水溶液中蛋白质构象转换的分子模拟研究

论文摘要

蛋白质构象转换是涉及蛋白质异体表达、分离和制剂等过程的基础科学问题,研究溶液中蛋白质构象转换及其调控机制对于发展新型蛋白质复性、分离以及制剂技术具有重要意义。本文首先综述了分子模拟方法及其在蛋白质复性、分离和制剂等方面的研究现状与存在问题,提出以蛋白质构象转换为核心,以分子模拟为工具,研究渗透质、界面以及高分子等调控水溶液中蛋白质构象转换的微观机制,推进重组蛋白质复性、分离和制剂技术的创新和应用。采用分子动力学方法研究尿素溶液中S肽链全原子模型蛋白质的去折叠过程。结果显示:低浓度时尿素通过与极性残基侧链的氢键作用富集于蛋白质表面形成包覆层,限制其结构伸展而稳定蛋白质;高浓度时尿素则通过与主链的氢键作用破坏蛋白质疏水核心和刚性骨架结构,导致其结构伸展变性。模拟结果与相关实验研究具有一致性。TMAO、甜菜碱、山梨醇、脯氨酸和甘油等渗透质呈现类似的作用规律,它们对于蛋白质构象的影响作用取决于其与蛋白质间形成氢键的强弱和分布。采用分子动力学方法研究疏水孔道中46粒子β桶状粗粒化模型蛋白质构象转换及操作参数的影响规律。结果显示:强疏水性壁面吸附并分散蛋白质而抑制其聚集,但同时造成蛋白质结构伸展而变性。洗脱时蛋白质折叠和聚集过程同时启动并相互竞争。采用优化的吸附强度、吸附时间和洗脱强度以及快速梯度洗脱方式,可提高蛋白质天然构象的收率并抑制聚集。采用动态Monte Carlo方法研究高分子抑制HP模型蛋白质聚集的作用机制。结果显示:溶液中部分变性态构象导致蛋白质聚集。具有合适疏水性和链长的高分子可通过疏水相互作用形成蛋白质-高分子复合物并进而抑制蛋白质聚集。调整高分子属性可调控溶液中蛋白质构象分布。上述分子模拟结果展示了尿素、渗透质、疏水孔道和高分子等对蛋白质构象转换的微观作用机制,与实验研究结果具有一致性。模拟结果还显示通过人工构建微环境调控蛋白质构象转换的可行性。本文的研究成果对于蛋白质复性、分离和制剂新技术的研究及应用具有重要基础意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 蛋白质构象转换理论
• 1.2.1 相互作用力
• 1.2.2 理论模型
• 1.3 基因重组蛋白质生产
• 1.3.1 蛋白质折叠与复性
• 1.3.2 蛋白质分离与纯化
• 1.3.3 蛋白质制剂与使用
• 1.4 蛋白质构象转换的分子模拟研究现状与动态
• 1.4.1 分子模拟方法
• 1.4.2 蛋白质模型和势能函数
• 1.4.3 溶剂环境的模型化
• 1.4.4 蛋白质折叠的分子模拟
• 1.4.5 渗透质对蛋白质结构影响的分子模拟
• 1.4.6 蛋白质界面行为的分子模拟
• 1.4.7 蛋白质聚集的分子模拟
• 1.5 文献小结
• 1.6 研究思路和框架
• 第2章 尿素对蛋白质构象转换的调控机制
• 2.1 引言
• 2.2 模型和方法
• 2.2.1 模型和势能函数
• 2.2.2 模拟过程
• 2.2.3 分析方法
• 2.3 水溶液中模型蛋白质构象转换
• 2.4 尿素对S 肽链构象转换的影响
• 2.4.1 尿素溶液中S 肽链构象转换过程
• 2.4.2 尿素浓度对S 肽链构象转换动力学的影响
• 2.4.3 尿素与S 肽链间相互作用分析
• 2.4.4 尿素和水分子的空间分布
• 2.4.5 尿素稳定/变性蛋白质的作用机理
• 2.5 本章小结
• 第3章 渗透质对蛋白质构象转换的调控机制
• 3.1 引言
• 3.2 模型和方法
• 3.2.1 模型和势能函数
• 3.2.2 模拟过程
• 3.2.3 分析方法
• 3.3 渗透质对S 肽链构象转换的影响
• 3.3.1 渗透质局部浓度分析
• 3.3.2 渗透质空间分布分率分析
• 3.3.3 RDF 分析
• 3.3.4 渗透质与S 肽链间相互作用分析
• 3.3.5 渗透质稳定蛋白质结构的机理
• 3.4 本章小结
• 第4章 疏水孔道中蛋白质构象转换的分子动力学模拟
• 4.1 引言
• 4.2 模型和方法
• 4.2.1 模型和势能函数
• 4.2.2 模拟过程
• 4.2.3 分析方法
• 4.3 溶液环境对模型蛋白质构象转换的影响
• 4.3.1 无限稀释溶液
• 4.3.2 模型蛋白质在溶液中的聚集行为
• 4.4 疏水孔道中蛋白质构象转换
• 4.4.1 疏水孔道中蛋白质的构象转换行为
• 4.4.2 吸附过程的影响因素
• 4.4.3 洗脱过程的影响因素
• 4.5 新型色谱分离方法的设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 高分子抑制蛋白质聚集的动态 Monte Carlo 模拟
• 5.1 引言
• 5.2 模型和方法
• 5.2.1 模型和势能函数
• 5.2.2 模拟过程
• 5.2.3 分析方法
• 5.3 溶液环境对模型蛋白质构象转换的影响
• 5.3.1 无限稀释溶液
• 5.3.2 模型蛋白质溶液态聚集行为
• 5.3.3 部分去折叠态蛋白质“诱导”聚集
• 5.4 高分子抑制蛋白质聚集
• 5.4.1 不同链节疏水性的高分子存在下蛋白质的聚集过程
• 5.4.2 不同链长高分子存在下蛋白质的聚集过程
• 5.4.3 不同浓度高分子存在下蛋白质的聚集过程
• 5.4.4 不同链节均一性高分子存在下蛋白质的聚集过程
• 5.4.5 高分子抑制蛋白质聚集的微观机制
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果