To characterize the dynamics of fullerene penetration into the
bilayer, we calculated the local diffusion coefficients along the
bilayer normal D(z) and the local resistances R(z) (Fig. 1).
Fullerene diffuses in the bilayer more slowly than in bulk water.
The local diffusion coefficients for fullerene are about one order
of magnitude less than for small molecules27,29. The diffusion rate
drops by over an order of magnitude in the head group
region. Fullerene permeability is 6 1022 cm s21 at 300 K,
higher than for water30 and about two orders of magnitude lower
than for benzene29.
Unbiased simulations confirm that monomeric fullerene placed
in bulk water spontaneously enters the bilayer within a few hundred
nanoseconds. Fullerene rapidly passes the lipid head group region
(average time, 500 ps) and then moves more slowly towards the
lipid tails region (Fig. 2a). Inside the bilayer, it dwells within
about 1 nm of the centre and translocation outside is never
observed, consistent with the large energy barrier for transfer
from the bilayer to water. We performed additional simulations
of fullerene permeation in a dipalmitoylphosphatidylcholine
(DPPC) lipid bilayer. Translocation kinetics and thermodynamics
did not show significant differences between the two model
membranes (see Supplementary Information).
To investigate fullerene aggregation and its effect on
permeability, we performed 22 simulations (4 ms each) of a large
dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) bilayer with 16 fullerenes.
Fullerene molecules were initially placed either close to the
centre (5 simulations), close to the lipid head group region
(5 simulations) or in bulk water (12 simulations). In the water
phase, fullerenes aggregated into a large cluster within hundreds
of nanoseconds. In two simulations the clusters included all 16
molecules and did not penetrate the membrane within the
simulation time. In all other cases (10 simulations), smaller
clusters of up to ten molecules formed, which penetrated the
bilayer (Fig. 2b). The average waiting time for the penetration of
fullerene aggregates in the bilayer was 1 ms. The first step of
fullerene translocation is the formation of a small pore in the
lipid head group region. This free space is readily filled by one
fullerene (protruding from the aggregate; Fig. 2b, 768 ns).
Averaging over ten simulations, the lifetime of the pore is less
than 500 ps. The pore does not appear to be induced by the
proximity of the fullerene cluster; nanoparticles were found
within 0.6 nm of the lipid head group region several times in
each simulation before translocation occurred. Instead, local area
fluctuations in the bilayer play an important role in the
penetration mechanism. After the first fullerene is inserted in the
head group region, it readily moves towards the lipid tail region,
followed by the rest of the cluster (which does not substantially
change its geometry). As the lipid head groups move aside to
make room for the fullerene cluster, no free space pockets are
formed. A cluster of ten fullerenes requires 15 ns to completely
pass the lipid head groups, compared with 500 ps for
monomeric fullerene.
When fullerenes are placed close to the lipid head group region,
only small clusters (two or three molecules) form rapidly and
penetrate the bilayer within a few hundred nanoseconds. After
penetration, they disaggregate on a microsecond timescale. When
fullerenes are placed inside the bilayer, they do not form
stable aggregates.
It is known that fullerene in water spontaneously forms
nanosized aggregates6–8. Therefore, it is important to evaluate
the energetic balance for its transfer from an aggregate in water
to a position inside the bilayer. For computational reasons, we
started from a solid-like (periodic) fullerene aggregate and
calculated the energy required to move a single fullerene from
the aggregate into the gas phase. We then calculated the
hydration free energy (for a single fullerene), corresponding to
the transfer from the gas phase into bulk water, and finally the
free energy of transfer from bulk water into the centre of the
lipid bilayer. These artificial steps combined describe the full
process of interest. Transferring one fullerene from the
aggregated form into bulk water is highly unfavourable, with a
free energy cost of 60+20 kJ mol21
. The energy gain upon
transfer from bulk water to the bilayer interior is 110 kJ mol21
.
Summing the contributions, the overall balance indicates that
removing one fullerene from a large fullerene aggregate and
placing it into the bilayer interior is favourable by
50+20 kJ mol21
. This result is consistent with our unbiased
simulations, showing that fullerene clusters spontaneously
penetrate the lipid bilayer.
EFF
ลักษณะพลวัตของการเจาะต่อเยอรมันใน
สองชั้น เราคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การกระจายท้องถิ่นตาม
สองชั้นปกติ D ( Z ) และพื้นที่ความต้านทาน R ( z ) ( รูปที่ 1 ) .
ต่อเยอรมันแพร่กระจายใน bilayer ช้า กว่าในกลุ่มน้ำ
ท้องถิ่นรวมการแพร่ต่อเยอรมันเกี่ยวกับ
สั่ง one ของ magnitude less , มหาวิทยาลัย molecules27,29 . the diffusion rate
drops by ที่จะ an order ของ magnitude in the head group
region . ฟลูเลอรีน การซึมผ่าน 6 939 ซม. s21 300 K ,
สูงกว่าประมาณ 2 water30 อันดับของขนาดที่ต่ำกว่า benzene29
.
จำลองไม่ยืนยันว่าเกิดในกลุ่มฟูลเลอรีนวางไว้
น้ำเป็นธรรมชาติเข้าสู่สองชั้นภายในไม่กี่ร้อย
นาโนวินาที . ฟลูเลอรีนอย่างรวดเร็วผ่านหัวของกลุ่มภูมิภาค
( เวลาเฉลี่ย 500 PS ) และจากนั้นย้ายช้าต่อ
ไขมันหาง ( รูปที่ 2A เขต ) ด้านในสองชั้น มันสถิตอยู่ภายใน
1 nm ของศูนย์และโยกย้ายนอกไม่เคย
สังเกต สอดคล้องกับพลังงานกีดขวางขนาดใหญ่สำหรับการถ่ายโอน
จากโดยใช้น้ำ เราแสดงเพิ่มเติมจำลอง
ของฟลูเลอรีนการซึมผ่านใน dipalmitoylphosphatidylcholine
( dppc ) bilayer ไขมัน .โยกย้ายจลนศาสตร์และอุณหพลศาสตร์
ไม่ได้แสดงความแตกต่างระหว่างสองรุ่น ( ดูข้อมูลเพิ่มเติม ) +
.
ศึกษารวมต่อเยอรมันและผลกระทบต่อ
ซึมเราแสดง 22 จำลอง ( 4 นางสาวแต่ละ ) ของ dioleoylphosphatidylcholine ใหญ่
( dopc ) สองชั้นที่มี 16 ฟูลเลอรีน .
ต่อเยอรมันโมเลกุลเริ่มต้นวางใกล้ กับ
ศูนย์ ( 5 แบบ ) ติดกลุ่มหัวของเขต
( 5 แบบ ) หรือในกลุ่มน้ำ ( 12 จำลอง ) ในน้ำ
เฟส คาร์บอนรวมในกลุ่มที่มีขนาดใหญ่ภายในร้อย
ของนาโนวินาที . สองแบบกลุ่มรวม 16
โมเลกุลและไม่ได้เจาะเยื่อบุภายใน
เวลาการจำลอง ในกรณีอื่น ๆทั้งหมด ( 10
จำลอง ) , เล็กกลุ่มของได้ถึงสิบโมเลกุลเกิดขึ้นซึ่งทะลุ
สองชั้น ( รูปที่ 2B ) เวลารอคอยเฉลี่ย สำหรับเจาะ
ต่อเยอรมันมวลรวมใน bilayer คือ 1 นางสาว ขั้นตอนแรกคือการเคลื่อนย้ายต่อเยอรมัน
รูขุมขนเล็กในกลุ่มใหญ่ในภูมิภาค พื้นที่ฟรีนี้จะพร้อมเต็มหนึ่ง
ฟูลเลอรีน ( ยื่นออกจากการรวม ; รูปที่ 2B
768 NS )เฉลี่ยกว่าจำลองสิบ อายุการใช้งานของรูพรุนน้อย
กว่า 500 ปล . รูขุมขนจะไม่ปรากฏที่จะเกิดจาก
ความใกล้ชิดของฟูลเลอรีน คลัสเตอร์ ; นาโนพบ
ภายใน 0.6 nm ของกลุ่มหัวของหลายครั้งในแต่ละภูมิภาค
จำลองก่อนโยกย้ายเกิดขึ้น แทน พื้นที่ของสองชั้น
ท้องถิ่นมีบทบาทสำคัญใน
กลไกการเจาะหลังจากต่อเยอรมันก่อนจะแทรกอยู่ในกลุ่ม
หัวหน้าภาคก็พร้อมย้ายไปสู่ไขมันหางภาค
ตามด้วยส่วนที่เหลือของกลุ่ม ( ซึ่งไม่ได้อย่างเต็มที่
เปลี่ยนรูปทรงของมัน ) เป็นลิพิด หัวหน้ากลุ่มหลบไป
ให้ห้องพักสำหรับฟูลเลอรีน คลัสเตอร์ , ไม่มีกระเป๋าที่ว่างอยู่
รูปแบบ a การสูดศูนย์ของ ten fullerenes requires 15 ns to completely รอ เก็บกวาดใน the lipid เล่นใจเย็นๆเมื่อเทียบกับ 500 PS สำหรับ
เกิดฟลูเลอรีน .
เมื่อฟูลเลอรีนจะอยู่ชิดกับหัวของกลุ่มภูมิภาค
เพียงกลุ่มเล็ก ๆ ( 2 หรือ 3 โมเลกุล ) ฟอร์มอย่างรวดเร็วและ
เจาะสองชั้นภายในไม่กี่ร้อยนาโนวินาที . หลังจาก
เจาะพวกเขา disaggregate บนไมโครเซคคั่นเวลา . เมื่อ
ฟูลเลอรีนจะถูกวางไว้ภายในสองชั้น พวกเขาไม่ฟอร์ม
ตัวอย่างมั่นคงมันเป็นที่รู้จักกันว่า ฟลูเลอรีนในน้ำเป็นธรรมชาติรูปแบบ
nanosized aggregates6 – 8 ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะประเมินความสมดุลมีพลังในการโอนเงิน
จากการรวมในน้ำเพื่อตำแหน่งภายในสองชั้น . เหตุผลที่คอมพิวเตอร์เรา
เริ่มจากของแข็ง เช่น ฟูลเลอรีน ( ตารางธาตุ ) รวมและ
คำนวณพลังงานที่ต้องย้ายจากฟลูเลอรีนเดียว
รวมเป็นก๊าซระยะ เราก็คำนวณ
เดรฟรีพลังงาน ( สำหรับฟูลเลอรีนเดียว ) ที่โอนมาจากเฟส
ก๊าซในกลุ่มน้ำ และในที่สุด
พลังงานฟรี โอนจากกลุ่มน้ำเข้าสู่ศูนย์กลางของ
bilayer ไขมัน . ขั้นตอนเหล่านี้เทียมรวมอธิบายกระบวนการเต็ม
สนใจ การถ่ายโอนจาก
หนึ่งฟูลเลอรีนaggregated form into ง่าย water is highly unfavourable , ฉัน
cost energy free ของ 60 20 kj mol21
. พลังงานที่ได้จากน้ำบน
โอนขนาดใหญ่สองชั้น ภายใน 110 กิโล mol21
.
รวมผลงาน , ความสมดุลโดยรวมพบว่า
เอาหนึ่งต่อเยอรมันจากมวลรวมต่อเยอรมันขนาดใหญ่และ
วางไว้เป็นสองชั้นภายในดี 50 20 จูล mol21 ด้วย
ผลที่ได้นี้ มีความสอดคล้องกับผลที่เป็นกลาง
ของเรา แสดงให้เห็นว่ากลุ่มฟูลเลอรีนเป็นธรรมชาติ
เจาะ bilayer ไขมัน .
เอเอฟเอฟ
การแปล กรุณารอสักครู่..
