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《中国石油大学(华东)》 2016年
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分子结构和微观作用力对多肽自组装的影响

周鹏  
【摘要】:多肽自组装纳米材料的设计和制备是当前纳米材料、生物材料等新材料开发领域研究的热点之一。多肽分子,由氨基酸残基组成,具有序列可调节、可生物降解、生物兼容性好、具有生物活性的特点。多肽分子可视为蛋白质的水解产物,结构比蛋白质简单,但可通过分子自组装形成多层级的具有丰富形貌的纳米结构。因此在本课题中,我们考察多肽的分子结构与其自组装结的关系,利用实验表征和分子模拟相结合的方式,研究多肽自组装体中的微观作用力以及各种微观相互作用之间的竞争关系对多肽自组装的影响。本论文通过单纯调节氨基酸残基序列设计和研究了一系列分子(KE-F8、EK-F8和KFE-8)。这3种多肽分子氨基酸组成相同,分子量相同,分子尺寸和疏水性相近,仅氨基酸序列不同,但是分别可以自组装形成三种典型的纳米结构(扭转纳米带、螺旋纳米带/纳米管和平行纳米带)。KE-F8(NH_2-KEFFFFKE-CONH_2)和EK-F8(NH_2-KEFFFFEK-CONH_2)有着相同的亲疏水残基分布,唯一的区别是在C-端调换了正负电荷残基的位置。与KE-F8和EK-F8不同,KFE-8(NH_2-KFEFKFEF-CONH_2)的亲疏水排布方式为典型的离子互补肽的残基排布方式,即亲水残基和疏水残基交替排列。分子动力学(Molecular Dynamics,MD)计算结果说明,静电和疏水作用的竞争可以导致分子间初级排列方式的不同:KE-F8单体分子彼此排列形成各个残基完全对映匹配的反平行β-sheet结构;EK-F8单体分子在形成反平行β-sheet结构时,有一个残基的位移;KFE-8单体在形成β-sheet时同样有一个残基的位移,不同之处在于它形成的β-sheet层具有亲水和疏水两个不同的表面,因而需要通过形成双层结构(疏水表面在内、亲水表面在外)来稳定其疏水表面。结合实验表征数据和分子模拟计算结果,我们阐释了β-strand间相互作用与β-sheet间相互作用的竞争与多肽自组装结构的对应关系:当β-strand间作用力较大,β-sheet间作用力较小时,组装体倾向于形成扭转纳米带状结构;当β-strand间作用力减小,β-sheet间作用力增大时,组装体的扭转角度变小,形成螺旋结构;β-sheet间作用力进一步增大时,组装体倾向于形成平行纳米带状结构。为了研究自组装多肽分子中,氨基酸残基的构象倾向、一级结构(分子内相邻残基,分子长度)和分子间相互作用对短肽分子的自组装性能的影响,我们使用副本交换分子动力学(Replica exchange molecular dynamics,REMD)方法系统研究了一系列含有同分异构(Isomeric)疏水氨基酸残基(异亮氨酸(Iso-Leucine,Ile,I)和亮氨酸(Luecine,Leu,L))的类表面活性剂短肽分子(I_3K,L_3K,L_4K和L_5K)的单体,二聚体和三聚体。对于四残基短肽X_3K(I_3K和L_3K),氨基酸残基的固有构象结构倾向起主导作用;对于L_mK短肽(L_3K,L_4K,L_5K),分子长度起主导作用,而这种主导作用是通过调节分子间相互作用来实现的。增加L_mK短肽疏水部分的长度可以稳定其分子间氢键的形成,从而提高其β-strand的数量,使得Leu偏离其固有构象倾向。通过分析氨基酸残基构象与整个分子的主链几何形状以及有序聚集能力之间的关系,本论文提出:趋于特定二级结构的构象倾向与分子间作用力的相互作用(协同作用),共同决定了多肽分子的自组装性能,分子内氢键与分子间氢键的竞争决定了分子形成β-sheet的概率。这些结果通过实验和模拟的圆二色光谱数据得到证实。此项研究希望有助于类表面活性剂短肽自组装体系的设计以及深入对短肽自组装机理的研究。通过以上的研究,我们发现氨基酸特定的固有构象倾向对多肽分子的自组装有着重要的影响。我们尝试利用亮氨酸(Leu)残基的较强的形成螺旋构象的能力和类表面活性剂的两亲性,通过旋光异构(Enantiomeric)氨基酸残基(L-Leu和D-Leu)交替排布,成功设计了结构简单的基于α-sheet二级结构的自组装多肽L~DLL~DLK。通过REMD方法系统研究对比了L_4K和L~DLL~DLK的单体分子性质和分子间排布方式的结构倾向(扭转、螺旋或弯曲)的差异。研究发现,相对于L_4K,L~DLL~DLK单分子有较强的形成伸展构象的能力。L~DLL~DLK和L_4K虽然都能形成平行、反平行以及平行/反平行混合的分子间排列方式,但是在L~DLL~DLK形成的α-sheet排列方式中,α-strand彼此可以自由地滑移,并同时保持分子间有足够数量的氢键来稳定分子间排列方式。我们推测单分子的伸展性和分子间排列的既灵活又稳定的特点,是L~DLL~DLK分子形成纳米管,而性质相反的L_4K分子形成纳米纤维的原因。综上所述,本论文系统研究了多肽的分子结构对其自组装形貌和自组装行为的影响规律,包括多肽不同带电氨基酸残基分布效应、多肽不同亲疏水氨基酸残基分布效应、氨基酸残基的同分异构效应以及旋光异构效应,并在此基础上,借助分子动力学模拟方法,分析了自组装结构中的微观作用力,揭示了微观相互作用的竞争与多肽分子自组装的关系。
【学位授予单位】:中国石油大学(华东)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O629.72;O641.3

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