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《浙江大学》 2009年
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蛋白质在不同界面的识别、吸附及稳定性研究

陈欣  
【摘要】:蛋白质是生物体内最重要的组成成分之一,参与几乎所有的生命过程和细胞活动。从遗传物质的复制、基因的表达调控到细胞的代谢过程、细胞的信号转导,以及细胞与细胞之间的短程、远程通讯,生物体的形态形成、细胞粘附、晶体生长调控等,蛋白质与界面之间的相互作用都在其中扮演着重要的角色。其中,蛋白质的运输和存储、细胞粘附以及相关晶体的生长控制需要通过蛋白质和生物材料之间的相互作用来实现。而酶的催化、免疫反应、信号转导等过程必须依靠蛋白质-蛋白质之间的相互作用才能完成其功能的行使。由于蛋白质通常具有很强的表面活性,蛋白质溶液在固体的表面会发生吸附。在一些医药和工程技术领域均涉及蛋白质与固体表面的吸附作用。从生物流体中聚集生物活性成分的早期,蛋白质在界面的吸附起到一个桥梁的作用,首先是蛋白质吸附,然后,生物细胞吸附在被吸附的蛋白质前体上。当血液与人工植入材料接触时,会引起血液的凝结和免疫反应。在工程反应器中,蛋白质吸附可以造成“生物污染”从而降低生产率。通常认为,蛋白质在固体表面吸附时,蛋白质与蛋白质之间,蛋白质与水分子之间,蛋白质与界面之间都存在着相互作用,这些作用包括疏水作用、静电作用、范德华作用、氢键等。蛋白质分子作为生物大分子具有特殊的生物活性,这些相互作用的存在必然改变其分子的空间构象,从而影响蛋白质的生物功能。 本论文采用了分子动力学和量子力学相结合的方法对蛋白质分子与不同性质的纳米界面之间的相互作用情况进行了探讨。我们依次选取了水分子界面、规则的无机晶体界面以及不规则的蛋白质界面作为蛋白质分子作用的对象,以此来研究蛋白质在不同性质表面上的识别能力、吸附行为以及稳定性情况。首先,我们使用了分子动力学(molecular dynamics, MD)模拟方法对蛋白质与界面组成的体系进行构型优化和平衡模拟,以获得它们的平衡结合状态。在此基础上,使用操控式分子动力学(steered molecular dynamics, SMD)模拟对蛋白质与界面之间的吸附-脱附行为进行了比较分析,获得了蛋白质在界面上的稳定性信息。然后,使用量子力学的方法对关键的作用位点进行计算分析,确认作用机理。通过以上的研究方法可以获得蛋白质与界面发生作用的关键位点信息以及作用方式,为蛋白质的纯化分离、药物分子设计、生物材料的开发提供有效的建议。本论文 的主要研究成果如下: 1.研究了HIVp蛋白在水环境中的稳定性情况。通过分析发现HIVp的两条组成相同、结构对称的肽链在外力扰动下的运动模式也近似完全相同。但是,HIVp的受力情况是各向异性的,在实验中观测得到的HIVp的活性位点所在的取向上,HIVp的受力程度最差,换言之,在这个方向上施加外力,蛋白质的整体构型最容易被破坏。而且HIVp具有一定的抗扰动能力,它的结构具有一定的保守性。在外力作用下,蛋白质的构型在一段时间内保持不变,随着扰动时间的增加,会发生由外而内的变化。在外力施加的过程中,蛋白质会进行选择性的结构变化来调节自身结构的柔性区域分布,从而保持其构型的稳定。 2.从原子尺度上揭示了牙釉蛋白的功能肽段LRAP在羟基磷灰石HAP (001)自然晶面上的吸附-脱附行为。通过比较LRAP蛋白的六个取向在HAP(001)晶面的吸附强度/脱附难度,发现了LRAP蛋白与HAP(001)晶面相互作用的主要作用力是静电相互作用,关键吸附基团是羧基基团,特殊的作用模式是通过-COO-的两个氧原子像蟹螯一样牢牢钳住HAP表面的Ca2+。 3.探讨了硅掺杂对LRAP在HAP(100)晶面吸附行为的影响。对HAP(100)自然晶面(该晶面最外层分布为磷酸根离子)进行不同程度的表面硅掺杂,研究了LRAP在这些界面上的吸附情况。比较分析发现,取代了磷酸根离子的硅酸根离子对LRAP在HAP(100)晶面的吸附产生了屏蔽作用。硅掺杂导致的负电荷增加效应和空间位阻效应使得LRAP与HAP之间的相互作用程度减弱。当表面硅掺杂的比例超过一定数值,屏蔽效应会变得非常明显,因此硅掺杂比例需要控制在一定范围内才可以在发挥生物活性的同时而不破坏蛋白对HAP生长的调控作用。 4.研究了胰岛素样生长因子-Ⅰ蛋白(IGF-Ⅰ)与胰岛素样生长因子结合蛋白-4(IGFBP4)之间的相互作用情况。使用了定点突变的方法对IGF-Ⅰ上关键吸附基团的吸附功能进行了比较分析。在具有较大包埋面积的两个相互作用的蛋白质之间发现了它们的关键吸附区域是IGF-Ⅰ蛋白中的一段由7个氨基酸组成的环状肽段,其中Asp38残基是最主要的吸附基团。氢键是维持IGF-Ⅰ与IGFBP4形成稳定结合的主要作用力,IGFBP4的碗状结构使得其与IGF-Ⅰ之间具有较大的包埋面积,相互作用程度加强,这也是二者能够牢固结合的原因之一。
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