论文总字数：19472字

摘 要

研究发现，骨钙素（osteoccalin，OCN）是一种重要的非胶原蛋白，其中的谷氨酸（Glu）可以参与调节骨形成，促进纳米磷酸钙（CaP）离子簇的生长。通过传统的分子动力学模拟，证实了OCN中Glu对IACs的放大和进一步聚集具有促进作用。结合先进的MTD分子模拟技术，发现Glu通过带电侧链提供的离子配位来改变纳米CaP配合物的配位对称性，从而促进了离子簇的生长。伞状采样的自由能计算方法揭示了蛋白质介导无机固体成核的结构和能量机制。结果表明，自由能具有随IAC尺寸的变化单调递减的特点并且ION—Glu体系中络合物的生长以及形成更大的络合物方面比Ref体系更具有优势。Glu-CaP相互作用的结构和热力学信息增强了目前对纳米尺度生物矿化机制的理解，与生物分子参加无机材料的制备具有普遍的相关性。

关键词：谷氨酸 磷酸钙 离子簇 成核 分子模拟

Study on the nucleation structure and energy mechanism of glutamate mediated calcium phosphate

Abstract

It was found that osteocalcin (OCN) is an important noncollagen, in which glutamic acid (Glu) can participate in the regulation of bone formation and promote the growth of calcium phosphate nanoclusters. Through the traditional molecular dynamics simulation, it is confirmed that Glu in OCN can promote the amplification and further aggregation of IACS. Combined with the advanced MTD molecular simulation technology, it is found that Glu can change the coordination symmetry of the nano cap complex through the ion coordination provided by the charged side chain, thus promoting the growth of the ion cluster. The free energy calculation method of umbrella sampling reveals the structure and energy mechanism of protein-mediated nucleation of inorganic solid. The results show that the free energy decreases monotonically with the change of IAC size, and the growth and formation of larger complexes in ION-Glu system are more advantageous than in ref system. The structural and thermodynamic information of Glu-CaP interaction enhances the current understanding of nano scale biomineralization mechanism, which is generally related to the participation of biomolecules in the preparation of inorganic materials.

Keywords: Glutamic acid; calcium phosphate; Ion cluster; Nucleation; molecular simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 分子模拟的定义及方法 1

1.2 生物矿化介绍 1

1.3 GROMACS采样优化 4

1.4 Metadynamics 5

1.5 伞状采样（Umbrella Sampling） 7

1.6 课题研究意义 8

第二章 分子模拟 9

2.1 计算机模拟简介 9

2.2 MD模拟的计算原理 9

2.3 模拟力场简介 10

第三章 谷氨酸介导CaP成核的模拟 12

3.1 模拟方法 12

3.1.1 传统模拟 12

3.1.2 Metadynamics 12

3.1.3伞状采样（Umbrella sampling） 13

3.2 结果与讨论 13

3.2.1 传统模拟 13

3.2.2 Metadynamics 15

3.2.3 伞状采样过程 18

第四章 结论与展望 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

1.1 分子模拟的定义及方法

分子模拟的定义为：以已有的的分子模型和算法为基础，使用计算机对物质的分子结构和行为进行模拟计算，得到分子体系的理化特性的一种方法。根据计算原理，分子模拟主要可分为两种类型：分子力学(molecular mechanics,MM)模拟和量子力学(quantum mechanics,QM)模拟。分子力学模拟是选择与研究的分子体系相符的分子力场，仅考虑原子核的运动对分子体系能量的影响，所以可以简单地得到比较复杂的分子体系的热力学和动力学性质。MM模拟还被细分为：分子力学、分子动力学(MD)、蒙特卡洛(MC)方法。QM模拟能准确地显示电子间的相互作用，特别适合于研究与化学键的断裂和形成有关的反应。QM模拟还分为：从头算、半经验方法、密度泛函理论(DFT)。其中，MD和DFT是被广泛应用的分子模拟方法。此外，与传统的分子动力学模拟方法相比，耗散粒子动力学（DPD）为实现更长时间与更多空间尺度的模拟计算而作为一种分子模拟算法得到了发展和应用。

1.2 生物矿化介绍

自80年代初以来，无机晶体的成核和生长一直是大量实验和理论研究的焦点。在医学领域，由于骨肿瘤、骨髓炎等原因引起的骨缺损的治疗材料有很多。其中，胶原/羟基磷灰石（HAp）复合材料由于其结构相似，与天然骨成分相似，具有广阔的应用前景。尽管在制备、结构、性能和应用等方面取得了许多重要成果，但由于骨生物矿化的复杂性，胶原/HAp的形成机制仍不清楚。众所周知，骨是一种高度矿化的有机-无机杂化材料，由I型胶原、羟基磷灰石和水组成。I型胶原是主要的有机骨基质，具有Gly-X-Y序列的重复单位，形成三螺旋纳米纤维，可以自组装成具有67 nm轴向周期性的纤维。胶原纤维通常作为HAp晶体沉积和定向的骨架或模板。HAp作为主要的无机骨基质，约占骨基质总质量的三分之二。与胶原结合的羟基磷灰石含量增加，导致胶原矿化程度增加。许多研究表明，HAp与胶原分子通过一系列非胶原蛋白（NCPs）即骨钙素、骨桥蛋白和骨涎蛋白通过化学键连接。这些NCPs的一个共同特点是羧酸侧链相对较多，更具体地说，天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）残留量较高。这些蛋白质被认为在控制无机晶体的多态性、取向和生长方面起着关键作用。

由于骨组织中存在几十种少量的NCPs，这些NCPs与骨的两个主要成分（胶原和HAp）之间的关系以及它们之间的相互作用是不容忽视的问题。一方面，NCPs类似物如带负电荷的氨基酸或多肽对水溶液合成HAp的结晶度、形貌和生长速率等都有一定的影响。例如，Boanini等人在不同氨基酸存在下合成了HAp-Asp和HAp-Glu纳米晶。Asp和Glu沿HAp晶体的长维（0 0 2）和横截面（3 1 0）降低了完美晶区的相干长度，这表明氨基酸与HAp晶体之间存在一种特殊的相互作用。Jahromi等人证明Glu在生长期比精氨酸更有效地抑制HAp的生长，并且Glu的存在导致形成由预先取向的纳米血小板组成的球晶。另一方面，I型胶原含有丰富的带电氨基酸残基，约占三螺旋结构域总氨基酸残基的15-20%。这些残基中的阳离子和阴离子基团被认为参与了疏水相互作用和静电相互作用的形成，它们在调节胶原三螺旋的稳定性方面具有特别重要的意义，对胶原纤维分子的四分之一错列和周期性有重要贡献。

请支付后下载全文，论文总字数：19472字