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《华南理工大学》 2015年
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蛋白质在自组装膜表面吸附的分子模拟研究

刘捷  
【摘要】:蛋白质在界面的吸附行为在生物医用材料、酶固定化等领域都有着广泛的应用。蛋白质与界面之间的相互作用研究可以大体分为两类:1.蛋白质的特异性吸附;2.蛋白质的非特异性吸附。本论文利用多尺度分子模拟(并行退火蒙特卡洛(parallel tempering Monte Carlo algorithm,PTMC)、粗粒化分子动力学(CGMD)和全原子分子动力学(AAMD))的手段,以模型化的自组装膜表面为基底,分别对蛋白质在带电表面的吸附取向以及混合带电自组装膜的阻抗机理两大问题进行原子水平的模拟研究。拟通过模拟结果对实验上新型蛋白质固定化材料以及防污抗菌材料的设计与开发提供理论指导。主要内容和要点如下:1.原型蛋白G B1结构域和变异蛋白G B1结构域在带电自组装膜表面呈现出不同的吸附取向。变异蛋白G B1结构域在表面的取向分布相较于原型蛋白G B1结构域而言更集中。这主要是因为原型蛋白质本身带-4 e净电荷,因此将蛋白中一端的四个带负电残基中和之后,蛋白质不仅呈中性,且偶极矩相较于原型蛋白而言更大,因此吸附取向分布更窄。除此之外,我们还发现,尽管改变蛋白G B1结构域的偶极分布可以控制其在带电表面更有序的吸附,但是吸附后的取向并不利于进一步的抗体结合。而原型蛋白虽然带有-4e个净电荷,其依旧可以在表面上以有序的取向吸附,同时,吸附后的取向可以调控抗体以FAB-up(即抗原结合域暴露于溶液中)的取向吸附。2.RNase A在负电表面以活性中心朝向表面的取向吸附,在正电表面以活性中心朝向溶液的取向吸附。RNase A与负电表面的相互作用相对更强,因此负电表面可用于除去溶液中多余的RNase A或用于屏蔽RNase A的活性。正电表面由于可调控RNase A以活性中心暴露的取向吸附,因此可用于RNase A的固定化。RNase A在带电表面吸附的过程中,偶极矩发生微小变化,但是蛋白质的整体骨架结构基本保留。也就是说,弱带电表面并不影响RNase A的整体天然构象。3.阿魏酸酯酶在带电自组装膜表面的吸附行为受到表面的带电性质、表面电荷密度以及溶液离子强度等因素影响。通过模拟发现阿魏酸酯酶在带电表面的吸附行为主要靠酶与表面之间的静电相互作用能决定。溶液中离子强度增大时,阿魏酸酯酶与带电表面之间的静电相互作用会减弱。当阿魏酸酯酶吸附在表面电荷密度较小的正电表面且溶液中离子浓度较大时,阿魏酸酯酶的取向最有利于其催化活性。界面的反号离子层在阿魏酸酯酶吸附到负电表面的过程中起着不可忽视的作用。在本工作涉及到的表面电荷密度和溶液离子强度条件下,阿魏酸酯酶都完好地保留了其天然构象。4.漆酶在电极表面的吸附取向直接关系到酶固定化电极的直接电子传导效率。对于漆酶而言,T1中心靠近表面更有利于直接电子传导。本工作的结论与已有的实验结果相一致,都证实正电表面更适合于漆酶的固定化。通过模拟发现,漆酶在正电表面以‘end-on’取向吸附,在负电表面以‘lying’取向吸附。当吸附到正电表面时,漆酶的T1中心相对于负电表面的漆酶的T1中心更接近表面,同时漆酶在正电表面的吸附相比于负电表面更稳定。5.针对COO-封端烷基硫醇上的羧基存在酯化和水解两种状态,通过多尺度分子模拟研究了COO-/N(CH3)3+-封端烷基硫醇混合带电自组装膜与纤维蛋白原(gamma fibrinogen,γFg)之间的相互作用机制以及水解反应对γFg吸附行为的影响。混合带电自组装膜中两种分子链的比例是1:1。模拟发现,经过水解反应,COOCH3-封端烷基硫醇(电中性)转化为COO--封端烷基硫醇(带-1 e电荷)混合带电自组装膜发生了从抗菌性质到阻抗性质的转变。模拟发现水解前后,混合带电自组装膜表面发生的最主要的变化是表面的带电性质和界面的水化层。γFg能够稳定地吸附在水解前带正电的COOCH3-/N(CH3)3+-封端自组装膜表面,吸附过程主要是由静电相互作用诱导。γFg与COOCH3-/N(CH3)3+-封端自组装膜表面上方的单层水化层之间的范德华相互作用能不足以抵抗γFg与COOCH3-/N(CH3)3+-封端自组装膜表面之间强的静电相互作用能。水解之后,带正电的自组装膜表面转化为中性的混合带电自组装膜,γFg与表面之间的静电相互作用能消失。同时,自组装膜表面被“双层水化层”覆盖,该“双层水化层”是由N(CH3)3+和COO-基团共同诱导产生的。通过“双层水化层”和静电相互作用能消失两个因素的共同作用,使得γFg从表面解析。除此之外,水解之后,由于N(CH3)3+和COO-基团直接的静电相互作用,自组装膜的结构更规整了。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O629.73;O647.3

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