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(yīng)器等領(lǐng)域呈現(xiàn)良好的應(yīng)用前景。闡釋外力作用下磷脂膜破裂過程的規(guī)律，對于磷脂膜和基于磷脂膜的器件設(shè)計及應(yīng)用具有重要的基礎(chǔ)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加速破裂。微管吸吮實驗表明，當(dāng)表面張力在（10～30）×10?5N·cm?1的范圍內(nèi)，磷脂囊泡就會發(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，尚難以直接通過實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力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)對于純DPPC磷脂膜，當(dāng)橫向的機械拉伸力大于?200×10?5Pa時，磷脂膜會發(fā)生不可逆的破裂。Groot等采用耗散粒子動力學(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(jié)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等采用分子動力學(xué)的方法研究了純DPPC膜中親水性孔道的結(jié)構(gòu)及磷脂膜的破裂，結(jié)果表明當(dāng)磷脂膜的表面張力低于38×10?5N·cm?1時，膜中的親水性孔道可以保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；而當(dāng)表面張力大于該值時，孔道結(jié)構(gòu)逐步擴大并最終導(dǎo)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入磷脂雙分子層并誘導(dǎo)磷脂膜破裂；而直徑大于0.7 nm的納米粒子則有助于穩(wěn)定磷脂膜。Xie等采用分子動力學(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。總體而言，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(guī)律的研究尚有待深入。

本文利用粗粒化分子動力學(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程。通過建立磷脂膜破裂臨界時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(guī)律。進一步地，提出“動態(tài)”微觀對抗理論以描述磷脂膜破裂過程的動力學(xué)，旨在為磷脂膜和磷脂膜元件的設(shè)計及其應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

分子動力學(xué)模擬與分析

模型

圖1磷脂雙層膜模型

采用Marrink等開發(fā)的Martini粗粒化力場，整個模擬系統(tǒng)包含粗粒化的磷脂分子、粗粒化的水粒子和用于平衡體系電荷的離子。磷脂分子的模型如圖1(a)所示，DPPG和DPPC磷脂分子均由12個粗粒化粒子組成。其中，DPPC分子極性頭部含有一個帶正電的膽堿基團（NC3）粒子、一個帶負電的磷酸基團（PO4）和兩個中性的甘油骨架（GL1,GL2），總凈電荷為0；而DPPG分子極性頭部含有一個中性的甘油基團（GL0）、一個帶負電的磷酸基團（PO4）和兩個中性的甘油骨架（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個疏水性的粒子組成，每個粒子代表實際的磷脂分子尾部的3個甲基或亞甲基。Martini力場中，4個水分子被粗粒化為1個粗粒化粒子，符號為W。模擬過程中用于維持模擬體系電中性的離子為粗粒化鈉離子(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,所用力場為Martini粗粒化力場，模擬采用了周期性邊界條件。控溫方法均采用了Berendsen方法，耦合常數(shù)是0.4 ps。控壓也采用了Berendsen方法，依據(jù)不同的表面張力施加速率，耦合常數(shù)控制在0.4～4.0 ps之間。控壓方法是半各向異性的，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(gòu)建過程中，模擬盒子邊長X與邊長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X和邊長Y在模擬過程中始終相等，即Xbox=Ybox。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的Martini力場，靜電相互作用和Lennard-Jones相互作用的截斷半徑均設(shè)為1.2 nm，積分步長為40 fs。

所有的模擬體系[圖1(b)]中，整個盒子有216個磷脂分子，兩個磷脂單層的磷脂分子的數(shù)目及比例均一致。對于由DPPC構(gòu)成的磷脂膜，在模擬體系中加入9028個溶劑粒子。對于由DPPC和DPPG構(gòu)成的磷脂膜，為了保證模擬體系電中性，與DPPG數(shù)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程之前，首先將模擬體系置于表面張力為70×10?5N·cm?1下，進行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(gòu)象，得到500個不同的初始構(gòu)象，作為后續(xù)破裂過程模擬的初始構(gòu)象。在磷脂膜破裂過程模擬時，將目標(biāo)耦合表面張力值設(shè)定為80×10?5N·cm?1，在NPzσT系綜條件下模擬36 ns，統(tǒng)計磷脂膜的破裂時間及其對應(yīng)的臨界破裂表面張力。

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

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

結(jié)果分析過程中，采用VMD軟件來觀察軌跡及作圖。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來完成。

結(jié)論

采用粗粒化分子動力學(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(wěn)定性，具體表現(xiàn)為破裂時間延遲、破裂時間分布展寬和臨界表面張力增加。提出了“動態(tài)”微觀對抗理論模型，并對磷脂膜的破裂過程動力學(xué)進行擬合預(yù)測。結(jié)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程動力學(xué)，再現(xiàn)分子動力學(xué)模擬結(jié)果，對磷脂雙層膜的設(shè)計和應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。