分子动力学研究微管蛋白及其活性肽段的构象和稳定性

论文摘要

微管蛋白作为细胞骨架微管的重要结构单元,不仅参与了植物细胞的有丝分裂、物质运输、细胞壁构建以及气孔保卫细胞的分化等众多生理活动,而且也是多种药物分子如秋水仙素、长春花碱、紫杉醇的作用靶点。微管蛋白在生物细胞体内是处于解聚和聚合的动态过程,并且其动态过程会受到细胞内环境的调节和影响,而这种动态特性又是其实现其生理功能的前提条件。因此,微管蛋白的结构及其稳定性对其生理功能的发挥具有十分重要的作用。为了深入理解微管蛋白的功能及作用机制,首先必须研究其在不同环境下的构象特征、稳定性及构象动态转变过程。运用分子动力学(MD)方法,我们模拟了微管蛋白在生理温度(常温300 K)、低温(15 K)和高温(500和700 K)下构象转变的动态过程。结合蛋白质整体结构和活性部位肽段的构象分析,我们发现蛋白质在各个条件下平衡态构象特征以及构象转变的动态过程并不相同,微管蛋白在常温下构象变化幅度较小,因此具有良好的结构稳定性;而微管蛋白在高温和低温下都会变性,但其机制不同:高温下维系蛋白质结构的氢键遭到严重破坏,微管蛋白结构发生变形,具有较多的非自然态构象,并且处于各构象迅速转化状态;低温下蛋白质整体构象较为单一,结构柔性很差,因此也丧失生物功能。研究还发现常温和低温下蛋白质的局部结构有明显差异。这些结果对于深刻理解微管蛋白的生理活动具有重要的理论指导意义。溶剂水分子通过氢键、亲疏水作用等影响微管蛋白的结构、性质与构象转化过程。不同温度下,溶剂水分子在构象转变过程中发挥着截然不同的作用:在低温条件下,溶剂水分子与微管蛋白结构分子形成复杂的氢键网络从而降低了构象转化速率,同时也冻结蛋白质分子和破坏其本身固有的柔性;在高温条件下,溶剂水分子的极性严重削弱,它的存在加快了构象转化和变性进程,从而使蛋白质结构严重偏离其自然状态。单独活性肽段的构象的和其在蛋白质中的有着明显的差异,且结构稳定性也显著的下降。这表明截取的活性肽段会导致生物活性功能的丧失。通过分子动力学模拟截取的6组不同长度的肽段,我们发现当活性肽段的氮端和碳端都有适当的氨基酸残基数时,肽段及其中的活性部位能够折叠成正确的、稳定的构象,即和蛋白质中的相近。长程相互作用和关键氨基酸对正确折叠和构象稳定起到了至关重要的作用。只有折叠成正确的、稳定的构象,肽段才具备一定的生物生理功能,因此该研究对活性肽链的设计具有重要的指导意义。这些研究结果为进一步认识和理解植物微管蛋白的功能及作用机制具有科学价值和理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究体系微管蛋白（MT）介绍
• 1.2.1 微管蛋白的分类
• 1.2.2 微管蛋白的结构
• 1.2.3 微管蛋白结构及其相关性质研究简介
• 1.3 分子模拟技术介绍
• 1.3.1 分子模拟技术简介
• 1.3.2 分子动力学（MD）方法在蛋白质模拟中的应用与发展
• 1.4 本论文涉及到的研究内容、研究目的和研究意义
• 1.4.1 研究方法和内容
• 1.4.2 研究目的
• 1.4.3 研究意义
• 2 理论计算方法简介
• 2.1 分子力学（Molecular Mechani cs,MM）
• 2.1.1 分子力场（Force Field）
• 2.1.2 分子力学基本原理和优化算法
• 2.2 分子动力学（Molecular D ynamics,MD）
• 2.2.1 分子动力学基本原理和积分方法
• 2.2.2 分子动力学模拟细节
• 2.2.3 分子动力学轨迹分析方法
• 3 常温下微管蛋白构象转变及其动态过程的研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法与实验体系
• 3.2.1 实验体系
• 3.2.2 计算方法
• 3.2.3 结果分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 微管蛋白Pro（300）和Sol（300）的整体结构特征
• i（300）的构象特征'>3.3.2 单独肽链Pepⁱ（300）的构象特征
• p（300）的构象特征'>3.3.3 肽链Pep^p（300）的构象特征
• s（300）的构象特征'>3.3.4 肽链Pep^s（300）的构象特征
• 3.4 本章小结
• 4 微管蛋白变性机制的研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法与实验体系
• 4.2.1 实验体系
• 4.2.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 微管蛋白在不同环境条件下整体结构特征
• p的构象特征'>4.3.2 肽链Pep^p的构象特征
• s的构象特征'>4.3.3 肽链Pep^s的构象特征
• 4.3.4 构象的热力学性质
• 4.4 本章小结
• 5 微管蛋白活性肽链构象及其折叠方式的研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法和实验体系
• 5.2.1 实验体系
• 5.2.2 计算方法
• 5.2.3 结果分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 不同肽链模型的折叠路径
• 5.3.2 不同肽链的构象特征
• 15-25)在不同模拟体系中的构象特征'>5.3.3 活性肽链(Ap^15-25)在不同模拟体系中的构象特征
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢