甲型流感病毒M2质子通道质子传导机理的分子动力学模拟

发布时间：2017-09-20 00:44

  本文关键词：甲型流感病毒M2质子通道质子传导机理的分子动力学模拟

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【摘要】：流行性感冒（简称流感）是由流感病毒引起的急性呼吸道感染，目前每次流感大爆发均在人群中有着显著的发病率和一定的致死率，令人闻之色变。其中，甲型流感病毒引起了人们的广泛注意，这是因为它不再仅仅对禽和家畜养殖业带来重大灾难，更会感染人类，严重危害了公共健康。一般来说，不同的流感病毒只能寄生于各自特定的宿主细胞，这就意味着禽流感、猪流感是无法感染人类的。然而由于甲型流感病毒具有很强的突变能力，其基因的变异使其突破了物种间自然屏障从而能够感染人类。更令人恐惧的是由于其突变能力强，不断更新变异的甲型流感病毒已经产生了对现有常用药物的抗药性。由于缺乏有效的防疫和治疗手段，使得人们对甲型流感病毒的频频爆发颇为关注。 M2蛋白是甲型流感病毒上高度保守的跨膜蛋白，其作用主要是引导质子进入病毒内部，酸化病毒内部环境，从而使病毒释放遗传物质至宿主细胞，指导宿主细胞中病毒的装配。由于其在甲型流感病毒的不同亚型间都具有高度的同源相似性，现已被广泛应用于甲型流感病毒的检测中。甲型流感病毒M2蛋白在病毒复制的过程中起到非常关键的作用，通过阻断M2蛋白的质子通道活性的方法，能在病毒感染早期有效控制其复制。因此M2蛋白现已成为抗甲型流感病毒的药物靶点，所以对M2蛋白的研究将为人类深入开展针对研究抗流感病毒的研究提供理论支持与解释。 分子动力学模拟是目前常用的计算模拟方法，其主要理论是分别对体系中各个粒子进行限制，对每个粒子求解经典牛顿运动方程，，得到每个粒子在各个时刻的三维坐标和其速度信息，最后通过统计物理方法得到宏观体系的动力学和热力学性质。生物大分子体系是分子动力学模拟方法所适用且广泛研究的对象，根据分子动力学模拟结果，我们可以得到生物大分子的构象变化信息以及其热力学、动力学性质。 我们采用分子动力学模拟手段研究了实验上最新报道的两个M2结构：2L0J和3LBW。为了探究甲型流感病毒中M2蛋白的结构性质和其质子传递的机理，我们针对每个结构分别构造了三种不同的质子化状态，即不断增加将被质子化的37位组氨酸的侧链上氢原子的个数，创新地将原本复杂的质子通道开启关闭过程简化为不同质子化状态下M2蛋白结构问题，然后将每个系统都进行了50ns的分子动力学模拟以分析其结构变化、通道半径变化、通道内水分子的分布情况以及通道内水分子通过的自由能。 根据RMSD的计算结果可看出，与2L0J相比，由于3LBW缺少M2蛋白上的包膜内区域，这就导致3LBW的结构在模拟中与原结构偏差很大，说明包膜内区域对于稳定M2蛋白起重要作用。另外，当更多His-37侧链被质子化时，3LBW会变得不稳定，其螺旋骨架甚至发生较大的弯折，这说明高度质子化状态下体系不稳定，由于通道在高度质子化状态下开启，由此可推测通道开启的状态或许是不稳定的。由通道半径的分析可知3LBW会对不同质子化状态有所响应，即随着质子化状态的增加，通道N端愈发收缩，其C端则变得扩大，从而打开通道。然而2L0J的通道半径并没有如此大的差异，再次说明了C端的存在可以稳定M2体系。由于M2通道N端处于关闭状态，通道中不可能有连续水链的存在，因此本文中的模拟结果与连续水链模型不符合。对于水分子通过通道的自由能计算也同样表明通道中不能验证连续水链模型，从而本文通过分子动力学模拟结果从侧面证明了水链模型在我们的模拟体系中的不适用，并大胆支持了"shuttle”模型的可能。
【关键词】：甲型流感病毒 质子通道 分子动力学模拟 平均力势
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R373.13;R312
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 流感病毒概述14-20
• 1.1.1 甲型流感病毒的结构15-18
• 1.1.2 甲型流感病毒的复制循环18-19
• 1.1.3 甲型流感病毒的药物研究进展19-20
• 1.2 甲型流感病毒中M2概况20-22
• 1.2.1 甲型流感病毒中M2蛋白的结构与功能21-22
• 1.2.2 甲型流感病毒M2蛋白的质子传递机理22
• 1.3 本章小结22-24
• 第二章 理论基础与计算方法24-41
• 2.1 计算机模拟概述24-27
• 2.1.1 量化计算的简要介绍25-27
• 2.2 分子动力学方法27-29
• 2.2.1 分子动力学简要介绍27-28
• 2.2.2 分子动力学模拟基本理论28-29
• 2.3 分子动力学模拟中的分子力场29-33
• 2.3.1 分子力场简介及表达方式29-30
• 2.3.2 分子力场的选择30-33
• 2.4 牛顿运动方程的数值求解33-34
• 2.5 分子动力学计算流程34-35
• 2.6 分子动力学模拟的初始化35-37
• 2.6.1 构象初始化36
• 2.6.2 速度初始化36-37
• 2.7 分子动力学的结果分析37-39
• 2.7.1 轨迹分析37
• 2.7.2 自由能的计算37-39
• 2.8 生物大分子体系处理常用的分子动力学模拟软件39-40
• 2.9 本章小结40-41
• 第三章 实验操作41-46
• 3.1 实验材料的选择41-43
• 3.1.1 M2蛋白的来源41-42
• 3.1.2 细胞膜的选择42-43
• 3.2 M2蛋白的预处理43-44
• 3.2.1 初始蛋白的准备43-44
• 3.2.2 脂质双分子层的准备44
• 3.2.3 体系浸入溶剂44
• 3.3 模拟细节44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 结果分析与讨论46-55
• 4.1 构象结构分析46-48
• 4.2 通道半径分析48-50
• 4.3 通道内水分子密度分布50-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 全文总结55-57
• 5.1 主要工作55-56
• 5.2 后续工作56-57
• 参考文献57-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文66

【参考文献】

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本文编号：884937