甲基多巴透过POPC磷脂双层膜过程的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究甲基多巴分子透过磷脂双层膜的动力学机制. 研究所采用的磷脂双层膜是一种卵磷脂脂质分子双层膜,即1-棕榈酰-2-油酰-卵磷脂（POPC）双层膜,分子动力学模拟基于Gromacs程序. 通过分子动力学模拟获得甲基多巴透过POPC双层膜的自由能垒是99.9 kJ·mol^-1（310 K）,显示甲基多巴分子可以透过细胞生物膜. 模拟获得甲基多巴在POPC双层膜中间层扩散运动的自由能垒是16.9-27.7 kJ·mol^-1（310 K）,证明甲基多巴分子在细胞膜中间层容易扩散. 研究工作加深了对甲基多巴治疗高血压病机制的理解,促进研发治疗高血压病的新药物.     

多巴胺在POPC磷脂双层膜中扩散和透过过程的分子动力学模拟

多巴胺作为脑组织内一种重要的神经递质在细胞膜内外需要做合适的迁移,发挥其功能.多巴胺在细胞膜中扩散和透过过程的分子动力学涉及到多巴胺分子保护通道的畅通,与精神分裂症等病症有关.本文采用1-棕榈酰-2-油酰-卵磷脂(POPC)双层膜模拟细胞膜,通过分子动力学模拟获得多巴胺分子在细胞膜中和透过细胞膜运动自由能变化,探讨多巴胺在细胞膜中扩散和透过过程的分子动力学.多巴胺分子在POPC磷脂双层膜中间层做扩散运动的自由能变化为10-54 kJ mol-1(310 K),显示多巴胺分子在细胞膜中间层很容易横向和纵向扩散,保持多巴胺保护通道的畅通.多巴胺分子不容易透过POPC磷脂双层膜,因为透过过程自由能能垒为117-125 kJ mol-1(310 K).因此,人脑组织神经细胞里生产的多巴胺分子可以储藏在生物细胞膜空间.而过量的多巴胺则可以通过保护通道进入磷脂双层膜结构中间,做横向和纵向扩散运动,并且透过细胞膜,避免精神分裂症的发生.生物细胞膜的正常功能对于保持多巴胺保护通道的畅通和避免精神分裂症的出现都是重要的.研究结果与其它实验观察和结果相一致.     

多巴胺在POPC磷脂双层膜中扩散和透过过程的分子动力学模拟

多巴胺作为脑组织内一种重要的神经递质在细胞膜内外需要做合适的迁移,发挥其功能. 多巴胺在细胞膜中扩散和透过过程的分子动力学涉及到多巴胺分子保护通道的畅通,与精神分裂症等病症有关. 本文采用1-棕榈酰-2-油酰-卵磷脂(POPC)双层膜模拟细胞膜,通过分子动力学模拟获得多巴胺分子在细胞膜中和透过细胞膜运动自由能变化,探讨多巴胺在细胞膜中扩散和透过过程的分子动力学. 多巴胺分子在POPC磷脂双层膜中间层做扩散运动的自由能变化为10-54 kJ·mol^-1 (310 K),显示多巴胺分子在细胞膜中间层很容易横向和纵向扩散,保持多巴胺保护通道的畅通. 多巴胺分子不容易透过POPC磷脂双层膜,因为透过过程自由能能垒为117-125 kJ·mol^-1 (310 K). 因此,人脑组织神经细胞里生产的多巴胺分子可以储藏在生物细胞膜空间. 而过量的多巴胺则可以通过保护通道进入磷脂双层膜结构中间,做横向和纵向扩散运动,并且透过细胞膜,避免精神分裂症的发生. 生物细胞膜的正常功能对于保持多巴胺保护通道的畅通和避免精神分裂症的出现都是重要的. 研究结果与其它实验观察和结果相一致.     

α-生育酚在模型生物膜中的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了280, 310和350 K下α-生育酚在二豆蔻酰磷脂酰胆碱、二豆蔻酰磷脂酰乙醇胺、二硬脂酰磷脂酰胆碱和二硬脂酰磷脂酰乙醇胺双层膜中的性质, 包括了空间位置、氢键、取向和动力学性质, 取得了如下的结论. 第一, 生育酚头部的羟基一般位于脂双层亲疏水界面的下方, 升高温度将促进羟基向膜双层的中心移动, 在350 K时观察到了在上下两个单层间的翻转. 第二, 生育酚主要与磷脂的酯基形成氢键, 几乎不与磷脂酰乙醇胺的氨基形成氢键; 比较生育酚与磷脂酰胆碱和乙醇胺形成的氢键后发现, 后者更稳定. 第三, 生育酚的头部在膜中取向多变, 与膜的法线夹角不固定, 尾部的构象也很复杂. 第四, 在温度较低时, 生育酚的侧向扩散系数与磷脂的相当, 但在350 K时其扩散速度明显加快; 在垂直方向生育酚的扩散速度很慢.     

DPPC双分子层相转变行为的分子动力学模拟研究

应用分子动力学模拟技术,对二棕榈酰磷脂酰胆碱双分子层进行退火模拟,从微观水平上深入研究磷脂双层膜的相转变行为.在相变温度附近,磷脂双层膜的物理性质发生突变.在两相各自的温度范围内,凝胶相磷脂双层膜的物理性质随温度变化不明显,但液相呈缓和变化.凝胶相与液相磷脂双层膜的分子构象与其排布方式截然不同:从侧视图来看,前者脂质分子尾链纵向伸展,上下两叶未见交错,叶间隙清晰,后者脂质分子尾链横向弯曲,上下两叶并有交错,叶间隙消失;从俯视图来看,前者脂质分子烃链以极其规律的"六角边形"方式排列,而后者脂质分子烃链排列杂乱无章.     

5-氟胞嘧啶气相及水助质子转移异构化的理论研究

采用密度泛函B3LYP/6-311G**方法,对6种5-氟胞嘧啶异构体孤立分子的稳定性及质子转移引起的酮式-烯醇式、氨基式-亚胺式互变异构反应机理进行了计算研究,获得了零点能、吉布斯自由能及质子转移过程的反应焓、活化能、活化吉布斯自由能和速率常数等参数.计算结果表明,气相中烯醇-氨基式FC4是最稳定的异构体.分子内质子转移设计了FC1→FC2和FC1→FC6两条通道,分别标记为P(1)和P(2),各通道速控步骤的活化能和速率常数分别为155.9 kJ·mol-1,4.70×10-15 s-1和173.1 kJ·mol-1,1.41×10-18 s-1.水助催化时,相应通道P(3) 和P(4) 速控步骤的活化能和速率常数分别为51.0 kJ·mol-1,1.41×103 s-1和88.2 kJ·mol-1,4.53×10-3 s-1.可见,水分子的加入极大地降低了质子转移的活化能垒.另外发现,水分子参与形成协同的双质子转移机理比水助单质子转移机理更利于降低活化能垒.     

光谱法和分子模拟研究氨氯地平与牛血清白蛋白的相互作用

采用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱及分子模拟技术研究了氨氯地平与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用.结果发现,氨氯地平对BSA有较强的荧光猝灭作用,其荧光猝灭机制属于静态猝灭;其作用机制属荧光共振能量转移(FRET,Fluorescence Resonance Energy Transfer);由Lineweaver-Burk方程计算出不同温度下氨氯地平与BSA的亲和常数KA分别为1.214×104 L·mol-1(296K)和1.662 ×104L·mol-1 (303 K);由Van't Hoff方程计算出△H和△S分别为33.46 kJ·mol-1和191.22 J·mol-1·K-1,二者之间是典型的疏水力相互作用;该过程是一个熵驱动的自发分子间相互作用过程.分子模拟进一步揭示了氨氯地平与BSA的疏水空腔具有较好的相互作用,与光谱实验结果一致.     

毛细管电泳法应用于阿魏酸异构化动力学和热力学研究

基于毛细管电泳技术,建立了阿魏酸异构化反应的动力学和热力学研究方法.测定了阿魏酸不同温度下异构化反应速率常数;基于阿仑尼乌斯经验公式和埃林方程,分别计算出阿魏酸异构化反应的活化能(阿仑尼乌斯经验公式Ea1:43.38kJ·mol-1,Ea-1:58.51kJ·mol-1;埃林方程Ea1:43.24kJ·mol-1,Ea-1:58.36kJ·mol-1;从理论上证明了在常温下阿魏酸异构化是一个自发的过程,其吉布斯自由能变化△(△G≠298.15K)=-6.12kJ·mol-1.     

氢分子与超氧阴离子自由基反应的微观机理

为了认识氢气生物学效应的分子机制,采用量子化学的M06-2X/6-311+G(d,p)和CCSD(t)/aug-cc-pVTZ方法模拟了人体条件(310K、液相)下氢分子与超氧阴离子自由基的反应机理。研究表明,反应的吉布斯自由能变化值为117.2kJ·mol~(-1),活化自由能垒为156.2kJ·mol~(-1),从热力学及动力学角度该反应都不容易进行。然后从电子结构和轨道作用层面对反应的微观机制进行了探讨,发现从反应物变为过渡态过程中,复合物轨道的组成和轨道能级发生显著变化(尤其是第8号轨道能级升高最多,达到2.73eV),O~-_2片段向H_2片段的电子转移数增加了0.1760个,并且转移的电子主要集居于第8号轨道,这削弱了H_2片段两个H原子间的化学键,也是反应活化能的主要来源。     

六甲基二硅烷催化裂解的理论计算

采用密度泛函(DFT)及二级微扰理论(MP2)对六甲基二硅烷的催化裂解过程进行了计算.结果显示,该反应分三步进行,各步的能垒分别为144.9、77.4及214.9 kJ·mol-1,决定反应速度的是第三步.总反应是放热的,其中各步的焓变分别为22.4、-237.6、-127.6 kJ·Mol-1,反应的标准吉布斯自由能变为-348.7 kJ·mol-1,平衡常数为1.221×1061,在常温及常压下有较大的裂解倾向,理论产率比较高,计算结果与实验结果一致.     

左苯丙胺在多巴胺第三受体分子通道中传输分子动力学模拟

左旋苯丙胺(又称左苯丙胺, RAT)在临床上被用于治疗多种病症,作用在中枢神经细胞多巴胺受体上,同时它具有依赖性和成瘾性。为了探讨RAT被用作药物的药理和成瘾机制,本文用分子模拟获得RAT与多巴胺第三受体(D₃R)复合蛋白优化结构,并且采用伞形样本平均力势(PMF)方法和卵磷脂脂质分子模拟生物膜,采用分子动力学模拟获得RAT在D₃R结构中分子通道运动轨迹和自由能变化。RAT通过D₃R结构中的功能分子通道,朝细胞外方向传输运动的自由能变化为91.4 kJ·mol^-1。RAT通过D₃R结构中的保护分子通道,朝细胞双层膜方向传输运动的自由能变化为117.7 kJ·mol^-1。自由能数值表明RAT分子更容易通过D₃R结构中的功能分子通道,发挥其功能作用,增大功能多巴胺分子的释放,导致包括依赖性和成瘾性多种功能效果。研究结果证明RAT被用作药物的药理和成瘾机制与它在多巴胺受体中的分子通道上传输动力学和机制有密切关联。     

多巴胺在其第三受体蛋白结构中的分子通道上传输动力学

本文基于多巴胺与其第三受体复合蛋白(D_3R)结构,采用分子动力学技术Gromacs 4.5程序中的伞形样本方法,研究多巴胺在多巴胺第三受体蛋白结构中的运动轨迹及其过程中自由能变化,探讨多巴胺在其分子通道上传输运动机制动力学。分子模拟表明,处在发挥神经递质作用部位的多巴胺,通过D_3R结构中的功能分子通道沿着y+轴朝细胞外方向传输运动的自由能变化数值为134.6 kJ?mol~(-1),沿着y-轴朝细胞内传输运动的自由能变化为211.5 kJ?mol~(-1)。在D_3R结构中,多巴胺沿着x+、x-、z+、z-轴朝细胞双层膜方向传输运动的自由能变化分别为65.8、245.0、551.4、172.8 kJ?mol~(-1),数值说明DOP更容易沿着x+轴方向从TM5(第五跨膜螺旋)与TM6(第六跨膜螺旋)缝隙之间离开D_3R内部结构。处在细胞间隙空间的自由多巴胺,在等温等压条件下沿着逆y+轴方向通过多巴胺第三受体内功能分子通道,到达发挥神经递质作用的部位是一个自发过程,因为在该轨迹上多巴胺分子与受体相互作用是一个负自由能变化(-134.6 kJ?mol~(-1))。所以,多巴胺与多巴胺受体很容易相互结合,发挥神经递质作用。发挥了神经递质功能作用的多巴胺分子,沿着x+轴方向的保护分子通道从TM5与TM6缝隙之间离开D_3R内部结构,避免过度发挥多巴胺神经递质功能作用。根据多巴胺功能和保护分子通道观点,我们提出帕金森病新病理和精神分裂症新病理。论文还探讨多巴胺分子通道理论及其新病理应用于治疗控制这两种病症及其相关药物研究开发。     

Effect of acetone accumulation on structure and dynamics of lipid membranes studied by molecular dynamics simulations

The modulation of the properties and function of cell membranes by small volatile substances is important for many biomedical applications. Despite available experimental results, molecular mechanisms of action of inhalants and organic solvents, such as acetone, on lipid membranes remain not well understood. To gain a better understanding of how acetone interacts with membranes, we have performed a series of molecular dynamics (MD) simulations of a POPC bilayer in aqueous solution in the presence of acetone, whose concentration was varied from 2.8 to 11.2 mol%. The MD simulations of passive distribution of acetone between a bulk water phase and a lipid bilayer show that acetone favors partitioning into the water-free region of the bilayer, located near the carbonyl groups of the phospholipids and at the beginning of the hydrocarbon core of the lipid membrane. Using MD umbrella sampling, we found that the permeability barrier of ∼0.5 kcal/mol exists for acetone partitioning into the membrane. In addition, a Gibbs free energy profile of the acetone penetration across a bilayer demonstrates a favorable potential energy well of −3.6 kcal/mol, located at 15–16 Å from the bilayer center. The analysis of the structural and dynamics properties of the model membrane revealed that the POPC bilayer can tolerate the presence of acetone in the concentration range of 2.8–5.6 mol%. The accumulation of the higher acetone concentration of 11.2 mol% results, however, in drastic disordering of phospholipid packing and the increase in the membrane fluidity. The acetone molecules push the lipid heads apart and, hence, act as spacers in the headgroup region. This effect leads to the increase in the average headgroup area per molecule. In addition, the acyl tail region of the membrane also becomes less dense. We suggest, therefore, that the molecular mechanism of acetone action on the phospholipid bilayer has many common features with the effects of short chain alcohols, DMSO, and chloroform.     

Enhanced hydrophobicity of fluorinated lipid bilayer: a molecular dynamics study

A molecular dynamics simulation of a partially fluorinated phospholipid bilayer has been carried out to understand the effects of fluorination of the hydrophobic chains on the structure and water permeability across the membrane. Fluorocarbon chains typically have an all-trans conformation, showing a highly ordered structure in the membrane core compared to ordinary hydrocarbon chains. The free energy profiles of water across the bilayers were successfully estimated by a revised cavity insertion Widom method. The fluorinated bilayer showed a higher free energy barrier than an ordinary nonfluorinated lipid bilayer by about 1.2 kcal/mol, suggesting a lower water permeability of the fluorinated bilayer membrane. A cavity distribution analysis elucidated the reduced free volume in the fluorinated membrane due to the neatly packed chains, which should account for the higher free energy barrier.     

2,2-二甲基-1,3-丙二醇在270～440K间的热容和相变

太阳能及废热等低温热能的储存是能源研究的重要领域之一。经调查和分析,我们认为,某些多元醇及其它物质也基本能满足低温储能的特性。此类物质已有一些零星的DSC研究结果,但系统的绝热量热学研究,特别是其混合物的热力学研究尚未见报道。作为多元醇及其混合物的绝热量热学研究的一部分,本文将报道2,2-二甲基-1,3-丙二醇在270～440K间的热力学性质和相变。     

铜催化CO2和1-苯基丙炔的氢羧基化反应机理及区域选择性

采用密度泛函理论(DFT)方法研究了在还原剂(EtO)₃SiH存在下, 铜(I) (Cl₂IPrCuF)催化CO₂插入1-苯基丙炔生成α,β不饱和羧酸的反应机理. 计算结果表明, Cl₂IPrCuF 首先与(EtO)₃SiH 生成活性催化剂Cl₂IPrCuH,然后经历三个步骤完成催化反应: (1) Cl₂IPrCuH 与1-苯基丙炔加成生成烯基铜中间体. 由于炔烃的不对称性,烯基铜中间体有两种同分异构体, 最后可导致生成两种对应的α,β不饱和羧酸衍生物; (2) CO₂插入烯基铜中间体得到羧基铜中间体; (3) (EtO)₃SiH 与羧基铜中间体发生σ转位反应形成最终产物, 同时重新生成催化剂Cl₂IPrCuH. 理论研究还表明, 生成两种α,β不饱和羧酸衍生物的反应路径所对应的决速步骤不同, 在Path a 中炔烃插入反应和CO₂插入反应都可能是整个催化反应的决速步骤, 自由能垒分别为68.6 和67.8 kJ·mol^-1, 而在Path b中, 仅炔烃插入反应是整个催化反应的决速步骤, 自由能垒为78.7 kJ·mol^-1. 此结果很好地给出了实验上两种α,β不饱和羧酸衍生物收率不同的原因. 炔烃与Cl₂IPrCuH的加成决定了反应的区域选择性, 其中电子效应是影响反应区域选择性的主要原因.     

H2XP…SHY复合物中磷键与硫键的理论研究

用从头算量子化学方法MP2 与CCSD(T)研究了H₂XP和SHY (X, Y=H, F, Cl, Br)分子的P与S之间形成的磷键X―P…S与硫键Y―S…P的本质与规律以及取代基X与Y对成键的影响. 计算结果表明, 硫键比磷键强, 连接在Lewis 酸上的取代基的电负性增大导致形成的磷键或硫键增强, 键能增大, 对单体的结构和性质的影响也增大; 而连接在Lewis 碱上的取代基效应则相反. 硫键键能为8.37-23.45 kJ·mol^-1, 最强的硫键结构是Y 电负性最大而X 电负性最小的HFS…PH₃, CCSD(T)计算的键能是16.04 kJ·mol^-1; 磷键键能为7.54-14.65 kJ·mol^-1, 最强的磷键结构是X 电负性最大而Y 电负性最小的H₂FP…SH₂, CCSD(T)计算的键能是12.52 kJ·mol^-1. 对磷键与硫键能量贡献较大的是交换与静电作用. 分子间超共轭lp(S)-σ^*(PX)与lp(P)-σ^*(SY)对磷键与硫键的形成起着重要作用, 它导致单体的极化, 其中硫键的极化效应较大, 从而有一定的共价特征.     

明胶/Fe2S3纳米生物复合物形成反应的热力学及明胶构象变化

在pH=7.40条件下,采用一锅化学反应法制得水溶性明胶/Fe₂S₃纳米生物复合物,扫描电镜照片显示Fe₂S₃颗粒为棒状.根据吸光度与Fe₂S₃浓度关系,由Benesi-Hildebrand方程计算了不同温度下反应的形成常数K (293 K: 14.47×10² L·mol^-1; 297 K: 9.24×10² L·mol^-1; 309 K: 1.70×10² L·mol^-1)及对应温度下反应的热力学参数(Δ_rG_m = -17.88/-16.68/-13.09 kJ·mol^-1; Δ_rH_m = -105.57 kJ·mol^-1; Δ_rS_m = -299.28 J·K^-1·mol^-1),结果表明明胶/Fe₂S₃纳米生物复合物的形成反应是自发的放热过程,且为焓驱动.傅里叶变换红外光谱表明,Fe₂S₃主要与明胶大分子肽链中的酰胺键结合;对红外光谱进行去卷积拟合,结果表明:明胶蛋白质的 α-螺旋含量减少,β-折叠含量明显增加.结合紫外和红外光谱测试结果对复合物的形成机理作了初步的推测:首先Fe³⁺与明胶大分子中的酰胺键结合形成明胶/Fe³⁺复合物,然后S^2-与明胶/Fe³⁺中的Fe³⁺形成明胶/Fe₂S₃复合物.