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CYP17A1与膜结合状态的结构和动力学研究

CYP17A1与膜结合状态的结构和动力学研究

引用

中国化学会第十二届全国量子化学会议

作者：崔颖璐郑清川张红星吉林大学理论化学研究所理论化学计算国家重点实验室

细胞色素P450酶系(CYP)是由许多同工酶组成的超大家族,是一类能催化胆固醇、类固醇及其他脂质合成和药物代谢等多种反应的单加氧酶,在调节机体与外界环境的相互作用以及保持机体内环境稳定中起重要作用[1,2]。CYP17A1(全称为细胞色素P45... 详细信息

细胞色素P450酶系(CYP)是由许多同工酶组成的超大家族,是一类能催化胆固醇、类固醇及其他脂质合成和药物代谢等多种反应的单加氧酶,在调节机体与外界环境的相互作用以及保持机体内环境稳定中起重要作用[1,2]。CYP17A1(全称为细胞色素P450c17α)是细胞色素P450酶系家族成员之一,该酶同时具有17α-羟化酶、17,20-裂解酶的活性,是一类典型的膜结合的双功能单氧酶,在类固醇性激素合成的途径中起关键作用,是治疗前列腺癌和乳腺癌的重要靶标[3,4]。它可有效地抑制性激素的合成,从而控制癌细胞的转移。但由于缺乏其三维结构信息,相关药物的研究受到严重制约。2012年,美国KANSAS大学的***教授课题组首次报道了CYP17A1的晶体结构信息[5]。此外,膜磷脂在各种氧化还原配体间的促进和调节,以及作为底物的载体进入P450酶并接近通道和活性部位等多方面起到重要作用。因此,为了模拟P450酶系在人体中的真实环境,在计算时引入膜是非常必要的。目前为止,关于该酶系在膜磷脂存在情况下的结构与功能的理论研究工作鲜见报道。本文在膜磷脂存在的情况下,从原子水平对CYP17A1的结构和功能进行深入系统地研究。通过全原子动力学模拟,探索CYP17A1从膜表面插入膜的动态过程,并结合实验数据获得CYP17A1蛋白与膜结合的角度、深度等结构特征,体现了CYP17A1与膜结合过程存在特异相互作用,而非仅仅依靠简单的吸附作用。此外,本文发现膜与CYP17A1结合后一定程度上影响了面向膜的底物进出蛋白通道的开合状况,这种情况在其他的P450酶中也有体现[6,7]。综上所述,本文阐述了CYP17A1酶在人体中的真实环境中的结构特征及膜磷脂对于CYP17A1酶结构的影响,为今后关于P450酶系生物膜模拟提供了成熟可行的研究方案和技术手段。

关键词： CYP17A1 细胞色素结合状态性激素动力学研究

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二萘并苯中非局域电子-声子耦合的理论研究

二萘并苯中非局域电子-声子耦合的理论研究

引用

第十二届全国量子化学会议

作者：张守峰任爱民陈先凯吉林大学理论化学研究所理论化学计算国家重点实验室

电荷传输是有机电子器件应用的基础，因此准确全面地理解有机分子晶体中的电荷传输机制是非常重要的。非局域电子-声子耦合在有机半导体电荷输运中起着重要的作用。有机半导体中分子间的电荷传输积分与分子的堆积密切相关，即使很小的...

电荷传输是有机电子器件应用的基础，因此准确全面地理解有机分子晶体中的电荷传输机制是非常重要的。非局域电子-声子耦合在有机半导体电荷输运中起着重要的作用。有机半导体中分子间的电荷传输积分与分子的堆积密切相关，即使很小的分子位移也会对电荷传输产生显著的影响[1]。而分子热运动引起的电荷传输积分的热涨落足以破坏电子哈密顿的平移对称性[2]，导致传统的带状机制与极化子机制在室温下的并五苯与红荧烯中不再适用[3]，[4]。为了更加全面的理解有机半导体中的输运机制，我们结合分子动力学模拟与密度泛函理论详细地研究了二萘并苯中非局域电子-声子耦合强度与温度及分子堆积结构之间的关系，充分考虑了分子热运动所引起的电荷传输积分的热涨落效应对电荷传输的影响。

关键词：

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聚苯乙烯/交联聚苯乙烯纳米粒子界面性质的粗粒化分子动力学模拟

聚苯乙烯/交联聚苯乙烯纳米粒子界面性质的粗粒化分子动力学模拟

引用

中国化学会2014年大分子体系理论、模拟与计算研讨会

作者：钱虎军陈弢吕中元理论化学计算国家重点实验室吉林大学理论化学研究所

在高分子材料中掺杂纳米粒子已成为一种实现高分子材料性能优化的常见手段。与传统高分子材料相比,高分子纳米粒子复合材料在力学、光学、电磁性能等方面都有着更加优异的表现,因此在太阳能电池、电磁材料等领域有着广泛的应用前景[1]... 详细信息

在高分子材料中掺杂纳米粒子已成为一种实现高分子材料性能优化的常见手段。与传统高分子材料相比,高分子纳米粒子复合材料在力学、光学、电磁性能等方面都有着更加优异的表现,因此在太阳能电池、电磁材料等领域有着广泛的应用前景[1]。掌握此类复合体系中各种因素对材料性能的影响规律是更好地实现其性能优化和定向设计的前提,而由于此类复合体系中影响因素及实验表征手段的多样性,针对一些特定问题人们还未能达成一致性的认识。例如,熔体高分子链的结构及动力学性质在表面附近会受到纳米粒子的作用而发生改变,而在不同的体系中往往也会有不同的影响规律[2-3]。除此之外,根据熔体链局部或整体性质的不同,受影响的界面厚度也有所不同[2]。与硬核型(接枝)无机纳米粒子/高分子复合体系不同,本文所研究的柔性交联纳米粒子复合体系组份单一,纳米粒子与高分子熔体化学组成相同,排除了前者中无机纳米粒子与高分子链段间相互作用带来的影响。此外,这种柔性纳米粒子复合体系在性能上也表现出了独有的特性,已有研究表明:熔体链受到了纳米粒子明显的溶涨效应[4]、复合材料的粘度也随着纳米粒子的加入而降低[5]。本文中我们利用粗粒化分子动力学模拟技术,首先结合现有粗粒化聚苯乙烯模型,参考实验制备过程,在溶液中构造了具有不同交联剂含量的紧密交联纳米粒子模型。在此基础上,我们研究了聚苯乙烯纳米粒子与线性链熔体之间的界面结构及动力学性质受纳米粒子交联密度、表面曲率(粒子大小)、以及熔体链长等因素的影响。包括界面处熔体链与纳米粒子单体的密度分布、不同链节长度的熔体链片段在界面处的均方回转半径、链节取向、以及界面处熔体粒子的均方位移和自散射函数等动力学性质。我们发现:(1)与无机纳米小球界面处的有序层状排列结构不同,熔体链密度在交联软纳米粒子界面处与纳米粒子单体相互渗透,并无层状排列结构;(2)界面处的熔体链短链片段因受到纳米粒子表面凹陷结构的限制而发生塌缩。而长链片段分子则在界面处沿着纳米粒子表面发生取向,这种取向导致局部链段乃至整条高分子链在界面处发生溶涨。通过分别计算整条高分子链沿着纳米粒子径向及切线方向的回转半径(如图1),我们发现由于高分子链沿着纳米粒子表面的取向作用,熔体链沿着切线方向发生溶涨,而在径向发生明显塌缩,并且在远处径向塌缩效应大于切线方向的溶涨,从而导致在界面的中间位置发生一定程度的尺寸耗散效应。由此定义出的界面的厚度大约为1.5倍的熔体链回转半径;(3)同时,为了研究体系中的动力学性质,我们计算了熔体链段单体的均方位移MSD及自散射相关函数。结果表明,由于纳米粒子导致的界面效应,熔体粒子相对于纳米粒子表面的运动在界面处明显变慢。

关键词：聚苯乙烯交联纳米粒子界面性质粗粒化分子动力学模拟

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二嵌段共聚物在柱状刻蚀模板表面的复杂自组装

二嵌段共聚物在柱状刻蚀模板表面的复杂自组装

引用

中国化学会2014年大分子体系理论、模拟与计算研讨会

作者：徐丹刘鸿吕中元理论化学计算国家重点实验室吉林大学理论化学研究所

本文利用耗散粒子动力学方法(dissipative particle dynamics,DPD)研究了二嵌段共聚物在柱状刻蚀的模板表面的自组装行为。二嵌段共聚物在本体中可以自组装形成包括层状相、六方柱状相、球状相和双连通Gyroid相的一系列稳定有序结构,得... 详细信息

本文利用耗散粒子动力学方法(dissipative particle dynamics,DPD)研究了二嵌段共聚物在柱状刻蚀的模板表面的自组装行为。二嵌段共聚物在本体中可以自组装形成包括层状相、六方柱状相、球状相和双连通Gyroid相的一系列稳定有序结构,得到人们广泛的关注。而研究发现,可以通过一些人为干预的手段,使二嵌段共聚物在受限条件下生成更丰富且有实际应用价值的自组装结构。例如,可通过改变受限环境的结构、表面性质,来诱导二嵌段共聚物自组装形成纳米尺度的新颖结构,用于如集成电路板的刻蚀、纳米比特存储设备的制造等高新科技领域。DPD能在介观尺度上模拟体系的动力学行为,在一定程度上反映出粒子的实际运动趋势,适合于研究当前的体系。当DPD方法与Flory-Huggins理论进行对比的时候,Groot和Warren发现:当密度为3时,相互作用参数x与排斥参数a有如下的线性关系:x=(0.286±0.002)△a。在本项工作中,我们体系粒子数密度ρ=3,因此,DPD中保守力的排斥参数a,可以对应到Flory-Huggins相互作用参数a=25.0+3.27x。我们采用A3B7链模型,本体中应形成六方排列的柱状相。在二嵌段共聚物A3B7体系的下表面加上带有选择性柱子的平板,上表面为不放柱子的平板。为了消除上表面平板对柱子附近自组装结构的影响,平板间距要足够大,如Figure1所示。我们将柱子按照六方堆砌的方式排列,得到了多种有序的组装结构,如Figure2所示,我们以直径为2,高度为7的柱子为例。我们可以再8到11之间调控柱子的排列间距Px。对应于实验条件,柱子上旋涂了A类型的均聚物链,因此柱子对A片段是亲和的,对B片段是排斥的;而表面则恰好相反在模拟中我们采用不同的DPD排斥参数来描述这些条件。可以看到,随Px的增大,最下层柱状相开始连通形成弯曲的条带结构,上层仍为柱状相结构且平行于平板,两层分开没有连通。继续增大Px时,上下两层的弯曲程度增大。

关键词：二嵌段共聚物受限条件耗散粒子动力学柱状刻蚀模板

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多分散性对环状两嵌段共聚物相行为的影响

多分散性对环状两嵌段共聚物相行为的影响

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中国化学会2014年大分子体系理论、模拟与计算研讨会

作者：焦贵省钱虎军吕中元理论化学计算国家重点实验室吉林大学理论化学研究所

本文利用耗散粒子动力学方法(DPD)研究了分子量多分散性(PDI)对环状两嵌段共聚物相行为的影响。主要研究了体系中有序-有序转变点(OOT)、层状相厚度等受分子量分布的影响。与线性两嵌段共聚物相比,环状两嵌段共聚物由于没有自由链末端,... 详细信息

本文利用耗散粒子动力学方法(DPD)研究了分子量多分散性(PDI)对环状两嵌段共聚物相行为的影响。主要研究了体系中有序-有序转变点(OOT)、层状相厚度等受分子量分布的影响。与线性两嵌段共聚物相比,环状两嵌段共聚物由于没有自由链末端,体系更难发生相分离。在线性两嵌段体系中,多分散性使体系的OOT点向多分散组分大的方向发生偏移,层状相厚度随PDI的增加而增大,而在环状两嵌段共聚物体系中我们发现了类似的影响:OOT点发生偏移及层状相厚度随PDI的增加而增大。但是,由于环状两嵌段共聚物的闭环结构,OOT点的偏移幅度及层状相厚度的增加幅度与线性分子有所不同。在DPD模拟中,相对较短的分子链会增加涨落的重要性,因此,根据Fredrickson和Helfand等人的工作[1],我们可以将有限长链的线性分子的N拟合到对应的无限链长中,即:Neff=10.5 N/(10.5+41.0N-1/3)。根据Kramers和Zim等人的工作[2、3],对于无限链长,

关键词：环状两嵌段共聚物分散性耗散粒子动力学

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聚合物分子链coil-globule转变的积分温度抽样研究

聚合物分子链coil-globule转变的积分温度抽样研究

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中国化学会2014年大分子体系理论、模拟与计算研讨会

作者：王伟吕中元理论化学计算国家重点实验室吉林大学理论化学研究所

聚合物分子链的coil-globule转变具有十分重要的理论与实践意义。Integrated tempering sampling(ITS)方法是高毅勤发展的一种扩展系综增强抽样方法[1],非常适合用于分子动力学模拟。这种方法通过在作用势上增加一个扩展系综下的有偏系... 详细信息

聚合物分子链的coil-globule转变具有十分重要的理论与实践意义。Integrated tempering sampling(ITS)方法是高毅勤发展的一种扩展系综增强抽样方法[1],非常适合用于分子动力学模拟。这种方法通过在作用势上增加一个扩展系综下的有偏系数,从而实现增强抽样。为了使模拟能够覆盖很宽的能量区间,我们首先定义扩展系综(公式1);有偏系数由扩展系综作用势求得(公式2);进而即可求出用于分子动力学模拟中的有偏力(公式3):W(r)=NΣK=1nke-βkU(1) U'=-1/β0INΣknke-βku(2) F'=(U')/(U)(U)/(r)=(Σkβknke-βku)/(βΣknke-βku)(3)其中的权重因子nk是通过在温度区间内的一系列正则系综短时模拟所确定的,某一温度下物理量的正则系综平均值则可以通过广义系综重新权重得到。对于均聚物分子链,为了研究coil-globule转变温度与链长之间的关系,我们采用了链长为13,25,50,100,200,400和800七种均聚物分子链的粗粒化模型,重复单元之间用FENE势连接,非键相互作用由Lenard-Jones势描述。通过ITS方法模拟,我们能够计算该温度区间内任意温度下分子链的均方回转半径Rg平均值,进一步计算其导数,就可以确定转变温度。为了确认均聚物分子链coil-globule转变是否为一级相转变,我们还分别求了每个体系的比热Cv,如Fig.1所示:可以看出,随着高分子链链长的增加,coil-globule转变温度上升,此外从Cv图中可以看出,在Rg一阶导数峰值对应位置并没有出现特征峰,说明均聚物分子链coil-globule转变并非一级相变。根据理论推导,coil-globule转变温度与链长满足下列关系:T(N)-Tθ=a1/(1/2)N+a2/N Fig.2给出了ITS模拟中coil-globule转变温度与链长的关系:其中a1=-12.43,a2=9.58,T(N→∞)=3.696,与文献报道结果相近(a1=-11.56,a2=12.77,T((N→∞)=3.176))。[2]我们进一步利用ITS方法研究了链长为100的嵌段共聚物链coil-globule转变。两种粒子亲疏水性的差别通过调整Lenard-Jones势中的相互作用参数ε来体现:其中疏水粒子间的相互作用ε=1.0,而亲水粒子间以及亲水粒子与疏水粒子间则有ε<1.0。我们研究了(A2B2)25,(A5B5)10,(A10B10)5,(A25B25)2四种规则嵌段共聚物分子模型,并考虑了两种改变嵌段亲疏水特性的手段:第一种情况使亲水粒子之间、亲水粒子与疏水粒子之间的ε在0.2到0.9之间变化;第二种情况使疏水粒子之间的ε在0.3到0.9之间变化。在ITS方法中设定温度区间0.5-4.0,每个样本均模拟109步,计算其均方回转半径以及热容。通过绘制均方回转半径对温度一阶导数以及比热对温度的曲线,判断不同体系的相转变行为。从Fig.3中我们可以看出,共聚物体系coil-globule转变中存在一级相转变区域,这和文献所报道的结果一致[3]。我们还发现,coil-globule转变是否为一级转变与嵌段的长度以及不同嵌段之间相互作用差别有关。对于规则的嵌段共聚物,只有嵌段长度合适(本工作中为5和10),coil-globule转变才呈现出一级相转变的特征。嵌段亲疏水差异也是决定体系相转变特征的一个关键因素,只有两种嵌段亲疏水性差别较大,才能出现一级相转变。在蛋白质折叠的相关研究中,普遍认为其折叠转变为一级相变,故而本工作中的共聚物模型在嵌段长度及亲疏水性合适的前提下,可以认为是一种似蛋白共聚物(protein-like copolymer),能够进一步用来研究蛋白质折叠的相关问题[3]。

关键词： coil-globule转变增强抽样

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功能性聚合物金纳米粒子在选择性溶剂中的计算机模拟研究

功能性聚合物金纳米粒子在选择性溶剂中的计算机模拟研究

引用

中国化学会2014年大分子体系理论、模拟与计算研讨会

作者：李延春吕中元吉林大学理论化学研究所理论化学计算国家重点实验室

由金纳米粒子和嵌段共聚物的组成的功能性聚合物金纳米粒子,在选择性溶剂中可以形成具有特定结构和化学活性的聚合物"胶束单体"。如图1所示,以聚合物和金纳米粒子作为组装基元,通过调控聚合物的长度和纳米粒子的尺寸,可以组... 详细信息

由金纳米粒子和嵌段共聚物的组成的功能性聚合物金纳米粒子,在选择性溶剂中可以形成具有特定结构和化学活性的聚合物"胶束单体"。如图1所示,以聚合物和金纳米粒子作为组装基元,通过调控聚合物的长度和纳米粒子的尺寸,可以组装得到分子簇、胶束和囊泡等有序结构1-3。通过对聚合物纳米粒子的修饰,可以制备具有特殊功能的材料,并应用于3D打印、光电材料、催化反应、太阳能电池以及药物运输等诸多领域。我们采用GALAMOST程序包4中的耗散粒子动力学方法,建立纳米粒子和聚合物的粗粒化模型,研究功能性聚合物金纳米粒子在选择性溶剂中的组装机理。耗散粒子动力学方法5是把所有粒子之间的相互作用归类为三个部分:分别是保守力,耗散力,和随机力,所有相互作用粒子的运动遵循牛顿运动方程:(dri)/(dt)=i,(di)/(dt)Σj≠i(Fcij+FDij+FRij)=i所有的作用力都是成对(pairwise)相互作用力:FCij=aij(1-rij)ej,FDij=-γwD(rij)(eij·vij)eij,FRij=σwR(rij)θijeij。我们的模拟结果得到了实验结果的证实1-3,理论与实验的结合不但有利于补充实验的不足和节约成本,还有利于深入理解组装机理和组装内在驱动力等问题。

关键词：聚合物纳米粒子计算机模拟

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1,4-di(4'-N,N-diphenylaminostyryl)benzene衍生物单双光子吸收性质的理论研究

1,4-di(4'-N,N-diphenylaminostyryl)benzene衍生物单双光子吸收...

引用

第十二届全国量子化学会议

作者：王丹邹陆一任爱民吉林大学理论化学研究所理论化学计算国家重点实验室长春

本文通过密度泛函理论(DFT)和ZINDO方法对一系列D-π-A-π-D型1,4-di(4'-N,Ndiphenylaminostyryl)benzene衍生物(见图)的平衡几何结构、电子结构、单双光子吸收以及荧光发射性质进行了理论研究。研究结果表明,该系列分子从紫外到黄...

本文通过密度泛函理论(DFT)和ZINDO方法对一系列D-π-A-π-D型1,4-di(4'-N,Ndiphenylaminostyryl)benzene衍生物(见图)的平衡几何结构、电子结构、单双光子吸收以及荧光发射性质进行了理论研究。研究结果表明,该系列分子从紫外到黄光范围(375-595nm)有明显的单光子吸收,在整个可见光范围(445-690nm)有明显的荧光发射,并且在红光和近红外区域(605-920nm)有大的双光子吸收截面值,因此该系列分子可作为优秀的活体双光子荧光标记材料以及双光子荧光显微材料的备选。

关键词：

来源：评论

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功能性聚合物金纳米粒子在选择性溶剂中的计算机模拟研究

功能性聚合物金纳米粒子在选择性溶剂中的计算机模拟研究

引用

2014年大分子体系理论、模拟与计算研讨会

作者：李延春吕中元吉林大学理论化学研究所理论化学计算国家重点实验室长春 130023

由金纳米粒子和嵌段共聚物的组成的功能性聚合物金纳米粒子,在选择性溶剂中可以形成具有特定结构和化学活性的聚合物“胶束单体”.如图1所示,以聚合物和金纳米粒子作为组装基元,通过调控聚合物的长度和纳米粒子的尺寸,可以组装得到分子... 详细信息

由金纳米粒子和嵌段共聚物的组成的功能性聚合物金纳米粒子,在选择性溶剂中可以形成具有特定结构和化学活性的聚合物“胶束单体”.如图1所示,以聚合物和金纳米粒子作为组装基元,通过调控聚合物的长度和纳米粒子的尺寸,可以组装得到分子簇、胶束和囊泡等有序结构1-3.通过对聚合物纳米粒子的修饰,可以制备具有特殊功能的材料,并应用于3D打印、光电材料、催化反应、太阳能电池以及药物运输等诸多领域.我们采用GALAMOST程序包4中的耗散粒子动力学方法,建立纳米粒子和聚合物的粗粒化模型,研究功能性聚合物金纳米粒子在选择性溶剂中的组装机理.耗散粒子动力学方法5是把所有粒子之间的相互作用归类为三个部分：分别是保守力,耗散力,和随机力,所有相互作用粒子的运动遵循牛顿运动方程：dri→/dt=vi→,dvi→/dt=∑j≠i(F→Cij+F→Dij+F→Rij)=fi→,所有的作用力都是成对(pairwise)相互作用力：F→Cij=αij(1-rij)e→ij,F→Dij=-γwD(rij)(e→ij·v→ij)e→ij,F→Rij=σwR(rij)θije→ij.我们的模拟结果得到了实验结果的证实1-3,理论与实验的结合不但有利于补充实验的不足和节约成本,还有利于深入理解组装机理和组装内在驱动力等问题.

关键词：聚合物纳米粒子计算机模拟

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超卤素阴离子与杯四吡咯(calixpyrrole)复合物的理论研究

超卤素阴离子与杯四吡咯(calixpyrrole)复合物的理论研究

引用

第十二届全国量子化学会议

作者：梁万明李莹吴迪吉林大学理论化学研究所理论化学计算国家重点实验室长春130023

离子束缚是众多化学及生物化学现象的重要过程之一.calix[4]pyrrole 及其衍生物与阴离子的结合能相对较大,尤其对不同种类的阴离子具有相对选择性,因而成为当前研究最为广泛的阴离子接收体.超卤素(superhalogen)是电子亲和势比卤素原子...

离子束缚是众多化学及生物化学现象的重要过程之一.calix[4]pyrrole 及其衍生物与阴离子的结合能相对较大,尤其对不同种类的阴离子具有相对选择性,因而成为当前研究最为广泛的阴离子接收体.超卤素(superhalogen)是电子亲和势比卤素原子更高的一类基团或分子.它们极易得到电子而通常以阴离子形式存在.超卤素的阴离子例如BF4-、AlCl4-、AsF6-等已经在气相分子和晶体固体中被检测到可以稳定的存在.近年来,对于超卤素的理论和实验研究取得了一系列新的进展.与卤素原子相比,超卤素表现出结构更丰富、性质更特殊等特征.我们通过密度泛函理论(DFT)方法对calix[4]pyrrole 分子与不同形状超卤素阴离子(LiF2-,BeF3-,BF4-)的复合物进行了研究,分别得到了不同作用方式下的多种异构体.通过计算M-…calix[4]pyrrole(M = LiF2,BeF3,and BF4)体系的分子间结合能,比较了calix[4]pyrrole 对超卤素和卤素阴离子的束缚强度.系统分析了体系的结合能和分子间结合方式、超卤素的电子亲和势及其形状的相互依赖关系.此外,通过比较此类超原子复合物和calix[4]pyrrole—卤素阴离子复合物的光谱性质,旨在为相关实验研究提供理论依据.

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