MD模拟研究电场对环肽纳米管内水...

硕士学位论文
论文题目MD模拟研究电场对环肽纳米管内
水传输特性的影响
研究生姓名李慧
指导教师姓名樊建芬
专业名称物理化学
研究方向分子设计和晶体工程
论文提交日期2014年5月
MD模拟研究电场对环肽纳米管内水传输特性的影响中文摘要
中文摘要
本文采用分子动力学（MD）模拟研究了梯度电场对跨膜环八肽纳米管以及匀强电场对跨膜环六肽纳米管内水分子运动行为的影响。

MD模拟发现跨膜环八肽纳米管8×cyclo-(WL)4/POPE可承受的轴向梯度电场的E a值为0.9 V/nm。

在E a≤0.3 V/nm的梯度电场下，管内水分子数目及其位置分布、水分子间氢键作用等没有明显改变。

当E a=0.7~0.9 V/nm时，管内扩散的水分子数目以及水分子间的氢键数目均随E a的增大明显增多，但管内水链仍以1-2-1-2结构为主。

当E a=0.9 V/nm时，填充在α-plane区域内的水分子会因氢键作用，被其相邻midplane区域的水分子拖拽，从而远离管轴排布。

管内水分子同时受到外来电场和两侧管口方向相反的偶极定向作用，随E a的增大，水分子发生定向的区域从左侧管口沿管轴逐渐向右延伸，且定向区域的偶极角度逐渐减小。

引入梯度电场后，环八肽纳米管内水分子向左、向右的跳跃速率不再相等，管内水分子产生偏向运动。

模拟发现强度E≤0.5 V/nm的匀强电场对环六肽纳米管8×cyclo-(WL)3在POPE脂质膜中的位置及其结构的稳定性没有明显影响。

当E增大至0.7 V/nm 时，环六肽纳米管结构依然保持完整，但稳定性有所下降。

当E≤0.5 V/nm时，随着E的增大，管内水分子数以及水分子间的氢键数目明显增多，水分子由最初仅出现在midplane区域变成在α-plane区域也有一定的概率分布，但当E=0.7 V/nm时，管内填充的水分子数以及水分子间的氢键数目反而下降，由此表明，管内水分子的填充状态同时受外来电场和环肽纳米管本身结构稳定性的影响。

沿+z方向的匀强电场同样使管内水分子快速定向于正偶极态。

匀强电场的引入提高了水分子在环六肽纳米管管口的跳跃速率，但降低了水分子在管内向左、向右的跳跃速率。

关键词：梯度电场；匀强电场；跨膜环肽纳米管；水传输
作 者：李慧
指导老师：樊建芬
Abstract MD Studies on the Influences of an Electric Field on Water Chain in a CPNT MD Studies on the Influences of an Electric Field on Water Movement in a Transmembrane Peptide Nanotube
Abstract
In this work, MD simulations have been performed to explore how a gradient or uniform electric field influences the water behaviors through a transmembrane octa- or hexa-PNT.
MD simulations show that a transmembrane 8×cyclo-(WL)4-PNT can withstand a gradient electric (GE) field with E a no more than 0.9 V/nm. Here, the ratio of a constant (E a) and the z-directional length (L z) of the simulation box was used to indicate the gradient of a GE field. Under a GE filed with E a≤0.3 V/nm, no significant changes of the number and array of channel water and H-bonds between them are observed. As E a increases from 0.3 to 0.9 V/nm, the number of channel water and H-bonds increases with the augment of E a. Nevertheless, the 1-2-1-2 water chain still dominates in the channel. When E a reaches 0.9 V nm-1, a water molecule in an α-plane zone may be dragged by its neighboring water molecules in a midplane region, resulting in its significant deviation from the channel axis. Channel water molecules simultaneously suffer the opposite orientation affects from the ambient (the bare carbonyl groups at two mouths of the tube and phospholipid heads) and the introduced gradient electric field. With the augment of the gradient, the dipoles of channel water are gradually oriented along the tube axis in the sequence from gap 1 to 7. Besides, under a GE field, the rightward and leftward hopping rates of channel water are no longer equal to each other. Namely, channel water performs an asymmetric
MD Studies on the Influences of an Electric Field on Water Chain in a CPNT Abstract transportation.
MD simulations show that a uniform electric (UE) field with an intensity (E) no greater than 0.5 V/nm doesn't have significant influences on the position in POPE and the structural stability of a transmembrane 8×cyclo-(WL)3-PNT. When E reaches 0.7 V/nm, the structral instability of the tube begins to appear although the PNT framework still remains. Under a UE field with E≤0.5 V/nm, the numbers of channel water and H-bonds between them increase with the augment of E, and channel water changes to have a certain distribution probability in α-plane zones from its inital only occurring in midplane regions. Nevertheless, when E reaches 0.7 V/nm, the numbers of channel water and H-bonds significantly decrease, showing that the filling state of channel water in a tube is simultaneously affected by the introduced UE field and the structural stability of the tube. The introduction of a UE enlarges the hopping rates of water molecules across the tube mouths (k in and k out), but cuts down the hopping rates of channel water inside the tube (k r and k l).
Keywords:Gradient electric field; Uniform electric field; Transmembrane peptide nanotube; Water transportation
Written by Hui Li
Supervised by Jianfen Fan
目录
第一章绪论 (1)
1.1 课题研究背景 (1)
1.1.1 环肽纳米管及模拟生物通道蛋白 (1)
1.1.1.1 环肽纳米管简介 (1)
1.1.1.2 环肽纳米管模拟生物通道蛋白研究进展 (2)
1.1.2 生物体系中电场的形式以及MD模拟中施加电场的方法 (3)
1.1.2.1 生物体系中电场的形式及其作用 (3)
1.1.2.2 MD模拟中施加电场的方法及其应用 (3)
1.1.3 电场对纳米通道内水分子运动行为的影响 (5)
1.1.3.1 电场下纳米通道内水分子数、水链偶极及水流量的改变 (5)
1.1.3.2 电场下纳米管内水分子的渗透与扩散 (8)
1.1.4 电场环境下的MD模拟研究中尚待解决的问题 (9)
1.2 课题的提出及研究内容和目标 (10)
参考文献 (11)
第二章研究方法简介 (16)
2.1 分子动力学模拟简介 (16)
2.2 分子动力学模拟的理论基础 (16)
2.2.1 MD模拟基本原理 (16)
2.2.2 分子力场 (18)
2.2.3 周期性边界条件与最近镜像约定 (19)
2.2.4 MD模拟的系综 (20)
2.3 分子动力学模拟的步骤 (21)
2.4 NAMD和VMD软件简介 (22)
参考文献 (26)
第三章梯度电场对环八肽纳米管内水链的影响 (28)
3.1 引言 (28)
3.2 模型构建和研究方法 (29)
3.2.1 模型的构建 (29)
3.2.2线性梯度电场（GE）的引入 (31)
3.2.3 分子动力学模拟参数设置 (32)
3.3 结果讨论 (33)
3.3.1 梯度电场对环八肽纳米管内水分子填充状态的影响 (33)
3.3.2梯度电场对水链偶极取向的影响 (35)
3.3.3 梯度电场对水分子轴向和径向分布的影响 (38)
3.3.3.1管内水分子的轴向分布 (38)
3.3.3.2管内水分子的径向分布 (40)
3.3.4 环八肽纳米管内水分子的移动性 (44)
3.3.5 环八肽纳米管内水分子的跳跃速率 (45)
3.4本章小结 (51)
参考文献 (52)
第四章匀强电场对环六肽纳米管内水链的影响 (55)
4.1 引言 (55)
4.2 模型构建和模拟细节 (56)
4.3 结果与讨论 (57)
4.3.1 匀强电场对环六肽纳米管结构稳定性的影响 (57)
4.3.2 匀强电场对环六肽纳米管内水分子填充状态的影响 (59)
4.3.3 匀强电场对水分子进出管口及在管内跳跃速率的影响 (64)
4.4 本章结论 (66)
参考文献 (67)
全文结论 (68)
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文 (70)
致谢 (71)
第一章绪论
1.1 课题研究背景
1.1.1 环肽纳米管及模拟生物通道蛋白
1.1.1.1 环肽纳米管简介
环肽纳米管是由氨基酸构成的人工纳米材料。

1993年，Ghadiri小组[1]首次合成了由偶数个D-和L-α-氨基酸交替连接形成的环肽分子，之后又通过环肽间氢键自组装形成具有中空管状结构的环肽纳米管（Peptide Nanotube，简称PNT）。

在环肽纳米管中，环肽分子取平面结构，以β-片层反平行方式堆叠，分子间通过骨架中垂直于环肽平面的C=O和N-H基团形成氢键网络（如图1.1所示），以维持环肽纳米管的稳定性[2]。

相邻环肽分子之间的距离约为4.7~4.8 Å。

骨架α-碳上的取代基平行于环面并且向环外伸展，由此可以减小氨基酸侧链之间的空间位阻。

(a) (b)
图1.1环肽分子cyclo[-(Gln-D-Ala-G1u-D-Ala-)4]（a）及自组装形成的环肽纳米管的结构示意图（b），环肽分子取平面结构，平面间通过氢键连接（虚线）[2]。

除了α-氨基酸外，β-、γ-、δ-、ε-氨基酸等也用于环肽纳米管的合成。

环肽
1
纳米管的管径可由环肽分子中氨基酸的个数及其种类来调节，但是管径尺寸也不是没有限制的，当管径太小时，环内产生的环张力不利于环肽结构的稳定，太大时，形成的骨架容易变形，也不能形成比较稳定的环肽纳米管结构。

研究表明6、8、10和12个α-氨基酸组成的环肽分子构建的环肽纳米管的孔径分别约4.2、7.5、10和13 Å，其中环八肽纳米管的比较稳定。

通过改变氨基酸种类或修饰某些基团可以调控环肽纳米管内外壁的性质。

选择疏水性强的残基可以获得具有疏水性外壁特征的环肽纳米管，由此实现纳米管在脂质膜中的嵌入，形成跨膜纳米通道。

1.1.1.2 环肽纳米管模拟生物通道蛋白研究进展
生物膜内的蛋白通道结构复杂，深入研究生物通道的机制非常困难，目前为止，水分子进出细胞膜水通道蛋白的具体工作机制尚不明确，阻止质子转运的原因也有待探明。

因此，大量研究都采用简单的人工纳米通道作为模型来探讨生物通道的基本特性。

环肽纳米管具有良好的生物相容性、可调控的生物降解性，带有疏水性侧链的环肽纳米管可以插入脂质双分子层，在模拟跨膜生物通道上具有明显的优越性。

Engles 等人[2]研究了水分子在环八肽纳米管10×cyclo-[-(Gln-D-Ala-G1u-D- Ala)4] 中的结构和性质，研究发现，水分子能够通过并且充满纳米管，且在管中呈现1-2-1-2的水链结构。

Tarek等人[5]将环八肽纳米管cyclo-[(L-Trp-D-Leu)3-L- Gln-D-Leu] 嵌入脂质膜内形成跨膜通道，研究发现纳米管在模拟过程中会发生倾斜。

Kim等[7]测量了倾斜角度约为39°。

Shamala和Balaram课题组[8]发现直径为5.2 Å的肽纳米管不能传输水分子，7.5 Å的的环肽纳米管中水分子以单链形式传输。

本课题组[9-11]用分子力学和分子动力学模拟获得了环六、环八、环十肽纳米管（8×(WL)3,4,5/POPE），用柱状分布函数（CDF）计算得到有效半径分别为3.4 Å、4.6 Å、5.8 Å。

研究发现水分子都能填充在上述尺寸的环肽纳米管中，并且在环六肽管中呈单链分布，在环八肽管中呈现1-2-1-2构型排布，在环十肽管中呈现类似体相的排布。

环肽纳米管具有中空管状结构，除了作为水通道之外，也常被用作离子通道。

Ghadiri等第一次验证了环肽纳米管作为离子通道的可能性[12]。

随后他们采用D,L-氨基酸环肽和带有离子化侧链的环肽异聚自组装形成环肽纳米管，在纳米管
一端的环肽分子上引入正或负电荷，使得环肽纳米管的电荷分布不对称，从而获得离子整流性和偶极矩，来调节环肽纳米管的离子选择性和传导率[13]。

1.1.2 生物体系中电场的形式以及MD模拟中施加电场的方法
1.1.
2.1 生物体系中电场的形式及其作用
对于各种生命而言，跨膜水通道扮演着重要角色[14-16]。

水通道普遍存在于动、植物及微生物中，不同水通道蛋白质之间具有类似特征。

在生物水通道以及细胞膜内外，都有电荷存在，如带电荷的氨基酸、钠钾离子等。

且AQPs上极化的羰基(C=O)或带正电的精氨酸(Arg)等也会产生不均匀电场[19-21]（如图1.2所示）。

研究发现电荷产生的电场不但减小了跨膜通道的质子渗透性，而且维持了膜内外水分子交换的稳定性[17-21]。

图1.2 水通道蛋白GlpF的单体结构示意图，其中M3/M7半螺旋结构产生静电偶极子（红色圆圈表示负电荷，蓝色表示正电荷），从而形成了穿过水通道蛋白
的电场[21]。

1.1.
2.2 MD模拟中施加电场的方法及其应用
近年来，随着分子动力学（MD）模拟技术的发展以及计算机硬件水平的提升，许多研究者应用MD方法，建立生物通道蛋白模型模拟生物体系，通过在管壁或管外施加电荷、在纳米通道两侧的水相中加入离子或带电荷的氨基酸或直接施加电场等方法来研究生物体系中电荷对通道内水分子行为的影响机制[19-24]。

受
3
此启发，人们试图通过各种产生电场的方法，来控制水分子在纳米通道中的行为，从而实现各种各样的应用[25-32]。

直接施加电场可通过GROMACS[40,42]和NAMD[33-34,44]等模拟软件完成。

可以施加沿着纳米管管轴[35-44]或垂直于管轴[33,43,44]的电场。

电场强度可以不随时间变化（静电场）[38-44]，也可以随时间交替变化（交变电场）[33-47]。

沿着管轴方向，电场强度可以是均一的（匀强电场）[33-46]，也可以是呈直线梯度变化的（梯度电场）[42]。

许多研究者采用结构相对简单的碳纳米管（CNTs）来模拟复杂的AQPs[24,30-32,47-52]。

Zhu等[47]在碳纳米管两端及中间碳原子上设置正负电荷，由此来模拟生物通道上的电荷分布。

Gong等[30]则在CNTs管外沿管轴方向设置三个位置不对称的离散电荷，通过管两端产生的不对称电势驱动单向水流，形成了在分子尺寸上可控的水泵。

之后，该水泵在理论上得到了证明[53]。

Hinds[54]进一步讨论了如何将这种设计转变成宏观尺寸上的应用。

Tu等[31]在CNTs管口的碳原子上引入正电荷（+e）或负电荷（-e），由此调节管内正对着电荷的“monitored-water”的偶极方向，并进一步控制由氢键相连的水链中其它水分子的偶极方向，如此将管一端的电荷信号通过水链传递到管的另一端，再变成电荷信号，从而实现信号的传输和放大。

当管一端的电荷由正（负）变为负（正），管内的水链会在皮秒时间内改变偶极方向，从而实现信号的转变[31,55]。

这一信号传输机制，有望用于某些带连续电荷的大分子片段的结构检测[55]。

当“monitored-water”与管外电荷间的静电相互作用（P wc）等于与管内邻近水分子间的静电相互作用（P ww）时，水链才能稳定定向。

Li等[32]将点电荷置于CNTs的管外，通过改变电荷与管外壁之间的径向距离（δ），来调整这两种静电作用能的差值P ww-P wc。

研究发现，差值越大，水流量越小。

当0.25 Å≤δ≤0.75 Å时，流量（流量：每纳秒从管一端进另一端出的水分子数总和）与P ww-P wc成直线关系[32,52]。

因此，纳米管外的单个电荷可以成为纳米管的水流开关。

Liu 等[56]将12个电荷形成的电荷环固定在CNTs底端，模拟发现，在水渗透的初始阶段，电荷的静电吸引作用降低了水分子进入通道的能垒，但是随后，由于电荷与水分子间的相互作用，在管口内壁形成溶剂层，减小了渗透的有效半径，由此增大了水分子渗透进入管道的能垒。

Huang等[57]给管径较大的单壁碳纳米管
（SWNTs）的每个碳原子分配等量电荷后，发现水分子沿着管内壁形成了一层结构规整的溶剂层，随着电荷量的增大，水分子填充速率越大，流速却越小，由此，SWNTs可以成为稳定的存储器。

Jorge等[58]设计了四种带电荷的环肽管帽，并初步探索了将它们自组装于环肽纳米管（PNTs）一端的可行性，并试图通过这一设计来调整环肽纳米管的运输性质。

Zhang等[59]将（20,20）CNT插入（40,40）CNT，并在CNT成对角线的碳原子上交替设置正负电荷（整个CNT呈电中性），（20,20）CNTs的转动会通过两个CNTs中间填充的水分子带动（40,40）CNTs 旋转。

当（20,20）CNT的转速恒定，（40,40）CNT的转速会随着电荷量（≤1.0e）的增大而增大，从而形成可调速的传动装置。

Dzubiella等[60,61]模拟细胞膜内外的生理溶液，将纳米通道嵌入脂质膜内，并在膜两侧的水相中分别加入16个Clˉ和16个Na+，设定离子不能渗透。

由于异侧水相中正负离子间的相互吸引，使得离子在膜表面附近聚集，于是在纳米管内形成了近于恒定的电场，并且可以通过离子的数量来调节电场的强度。

此外，他们还在阴离子数目相同的两侧水相中分别加入数目不相等的阳离子（两侧阴、阳离子总数相等，以确保体系呈电中性），并允许离子渗透。

模拟发现，阳离子会从浓度较高的一侧通过纳米管渗透到浓度较低的一侧，与此同时，纳米管内的电场强度随之减小，直到不足以维持通道内填充水分子，最后水分子会逐渐排空，离子也不再渗透，由此形成了调节水和离子渗透的电压开关。

随后，Hub等[22]应用类似的模型研究了生物体系中的电压调节水流通过AQPs的机制。

Suk等[62]在氮化硼纳米管（BNNTs）两侧的水相中分别加入带正电荷的赖氨酸(Lys)和带负电荷的天冬氨酸(Asp)，同样，纳米管中会产生电场。

此外，他们还利用不对称水相（一侧为纯水，另一侧溶有氯化钾且施加压力），来产生逆渗透压的水流。

当电场方向与逆渗透压的水流方向一致时，电场起到增大水流的作用，反之，电场起到减弱水流的作用。

1.1.3 电场对纳米通道内水分子运动行为的影响
1.1.3.1 电场下纳米通道内水分子数、水链偶极及水流量的改变
水分子数的变化。

纳米管中，水分子间由紧密的氢键连接形成完整的水链，断开的水链结构具有较高的能量，因此，管中水分子主要处于填满或排空状态[51,60,63-64]。

施加匀强电场后，由于电场降低了填充状态的自由能垒，使得水分子
5
更易填充管道[64]。

两侧水相中正负离子产生的电场会减小临界半径Rc（水分子能够渗透进入的最小通道半径），并且使得水链氢键网络发生变形，导致电致伸缩效应（平均密度增大，介电常数减小）[60]。

纳米管外点电荷产生的局部电场会打断单水链中的部分氢键（即邻近的两个水分子之间的距离大于3.5Å），常用打断率（被打断的水分子对数和水分子总对数之比）来定量表示[21,65]。

纳米管内水分子排空和填充状态之间的变更，可以看成水的气-液相变[60]。

Fu等[41]研究了电场对纳米通道内水的固-液相变的影响，研究发现，当液态水凝固时，电场的存在会诱导纳米管内水分子重新排列，形成在该电场下最稳定的氢键网络，随着电场强度的增大，会出现螺旋状的新冰相。

水链偶极的变化。

通常，定义水分子的偶极角度（θ）为水分子的偶极矩（方向为氧原子中心指向两个氢原子的质心）与纳米管管轴正方向的夹角，并且规定0°<〈θ〉<90°和90°<〈θ〉<180°分别为水分子的“正偶极态”和“负偶极态”，〈〉表示对纳米管中所有水分子取平均。

不加电场时，由于氢键的定向作用，整条单水链中的所有水分子偶极方向会保持一致，均处于“正偶极态”或“负偶极态”[50,64,70]，且由于热运动水分子处于两种状态的概率相近[40,42]。

施加沿管轴正方向的匀强或梯度电场后，随着电场强度的增加，单水链中所有水分子处于“正偶极态”的概率（P+dipole）增大，偶极翻转频率减小，偶极逐渐定向，随着处于“正偶极态”的偶极角度θ减小，水链更加对齐于管轴[40,42,44,51,62]。

管外壁存在点电荷时，由于水分子和点电荷之间强烈的静电相互作用，水链出现“双极态”[19-21,29,31,52, 64-66]，此时水链中某个水分子垂直于管轴（称为L-或D-缺陷[67-69]），其两侧的水链分别处于“正、负偶极态”，如图1.3所示。

随着管外电荷与管壁间径向距离的减小[30,32,47,52]，或者电荷带电量的增大[71]，水链处于“双极态”的概率逐渐增大。

7
图1.3水链中的D -缺陷（a ）和 L -缺陷（b ），水链中某个水分子垂直于管轴，其
两侧的水链分别处于“正、负偶极态”。

水流量的改变。

电场环境下管内水分子之间的相互作用能沿着水链“正偶极态”的方向（电场方向）逐渐减小，从而在管两端形成不对称电势[62,39-40]，或者由于旋转-平移耦合机制[72]，水分子优先向“正偶极态”方向运动，从而获得电场方向的净水流[38-40,42]。

Suk 等[62]建立了偶极定向概率P +dipole 与净流量值J 之间的定量关系。

研究者们不断改进加电场的方式，试图获得稳健的单向水流。

Gong 等[52]比较了“两个电荷”（在z=d /2 Å和-d /2 Å 处各设置0.5 e 电荷，d 为两个电荷之间的距离）和“一个电荷”的体系（在z = 0 Å处设置一个1.0 e 电荷），发现当0 Å≤δ≤0.5 Å时（δ为电荷与管壁之间的径向距离），“两个电荷”体系获得的流量值更大，且流量值随着两个电荷之间距离( d )的增大而增大。

施加电场强度≥0.07 V/nm 的匀强电场时，通过（6,6）SWNT 的净流量约1.1~1.2 ns -1[40] 。

当匀强电场强度≥1.0 V/nm ，通过（10,0）SWNT 的净流量可达1.4~1.9 ns -1。

施加梯度电场时，随着梯度电场梯度的增大，通过纳米管的净流量几乎呈直线递增（如图
1.4所示），当梯度为1.47 V/nm 2时，通过（10,0）SWNT 的净流量可达109.2 ns -1[45]，比匀强电场下的净流量值大两个数量级，Wang 等[42]认为这是梯度电场作用在每个水分子上的净静电力不为零的结果。

对于低频率的交变电场而言，其驱动单向水流的效率与静电场类似，但高频率的交变电场的效率几乎等同于不加电场时的效率[33,34]。

(a)
(b)
图1.4 直线梯度电场和匀强电场下，通过（10,10）SWNT 的净流量，红色表示
匀强电场，黑色表示线性梯度电场[42]。

1.1.3.2 电场下纳米管内水分子的渗透与扩散
Berezhkovski 等 [73]提出水分子在纳米管中轴向扩散系数D pz 与跳跃速率k 线性相关，
22
pz a D k (1-1) 式中a 为水链结构中一个水分子在管轴方向的投影长度。

Garate 和English 等
[33-34,38]通过简化水分子在体系内的扩散模型，推导出了水分子在纳米管中的渗透速率p 与轴向扩散系数D pz 的关系式：
p pz p p A p =D K a +L (1-2)
式中 L p 为管长度，A p 为管口横截面积，K p 为水分子进入管口的跳跃速率k f 和在管内的跳跃速率k 之比。

合并（1-1）和（1-2），可以得到
22p f p
A a p =.k a +L (1-3) 式（1-1）和（1-3）表明D pz 和k 成正比，p 和k f 成正比。

根据Garate 和English
9
等[33-34,38] 对D pz 和p 的模拟计算结果，可以发现，0.065 V/nm 的匀强电场使得水分子进入(5,5) CNTs 管口的跳跃速率（k f ）增大，而对水分子在 (5,5) CNTs 管内的跳跃速率（k ）影响不大，同样大小的电场，却使得水分子进入(6,6) CNTs 管口的速率（k f ）及在管内的跳跃速率（k ）均减小。

Liu 等[10]根据量纲分析也提出了渗透速率p 与轴向扩散系数D pz 的关系式： 2pz
p <N >D p =αL (1-4)
式中<N >为管中平均水分子数，α为常数。

他们据此预测了三种不同管径的环肽纳米管中的单链、1-2-1-2水链和接近本体的水链的渗透速率p ，模拟结果验证了关系式（1-4）的有效性。

但Liu 等[10]的研究体系中没有电场，因此，该方程是否适用于电场环境还有待于进一步考证。

公式（1-2）和（1-4）不仅适用于单链水也适用于非单链水[10,33-34,38]，而关系式：
p=k /(<N >+1) (1-5) 仅适用于计算单链水的渗透速率[21,47,48,50,66,73-76]。

Zhu 等[47]应用公式（1-5）预测了电场环境下的渗透速率值，但与模拟统计值比较发现略有不同。

1.1.4 电场环境下的MD 模拟研究中尚待解决的问题
MD 模拟中参数的设置以及所选用的软件和力场都会影响到模拟的最终计算结果[21,30, 47,65,77-78]。

Bonthuis 等[78]使用GROMACS 软件进行MD 模拟时，发现一些参数的设置对电场效率有明显的影响。

研究发现，即使在很强的匀强电场（强度达1 V/nm ）下，用“shift cutoff ”截断方法计算长程作用力，得到的流量值仍为0。

当然作者也推测流量计算方法本身可能存在问题，比如在模拟之前，管中本已存在的水分子离开管，对流量也有贡献，但没有计入，或者水分子从同一端进出，对流量也有贡献，但没有计入。

因此，匀强电场是否真的能成为单向水流的驱动力，作者认为还有待于更深入的研究。

Zuo 等[65] 和Jirasak 等[77] 研究的体系与Gong 等[30]的研究体系相似，均用三个位置不对称的电荷来产生不均匀电场，但是净流量的计算值相差了一个数量级，可能由于使用了不同的软件力场以及流量计数方法。

Jirasak 等[77]设置了不同的恒温器、原子列表更新频率以及截断方法等参数，也得到了一系列不同的净流量值。

此外，电场环境中进行MD模拟时，周期性边界条件的设置也会带来一些问题。

例如，Wang等[42]将单壁碳纳米管沿z轴方向插入两个固定的石墨烯片层中间，在石墨烯片层两侧添加两个水相，给整个体系施加沿z轴方向呈线性递增的电场，如果以此作为周期性边界条件中的基本单元，体系顶端具有较强的电场，跨过顶端边界，就是重复体系的底端边界，场强立即为变为0，这样在边界处人为地引入了推动力，模拟得到的净流量值也可能因此偏大。

本文梯度电场会引入跨膜压差，而边界效应可能会使跨膜压差偏大。

但是在本文施加的最大梯度电场下，跨膜压差对纳米管内水分子的运动的影响比较小。

因此，本文暂时不考虑边界效应。

1.2 课题的提出及研究内容和目标
到目前为止，电场对纳米通道内水分子运动行为影响的相关研究大都以碳纳米管作为研究体系。

碳纳米管（carbon nanotube，CNTs）的管状结构与水通道蛋白通道有一定的类似之处，因此常被用作生物膜蛋白通道的简化模型。

然而生物跨膜通道内壁通常有一定的极性，和水分子存在相互作用，而碳纳米管的内壁则完全是非极性的，管内壁与水分子不可能有氢键作用。

相比碳纳米管，全部由氨基酸残基构造的环肽纳米管具有更优越的生物相容性，其管壁的C=O和N-H能够与通道内的水分子形成氢键相互作用[9]，更符合真实的生物水通道结构。

由具有疏水性侧链的氨基酸残基构建的环肽纳米管（PNTs）易于插入细胞膜，因此在模拟生物蛋白通道方面更显优势[2,9-11,79-80]。

生物体系中，由点电荷和离子引起的多种电场可能同时在水通道蛋白附近出现，但在MD模拟中很难同时施加多种电场。

直线梯度电场（GE）实际上是一个规则的非均匀电场，可看作各种生物电场的叠加。

目前，对环肽纳米管施加电场的研究很少，仅有的报道是电场对单链水结构的影响。

在无任何外加电场的环境中，环八肽纳米管中水分子呈现1-2-1-2水链结构，即环肽所在的α-plane平面区域平均出现一个水分子，在两环之间的midplane区域平均出现两个水分子。

目前，尚未有报道关于电场对1-2-1-2水链影响的相关研究。

本文计划利用分子动力学模拟方法，考察梯度电场下环八肽纳米管内1-2-1-2。