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纳米材料由于其表面的自由能很高,因而在进入生物流体中通过选择性吸附生物分子形成生物分子功能环从而生成新的纳米颗粒。生物分子功能环被认为是纳米材料的识别、靶向、载药、传感等功能实现的关键,同时也是部分纳米材料失去功能或者产生免疫反应的问题所在。纳米颗粒表面生物分子功能环的形成不仅依赖其当前所处的环境,也依赖其所经历的环境。目前对生物分子功能环的认识还远远不够:涉及动力学过程的形成机理仍不清楚,微观环境的改变以及材料的修饰对功能环的影响等仍未有定论。理清这些问题的答案对纳米材料的设计和应用有着重要的指导意义。分子动力学模拟能够在分子水平上直观地反映微观体系中分子之间的相互作用,可提供现阶段实验上很难或无法得到的细节信息,能够对实验设计起到预测和指导作用,是研究纳米材料与生物大分子相互作用的有效手段。本论文运用分子动力学和操纵式分子动力学的方法模拟研究了蛋白质、多肽在不同纳米材料表面形成生物分子功能环的过程,并对其形成的机理以及影响因素从多方面进行了多角度的解析与讨论。首先我们研究了酶在沸石材料表面的吸附过程,并着重分析了吸附过程中的主要驱动力、吸附位点、阻碍作用以及关键残基,考察了蛋白质功能环在沸石材料表面形成的机理和酶活性的变化。接着我们探究了在添加有同一浓度不同离子的溶液环境下,酶在沸石材料的吸附过程,重点考察了不同离子对酶吸附机理以及其与沸石相互作用的影响。最后我们通过构建不同电性的材料来模拟材料的掺杂修饰,研究了材料修饰对多肽吸附以及其构象变化的影响。本论文的主要研究结论如下:1.通过观察凝血酶在沸石表面的吸附过程,发现该蛋白质可以自发的在沸石表面形成蛋白质功能环,静电势能占据了蛋白质与沸石相互作用的80%以上,即静电作用是蛋白质环形成的推动力。沸石上的αα笼子因其小的开口直径和巨大的内部体积成为了蛋白质的吸附位点。沸石表面的四个致密水层是酶吸附的阻力。碱性残基因具有三项重要的特征而成为关键残基:其侧链末端的正电性可以与沸石形成强烈的库仑作用,从而拉动蛋白质吸附在材料表面;侧链末端的直径与沸石α笼子的开口直径接近,从而可以穿过开口进入到笼子内部与沸石笼子形成类似锁-钥的结构,稳定蛋白质的吸附;侧链的长结构有助于残基穿越水层而直接与沸石表面接触。蛋白质的吸附可能会隐藏其表面的底物结合位点以及催化活性位点进而影响蛋白质的对底物的结合能力以及催化活性。2.通过研究不同离子环境中凝血酶与沸石材料表面的相互作用,考察了溶液环境对蛋白质吸附的影响。抗衡离子的加入为蛋白质的吸附提供了新的机理,酸性残基表现出重要作用。水层对蛋白质吸附的阻碍作用表现在两方面:空间上阻止蛋白质与沸石的进一步靠近;能量上与蛋白质的极性残基构建大量的氢键网络锁住碱性和酸性残基减弱蛋白质与沸石的相互作用。溶液中的抗衡离子形成不同功能的离子层:一价阳离子层对蛋白质的吸附没有影响,二价阳离子层位于第二水层,通过与酸性残基形成强烈的静电吸引作用协助其在不穿越水层的情况下增强在沸石表面的吸附;阴离子层同样位于第一和第二水层之间,与沸石竞争性吸附大量碱性残基,减弱其与沸石的相互作用。3.利用碳纳米管表面电荷的不同,我们研究了材料修饰对多肽吸附过程以及其构象变化的影响。葡萄糖氧化酶辅酶结构上不同的部位被带不同电荷的碳纳米管选择性吸附:中性体系中,范德华作用为推动力,辅酶结构上的异咯嗪基团是其吸附在碳管外壁上的关键基团,辅酶结构扭曲成U型;正电体系中,静电吸引作用是其推动力,材料选择性吸附辅酶结构上的磷酸基团,辅酶结构整体贴附在材料表面;而负电体系中,静电排斥力是其主要推动力,材料通过排斥磷酸基团而与辅酶形成最弱吸附,辅酶结构接近其初始的晶体构象。负电体系材料对保持葡萄糖氧化酶活性起着重要作用。通过对蛋白质、多肽在材料表面吸附行为的深化认识,可以为纳米材料的载药、靶向以及传感器等生物医学应用设计提供指导和借鉴意义。