质子和离子跨磷脂双分子层渗透机制的分子动力学模拟研究

Membrane is the fundamental structural component of biological cells. Its main consituent, the hyodrophobic lipid bilayer keeps it impereable to protons, ions and other hydrophilic groups.The low permeabilities make it possible to maintain transmembrane ionic gradients, to achieve the biological functions like signaling and transportation by the highly specific channels and transporters on the membrane, to provide the precondition of the chemiosmotic hypothesis in which the transmembrane pH gradients drive the ATP systhesis and provide energy to the cells, as well as a lot of other biological activities. However, the fluidity of membrane and the dynamics of possible pathways prevented to study the details of the mechanism of the permeations of protons and ions through lipid bilayer and resulted in controversy of a varity of theories in the last decades. Here we proposed to simulate the transmembrane proton hopping with quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) molecular dyanmics simulations and the mass transport of ions by classical MM molecular dyanmics simulations, together with umberlla sampling method to calculate the energetic barriers quantitatively, so that we can explain this fundmental problem in a more visual and detailed way.

膜结构是生物细胞的构成基础，其中疏水的磷脂双分子层骨架保证了质子、离子和其它亲水基团跨膜扩散的极低渗透率。这是维持跨膜浓度梯度，实现生物膜上高度选择性的通道蛋白或载体蛋白的跨膜转运功能的物理基础，也是化学渗透假说中利用跨膜pH梯度推动ATP合成为生物细胞提供能量的前提，对于多种生物功能至关重要。然而由于膜的流动性和其中可能的传递路径的动态性质，几十年来对于质子和离子渗透穿越磷脂双分子层的机制还没有真正的定论。本课题使用量子力学/分子力学的分子动力学方法模拟质子跳跃穿膜过程，与经典分子动力学方法模拟离子扩散穿膜过程，并结合伞形抽样技术定量计算相应的自由能垒，为最终解决此问题提供更为直接的证据。

膜结构是生物细胞的构成基础，其中疏水的磷脂双分子层骨架保证了质子、离子和其它亲水基团跨膜扩散的极低渗透率。这是维持跨膜浓度梯度，实现生物膜上高度选择性的通道蛋白或载体蛋白的跨膜转运功能的物理基础，也是化学渗透假说中利用跨膜pH梯度推动ATP合成为生物细胞提供能量的前提，对于多种生物功能至关重要。然而由于膜的流动性和其中可能的传递路径的动态性质，几十年来对于质子和离子渗透穿越磷脂双分子层的机制还没有真正的定论。.本项目中我们通过改进反应坐标体系，使用伞形抽样等分子动力学模拟方法，更准确地模拟了离子等带电基团跨膜渗透过程中的膜形变与跨膜水桥形成的动态平衡过程，发现带不同电荷的离子或基团在通过适当厚度的磷脂双层膜时可能产生的水球、水桥、水通道等不同形态的动态路径。我们分析认为，这是带电离子与磷脂极性头之间的静电相互作用、磷脂层形变能、与带电离子或其所在的水分子团进入膜内产生的疏水相互作用能等三个作用能相互博弈在不同条件下的不同表现。带负电离子不易吸引磷脂造成形变，更易形成壳状水球降低疏水作用能以溶解扩散形式过膜；一价正离子能吸引磷脂极性头随其穿膜造成双分子层局部内陷形成围绕离子部分跨疏水层的动态水桥；二价正离子对磷脂氧的吸引更强，能够短暂形成稳定水通道，造成水分子和磷脂分子“全或无”式的跨膜泄露，其特征与抗菌肽破坏膜结构的表现类似。.上述结果对于深入探索离子、质子乃至于抗菌肽、纳米颗粒、药物载体等带电基团的跨膜渗透过程及与磷脂双分子层作用的机制，具有重要的启发意义。对于抗菌肽等新式抗生素或者协助药物跨膜投递的载体分子的设计具有重要的指导意义。