基于分子動力學模擬研究淀粉與脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的相互作用：現(xiàn)狀分析與未來趨勢

王翠萍， 晁 琛， 王書軍

（天津科技大學 食品營養(yǎng)與安全國家重點實驗室，天津 300457）

淀粉、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)是食品中富含的大宏量營養(yǎng)素，在熱加工過程中其相互作用形成的復合物會顯著影響食品品質(zhì)及營養(yǎng)價值[1-3]。 熱加工過程中淀粉-脂質(zhì)及淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物的形成能夠延緩淀粉凝膠化和回生進程、 提高冷卻期間糊黏度、降低凝膠強度以及淀粉消化性[4-6]。 目前，淀粉-脂質(zhì)復合物、 淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三元復合物的制備方法，多尺度結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)，不同加工因素對其形成、結(jié)構(gòu)的影響以及潛在的應用已被廣泛研究[7-10]。 研究熱加工過程中淀粉、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用及復合物的功能性質(zhì)對于淀粉類食品的結(jié)構(gòu)和功能靶向設(shè)計以及復合物在食品中的應用具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

分子動力學（molecular dynamics，MD）模擬技術(shù)是近年來飛速發(fā)展的一種分子模擬方法，主要依靠牛頓力學來模擬分子體系的運動，在由分子體系不同狀態(tài)構(gòu)成的系統(tǒng)中抽取樣本，從而計算體系的構(gòu)型積分，并以構(gòu)型積分的結(jié)果為基礎(chǔ)進一步計算體系的熱力學量和其他宏觀性質(zhì)[11]。 作為繼實驗和理論兩種研究方法之后研究分子體系結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的第3種科學研究方法，分子動力學模擬已經(jīng)被廣泛應用于化學化工、材料科學與工程、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[12]。近年來，分子動力學模擬技術(shù)也越來越多地被應用到食品科學領(lǐng)域的研究中，用于分析碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等宏量營養(yǎng)素的分子構(gòu)象以及與其他小分子成分的相互作用機制[13]。 由于分子動力學模擬可以探索實驗層面上無法實現(xiàn)的分子特性的表征和分析，直觀地給出分子在模擬過程中的構(gòu)象變化以及不同組分之間的相互作用力等信息，從而能為實驗結(jié)果的解釋提供有力的理論支持[14]。

分子動力學模擬技術(shù)作為研究組分相互作用機制的一種重要手段，在研究淀粉-脂質(zhì)、淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用等方面也有諸多的報道[15-17]。 為了能夠更好地理解分子動力學模擬在淀粉-脂質(zhì)和淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物形成機制中的作用，作者在介紹淀粉-脂質(zhì)和淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物形成及結(jié)構(gòu)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對分子動力學模擬技術(shù)的原理及相關(guān)的操作流程和方法進行了介紹，最后詳細綜述了分子動力學模擬技術(shù)在探究復合物形成過程中組分間相互作用機制中的應用，并對未來的發(fā)展前景進行了展望。

1 淀粉-脂質(zhì)及淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物的形成及結(jié)構(gòu)特征

1.1 淀粉-脂質(zhì)復合物的形成及結(jié)構(gòu)

淀粉-脂質(zhì)復合物（starch-lipid complex），也稱直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物 （amylose-lipid complex），是直鏈淀粉與脂質(zhì)（脂肪酸、單脂肪酸甘油酯等）在合適的介質(zhì)中通過疏水相互作用、氫鍵等一系列非共價相互作用力驅(qū)動下自組裝成的具有有序晶體結(jié)構(gòu)的超分子聚合物。 淀粉-脂質(zhì)復合物既存在于天然淀粉中，也能夠在熱加工過程中（蒸煮、擠壓等）通過直鏈淀粉與內(nèi)源性或外源性脂質(zhì)相互作用而形成[18-19]。 相反，由于支鏈淀粉的高分支度及側(cè)鏈間的空間位阻， 其與脂質(zhì)的相互作用遠不如直鏈淀粉。 盡管有研究表明支鏈淀粉也能與脂質(zhì)發(fā)生一定程度的相互作用，但很難形成具有有序晶體結(jié)構(gòu)的復合物[20]。淀粉-脂質(zhì)復合物的形成及結(jié)構(gòu)受多種因素的影響，包括制備方法、淀粉和脂質(zhì)的來源和性質(zhì)、復合條件等[21]。

淀粉-脂質(zhì)復合物的形成過程主要經(jīng)歷3 個階段，依次是淀粉-脂質(zhì)復合物分子的自組裝、片層晶體的堆疊以及超分子聚集態(tài)的形成[21-22]（見圖1 中A～C）。 淀粉-脂質(zhì)復合物螺旋結(jié)構(gòu)的形成機理主要通過分子動力學模擬及13C 固體核磁共振等技術(shù)對分子層面進行研究。 直鏈淀粉在水的存在下通過氫鍵作用發(fā)生卷曲，進而形成具有疏水空腔的左手單螺旋構(gòu)象，脂質(zhì)分子的疏水尾部在疏水相互作用驅(qū)動下進入螺旋空腔， 而親水尾部則因為靜電排斥（脂肪酸羧基）及空間位阻暴露在螺旋外（見圖1 中A）[10，23]。 直鏈淀粉的單螺旋構(gòu)象主要受配體種類決定， 通常直鏈淀粉與一個脂質(zhì)分子復合需要18~24 個葡萄糖單元（3~4 匝），每匝由6 個葡萄糖殘基構(gòu)成，因此又被稱為V6型直鏈淀粉。 淀粉-脂質(zhì)復合物自身穩(wěn)定的單螺旋構(gòu)象主要由多種非共價相互作用力共同支撐[22]。 一方面直鏈淀粉每匝單螺旋之間存在分子內(nèi)氫鍵（H—O…H—O）以及范德華力，較大程度上維持了其單螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[24-25]；另一方面， 直鏈淀粉中葡萄糖單元上的氫原子（主要是C3和C5） 能夠與脂質(zhì)亞甲基上的氫原子之間產(chǎn)生范德華力，從而起到穩(wěn)定復合物結(jié)構(gòu)的關(guān) 鍵 作 用[24，26]。

淀粉-脂質(zhì)復合物分子能夠通過分子間氫鍵及范德華力相互作用緊密堆積，排列為具有一定熱力學穩(wěn)定性的片層晶體結(jié)構(gòu)，其中復合物單螺旋垂直于晶層表面（見圖1 中B）[27-29]。 通過小角X 射線散射和透射電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，復合物為結(jié)晶片層和無定型片層交替排列的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)， 其晶層厚度、排列方式和緊密程度受淀粉和脂質(zhì)種類、加工方式及參數(shù)等多種因素的影響[30-32]。 示差掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC）作為一種靈敏的熱分析技術(shù)，是表征復合物數(shù)量（熱轉(zhuǎn)變焓值）和熱穩(wěn)定性（熱轉(zhuǎn)變溫度）最常用的方法之一。根據(jù)復合物的熱力學穩(wěn)定性可將其分為Ⅰa型（熔融溫度85 ℃）和Ⅰb型（熔融溫度95 ℃）復合物、Ⅱa型（熔融溫度約115 ℃）和Ⅱb型復合物（熔融溫度＞121 ℃），較長的脂質(zhì)烷基鏈、較高的復合溫度以及較低的成核速率有助于具有更高熱穩(wěn)定性Ⅱ型復合物的形成[30，33]。

在適當條件下，復合物的結(jié)晶層狀結(jié)構(gòu)可以進一步自組裝為更大尺寸的微米級聚合體結(jié)構(gòu)（見圖1 中C），具有獨特的V 型X 射線晶體衍射峰（7.6°、12.8°和19.8°）[34]。雖然已有許多研究報道過淀粉-脂質(zhì)復合物聚集體的微觀結(jié)構(gòu)， 但由于制備方法、原料以及分析方法等不同， 導致結(jié)果存在很大的差異。 在使用天然淀粉制備復合物時，由于復合物樣品中存在大量的支鏈淀粉，因此很難通過電鏡清晰地觀察出直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物的微觀結(jié)構(gòu)。 已有的研究報道中，淀粉-脂質(zhì)復合物呈現(xiàn)出片狀晶體、球狀晶體、多孔塊狀等不同的形貌[35-38]。 相比之下，通過純直鏈淀粉制備的復合物能夠更加清楚地反映復合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，二甲基亞砜/水法制備的直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物具有球形微觀形貌， 而酸堿法則更傾向于形成片狀或棒狀結(jié)構(gòu)[39]。

圖1 直鏈淀粉-脂質(zhì)及直鏈淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物的形成機理及多尺度結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Formation mechanism and multiscale structural model of amylose-lipid and amylose-lipid-protein complexes

1.2 淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物的形成及結(jié)構(gòu)

當?shù)矸叟c脂質(zhì)和蛋白質(zhì)共同存在時，在適當?shù)臈l件下三者會發(fā)生更加復雜的相互作用并形成具有一定有序結(jié)構(gòu)的三元復合物。 江南大學張根義教授和美國普渡大學的Hamaker 教授最早在研究高粱粉功能性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)， 其在快速黏度分析儀（rapid visco analyzer，RVA）中加熱后的冷卻階段形成黏度峰， 且脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的去除均導致該黏度峰消失，因此提出熱加工過程中淀粉與脂質(zhì)和蛋白質(zhì)可能存在三元相互作用[40]。 在利用高效體積排阻色譜（high performance size exclusion chromatography，HPSEC）分析直鏈淀粉-脂肪酸-β-乳球蛋白三元復合物樣品時發(fā)現(xiàn)，代表直鏈淀粉的洗脫峰消失的同時， 在蛋白質(zhì)和支鏈淀粉洗脫峰之間出現(xiàn)一個新峰，推測是形成了淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三元復合物[41]。隨后，通過構(gòu)建淀粉、脂肪酸和乳清蛋白/β-乳球蛋白相互作用模型并研究其在加工過程中的黏度變化， 發(fā)現(xiàn)在RVA 模擬熱加工過程中向淀粉中添加長鏈脂肪酸（棕櫚酸、硬脂酸、油酸等）對其冷卻期間糊黏度的影響十分有限，而向上述體系中加入β-乳球蛋白后能夠很大程度地提高淀粉在冷卻期間的糊黏度并產(chǎn)生黏度[21，42-43]。對于原本與淀粉有較好復合能力并導致淀粉冷卻黏度峰形成的具有較短碳鏈的脂肪酸（月桂酸、癸酸等）來說，β-乳球蛋白的添加則能夠進一步提高其冷卻黏度。除β-乳球蛋白外，向淀粉和月桂酸體系中加入明膠也能顯著提高其冷卻期糊黏度[44]。 這些研究進一步證實了熱加工過程中淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三元復合物的形成[7]。

近年來，隨著實驗設(shè)計的創(chuàng)新、表征和分析方法的進步以及組分相互作用理論的完善，在熱加工過程中淀粉與脂質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用機制方面有了一定的突破。 淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三元復合物的形成過程如圖1 中D～F 所示，先是淀粉與脂質(zhì)和蛋白質(zhì)通過疏水相互作用和氫鍵等作用力形成淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三元復合物（見圖1 中D），隨后復合物分子通過排列形成晶體片層（見圖1 中E），進一步堆積形成具有一定形狀的聚集體結(jié)構(gòu) （見圖1 中F）。 作者所在課題組前期構(gòu)建了多種熱加工過程組分相互作用高仿真模型，通過DSC、激光共聚焦拉曼光譜、X 射線衍射等技術(shù)系統(tǒng)表征了淀粉-脂肪酸-蛋白質(zhì)三元復合物的多尺度結(jié)構(gòu)及形成規(guī)律，發(fā)現(xiàn)三元復合物具有比淀粉-脂質(zhì)二元復合物更加有序的V 型晶體結(jié)構(gòu)和更高的短程分子有序性，并利用直鏈淀粉制備三元復合物發(fā)現(xiàn)其為尺寸均一、表面光滑的納米球形顆粒（見圖1 中F）[7，21]。 與脂肪酸三元體系不同，雖然DSC 和拉曼光譜結(jié)果表明淀粉-單甘酯-β-乳球蛋白三元體系中復合物有序結(jié)構(gòu)的數(shù)量大于對應的二元體系，但β-乳球蛋白的添加會導致淀粉-單甘酯體系糊黏度降低， 并且二元及三元體系中復合物的熱力學性質(zhì)相同，所以β-乳球蛋白雖然能夠促進淀粉-單甘酯復合物的形成，但不能形成三元復合物[45]。 張根義教授利用HPSEC 研究直鏈淀粉與單甘酯和β-乳球蛋白相互作用的過程中也發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果，因此推測脂肪酸羧基在三元復合物的形成中發(fā)揮著重要作用。

熱加工過程中三元復合物的形成主要受組分性質(zhì)和加工條件的影響。 脂肪酸鏈長度的降低和不飽和度的升高更有利于三元復合物的形成，但復合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸降低，且脂肪酸結(jié)構(gòu)對三元復合物結(jié)構(gòu)有序性的影響小于對二元復合物的影響，這主要是由于蛋白質(zhì)的乳化特性能夠很大程度上促進淀粉與脂質(zhì)的復合[46]。相比于明膠，具有更低等電點和更好乳化性的乳清分離蛋白能夠與淀粉和脂質(zhì)形成更有序的復合物[44]。 淀粉來源也是影響三元復合物形成的重要因素之一，小麥淀粉比馬鈴薯淀粉更易與脂質(zhì)和β-乳球蛋白形成三元復合物，且首次發(fā)現(xiàn)蠟質(zhì)玉米淀粉在β-乳球蛋白存在下能夠與脂肪酸形成有序的V 型復合物[47]。 另外，加工條件（時間、溫度、pH 等）也會影響三元復合物的形成。加熱溫度的升高及降溫速率的加快能夠更好地促進淀粉-月桂酸-β-乳球蛋白復合物的形成[48]。 體系pH 升高能夠促進淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三元復合物的形成， 這是由于較高的pH 能夠促進脂肪酸溶解以及加熱期間更多直鏈淀粉的瀝出[8，49]。 盡管關(guān)于淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三元復合物形成及結(jié)構(gòu)有序性的研究已被大量報道，但大多局限于利用淀粉作為材料制備復合物，淀粉中大量支鏈淀粉的存在很大程度上阻礙了對于淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物多尺度結(jié)構(gòu)以及功能性質(zhì)的認識。

2 分子動力學模擬概述

2.1 簡介

分子動力學模擬是一種計算機模擬方法，能使分子和原子在已知的物理定律（例如量子力學和經(jīng)典力學理論）下作用一段時間，然后通過求解運動方程進而得到分子和原子在運動過程中的結(jié)構(gòu)變化和動力學特征[50]。 分子動力學模擬可以為傳統(tǒng)實驗方法提供補充信息，能夠從分子結(jié)構(gòu)和它們之間的微觀相互作用方面將分子組裝過程可視化并系統(tǒng)解析其結(jié)構(gòu)和特性[51-52]。 分子動力學模擬在19 世紀60 年代末被首次提出用于研究硬球的相互作用[53-54］，之后Stillinger 和Rahman 在1974 年完成了對真實體系（液態(tài)水）的分子動力學模擬[55]。 分子動力學模擬充當了理論與實驗之間的橋梁，既可以通過使用相同模型進行模擬來檢驗理論，也可以通過與實驗結(jié)果進行比較來測試模型。

目前分子動力學模擬應用最為廣泛的幾款軟件 主 要 有 GROMACS、LAMMPS、AMBER 等 。LAMMPS 可以支持包括氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)等各種系統(tǒng)下的百萬級原子分子體系，主要被應用于各種有機以及金屬材料方面的模擬。 GROMACS 是由格羅寧根大學開發(fā)的用于研究生物分子體系的分子動力學程序包， 其可以模擬溶液或晶體中的任意分子，并進行分子能量的最小化、構(gòu)象分析等。AMBER是由加利福尼亞大學的Coleman 教授為生物分子開發(fā)的一系列建模和分子力學、 動力學模擬程序，其具有與GROMACS 十分相似的功能，其具體操作流程已在后文中詳細描述。

雖然分子或原子的運動軌跡是基于牛頓第二運動定律計算的，但分子的多樣性和唯一性要求在模擬過程中應用特定的力場[56]。 分子的力場通常包含涉及的原子、殘基及其類型、質(zhì)量、范德華半徑、部分電荷、角度、二面角、力常數(shù)，以及共價和非共價相互作用中涉及的共價鍵和非共價鍵等信息[57-59]。根據(jù)選用的力場將分子的物理信息轉(zhuǎn)化為指導動力學計算的約束勢，因此進行分子動力學模擬可以準確高效地獲得分子構(gòu)象變化及相互作用等信息。目前使用的主流生物分子力場包括AMBER、GROMOS、CHARMM、OPLS 等[60]。

此外，為了更加準確地模擬實驗條件，通常需要對目標分子進行溶劑化。 常用的水分子模型包括SPC、TIP3P、TIP4P、TIP5P 以 及De Leeuw 和Parker的兩個極化水模型[61]。 在模擬生物大分子在水溶液中的行為時，通常需要應用周期性邊界條件以消除邊界效應[62]。在周期性邊界條件中，生物分子及其周圍的水分子被三維復制，形成無限晶格，即模擬盒子的精確圖像在各個方向上相互堆疊，因此溶液沒有表面，這有助于消除表面效應，如果水分子離開模擬盒子，其凈效應相當于相同分子的副本進入盒子，這樣水分子就永遠不會逃逸[63]。 同時，模擬所使用的周期盒子也具有不同的形狀， 包括立方體、菱形、十二面體和截斷八面體，這些幾何形狀顯著減少了系統(tǒng)中所需的溶劑原子數(shù)量，從而節(jié)省了計算時間[64-65]。

2.2 分子動力學模擬操作步驟

使用AMBER 進行分子動力學模擬通常包含準備分子結(jié)構(gòu)、設(shè)置模擬參數(shù)、能量最小化、平衡體系能量、 模擬成品和分析數(shù)據(jù)等步驟， 下面以應用AMBER 研究淀粉、 脂肪酸和蛋白質(zhì)相互作用為例進行詳細說明。

2.2.1準備 在進行模擬之前，首先需要獲得進行模擬的生物分子的PDB（protein data bank）結(jié)構(gòu)文件，包含生物分子（直鏈淀粉、脂肪酸、蛋白質(zhì)）之間相互作用的所有信息，如原子類型、原子序號、殘基類型、殘基序號、原子三維坐標以及所帶電荷等[66]。 蛋白質(zhì)的PDB 結(jié)構(gòu)文件通常從PDB 網(wǎng)站（https：//www.pdbus.org/）直接下載；直鏈淀粉的結(jié)構(gòu)可以從Glycam 網(wǎng)站（https：//glycam.org/）繪制，然后保存成PDB 文件； 而脂肪酸的PDB 結(jié)構(gòu)文件可以使用ChemDraw 軟件先畫出其結(jié)構(gòu)式， 然后用Chem3D 軟件將其保存為PDB 文件。

2.2.2設(shè)置 由于PDB 文件中可能包含與分子動力學模擬設(shè)置過程無關(guān)的信息，因此在模擬之前可以使用pdb4amber 工具來徹底檢查用于模擬的PDB 文件是否有任何錯誤，包括添加氫原子和去除多余的原子信息[67]。蛋白質(zhì)和直鏈淀粉可以直接加載對應力場，而脂肪酸需要使用小分子力場GAFF（general AMBER force field）進行設(shè)置[68]。 然后使用tleap 程序?qū)⒛M體系采用合適的水模型放置于周期性盒子中進行溶劑化以模擬生理環(huán)境，同時需要中和體系中的電荷，保證在模擬時體系呈電中性[69]，最后保存復合物的參數(shù)文件（complex.prmtop）和坐標文件（complex.inpcrd）用于后續(xù)模擬。

2.2.3模擬 模擬需要應用周期性邊界條件以消除邊界效應，使模擬體系更接近真實的實驗條件[62]。在模擬之前需要使用等溫等壓系綜（constant number of particles，pressure and temperature，NPT）和 等 溫 等 容 系 綜 （constant number of particles，volume and temperature，NVT）運行能量最小化使系統(tǒng)具有最低的自由能，從而保持在最穩(wěn)定的狀態(tài)[60]。然后可根據(jù)所需要的模擬時長和精確度進行成品模擬。

2.2.4分析 模擬過程的第一個分析步驟通常是將模擬軌跡可視化，可以使用VMD（visual molecular dynamics） 軟件直觀地展現(xiàn)出分子構(gòu)象隨模擬時間的變化[70]。另外，使用CPPTRAJ[71]和MMPBSA[72]等程序來分析均方根偏差 （root mean square deviation，RMSD）、均方根波動（root mean square fluctuation，RMSF）、回轉(zhuǎn)半徑（gyration radius，Rg）、溶劑可及表面積（solvent accessible surface area，SASA）以及不同殘基及原子之間的距離隨時間的變化等，從而獲得直鏈淀粉、脂肪酸和蛋白質(zhì)在模擬過程中的構(gòu)象變化及相互作用等信息[52，73]。

2.3 用于分析淀粉、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)相互作用的一些常用模擬參數(shù)

2.3.1Snapshots Snapshots 是指直鏈淀粉、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)在模擬過程中其構(gòu)象隨時間變化的截圖，通過觀察三者在特定模擬時間段的構(gòu)象，可以直觀地看出三者在模擬過程中的構(gòu)象變化及相互作用[74]。運用對象為直鏈淀粉、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)。

2.3.2RMSD、RMSF 和RgRMSD 可以測量任意時間段的分子構(gòu)象與初始構(gòu)象的平均原子位移，RMSF 可以測量直鏈淀粉、 脂質(zhì)和蛋白質(zhì)分子的每個殘基隨模擬時間的波動情況，Rg可以測量任意時間段的分子構(gòu)象與初始分布的差異性[75]。 這3 個指標都可以表征直鏈淀粉、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)在模擬過程中的波動情況，其值越小說明分子越穩(wěn)定，進而可以推測出分子間可能存在某種相互作用[76-77]。 運用對象為直鏈淀粉、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)。

2.3.3原子間距離 End-to-End 距離是指位于線性分子首尾兩端的殘基質(zhì)心之間的距離，可以用于表征直鏈淀粉和脂質(zhì)分子在模擬過程中的彎曲、折疊和纏繞[78]，運用對象為直鏈淀粉和脂質(zhì)。 O3n—C（5n+3）距離是指直鏈淀粉的n號殘基的O3原子與n+3 號殘基的C5原子之間的距離， 由于直鏈淀粉多以V6型螺旋結(jié)構(gòu)存在，因此可以采用這個指標來表征直鏈淀粉螺旋內(nèi)徑隨模擬時間的變化，進而可以推斷出脂質(zhì)與直鏈淀粉的結(jié)合位置[52]。 運用對象為直鏈淀粉。

2.3.4SASA SASA 可用于測量模擬體系中溶劑可接近的分子表面積，其值的變化趨勢可以反映直鏈淀粉、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)分子在模擬過程中親水性和疏水性的變化，結(jié)合分子本身結(jié)構(gòu)特性可以說明分子在模擬過程中的構(gòu)象變化以及形成復合物后溶解度的差異性[73]。運用對象為直鏈淀粉、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)。

2.3.5氫鍵 氫鍵分為分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵。分子間氫鍵是一種非共價相互作用力， 對直鏈淀粉、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)之間的非共價相互作用有重要貢獻；而分子內(nèi)氫鍵存在于直鏈淀粉分子內(nèi)，常用來表征直鏈淀粉螺旋結(jié)構(gòu)的解旋程度[17，79]。 在MD 模擬中判斷氫鍵形成的標準是氫供體與氫受體之間的距離小于0.35 nm，夾角小于30°[80]。 運用對象為直鏈淀粉、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)。

2.3.6結(jié)合自由能 通過計算不同分子間結(jié)合自由能可以衡量分子間結(jié)合親和力以及不同種類的非共價相互作用（靜電相互作用和范德華力）對復合物形成的貢獻。 自由能越大說明分子間的相互作用越強，形成的復合物的結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定[81]。運用對象為直鏈淀粉、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)。

2.3.7主成分分析 進行主成分分析（principal component analysis，PCA）用于可視化是否存在一種或多種參數(shù)組合， 可以區(qū)分在模擬中的直鏈淀粉、直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物和直鏈淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三元復合物的不同構(gòu)象。 通過比較不同模擬體系在由PCA 構(gòu)造的協(xié)方差矩陣中兩個主特征向量定義的平面上投影，可以獲得模擬體系的構(gòu)象變化以及體系的穩(wěn)定狀態(tài)等信息[52，82]。 運用對象為直鏈淀粉、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)。

2.3.8褶皺分布 褶皺分布（puckering distribution）描述了葡萄糖環(huán)原子與平均平面的偏差。 用角度θ表示六環(huán)原子（O5、C1、C2、C3、C4、C5）所在的葡萄糖環(huán)偏離參考平面的角度，當θ 在0°~60°時，直鏈淀粉分子顯示椅式4C1構(gòu)象， 這是能量水平最低即最穩(wěn)定的狀態(tài)；而當θ 大于120°時直鏈淀粉分子將顯示為較不穩(wěn)定的椅式1C4構(gòu)象[52]。通過觀察不同模擬體系中直鏈淀粉分子構(gòu)象隨模擬時間的變化，從而獲得形成復合物后對直鏈淀粉構(gòu)象的影響。 運用對象為直鏈淀粉。

2.3.9二面角分析 直鏈淀粉α-1，4-糖苷鍵的二面角（dihedral angles）分別由原子O5-C1-O4′-C4′（φ）和C1-O4′-C4′-C3′（ψ）定義，二面角的變化有助于可視化淀粉螺旋結(jié)構(gòu)的變化，反映了葡萄糖殘基的取向和螺旋曲率的程度[83]。 如果二面角的值分布在較窄的范圍內(nèi)， 說明分子的構(gòu)象處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，反之則說明分子構(gòu)象波動較大[17，84]。 運用對象為直鏈淀粉。

2.3.10蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu) 通過分析二級結(jié)構(gòu)隨模擬時間的波動可以獲得復合過程中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化信息， 從而明晰在形成蛋白質(zhì)-脂質(zhì)二元復合物以及直鏈淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)三元復合物時對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響[85-86]。 運用對象為蛋白質(zhì)。

3 分子動力學模擬在直鏈淀粉-脂質(zhì)和直鏈淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用中的應用

3.1 直鏈淀粉-脂質(zhì)相互作用

使用分子動力學模擬研究直鏈淀粉與脂肪酸的相互作用機制時發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉能與脂肪酸結(jié)合形成V6型單螺旋構(gòu)象的復合物，其中脂肪酸的疏水烷基鏈位于直鏈淀粉螺旋空腔內(nèi)，而親水的羧基暴露于直鏈淀粉螺旋外部。 此外，直鏈淀粉與脂肪酸的絡(luò)合部分可以在模擬過程中保持完整的螺旋結(jié)構(gòu)，而其兩端未與脂肪酸結(jié)合的部分則逐漸解螺旋（見圖2（a））[82，87]，充分印證了之前的實驗結(jié)果[39，88]。相比于未復合直鏈淀粉，與脂肪酸復合后的直鏈淀粉在模擬過程中的RMSD 和Rg值較低， 說明具有更加穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)（見圖2（b）和（c））[52]。 通過研究直鏈淀粉與亞油酸在不同溫度下相互作用機制發(fā)現(xiàn)，與300 K 相比，直鏈淀粉在373 K 下具有更大的疏水面積，說明在373 K 時直鏈淀粉的螺旋結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性，因此，高溫（373 K）比低溫（300 K）更利于直鏈淀粉和脂肪酸的復合[73]。使用O3n—C（5n+3）距離隨時間的改變來表示直鏈淀粉螺旋內(nèi)徑的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當復合物結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定時，直鏈淀粉中間部分的螺旋半徑較小， 而兩端的螺旋半徑較大，并且直鏈淀粉中間部分殘基的RMSF 值也較小（見圖2（d）和圖2（e）），因此可以推斷出脂肪酸結(jié)合在直鏈淀粉的中間部分[52]。 通過觀察直鏈淀粉和脂肪酸的End-to-End 距離隨模擬時間的變化發(fā)現(xiàn)， 直鏈淀粉在模擬過程中會發(fā)生彎曲和纏繞，而脂肪酸的結(jié)構(gòu)未發(fā)生顯著變化（見圖2（f））[52]。

圖2 表征分子構(gòu)象變化及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的常用參數(shù)Fig. 2 Common parameters used to characterize conformational changes and structural stability of molecules

Feng 等的研究表明，在直鏈淀粉與亞油酸復合時，其體系中的氫鍵數(shù)量逐漸增多，說明直鏈淀粉與脂肪酸結(jié)合后其構(gòu)象變得更加緊密（見圖3（a））[82]，但也有研究表明在復合過程中直鏈淀粉與油酸的分子間氫鍵數(shù)量逐漸減少（見圖3（b）），這可能與所使用的脂肪酸類型以及模擬條件不同有關(guān)[79]。 疏水相互作用是促進直鏈淀粉與脂肪酸復合的主要驅(qū)動力，而范德華力對于維持直鏈淀粉-脂肪酸二元復合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要貢獻（見圖3（c））[79，89-90]。直鏈淀粉與脂肪酸結(jié)合形成V6型螺旋復合物，因此用直鏈淀粉鏈的n號殘基到n+6 號殘基質(zhì)心之間的距離來表示螺旋結(jié)構(gòu)的緊密程度， 實驗結(jié)果測量的該螺旋間距為（8.05±0.10）×10-10m[91-92]，而分子模擬結(jié)果顯示隨著測量部位不同該間距的大小也不同，其中在直鏈淀粉未與脂肪酸復合的部分此間距會明顯大于實驗值，說明未與脂肪酸結(jié)合的直鏈淀粉的部分螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，螺旋間距變大[16-17]。 通過分析直鏈淀粉與脂肪酸復合過程中二面角（φ，ψ）的分布，發(fā)現(xiàn)這些角度主要位于φ=115°、ψ=105°附近的區(qū)域（見圖3（d））[93]，這與先前報道的實驗結(jié)果一致[94]。

圖3 表征分子間相互作用力及淀粉螺旋結(jié)構(gòu)變化的常用參數(shù)Fig. 3 Common parameters to characterize intermolecular interactions and changes in starch helical structure

此外，通過分子模擬還發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉和單甘酯也能形成V 型單螺旋復合物，并且脂質(zhì)的疏水性烷基鏈結(jié)合在直鏈淀粉的螺旋空腔內(nèi)，其親水性部分位于螺旋外側(cè)[95-96]。 而對于甘油二酯，直鏈淀粉也能與其中一條疏水烷基鏈復合形成淀粉-脂質(zhì)復合物[81，97]。 此外，雖然分子動力學模擬結(jié)果表明直鏈淀粉與甘油三酯也能在沒有水分子參與的情況下形成淀粉-脂質(zhì)復合物[98]，但實驗結(jié)果表明甘油二酯和甘油三酯很難與淀粉在水熱加工過程中形成有序的復合物[18，99]，這是由于甘油二酯和甘油三酯過高的疏水性，導致其很難在水體系中與淀粉發(fā)生相互作用。 可見，分子動力學模擬雖然可以在理論上檢驗實驗的可行性，但模擬結(jié)果的可信度還需要實驗證據(jù)的支撐，采用實驗證據(jù)和理論計算相互印證是研究分子間相互作用機制的有效方法。

3.2 直鏈淀粉-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用

目前已有大量研究表明直鏈淀粉與蛋白質(zhì)和脂肪酸在特定條件下可以自組裝形成三元復合物[21，45，47]。為了更加深入地了解三元復合物的形成機制， 馮濤等采用分子動力學模擬對直鏈淀粉、β-乳球蛋白肽段、α-亞油酸在373 K 溫度下的復合過程進行研究。 結(jié)果表明當模擬達到穩(wěn)定時，α-亞油酸可作為橋梁將直鏈淀粉和β-乳球蛋白肽段連接起來形成三元復合物，并通過計算分子間相互距離發(fā)現(xiàn)α-亞油酸對于三元復合物的形成具有重要貢獻。通過研究直鏈淀粉-α-亞油酸-β-乳球蛋白三元復合物的SASA 在模擬過程中的變化， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)三元復合物的親水面積大于疏水面積，說明該三元復合物具有良好的溶解性，并且通過能量計算證實該過程是一個熱力學自發(fā)的過程[100]。 此外，Bhopatkar 等使用分子動力學模擬研究了直鏈淀粉、 亞油酸、1-萘酚和β-乳球蛋白肽段（帶正電）之間的相互作用，結(jié)果表明脂肪酸作為橋梁將直鏈淀粉和β-乳球蛋白肽段連接形成三元復合物，并且1-萘酚也包含在直鏈淀粉螺旋空腔內(nèi)，位于脂肪酸疏水尾附近[15]。通過計算直鏈淀粉、β-乳球蛋白、 脂肪酸和1-萘酚之間的相互距離以定量分析其構(gòu)象轉(zhuǎn)變，進一步明確了脂肪酸和直鏈淀粉在維持體系穩(wěn)定中具有關(guān)鍵作用，并且在復合物自組裝過程中，體系的自由能逐漸降低，說明三元復合物的形成為自組裝過程[15]。然而，由于上述研究均利用帶正電肽段代替β-乳球蛋白且未計算組分間相互作用力，有關(guān)三者之間的相互作用機制仍缺乏實驗證據(jù)和理論計算的相互印證，需要今后進一步研究。

4 展 望

在當今計算機應用技術(shù)高速發(fā)展的年代，分子動力學模擬已經(jīng)廣泛應用于生物和化工等領(lǐng)域的前沿研究中， 但其在食品領(lǐng)域中的應用還相對較少。 食品中淀粉與脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等組分的相互作用十分復雜且研究手段有限，通過實驗數(shù)據(jù)結(jié)合分子動力學模擬計算的研究方式是實現(xiàn)分子運動可視化、 組分相互作用數(shù)據(jù)化的一種行之有效的方法。分子動力學模擬可以提供一個完全不同的視角來觀察原子、 分子和微粒在特定溶劑中的運動軌跡，并且提供有關(guān)目標分子的以下信息：分子在模擬過程中的構(gòu)象變化， 模擬前后分子的均方根偏差、均方根波動和回轉(zhuǎn)半徑，分子與其他組分的親水和疏水表面積，分子運動的非共價驅(qū)動力，以及分子與其他組分的氫鍵數(shù)量和結(jié)合自由能等。 盡管如此，由于分子動力學模擬需要已知分子的明確結(jié)構(gòu)，這很大程度上限制了無法獲得準確分子結(jié)構(gòu)組分（部分非淀粉多糖及蛋白質(zhì)等）的相關(guān)研究，并且模擬中使用的有限時間和空間尺度阻礙了模擬與實驗數(shù)據(jù)的定量比較。 盡管如此，隨著各基礎(chǔ)學科與技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，分子動力學模擬將成為研究淀粉與其他食品組分相互作用以及新型食品研發(fā)的強有力的工具，并對基于分子動力學模擬更加深入地理解不同食品組分相互作用以及調(diào)控復合物的形成和自組裝結(jié)構(gòu)方面具有重要意義。