張程澄，李曉毅

(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院 材料科學(xué)與光電工程中心, 北京 100049)(2019年4月3日收稿； 2019年5月6日收修改稿)

電子轉(zhuǎn)移過(guò)程在自然界和人工應(yīng)用中具有突出的作用。在生物中電子轉(zhuǎn)移鏈?zhǔn)枪夂献饔煤图?xì)胞呼吸作用的重要環(huán)節(jié)[1-2]。在人工應(yīng)用中，電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象也具有極其重要的作用，比如催化反應(yīng)和太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換[3-8]。在已知的描述電子轉(zhuǎn)移路徑的理論當(dāng)中，最著名的是Marcus在20世紀(jì)50年代推導(dǎo)出的電子轉(zhuǎn)移理論[9-12]。自Marcus理論提出以來(lái)，在生物電子轉(zhuǎn)移領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)[13]和理論研究[14-17]。特別是Blumberge[18],Hopfield[19]運(yùn)用Marcus理論對(duì)于生物體的電子轉(zhuǎn)移做了系統(tǒng)的工作。電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)速率與耦合矩陣元成二次方關(guān)系，而耦合矩陣元與電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)中的電子給體與受體的相互作用密切相關(guān)，因此，耦合矩陣元對(duì)于電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的研究具有十分重要的作用。

Cyt c是電子轉(zhuǎn)移蛋白的典型例子。其蛋白內(nèi)部是由4個(gè)吡咯氮原子保持的血紅素-Fe。它是一種水溶性堿性蛋白，普遍存在于動(dòng)物細(xì)胞線粒體內(nèi)膜的外表面，是最保守的蛋白質(zhì)之一。由于其簡(jiǎn)單性、穩(wěn)定性和可用性，Cyt c已成為氧化還原蛋白電子轉(zhuǎn)移的實(shí)驗(yàn)和理論研究的主要蛋白之一[20-22]。

納米技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了納米材料在生物傳感器、體內(nèi)成像、催化、抗病原體和藥物輸送中的應(yīng)用[23]。在所有金屬納米顆粒中，納米銀顆粒由于具有強(qiáng)大的光學(xué)、電學(xué)和治療潛力而引起非常多的關(guān)注。特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人們正在深入探索使用納米銀顆粒作為佐劑和納米粒子的抗菌藥物制劑[24]。納米銀顆粒治療與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的快速增長(zhǎng)，迫使我們理解納米銀顆粒與蛋白質(zhì)的相互作用。雖然銀納米顆粒在生物學(xué)應(yīng)用中受到了歡迎和廣泛的使用，但是也有文獻(xiàn)報(bào)道銀納米顆粒的不良反應(yīng)，這使其成為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的一個(gè)研究熱點(diǎn)[25]。

有文獻(xiàn)表明，銀團(tuán)簇可以進(jìn)入細(xì)胞[26]丟失一個(gè)電子帶一個(gè)正電的銀離子[27]，對(duì)富含細(xì)胞色素c的線粒體產(chǎn)生生理毒性。而細(xì)胞色素c作為生物傳遞電子的關(guān)鍵蛋白，本身的氧化還原中心就極易得到一個(gè)電子或失去一個(gè)電子。那么銀納米團(tuán)簇與細(xì)胞色素c之間就很容易發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

本文主要研究Cyt c分別與帶正電的銀納米團(tuán)簇和不帶電銀納米團(tuán)簇之間的電子轉(zhuǎn)移矩陣元和吸附相互作用，為兩者之間的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)速率的計(jì)算提供了基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 模型搭建

使用分辨率為0.19 nm的馬心Cyt c的X射線晶體結(jié)構(gòu)(PDB:1HRC.pdb)作為模擬的初始結(jié)構(gòu)。該蛋白包含104個(gè)氨基酸殘基和1個(gè)輔助因子殘基(血紅素)。血紅素的鐵離子與1個(gè)組氨酸(His18)和1個(gè)甲硫氨酸(Met80)配位，血紅素環(huán)的2個(gè)乙烯基通過(guò)硫醚鍵與2個(gè)半胱氨酸的硫原子(Cys14和Cys17)共價(jià)鏈接。同時(shí)，利用Materials Studio軟件生成直徑為3 nm的銀納米團(tuán)簇。

1.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬

所有分子動(dòng)力學(xué)模擬都使用Namd2.13軟件包和Amber03力場(chǎng)。血紅素的力場(chǎng)參數(shù)及其肽鏈鏈接來(lái)自Autenrieth等[28]的工作。銀納米團(tuán)簇的力場(chǎng)參數(shù)來(lái)自Staelen等[29]的工作。設(shè)置兩個(gè)模擬體系，分別是表面不帶電的納米團(tuán)簇(P1)與表面帶正電的納米團(tuán)簇(P2)。每次模擬都會(huì)使用最速下降法進(jìn)行10 000步的最小化模擬，以此消除不良的空間接觸。此后使用200 ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬松弛蛋白。在模擬過(guò)程中，所有氫鍵受到約束。短距離范德華相互作用的截?cái)嗑嚯x設(shè)置為1.2 nm。采用粒子網(wǎng)格Ewald(PME)方法處理遠(yuǎn)程靜電相互作用。310 K下模擬水溶液中銀納米團(tuán)簇與Cyt c的吸附作用。積分時(shí)間步長(zhǎng)2.0 fs。每500步記錄1次軌跡文件。分子動(dòng)力學(xué)軌跡可視化用VMD實(shí)現(xiàn)[30]。

1.3 電子耦合矩陣元

如Marcus[9-12]所述，電子轉(zhuǎn)移與蛋白質(zhì)內(nèi)的氧化還原中心、蛋白質(zhì)的取向和電子轉(zhuǎn)移距離有關(guān)。電子耦合矩陣元反映了反映物電子態(tài)與產(chǎn)物電子態(tài)之間的耦合強(qiáng)度。Balabin等[30]研究隧道通道模型(PTM)計(jì)算電子轉(zhuǎn)移中氧化還原中心的耦合強(qiáng)度，該模型將供體和受體之間的介質(zhì)描述為由相同重復(fù)單元組成的橋。本文采用路徑通道法計(jì)算Cyt c與銀納米團(tuán)簇之間的耦合矩陣元。Cyt c中的三價(jià)Fe作為電子受體，銀納米團(tuán)簇作為電子給體。連接給體與受體的橋被分解為通過(guò)共價(jià)鍵、氫鍵和貫穿空間跳躍連接的較小亞基。每個(gè)連接被分配一個(gè)耦合衰減，并且通過(guò)結(jié)構(gòu)搜索算法用于計(jì)算氧化還原位點(diǎn)的最佳途徑。其表達(dá)式為

其中共價(jià)鍵的衰減因子εC=0.6，來(lái)源于Closs和Miller[31]的實(shí)驗(yàn)。空間跳躍的衰減因子εS=εCexp[-βS(RS- 0.14)]，RS代表跳躍距離，單位nm。氫鍵的衰減因子εH=(εC)2exp[-βS(RH- 0.28)]，RH為氫鍵的長(zhǎng)度(重原子到重原子之間)。衰減因子βS=17 nm-1后來(lái)降低到11 nm-1反映典型的氧化還原輔因子的結(jié)合能[32]。

2 結(jié)果與討論

2.1 均方根偏差與均方回轉(zhuǎn)半徑

為定量地表征Cyt c總的構(gòu)象變化，計(jì)算了骨架原子的均方根偏差(RMSD)，如圖1所示。

P1體系中銀納米團(tuán)簇體系不帶電，P2體系中銀納米團(tuán)簇體系帶正電。圖1 RMSD隨時(shí)間的變化曲線Fig.1 RMSD curvs of the P1 and P2 systems

RMSD可以表征蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化。從圖1中可以看出兩個(gè)系統(tǒng)的RMSD值先增加后穩(wěn)定在一個(gè)值。在帶電銀納米團(tuán)簇的表面RMSD的值最大，為0.33 nm，這表明Cyt c經(jīng)歷了一個(gè)較大的結(jié)構(gòu)變化。而在不帶電的表面上，Cyt c的RMSD值較小，為0.18 nm。這表明結(jié)構(gòu)變化較小。

同時(shí)計(jì)算最后3 nm的均方回轉(zhuǎn)半徑(Rg)和電子轉(zhuǎn)移耦合矩陣元。通過(guò)計(jì)算均方回轉(zhuǎn)半徑Rg可以反映Cyt c鏈的構(gòu)象。對(duì)于P1和P2體系，平均Rg值分別為1.33和1.36 nm。又因?yàn)樵谒芤褐械木交剞D(zhuǎn)半徑為1.33 nm。這表明帶電銀納米團(tuán)簇會(huì)對(duì)Cyt c構(gòu)象產(chǎn)生明顯的影響。

2.2 電子轉(zhuǎn)移矩陣元

通過(guò)分析平衡態(tài)最后3 ns的耦合矩陣元，分別得出耦合矩陣元與電子傳遞路徑的統(tǒng)計(jì)平均值。數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 耦合矩陣元的值Table 1 Value of the coupling matrix elements

由表1可知，帶正電的P2體系的電子轉(zhuǎn)移距離是不帶電的P1體系的電子轉(zhuǎn)移距離的3倍。從表1中還可得出，P1體系的耦合矩陣元數(shù)值比P2體系的數(shù)值大3個(gè)數(shù)量級(jí)。說(shuō)明帶電體系對(duì)電子耦合矩陣元影響很大，再根據(jù)Marcus的電子轉(zhuǎn)移理論，路徑越短耦合強(qiáng)度越強(qiáng)，電子轉(zhuǎn)移的速率更可能偏大，更容易發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。因此這很可能導(dǎo)致P1電子轉(zhuǎn)移速率大于P2的電子轉(zhuǎn)移速率。

圖2為P1體系與P2體系的電子轉(zhuǎn)移圖。其中蛋白質(zhì)使用Newribbons，氧化還原中心使用球棍模型，銀納米團(tuán)簇使用CPK，紅色柱狀通道為PTM構(gòu)建的電子轉(zhuǎn)移路徑通道。從圖中可以清晰地看到，P1體系電子轉(zhuǎn)移路徑通道要比P2體系的電子轉(zhuǎn)移路徑通道短。

圖2 P1和P2體系的電子轉(zhuǎn)移路徑通道Fig.2 Electron transfer paths in the P1 and P2 systems

3 結(jié)論

運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)原理，研究Cyt c與銀納米團(tuán)簇的吸附和電子轉(zhuǎn)移的性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果表明，帶電銀納米團(tuán)簇對(duì)Cyt c有靜電相互作用，對(duì)Cyt c構(gòu)象有明顯影響，使得電子轉(zhuǎn)移路徑較長(zhǎng)，電子耦合矩陣元較小，不利于電子轉(zhuǎn)移。不帶電的銀納米團(tuán)簇與Cyt c之間的電子轉(zhuǎn)移路徑較短，對(duì)構(gòu)象影響較小，有更大的耦合矩陣元，有利于電子轉(zhuǎn)移的發(fā)生。

本文的計(jì)算結(jié)果是在中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心超級(jí)計(jì)算中心的“元”超級(jí)計(jì)算機(jī)上得到的。