基于淀粉样多肽片段的生物功能超分子结构性能预报

Functional supramolecules have important applications in environment responsive and self-healing materials as well as biomedical fields. The investigations on supramolecular polymerization process and its theory may effectively predict the self-assembled structure and property of supramolecules; Deep understanding of the polymerization process and theory is key to realize the special function of supramolecular polymers. The aim of the present work is to develop a explicit hydrogen bond simulation method. Through accurate quantum chemistry calculations as well as atomistic and coarse-grained molecular dynamics simulations with explicit hydrogen bond potentials, we shall perform multiscale computer simulations on the hydrogen bond driven self-assembling polymerization of a series of molecules, which have structures based upon the amyloid beta-sheet structure. We intend to discover the effects of multiple hydrogen bond interactions on the formation, structure and property of supramolecules from the molecular or atomic level, and investigate the influence of repeat unit structure on the property of the resulting supramolecule. So that we may develop the methodology of predicting the structure and performance of functional supermolecules. This work will lay a solid theoretical foundation for further development of functional superamolecular polymers.

功能超分子聚合物在环境响应性材料、自修复材料和生物医用等领域有着很重要的应用。超分子聚合过程与理论研究，能够有效预报超分子聚合物的自组装结构和性能；深入研究超分子聚合过程与理论、对实现超分子聚合物的特殊功能至关重要。本工作旨在发展显式氢键模拟方法，依靠精确的量子力学计算和具有独立氢键势能表达的全原子及粗粒化分子动力学模拟，对基于淀粉样多肽beta-折叠结构的一系列分子进行氢键自组装超分子聚合的多尺度计算机模拟。拟从分子、原子层面揭示多重氢键相互作用对超分子聚合物的形成过程、形态结构以及各项性能的影响，研究超分子构筑单元的结构对超分子聚合物最终性能的影响，发展功能超分子聚合物结构性能的预报方法，为功能超分子聚合物进一步开发研究奠定理论基础。

超分子材料是通过以非共价键为驱动力的自组装形式形成的一种新型功能材料。肽两亲分子通过长链烷烃的疏水作用发生聚集，并由多肽分子间形成的氢键及其静电相互作用使肽两亲分子能够自组装形成具有特殊结构和功能的超分子材料，此类分子制成的材料在如光电材料，骨骼材料，生物医用材料，生物传感器等领域有广泛的应用前景。肽两亲分子中具有较短的头基即为氨基酸表面活性剂，因其具有低毒性和环保功能，因此在食品、制药和个人护理等领域中也备受关注。.通过分子模拟分析C12Sar，C12Gly，C12Ala，C12Mal，C12Asp和C12Glu分别形成的单分子膜内部的氨基酸分子头基与水和离子间的相互作用。发现决定表面活性剂过剩表面积的主要因素为分子之间形成氢键的能力，而并且羧酸基团的质子化导致表面活性剂间之间更强的相互作用。分子在水表面越紧密的堆积致使与水分子氢键作用的减弱，并且二价反离子的加入可以与某些表面活性剂分子形成6/7元环结构从而显著增强与反离子的结合能力。.肽两亲分子选用C12-Aβ（11-17），C12-Aβ（16-22），C12-Aβ（25-35）和C12-Aβ（37-42）这4种片段进行模拟。由于头基性质的差异，在中性条件下除C12-Aβ（11-17）之外均获得了沿纳米纤维长轴和局部随机产生的垂直长轴的β-折叠片层结构。通过控制多肽片段中的氨基酸的质子化状态，利用分子动力学模拟研究了pH和封端对纳米纤维结构的影响。发现C12-Aβ(11-17)的纳米纤维结构具有pH响应性，在pH7得到稳定的没有β-折叠的具有扭转结构的纳米纤维，而在碱性条件下又能够生成较规整β-折叠的纳米纤维。在综合各种条件后，发现在两侧具有相反电荷的肽两亲分子具有最少的β-折叠结构，并且外部末端上的电荷倾向于破坏β-折叠，而内侧的电荷对β-折叠没有特别大的影响。相反，肽中心的电荷能够促进规则的β-折叠结构的形成，而多个带电残基并不能支持有序的β-折叠结构。当在相邻氨基酸之间发生电荷中和时，也可能出现规则的β折叠片层。