基于分子动力学模拟研究蛋白质二级结构变化对其活性的影响

发布时间：2022-02-26 07:36

　　蛋白质作为生命体的基础物质,参与到生命活动的各个环节。由多个二级结构组成的蛋白质三级结构决定蛋白质的结构与功能,蛋白质二级结构的改变往往会影响蛋白质的活性。传统的分子生物学实验技术无法从微观上检测二级结构的变化,也无法分析二级结构变化调控蛋白质活性的分子机理。分子动力学模拟是随着生物科学技术与计算机科学技术的发展,应运而生的一种新兴交叉的生物学手段,被应用于生物大分子催化机制、蛋白构象改变、酶与配体相互作用机制的研究中,发挥了其独特的优势,在很多方面成为实验难以替代的方法。本论文以人MEK1、玉米赤烯酮降解酶、嗜热菌Argonaute和环状芽孢杆菌的转氨酶为蛋白质分子模型,采用多种计算生物学的方法（分子动力学模拟、蛋白质网络分析、结合自由能计算、分子对接）,针对几种重要蛋白进行深入的研究,对蛋白质二级结构调控蛋白质活性的分子机理进行了深入的讨论。论文的具体研究内容如下:1.MEK1二级结构变化影响其催化活性的分子机制大约30%的癌症发生与MAPK信号转导通路的激活有关,丝裂原活化蛋白激酶激酶（MEK1）是该条信号通路的关键组成部分。据报道,在很多类型的癌症中,MEK1分子氨基酸的突变能... 

【文章来源】：吉林大学吉林省211工程院校985工程院校教育部直属院校

【文章页数】：152 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
中文摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 蛋白质结构
    1.2 传统生物学方法在蛋白质结构研究中的应用
        1.2.1 紫外可见吸收光谱法在蛋白质结构研究中的应用
        1.2.2 荧光光谱法在蛋白质结构研究中的应用
        1.2.3 圆二色谱法在蛋白质结构研究中的应用
        1.2.4 红外光谱法在蛋白质结构研究中的应用
        1.2.5 X射线晶体衍射技术和核磁共振技术在蛋白质结构研究中的应用
    1.3 分子动力学模拟在生物学中的应用
        1.3.1 分子动力学模拟在研究配体与蛋白相互作用过程中的应用
        1.3.2 分子动力学模拟在研究蛋白质结构与功能中的应用
        1.3.3 分子动力学模拟在研究蛋白质分子通道的应用
        1.3.4 分子动力学模拟在核酸分子研究中的应用
    1.4 分子动力学模拟在蛋白结构研究中的优势
    1.5 论文的选题思路与研究内容
        1.5.1 论文的选题思路
        1.5.2 蛋白分子模型的选择
        1.5.3 论文的研究内容
第2章 理论基础与计算方法
    2.1 分子对接
        2.1.1 分子对接原理
        2.1.2 分子对接的方法与采样方法
        2.1.3 分子对接结果的评估
    2.2 常规分子动力学模拟
        2.2.1 经典的力学模型
        2.2.2 分子力场
        2.2.3 分子动力学模拟常用的积分方法
        2.2.4 分子动力学模拟的系综
        2.2.5 分子动力学模拟的边界条件
        2.2.6 分子动力学模拟的初始条件
        2.2.7 分子动力学模拟的基本流程
    2.3 拉伸分子动力学模拟
    2.4 平均力势的计算
    2.5 结合自由能计算
    2.6 主成分分析(Principle component analysis,PCA)
    2.7 协方差矩阵
第3章 MEK1二级结构变化影响其催化活性的分子机制
    3.1 引言
    3.2 具体的研究方法
        3.2.1 体系准备
        3.2.2 分子动力学模拟
        3.2.3 蛋白质网络分析
        3.2.4 网络中心性分析
    3.3 计算结果与讨论
        3.3.1 蛋白质结构波动性的分析
        3.3.2 野生型与突变体MEK1的蛋白质网络分析
        3.3.3 Activation segment位置上Helix的消失对MEK1活性的影响
        3.3.4 有活性突变破坏Activation segment与C Helix之间的相互作用
        3.3.5 突变对于Pro_rich loop的影响
        3.3.6 PCA和协方差分析
        3.3.7 有活性突变可以降低抑制剂对MEK1 的抑制作用
    3.4 本章小结
第4章 玉米赤烯酮降解酶二级结构变化影响其对α-ZOL降解效率的分子机制
    4.1 引言
    4.2 具体的研究方法
        4.2.1 体系准备
        4.2.2 分子动力学模拟
        4.2.3 丙氨酸扫描
    4.3 计算结果与讨论
        4.3.1 四种复合物合物的结构稳定性
        4.3.2 ZHD结构的蛋白质网络分析
        4.3.3 WT和V153H ZHD构象的比较
        4.3.4 V153Hα-ZOL可导致催化中心变成有活性的状态
        4.3.5 PCA和协方差分析
        4.3.6 丙氨酸扫描的结果
    4.4 本章小结
第5章 嗜热菌Argonaute蛋白二级结构变化影响其催化活性的分子机制
    5.1 引言
    5.2 具体的研究方法
        5.2.1 蛋白体系的准备
        5.2.2 分子动力学模拟
        5.2.3 簇分析
        5.2.4 结合自由能的计算
    5.3 计算结果与讨论
        5.3.1 TtAgo在不同温度中的稳定性
        5.3.2 不同温度对TtAgo蛋白构象的影响
        5.3.3 不同温度对TtAgo蛋白通道的影响
        5.3.4 不同温度模拟体系的簇分析
        5.3.5 TtAgo蛋白与核酸结合情况的分析
    5.4 本章小结
第6章 基于多重分子动力学模拟研究转氨酶BtrR催化选择特异性
    6.1 引言
    6.2 具体的研究方法
        6.2.1 体系准备
        6.2.2 常规分子动力学模拟
        6.2.3 拉伸分子动力学模拟
        6.2.4 MM-GBSA计算
    6.3 计算结果与讨论
        6.3.1 产物的优化以及与BtrR的相互作用
        6.3.2 两个复合物结构的稳定性和波动性分析
        6.3.3 β-valienamine/valienamine对BtrR与PLP的结合的影响
        6.3.4 与valienamine相比,β-valienamine能使BtrR蛋白通道变宽、变直
        6.3.5 β-valienamine和 valienamine从 BtrR的解离过程
    6.4 本章小结
第7章 结果与展望
    7.1 研究结果
        7.1.1 二级结构变化可调控蛋白从Close状态变成Open状态
        7.1.2 二级结构变化可以改变催化中心与底物之间的相对位置
        7.1.3 二级结构变化可以改变重要残基与活性中心的相对位置
        7.1.4 二级结构变化可以改变活性中心与辅酶的相对位置
    7.2 研究展望
参考文献
作者简介及攻读博士学位期间取得的科研成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]Molecular dynamics simulations exploring drug resistance in HIV-1 proteases[J]. GU Hui 1 ,CHEN HaiFeng 1 ,WEI DongQing 1 &WANG JingFang 2,3 1College of Life Sciences and Biotechnology,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 2Shanghai Centre for Systems Biomedicine,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 3 Shanghai Centre for Bioinformation Technology,Shanghai 200035,China.  Chinese Science Bulletin. 2010(24)
[2]分子动态模拟及其在生物大分子研究中的应用[J]. 莫莉,黄大毛,唐发清.  生命的化学. 2007(03)
[3]光谱法在分子之间相互作用研究中的应用[J]. 刘峥,夏之宁.  激光杂志. 2001(06)

硕士论文
[1]进化算法在分子对接中的研究与应用[D]. 刘燕茹.天津师范大学 2009



本文编号：3644240