分子梭协助离子跨膜运输的机理研究

采用增强采样分子动力学模拟研究了一轮烷型分子梭协助K⁺跨膜转运的机制, 该轮烷由两亲性的轴和套在轴上的大冠醚环及连接在大冠醚环上的小冠醚环构成, 轴上有3个带正电的结合位点. 通过计算穿梭过程的自由能变化, 探索了溶剂(氯仿、 乙腈、 水、 氯仿-乙腈)以及中间结合位点对该轮烷穿梭运动的影响, 并分析了中间位点在其携带K⁺穿越细胞膜(采用水-氯仿-水模拟)过程中的重要作用. 结果表明, 改变溶剂不会改变轮烷(不携带K⁺)的运动模式, 但随着溶剂极性的增加穿梭所需克服的自由能能垒显著降低; 在氯仿-乙腈混合溶剂中, 中间结合位点的质子化状态, 不影响轮烷(不携带K⁺)的穿梭能垒; 然而在模拟细胞膜的环境中, 该结合位点的质子化与去质子化相比大幅降低了穿梭的能垒, 促进了K⁺的跨膜转运, 表明中间位点的质子化对于离子转运至关重要, 进一步分析表明轮烷中大环穿梭和小环摆动的协同作用, 也是加速离子跨膜转运的另一关键因素.     

多尺度分子模拟研究来自于无类囊体蓝藻的五聚体门控离子通道门控机理

五聚体门控离子通道是一个重要膜蛋白家族, 在生理学过程中起到重要作用. 我们以来自无类囊体蓝藻(Gloebacter violaceus: GLIC)的五聚体门控离子通道X-ray结构为模型, 进行总共1.05 μs的粗粒化分子模拟, 并结合原子级分子模拟方法, 观察到其离子通道的闭合和相应的四级结构扭转. 我们发现其位于跨膜区组成通道的M2螺旋通过倾斜-旋转(指向通道中心)的协调运动来完成通道闭合. 进一步分析并结合前人的实验结果, 我们提出了该离子通道门控过程的可能的“连锁反应”机理: 由单独亚基的M2螺旋前部构象变化引发, 使该亚基发生整体的构象变化, 并且将这种变化传递到了邻近的亚基, 进而带动整个通道的构象变化, 最终完成通道的闭合.     

充蜡石墨支撑的季铵离子/己二酸混合双层膜上钙离子诱发的离子通道行为

以充蜡石墨电极作为新型支撑体,成功制备了一种季铵离子为内层（包括四丁 基铵TBA,十六烷基三甲基铵CTrMA）,己二酸（HDA）为外层的新型自组装混合双 层膜,以循环伏安和电化学交流阻抗方法研究了膜的离子通道行为。该膜能够接受 Ca~(2+)的刺激作用而打开[Fe(CN)_6]~(3-/4-)电极氧化还原的离子通道,撤走该 刺激离子则通道关闭。提出了混合双层膜的结构和离子通道作用的模型,指出外层 膜HDA分子可能具有V型和W型两种结构。     

封面说明

<正>通道蛋白在物质的跨膜输送及信号传导方面发挥着重要的作用.构筑人工的合成体系来模拟通道蛋白的功能,不仅为发展新型的分离纯化材料提供了可能,而且还为通道蛋白相关疾病的治疗提供了新的研究思路.利用便宜、易得的有机小分子组装是形成人工跨膜通道的一种有效手段.侯军利等利用间苯二甲酸在脂双层中构筑了一种新型的人工通道,实现了离子的高效跨膜输送(见本期论文:祝平平,辛鹏洋,侯军利.间苯二甲酸自组装形成的人工跨膜离子通道.P624~628).     

自组装杂化离子通道膜的构筑及阳离子传输机制

以3-异氰酸丙基三乙氧基硅烷和对甲氧基苯胺为原料合成了一种可以自组装形成有机-无机杂化材料的化合物--3-(脲基-4-甲氧基苯基)丙基三乙氧基硅烷. 采用FT-IR, ¹H NMR, DSC 和XRD 分析方法对该化合物的结构以及结晶性进行了表征. 将该化合物与聚乙烯醇(PVA)共混, 利用化合物的自组装性质构筑结构均一且致密无孔的离子通道杂化膜, 通过自制的膜运输实验装置测定膜对阳离子的传输性能并提出了相应的传输机制. SEM 照片显示, 自组装杂化膜致密无缺陷, 膜厚度为8 μm. 选择5 种阳离子进行运输实验测试, 结果表明, 自组装杂化离子通道膜对一价的碱金属离子Li⁺, Na⁺和K⁺有很好的传输功能, 这要归功于杂化材料中甲氧基苯基与碱金属阳离子形成的阳离子-π相互作用力. 碱金属阳离子在膜中的扩散过程可由溶解-扩散机制来解释, 结果显示, Li⁺, Na⁺和K⁺在杂化膜中传输的渗透率大小为: P_Na⁺ > P_K⁺ > P_Li⁺ , 说明本研究中的的自组装杂化离子通道膜对Na⁺有优先选择性. 杂化离子通道膜对二价的Ca²⁺和Mg²⁺没有传输作用, 此结果给一二价阳离子的分离带来很好的研究思路.     

离子通过碳纳米管的拉伸分子动力学模拟

采用拉伸分子动力学模拟研究了Na⁺, K⁺和Cl^－通过(6,6), (7,7), (8,8), (9,9)和(10,10)碳纳米管的过程, 利用伞形取样法计算了离子通过碳管的平均力势能, 并对离子在管中和本体相中的水化作了比较. 结果表明, 离子通过管径较窄的碳管时, 在入口处遇到较大的阻力, 从出口进入本体相较容易|而通过管径相对较宽的碳管则几乎无阻碍. 离子通过碳管的能垒随管径的增大而降低, 不同离子的能垒各不相同, 表明碳管具有固有的离子选择性|离子通过碳管时, 不仅其配位数改变了, 而且配位层中水分子的取向也有所改变, 这两者共同决定了离子进入碳管时的去水化能, 进而影响离子通过碳管的能垒和碳管的离子选择性. 本工作将有助于理解离子通道蛋白中疏水区域的功能作用, 并可以为基于碳纳米管的纳流控系统的设计提供指导.     

尖吻蝮蛇毒抗凝血因子Ⅰ的稀土离子荧光探针研究

稀土离子(Nd3+, Sm3+, Eu3+, Gd3+, Tb3+)对抗凝血因子(ACF Ⅰ)的内源荧光有不同程度的淬灭作用.稀土离子与ACF Ⅰ荧光滴定的结果表明, ACF Ⅰ分子中有两个稀土离子结合位点,稀土离子和钙离子在ACF Ⅰ分子中两个结合位点是共同的竞争结合位点.每个稀土离子与ACF Ⅰ的结合常数K1和K2相接近,说明两个结合位点的结构可能基本一致.不同的稀土离子与ACF Ⅰ之间有相近的结合常数K1或K2,表明ACF Ⅰ分子中的两个结合位点在结构上都有较大的柔性,这种结构柔性为钙离子在ACF Ⅰ与活化凝血因子X的结合反应中所起的激活作用提供了结构基础.     

羟烷基胺功能化离子液体吸收SO_2的量子化学计算(英文)

采用量子化学中的密度泛函理论(DFT)对羟烷基胺离子液体(HyAAILs)与二氧化硫(SO2)的相互作用进行了研究.通过几何结构优化,电荷分布和热力学参数计算等来确定离子液体中能够有效吸收SO2的官能团.HyAAILs与SO2反应形成平均距离为0.240nm的S—N键,导致电荷从ILs转移到SO2以及S—O键长和O—S—O键角的改变.气态和液态模型的计算结果表明,标准吉布斯函数变(△G苓)主要取决于阳离子的结构和分子质量.阳离子结构影响了吸收反应能垒,对于三种阳离子体系的反应活化能顺序为:Ea(secondary)Ea(tertiary)Ea(primary).理论计算结果得到了实验数据的验证,羟乙基伯胺离子液体吸收的SO2理论摩尔分数与文献中的实验数据非常接近.本研究提供了一种预测和验证功能离子液体性质的有效方法.     

纳滤膜对电解质溶液分离特性的理论研究(II): 混合电解质溶液

假定纳滤膜具有狭缝状孔, 使用纯水透过系数、膜孔径及膜表面电势来表征纳滤膜的分离特征, 用流体力学半径和无限稀释扩散系数表征了离子特性. 采用扩展Nernst-Planck方程、Donnan平衡模型和Poisson-Boltzmann理论描述了混合电解质溶液中离子在膜孔内的传递现象, 计算了三种商用纳滤膜(ESNA1-LF, ESNA1和LES90)对同阴离子、同阳离子和含四种离子的混合电解质体系中离子的截留率, 并与实验数据进行了比较. 计算结果表明, 电解质溶液中离子在纳滤膜孔内传递的主要机理是离子的扩散和电迁移, 纳滤膜对混合电解质溶液中离子的分离效果主要由空间位阻和静电效应决定. 该模型在低浓度时对含一价离子的混合电解质溶液通过纳滤膜的截留率计算结果比较准确, 但对高浓度或含高价离子的混合电解质溶液则偏差较大.     

二极管器件SPICE电路模型对锥形离子通道I-V特性曲线的模拟

离子整流性是纳米离子通道的一个重要特征,具有整流性的离子通道体系也被称为纳米流体二极管.本文比较了离子通道的泊松-能斯特-普朗克(PNP)方程组模型和固体半导体的扩散-漂移模型,提出可以使用二极管器件的仿真电路模拟器(SPICE)电路模型对离子通道体系的电流-电压(I-V)曲线进行模拟.以锥形离子通道的PNP数值模型的计算结果为基础,通过对这一体系进行讨论,给出一个锥形离子通道的SPICE电路模型,它可以较好地模拟I-V特性曲线.离子通道SPICE电路模型的建立可用于研究纳米流体二极管作为一个器件在电路中的应用.     

膜蛋白跨膜区段的预测分析

将连续小波变换技术的时频局部化特点和氨基酸的疏水特性相结合,提出了一种用于预测膜蛋白跨膜区段数目和位置的新方法,以代码为1YST的膜蛋白为例,对小波尺度和疏水值的种类进行了选择,同时描述了该法对跨膜螺旋区数目和位置的预测分析过程.从膜蛋白数据库中随机抽取36个蛋白质(含跨膜螺旋区232)作为测试集,采用该方法对其跨膜螺旋区进行预测,其中222个跨膜螺旋区能被准确预测,准确率为96.1%.结果表明,该法具有较高的预测准确性.     

大环分子衍生物在人工跨膜离子通道领域中的研究进展

大环分子如环糊精、冠醚等因具备独特的空腔结构, 能够通过主-客体相互作用实现对分子、离子的特异性识别, 因此常被应用于人工跨膜离子传输系统的研究和开发. 与天然的通道蛋白相比, 大环分子具有价格低廉、性质稳定、结构易于修饰和功能化等诸多优点, 因而备受科研工作者们的关注. 本综述详细介绍了大环分子在人工离子通道领域中的研究进展, 按照不同的大环分子进行分类, 系统归纳了基于大环结构的人工跨膜通道的制备方法、结构调控以及其在生物医药领域中的潜在应用. 最后对大环类人工离子通道做了简要的总结和展望, 该综述对于发展新型人工离子通道以及发掘其潜在的应用价值具有重要意义.     

Co3O4纳米晶表面晶格氧催化氧化CO的理论研究

近年来,纳米科学技术的迅速发展给催化领域,特别是多相催化带来了新的机遇和挑战.科学家们开始着眼于在纳米尺度上对催化剂结构和催化性能进行表征、控制和设计.Co3O4作为一种重要的半导体金属氧化物材料,由于其优异的氧化还原性质,在锂电池、气体传感器以及多相催化领域得到了十分广泛的应用.最近,研究者发现Co3O4纳米晶在催化CO低温氧化和CH4活化等一系列重要反应中表现出显著的反应活性和晶面效应,表明有效设计和合成特定的高活性、高选择性的纳米晶面,对催化领域的发展将具有十分重要的意义.因而,从原子层面对纳米晶所表现出的这种高活性和晶面效应进行深入解释,将为高效催化剂设计提供重要指导.低温CO氧化作为一种重要的催化反应在燃料电池、空气净化与汽车尾气处理中具有重要的应用价值.本文采用密度泛函理论对Co3O4纳米晶催化CO氧化反应的机理、晶面效应以及结构敏感性进行了理论研究.首先,研究了CO在Co3O4(001)和(011)表面Co,CoOo和Co-Ot三种不同位点的吸附扩散行为,发现CO在Co位点表现出较强的吸附行为,但这种吸附构型需要克服很高的能垒(～1 eV)才能转变到Co-O离子对位点,在低温下这种转变将不可能发生,因此我们推断CO在Co位点的吸附对Co3O4催化CO氧化的晶面效应没有显著影响.接着,对CO在Co-O离子对位点抽提晶格氧生成CO2的反应机理进行了研究.我们发现,(011)表面Co-Ot位点可以较强地吸附CO(吸附能-1.15 eV),并十分容易夺取晶格氧离子(能垒0.26 eV),具有很低的势能面,因而其CO氧化活性明显大于(001)面.为了更清楚地理解这种晶面效应和结构敏感效应的本质,我们提出将CO2形成步的过渡态在反应路径上的能级作为反应活性指标.这种活性指标兼顾考虑了CO在Co-O氧位点的吸附覆盖度和CO2形成步的反应能垒,可以近似理解为反应的表观活化能.据此我们得出,Co3O4不同表面不同品格位点催化CO氧化的反应活性顺序为:(011)-Co-Ot＞＞(001)-Co-Oo＞(011)-Co-Oo＞(001)-Co-Ot.由于CO吸附和CO2形成步都涉及到表面被还原的过程,我们因此发现CO催化氧化活性的高低与表面晶格氧位点的可还原性具有正相关性.这种表面不同位点的还原性可以直接通过对空穴形成能的计算获得,降低表面氧空穴的生成能将有利于提高CO氧化的活性.催化设计的终极目标是在对催化活性位点的本质及反应机理深入认识的基础上在原子层面上对催化剂进行可控设计,从而实现催化剂材料的高效、经济的利用.本文研究表明离子对活性位点是Co3O4纳米晶催化CO氧化反应的活性位点,其中阳离子负责对CO的吸附,阴离子则负责CO2的形成过程,这种协同作用实现了Co3O4纳米晶的高反应活性.我们相信,寻找有效的方法在催化剂表面增加离子对位点活性中心的数目是一种实现高性能催化剂设计的途径.     

Co_3O_4纳米晶表面晶格氧催化氧化CO的理论研究（英文）

近年来,纳米科学技术的迅速发展给催化领域,特别是多相催化带来了新的机遇和挑战.科学家们开始着眼于在纳米尺度上对催化剂结构和催化性能进行表征、控制和设计Co_3O_4作为一种重要的半导体金属氧化物材料,由于其优异的氧化还原性质、在锂电池、气体传感器以及多相催化领域得到了十分广泛的应用.最近,研究者发现Co_3O_4纳米晶在催化CO低温氧化和CH_4活化等一系列重要反应中表现出显著的反应活性和晶面效应,表明有效设计和合成特定的高活性、高选择性的纳米晶面,对催化领域的发展将具有十分重要的意义.因而,从原子层面对纳米晶所表现出的这种高活性和晶面效应进行深入解释,将为高效催化剂设计提供重要指导.低温CO氧化作为一种重要的催化反应在燃料电池、空气净化与汽车尾气处理中具有重要的应用价值,本文采用密度泛函理论对Co_3O_4纳米晶催化CO氧化反应的机理、晶面效应以及结构敏感性进行了理论研究.首先,研究了CO在Co_3O_4(001)和(011)表面Co,Co-O°和Co-O~t三种不同位点的吸附扩散行为,发现CO在Co位点表现出较强的吸附行为,但这种吸附构型需要克服很高的能垒(~1eV)才能转变到Co-O离子对位点,在低温下这种转变将不可能发生,因此我们推断CO在Co位点的吸附对Co_3O_4催化CO氧化的晶面效应没有显著影响.接着,对CO在Co-O离子对位点抽提晶格氧生成CO_2的反应机理进行了研究.我们发现(011)表面Co-O~t位点可以较强地吸附CO(吸附能-1.15 eV),并十分容易夺取晶格氧离子(能垒0.26eV),具有很低的势能面,因而其CO氧化活性明显大于(001)面.为了更清楚地理解这种晶面效应和结构敏感效应的本质,我们提出将CO_2形成步的过渡态在反应路径上的能级作为反应活性指标.这种活性指标兼顾考虑了CO在Co-O氧位点的吸附覆盖度和CO_2形成步的反应能垒,可以近似理解为反应的表观活化能.据此我们得出,Co_3O_4不同表面不同晶格位点催化CO氧化的反应活性顺序为:(011)-Co-O~t(001)-Co-O°(011)-Co-O°(001)-Co-O~t.由于CO吸附和CO_2形成步都涉及到表面被还原的过程,我们因此发现CO催化氧化活性的高低与表面晶格氧位点的可还原性具有正相关性.这种表面不同位点的还原性可以直接通过对空穴形成能的计算获得,降低表面氧空穴的生成能将有利于提高CO氧化的活性.催化设计的终极目标是在对催化活性位点的本质及反应机理深入认识的基础上在原子层面上对催化剂进行可控设计,从而实现催化剂材料的高效、经济的利用.本文研究表明离子对活性位点是Co_3O_4纳米晶催化CO氧化反应的活性位点,其中阳离子负责对CO的吸附,阴离子则负责CO_2的形成过程,这种协同作用实现了Co_3O_4纳米晶的高反应活性.我们相信,寻找有效的方法在催化剂表面增加离子对位点活性中心的数目是一种实现高性能催化剂设计的途径.     

静电位阻模型在纳滤膜跨膜电位解析中的应用

采用静电位阻模型对纳滤膜的跨膜电位进行了理论解析, 考察了溶液体积通量密度、原料液浓度、阴阳离子扩散系数比、膜孔半径和膜体积电荷密度对KCl(1-1型电解质)和MgCl2(2-1型电解质)中的纳滤膜跨膜电位的影响. 研究结果表明, 随着通量密度的增大, KCl和MgCl₂的跨膜电位线性程度增强; 两种电解质的跨膜电位均随着原料液浓度和膜孔半径的增大而下降; 在不同的考察范围内, 阴阳离子扩散系数比对1-1型和2-1型电解质的跨膜电位的影响差别较大; KCl的跨膜电位随着膜体积电荷密度的变化关于零点呈现出对称性, 而MgCl₂的跨膜电位零点则出现在膜体积电荷密度为负的条件下.     

一种具有识别运输钠离子的离子通道膜的制备

以三氯甲烷为溶剂,用3-异氰酸基丙基三乙氧基硅烷和对氨基苯酚合成得到一种自组装杂化材料——3-(脲基酚基)丙基三乙氧基硅烷.采用FTIR、XPRD分析方法对该化合物的结构以及晶体形态进行了表征.利用旋涂法和共混法分别制备离子通道膜,采用ATR-FTIR和SEM分析手段表征膜的化学结构和形态结构,并通过自制的膜运输实验装置测定膜的传输性能并提出了相应的传输机理.实验结果表明,两种方式所得的离子通道膜表面是致密无孔的,致密层厚度为8～10μm左右;采用共混法制得的离子通道膜的传输速度较旋涂法快.离子通道是杂化材料通过分子自组装形成的,该通道可以识别并运输Na+.     

咪唑类离子液体与酪氨酸相互作用及机理的密度泛函理论研究（英文）

离子液体的物理化学性质稳定且结构可调,被认为是潜在的新一代绿色高效生物分子溶剂。本文通过密度泛函理论研究了系列咪唑基离子液体与两性离子型氨基酸(酪氨酸)的相互作用及机理。利用对称微扰理论(SAPT)、分子中的原子理论(AIM)及约化密度梯度函数(RDG),分析了氢键作用、静电力、诱导力和色散力对离子液体-氨基酸体系相互作用的贡献。计算结果表明静电作用对于阴、阳离子与酪氨酸的相互作用占主导地位。对于系列阳离子而言,具有不同的甲基取代位点和烷基侧链长度对不同的相互作用模式会产生显著影响。其中,当甲基位于咪唑环的C2位点时,诱导力与色散力占比差别较小;当甲基取代位于咪唑环的N3位点时,诱导力与色散力占比差别较大。产生这一差异的原因在于当甲基位于C2位时,氢键、咪唑环与苯环之间的π~+–π作用为主要作用模式,而甲基取代位为N3位时,氢键和烷基链与苯环之间的C_(Alkyl)―H…π作用则成为主导。进一步获得离子对-酪氨酸的相互作用能变化趋势与阳离子-酪氨酸的变化趋势一致,阴阳离子的共同作用使其与酪氨酸结合更稳定。该研究结果阐明了离子液体中阳离子氢键位点及侧链长度差异对于离子液体-酪氨酸体系的相互作用模式的影响机制,为高效分离氨基酸的功能性离子液体的设计和筛选提供了新思路。     

基于细胞膜表面电势探讨Ca与毒性离子在植物根膜表面的相互作用

有毒重金属离子的自由离子活度已被广泛认为是重金属最直接的活性形态,可以用来预测重金属的生物效应,而事实上生物体表的重金属离子浓度由于细胞表面膜电势的静电效应而与本体溶液中重金属的自由离子活度存在显著差异.细胞膜表面电势随溶液中离子组成变化而发生变化,本体介质中钙离子能通过电荷屏蔽和离子键结合来降低膜表面电势的电负性,从而减少阳离子如Al3+、Cu2+和Ni2+在膜表面的活度,增加阴离子如SeO42-和H2AsO4-在膜表面的活度,这种电负性降低的程度能通过Gouy-Chapman-Stern模型来量化.基于植物根表重金属离子活度可以更好地预测其生物效应.细胞膜表面电势为研究离子之间交互作用机制及其与植物效应之间的关系提供了一个全新的角度.     

不同浓度比的硫酸根和氯离子溶液中钝化膜的半导体特性转变机制研究

800合金作为核电站蒸汽发生器的一种关键材料,服役环境下其表面钝化膜的特性一直是人们研究的热点.本文用Mott-Schottky方法研究了800合金在不同硫酸根离子和氯离子浓度比的溶液中钝化膜的半导体特性,并结合电化学阻抗谱(EIS)、扫描电镜(SEM)、扫描电化学显微镜(SECM)研究了钝化膜的耐蚀性和表面活性.Mott-Schottky结果表明,800合金表面钝化膜的半导体特性与溶液中硫酸根、氯离子的浓度比有关,随硫酸根与氯离子浓度比的降低,半导体特性发生转变.当硫酸根与氯离子的浓度比较高时,钝化膜为p型半导体;而当硫酸根与氯离子的浓度比较低时,钝化膜为n型半导体.EIS、SECM、SEM结果表明,随浓度比的降低钝化膜由过钝化溶解转为明显的点蚀特征,钝化膜表面活性增加.钝化膜特性的改变与其半导体类型的转变密切相关,而半导体特性的转变由氯离子、硫酸根离子在800合金钝化膜表面的竞争吸附所致,其在表面的竞争吸附直接影响钝化膜表面发生的化学反应,改变电极/溶液界面电势差,使钝化膜中的空位类型改变,最终决定半导体类型.     

尖吻蝮蛇毒抗凝血因子Ⅱ的稀土离子荧光探针研究

尖吻蝮蛇毒抗凝血因子(ACF)分子中有两个钙离子结合位点,钙离子对ACF的内源荧光有增强作用,稀土离子(Nd³⁺,Sm³⁺,Eu³⁺,Gd³⁺和Tb³⁺)能取代ACF分子中的钙离子,并对ACF的内源荧光有不同程度的猝灭作用,其中Tb³⁺接受ACF分子中Trp残基传递的能量后,特征荧光增强.稀土离子与ACF荧光滴定表明,ACF分子中有两个稀土离子结合位点,稀土离子和钙离子在ACF分子中两个结合部位是共同的竞争结合部位.ACF与不同稀土离子之间有相近的表观结合常数K₁或K₂.Tb³⁺与RE³⁺(RE=Nd,Sm,Eu或Gd)间线性自由能关系表明,稀土离子与ACF结合时,没有明显的空间效应.ACF分子中的两个结合位点在结构上都有较大的柔性,这种结构柔性为钙离子在ACF与活化凝血因子X的结合反应中起到的促进作用提供了结构基础.