蛋白質(zhì)與羥基磷灰石表面的相互作用機(jī)理研究.pdf

1、隨著生物、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展,蛋白質(zhì)與無(wú)機(jī)材料表面的相互作用成為很多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。羥基磷灰石(HAP)是哺乳動(dòng)物骨骼和牙齒的主要無(wú)機(jī)成分,它具有很好的生物兼容性和特殊的表面性能,因此被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的生物醫(yī)用材料。本論文主要采用分子動(dòng)力學(xué)模擬與量子化學(xué)計(jì)算相結(jié)合的方法,從原子尺度系統(tǒng)地研究了蛋白質(zhì)(主要是骨形態(tài)發(fā)生蛋白BMP-2和BMP-7)在HAP表面的吸附一脫附行為,探討了蛋白質(zhì)在HAP表面的吸附機(jī)理,并對(duì)不同蛋白質(zhì)的動(dòng)

2、力學(xué)行為進(jìn)行了比較分析。研究結(jié)果表明,通過(guò)表面修飾等微觀尺度的調(diào)節(jié),有可能達(dá)到有目的地調(diào)控蛋白質(zhì)在生物醫(yī)學(xué)材料表面的行為。本文由以下六個(gè)部分組成： 第一章,論述了本論文的研究背景與意義,并對(duì)本論文研究工作的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀作了綜述。 第二章,介紹了本論文所采用的研究方法,包括分子動(dòng)力學(xué)模擬和量子化學(xué)計(jì)算方法。 第三章,從原子尺度上揭示了蛋白質(zhì)BMP-2在HAP表面上的吸附.脫附機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),BMP-2與HAP(0

3、01)晶面的相互作用存在三種吸附基團(tuán),分別為-OH,-NH2和-COO-。作為活性基團(tuán),它們往往與強(qiáng)吸電子基團(tuán)(例如-C=O)毗鄰。根據(jù)蛋白質(zhì)與HAP晶體相互作用面的不同,可能有一種或幾種吸附基團(tuán)同時(shí)起作用。至于其作用原理,庫(kù)侖力是-COO-與HAP相互作用的主要作用力,但是對(duì)于不帶凈電荷的吸附基團(tuán)(例如-OH和-NH2)而言,水橋氫鍵更為重要。量子化學(xué)的計(jì)算結(jié)果證實(shí)這種水橋氫鍵是存在的。 第四章,研究了不同取向的BMP-2在H

4、AP表面的吸附一脫附行為。結(jié)果表明,蛋白質(zhì)的取向?qū)ζ渑cHAP表面的相互作用有著顯著的影響。不同取向的BMP-2在HAP表面的吸附基團(tuán)的種類、數(shù)量、相互作用強(qiáng)度以及吸附時(shí)間都各不相同。并且,不同取向的吸附蛋白質(zhì)構(gòu)象變化顯著,這很有可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)在生物材料表面活性的變化。值得注意的是,在吸附最強(qiáng)的體系I中,BMP-2的構(gòu)象變化并不是最大的。 第五章,研究了HAP不同的表面構(gòu)造對(duì)蛋白質(zhì)BMP-7吸附-脫附行為的影響。結(jié)果表明,相互作用

5、能曲線可以為研究BMP-7動(dòng)力學(xué)行為提供豐富的信息。能量曲線不僅可以半定量的體現(xiàn)各個(gè)體系中相互作用強(qiáng)度的不同,而且可以定性地說(shuō)明不同體系中吸附基團(tuán)的種類、數(shù)量以及吸附時(shí)間的差異。BMP-7與HAP之間強(qiáng)烈的相互作用可以引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化。在本章所研究的六個(gè)體系中,蛋白質(zhì)在100+a體系中的構(gòu)型變化最大。在所有的這六個(gè)體系中,只有兩類基團(tuán)可以與HAP表面形成有效的吸附,它們是-COO-和-NH3+或者-C(NH2)2+。進(jìn)一步的量子化學(xué)

6、計(jì)算表明,在蛋白質(zhì)BMP-7吸附到HAP表面的過(guò)程中,發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。 第六章,對(duì)不同蛋白質(zhì)在HAP表面的吸附-脫附行為進(jìn)行了系統(tǒng)的比較。主要選取了四種在生物體內(nèi)參與調(diào)控HAP礦化與生長(zhǎng)的蛋白質(zhì)(BMP-2、BMP-7、LRAP和FN-Ⅲ10)。結(jié)果表明,盡管不同的蛋白質(zhì)各有其與生物材料表面相互作用的位點(diǎn)與基團(tuán),但是Asp、Glu、Lys和Arg這四種氨基酸殘基在各種蛋白質(zhì)中普遍被吸附到HAP表面,所以今后在討論蛋白質(zhì)與HA