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钙泵蛋白和受磷蛋白的分子动力学研究

孙升  
【摘要】: Ca2+在细胞生理活动中作为第二信使,对生命活动具有非常重要的作用。Ca2+在由细胞膜隔开的细胞胞质和细胞外基质以及某些细胞器内的环境间,维持着极高的浓度差,这是它发挥功能的基础。Ca2+在的跨膜流动由细胞膜上的蛋白完成。Ca2+泵蛋白消耗ATP水解产生的能量,逆Ca2+浓度梯度主动输运Ca2+。目前,Ca2+泵蛋白的Ca2+输运机制以及能量传输机制都是不清楚的。肌质网Ca2+泵蛋白的活性受受磷蛋白的调控。这个调控机制仍然是个谜。受磷蛋白五聚体具有离子通道的功能,但是它的离子通透机制也是未知的。这些蛋白功能的异常会导致疾病。对它们的功能机制的探讨是当前的研究热点。随着蛋白质结构解析实验的进步,解析出的蛋白质三维高分辨率结构的数量在急剧增加,再加上计算机技术的发展,分子模拟技术现在被广泛应用于生物大分子结构和功能的研究中,特别是分子动力学模拟方法,它能给出的系统中单个原子的动态信息。 基于已有的为数较多的Ca2+泵蛋白的结晶结构,本文建立了该蛋白在四种不同状态的全原子模型,每个模型包含多达17万个原子,然后分别进行了7.5 ns的分子动力学模拟。对Ca2+泵的分子动力学模拟结果的统计分析显示,该蛋白在膜的两侧区域靠近膜的地方,阳离子的浓度比其他的区域高一个数量级。说明了该蛋白在此区域具有阳离子亲和性。为了探讨此区域具有阳离子亲和性的原因,我们又对分子动力学模拟的结果构型进行了Poisson–Boltzmann静电势计算,结果显示此处是大范围的负电势分布。这就说明了Ca2+在Ca2+泵蛋白表面的结合不是随机运动的结果,而是有倾向性的。 我们还对Ca2+泵的主要调控蛋白—受磷蛋白的五聚体进行了研究。全原子的模型建立在高分辨率的NMR的结构基础上,我们使用分子动力学和平均力势计算的方法来研究其跨膜区域孔道的离子通透性。计算结果发现蛋白在平衡构型时,Ca2+通过通道时需要克服高达90 kcal/mol的自由能能垒。这说明在该构型下,Ca2+不能通过。但是当孔洞中存在一股水分子时,Cl-可以自发通过。这就验证了受磷蛋白五聚体可能是氯离子通道的假设。


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