海藻糖抑制蛋白质脲和酸变性的研究

论文摘要

蛋白质稳定性研究在蛋白质结构和功能的相关理论研究以及蛋白质药物生产等应用领域方面均具有重要意义。已有研究表明，多羟基类渗透剂海藻糖能够有效提高蛋白质稳定性。但海藻糖抑制蛋白质脲和酸变性的分子机理、热力学和动力学行为等尚不清晰。针对上述问题，本文利用分子动力学模拟和多种实验方法，系统研究了海藻糖对于蛋白质脲和酸变性的抑制作用。在海藻糖抑制蛋白质脲变性方面，首先采用全原子分子动力学模拟方法，研究了海藻糖抑制蛋白质脲变性的分子机理。研究发现，海藻糖通过氢键与脲发生直接相互作用，使得脲和海藻糖一起在蛋白质表面被优先排阻，从而抑制了蛋白质的脲变性。随后应用停流荧光光谱研究了海藻糖抑制蛋白质脲变性的动力学行为，发现低浓度海藻糖不能改变蛋白质脲变性的展开路径，但快速展开阶段的速率常数和振幅均随海藻糖浓度增大而降低；高浓度的海藻糖使蛋白质脲变性展开途径由双阶段转变为单阶段，且其速率常数和振幅也均随海藻糖浓度增大而逐渐降低。在海藻糖抑制蛋白质酸变性方面，首先采用多种光谱技术研究了海藻糖对蛋白质酸变性的抑制作用，发现海藻糖能够诱导酸变性的蛋白质形成熔球态。停流荧光光谱检测发现，低浓度海藻糖对蛋白质脲变性的展开路径基本没有影响，但高浓度海藻糖使三阶段的酸变性展开路径转变为双阶段。三个展开阶段的速率常数均随海藻糖浓度增大而线性降低，与此同时，快速和中间阶段的振幅随海藻糖浓度增大而逐渐降低，但对于慢速阶段的振幅变化无明显影响。因此，海藻糖抑制蛋白质酸变性的动力学行为主要是通过限制蛋白质去折叠过程中的构象变化并降低蛋白质伸展速率。在上述研究的基础上，进一步开展了海藻糖和NaCl协同抑制蛋白质酸变性的研究。荧光光谱实验及热力学分析证实了海藻糖和NaCl能够协同抑制蛋白质酸变性。通过停流荧光光谱数据的分析发现，随着NaCl浓度和/或海藻糖浓度的增大，蛋白质酸变性展开过程的动力学途径由三阶段依次转变为双阶段和单阶段展开途径。海藻糖和NaCl协同抑制蛋白质酸变性的动力学行为，主要是通过限制蛋白质去折叠过程中的构象伸展程度，而对于蛋白质构象伸展速率没有明显影响。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 蛋白质稳定性
• 1.2.1 蛋白质的热力学稳定性
• 1.2.2 蛋白质的动力学稳定性
• 1.2.3 蛋白质稳定性的影响因素
• 1.3 渗透剂
• 1.3.1 渗透剂的概括分类
• 1.3.2 渗透剂影响蛋白质稳定性的作用机制
• 1.3.3 脲
• 1.3.4 海藻糖
• 1.4 蛋白质稳定性的分子动力学模拟
• 1.4.1 简介
• 1.4.2 模拟基本方法
• 1.4.3 应用
• 1.5 蛋白质稳定性的实验检测技术
• 1.5.1 圆二色光谱
• 1.5.2 荧光光谱
• 1.5.3 停流荧光光谱
• 1.6 本文的研究目的和内容
• 第二章 海藻糖抑制蛋白质脲变性的分子机理
• 2.1 引言
• 2.2 模型和模拟方法
• 2.2.1 模拟体系构建
• 2.2.2 分子动力学模拟
• 2.3 数据分析方法
• 2.3.1 均方根偏差计算
• 2.3.2 分子间相互作用势能计算
• 2.3.3 径向分布函数计算
• 2.3.4 蛋白质二级结构分析
• 2.3.5 氢键分析
• 2.3.6 优先排阻作用分析
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 不同溶液环境中的蛋白质性质
• 2.4.2 优先排阻作用
• 2.4.3 海藻糖削弱蛋白质和脲之间的直接相互作用
• 2.5 本章小结
• 第三章 海藻糖抑制蛋白质脲变性的热力学和动力学行为
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 混合溶液配制
• 3.2.3 稳态荧光光谱实验
• 3.2.4 停流荧光光谱动力学实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 海藻糖抑制脲诱导的蛋白质构象变化
• 3.3.2 海藻糖抑制蛋白质脲变性的热力学分析
• 3.3.3 蛋白质脲变性的动力学分析
• 3.3.4 海藻糖抑制蛋白质脲变性的动力学分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 海藻糖抑制蛋白质酸变性的平衡和动力学行为
• 4.1 引言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 海藻糖溶液配制
• 4.2.3 圆二色光谱平衡实验
• 4.2.4 吸收光谱平衡实验
• 4.2.5 荧光光谱平衡实验
• 4.2.6 停流荧光光谱动力学实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 圆二色光谱：蛋白质二级结构变化
• 4.3.2 吸收光谱：蛋白质-血红素结构变化
• 4.3.3 荧光光谱：蛋白质构象变化
• 4.3.4 海藻糖诱导熔球态形成的热力学分析
• 4.3.5 停流荧光光谱：动力学分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 海藻糖和 NaCl 协同抑制蛋白质酸变性的热力学和动力学行为
• 5.1 引言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 荧光光谱平衡实验
• 5.2.3 停流荧光光谱动力学实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 海藻糖和 NaCl 协同抑制酸诱导的蛋白质构象变化
• 5.3.2 海藻糖和 NaCl 协同诱导熔球态形成的热力学分析
• 5.3.3 海藻糖和 NaCl 协同抑制蛋白质酸变性的动力学分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢