PAMAM和Amyloid蛋白相互作用的计算模拟*

王宛 陈素玲

(软凝聚态物理及交叉研究中心&物理与光电 能源学院 苏州大学 江苏苏州 215006)

1 前言

近年来,聚酰胺-胺树枝形大分子(PAMAM)作为一种新型的药物载体受到研究人员的广泛关注。研究PAMAM分子与体内蛋白直接相互作用,对优化其载药功能具有一定的指导意义。此外,他们还发现高代数的树枝形大分子对淀粉样蛋白聚集过程抑制程度变大。

本文,我们研究Amyloid蛋白对PAMAM树枝形分子的影响。Amyloid蛋白是与神经退行性疾病有关。此蛋白的氨基酸依次是:SNNFGAIISS。在此工作中,我们利用粗粒化分子动力学模拟探索PAMAM与Amyloid蛋白间相互作用行为,研究Amyloid蛋白对第四代PAMAM树枝形分子结构的影响,并计算其间有效自由能。

2 模型和方法

我们采用粗粒化的分子动力学模拟研究第四代PAMAM树枝形分子与Amyloid蛋白分子在不同pH环境下的相互作用。不同pH下PAMAM树枝形分子所带的电荷不同,在酸性条件下(～4),PAMAM最外层胺及内部叔胺全部质子化,共有126个正电荷。在中性条件下(～7),PAMAM分子只有最外层胺被质子化,这样一个第四代树枝形分子带有64个正电荷。Amyloid蛋白分子在两种pH下都不携带静电荷。在Marrink等人开发的粗粒化力场(MARTINI力场)框架下,我们对PAMAM树枝形分子和Amyloid蛋白进行了粗粒化的操作。通过与全原子模拟和实验数据的对比,之前发表的文章已经证明我们采用的力场和粗粒化方法的可用性。基于MARTINI力场,我们用标准12/6的Lennard-Jones(LJ)势代表范德华力作用,用库仑势代表静电相互作用,相对介电常数εrel取15。为了节约计算时间,我们进行了截断处理。LJ势截断到1.2nm,并从0.9nm处开始进行平滑处理;库仑势也截断到1.2nm,且从0.0nm处进行平滑处理。

3 结果和讨论

3.1 回转半径

实验已经证实带电纳米粒子可以潜入到细胞膜,但诱导膜形成空洞的能力依赖于纳米粒子的尺寸。因此,我们首先研究了在PAMAM树枝形分子与Amyloid蛋白相互作用过程中,尺寸的变化。平衡后,我们对每个窗口下PAMAM的回旋半径(Rg)进行了计算。我们发现在中性pH下,PAMAM树枝形分子的回旋半径在每个窗口下都小于酸性pH下得到的回旋半径;这和无Amyloid蛋白分子复合下的结果是一致的。这是因为酸性环境下,PAMAM不仅表面氨基被质子化,而且内部分叉处氨基也被质子化了。Amyloid蛋白分子的结合在一定程度上改变树枝形分子本身静电排斥导致的回旋半径。可见两种pH条件下,树枝形分子内部无具有足够的空间容纳Amyloid多肽的存在,排斥体积效应导致树枝形分子的结构发生变化,这一结论在下面的径向分布结果中也能证实。

3.2 形状

Giri等人结合大量实验技术及计算建模来研究G4 PAMAM与HAS在生理pH的水溶液中的相互作用。发现HAS对PAMAM的束缚常数(Kb)取决于他们的尺寸及它们末端基团的化学成分。树枝形分子是一柔性的纳米粒子,在水溶液中具有类球形结构。因此,研究类Amyloid蛋白对PAMAM形状的影响具有一定的意义。

此外,我们进一步计算了树枝形分子随两分子质心距离变化下的平均纵横比,进一步证实了Amyloid蛋白对PAMAM树枝形分子的形态有一定影响。

3.3 径向分布

我们进一步计算了树枝形分子与Amyloid蛋白在相互作用过程中以树枝形分子质心为中心的径向密度分布函数(RDF),首先可以证实的是PAMAM分子在两种pH环境下都是内密外疏结构,即RDF随径向距离的增大,密度降低。另外我们发现在限制质心距离为4.0nm和5.0nm时, 两种pH下,Amyloid fibril的分布基本一致,而且分布比较宽,说明这种情况下Amyloid蛋白有足够的空间自由旋转。

3.4 平均力势(PMF)

PMF与质心距离的关系可以反映两分子间的有效相互作用。我们采用伞状抽样和WHAM分析方法获得了PAMAM分子和Amyloid蛋白分子间PMF与他们质心距离的关系。树枝形分子的质子化程度对两分子相互作用有着很大的影响。在低pH情况下,随着两分子间距离的减小,PMF值一直增加;说明树枝形分子不喜欢Amyloid蛋白靠近。而在中性条件下,情况完全不同。这说明在中性条件下,Amyloid fibril分子能与树枝形分子形成稳定的复合结构。

4 结论

我们应用粗粒化分子动力学模拟了G4 PAMAM树枝形大分子与Amyloid蛋白在不同pH溶液中的相互作用。我们发现Amyloid蛋白在两种pH环境下对树枝形分子的大小、形状及密度分布有一定影响,树枝形分子内部空间不足以容纳Amyloid蛋白分子。自由能的计算结果表明在酸性环境中两种分子都不容易形成稳定的复合结构,而在中性环境中可以形成稳定的复合结构。

[1]Gregory L A,Ricart R A,Patel S A,Lim P K,Rameshwar P.Curr Cancer Ther Rev,2011,7:176～18.

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