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摘 要

蛋白质在固体表面吸附的研究是一个十分活跃的领域，广泛应用于纳米技术、组织工程、药物传递、环境生态等技术领域^[1]。例如，医疗技术中，人造组织材料进行移植需要有吸附性能良好的蛋白质，以保证在人体不容易发生排斥反应的同时，还能还原应有的身体机能。^[2]。因此，对蛋白质吸附理论的研究有着非常深远的意义。然而，受到检测手段的约束，目前蛋白质表面吸附的研究仍有许多问题需要解决。本文所要探究的就是蛋白质在固体表面吸附的熵焓驱动原理。

由于蛋白质吸附涉及到蛋白质的构象以及共存分子的相互作用，是一种极为复杂的过程，普通的实验难以得到精准的结果，因此本文使用分子模拟的方法，模拟多肽分子在固体表面的吸附过程，通过自由能估算对蛋白质在固液界面的吸附自发性进行探究。其中使用的模拟分子是由三个丝氨酸组成的三肽分子3Ser，选用表面是Au(111)和石墨烯表面，其中3Ser具有构型简单、便于计算的特性；而Au(111)表面是典型的亲水性表面，石墨烯是典型的疏水性表面，都具有相当的代表性。

本文使用适合蛋白质分子进行模拟的分子模拟软件包Gromacs 4.5.5，对多肽分子在固液界面的表面吸附进行了模拟。在280-320K的不同温度下，在两种不同的固体表面设计了蛋白质吸附的模拟，并利用用伞形采样的方法计算平均力势能（PMF），做出相关图线，经过计算与比较可以得出结论。分子模拟结果显示， 三肽分子在两种表面上进行的吸附都是熵驱动。

关键词：蛋白质 固体表面 吸附过程 熵焓驱动机理 分子模拟 GROMACS

ABSTRACT

The adsorption of proteins on solid surfaces is such an active field that it is widely used in nanotechnology, tissue engineering, drug delivery, environmental ecology and other technical fields. For example, in medical technology, artificial tissue materials for transplantation requires proteins with good adsorption properties to ensure that the body functions can be reduced at the same time that the body is not prone to rejection.

Therefore, the study of protein adsorption theory has very far-reaching significance. However, due to the constraints of detection methods, there are still many problems to be solved in the study of protein surface adsorption. This article is to explore the principle of entropy-enthalpy driving of protein adsorption on solid surfaces.

Since protein adsorption involves the conformation of proteins and the interaction of coexisting molecules, it is an extremely complicated process,and is difficult to obtain accurate results in ordinary experiments. Therefore, molecular simulation methods are used to simulate the adsorption process of polypeptide molecules on solid surfaces. The free energy estimation was used to investigate the spontaneous adsorption of proteins at the solid-liquid interface. The simulated molecule used was a polypeptide molecule consisting of three serines, named 3Ser. The selected surfaces are the surface of Au(111) and graphene. Among them, the 3Ser has a simple configuration and is easy to calculate. the Au(111) surface is a typical hydrophilic surfaces, while the graphene surface is a typical hydrophobic surface,and both have considerable representativeness.

In this paper, the surface adsorption of polypeptide molecules at the solid-liquid interface was simulated by using the molecular simulation software package Gromacs 4.5.5, which is suitable for protein molecular simulation. At different temperatures of 280-320K, the simulation of protein adsorption was designed on two different solid surfaces, and the average force potential energy (PMF) was calculated by using the umbrella sampling method. The results of molecular simulation show that the adsorption of tripeptide on both surfaces is entropy driven.

Key Words: Protein; solid surface adsorption process; entropy/enthalpy-driven; molecular simulation; GROMACS

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 蛋白质固液界面吸附现象 1

1.2.1 固液界面吸附机理 1

1.2.2 蛋白质在固液界面的吸附现象 2

1.2.3 蛋白质吸附模型 2

1.3 过程的自发性 2

1.3.1 自发过程与吉布斯自由能 2

1.3.2 吉布斯自由能变 3

第二章 分子模拟 4

2.1 分子模拟方法简介 4

2.2 分子动力学模拟的基本原理 5

2.3 GROMACS简介 5

2.4 分子力场简介 6

2.5 能量最小化处理 6

2.6 周期盒子的边界条件 7

2.7 模拟系综 7

2.7.1 正则系综 7

第三章 多肽分子固液界面吸附模拟 8

3.1 模拟方法简介 8

3.2 伞状采样 8

3.3 模拟设计细节 10

3.4 实验结果 12

第四章 结论与展望 16

4.1 结论 16

4.2 展望 16

参考文献 17

致谢 20

第一章 绪论

1.1 前言

固液界面吸附与人类的生活和生产活动息息相关，在自然中是一种常见但十分重要的现象。而由于蛋白质具有特殊的生物性质，因此蛋白质分子的固液界面吸附比一般的固液吸附要更加复杂。一方面，蛋白质吸附于固体表面的过程中，蛋白质的浓度、转化、降解性以及毒性等会产生变化；另一方面，蛋白质的吸附对固体表面也会产生强烈的影响，导致固体表面的物化性质发生改变^[3]。

蛋白质固液界面吸附，尤其是特异性吸附，在大多情况下是有利的。例如，有关蛋白质生产的新生物技术就依赖于下游蛋白质的纯化和分离过程中蛋白质的界面特性^[4]；此外，蛋白质吸附也促进了应用生物医学的发展，例如生物传感器、免疫学测试和药物传递等新技术都与蛋白质吸附有关；同时，蛋白质的非特异性吸附也容易造成负面影响，例如在海洋生物防污领域，海洋微生物对各类工程设施、设备管道的腐蚀，和对水产养殖的污染，就与微生物分泌的蛋白质等物质附着于表面有关^[5]。因此，对蛋白质吸附过程的研究就显得十分有意义，控制蛋白质的吸附行为一直以来也都是该领域最主要的研究动力。

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