第32卷第6期电子科技大学学报Vol.32No.62003年12月JournalofUESTofChinaDct.2003胆固醇分子强电场效应的从头算理论研究*1廖小丽2徐向刚3肖瑾4江山(1.电子科技大学物理电子学院成都610054;2.电子科技大学生命科学与技术学院成都610054;3.四川大学化学学院成都610065;4.四川大学口腔医学院成都610041)【摘要】采用GAMESS程序中的从头计算方法并引入有限场计算，计算和讨论了细胞膜中的胆固醇分子在静息电位所产生的强电场作用下，分子的几何构型和电子结构的变化，并对电场为零时情况进行了比较。分析结果表明在强电场作用下，胆固醇分子的几何构型变化不大，但电子结构发生较大变化。该结果为处于细胞膜固有强电场作用下的生物分子的微观理论研究提供了有利证据。关键词细胞膜;胆固醇分子;静息电位;强电场中图分类号R318.021文献标识码ATheoreticalResearchofEffectonCholesterolMoleculeunderHighElectricFieldJiangShan1LiaoXiaoli2XuXianggang3XiaoJin4(1.SchoolofPhysicalElectronics,UESTofChinaChengdu610054;2.SchoolofLifeScienceandTechnology,UESTofChinaChengdu610054;3.CollegeofChemistry,SiChuanUniversityChengdu610065;4.CollegeofStomatology,SiChuanUniversityChengdu610041)AbstractUsingabinitiomethodofGAMESSprogram,wecalculateandanalysethechangesofmoleculargeometryandelectronstructureofcholesterolmoleculeinthecellmembraneunderthehighelectricfield,andcomparetheresultswiththoseundertheE=0.Theresultsillustratethatmoleculargeometrybecomessomewhatdifferent,butelectronstructureschangealittle.Theseresultsprovidestrongsupportsforthemicroscopictheoreticalstudyofbio-moleculeundertheinherenthighelectricfield(producedbyrestingpotential)ofthecellmembrane.Keywordscellmembrane;cholesterolmolecule;restingpotential;highelectricfield细胞膜主要由脂质分子及膜蛋白构成[1]，其中脂质分子的组成、在膜上不对称分布及相关的生物物理特性、排列及动力学特征，对维持膜的正常结构、调节膜蛋白的结构与功能具有重要作用，同时能够影响膜的免疫学特性、细胞的分化与细胞识别、膜信号接收及跨膜信号传递。如果细胞膜的磷脂/胆固醇比值降低，膜的微粘滞性升高(即流动性降低)，膜脂更加有序，并可间接影响Ca2+等离子通道。膜脂质的构成，尤其是胆固醇的含量，对膜的多种生物物理特性(如膜脂质的流动性，跨膜电位等)及膜蛋白的结构与功能具有调节作用。在相变温度以上，胆固醇含量的增加，可增加膜脂的有序性，抑制磷脂分子的脂肪酸链的旋转异构化运动，减少扭曲现象，使膜的流动性降低。了解细胞膜中胆固醇分子在膜电场作用下的结构与功能，有力推动细胞跨膜信号传递的分子机制研究，有助于阐明脂代谢异常所致免疫功能改变的机制。膜电位是细胞膜另一重要的生物物理特性。细胞未受刺激时存在细胞膜内外两侧的电位差(即静息电位)，表现为细胞膜内较膜外为负，比如哺乳动物的肌细胞和神经细胞的静息电位为-70～+90mV的范围，而细胞膜厚度一般为纳米数量级。经初略估计可知，细胞膜内电场强度在百万V/m数量级以上，由此可知膜2002年10月22日收稿*男24岁研究生主要从事计算生物学方面的研究730电子科技大学学报第32卷内的生物分子处在高极化状态。因此，对于细胞膜中的胆固醇分子在膜静息电位所产生的强电场作用下，对分子的几何构型和电子结构如何变化的理论研究是十分有意义的。本文主要通过对胆固醇分子键长、键角、偶极矩、电荷分布及分子振动谱的理论计算和分析，来研究其强电场效应。1计算方法对于胆固醇分子，采用量子化学程序包(GAMESS)，并引入有限场计算。在这个程序中，分子的哈密顿量中加人了P´E，P为分子的偶极矩矢量，E为外场矢量。计算方法采用量子化学中的从头计算方法[2]，基组为6～31G。分子的初始构型采用标准几何构型，先在分子力学MM1水平上进行初始优化,再利用该优化构型进行abinitio优化和计算。在无外场(E=0)和有外场存在(E=5×106V/m)情况下，优化和计算都选在RHF水平上进行，对于分子几何的优化则采用了数值Fletc...