蛋白质在聚乙烯界面吸附的分子动力学模拟

论文摘要

蛋白质吸附广泛应用于生物医学、生物材料、蛋白质分离、药物输送等领域。由于蛋白质吸附的复杂性,人们对其机理仍然缺乏完整、准确的了解。分子动力学模拟可以从分子水平上研究蛋白质吸附过程,获得实验无法得到的信息。聚乙烯是一种结构简单、应用广泛的高分子材料,普遍应用于人工关节等生物医学材料。本文利用GROMACS软件对聚十赖氨酸多肽、牛胰蛋白酶抑制剂和人体溶菌酶在聚乙烯界面上的吸附进行了分子动力学模拟,研究了不同表面形态、不同侧链电荷、不同水分子模型、不同力场条件、不同多肽-表面间距离等因素对吸附过程的影响。在长方体盒子周期性边界条件下,利用最速下降法进行初始结构的能量优化,采用NVT系综,使用蛙跳法进行了分子动力学模拟。非键相互作用的计算采用截断值法PME方法。根据蛋白质二面角变化和拉氏构象图分布分析了吸附过程中蛋白质分子的构象变化;并对吸附过程中蛋白质的回转半径、溶剂可及面积以及蛋白质和聚乙烯界面间的作用能进行了分析。模拟结果表明,聚乙烯表面对带侧链电荷的聚十赖氨酸的吸附作用强于对不带侧链电荷的吸附作用;无规聚乙烯表面对聚十赖氨酸的吸附作用强于规整聚乙烯表面对聚十赖氨酸的吸附作用;水分子通过氢键对聚十赖氨酸的吸附有很大的影响。动力学模拟还表明,水分子模型和力场的选择均对模拟结果有影响。采用SPC水分子模型,聚乙烯表面对聚十赖氨酸的吸附作用最强;在AMBER94力场下,聚乙烯表面对聚十赖氨酸的吸附强于GROMACS力场下的吸附。构象分析表明,在吸附过程中蛋白质分子的构象发生了变化。聚十赖氨酸分子中的α-螺旋结构几乎全部丢失;牛胰蛋白酶抑制剂中的β-折叠结构部分丢失;人体溶菌酶中的α-螺旋结构也发生了部分丢失。能量分析表明,聚乙烯界面与蛋白质分子之间的范德华作用是蛋白质吸附的主要推动力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 蛋白质的结构
• 1.1.1 蛋白质结构的基本特征
• 1.1.2 α-螺旋和β-折叠
• 1.1.3 影响蛋白质结构的因素
• 1.2 蛋白质的吸附
• 1.2.1 蛋白质吸附现象及模型
• 1.2.2 影响蛋白质吸附的因素
• 1.2.3 蛋白质吸附的研究意义
• 1.3 蛋白质吸附的分子动力学模拟
• 1.3.1 分子动力学模拟软件
• 1.3.2 分子动力学模拟在蛋白质吸附研究中的应用
• 1.4 本论文的研究内容和意义
• 第二章 分子动力学相关理论与算法
• 2.1 基本原理
• 2.2 积分方法
• 2.3 分子力场
• 2.4 蛋白质的预处理
• 2.5 模拟体系的初始化
• 2.5.1 能量优化
• 2.5.2 初始速度
• 2.6 周期性边界条件
• 2.7 系综与温度控制
• 2.7.1 分子动力学模拟的系综
• 2.7.2 温度控制
• 2.8 非键相互作用能的处理
• 2.8.1 截断值法
• 2.8.2 周期性边界条件法
• 2.8.3 其它算法
• 第三章 蛋白质在聚乙烯表面上的分子动力学模拟
• 3.1 模拟体系的建立
• 3.1.1 蛋白质
• 3.1.2 聚乙烯界面
• 3.1.3 水分子模型
• 3.1.4 模拟体系
• 3.2 动力学参数的选择
• 3.3 模拟结果的分析
• 3.3.1 RMSD分析
• 3.3.2 二面角分析
• 3.3.3 作用能分析
• 第四章 结果与讨论
• 4.1 聚十赖氨酸在聚乙烯界面上的吸附
• 4.1.1 侧链电荷的影响
• 4.1.2 界面条件的影响
• 4.1.3 不同水分子模型的影响
• 4.1.4 不同力场条件下的吸附
• 4.1.5 多肽和吸附界面间距离的影响
• 4.2 牛胰蛋白酶抑制剂在聚乙烯界面上的吸附
• 4.3 人体溶菌酶在聚乙烯界面上的吸附
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢