溶劑化效應對陰離子型天冬氨酸在HA (110)表面吸附行為影響的密度泛函理論研究

王 群, 孫玉希, 趙 洪, 潘文慧,馬 燕, 馬 萃

(1. 綿陽師范學院生命科學與技術學院, 綿陽 621006; 2. 綿陽師范學院光致功能材料重點實驗室, 綿陽 621006)

1 引 言

羥基磷灰石(Hydroxyapatite, HA)作為硬組織的主要無機成分, 具有優異的生物相容性和良好的生物活性, 及較好的骨傳導能力, 可以廣泛應用于骨修復或矯形外科手術中[1, 2]. 當HA植入體內時, 周圍的蛋白質、體液會自發吸附于材料表面, 從而進一步誘導細胞附著、增殖和遷移等行為. 因此, 蛋白質吸附在HA表面對其生物學性質起著非常重要的作用[3].

天冬氨酸(ASP)是自然界中最豐富的人體的20種氨基酸之一, 而且天冬氨酸是三肽序列精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(ARG-GLY-ASP, RGD)的碳端, 在生物醫學領域具有特殊的用途[4]. 研究表明ASP可以作為晶體生長的催化劑, 從而調節生物礦化[5], 例如, Eidenassmann等人[6]研究了ASP對羥基磷灰石-明膠體系的礦化影響. ASP也可以是無機磷灰石材料的成核劑, 可以促進細胞外基質礦化、誘導細胞分化, 進而影響骨的生長, 因此能夠用來治療骨相關疾病[7, 8]. 研究表明ASP還可以作為HA生長的抑制劑, 研究專家對它們的抑制機理也進行了詳細地研究, 例如, Huang等人[9]研究發現HA的晶體生長受到ASP抑制, 而且抑制活性隨著ASP濃度的增加而增加. 研究者也對ASP在HA表面的吸附機理進行了研究, 比如, Tanaka等人[10]研究了ASP, 丙氨酸(ALA)和賴氨酸(LYS)在HA表面的吸附. 研究表明ASP和LYS分別在弱酸性和弱堿性溶液中對HA具有較高親和力, 但發現ALA的親和力幾乎與溶液的pH無關.

通常生物分子與生物材料之間的相互作用發生在固液表面, 因此, 不同溶劑環境對生物分子和生物材料之間的相互作用也起著不可估量的影響[11, 12]. Wang等人[11]用分子動力學和密度泛函理論方法研究了骨形態蛋白-7與納米結構HA的相互作用, 發現水溶劑會大大削弱它們之間的作用. Zhang等人[12]用分子動力學方法研究了色氨酸, 絲氨酸, 精氨酸和天冬氨酸在HA (100)水層中的吸附, 他們表明當吸附的氨基酸分子占據Ca和P位點時, 可以抑制和調節HA在其晶面的生長. 吸附的氨基酸層也可以改變水合層的界面并影響HA中離子進出的運輸, 從而控制生物礦化. 應允攀等人[13]采用密度泛函理論結合COSMO溶劑模型的方法，研究了溶劑效應對兩種典型MOF材料幾何結構及電子穩定性的影響.

盡管實驗和理論研究提供了一些有價值的參考信息, 但在不同溶劑中氨基酸與HA (110)表面的相互作用機理較難用傳統實驗方法解釋清楚, 尤其是對吸附過程中的電子分布、電荷轉移等情況無法直觀徹底地了解. 因此, 計算模擬是研究生物分子與生物材料表面相互作用的行之有效的方法之一. 本研究采用第一性原理密度泛函理論的方法, 通過吸附能、態密度、布居電荷和差分電荷密度等詳細地研究了ASP在真空條件、隱形溶劑、水環境和水層中與HA (110)表面的相互作用機理. 期望研究結果對氨基酸在不同溶劑條件下與HA的作用提供有價值的理論參考信息.

2 模型的建立和計算方法

2.1 模型的建立

天冬氨酸模型: 圖1a展示了陰離子型ASP的三維結構, HOOCCH(NH2)CH2COO-為其分子式. 可以看出一個ASP分子含有三個功能團, 即α-氨基(α-NH2),α-羧基(α-COOH)和β-羧酸根離子(β-COO-).

HA (110)模型：HA (110)模型是通過HA切面獲得, 本研究構建了一個88個原子的HA (110)雙胞結構, 賦予HA (110)周期性, 并在其上方加上厚度為25 ?的真空層, 結構優化之前和優化之后如圖1b和1c所示. 本研究中采用HA (110)晶面用于研究與ASP之間的相互作用，是因為此表面不僅對分子具有較高吸附強度，而且也是大量理論和實驗研究中發現的較穩定的表面[14,15].

圖 1 (a) 天冬氨酸陰離子的三維結構圖; (b) HA (110)表面結構優化前的三維結構圖; (c)HA (110)表面結構優化后的三維結構圖.Fig. 1 Three dimensional structures of anionic aspartic acid after the geometry optimization (a), HA (110) surface before (b) and after (c) the geometry optimization.

ASP在HA (110)表面不同溶劑中的吸附模型:

第一個模型為真空條件下模型, 將優化了的陰離子型ASP放置于HA (110)表面, 稱之為ASP-HA (110)-Vacuum模型, 結構優化之后如圖2a所示；

第二個模型為隱形溶劑模型, 在第一模型基礎上加上隱形溶劑水COSMO-water, 稱之為ASP-HA (110)-CW模型, 結構優化之后如圖2b所示；

第三個模型為水環境模型, 在第一模型基礎上將陰離子型ASP中-COO-附近放三個水分子, HA (110)表面隨機放置3個水分子, 稱之為ASP-HA (110)-WE模型, 結構優化之后如圖2c所示；

第四個模型為水層模型, 在第一模型基礎上先在HA (110)表面放一層水分子, 本研究中放置了六個水分子, 然后在HA (110)和水層優化完之后, 其水層表面放置陰性ASP分子, 稱之為ASP-HA (110)-WL模型, 結構優化之后如圖2d所示.

圖2 結構優化之后的(a) ASP-HA (110)-Vacuum模型；(b) ASP-HA (110)-CW模型；(c) ASP-HA (110)-WE模型；(d) ASP-HA (110)-WL模型.Fig. 2 After the geometry optimization: (a) ASP-HA (110)-Vacuum; (b) ASP-HA (110)-CW; (c) ASP-HA (110)-WE; (d) ASP-HA (110)-WL models.

2.2 計算方法

本研究用量子力學中的基于第一性原理的密度泛函理論(DFT)進行研究, 使用Accelrys公司生產的Materials Studio中的Dmol3模塊進行計算. 該模塊中物理波函數用數值基組表示[16, 17]. 采用雙重數值基組, 用DFT半核贗勢處理內層電子[18], 用Perdew-Burke-Ernzerhof的廣義梯度近似計算交換-關聯能[19], 布里淵區域內的K點設置為2 × 2 × 1[20], 費米拖尾效應(Fermi smearing)值設置為0.005 Ha (1 Ha = 27.2114 eV) , 全局軌道截斷(global orbital cutoff) 值設置為5.2 ?. 體系的幾何構型優化和能量計算收斂標準為: 自洽循環數量級(SCF tolerance)不大于1.0 × 10-6Ha / atom; 能量數量級(energy)不大于1.0 × 10-5Ha / atom; 最大應力(Max. force)不大于0.002 Ha / ?; 最大位移(Max. displacement)不大于0.005 ?.

2.3 吸附能

吸附能(adsorption energy,Eads)是反映ASP和HA表面之間相互作用強度的參數,可以根據方程(1)計算得到

Eads=Etotal-(EASP+EHA)

(1)

其中Etotal,EASP,EHA分別代表吸附體系的總能, ASP的能量和HA(110)表面的能量. 如果Eads< 0, 則是熱力學上穩定吸附的體系,Eads負值越大表示體系越能穩定存在[21,22]. 本研究中吸附能的值如表1所示.

3 結果與討論

3.1 不同溶劑中陰離子型ASP在HA (110)表面的吸附能分析

ASP吸附在各種HA (110)表面, 吸附能如表1所示. 在真空條件下(Vacuum), ASP吸附在HA 表面有最大的吸附能, 為-4.09 eV, 而且它們之間是典型的化學吸附. 在其表面形成了一個“bridge bidenate”O-Ca-O和一個“monodenate”Ca-O相互作用, Ca-O距離分別為2.328 ?、2.212 ?和2.305 ?, 如圖2a所示. 在隱性溶劑水的條件下(CW), ASP也能較穩定地吸附于HA (110)表面, 吸附能為-2.57 eV, 說明隱性溶劑水分子阻礙了ASP在其表面的吸附, 雖然在其表面也形成了一個“bridge bidenate”O-Ca-O和一個“monodenate”Ca-O相互作用, 但是Ca-O距離都有所增大, 分別為2.458、2.459和2.336 ? (圖2b). 在水環境的條件下(WE), ASP吸附在HA表面, 吸附能大大減小, 變為-0.76 eV, 且它們之間僅僅存在典型的物理吸附, ASP的-COO-以及水分子和PO4中O原子之間形成了三個-COO-…H2O…OPO3“water-bridged”氫鍵, 如圖2c所示. 在水層的條件下(WL), ASP吸附在HA表面, 吸附能相對于真空條件下有所減小, 變為-3.81 eV, 且它們之間不僅存在物理吸附, 也存在化學吸附. 在ASP和HA表面, 不僅形成了一個-COO-…H2O…OPO3“water-bridged” 氫鍵, 還在ASP中-NH2和水之間形成了一個普通的-NH2…H2O氫鍵. 而且, 在HA中ASP和Ca原子之間也形成了一個“Ca-O”靜電相互作用, 如圖2d所示, Ca-O距離分別為2.506和2.508 ?.

表1 不同溶劑中天冬氨酸在HA(110)表面的吸附能

在WL模型中Ca-O的相互作用距離大于真空條件下的相互作用距離, 因此, 與真空模型相比, WL模型的吸附能有所減小. 但同時WL模型中不僅存在Ca-O相互作用, 還存在水橋氫鍵作用, 因此WL模型中相互作用又比WE模型中大.

總結：吸附能結果表明在不同溶劑中ASP與HA (110)表面作用大小順序為ASP-HA (110)-Vacuum模型>ASP-HA (110)-WL模型>ASP-HA (110)-CW模型>ASP-HA (110)-WE模型. 此結論表明, 當HA和氨基酸表面有溶劑分子包圍時會影響氨基酸在HA (110)表面的吸附, 水分子會阻礙ASP中O原子和Ca原子之間的主要的“Ca-O”靜電相互作用, 導致了吸附大大減小, 這也是和文獻結果相吻合的. 例如, Wang等人[23]報道HA表面的水分子可以阻止牛血清白蛋白(BSA)移動到HA表面附近, 從而阻礙與HA中的表面原子發生作用, 此外, 氨基酸殘基, H2O和HA底物之間也存在水橋氫鍵作用. Guo等人[24]發現H2O分子在RGD三肽與石墨烯(G)和氧化石墨烯(GO)相互作用過程中, 由于遮擋了G及GO的主要活性位點, 因此在水體系中, RGD對G和GO的吸附作用比真空中弱. 但是此研究中吸附能結果也表明, 當水層中的水未完全遮擋HA表面的Ca原子時, ASP中活性基團-COO-仍然可以和HA中Ca原子相互作用, 形成Ca-O相互作用.

3.2 態密度分析

基于能帶理論的態密度 (density of states, DOS) 分析有助于進一步分析ASP與HA之間相互作用的本質. 相鄰原子的局域態密度(partial density of states, PDOS)在同一能量處同時出現尖峰, 則將其稱之為雜化峰(hybridized peak), 它可以直觀地展示相鄰原子之間的作用強弱[25]. 本研究中主要分析了ASP與HA相互作用的相鄰原子的PDOS圖, 如圖3所示, 由于在ASP-HA (110)-WE模型中, Ca原子與ASP中O原子未發生相互作用, 故在此PDOS分析中未考慮此模型. 圖3展示了另外三種模型在相互作用時Ca原子與ASP中O原子之間峰重疊的位置. 通過PDOS圖發現以上三種模型在-25-10 eV之間有峰重疊, 說明兩兩原子在這些位置有相互作用的可能性.

3.3 布居電荷分析

布居電荷分析有助于幫助我們了解ASP吸附到HA材料表面之后電子的轉移情況. 本研究中電子之間的轉移情況如表2所示, 因為在ASP-HA (110)-WE模型中不存在Ca-O靜電相互作用, 因此, 此研究中只分析了其它三個模型.

圖3 原子分態密度圖 (a) ASP-HA (110)-Vacuum模型; (b) ASP-HA (110)-CW模型; (c) ASP-HA (110)-WL模型.Fig. 3 The partial densities of states for the (a) ASP-HA (110)-Vacuum; (b) ASP-HA (110)-CW; (c) ASP-HA (110)-WL models.

從表中結果可以看到, 三個模型中均是HA中Ca失去電子, ASP中-COO-的O原子得到電子, 也就是說Ca原子上的電子轉移到了ASP的O原子上, 兩者之間形成了Ca-O或者O-Ca-O相互作用. 而且研究發現, 在ASP-HA (110)-Vacuum和ASP-HA (110)-CW模型中, 兩個O原子均得到了電子, 兩個Ca失去了電子, 但是前者中Ca原子和O原子的電荷轉移量均大于后者, 因此通過布居電荷分析也可以發現ASP在真空中吸附強于在隱性溶劑中的吸附. 而在ASP-HA (110)-WL模型中只有一個Ca原子失去了電子, 兩個O原子得到了電子, 所以在ASP-HA (110)-WL模型中ASP吸附相對于ASP-HA (110)-Vacuum模型較弱. 布居電荷的結果也是和吸附能、態密度結果一致的.

3.4 差分電荷密度分析

電子密度圖也可以直觀地展示生物分子和生物材料之間的相互作用, 電子密度差可以揭示在吸附過程中電子密度的變化, 如公式(2)所示. 在差分電荷密度圖中紅色代表該區域原子得到電子, 藍色代表該區域原子失去電子.

Δρ=ρtotal-(ρASP+ρHA)

(2)

不同溶劑中ASP在 HA (110)表面上的吸附的差分電荷密度如圖4所示. 從圖4a、4b和4d中可以看到, ASP的-COO-中O原子周圍是紅色, 表明ASP中O原子與HA相互作用時得到了電子, 而HA表面的Ca原子周圍具有明顯的藍色, 表明電子從HA材料表面轉移到了ASP的O原子上. 因此Ca原子和ASP中O原子之間生成了“monodenate” Ca-O或“bridge bidenate” O-Ca-O靜電相互作用. 而從圖4c中, 研究發現在HA表面, 電子缺失出現在PO4的區域, 而電子聚集在ASP中-COO-區域, 因此從差分電荷密度圖也可以看出ASP與HA表面通過H2O分子形成-COO-…H2O…OPO3“water-bridged” 氫鍵作用.

表2 HA表面的Ca原子與天冬氨酸中的O原子布居電荷分析.

Table 2 Population charges of atoms between the Ca atoms of HA and O atoms in ASP.

ASP-HA (110) VacuumatomsBefore adsorptionAfter adsorption△eCa821.5241.5380.014Ca831.5581.5810.033O141-0.362-0.614-0.252O142-0.340-0.757-0.417ASP-HA (110)-CWatomsBefore adsorptionAfter adsorption△eCa821.5601.5730.013Ca831.5421.5520.010O141-0.442-0.621-0.179O142-0.456-0.755-0.299ASP-HA (110)-WLatomsBefore adsorptionAfter adsorption△eCa821.5091.5190.010O141-0.338-0.375-0.013O142-0.463-0.605-0.142

圖4 差分電荷密度圖. (a) ASP-HA (110)-Vacuum；(b) ASP-HA (110)-CW；(c) ASP-HA (110)-WE；(d) ASP-HA (110)-WL.Fig. 4 A three-dimensional isosurface plots of the deformation electron density with an isovalue of 0. 2 e/?3. (a) ASP-HA (110)-Vacuum; (b) ASP-HA (110)-CW; (c) ASP-HA (110)-WE; (d) ASP-HA (110)-WL models.

4 結 論

本研究采用DFT的方法研究了不同溶劑條件下陰離子型ASP與HA (110)表面相互作用的機理. 研究發現天冬氨酸與HA材料在真空、隱形溶劑水、水層條件下都可以形成“monodenate” Ca-O或“bridge bidenate” O-Ca-O共價相互作用, 在水環境條件下主要形成“water-bridge”氫鍵作用. 而且相互作用大小為真空條件下最大, 水層條件次之, 隱性溶劑水中第三, 水環境條件下最小. 但總體來說在所有溶劑條件下, ASP與HA相互作用都有所減小. ASP在不同溶劑條件與HA (110)相互作用機理的研究有望為其它氨基酸在不同溶劑中的應用提供有價值的理論參考.