唾液蛋白对牙科树脂单体的分子识别：整合分子对接、DFT、MD与MM/PBSA分析

《ChemistryOpen》：Molecular Recognition of Dental Resin Monomers by Salivary Proteins: Integrated Docking, DFT, Molecular Dynamics, and MM/PBSA Analysis

　　

研究人员开展了一项计算机模拟（in silico）研究，以探讨常用树脂单体与主要唾液蛋白之间的相互作用。研究评估了双苯基二缩水甘油基甲烷（Bis-GMA）、羟乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）和三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）的分子对接、密度泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）、MM/PBSA结合自由能计算以及逐残基能量分解。对接过程预测α-淀粉酶（α-amylase）、溶菌酶（lysozyme）和白蛋白（albumin）为关键靶点。DFT计算发现Bis-GMA具有最大的HOMO–LUMO能隙（8.88 eV），提示其电子反应性降低；TEGDMA具有最小能隙（5.56 eV）和最大偶极矩（3.88 D），提示其极性增加。由MD轨迹确定的平均溶剂可及表面积（SASA）提示Bis-GMA的构象稳定性呈增加趋势。Bis-GMA计算出更有利的平均MM/PBSA预测结合自由能，尤其是与白蛋白（?24.53 ± 5.12 kcal/mol）和α-淀粉酶（?17.63 ± 7.60 kcal/mol）。逐残基分解热图显示有利和不利贡献混合，并作描述性解释。唾液蛋白对单体的识别似乎与分子尺寸、疏水性、极性和电子性质相关。这些观察结果属于初步计算，需要实验证据才能得出临床或功能结论。

研究背景：树脂基复合材料广泛用于口腔修复、窝沟封闭和粘接，通常由高黏度二甲基丙烯酸酯单体（如Bis-GMA）与低黏度共单体（如TEGDMA、HEMA）组成。聚合后未反应单体可渗入唾液和体液，临床与体外研究均显示修复后早期释放最明显，Bis-GMA、HEMA、TEGDMA等可在唾液中被检出。释放单体必然接触唾液蛋白，已有证据提示唾液蛋白可结合或隔离单体，从而降低游离单体浓度，但也可能影响蛋白结构与功能，进而涉及口腔生物相容性。直接实验分离特定蛋白–单体相互作用受唾液复杂性限制，因此需要分子建模提供机制假设。既往计算研究多局限于单一单体或单一蛋白靶点，较少联合DFT、分子对接、MD与MM/PBSA，且未把分子电子性质与构象行为及热力学结合趋势联系起来。研究人员因此对HEMA、Bis-GMA和TEGDMA与广泛唾液蛋白进行跨尺度比较，而非虚拟筛选新单体。研究得出Bis-GMA总体预测结合最有利、HEMA较弱且变异较大、TEGDMA居中的趋势，α-淀粉酶、溶菌酶和白蛋白为关键预测靶点。其意义在于为树脂单体–唾液蛋白识别的机制假设和后续实验验证提供计算框架，但不能据此得出临床或功能结论。
关键技术方法：本研究为纯计算研究，未涉及样本队列来源。单体结构取自PubChem；唾液蛋白结构取自蛋白质数据库（PDB）或AlphaFold预测结构，缺失残基用Modeler 10.8补全，并以PDBsum、CASTpFold确定催化/配体结合区或预测口袋。采用HADDOCK 2.4/2.5进行位点定向分子对接，PRODIGY预测结合亲和力；以PBE0/6-31G(d)进行DFT计算前沿分子轨道和偶极矩；用GROMACS 2025.4、OPLS-AA/L力场和SPC/E水模型进行100 ns MD模拟；用gmx_MMPBSA 1.6.4进行MM/PBSA结合自由能和逐残基能量分解。参考配体仅用于各蛋白体系内的相对比较。
研究结果：
3.1 分子对接概览与预测结合亲和力趋势。通过HADDOCK对接和PRODIGY预测，三种单体与唾液蛋白呈现不同但相似的结合谱，结合行为依赖分子尺寸、柔性和官能团化学。α-淀粉酶、溶菌酶和白蛋白均进入各单体前五结合伙伴。Bis-GMA平均对接分数最强，Bis-GMA–α-淀粉酶预测结合能低至?10.06 kcal/mol；TEGDMA最低为?8.05 kcal/mol（溶菌酶），HEMA最低为?6.74 kcal/mol（AZGP1）。能量分解提示Bis-GMA和TEGDMA以范德华与静电作用为主，HEMA中疏水、极性及氢键供/受基团作用更大。相互作用分析显示Bis-GMA在三种关键蛋白中形成较广泛接触网络，涉及Lys200、Tyr151、Ile235、Leu162、Trp58、Tyr62、Glu35、Asn44、Ala111、Val110、Tyr63、Trp109、Val462、Asp107、Lys466等；HEMA接触较少，可见Ala198、Gln58、Val110、Ala111、Cys477、Cys461等；TEGDMA居中，涉及Lys200、Ile235、Leu162、Ala198、Asn44、Gln58、Trp109、Val99、Asp108、Lys466等。原子接触以CC和CO最常见；Bis-GMA的CC接触数最高可达3040，HEMA约低一个数量级，TEGDMA居中，且α-淀粉酶、溶菌酶、白蛋白总接触数最高。
3.2 牙科树脂单体电子性质的DFT分析。通过PBE0/6-31G(d)优化和前沿分子轨道分析，Bis-GMA的HOMO主要位于芳香环和邻近醚基，LUMO位于酯基及部分甲基丙烯酸酯基；其HOMO–LUMO能隙最大（8.88 eV），偶极矩较小（1.60 D），提示较低电子反应性和中等极性。HEMA的HOMO位于羟基及邻近碳–碳双键，LUMO主要在酯羰基，能隙为6.16 eV，偶极矩1.65 D，提示电子较软且极性明显。TEGDMA能隙最小（5.56 eV）、偶极矩最大（3.88 D），HOMO离域于脂肪链和酯基，LUMO集中于末端酯基，提示电子最软、极性最大并具构象柔性。DFT结果作为对接接触图和MD稳定性的补充，用于解释尺寸、极性、电子软度和柔性对识别的综合影响。
3.3 MD模拟结果。通过GROMACS对每个复合物进行100 ns单轨迹模拟并分析RMSD、RMSF、RoG、SASA、氢键和配体–蛋白质质心距离。α-淀粉酶体系中，Bis-GMA的RMSD最低，全程约低于1 ?；TEGDMA约1–2 ?；HEMA波动较大，多次高于4 ?并出现7–8 ?峰值，提示更高柔性而非整体失稳。溶菌酶体系中，葡萄糖胺最稳定（约低于0.5 ?），Bis-GMA和二乙酰壳二糖约1–2 ?，HEMA和TEGDMA可达约4–5 ?。白蛋白体系整体RMSD低于2 ?，Bis-GMA初始调整后中等平衡，TEGDMA出现约2.5–3 ?尖峰后平衡，HEMA约1.5 ?。RMSF显示二级结构总体未受显著扰动，柔性多位于环区；RoG和SASA未见明显全局展开。氢键分析中TEGDMA总体最多，Bis-GMA偶发，HEMA中等但不持续；质心距离显示Bis-GMA和TEGDMA多保持在约2 ?，HEMA可出现约5 ?偏移。上述结果为单轨迹描述性趋势，不能作统计可重复性推断。
3.4 MM/PBSA计算结果。通过gmx_MMPBSA对平衡段轨迹计算，未计熵，标准差来自单轨迹采样帧。α-淀粉酶体系中，Bis-GMA平均ΔG_binding为?17.63 ± 7.60 kcal/mol，反式查尔酮为?12.09 ± 2.67 kcal/mol，HEMA为?7.89 ± 3.08 kcal/mol，TEGDMA为?7.42 ± 2.19 kcal/mol，咖啡因为?4.91 ± 3.34 kcal/mol。溶菌酶体系中，二乙酰壳二糖为?13.09 ± 5.21 kcal/mol，葡萄糖胺为?11.56 ± 2.92 kcal/mol，Bis-GMA为?8.61 ± 5.53 kcal/mol，TEGDMA为?6.88 ± 4.17 kcal/mol，HEMA为?3.54 ± 1.49 kcal/mol。白蛋白体系中，Bis-GMA为?24.53 ± 5.12 kcal/mol，布洛芬为?22.06 ± 5.58 kcal/mol，华法林为?11.26 ± 3.98 kcal/mol，HEMA为?4.90 ± 2.14 kcal/mol，TEGDMA为?4.38 ± 2.08 kcal/mol。Bis-GMA在各蛋白靶点中均呈最负的预测均值。逐残基分解显示α-淀粉酶中Arg195、Asp300较突出，溶菌酶中Glu35、Asp53及Trp64、Val99、Trp109等较突出，白蛋白中Arg81、Asp107、Asp108等较突出；热图同时显示有利和不利贡献，不能作为亲和排序的独立确认。负均值不保证稳定结合或实验真实结合自由能，结果属探索性估计。
讨论部分总结：讨论强调单体的尺寸、极性和构象柔性决定其与唾液蛋白的识别与结合；残基单体释放后接触唾液蛋白，蛋白结合可能影响其局部可用性、转运和生物持久性，但本研究不能证明蛋白结合导致氧化应激、炎症、黏膜刺激或超敏反应。Bis-GMA虽HOMO–LUMO能隙大、电子反应性较低，但其大芳香结构和疏水表面有利于范德华及π相关相互作用，故在对接和MM/PBSA中表现最强；HEMA较小且极性较高，接触少、结合弱且MD波动大，但低亲和并不必然意味着低生物学危害，其高扩散性可能增加细胞暴露；TEGDMA能隙最小、偶极矩最大、结构柔性高，表现居中，可能增加非特异性相互作用。MD描述符提示单体结合未造成唾液蛋白全局展开，更可能是环区局部适应。白蛋白被预测为Bis-GMA尤其有利的结合伙伴，研究者提出其可能具有载体样作用的假设，但强调需盲对接或集合方法确认。讨论同时指出单轨迹采样、未复现、未证明收敛等限制，相关趋势应视为假设生成。
研究结论翻译：本研究结果完全基于计算分析，包括分子对接、DFT计算、MD模拟、MM/PBSA分析和逐残基能量分解，尚未经实验室实验、酶活性测定或细胞毒性研究确认。在所测试单体中，Bis-GMA与所选唾液蛋白的总体相互作用最有利，HEMA相互作用较弱且变异较大，TEGDMA总体表现为中间行为。白蛋白、α-淀粉酶和溶菌酶似乎是这些单体重要的潜在靶点。然而，本研究所观察到的差异应视为计算趋势，不能作为统计学上不同结合亲和力的证据。这些预测相互作用的生物学效应仍不确定。单体结合可能影响这些化合物在口腔环境中的滞留或分布，也可能影响蛋白功能或局部生物相容性，但这些效应不能仅由计算模拟确认。需要实验研究验证，例如表面等离子体共振（SPR）、等温滴定量热（ITC）、酶活性测定、蛋白结合研究和细胞实验；这些实验有助于确定预测相互作用是否在生理条件下发生，并阐明其是否具有功能或毒理学重要性。