基于碳纳米管与蛋白质大分子相互作用的细胞毒性机理探索

细胞色素c是细胞呼吸过程中起着电子传递作用的蛋白质大分子。本项目基于碳纳米管与细胞色素c大分子的相互作用，利用分子动力学模拟方法，研究典型生物环境中，碳纳米管对细胞色素c结构，及其在电子传递中与不同酶的结合过程的影响规律，建立碳纳米管特性参数与细胞色素c结构参数之间，以及碳纳米管特性参数与细胞色素c与不同的酶的结合过程的热力学和动力学参数之间的定量关系。在此基础上，阐明碳纳米管的哪些特性更容易影响细胞色素c的结构及其与电子传递相关的行为，阐释不同特性的碳纳米管影响电子传递作用的机理，探寻减小碳纳米管对电子传递过程的干扰的可能途径,为揭示碳纳米管导致的细胞毒性的机理研究提供一种思路和数据，为碳纳米管的安全使用提供建议。

本项目利用分子动力学模拟和量子化学计算，研究了碳纳米管对细胞色素c的吸附过程。通过计算吸附能、原子接触数和最小接触距离，找到了最优吸附构象。从蛋白质骨架的均方根位移（root mean square deviation (RMSD)），均方回转半径（the radius of gyration(Rg)），以及不同二级结构的比例随吸附过程的变化这三组数据，我们发现，与碳纳米管的吸附不会使蛋白质发生重大形变，细胞色素c结构稳定，尤其是二级结构比较稳定，细胞色素c的功能性结构能够保持。同时，我们也研究了范德华作用，静电作用对吸附稳定性的影响。我们发现，-堆叠对吸附稳定起着很重要的作用。进一步，我们研究了氨基酸残基特性对吸附过程的影响。对蛋白质与非极性材料的吸附，普遍认为起主要作用的是疏水残基，但是我们发现，对于细胞色素c与纳米管的吸附，亲水残基的起着主要作用，其中，Lys在吸附过程中起着最重要的作用。我们发现，最优吸附构象非常有利于细胞色素c与纳米管之间进行电子转移反应，这很有可能是纳米管影响细胞色素c还原过程的途径，也是纳米管产生细胞毒性的重要原因。当然，目前还需要更加直接的证据来证明纳米管与细胞色素c之间可以发生氧化还原反应。所以对毒性机理也需要进一步研究。