论文摘要
尿素通道在哺乳动物的尿形成过程中起到了非常重要的作用。在最近二十年,尿素通道的研究取得了很大的进展。除了哺乳动物外,在很多物种中都发现了尿素通道蛋白,如鸟类、两栖类、鱼类,甚至在细菌中也找到了尿素通道蛋白的同源体。最近,脱硫弧菌尿素通道蛋白（dvUT）的X-ray晶体结构被成功的解析出来,结合有二甲基脲的dvUT分辨率达到2.4A,为我们理解尿素通道通透尿素分子的微观机理提供了结构基础。脱硫弧菌尿素通道蛋白是一个同三聚体,每一个单体的中央都含有一个连续的跨膜孔道。每个孔道含有一个约16A长的限制性区域,即选择过滤区（selectivity filter, SF）,这个区域开口的两边是dvUT的周质小室和胞内小室。尽管dvUT静态的晶体结构已经解出,但是尿素分子通透dvUT的动力学过程还不清楚。本文利用SMD （steered molecular dynamics）模拟的手段在原子分辨率的水平上来研究dvUT通透尿素分子的策略。恒力SMD模拟和恒速SMD模拟的结果互相补充,尿素分子与周围环境静电相互作用的计算结果让我们能够分析关键分子元件的作用。另外,我们根据恒速SMD模拟结果重构出了尿素通过dvUT的过程中沿通道轴的平均力势（PMF）。在SF区域,多个氢键位点和一些关键结构因子用来稳定尿素分子。首先,G1n24：Oε、Gln24：O、Va125：O、Va1188：0、Glu187：0、Glu187：Oε这六个氧原子形成的氧梯为尿素分子在SF区沿着通道轴的运动铺平了一条氢键结合位点的道路。尿素分子与氧梯上一个氧原子氢键的断裂及其与另一个氧原子氢键的形成导致了尿素在SF区位置的跃迁。其次,在SF的中央区域,两个苏氨酸的侧链羟基非常灵活,它们能通过手臂式的构象变化与尿素分子的氧原子在很大的范围内形成稳定而持久的氢键,这对于尿素分子通过SF的中心是至关重要的。另外,dvUT中的两个α-螺旋偶极Pa和Pb在其末端带部分负电荷并指向SF区,从而进一步稳定了SF区的尿素分子。沿着通道轴方向,在进入SF区的临界位置有两个最大的障碍阻止尿素分子的通过。这两个位置都是被两个苯环住形成的狭缝所在的位置。因为这个位置孔道的半径非常小,并且尿素分子只被氧梯上的一个氧原子所稳定,所以尿素分子很难接近氧梯上的下一个氧原子,也就不能通过这两个狭缝了。尿素分子在进入SF的过程是一个逐渐去水合的过程,去水合消耗的能量是由尿素分子与蛋白氢键位点的结合能来提供的；同时在尿素进入SF的过程中尿素分子和水分子的静电相互作用也在相应的降低,蛋白逐渐取代水分子稳定了尿素分子的运输。尽管如此,尿素分子在dvUT的两个小室中仍然是被水合的,并且主要被水分子所稳定。因此,水分子相当于在dvUT小室与溶剂环境中转运尿素分子的载体。当尿素分子被转运进入dvUT小室之后,Glu187和Gln24则会将尿素分子吸引到SF区的两端（对应到PMF中在z=-10A和z=10A的两个低谷）,等待尿素分子在别的推力作用下进入SF。总之,氧梯、中央羟基、α-螺旋偶极Pa和Pb、苯环在SF两端形成的狭缝、水分子,这些因素之间微妙的平衡决定了尿素分子在dvUT中的通透性和选择性。考虑到SF区氨基酸的高度保守性,dvUT通透尿素分子的机理可能可以运用到其它一些尿素通道蛋白家族的成员中。