子所带电荷．在相互作用能的计算中，首先分别构建材料分子和生物分子，利用分子力学中的Ａｍｂｅｒ力场进行构象优化和能量计算．然后将两种分子合并，对体系进行构象优化和能量计算．相互作用能可由式（１）得到［２，４］Δ犈＝犈－犈１－犈２（１）式中　犈为两分子体系的能量，犈１为材料分子的能量，犈２为生物分子的能量．相互作用能Δ犈为负值时，表示两者相互吸引作用大，体系能量降低多．负值的绝对值越大，说明相互作用越强，两者容易发生吸附．相互作用能是本文模拟计算中的主要指标，以反映单体和待分离生物分子的相互作用力，且优先考虑与目标分子作用能低的单体进行膜改性．１２　实验材料亲水聚砜膜（ＨＴ膜）为Ｇｅｌｍａｎ公司（美国）产品，孔径为０．４５μｍ．丙烯酸单体与甲基丙烯酸二甲胺乙酯（ＤＭＡＥＭＡ）单体购于Ａｌｄｒｉｃｈ公司（德国），常温下均为液体，使用前未经进一步处理．单体Ｃ４为清华大学化学工程系王晓工教授提供，常温下为固体．两种单体的结构式见图１．牛血清白蛋白（ＢＳＡ）为Ｒｏｃｈｅ分装，其他试剂为国产分析纯．如无特殊说明，实验中均使用磷酸盐缓冲溶液（ＰＢＳ，ｐＨ＝７．０，电导率为４００μＳ·ｃｍ－１）配制１ｍｇ·ｍｌ－１ＢＳＡ溶液．　Ｆｉｇ．１　Ｃｈｅｍｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａｏｆｔｗｏｍｏｎｏｍｅｒｓ　１３　实验方法等离子体改性实验装置和方法、膜表面电荷测定方法均与前期工作［５］相同．２　计算结果与讨论２１　单体分子结构对电荷特性的影响利用接枝改性的方法在膜材料表面引入带电单体，可以改变膜材料表面的带电性质．电荷较多的单体通常可以得到更理想的改性效果．本节中利用分子模拟方法辅助进行单体的选择．·８５１２·化　　　工　　　学　　　报　　第５６卷　丙烯酸类单体是常用的负电单体，本节考察了烷基链长度对羟基中氧原子负电荷的影响，如图２所示．计算结果如表１所示．Ｆｉｇ．２　Ｍｏｎｏｍｅｒｓｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍａｃｒｙｌｉｃａｃｉｄ　犜犪犫犾犲１　犈犳犳犲犮狋狅犳犚犵狉狅狌狆狅狀狀犲犵犪狋犻狏犲犮犺犪狉犵犲狅犳犗犪狋狅犿Ｒ１ＮｅｇａｔｉｖｅｃｈａｒｇｅｏｆＯｉｎ—ＯＨｇｒｏｕｐＲ２ＮｅｇａｔｉｖｅｃｈａｒｇｅｏｆＯｉｎ—ＯＨｇｒｏｕｐＨ－０．２６０Ｈ－０．２６０ＣＨ３－０．２６４ＣＨ３－０．２６０Ｃ２Ｈ５－０．２６４Ｃ２Ｈ５－０．２５９Ｃ３Ｈ７－０．２６６Ｃ３Ｈ７－０．２６０Ｃ４Ｈ９－０．２６６Ｃ４Ｈ９－０．２６１Ｃ５Ｈ１１－０．２６６Ｃ５Ｈ１１－０．２６１由表１可以看出，烷基链长度对羟基中氧原子的电荷影响很小．而且随着烷基链的增长，空间位阻效应增大，改性效果可能下降．综合考虑合成的难易和成本，可以认为，当进行膜改性以增强其负电性时，丙烯酸是一种理想的单体．当需要增强膜的正电荷时，甲基丙烯酸二甲胺乙酯（ＤＭＡＥＭＡ）是一种常用的改性单体，因为其分子中的Ｎ原子可以和溶液中的Ｈ＋结合而带正电．电荷计算结果如表２所示．犜犪犫犾犲２　犆犺犪狉犵犲狅犳犖犪狋狅犿ＤＭＡＥＭＡＤＭＡＥＭＡ（ｐｒｏｔｏｎａｔｅｄ）－０．１３３０．０９３由表２数据可知，上述叔胺化合物本身并不能作为正电荷改性单体．只有当形成季铵化合物时，才能带上正电荷．这里，亦采用分子模拟考察了取代基Ｒ的长度对Ｎ原子正电荷的影响．所采用单体的结构式如图３所示．计算结果如表３所示．　Ｆｉｇ．３　Ｍｏｎｏｍｅｒｓｗｉｔｈｐｏｓｉｔｉｖｅｃｈａｒｇｅ犜犪犫犾犲３　犈犳犳犲犮狋狅犳犚犵狉狅狌狆狅狀狆狅狊犻狋犻狏犲犮犺犪狉犵犲狅犳犖犪狋狅犿Ｒ１ＰｏｓｉｔｉｖｅｃｈａｒｇｅｏｆＮＲ２ＰｏｓｉｔｉｖｅｃｈａｒｇｅｏｆＮＣＨ３０．１２０ＣＨ３０．１２０Ｃ２Ｈ５０．０８３Ｃ２Ｈ５０．１０２Ｃ３Ｈ７０．０６６Ｃ３Ｈ７０．１００Ｃ４Ｈ９０．０６８Ｃ４Ｈ９０．１０１Ｃ５Ｈ１１０．０７６Ｃ５Ｈ１１０．１０１从表３数据可知，当３个取代基均为甲基时，Ｎ原子正电荷最多，以之进行膜改性研究，其效果应当最好．对于图３中的Ａ类型单体，随着３个相同烷烃取代基的增加，Ｎ原子正电荷先有所下降，继而略微上升．而对于Ｂ类型单体，单个取代基从乙基以后的继续增加对Ｎ原子正电荷影响很小．相对来说，Ｂ类型单体的改性效果应该优于Ａ类型单体．将Ｂ类型单体与ＤＭＡＥＭＡ相比较，当ＤＭＡＥＭＡ分子结合氢离子后，其中Ｎ原子所带正电荷（０．０９３）与之相差不多．但考虑到ＤＭＡＥＭＡ分子结合氢离子的反应不可能完全进行，故Ｂ类型单体改性效果应该优于ＤＭＡＥＭＡ单体．当然，在ｐＨ值很低，即氢离子浓度很高的条件下，两种单体的改性效果将会比较接近．２２　单体分子与氨基酸分子的相互作用能生物分子由于分子量大、结构复杂而一直是分子模拟计算的难点．本研究的应用背景是蛋白质水溶液中所进行的各类膜分离过程．在水溶液中，蛋白质分子中的极性氨基酸残基暴露在其表面，能够与膜表面发生相互作用，而疏水性氨基酸残基则埋藏在蛋白质分子内部，与膜表面发生的相互作用的概率很低．为此，本研究中主要考察两类典型的极性氨基酸分子与膜表面的相互作用．以此作为考察水溶液中蛋白质与膜表面极性相互作用时一个定性参考，所选择的氨基酸为半胱氨酸（ｃｙｓｔｅｉｎｅ）和精氨酸（ａｒｇｉｎｉｎｅ），其等电点分别为