二维纳米材料如石墨烯和二硫化钼,最近在生物医学应用领域引起了广泛关注。人们对二维纳米材料的生物安全性也日益关注。因此,加深对二维纳米材料和蛋白质相互作用机理的理解,可以帮助人们在生物医学应用中合理地使用二维纳米材料。分子动力学(MD)模拟方法已被广泛用于研究纳米材料与生物分子的相互作用。MD模拟不仅可以揭示这些相互作用的机理,而且能提供实验中难以观察到的纳米尺度信息。因此,本论文采用MD模拟方法,研究了两种二维纳米材料(石墨烯和二硫化钼)与蛋白质的相互作用机理。首先我们采用全原子分子动力学模拟方法,系统研究了二硫化钼纳米片与钙调蛋白的结合过程及背后的物理机制。钙调蛋白存在于几乎所有的真核细胞中,主导着钙离子信号传导机制。通过结合与释放钙离子,钙调蛋白会改变构象来与多种靶蛋白结合成复合物。我们发现二硫化钼会破坏钙调蛋白的结构稳定性。吸附过程中,二硫化钼会阻碍未与钙离子结合的钙调蛋白的构象调整,使钙调蛋白不再受钙离子调控。二硫化钼与钙调蛋白较强的范德华作用和疏水相互作用是影响蛋白质动力学行为的主要驱动力。我们的研究表明,二硫化钼对蛋白质潜在的纳米毒性不仅局限于破坏蛋白质结构,而且源于对蛋白质动力学行为的抑制作用。接着我们研究了多聚谷氨酰胺(polyQ)在石墨烯和二硫化钼纳米片上的吸附行为。先天无序的亨廷顿蛋白中,1号外显子编码的polyQ长度与亨廷顿舞蹈症的发病年龄呈显著的负相关性。当polyQ的长度超过40,会自发积聚形成致密的结构,进而诱发亨廷顿症。通过研究Q22(正常长度)和Q46(诱发亨廷顿症的典型长度)这两种polyQ与石墨烯、二硫化钼的结合过程,我们发现polyQ的构象变化存在长度依赖性。Q22在石墨烯和二硫化钼表面表现出类似的结合模式(石墨烯表现出更强的效果),无论初始构象如何,都能达到伸展状态。初始构象是聚集状态的Q46吸附到纳米材料表面后,大多仍保持聚集,尽管石墨烯和二硫化钼能使Q46拉伸一部分。进一步的能量和氢键分析表明,在结合过程中,Q22和Q46构象变化的差异归因于polyQ内部相互作用(主要是内部氢键)与polyQ侧链-纳米片之间相互作用的激烈竞争。我们的研究表明,不同长度的polyQ与两种二维纳米材料结合过程中的动力学行为存在差异,这在未来亨廷顿症的临床治疗领域有潜在的应用价值。综上所述,我们使用MD模拟方法来研究不同的二维纳米材料与有代表性的蛋白质之间的相互作用。我们希望这些研究可以为深入了解二维纳米材料和蛋白质相互作用机理以及材料潜在的生物医学应用提供理论借鉴。