基于粗粒化模型的蛋白质聚合特性的研究

发布时间：2017-10-31 12:09

  本文关键词：基于粗粒化模型的蛋白质聚合特性的研究

  更多相关文章： 蛋白质 聚合 “钓鱼线”机制 纳米粒子 Go模型

【摘要】：蛋白质是一种重要的分子机器,在生物体内起着催化、转运、免疫等功能。这些特殊的功能是由蛋白质独特的三维结构决定的。维持蛋白质结构的稳定性对蛋白质生物功能的发挥有着重要作用。然而,蛋白质处于复杂的细胞环境中,能够与不同的细胞器、生物分子(如蛋白质、DNA、RNA等)甚至外来异物(如纳米颗粒等)接触。在这些物质中,有些能够促进蛋白质折叠,增强其结构的稳定性,而有些则会破坏蛋白质的结构。因此,研究蛋白质与这些物质的相互作用有着深刻的意义。本论文主要通过分子动力学模拟的方法研究了蛋白质与蛋白质的相互作用以及蛋白质与纳米粒子的相互作用。两者分别为有机物和无机物的代表物质,受到广泛关注。研究这两种相互作用有助于了解蛋白质在复杂环境中的折叠与聚合行为以及其功能的发挥。模拟中我们采用的模型是基于蛋白质天然结构的粗粒化Go模型。复合物系统本身比较复杂,且复合物的解离状态具有较大的构象熵,一旦分离,便很难再聚合,因此使用粗粒化模型可提高采样效率,从而能够有效地研究系统更为深层的物理原理。对于蛋白质与蛋白质的相互作用,我们研究了同源二聚体Arc阻遏蛋白的聚合过程。我们发现,其自由能曲线呈现出“钓鱼线”聚合机制的特征,即具有一段宽阔而平坦的区域。这说明二聚体的两个单体在相距较远时便已发生相互作用。由于“钓鱼线”机制是一种较新的聚合机制理论,目前尚无完善的分析方法来描述这一过程,因此我们的工作重点在于探讨可用于刻画这一机制的方法。我们主要讨论了Φ值分析方法对“钓鱼线”机制的适用性。Φ值分析在研究蛋白质折叠过程中被广泛使用,大量研究显示Φ值分析能够很好地刻画蛋白质转变态的特性。然而,我们的计算结果显示,Φ值分析只能大致描述“钓鱼线”聚合过程,但不能反映其精细的特征。这是由于Φ值分析所描述的转变态处于“钓鱼线”聚合过程的较晚时刻,而对聚合起重要作用的残基应在聚合的较早时刻发生相互作用。所以我们认为Φ值分析并不适用于描述“钓鱼线”聚合过程。我们根据聚合过程的自由能曲线的特征定义了有效俘获半径Reff。我们的计算结果显示,Reff较大的残基在聚合早期发生相互作用,而Reff较小的残基则在聚合晚期发生相互作用,这说明有效俘获半径Reff能够较为准确的描述“钓鱼线”聚合过程的精细特征。为了检验上述结论对模型的依赖程度,我们又采用了改进的Go模型进行模拟。该模型是在基本Go模型的基础上加入了非天然接触对之间的吸引作用。模拟得到的结果与上述结果基本一致。这说明我们得到的结论并不受模型的影响,而是普适的结论。对于蛋白质与纳米粒子的相互作用,我们做了两项工作。第一项工作研究了三个具有不同拓扑结构的蛋白质,即α+β型GB1、全α型Im7和全p型127,分别与表面全疏水和表面全亲水的纳米粒子的相互作用。我们以纳米粒子的相对直径以及纳米粒子与蛋白质间相互作用的强度为坐标,描绘了蛋白质-纳米粒子体系的结构相图。结果显示,对于不同的蛋白质与纳米粒子的组合,其相图均包含四个相,即DF(解离折叠态)、AF(吸附折叠态)、AU(吸附去折叠态)和WU(包裹去折叠态),分别对应了蛋白质与纳米粒子的不同吸附状态以及蛋白质本身的不同折叠状态。在各相域的转变中,对于DF与AU的转变,蛋白质的折叠与吸附过程呈现了较为协同的特征。另外,纳米粒子对蛋白质的二级结构有着不同的影响。在折叠区域,纳米粒子使蛋白质的β片结构有所增加,而α螺旋结构不变或有所减少。根据我们进一步的研究发现,这一区别是由二级结构本身的几何特性决定的,与空间拥挤效应,以及蛋白质和纳米粒子的亲疏水性均无关。β片含有大量链间氢键,具有较大柔性,能够适应纳米粒子的曲率,不易发生去折叠；而α螺旋含有大量链内氢键,具有较大的刚性,不易适应纳米粒子的曲率,容易发生去折叠。在去折叠区域α螺旋和β片的结构均有所减少,这是由于该区域蛋白质与纳米粒子的相互作用能较大,使得蛋白质结构稳定性下降,致使二级结构发生去折叠。第二项工作研究了上述三种蛋白质与Janus纳米粒子的相互作用。在我们的工作中,Janus粒子是表面一半具有疏水性,一半具有亲水性的纳米粒子。这种粒子同时具有两种不同的性质,能够与不同的蛋白质结合,发挥不同的作用,因而有着良好的应用前景。我们的结果显示,α+β型蛋白质和全α型蛋白质与Janus纳米粒子的结构相图仅含有两个相,即DF和AU。这是由蛋白质的氨基酸链中残基的疏水性排布与纳米粒子的疏水性排布不一致造成的。由于疏水残基易于与疏水表面接触而亲水残基易于与亲水表面接触,因此蛋白质与Janus纳米粒子一旦发生聚合,蛋白质的结构就会产生扭曲,从而发生去折叠。而p型蛋白质与Janus纳米粒子的结构相图含有三个相,即DF、AF和AU。AF区域的出现是由于β结构具有柔性,当蛋白质与纳米粒子接触面积较小时,蛋白质能保持折叠状态。Janus粒子对蛋白质二级结构的影响与前一个工作的结论是一致的。尽管前人已有大量关于蛋白质与纳米粒子相互作用的研究,但大多仅限于特定的蛋白质与特定的纳米粒子的聚合。我们的工作较为系统地研究了蛋白质拓扑结构、纳米粒子尺寸、纳米粒子表面疏水性、相互作用强度等因素对蛋白质-纳米粒子体系的影响,为今后的纳米生物材料的设计提供了一定的参考依据。本论文内容安排如下：在第一章中,简要介绍了蛋白质结构、蛋白质折叠、蛋白质聚合以及蛋白质与纳米粒子相互作用的理论知识；在第二章中,详细阐述了对于Arc阻遏蛋白的聚合过程的研究,并讨论了Φ值分析的有效性；在第三章中,详细阐述了三种蛋白质与两种纳米粒子相互作用的结构特点；在第四章中,详细阐述了三种蛋白质与Janus纳米粒子相互作用的结构特点；最后,在第五章中,对本论文涉及的工作进行了总结,并对未来的工作进行了展望。
【关键词】：蛋白质 聚合 “钓鱼线”机制 纳米粒子 Go模型
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q51
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 前言15-37
• 1.1 蛋白质15-17
• 1.1.1 氨基酸15-17
• 1.1.2 肽键17
• 1.2 蛋白质结构17-21
• 1.2.2 一级结构19
• 1.2.3 二级结构19-20
• 1.2.4 三级结构和结构域20
• 1.2.5 四级结构20-21
• 1.3 蛋白质的相互作用21-23
• 1.3.1 静电作用21
• 1.3.2 范德瓦耳斯作用21-22
• 1.3.3 氢键22
• 1.3.4 疏水作用22-23
• 1.4 蛋白质的折叠23-26
• 1.4.1 热力学基础23-24
• 1.4.2 动力学因素24-25
• 1.4.3 折叠机制25-26
• 1.5 蛋白质的聚合26-33
• 1.5.1 蛋白质与有机分子的聚合26-29
• 1.5.2 蛋白质与纳米材料的聚合29-31
• 1.5.3 聚合过程的理论研究方法31-33
• 参考文献33-37
• 第二章 在Arc阻遏蛋白的聚合过程中Φ值分析有效性的研究37-61
• 2.1 引言37-39
• 2.2 模型与方法39-45
• 2.2.1 连接和不连接模型39-40
• 2.2.2 分子动力学模拟方法40-42
• 2.2.3 伞形抽样42-43
• 2.2.4 Φ值分析43-44
• 2.2.5 有效俘获半径44-45
• 2.3 结果与讨论45-56
• 2.3.1 连接和不连接模型的动力学特性45
• 2.3.2 Φ值分析和转变态特性45-48
• 2.3.3 平均力势和“钓鱼线”机制48-50
• 2.3.4 Φ值分析的有效性50-54
• 2.3.5 采用含非天然相互作用的Go模型的结果54-56
• 2.4 结论56-58
• 参考文献58-61
• 第三章 极小纳米粒子与蛋白质相互作用的相图61-91
• 3.1 引言61-64
• 3.2 模型与方法64-68
• 3.2.1 蛋白质与纳米粒子模型64-66
• 3.2.2 描述蛋白质吸附于NP的物理量66-67
• 3.2.3 描述蛋白质结构的物理量67-68
• 3.3 结果与讨论68-84
• 3.3.1 α+β型蛋白质与疏水NP的相互作用68-74
• 3.3.2 全α型和全β型蛋白质与疏水NP的相互作用74-78
• 3.3.3 蛋白质与亲水NP相互作用78-84
• 3.4 结论84-86
• 参考文献86-91
• 第四章 Janus纳米粒子与蛋白质的相互作用91-113
• 4.1 引言91-93
• 4.2 模型与方法93-97
• 4.2.1 蛋白质与纳米粒子模型93-95
• 4.2.2 描述蛋白质吸附于NP的物理量95-96
• 4.2.3 描述蛋白质结构的物理量96-97
• 4.3 结果与讨论97-108
• 4.3.1 α+β型蛋白质与Janus NP的相互作用97-103
• 4.3.2 全α型和全β型蛋白质与Janus NP的相互作用103-108
• 4.4 结论108-109
• 参考文献109-113
• 第五章 总结与展望113-117
• 论文列表117-119
• 致谢119-120

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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本文编号：1122282