多质子在膜 - 水界面的动力学研究：解开生物能量转换中质子运动的谜题

为解决实验中质子在膜 - 水界面快速远距离运动，与计算研究中质子在脂质头部基团附近固定的差异问题，研究人员开展多质子在膜 - 水界面动力学的研究。通过 DFTB3 模拟，发现多质子存在时部分被脂质头部基团捕获，部分扩散更快，该结果有助于理解质子动力学并解释实验现象。

　　在生物的世界里，能量的转换就像一场精密的 “魔法表演”，而质子则是其中至关重要的 “魔法道具”。在细胞的能量代谢过程中，质子参与的生物能量转换起着核心作用。这一过程涉及到光化学和氧化磷酸化，在这个复杂的 “舞台” 上，电子沿着电子传递链快速传输，进而转化为化学能，最终生成三磷酸腺苷（ATP）。1961 年，Mitchell 提出的 “化学渗透理论” 更是为这一过程提供了关键的理论基础，他指出电子能量会转化为跨生物膜的质子梯度，而这个理论也让他荣获 1978 年诺贝尔化学奖。

然而，随着研究的深入，科学家们发现质子在膜 - 水界面的运动充满了谜团。从实验结果来看，质子在膜 - 水界面能够快速地进行远距离运动。比如，在研究细菌质子泵细菌视紫红质（BRho）的质子转移实验中，发现二维质子扩散比质子释放到本体更快；还有实验表明，细胞色素和 ATP 合成酶蛋白重构在小泡或巨泡膜中时，较小的蛋白间距离会使 ATP 合成速率明显更大，这意味着质子至少在 80nm 的距离内是沿着膜移动的。但奇怪的是，计算研究却给出了相反的结论。以往采用单个过量质子的计算研究发现，质子会固定在脂质头部基团附近。这种实验与理论之间的差异，就像一道横亘在科学家面前的鸿沟，亟待填补。

为了跨越这道鸿沟，来自以色列耶路撒冷希伯来大学（The Hebrew University of Jerusalem）弗里茨?哈伯研究中心（The Fritz Haber Research Center）的研究人员 Subhasish Mallick 和 Noam Agmon 开展了一项意义重大的研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先是基于自洽电荷密度泛函紧束缚方法并包含三阶能量修正（DFTB3）的模拟技术，该技术能够有效计算单质子和多质子在膜附近的情况。同时，还进行了波恩 - 奥本海默分子动力学（BOMD）模拟，以此来辅助验证 DFTB3 模拟的准确性。此外，通过模拟含有 Na⁺离子的系统作为对照，对比钠与质子在膜水化水中的扩散差异。

下面来看看具体的研究结果：

1. 初始条件：研究人员在水化的 1 - 棕榈酰 - 2 - 油酰 - 磷脂酰胆碱（POPC）膜的最终 DFTB3 平衡几何结构中，用氢离子（H₃O⁺）替换不同位置的一、二或三个水分子，进行不同的模拟实验。例如，模拟 1 中在两个不同位置放置单个过量质子；模拟 2 中在不同位置放置两个过量质子；模拟 3 中以不同排列放置三个过量质子。
2. 单质子：在模拟 1a 中，氢离子（H_a⁺）最初靠近磷酸氧原子，很快发生质子化，之后迅速逃离，接着进行平行于膜的横向扩散，最后又突然接近膜并质子化另一个磷酸基团。模拟 1b 中，质子最初在离膜较远的位置，由于初始过剩能量向膜移动，后因附近带正电的胆碱基团的静电排斥又回到本体，最终在离上叶约 10? 的位置进行横向扩散。通过计算均方位移（MSD）得到的扩散系数表明，单质子在膜 - 水界面的扩散系数在不同时间段有所不同，且都比纯水中质子的扩散系数大。
3. 多质子：模拟 2a 中，一个质子（H_a⁺）立即与最近的磷酸氧原子形成共价键并在整个模拟过程中保持附着，另一个质子（H_b⁺）最初向本体迁移，之后改变方向与上叶的磷酸氧原子结合。模拟 2b 中，一个质子与磷酸基团的共价键保持稳定，另一个质子（H_b⁺）表现出显著的横向移动性，从下叶的第二层溶剂化层迁移到第三层，最后进入上叶的第三层溶剂化层。模拟 3a 中，靠近膜叶的两个质子迅速与磷酸基团形成共价键，第三个质子（H_c⁺）在整个模拟过程中横向移动，且随着能量的变化在不同水化层扩散，在第二层水化层时横向扩散系数增大。模拟 3b 中，额外增加了一个水层，移动的质子（H_c⁺）最初在两叶中间，随后接近下叶并在其第二和第三水化层移动，而不在水层中间移动。
4. 钠模拟：模拟含有 Na⁺离子的系统发现，部分 Na⁺阳离子与磷酸头部基团相互作用，但不形成共价键，其余在水相中自由扩散。其扩散系数比在纯水中的扩散系数小，且 MSD 在整个时间范围内呈线性变化，与质子的扩散情况不同。
5. 从头算分子动力学模拟：2.8ps 的 BOMD 模拟支持了磷酸基团质子化的结论，与之前 CPMD 模拟只显示氢键形成不同。在模拟中，一个质子（H_a⁺）瞬间质子化磷酸氧原子并保持到 2.8ps，另一个质子（H_b⁺）接近膜并质子化另一个磷酸氧原子，但与模拟 2a 中的 H_b⁺不同，它在结合状态和磷酸氧原子的两个水化层之间波动。

研究结论和讨论部分指出，虽然 Mitchell 的化学渗透理论提出已有六十多年，但质子在生物膜附近如何移动以及是否移动这一基本问题仍未得到解答。研究人员利用 DFTB3 方法结合 BOMD 和钠轨迹作为对照进行研究，发现单个过量质子靠近膜时会快速向磷酸头部基团扩散，并首次观察到 PO - H⁺共价键的形成。当存在多个质子时，部分质子会使膜叶的磷酸基团质子化，额外的质子则在本体水相中横向扩散，且扩散速度比在纯水中快，在第二层水化层可能扩散最快。这些研究结果为理解质子在膜 - 水界面的动力学提供了重要依据，有助于解释相关实验现象，进一步推动了对生物能量转换过程的理解，为后续的相关研究开辟了新的方向。