（材料加工工程专业论文）swnts与蛋白质相互作用的分子动力学模拟.pdf

摘要 摘要 碳纳米管在生物医药领域的巨大应用潜力已经引起了科学界和产业界的极 大兴趣和广泛关注。将其与蛋白质搭配可望制造出微型生物传感器、药物和药物 运输载体，以及新型功能生物材料。而二者稳定持久的相互作用是至关重要的， 是制造这些器件的基础。为了更进一步研究二者相互作用机理和相互作用过程细 节，本文采用分子动力学方法分别模拟了水溶液中单壁碳纳米管与组蛋白、由蛋 白质中功能基团功能化的自组装单层膜和具有纯粹二级结构多肤的相互砟用。模 拟结果显示单壁碳纳米管和组蛋白能发生自发性吸附，并且趋于以最大接触面积 吸附。在吸附过程中，憎水型残基分散于单壁碳纳米管表面附近，对吸附起到了 主要作用。同时也讨论了两种不同类型的单壁碳纳米管在水溶液中对吸附的影 响，其中手扶椅型单壁碳纳米管具有更强的吸附效果。在单壁碳纳米管与自组装 单层膜体系中，由于水分子的溶剂化效应，单壁碳纳米管与带电荷的自组装单层 膜相互作用能量为零。单壁碳纳米管与不带电荷的自组装单层膜可以相互吸附， 而且影响二者吸附的因素中范德华作用占主导地位。同时本文通过质心距离分析 证明了功能化基团的种类及电离状态对自组装单层膜与单壁碳纳米管的相互作 用存在影响，并验证了蛋白质原子和单壁碳纳米管的有效相互作用距离。本文成 功模拟了单壁碳纳米管诱导具有纯粹二级结构多肽的变性过程。在分子尺度上揭 示了a 螺旋可以改变为随机形态，而1 3 发卡多肽由于柔软的带状形态可以保持稳 定的二级结构。在变性过程中，范德华作用，疏水作用和碳纳米管的形态对构象 的改变均有一定的影响。侧链和主链、主链和主链之间的氢键是竞争性的，而侧 链和侧链之间的氢键则起到稳定构象的作用。 关键词：分子动力学模拟、蛋白质、单壁碳纳米管、自组装单层膜、吸附 a b s t r a c t a b s t r a c t c a r b o nn a n o t u b e s ( c n t s ) h a v eg r e a t l ya t t r a c t e db o t hs c i e n t i s t sa n dt e c h n o l o g i s t s n o w a d a y s , f o ri t sg r e a tp o t e n t i a li nb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n s w h e nm i x i n gc n t sw i t h p r o t e i n s ，m a n yb i o f u n c t i o n a ld e v i c e ss u c ha sb i o l o g i c a ls e n s o r s ，d r u g st r a n s p o r t v e c t o r sz n dn e w b i o l o g i c a lm a t e r i a l sc o u l db ec r e a t e d t h es t a b l ei n t e r a c t i o nb e t w e e n c n t sa n dp r o t e i n si sn o to n l yt h ee s s e n t i a l ，b u ta l s ot h eb a s i sf o rm a n u f a c t u r i n gt h e s e d e v i c e s t of u r t h e rs t u d yt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s ma n di n t e r a c t i o nd e t a i l so fc h i t s a n dp r o t e i n s ，w ep e r f o r m e dm o l e c u l a rd y n a m i cs i m u l a t i o n so fs i n g l e - w a l l e dc a r b o n n a n o t u b e s ( s w n t s ) w i t hh i s t o n e ，f u n c t i o n a l i z e ds e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s ( s a m s ) a n dp e p f i d e sw i t hp u r es e c o n d a r ys t r u c t u r ei na q u e o u s ，r e s p e c t i v e l y t h es a m sw e r e f u n c t i o n a l i z e db yt h ef u n c t i o n a lg r o u p so fp r o t e i n s t h es i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o w e d t h a ts w n t sa n dh i s t o n ec o u l da d s o r be a c ho t h e rs p o n t a n e o u s l y , a n dt h e yt e n d e dt o k e 印t h el a r g e s tc o n t a c ta r e a i nt h ea d s o r p t i o np r o c e s s ，t h eh y d r o p h o b i cr e s i d u e s p l a y e dam a j o rr o l e ，w h i c hc l o s et ot h es u r f a c eo fs w n t s i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c e o fs w n t s t y p e so na d s o r p t i o nw a sa l s od i s c u s s e d t h ca r m c h a i rs w n t sh a d s t r o n g e ra d s o r p t i o nw i t hh i s t o n et h a nz i g z a g i nt h es a m sa n ds w n t ss y s t e m s ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t e r a c t i o ne n e r g yb e t w e e ns w n t sa n dt h e c h a r g e ds a m sw a sz e r ob e c a u s eo ft h es o l v e n te f f e c to fw a t e rm o l e c u l e s ，n l e s w n t sh a da f f i n i t yw i t ht h eu n c h a r g e ds a m s ，w h i l et h ev a nd e rw a a l si n t e r a c t i o n g a v et h ed o m i n a n tc o n t r i b u t i o n st ot h ei n t e r a c t i o ne n e r g y t h ea n a l y s i so ft h ed i s t a n c e o ft h em a s sc e n t e rh a da l s op r o v e dt h a tt h et y p e sa n di o n i z a t i o ns t a t e so ft h e f u n c t i o n a lg r o u p sh a ds t r o n gi n f l u e n c eo nt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e ns w n t sa n ds a m s t h ee f f e c t i v ei n t e r a c t i o nd i s t a n c eb e t w e e na t o m so fp r o t e i n sa n ds w n t sw a sa l s o v a l i d a t e d w es u c c e s s f u l l ys i m u l a t e dt h ed e n a t u r a t i o np r o c e s so ft w op e p t i d e s ，w h i c h w e r ei n d u c e db ys w n t s t h ep e p t i d e sh a dp u r es e c o n d a r ys t r u c t u r e s ，仅h e l i xa n dp h a i r p i n ，r e s p e c t i v e l y d e n a t u r a t i o nw a sr e v e a l e da tt h em o l e c u l a rs c a l e ，t h eah e l i x c o u l db ec h a n g e dt or a n d o mp a t t e r n s ，w h i l eph a i r p i nc o u l dm a i n t a i nas t a b l e s e c o n d a r ys t r u c t u r ea ss o f tb e l tf o r m i nt h i sp r o c e s s ，丽mv a nd e rw a a l sf o r c ea sa d r i v i n gf o r c e ，h y d r o p h o b i ce f f e c t sa n dt h em o r p h o l o g yo fs w n t sb o t hh a de f f e c to n t h ep e p t i d e s c o n f o r m a t i o n a lc h a n g e s h y d r o g e nb o n d sb e t w e e ns i d e c h a i n m a i n - c h a i n ，m a i n c h a i n m a i n - c h a i nw e r ec o m p e t i t i v e ，w h i l et h es i d e c h a i n s i d e c h a i n h y d r o g e nb o n d sm a d e t h ec o n f o r m a t i o no ft h e p e p t i d e sm o r es t a b l e i i k e yw o r d s ：m o l e c u l a rd y n a m i cs i m u l a t i o n , p r o t e i n s ，s i n g l ew a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ， s e l fa s s e m b l e dm o n o l a y e r s ，a d s o r p t i o n i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论3 c , 是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 韵说明。 作者签名： 签字e l 期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 现代生物科技的迅猛发展对制药、农业、环保、医疗和食品等各个生产、生 活领域的影响日渐明显。作为生物分子中最重要的一员蛋白质被称为生命的 物质基础，与生命及各种形式的生命活动紧密联系在一起，因而蛋白质的研究也 日趋成为关注的焦点。蛋白质工程，是在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、 计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科通过对生物基因的人工定向改造等手段， 对蛋白质进行修饰，以生产出能满足人们需要的新型蛋白质的技术工程( 汪世华， 2 0 0 8 ) 。为了达到上述目的，要求人们深入的了解蛋白质的结构、动力学规律、 结构与功能之间的关系以及蛋白质与其它生物分子( 非生物分子) 之间的作用机 理。蛋白质与具有纳米尺寸的物质相互作用时表现出非同寻常的特性使得关于这 方面的研究已经成为热点。 纳米材料作为现代材料学发展的又一里程碑，不仅为材料学的发展提供了可 行的研究方向，同时也为相关学科和交叉学科提供了很好的研究素材和有效的开 发空间。由于纳米材料具有量子尺寸效应，小尺寸效应、表面效应和量子隧道效 应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材 料等方面有着广阔的应用前景。纳米材料的尺寸与d n a 、蛋白质、病毒等生物 分子相当，某些纳米材料还具有非常可观的生物效应，但其与生物分子的相互作 用的机理还有待进一步研究。深入系统地研究纳米材料与生物分子体系的相互作 用机理，不仅可以大大推动纳米产业在生物医疗领域的发展，还可以更深入的了 解纳米科技对人类生存环境和健康的影响提供重要的理论依据。近期纳米材料与 生物分子相互作用的研究已经成为焦点。诸多研究小组都利用自身的实验条件对 多种纳米材料影响生物体系的过程做出详细的理论研究和实验研究。碳纳米管 ( c a r b o nn a n o t u b e s ，c n t s ) 作为纳米材料世界中特殊的一份子，在生物医药领 域表现出极大的潜在应用价值，并且已经被广泛的应用于生物分子体系的研究。 c n t s 所具有的优异性能使其在生物医药领域也表现出极大的潜在应用价值。而 生物医学材料和设备则是c n t s 研究的一个主要领域，主要包括生物传感器、药 物和药物运输载体，以及新型生物材料。研究发现c n t s 可以穿越细胞膜而进入细 胞，同时由于c n t s 的所具有的空腔特征为c n t s 作为优秀的药物载体提供了可 能( p a n t a r o t t od e ta 1 2 0 0 3 ，m u r a k a m ite ta 1 2 0 0 4 ) 。c n t s 也已经作为探针被应 用于临床治疗( s u n i lk m e ta 1 2 0 0 5 ) 。而c n t s 在生物体内不同组织部位的也可 第1 章绪论 以选择性分散( g u oj i n x u ee ta 1 2 0 0 7 ) 。 c n t s 是一把双刃剑，在内涵巨大应用价值的同时也蕴含着对人类健康和安 全的威胁。c n t s 和一般的纳米颗粒一样能使生物机体器官和组织、细胞产生损 伤，使生物体出现疾病，甚至死亡。w a r h e i td b 等( 2 0 0 4 ) 研究了c n t s 对小鼠 的肺部的毒性，发现c n t s 使小鼠肺部出现了肉芽瘤。s h v e d o v a a a 等( 2 0 0 3 ) 考察了c n t s 对永生化人表皮角质细胞的影响，发现c n t s 可以导致氧化应激加 速、细胞活力丧失和细胞结构形态改变。在生物医学应用上，药物或者疫苗运输 研究中却没有发现c n t s 的特异性细胞毒性。这与上述c n t s 毒性实验结果冲突， 具体的作用机理和实验的缺陷点却不得而知。而这正是我们需要深入研究的方 向。 1 2 碳纳米管与蛋白质相互作用研究现状 c n t s 与蛋白质的相互作用研究已经成为众多研究部门和研究小组的重点关 注对象，特别是关于二者相互作用的交叉学科研究更是日益突出。b e s t e m a n 等 ( 2 0 0 3 ) 利用c n t s 与葡萄糖氧化酶制造出具有多种多功能生物传感器。b i y a n h u a 等( 2 0 0 6 ) 在研究中发现c n t s 可与超氧化歧化酶进行单电子交换，并可 以对酶的活性进行调节。l ix i n 等( 2 0 0 7 ) 利用c n t s 捕捉人体内源性血浆多肽， 从而可实现人类血浆多肽的富集。d h r i t in e p a l 和k u r teg e c k e l e r ( 2 0 0 7 ) 利用多 种常见蛋白质在水溶液中分散碳纳米管束，分散效果非常可观，同时c n t s 对蛋 白质也具有一定的选择性吸附。在众多的实验现象研究同时，c n t s 和蛋白质相 互作用的机理研究也开始进行。z h e n g d i n gs u 等( 2 0 0 7 ) 指出色氨酸( t r p ) 的 最高占据分子轨道与s w n t 的最低非占据分子轨道相互作用导致t r p 对s w n t s 有强烈的吸附作用。h u ix i e 等( 2 0 0 8 ) 利用类似于表面活性剂的多肽来对芳香 型残基与s w n t s 的亲和性进行排序，发现色氨酸( t r p ) 对s w n t s 的亲和性最 强，苯丙氨酸( p h e ) 对s w n t s 的亲和力最弱。在c h i uc h i e h e n g 等( 2 0 0 8 ) 指 出的文章中，具有较多苯丙氨酸( p h e ) 的n a n o 1 多肽与c n t s 具有良好的吸附 效果，兀- 兀共轭作用非常明显。但是这些并不足以说明c n t s 就能与特定的蛋白 质发生强烈的相互作用，并且大多数实验只是通过光谱来检测不同残基、多肽、 蛋白质与s w n t s 能否发生吸附，进而来阐述一些相关的理论，对于更深层次的 机理却无能为力。c n t s 与蛋白质的相互作用过程是一个相当复杂的过程，其中 的影响因素甚多。诸如蛋白质序列结构、二级结构和其他高级结构、溶剂类型、 c n t s 的类型、温度、压强等。考察现有的实验内容，几乎没有关于蛋白质二级 结构和蛋白质残基上功能性基团对相互作用过程影响的讨论，也没有关于c n t s 2 第1 章绪论 形态的讨论。对于原子尺度上蛋白质外部和内部的变化讨论也比较少。这些内容 对c n t s 和蛋白质相互作用过程的影响也是应该考虑的。本文将从这些方面出发， 通过模拟实验给予一定的探究。 由于c n t s 与蛋白质作用体系种类繁多，研究内容不断增加，其研究方法和 实验手段也不断创新。目前已有诸多实验方法和检测方法用以研究蛋白质与 c n t s 的相互作用。诸如常用的有a f m 、s e m 、x p s 、肼v i s 、循环伏安法、椭 圆偏光法、r a m a n 光谱等，可以用来检测c n t s 与蛋白质的吸附状态以及蛋白质 吸附后形态结构。传统实验方法和检测方法是研究c n t s 和蛋白质相互作用的最 基本手段，但是由于传统的实验技术和实验方法的限制，蛋白质与c n t s 相互作 用的机理、作用规律、作用过程并不十分明了，且已经不能满足研究蛋白质在微 观尺度上的要求。这就要求人们寻找更先进的蛋白质分子有关基础理论和方法学 研究。 计算机模拟为人们提供了另一条道路。计算机模拟为生物分子结构与功能关 系研究提供了很好的理论研究工具。它运用物理化学原理，以计算机为工具模拟 分子体系的运动及结构的相关性质，是结构生物学的重要理论方法。生物大分子 结构模拟与性质分析软件作为日渐成熟的技术，广泛应用于生命科学各个领域， 成为制药、生物技术等行业必备研究手段。利用计算机可以模拟诸如在晶体环境 下、溶液环境下的分子动力学；随机动力学；分子体系自由能计算；分子及周围 溶剂的静电相互作用；分子在溶液环境下的反应机理。 计算机模拟方法主要包括微观的量子力学方法、分子力学方法、分子动力学 方法、蒙特卡罗方法以及布朗动力学等。其中量子力学方法可以描述电子结构的 变化，分子力学方法可以描述基态分子结构的变化。而分子动力学方法则可以描 述体系在各种温度下的平均结构以及结构的物理变化过程。蒙特卡罗方法则是通 过玻尔兹曼因子的引入来描述各种温度的平均结构。在研究较短时间尺度的动力 学过程时，分子动力学则具有其他方法不可替代的优势。与蒙特卡罗方法相比， 分子动力学方法在宏观性质计算上具有更高的准确度和有效性；与量子力学方法 相比，具有处理原子数量多，计算速度快等优势。由于分子动力学计算能力强， 能满足各类问题的需求，许多优秀的分子动力学模拟软件也随之被开发出来。现 在分子动力学模拟已经成为研究生物大分子结构、动力学和热力学性质的一个重 要工具。该方法不但能够给出生物大分子在原子水平上的运动细节，而且可提供 蛋白质等生物大分子的位置涨落和构象变化的详细信息，能帮助人们在微观层次 上理解和解释实验数据，特别是在用实验手段无法研究或者实验研究花费昂贵的 情况下更显示出它的无比优势。因此本文采用分子动力学方法对c n t s 和蛋白质 等体系进行了一系列的模拟。 3 第】章绪论 1 3 分子动力学模拟 1 3 1 分子动力学模拟简介 分子动力学模拟( m o l e c u l a rd y n a m i cs i m u l a t i o n ) ，简称为m d 模拟，自1 9 5 7 年起发展至今已有5 0 多年，是分子力学模拟中最重要的也是应用最广泛的一种 方法。分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠经典动力学来模拟分 子体系的运动，从分子体系不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构 型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性 质。该方法可用来学习小分子也可以用来学习大的生物体系或者数以千万计的原 子聚集体。分子动力学模拟主要应用于平衡态模拟，经改进后亦可应用于非平衡 态。应用的领域主要有：液体、固体材料、分子生物学和制药等等。分子动力学 模拟为人们提供了在理论上研究复杂体系分子行为的一个最直接方法，可以很容 易的获得系统的动态和热力学统计信息。由于受到计算机技术发展水平的限制， 分子动力学模拟在早期并没有受到太多的关注。随着计算机硬件和软件技术的发 展，分子动力学模拟已经进入了飞速发展时期。 分子动力学模拟是利用经典动力学方程( 牛顿方程) 来处理体系中每个粒子 的运动，并得到各个粒子的一系列位置，即运动轨迹。对于一个有n 个粒子构 成的孤立体系，求解牛顿运动方程： 加要珥孙 其中以为粒子f 在f 时刻所受的作用力，砚为原子质量，为粒子f 在r 时刻 的位移矢量。通过方程可以看出，只要给定粒子的初始位置和初始速度，利用适 当的积分方法就可以得到该粒子在下一时刻的速度和粒子的运动轨迹。常用的积 分方法有v e r l e t ( v e r l e tl1 9 6 7 ) 和蛙跳法( v a ng u n s t e r e ne ta 1 1 9 8 8 ) 。通常粒子 的初始位置和速度数值可以由三种方法得到：( 1 ) 令初始位置在差分划分网格的 格子上，初始速度则从玻尔珐曼分布随机抽样得到。( 2 ) 令初始位置随机的偏离 差分划分网格的格子，初始速度为零。( 3 ) 令初始位置随机的偏离差分划分网格 的格子，初始速度从玻尔兹曼分布随机抽样得到。在分子动力学的三个基本假定 下( i ) 有效作用势近似。( 2 ) 周期性边界条件( p e r i o d i c a lb o u n d a r yc o n d i t i o n ) 。 ( 3 ) 热力学量的系综平均等于时间平均。选定适当的粒子的相互作用势，确定 中心原胞的尺寸、体系温度、压强或者密度，并确定中心原胞内粒子的初始位置 分布和初始速度，最后选定模拟的时间步长和模拟总步数，然后就可以进行分子 动力学计算。 4 第1 章绪论 1 3 2 分子动力学模拟软件与方法 分子动力学模拟软件种类繁多，比较常见的成熟的软件有a m b e r ， c h a r m m ，d i s c o v e r ys t u d i o ，g u a s s i a n ，g - r o m a c s ，h y p e rc h e m ，m a t e r i a l ss t u d i o ， n a m d ，t i n k e r 等。其中g r o m a c s 是一款开放源代码的应用比较广泛的免费分子 动力学模拟软件。相比其它软件，g r o m a c s 具有诸多优势，例如支持多种系统， 运算速度快，具有友好的用户界面，为轨迹分析提供了大量的辅助工具等等。它 特别适用于生物大分子体系，尤其是d n a 、蛋白质、油脂等有大量复杂键作用 的体系。 本文利用g r o m a e s3 3 ( v a nd e rs p o e lde ta 1 2 0 0 5 ) 程序进行m d 模拟，模 拟过程主要包括以下五个步骤( m i c h a e lp a l l e n2 0 0 4 ) ： ( 1 ) 建立预定模拟体系模型。 ( 2 ) 对体系进行能量最小化( e n e r g ym i n i m i z a t i o n ) 。由于建模过程是各个 分子之间在空间上按照预定坐标进行的构造，难免有不适合的非键相互作用。能 量最小化过程就是要消除体系中不正常的非键相互作用。 ( 3 ) 位置限制动力学模拟( p o s i t i o nr e s t r a i n t sd y n a m i cs i m u l a t i o n ) 。在这个 过程中限制蛋白质分子和其他主要分子的运动( 位置被限制的原子并非是位置固 定，而是可以在一定的范围内振动) ，对体系主要分子周围水环境进行动力学模 拟。位置限制动力学模拟保持体系主要分子位置不变，对溶剂分子进行平衡计算， 可以使溶剂分子填补由建模过程而产生的大分子内部空间空洞。这些空洞由 g e n b o x 程序( v a nd e rs p o e ld e ta 1 2 0 0 5 ) 产生。 ( 4 ) 分子动力学模拟。在位置限制动力学模拟完毕之后，分子系统便可以 进行正式的分子动力学模拟了。 ( 5 ) 分析和讨论。模拟轨迹的分析软件有很多，其中g r o m a c s 就有很多强 大的自带分析程序，例如氢键分析程序gh b o n d 、特定轨迹产生程序t l j c o n y 、均 方根偏差分析程序g _ r m s 、均方根涨落分析程序g _ r m s f , 能量分析程序ge n e r g y 、 径向分布函数分析程序gr d l 质心距离分析程序gd i s t 等，另外还有常用的轨 迹查看软件v m d 、二级结构分析软件d s s p 等。本文中的所有分析主要利用上 述软件和程序。 1 3 3 碳纳米管结构简介与建模 碳纳米管由于本身所具有特殊的结构特征和优异的光、电、磁等物理性能 ( i i j i m as u m i o1 9 9 1 ，d r e s s e l h a u sm s e ta 1 1 9 9 6 ，e l z b i e t af r a c k o w i a k ae ta 1 2 0 0 2 ， r o b e r t jc h e nc ta 1 2 0 0 1 ，s a n d e e psk a r a j a n a g ie ta 1 2 0 0 6 ) ，在2 0 世纪末受到了广 5 第1 章绪论 泛的关注，并且在各种尖端科技领域表现出极大的潜在应用价值，被誉为“2 1 世 纪最有前途的新型材料”。理想的c n t s 可以看作是石墨片层按照一定方向卷曲 而成的中空管，它不仅保持了石墨片层的六元环结构，而且将石墨片层的二维结 构扩展为了三维结构。在c n t s 中含有的石墨的片层可以从一层到上百层，仅仅 含有一层石墨片层的c n t s 称为单壁碳纳米管( s i n g l e w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ， s w n t s ) ，而多于一层的c n t s 则称为多壁碳纳米管( m u l t i w a l l e dc a r b o n n a n o t u b e s ，m w n t s ) 。相对于复杂的m w n t s ，s w n t s 由于其结构简单而被比较 深入的研究。s w n t s 可以用螺旋矢量参数( n ，m ) 来表征。当n 硼时，称为手 扶椅型( a r m c h a i r ) 碳纳米管，是金属型碳纳米管；当n = 0 ，或m = 0 时，称为锯 齿型( z i g z a g ) 碳纳米管，是半导体型碳纳米管；当1 1 和m 为不相等的整数时， 称为手性碳纳米管。c n t s 的特殊结构决定了它所具有特殊的物理、化学和生物 性能。 c n t s 中的碳原子采取s p 2 杂化，相比s p 3 杂化，s p 2 杂化中s 轨道成分比 较大，使得c c 键能较大，所以c n t s 具有高模量、高强度( f a l v om re ta 1 1 9 9 7 ， s a l v e t a tjpe ta 1 1 9 9 9 ) ，另外c n t s 所具有的特殊的几何构造也对其模量和强度 有一定的增强作用。c n t s 抗拉强度达到5 0g p a - - 一2 0 0g p a ，是钢的1 0 0 倍，而 密度却只有钢的1 6 ，强度比常规石墨纤维高一个数量级；c n t s 碳原子的p 电 子在管内外形成了整体离域的大7 【键，由于共轭效应显著，c n t s 具有良好的导 电性。c n t s 优越的导电性已经在具体的实验中被验证：c n t s 的每平方厘米最 大电流密度可达1 0 1 3a ( e b b e s e nt we ta 1 1 9 9 6 ) ，在2 0k 下甚至可以产生超导 现象( b e r b e rse ta 1 2 0 0 0 ) 。 在分子动力学机模拟中，一般选用结构较为简单的s w n t s 来构造模拟体系。 s w n t s 的建模一般由计算机完成。利用计算机构造碳原子阵列，并对每个碳原 子赋予适当的键、键角等参数，就可以构造出一系列理想的s w n t s 。本文中 s w n t s 的建模利用t u b e g e n 软件( f r e yt je ta 1 2 0 0 5 ) 产生，碳原子为电中性， 不显示电子运动，c c 键长1 4 2a ，键角1 2 0 0 ，管长根据实验需要进行设定。 6 第1 章绪论 参考文献 汪世华2 0 0 8 蛋白质工程【m 】北京：科学出版社 b e r b e rs ，k w o ny ka n dt o m a n e kd 2 0 0 0 u n u s u a l l yh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fc a r b o n n a n o t u b e s j p h y sr e vl e t t ，8 4 ：4 6 1 3 - 1 6 1 6 b e s t e m a nkl e ej o ，w i e r t zf g m ，e ta 1 2 0 0 3 e n z y m e - c o a t e dc a r b o nn a n o t u b e sa s s i n g l e m o l e c u l eb i o s e n s o r s j n a n ol e t t e r s ，3 ( 6 ) ：7 2 7 7 3 0 b iy a n h u a , h u a n gz h e n l i ，z h a oy u a n d i ，e ta 1 2 0 0 6 t h ei n t e r f a c eb e h a v i o ra n db i o c a t a l y t i c a c t i v i t yo fs u p e r o x i d ed i s m u t a s ea tc a r b o nn a n o t u b e j b i o s e n s o r sa n db i o e l e c t r o n i c s ， 2 1 ：1 3 5 0 - 1 3 5 4 c h i uc h i c h e n g ，g r e g grd i e c k m a n n ，s t e v e non i e l s e n2 0 0 8 m o l e c u l a rd y n a m i c ss t u d yo f a n a n o t u b eb i n d i n ga m p h i p h i l i ch e l i c a lp e p t i d ea td i f f e r e n tw a t e r h y d r o p h o b i ci n t e r f a c e s j j p h y sc h e mb ，l1 2 ( 5 1 ) ：1 6 3 2 6 1 6 3 3 3 d a ne l g r a b l i ，m a g a l if l o r i a n i ，s t e v ea b e l l ag a l l a r t , e ta 1 2 0 0 8 b i o d i s t r i b u t i o na n dc l e a r a n c eo f i n s t i l l e dc a r b o nn a n o t u b e si nr a tl u n g j p a r tf i b r et o x i c o l ，5 ：2 0 - 3 2 d h r i t in e p a la n dk u r teg e c k e l e r2 0 0 7 p r o t e i n sa n dc a r b o nn a n o t u b e s ：c l o s ee n c o u n t e ri nw a t e r j 】 s m a l l ，3 ( 7 ) ：1 2 5 9 - 1 2 6 5 d r e s s e l h a u sm s ，d r e s s e l h a u sga n de k l u n dpc1 9 9 6 s c i e n c eo f f u l l e r e n e sa n dc a r b o n n a n o t u b e s j n a t u r e ，3 8 1 ( 6 5 8 1 ) ：3 8 4 - 3 8 4 e b b e s e nt w l e z e ch j ，h i u r ah ，e ta 1 1 9 9 6 e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fi n d i v i d u a lc a r b o n j n a t u r e ，3 8 2 ：5 4 5 6 e l z b i e t af r a c k o w i a k aa n df r a n g o i sb d g u i n ，2 0 0 2 e i e c t r o c h e m i c a ls t o r a g eo fe n e r g yi nc a r b o n n a n o t u b e sa n dn a n o s t r u c t u r e dc a r b o n s j c a r b o n ，4 0 ( 1 0 ) ：17 7 5 17 8 7 f a l v om c l a r yg j ，t a y l o rr m ，e ta 1 1 9 9 7 b e n d i n ga n db u c k i n go fc a r b o nn a n o t u b e su n d e r l a r g es t r a i n j n a t u r e ，3 8 9 5 8 2 f r e yt ja n dd o r e nj d 2 0 0 5 t u b e g e n3 3 【e b o l n e w a r kd e ：u n i v e r s i t yo fd e l a w a r e ， h t t p ：t u r i n 1 a s s u d e t e d u r e s e a r c h t u b e g e n o n l i n e h t m l g u oj i n x u e , z h a n gx i a o ，l iq i n g n u a n , e ta 1 2 0 0 7 。b i o d i s t r i b u t i o no ff u n c t i o n a l i z e dm u l t i w a l l c a r b o nn a n o t u b e si nm i c e j n u c l e a rm e d i c i n ea n db i o l o g y , 3 4 ( 5 ) ：5 7 9 5 8 3 h u ix i e ，b e c r a re j ，b a u g h m a nr h ，e ta 1 2 0 0 8 r a n k i n gt h ea f f i n i t yo fa r o m a t i cr e s i d u e sf o r c a r b o nn a n o t u b e sb yu s i n gd e s i g n e ds u f f a c t a n tp e p t i d e s j jp e p ts c i ，1 4 ：1 3 9 1 5 1 1 i j i m as u m i o1 9 9 1 h e l i c a lm i c r o t u b u l e so f g r a p h i t i cc a r b o n j n a t u r e ，3 5 4 ：5 6 5 8 l ix i n ，x us o n g y u n ，p a nc h e n s o n g ，e ta 1 2 0 0 7 e n r i c h m e n to fp e p t i d e sf r o mp l a s m af o r 7 第1 章绪论 p e p t i d o m ea n a l y s i su s i n gm u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s j js e ps c i ，3 0 ：9 3 0 9 4 3 m i c h a e lp a l l e n2 0 0 4 i n t r o d u c t i o nt om o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n j n i cs e d e s ，2 3 ：1 - 2 8 m u r a k a m it a j i m akm i y a w a k ij ，e ta 1 2 0 0 4 d r u g - l o a d e dc a r b o nn a n o h o m s ：a d s o r p t i o na n d r e l e a s eo f d e x a m e t h a s o n ei nv i t r o j m o lp h a r m ，1 3 9 9 1 4 0 5 p a n t a r o t t od ，b r i a n dj p , p r a t om ，e ta 1 2 0 0 4 t r a n s l o c a t i o no fb i o a c t i v ep e p t i d e sa c r o s sc e l l m e m b r a n e sb yc a r b o nn a n o t u b e s j c h e mc o m m u n ( c a m b ) , 1 ：1 6 1 7 。 r o b e r tjc h e n , y u e g a n gz h a n g ，d u n w e iw a n g , e ta 1 2 0 01 n o n c o v a l e n ts i d e w a l l f u n c t i o n a l i z a t i o no fs i n g l e - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e sf o rp r o t e i ni m m o b i l i z a t i o n j ja m c h e ms o e ，1 2 3 ：3 8 3 8 - 3 8 3 9 s a l v e t a tj 只b o n a r dj m ，t h o m s o nn i l ，e ta 1 1 9 9 9 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c a r b o nn a n o t u b e s j a p p lp h y sa ，6