納米顆粒與環(huán)境水結(jié)構(gòu)對蛋白質(zhì)構(gòu)象影響的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、蛋白質(zhì)是生命活動的基本單元。活體細胞的每一項功能的實現(xiàn)都離不開蛋白質(zhì)。而蛋白質(zhì)的這些豐富功能基本上由其結(jié)構(gòu)決定。對于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，能極大的促進我們對于生物細胞功能的實現(xiàn)過程的了解，對于人類的醫(yī)療健康、生產(chǎn)生活都具有重大的意義。另一方面，作為一個重要的研究手段，計算模擬技術(shù)已廣泛的應(yīng)用到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的研究領(lǐng)域中去。相對于實驗，它常常對環(huán)境要求低、操作簡單、消耗小、研究周期也短。而且在很多的時候，它能得到實驗所不能得到的結(jié)果，達

2、到與實驗互補，從而使我們能更加深入的洞察蛋白質(zhì)動力學(xué)的奧秘。
　　在本論文中，我們使用分子動力學(xué)模擬的方法來研究與蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變相關(guān)的問題，重點是納米顆粒對蛋白質(zhì)構(gòu)象的影響進而導(dǎo)致功能的改變與水分子在蛋白質(zhì)構(gòu)象中的作用等。對于不同的問題，我們選擇了包括經(jīng)典的類Go模型、基于類Go模型的去溶劑化改進模型、以及全原子模型在內(nèi)的不同模型進行研究。具體來說本論文共分為七章：
　　第一章，我們對于蛋白質(zhì)的組分與結(jié)構(gòu)進行了簡單的綜述，提

3、出了在我們論文中將要涉及的蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變相關(guān)的問題，并簡要的描述了當前研究這些問題的一些常用的實驗與計算機模擬方法。
　　第二章，我們使用經(jīng)典類Go模型研究有序水對蛋白質(zhì)折疊的影響。所謂有序水是指，局限在某些底物的表面，具有類似于冰的結(jié)構(gòu)的水分子。實驗與模擬的研究中，發(fā)現(xiàn)很多底物的表面，包括生物分子與生物膜的表面，都會存在這種水分子。另一方面，當前蛋白質(zhì)折疊研究認為蛋白質(zhì)在體內(nèi)折疊的行為與體外可能存在不同，而不同的原因很大程度是因

4、為細胞內(nèi)很擁擠，蛋白質(zhì)是在一個局限的空間中折疊的。而有序水的發(fā)現(xiàn)表明，除了所謂的局限空間的影響，蛋白質(zhì)在體內(nèi)的折疊還可能要受到有序水的影響。在這章中，我們采用一個廣泛使用的蛋白質(zhì)折疊類Go模型，并引入有序水的效應(yīng)來研究蛋白質(zhì)折疊問題。通過模擬研究，我們發(fā)現(xiàn)，相對于僅僅蛋白質(zhì)局限于空間效應(yīng)，有序水對于蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性與折疊速度的促進作用更加的明顯。而進一步的研究表明，有序水的這些影響與局限空間的大小存在一個較明顯的負指數(shù)關(guān)系。
　　第

5、三章，我們對經(jīng)典的類Go模型進行了改進，加入了去溶劑化效應(yīng)的影響，并用它研究低溫下蛋白質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變問題。所謂去溶劑化效應(yīng)，在這里是指兩個疏水粒子之間相互靠近時，其相互作用能并不是一直下降的過程。在其中間存在一個水分子的時候，有一個勢阱，而后則是一個勢壘。只有翻越這個勢壘才能達到全局的極小，即兩個粒子直接接觸。所以在我們的研究中，使用這種相互作用形式來描述經(jīng)典類Go模型中天然接觸(Native Contact)間的相互作用。而且，這種模

6、型能夠唯象的給出蛋白質(zhì)折疊過程中，所包含的水分子的數(shù)目。這對于我們研究蛋白質(zhì)折疊的機制與在這之中水分子的作用是相當有幫助的。通過我們研究發(fā)現(xiàn)，在折疊溫度，溶劑分子是在蛋白質(zhì)折疊的最后階段排出的，也就是說，在大部分的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)都已形成時，蛋白質(zhì)分子中仍然存在水分子。在低溫時，溶劑分子凝結(jié)在蛋白質(zhì)分子中不能排出，而且溶劑分子開始凝結(jié)的溫度正好是蛋白質(zhì)折疊的玻璃相轉(zhuǎn)變的溫度，結(jié)合其他相關(guān)的實驗的資料，我們認為水分子在蛋白質(zhì)分子中的凝結(jié)對于蛋白

7、質(zhì)折疊的玻璃相與玻璃相轉(zhuǎn)變具有重要的作用。
　　第四章，我們采用全原子模型研究蛋白質(zhì)部分折疊問題。在這個研究中，我們使用顯式的水分子模型，在全原子的層次上模擬了一個雙螺旋的發(fā)夾結(jié)構(gòu)(Helix-Turn-Helix)蛋白質(zhì)從一個部分折疊的狀態(tài)，即一個螺旋去折疊的結(jié)構(gòu)，折疊到其天然結(jié)構(gòu)的過程。雖然，從理論上講，模擬一個蛋白質(zhì)從無規(guī)的隨機鏈折疊到天然態(tài)的過程更加有助于提高我們對于蛋白質(zhì)折疊機制的理解，然而要進行這樣一次模擬，所需要的計

8、算資源是巨大的，對于當前的計算機能力來說是一個很大的挑戰(zhàn)。于是我們對這個問題進行了一個折中的處理。從我們模擬的結(jié)果來看，其對于了解蛋白質(zhì)后半段的折疊行為的研究也是相當有意義的。在模擬中，我們發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)先形成那個被去折疊的螺旋結(jié)構(gòu)，然后合并兩個螺旋而達到它的折疊態(tài)。與此同時，在我們的模擬中，一些比較穩(wěn)定的錯誤折疊構(gòu)象也被發(fā)現(xiàn)。通過對所有模擬中所得構(gòu)象的相似度與蛋白質(zhì)折疊系統(tǒng)中各種成分間的相互作用能的分析后，我們發(fā)現(xiàn)，對于蛋白質(zhì)折疊來說，整

9、個蛋白質(zhì)與水組成一個整體，除了蛋白質(zhì)自身相互作用力外，水分子內(nèi)部的相互作用也極大的促進蛋白質(zhì)折疊態(tài)的能量降低。這個發(fā)現(xiàn)使我們更加認識到水分子對于蛋白質(zhì)折疊的重要作用。
　　第五章，我們采用全原子模型研究疏水納米顆粒與蛋白質(zhì)相互作用。當前，納米科技相當熱門，而納米材料被用諸如診斷、成像、藥物輸運、生物感應(yīng)器等很多方面中去。為了保證納米材料的這種良好的應(yīng)用前景，研究其可能導(dǎo)致的毒性機理是非常重要的。在這個研究中，我們使用全原子分子動力

10、學(xué)的方法模擬研究一個碳納米管與一個具有功能的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域之間的相互作用。我們發(fā)現(xiàn)這疏水的碳納米管能夠插入蛋白質(zhì)的疏水核心中心去，屏蔽蛋白質(zhì)的活性位點，破壞蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)，從而可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能喪失。我們相信，這對于我們從分子的層次了解納米毒性機制是非常有幫助的。而另一方面，碳納米管也會與蛋白質(zhì)的活性位點結(jié)合，使我們在生物分子與納米材料之間建立的某種聯(lián)系，從而也可能對于我們研究生物傳感器有一定的幫助。
　　第六章，我們采用全原子模

11、型研究納米顆粒與配體競爭靶蛋白的結(jié)合位點。與前一個問題相同，這個研究同樣是一個與納米毒性相關(guān)的研究，但其產(chǎn)生毒性的機制并不相同。有研究表明，蛋白質(zhì)與其配體結(jié)合時，疏水相互作用具有重要的作用。很顯然，疏水的納米顆粒能與蛋白質(zhì)的疏水的結(jié)合位點相互作用，從而阻止靶蛋白質(zhì)結(jié)合其配體。通過全原子模型的模擬，我們發(fā)現(xiàn)由于碳納米管的疏水性非常強，相對于蛋白質(zhì)原本的配體，其結(jié)合非常的迅速，所以碳納米管在很多情況下能夠先行的結(jié)合到靶蛋白的疏水位點上去，從

12、而阻止其配體的結(jié)合，即破壞了蛋白質(zhì)正常功能的執(zhí)行?？傊?，納米科技是一把雙刃劍，我們這一章與前一章的研究表明，一個非特異的疏水納米顆粒也可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能的喪失，所以其在與人類健康相關(guān)的領(lǐng)域的應(yīng)用中應(yīng)當相當謹慎。
　　第七章，我們總結(jié)了我們所有的研究內(nèi)容，并對于使用計算機模擬，特別是分子動力學(xué)模擬來研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)的問題進行了討論與展望。結(jié)合我們在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬方面的研究，我們分析各種不同的模型的優(yōu)缺點，而在附錄中我們還簡要的描述