生物大分子在生物电作用下穿越生物膜的动力学行为研究（可编辑）

生物大分子在生物电作用下穿越生物膜的动力学行为研究（可编辑） 生物大分子在生物电作用下穿越生物膜的动力学行为 研究 中国 科 技 论 文 在 线////0>. 生物大分子在生物电作用下穿越生物膜的 # 动力学行为研究* 温晓会 5 (成都理工大学地球物理学院,成都 610059 ) 摘要 : 本文采用分子动力学模拟方法(即 MD 方法),研究了生物大分子链在生物电作用 下穿越生物膜上孔道的动力学行为。 模拟发现, 生物大分子的链长与穿孔时间之间有很好的 标度关系;短链穿孔与长链穿孔的物理机制不同,所以它们各自的穿孔过程也是不相同的; 10 本文还研究发现随着外场力的变化, 穿孔时间是不同的。 通过这项研究有助于我们对复杂的 生命过程的有一定的了解以及对潜在的应用起到理论指导作用。 关键 词 : 分子动力学方法;生物大分子链 ;生物电;穿孔时间 中图 分类号 :O469 15 A study on the dynamics of a biomacromolecule chain passing through biomembrane under bio-electricity action WEN Xiaohui Colledge of Geophysics,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059 Abstract: In this paper, we adopt molecule dynamics method to study the dynamics of a 20 biomacromolecule chain passing through biomembrane under bio-electricity action. We find, the length of biomacromolecule chain has well scale relation with the time of passing through biomembrane; due to the difference of physics mechanics between short and long biomacromolecule chain, their translocation process is also different; In addition, with the magnitude change of bio-electricity, the translocation time is different. This study helps us to 25 understand the complex life process and act as theoretical direction to potential applicationsKey words: molecule dynamics method; biomacromolecule chain; bio-electricity; translocation time 0 引言 30近几年来, 生物大分子穿越生物膜行为的研究引起了许多研究者的兴趣, 比如 DNA 测 [1,2] [3] [4] [5,6] 序 、 蛋白 质在线粒体内的迁移 、 基因治疗 和可控药物传输 等。 实 验上,Kasianowicz [7] 等 发现外加电场能够驱动单个 DNA 和 RNA 分子链穿过?- 溶血素孔道的实验,发现了这 [8] 类实验可以提供一种低成本的测量 DNA 核苷酸 序列的 方法。 在模拟方面上,Jiang 等 已经 35 成功模拟了环形链穿越微孔的过程。 [9,10,11] 而 生 物 大分子 在 生 物电的 作 用 下穿越 膜 上 孔道也 已 经 引起研 究 者 的兴趣 。生 物 电 是指生命过程中产生的电流或电压。 不仅动物, 所有生命都有生物电, 有研究发现植物叶片 上也存在电信号, 这也了生物电是自然界普遍存在的一种电现象。 如在可兴奋组织 (如 神经和肌肉) 的细胞膜内、 外, 存在着不同的带电离子, 膜外呈正电, 膜内呈负电, 存在着 40 一定的电位差, 称为膜电位 (membrane potential ) ; 活组织的完整部位与损伤部位之间存在 着电位差,称为损伤电位(injury potential );可 兴奋组织在兴奋时所产生的生物电活动 生 基金项目:高校博士点专项科研基金联合资助课题(20095122110016) 作者简介:温晓会(1985 年- ),女,讲师,生物物理与计算模拟. E-mail: wenxiaohui__2006@126 - 1 - 中国 科 技 论 文 在 线////. 理 学 上 将 那 些 兴 奋 较 强 的 组 织 , 如 神 经 、 肌 肉 和 腺 体 等 统 称 为 可 兴 奋 组 织 引 起 的 电 位 差, 这就是动作电位(action potential )。 本文采用粗粒化高分子链模型代替复杂 DNA 链 ,研究在生物膜两面的生物电作用下, 45 生物大分子穿越生物膜的动力学过程, 通过这项研究我们对复杂的生命过程的有一定的了解 以及对潜在的应用起到理论指导作用。 50图 1 生物大 分子链穿孔示意图1 模 型 和算法 55[12,13] 我们采用分子动力学模拟方法研究生物大分子的穿孔过程 。 从细胞水平来看, 由于 细胞膜的内外两侧离子分布不对称, 其膜外带正电, 膜内带负电, 所以细胞在静息状态时存 在静息电位; 而在外界刺激下细胞兴奋, 引起静息电位波动产生动作电位。 静息电位和动作 电位都在 100mv 数量级, 而细胞膜厚度仅为 10nm 左右, 因此电场强度可达 105V/cm 。 另外 60 细 胞 膜 上 还 存 在 许 多 离 子 通 道 , 这 里 我 们 用 一 简 化 模 型 来 模 拟 生 物 膜 及 通 道 , 模 型 如 图 1 所示。在厚度为 L 的无 限大平面上有直径为 d 的圆柱型孔道,孔道 d 很小,只允许单个原 子通过。 膜两面有电位差存在, 当高分子链通过孔道时, 受到膜两面的生物电的作用从而拉 动整条链穿过孔道。 生物大分子链的原子数目为 N 。 开始时, 其第一个原子固定在孔道入口 [9] 处, 另一端为自由端 。 在生物大分子链没有进入孔道之前, 生物膜与生物大分子链之间没 65 有相互作用,此时生物大分子链体系的能量为:V ?V ?V ?V ?V (1 ) bond nonbond bend dih 即体系的能量来源于链内部的键能、非键能、弯曲能和二面角势能。其中键能为: - 2 - 中国 科 技 论 文 在 线////. N 1 2 Vk l l (2 ) bond b i 0 2 i ?2 -1 -2 这里l 是 平 衡 时 的 键 长 , 大 小 为 l0.153nm , 弹 性 系 数 k6.34kcal mol nm 0 0 b 70 (1cal4.19J )。 不相邻的原子间存在着非键能: 12 6??rr mmVr 2? 0.9nm 3nonbond ijrr ij4 ij ijr 0.45nm CH ?CH CH ?CH 式中的平衡参数 ,对于 不同的基团对 , 和 m 22 33 CH ?CH ,分别取 0.09344,0.22644 和 0.14546kcal/mol 。 23 75 3 个连续的单 体单元间的键角由弯曲势能所限制: N ?1 1 2 Vkcoscos (4 ) bendi 0 2 i ?2 平衡时键角?1.920rad ,是键矢量l 和l 之间的夹角,系数 k ?120kcal/mol 。 0 i i i ?1另外还有二面角势能 N ?2 1 1 2 3Vk 1cos ?k 1cos 2 ?k 1cos3 (5 )dih? iii 2 i ?2 1 80 其 中 包 含 了 4 个 连 续 的 单 体 单 元 ,是 二 面 角 , 式 中 , k ?1.6kcal/mol i2 3 , 。 k0.867kcal/mol k3.24kcal/mol? 在 Langevin 动力学算法中,各个原子都受到保守力、摩擦力和随机力的作 用。对于在孔道 里的原子,还要受到膜两面的生物电的拉力 的作用,那么其运动方程为: f Rmr??V?r ?Ff(6 ) i i i R85 其中m 是 单 个 原 子 的 质 量 ,是 摩 擦 系 数 ,r 是原子 的速度,F 是 随 机 力 , f 是 外 场 的 i i i R 作 用 力 , 其 方 向 固 定 不 变 , 因 此 方 程 (6 ) 按 三 个 方 向 分 别 求 解 。 随 机 力F 满 足 涨 落 耗 散 i 理论 RR (7 )F t ?F t ? 6kT??t ?t i j ij ?27 m23.24 10 kg 在本文中, 生物大分子链中原子质量 , 孔道半径d0.38nm ,温90 度T350K 。在厚度为 L 的生物 膜上以及孔道内壁,以? 0.153nm ( 仅表示生物膜以及孔道内壁上都存在原子,而这些原子的排列是等距的,即按等距离 排列)的距离均 匀 地 分 布 着 与 生 物 大 分 子 链 相 同 的 单 体 ( 即 CH ) , 这 些 单 体 与 生 物 大 分 子 链 单 体 的 作 用 3 也采用与公示 (3 ) 相同的形式。 采用 MD 方法 模拟生物大分子在生物电作用下穿越生物膜 上孔道的过程,这里孔道只允许单个原子通过。 95- 3 - 中国 科 技 论 文 在 线////. 2 结 果 与讨论 2.1 生物 大分子链长 与穿孔时间 的标度关系 这里我们定义从第一个原子穿孔到最后一个原子穿孔的时间为穿孔时间。 这里我们进行 100 10 次穿孔实 验,取平均得到平均穿孔时间。在生物膜的生物电作用下,我们研究在相同外 场力作用下, 不同链长的生物 大分子穿越膜上孔道的时间之间的标度关系, 如图 2 所示, 横 坐标表示链长 N , 纵坐标表示不同链长的生物大分子链穿越孔道所需要的平均时间, 图中 给出的链长 N 为从 10 到 160 , 外场力 为 14 。 从图 2 可以看出,与? 有很好的标度关系, 即: ~ N (8 ) 6 105 当 N10 时穿 孔时间()最短,当 N160 时穿孔时间??X10 最长,这 些结果很容易理解。随着链长的逐渐增加,穿孔时间逐渐变 长。 6 10 f14 5 10 10 100 N图 2 链长 N 与穿孔时间 t 之间的标度关系 1102.2 短链 和长链穿孔 过程 这里我们研究短链和长链穿孔的差异, 我们用 N69 代表短链 , N140 代表 长链, 图 3a 表示在外场力为 14 时, 短链 (N70 ) 的某一次的穿孔过程, 横坐标表示第 i 个穿孔 的原子, 115 纵坐标表示第 i 个原子的 穿孔时间 ?t 。 很明显, 整个穿孔时间由开始的逐渐下降, 然后平稳 到再下降的过程,第 1 到 10 个穿孔 原子的穿孔时间逐渐下降,第 1 个 原子的穿孔时间为 33390,第 10 个原子的穿 孔时间为 21457 , 这是 因 为后面链的拖拽力导致首部分链穿孔速率 较慢, 穿孔时间较长; 而第 11 到 60 原子的穿孔 时间整体平稳在 20000 , 这是因为首部分链 已经出孔,对中间部分链穿孔有个拉动的作用,平衡了尾部分链对中间部分链的拖拽作用。 120 尾部的第 61 到 70 个原子 的穿孔时间迅速下降, 第 70 个原子 的穿孔时间为 9519 , 这 是因 为 前面已经穿孔的链对尾部链穿孔产生一个较大的拉动作用,所以尾部链很迅速的就穿孔了。 - 4 -?fs 中国 科 技 论 文 在 线////. 与短链相比较, 我们也研究了长链 (N140 ) 时 的链的穿孔过程, 如图 3b 所示, 整个 穿孔过程与短链时的穿孔过程不同, 穿孔时间呈现先增大再减小 的趋势, 在第 1 到 107 个原 子时呈现上升趋势,第一个原子的穿孔时间为 22953 ,第 107 个原子的穿 孔时间为 39614 , 125 这是因为对于长链来说, 刚开始在孔道口的无规线团对链穿孔有一个推动作用, 随着穿孔深 入,后面链的拖拽力导致穿孔时间逐渐增大,在第 107 个 原子时达到最大。而在第 108 到 140 个原子穿 孔时,由于前部分已经穿孔的链会对后部分穿孔的链产生一个教大的拉动作 用,所以穿孔时间呈现直线下降的趋势,第 140 个原子的穿 孔时间为 11431 。3.5 N70,f14 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 i 130 a 4.0 3.5 N140,f14 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 ib 135 图 3 (a )短 链 N70 时与 (b )长链 N140 时各个 原子的穿孔过程时 间 dt - 5 - 4 ?tX10 /fs 4 ?tX10 /fs 中国 科 技 论 文 在 线////.2.3 不同 外场力作用 下穿孔时 间 的差异研究 140 在以上 3.1 和 3.2 中, 我们 研究了在恒定外场力为 14 的情况下生 物大分子链的穿孔情况, 这里我们改变一下外场力, 来研究外场力的变化会对生物大分子链的穿孔产生什么影响, 如 图 4 所示, 横坐标表示外场力 f ,在链长 N70 时 ,外场力从 12 逐渐增大 到 20 ,我们 可以 看到, 随着外场力的增加, 穿孔时间逐渐下降, 这说明外场力越大, 穿孔时间越短, 在外场 力为 f12 、 14 、 20 时, 穿孔时间分别为 471245、448400 、 363938 。 145 48 46 N70 44 42 40 38 36 12 14 16 18 20 f图 4 链长 N70 时,不同外场力下的链的穿孔时间变化150 3 结 论 本文采用 MD 方法, 研究了生物大分子链在生物电作用下穿越生物膜上孔道的动力学 行 为。 模拟发现, 生物大分子的链长与穿孔时间之间有很好的标度关系 ; 短 链穿孔与长链穿孔 的物理机制不同, 所以它们各自的穿孔过程也是不相同的; 本文还研究发 现随着外场力的增 155 加,穿孔时间是逐渐减小的。[ 参 考文献] References [1] Han J,Turner S W,Craighead H G.Entropic Trapping and Escape of Long DNA Molecules at 160 Submicron[J].Phys Rev Lett,1999,838:1688-1691[2] Turner S W P,Cabodi M,Craighead H G.Confinment-induced entropic recoil of single DNA molecules in a nanofluidic structure[J].Phys Rev Lett,2002,8812:128103- 6 - 4 ?X10 /fs