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

1、蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的基本單元。活體細(xì)胞的每一項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)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(duì)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，能極大的促進(jìn)我們對(duì)于生物細(xì)胞功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程的了解，對(duì)于人類(lèi)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(gè)重要的研究手段，計(jì)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(duì)于實(shí)驗(yàn)，它常常對(duì)環(huán)境要求低、操作簡(jiǎn)單、消耗小、研究周期也短。而且在很多的時(shí)候，它能得到實(shí)驗(yàn)所不能得到的結(jié)果，達(dá)

2、到與實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)，從而使我們能更加深入的洞察蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的奧秘。
　　在本論文中，我們使用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法來(lái)研究與蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變相關(guān)的問(wèn)題，重點(diǎn)是納米顆粒對(duì)蛋白質(zhì)構(gòu)象的影響進(jìn)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(duì)于不同的問(wèn)題，我們選擇了包括經(jīng)典的類(lèi)Go模型、基于類(lèi)Go模型的去溶劑化改進(jìn)模型、以及全原子模型在內(nèi)的不同模型進(jìn)行研究。具體來(lái)說(shuō)本論文共分為七章：
　　第一章，我們對(duì)于蛋白質(zhì)的組分與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)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(wèn)題，并簡(jiǎn)要的描述了當(dāng)前研究這些問(wèn)題的一些常用的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬方法。
　　第二章，我們使用經(jīng)典類(lèi)Go模型研究有序水對(duì)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(lèi)似于冰的結(jié)構(gòu)的水分子。實(shí)驗(yàn)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(huì)存在這種水分子。另一方面，當(dāng)前蛋白質(zhì)折疊研究認(rèn)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(xì)胞內(nèi)很擁擠，蛋白質(zhì)是在一個(gè)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(gè)廣泛使用的蛋白質(zhì)折疊類(lèi)Go模型，并引入有序水的效應(yīng)來(lái)研究蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題。通過(guò)模擬研究，我們發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于僅僅蛋白質(zhì)局限于空間效應(yīng)，有序水對(duì)于蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性與折疊速度的促進(jìn)作用更加的明顯。而進(jìn)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(gè)較明顯的負(fù)指數(shù)關(guān)系。
　　第

5、三章，我們對(duì)經(jīng)典的類(lèi)Go模型進(jìn)行了改進(jìn)，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(wèn)題。所謂去溶劑化效應(yīng)，在這里是指兩個(gè)疏水粒子之間相互靠近時(shí)，其相互作用能并不是一直下降的過(guò)程。在其中間存在一個(gè)水分子的時(shí)候，有一個(gè)勢(shì)阱，而后則是一個(gè)勢(shì)壘。只有翻越這個(gè)勢(shì)壘才能達(dá)到全局的極小，即兩個(gè)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(lái)描述經(jīng)典類(lèi)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(guò)程中，所包含的水分子的數(shù)目。這對(duì)于我們研究蛋白質(zhì)折疊的機(jī)制與在這之中水分子的作用是相當(dāng)有幫助的。通過(guò)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(shuō)，在大部分的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)都已形成時(shí)，蛋白質(zhì)分子中仍然存在水分子。在低溫時(shí)，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(kāi)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(shí)驗(yàn)的資料，我們認(rèn)為水分子在蛋白質(zhì)分子中的凝結(jié)對(duì)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(wèn)題。在這個(gè)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(gè)雙螺旋的發(fā)夾結(jié)構(gòu)(Helix-Turn-Helix)蛋白質(zhì)從一個(gè)部分折疊的狀態(tài)，即一個(gè)螺旋去折疊的結(jié)構(gòu)，折疊到其天然結(jié)構(gòu)的過(guò)程。雖然，從理論上講，模擬一個(gè)蛋白質(zhì)從無(wú)規(guī)的隨機(jī)鏈折疊到天然態(tài)的過(guò)程更加有助于提高我們對(duì)于蛋白質(zhì)折疊機(jī)制的理解，然而要進(jìn)行這樣一次模擬，所需要的計(jì)

8、算資源是巨大的，對(duì)于當(dāng)前的計(jì)算機(jī)能力來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。于是我們對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了一個(gè)折中的處理。從我們模擬的結(jié)果來(lái)看，其對(duì)于了解蛋白質(zhì)后半段的折疊行為的研究也是相當(dāng)有意義的。在模擬中，我們發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)先形成那個(gè)被去折疊的螺旋結(jié)構(gòu)，然后合并兩個(gè)螺旋而達(dá)到它的折疊態(tài)。與此同時(shí)，在我們的模擬中，一些比較穩(wěn)定的錯(cuò)誤折疊構(gòu)象也被發(fā)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)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(duì)于蛋白質(zhì)折疊來(lái)說(shuō)，整

9、個(gè)蛋白質(zhì)與水組成一個(gè)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(jìn)蛋白質(zhì)折疊態(tài)的能量降低。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使我們更加認(rèn)識(shí)到水分子對(duì)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(dāng)前，納米科技相當(dāng)熱門(mén)，而納米材料被用諸如診斷、成像、藥物輸運(yùn)、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(jī)理是非常重要的。在這個(gè)研究中，我們使用全原子分子動(dòng)力

10、學(xué)的方法模擬研究一個(gè)碳納米管與一個(gè)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(diǎn)，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(duì)于我們從分子的層次了解納米毒性機(jī)制是非常有幫助的。而另一方面，碳納米管也會(huì)與蛋白質(zhì)的活性位點(diǎn)結(jié)合，使我們?cè)谏锓肿优c納米材料之間建立的某種聯(lián)系，從而也可能對(duì)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(jìng)爭(zhēng)靶蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。與前一個(gè)問(wèn)題相同，這個(gè)研究同樣是一個(gè)與納米毒性相關(guān)的研究，但其產(chǎn)生毒性的機(jī)制并不相同。有研究表明，蛋白質(zhì)與其配體結(jié)合時(shí)，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(diǎn)相互作用，從而阻止靶蛋白質(zhì)結(jié)合其配體。通過(guò)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(qiáng)，相對(duì)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(diǎn)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。總之，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(gè)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(lèi)健康相關(guān)的領(lǐng)域的應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)相當(dāng)謹(jǐn)慎。
　　第七章，我們總結(jié)了我們所有的研究?jī)?nèi)容，并對(duì)于使用計(jì)算機(jī)模擬，特別是分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行了討論與展望。結(jié)合我們?cè)诘鞍踪|(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(diǎn)，而在附錄中我們還簡(jiǎn)要的描述