理解、预测并控制蛋白质在界面的吸附取向和构象行为对于蛋白质表面相关应用具有重要的意义。分子模拟是在分子和原子水平上提供复杂过程细节信息的有效手段。本论文建立了预测蛋白质在表面吸附取向的新算法,探索了通过外加电场调控蛋白质吸附行为的机理和可能性,并阐述了表面阻抗蛋白质吸附的机理。1.在蛋白质吸附模拟研究中,优势吸附取向的确定是研究后续吸附构象变化的前提。针对目前模拟研究中缺乏准确快速地确定蛋白质吸附取向算法的问题,本文开发了基于温度参数的并行退火蒙特卡罗(PTMC)算法以在一次模拟中得到蛋白质吸附的全局最低能量取向和取向分布。将PTMC算法应用于模拟溶菌酶在不同表面电荷密度(SCD)和溶液离子强度(IS)条件下的吸附取向时,结果如下:(1)在负电表面,当静电吸引相互作用主导时,溶菌酶主要以“侧立”(“side-on”)取向吸附在表面上。该取向中溶菌酶的活性部位朝向侧面,结合位点位于Lys1、Lys33和Lys116一侧,而Lys13、Lys96和Lys97一侧则暴露于溶液中。随着范德华相互作用贡献的增加,“背立”(“back-on”)取向逐渐成为优势取向。该取向中溶菌酶的活性部位朝向外侧。(2)在正电表面,当IS很小时,由于静电排斥作用较强,溶菌酶不能吸附到表面上。当溶液离子强度增大时,由于离子对静电排斥作用的屏蔽,溶菌酶能够以“端立”(“end-on”)和“背立”取向吸附在表面上。(3)模拟结果与实验结果非常相符,验证了PTMC算法在确定蛋白质吸附取向上的准确性。2.在基于温度参数PTMC算法的基础上,我们将副本交换扩展到基于SCD和IS参数空间的哈密尔顿(Hamiltonian)副本交换MC(REMC)算法以进一步提高模拟效率。将该算法应用于生物技术中有广泛应用的葡萄糖氧化酶(GOx)的吸附取向研究时,发现:(1)在正电表面,当静电相互作用占绝对优势时,GOx主要以“站立”(“standing”)取向吸附在表面上;当范德华相互作用主导时,GOx可能的吸附取向增加,不利于保持生物活性的“前躺”(“front-lying”)取向成为优势取向。(2)在负电表面,由于GOx表面电荷密度分配极为不均,局部带较强的正电,因此受溶液离子强度的影响较小,主要以“背躺”(“back-lying”)取向吸附在表面上。(3)GOx在静电主导情况下的吸附取向(“站立”或“背躺”)易于保持生物活性,且取向分布单一,但在应用中以GOx在正电表面的吸附为优。3.在确定蛋白质在表面优势取向的前提下,就能通过分子动力学(MD)模拟对蛋白质吸附的细节进行进一步研究。考虑到外界因素调控的方便灵活性以及多数蛋白质对电场(EF)的响应灵敏性,我们用MD模拟考察了外加电场下溶菌酶在负电表面的吸附行为。模拟显示在高外加正电场下溶菌酶吸附得到了明显的加速,在高外加负电场下则受到了明显的阻碍。然而,电场对蛋白质吸附的促进或抑制效应并不是随电场强度单调变化的,这可能是由于溶液中正离子与溶菌酶在表面的竞争吸附造成的。吸附位点分析表明溶菌酶分子中的带正电残基Arg和Lys对吸附有主要贡献,残基与表面羧基官能团通过氢键连接。在外加电场下,溶菌酶以“侧立”取向吸附在表面上。不同电场强度下的“侧立”取向吸附细节不同,但吸附位点都是位于溶菌酶分子中的残基Lys1、Lys96和Lys97一侧。构象分析显示过高强度的电场将导致分子构象的畸变,而较低强度的电场对蛋白质构象的影响不一。特定强度的电场可能对蛋白质构象具有稳定作用。由于在外加电场下,蛋白质的偶极会作出一定的响应以耦合电场的强度和方向,这种耦合可能使蛋白质原本柔性的一些区域得到稳定,从而限制这些区域的构象变化。4.理解表面阻抗蛋白质吸附机理将对实验中合成抗吸附材料非常有益。我们用MD模拟了神经介肽B(NMB)在磺酸甜菜碱自组装单分子膜(SBT-SAM)、OH-SAM和CH3-SAM表面上的吸附。表面和水分子力曲线表明,表面结合水对表面阻抗蛋白质吸附起主要贡献,但表面本身也可能对蛋白质显示一定的阻抗性能。对于SBT-SAM,表面本身对接近其的多肽NMB先施加一个较强的排斥力,当多肽逾越了这个能垒之后,表面才显示很小的亲和性;表面结合水则对NMB在较宽的范围内产生很强的排斥力。因此SBT-SAM具有良好的阻抗蛋白质吸附性能。对于OH-SAM和CH3-SAM,表面力曲线显示很低或几乎没有排斥力,而显示很强的吸引力;表面结合水只在接近吸附距离的较小范围内才显示一定的排斥力。多肽、水以及表面的结构和性质的分析结果表明SBT-SAM附近的结合水与表面形成大量的氢键,从而使界面附近水的流动性大大降低。这层紧密结合的水分子层有效地减少了多肽与表面的直接接触。同时,SBT-SAM表面堆积密度小,链柔性大,表面产生的空隙使得水分子可以渗透到SAM内部形成氢键网络并增加表面的亲水性,从而削弱表面对多肽的亲和性。结果表明三种表面阻抗蛋白质吸附的能力大小顺序是SBT-SAM > OH-SAM > CH3-SAM。