计算机模拟生物膜胆固醇及膜与多肽的相互作用

发布时间：2017-04-17 07:20

  本文关键词：计算机模拟生物膜胆固醇及膜与多肽的相互作用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：生物膜是生物细胞的重要组成部分,生物体通过细胞质膜将生物细胞的内外隔绝开来,通过大量的细胞内生膜将细胞器的内外隔离开来,这样可以使得生物细胞以及生物细胞器更加的功能化,使得很多的细胞内反应变得更加的安全。生物膜的组分是多样的,包含有各种各样的脂质,胆固醇,以及蛋白质等。生物膜在维持细胞结构,细胞内外的物质输运、能量转换及信息的传递等生命活动中,发挥着重要的作用。因此,理解生物膜结构与性质,以及其与外界物质的相互作用是一项十分重要的研究工作。本文我们采用计算机模拟的方法研究了胆固醇在不同脂质双层膜当中的行为,考察了膜与塑形蛋白以及外界细胞穿膜肽的相互作用。第一章,我们简要介绍生物膜的基本组成,结构性质以及力学、热力学、动力学等性质。本章中,我们着重介绍目前生物膜研究的几个热门领域。首先是对生物膜中胆固醇的研究,胆固醇是细胞内一种重要的含量丰富的代谢物,与多种心脑血管疾病比如动脉粥样硬化相关。接着,我们将介绍生物体内膜转运过程的生物膜重塑现象,而且特别的强调该过程中膜重塑蛋白的作用。最后,我们将介绍生物膜与外在的多肽的相互作用。这种多肽或蛋白包含很多的类别,比如说抗菌肽,细胞穿膜肽。第二章,我们主要介绍分子动力学模拟方法,特别是分子模拟当中的力场选择。我们介绍了全原子模拟方法和粗粒化方法,以及它们是如何被应用在生物分子体系包括生物膜,蛋白质,多肽,纳米颗粒等方面的研究。第三章,我们利用计算机模拟,研究了胆固醇在几种不同的细胞膜中的行为。目前,对胆固醇在哺乳动物细胞膜中分布行为的研究受到了广泛的关注,它可以有助于揭示一些心脑血管疾病的病理学起因。我们的结果表明,胆固醇在不同的膜当中的熵-焓值依赖于细胞膜的磷脂堆积。紧密的磷脂堆积对应有利的熵,但焓却是不利的。与此同时,疏松的磷脂堆积对应着不利的熵,但焓是有利的。在不同细胞膜环境下,热力学变化的不同将会影响胆固醇在膜与膜之间以及膜内的分布。我们还研究了胆固醇在弯曲的膜上的跨膜分布,发现因为在弯曲的膜中,膜的两个单层的磷脂堆积发生了不一样变化,这将导致胆固醇在膜的两个单层上重新分布。最后我们定量化地提出了一种物理机制,来解释胆固醇在膜两个单层上的再分布行为。并且,我们讨论了这种再分布行为在膜形变过程的作用,并指出这个过程可以有效的降低膜弯曲所耗费的能量,这些研究结果增进了对胆固醇在细胞膜间与膜内的分布情况的认识。第四章,我们主要研究细胞穿膜肽与膜的相互作用。细胞穿膜肽(CPPs)能够有效地将蛋白质、核酸等生物分子导入动物细胞中。利用分子动力学模拟,我们系统研究了(Arg)9(细胞穿膜肽的一种)转运通过细胞膜的微观机理。我们的结果表明,细胞膜的不对称性(尤其是膜磷脂电荷分布的不对称性)是(Arg)9转运的前提和关键,而膜孔的产生(往往需要多个肽之间的协同作用)则是(Arg)9通过细胞膜的主要途径——在膜磷脂不对称分布情况下,多个(Arg)9诱导细胞膜产生膜孔,然后经由膜孔直接穿膜进入细胞内部。此外,通过在(Arg)9一端接入纳米粒子(作为货物分子),我们进一步研究了在有货物分子存在的情况下,(Arg)9的穿膜机制及其转运能力,并考察了纳米粒子的亲疏水性对穿膜过程的影响。我们发现,在接入纳米粒子后,(Arg)9与纳米粒子二者的复合体依然能够通过协同作用直接穿过细胞膜,不过亲疏水性不同的粒子在穿膜过程中所经由的路径则大不相同,而且疏水性纳米粒子要比亲水性纳米粒子更加容易被输运。这些研究结果有可能对将来以细胞穿膜肽为载体的药物设计、输运提供一些有意义的指导。第五章,我们研究膜塑形蛋白的氨基端螺旋在塑造膜形状过程的作用。我们结合全原子模拟与粗粒化模拟,研究了Epsin, Sarlp以及Arf1三种蛋白质的氨基端螺旋与磷脂膜的相互作用。全原子模拟表明,两亲性螺旋嵌入细胞膜会导致包含该螺旋的脂质单层的磷脂尾部序参量降低,而不包含该螺旋的脂质单层的磷脂尾部序参量会升高。并且Epsin与Sarlp氨基螺旋对磷脂堆积的影响要大于Arf1氨基螺旋的影响。进一步的粗粒化模拟直接展示了在多个氨基端螺旋嵌入膜的情况下膜的变形过程。我们发现对比Arf1氨基端螺旋,Epsin与Sarlp氨基端螺旋能诱导更大膜曲率。此外我们尝试阐释了多肽的长度,净电荷,疏水性以及输水矩是如何与Epsin, Sarlp以及Arf1氨基端螺旋的膜塑形能力相联系在一起的。该研究有助于更好的理解蛋白驱动的膜重塑机制。第六章,我们对本文的工作进行总结,并对今后的工作进行了展望。
【关键词】：细胞膜 膜弯曲 分子动力学 胆固醇 膜重塑 两亲性螺旋 多肽 塑形蛋白 细胞穿膜肽 自由能
【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】：Q811.2
【目录】：

• 摘要4-6
• 英文摘要6-12
• Chapter 1 Introduction12-30
• 1.1 Cell membrane components and structure12-16
• 1.1.1 Lipids12-15
• 1.1.2 Membrane protein15-16
• 1.2 Cell membrane properties and function16-20
• 1.2.1 Membrane's mechanical and thermodynamics properties16-18
• 1.2.2 Transport and signaling function of the membrane18-20
• 1.3 Cholesterol in membrane20-22
• 1.3.1 The structure and metabolism of cholesterol in mammal cell20-21
• 1.3.2 The distribution and role of cholesterol in membrane21-22
• 1.4 Intracellular transport and membrane remodeling protein22-25
• 1.4.1 Main ways of the intracellular vesicular transport22-23
• 1.4.2 Mechanisms of membrane remodeling23-25
• 1.5 Interactions of membrane with the foreigner molecules-peptide or par-ticles25-30
• 1.5.1 Antimicrobial peptide and cell penetrating peptide25-27
• 1.5.2 Formation of membrane pore formation27-28
• 1.5.3 Biological nanotechnology and drug delivery28-30
• Chapter 2 Methods30-42
• 2.1 Fundamental principle of computer simulation30-34
• 2.1.1 Calculating averages from a molecular dynamics simulation30-32
• 2.1.2 Classical mechanics32-34
• 2.2 Force field34-39
• 2.2.1 Genetal principle of force field34-35
• 2.2.2 All atom simulation35-37
• 2.2.3 Coarse grained simulation37-39
• 2.3 Calculation of free energy in MD simulation39-42
• Chapter 3 Influence of different membrane environments on the behavior of cholesterol42-62
• 3.1 Introduction42-43
• 3.2 Methods and Models43-47
• 3.3 Results and Discussion47-57
• 3.3.1 Cholesterol condensing effect47-48
• 3.3.2 Thermodynamics analysis of cholesterol in different membranes48-53
• 3.3.3 Redistribution of cholesterol in curved membrane and discus-sion on its implication53-57
• 3.4 Conclusion57-58
• 3.5 Appendix58-62
• Chapter 4 Translocation of poly-arginine and conjugated particles across the asymmetric membrane62-75
• 4.1 Introduction62-63
• 4.2 Methods and Models63-67
• 4.3 Results and Discussion67-73
• 4.3.1 Translocation of peptides across asymmetric membranes67-69
• 4.3.2 Translocation of peptide and its conjugated particle across asym-metric membranes69-73
• 4.4 Conclusion73-75
• Chapter 5 Computer simulations of the N-terminal helices of Epsin, Sarlp and Arfl interacting with the membrane75-90
• 5.1 Introduction75-79
• 5.2 Methods79-81
• 5.3 Results and Disussion81-89
• 5.3.1 Insertion of amphiphilic helix into membrane81-85
• 5.3.2 Effect of helix insertion on lipid packing of membrane85-86
• 5.3.3 Membrane remodeling upon insertion of multiple helices86-89
• 5.4 Conclusion89-90
• Chapter 6 Conclusion and Outlook90-94
• Bibliography94-114
• Publications114-116
• Acknowledgement116-118

【共引文献】

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  本文关键词：计算机模拟生物膜胆固醇及膜与多肽的相互作用，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：312723