自然界的磷脂雙層膜由兩層磷脂單分子組裝而成，是生命活動(dòng)的重要載體。磷脂膜的生物相容性使得其在生物傳感器、仿生納濾膜和生物膜反應器等領(lǐng)域呈現良好的應用前景。闡釋外力作用下磷脂膜破裂過(guò)程的規律，對于磷脂膜和基于磷脂膜的器件設計及應用具有重要的基礎意義。表面張力是磷脂膜所受到的最重要外力之一，磷脂膜在高強度表面張力及其快速變化作用下會(huì )加速破裂。微管吸吮實(shí)驗表明，當表面張力在（10～30）×10?5N·cm?1的范圍內，磷脂囊泡就會(huì )發(fā)生破裂，磷脂囊泡破裂亦與表面張力的施加速度有關(guān)。然而磷脂膜的破裂是發(fā)生在分子尺度上的微秒級變化，尚難以直接通過(guò)實(shí)驗研究磷脂膜破裂的分子機制。分子模擬為研究磷脂膜的破裂提供了有力工具。Tieleman等利用全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現對于純DPPC磷脂膜，當橫向的機械拉伸力大于?200×10?5Pa時(shí)，磷脂膜會(huì )發(fā)生不可逆的破裂。Groot等采用耗散粒子動(dòng)力學(xué)研究了表面活性劑對張力下磷脂膜的破裂行為的影響，模擬結果顯示表面活性劑的存在降低了磷脂膜的可拉伸性并且降低了磷脂膜所能承受的最大表面張力。Leontiadou等采用分子動(dòng)力學(xué)的方法研究了純DPPC膜中親水性孔道的結構及磷脂膜的破裂，結果表明當磷脂膜的表面張力低于38×10?5N·cm?1時(shí)，膜中的親水性孔道可以保持穩定的結構；而當表面張力大于該值時(shí)，孔道結構逐步擴大并最終導致膜的破裂。Lai等的研究表明，直徑小于0.5 nm的納米粒子有助于水分子進(jìn)入磷脂雙分子層并誘導磷脂膜破裂；而直徑大于0.7 nm的納米粒子則有助于穩定磷脂膜。Xie等采用分子動(dòng)力學(xué)模擬展示了表面張力的施加速度對于純DPPC磷脂膜破裂的影響?？傮w而言，從分子水平上揭示磷脂組成對磷脂膜破裂的影響機制以及對非恒定表面張力作用下磷脂雙層膜的破裂規律的研究尚有待深入。

本文利用粗?；肿觿?dòng)力學(xué)模擬方法，考察表面張力強度為80×10?5N·cm?1條件下磷脂膜的破裂過(guò)程。通過(guò)建立磷脂膜破裂臨界時(shí)間和臨界表面張力值的分析方法，采用電中性的二棕櫚酰磷脂酰膽堿（dipalmitoyl phosphatidylcholine,DPPC）和帶負電的二棕櫚酰磷脂酰甘油（dipalmitoyl phosphoglycerol,DPPG）作為磷脂膜組分，考察表面張力施加速率以及磷脂膜組成對磷脂膜破裂行為的影響規律。進(jìn)一步地，提出“動(dòng)態(tài)”微觀(guān)對抗理論以描述磷脂膜破裂過(guò)程的動(dòng)力學(xué)，旨在為磷脂膜和磷脂膜元件的設計及其應用提供理論指導。

分子動(dòng)力學(xué)模擬與分析

模型

圖1磷脂雙層膜模型

采用Marrink等開(kāi)發(fā)的Martini粗?；?chǎng)，整個(gè)模擬系統包含粗?；牧字肿?、粗?；乃Ｗ雍陀糜谄胶怏w系電荷的離子。磷脂分子的模型如圖1(a)所示，DPPG和DPPC磷脂分子均由12個(gè)粗?；Ｗ咏M成。其中，DPPC分子極性頭部含有一個(gè)帶正電的膽堿基團（NC3）粒子、一個(gè)帶負電的磷酸基團（PO4）和兩個(gè)中性的甘油骨架（GL1,GL2），總凈電荷為0；而DPPG分子極性頭部含有一個(gè)中性的甘油基團（GL0）、一個(gè)帶負電的磷酸基團（PO4）和兩個(gè)中性的甘油骨架（GL1,GL2），總凈電荷為?1e。DPPG和DPPC磷脂分子的兩條疏水尾均分別由4個(gè)疏水性的粒子組成，每個(gè)粒子代表實(shí)際的磷脂分子尾部的3個(gè)甲基或亞甲基。Martini力場(chǎng)中，4個(gè)水分子被粗?；癁?個(gè)粗?；Ｗ?，符號為W。模擬過(guò)程中用于維持模擬體系電中性的離子為粗?；c離子(Na+)，包括鈉離子及其水合分子，帶有+1e的正電荷，直徑為0.47 nm。

模擬與分析方法

模擬軟件為Gromacs 4.5.5,所用力場(chǎng)為Martini粗?；?chǎng)，模擬采用了周期性邊界條件?？販胤椒ň捎昧薆erendsen方法，耦合常數是0.4 ps?？貕阂膊捎昧薆erendsen方法，依據不同的表面張力施加速率，耦合常數控制在0.4～4.0 ps之間?？貕悍椒ㄊ前敫飨虍愋缘?，磷脂膜的法向（即Z向）施加1.0×105Pa的恒定壓力；而磷脂膜平面（即XY平面）施加恒定的表面張力。在模型構建過(guò)程中，模擬盒子邊長(cháng)X與邊長(cháng)Y相同，在XY平面上壓力控制為各向同性，因此模擬盒子邊長(cháng)X和邊長(cháng)Y在模擬過(guò)程中始終相等，即Xbox=Ybox。依據標準的Martini力場(chǎng)，靜電相互作用和Lennard-Jones相互作用的截斷半徑均設為1.2 nm，積分步長(cháng)為40 fs。

所有的模擬體系[圖1(b)]中，整個(gè)盒子有216個(gè)磷脂分子，兩個(gè)磷脂單層的磷脂分子的數目及比例均一致。對于由DPPC構成的磷脂膜，在模擬體系中加入9028個(gè)溶劑粒子。對于由DPPC和DPPG構成的磷脂膜，為了保證模擬體系電中性，與DPPG數目相等的溶劑粒子被替換為鈉離子（Na+）。

在模擬磷脂膜破裂過(guò)程之前，首先將模擬體系置于表面張力為70×10?5N·cm?1下，進(jìn)行200 ns的模擬平衡。因為此表面張力低于磷脂膜破裂的臨界值，故而磷脂膜保持完整性。選取平衡模擬最后50 ns，每隔0.1 ns選取構象，得到500個(gè)不同的初始構象，作為后續破裂過(guò)程模擬的初始構象。在磷脂膜破裂過(guò)程模擬時(shí)，將目標耦合表面張力值設定為80×10?5N·cm?1，在NPzσT系綜條件下模擬36 ns，統計磷脂膜的破裂時(shí)間及其對應的臨界破裂表面張力。

在模擬過(guò)程中，通過(guò)改變式(1)中控壓耦合常數τP來(lái)考察表面張力變化速率對磷脂膜破裂動(dòng)力學(xué)的影響。

式中，σ(t)是t時(shí)刻磷脂膜的表面張力，σe是目標耦合表面張力值，τP是控壓耦合常數。

結果分析過(guò)程中，采用VMD軟件來(lái)觀(guān)察軌跡及作圖。體系的表面張力（σ），盒子尺寸（Xbox,Ybox,Zbox）等是通過(guò)Gromacs自帶的分析工具獲取的。理論分析及擬合中用到的程序均采用Matlab來(lái)完成。

結論

采用粗?；肿觿?dòng)力學(xué)模擬的方法研究了非恒定表面張力作用條件下，磷脂膜組成對磷脂雙層膜破裂過(guò)程的影響。研究表明，提高表面張力施加速率可加速磷脂膜的破裂過(guò)程；提高磷脂雙層膜中DPPG的比例，有利于增強磷脂雙層膜的穩定性，具體表現為破裂時(shí)間延遲、破裂時(shí)間分布展寬和臨界表面張力增加。提出了“動(dòng)態(tài)”微觀(guān)對抗理論模型，并對磷脂膜的破裂過(guò)程動(dòng)力學(xué)進(jìn)行擬合預測。結果表明該理論可以很好描述表面張力變化條件下磷脂膜的破裂過(guò)程動(dòng)力學(xué)，再現分子動(dòng)力學(xué)模擬結果，對磷脂雙層膜的設計和應用具有指導意義。