从实验和分子模型方法研究甘氨酸及其寡聚物的表面相互作用

1. 目标

甘氨酸是简单的天然氨基酸，作为多肽、蛋白质和多种生物代谢物前体等生物分子的基石，具有巨大的生理意义。

了解这些分子的表面相互作用变得很重要，因为这些可能会影响它们的生物反应性，不同生物过程中的结合相互作用和生物分子的功能。

2. 方法

甘氨酸(Gly),双甘氨酸(DiGly),三甘氨酸(TriGly),四甘氨酸(TetraGly)和五甘氨酸(PentaGly)用来研究链长度对表面性能的增量效应。

•表面能表征

表面能分析使用的是IGC（反气相色谱法）技术。本研究使用的是英国SMS公司的iGC-SEA表面能分析仪，它是替代反气相色谱仪的专门用于表面能分析的仪器。约250-500mg样品加到各自的硅烷化玻璃样品柱(300mm长，内径4mm)，无限稀释的IGC实验条件为30˚C，0%RH，来确定甘氨酸及其寡聚物的表面能。

对于水相互作用研究,IGC实验湿度条件为(0%-50%RH).样品柱在设定温湿度条件下预处理2h。

•表面-水相互作用模型

利用HABIT98实现的附着能模型计算出稳定的表面终止，其中附着能较小的终止被认为是稳定的。利用Dreiding原子间力场确定了在主要的晶习面暴露的相互作用的强度和性质(极性或色散)。通过使用SURFACE搜索程序，我们可以估算出与水相互作用的主要晶习，该程序在晶体表面创建网格，并找到探针水分子与表面有利的相互作用。利用Dreiding原子间势计算了探针-表面相互作用。

3. 结果

•在0%RH条件下，IGC法表征Gly、DiGly和TriGly的非极性或色散(γd)组分在44-46 mJ/m2左右，保持相近。TetraGly和PentaGly的非极性或色散(γd)组分在49-50mJ/m2左右。相比之下，单体(Gly)的γAB显著增加，从3.9 mJ/m2增加到相应的五聚物(Pentagly)的14.6 mJ/m2(图1和图2)。

•湿度研究表明，湿度的变化对甘氨酸的表面能没有影响。另一方面，对于三甘氨酸、四甘氨酸和五甘氨酸，表面能的γd和γab分量随着湿度的增加而降低(图1)。

•五甘氨酸的表面能下降明显，色散表面能从0%RH时的50.5mJ/m2降至50%RH时的40.7mJ/m2，γab从14.6 mJ/ m2降至50%RH时的6.3mJ/m2(图1)。

•模拟结果表明，在链长度不断增加的甘氨酸的主要晶习面上，氢键位点的增加和可用位点的增加使这些表面对水分子更具吸引力。因此，这可能与较长链的寡聚物表面能的更显著变化有关(图3)。

图3水与二甘氨酸和三甘氨酸表面化学的相互作用

4. 结论

•随着甘氨酸及其短寡聚体中极性肽键的增加，γAB表面能呈指数增长趋势。

•长链甘氨酸寡聚物(Pentagly)对水分的敏感性更高，表明它们对水的相互作用具有大小依赖的亲和性。

•结果表明，这些分子的极性官能团自由能可能随链长度的增加而增加。

•在分子水平上，对水相互作用的研究暗示了这些分子发生构象变化的可能性，从而影响了它们与周围环境的表面相互作用倾向。

参考文献

1] Mellon, E. F.; Hoover, S. R.Hygroscopicityof Amino Acids and ItsRelationship to theVaporPhase Water Absorption of Proteins2,3.Am. Chem. Soc.1951,73(8),3879–3882.

2] Afrin, R.;Ganbaatar, N.;Aono, M.; Cleaves Ii, H. J.; Yano, T.-A.;Hara, M. Size-Dependent Affinity of Glycine and Its ShortOligomers to Pyrite Surface: A Model for Prebiotic Accumulationof Amino Acid Oligomers on a Mineral Surface.Int. J. Mol. Sci.2018,19(2), 365.

3] Wolfenden, R. Waterlogged Molecules.Science (80-. ).1983,222(4628), 1087–1093.