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蛋白质的折叠与结合机制研究

作　者: 常乐
导　师: 王骏；王炜
学　校: 南京大学
专　业: 物理学
关键词: 蛋白质折叠结合速率 Fly-casting机制天然无规蛋白
分类号: Q51
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

生物大分子是构成生命体的物质基础,并参与了生命活动的每一个过程。这些构建生命体的生物大分子主要包括：脱氧核糖核酸(DNA),核糖核酸(RNA),蛋白质,以及多糖,等等。蛋白质作为生命活动的主要参加者和生物结构的主要组成成分,对生物体的生存和繁衍有着重要的作用。蛋白质体系的研究对人类的生产生活以及生命健康都具有重大意义。蛋白质是由氨基酸组成的聚合物链。蛋白质在生理条件下常常倾向于折叠形成稳定的唯一的天然三维结构。蛋白质生理功能的实现,与其天然结构有着密切的关系。因此,蛋白质自发形成天然结构的动力学过程是一个非常有趣并且值得研究的物理现象。其中,对于蛋白质折叠速率的研究尤为重要。最新的研究表明,部分的蛋白质在生理条件下并不具有稳定的天然结构,而是以一种看似无规的状态存在。这部分蛋白质又被称为“天然无规蛋白”。由于没有稳定的结构,这类蛋白质为了实现生理功能,必须与其他生物大分子结合并形成具有稳定结构的复合物。这类蛋白质与其他生物大分子结合并形成具有稳定结构复合物的过程是蛋白质体系中的另一种有趣而且重要的结构形成过程。这种过程的研究对于理解此类蛋白质生理功能的实现方式具有重大的参考价值。我们为绕着蛋白质的折叠与结和过程展开了一系列工作,探讨了多种物理因素对蛋白质的折叠与结和过程的影响。这些研究主要集中在动力学与热力学两个方面,勾画出蛋白质折叠与结合过程的动力学图像以及热力学的平衡态的自由能面,并进一步研究了影响动力学过程与平衡态自由能面的物理因素。研究揭示了温度与熵的因素对蛋白折叠以及结合过程的影响。对深入理解蛋白折叠与结合过程的物理机制有重要的意义。研究一：基于氨基酸种类的有效链长对于蛋白质折叠速率的预测方法。此研究通过构建以氨基酸残基为基本单位的蛋白质链模型,考虑界面能和构象熵两方面的因素,分别给出了蛋白质链在天然态和非天然态的自由能形式。在此基础上,推算出蛋白质链从非天然态向天然态转变过程所需跨过的自由能势垒高度公式,进而给出折叠速率的解析形式。通过对大量折叠速率实验值的统计分析,优化出了对折叠速率起决定作用的氨基酸残基的种类,所得结果与理论分析结果一致。研究二：结合模拟和实验结果,从理论上分析温度和浓度对蛋白质结合机制的影响。Fly-casting机制是天然无规蛋白与生物大分子结合的主要方式。它能有效降低结合过程所需跨过的自由能势垒并显著增加结合过程的俘获半径。在此研究中,基于以氨基酸残基为基本单位的蛋白质链模型,通过考虑蛋白质链伸展状态的自由能形式以及引入描述运动熵的附加项,解析的给出了描述Fly-casting结合过程的自由能形式。并以数值解的方式,确定了获得最大俘获半径的条件。研究三：基于全原子模型的天然无规蛋白的结合与折叠过程的研究。全原子模型作为当前计算机能力可及的的最精细模型,在生物大分子的动力学模拟中有着广泛的应用。ARC抑制蛋白作为一个天然无规蛋白的典型,其生物功能和结合过程在理论和实验上都进行过广泛的研究。此研究通过伞形抽样换加温度副本交换的采样方法获得了ARC阻抑蛋白的二聚化以及天然结构形成过程的自由能面,详细给出了结合过程的结构变化,势垒高度,关键区域,以及反映结合机制的信息。并研究了温度变化对结合过程自由能面产生的影响。其结果对于深入理解天然无规蛋白的结合过程和Fly-casting结合机制具有重要的参考价值。论文内容安排如下：在第一章中,对蛋白质折叠,蛋白质结合,天然无规蛋白以及Fly-casting结合机制的相关背景知识作了简要介绍；在第二章中,对相关的理论模型,模拟方法,采样方式以及自由能计算作了概括说明；在第三章中,详细阐述了基于氨基酸种类的有效链长对于蛋白质折叠速率的预测方法的相关研究内容；在第四章中,详细阐述了关于结合机制以及天然无规蛋白结合过程的相关研究；在第五章中,对论文所涉及工作进行了简要总结,并对未来工作作出了展望。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章背景介绍  9-17
  1.1 蛋白质的生物学意义  9
  1.2 蛋白质的组成  9-10
  1.3 自由能面理论  10-12
  1.4 蛋白质链的折叠速率  12-14
  1.5 天然无规蛋白  14-15
  1.6 蛋白质的结合机制  15-17
第二章研究方法  17-33
  2.1 毛细理论  17-26
    2.1.1 概述  17
    2.1.2 折叠速率模型  17-22
    2.1.3 蛋白质结合模型  22-26
  2.2 分子动力学模拟  26-33
    2.2.1 概述  26-27
    2.2.2 分子力场  27-28
    2.2.3 加速采样  28-31
    2.2.4 采样回归  31-33
第三章蛋白质折叠速率预测  33-47
  3.1 有效链长的优化  33-34
  3.2 最优氨基酸残基组合  34-41
  3.3 折叠速率的预测  41-46
  3.4 总结  46-47
第四章蛋白质结合机制研究  47-67
  4.1 影响结合机制的因素  47-49
  4.2 温度对俘获半径的影响  49-51
  4.3 影响俘获半径的因素  51-54
  4.4 基于全原子模型的研究  54-62
    4.4.1 模拟对象  54
    4.4.2 模拟方法  54-56
    4.4.3 自由能面与结合过程  56-59
    4.4.4 温度效应  59-62
  4.5 总结  62-67
第五章总结与展望  67-69
参考文献  69-85
简历与科研成果  85-87
致谢  87-88

蛋白质的折叠与结合机制研究

内容摘要

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