论文摘要
随着生物、医学、材料科学的发展,蛋白质与无机材料表面的相互作用成为很多领域的研究热点。羟基磷灰石（HAP）是哺乳动物骨骼和牙齿的主要无机成分,它具有很好的生物兼容性和特殊的表面性能,因此被认为是一种极具发展前景的生物医用材料。本论文主要采用分子动力学模拟与量子化学计算相结合的方法,从原子尺度系统地研究了蛋白质（主要是骨形态发生蛋白BMP-2和BMP-7）在HAP表面的吸附-脱附行为,探讨了蛋白质在HAP表面的吸附机理,并对不同蛋白质的动力学行为进行了比较分析。研究结果表明,通过表面修饰等微观尺度的调节,有可能达到有目的地调控蛋白质在生物医学材料表面的行为。论文主要由以下六个部分组成:第一章,论述了本论文的研究背景与意义,并对本论文研究工作的国内外研究现状作了综述。第二章,介绍了本论文所采用的研究方法,包括分子动力学模拟和量子化学计算方法。第三章,从原子尺度上揭示了蛋白质BMP-2在HAP表面上的吸附-脱附机理。研究发现,BMP-2与HAP（001）晶面的相互作用存在三种吸附基团,分别为-OH,-NH2和-COO-。作为活性基团,它们往往与强吸电子基团（例如-C=O）毗邻。根据蛋白质与HAP晶体相互作用面的不同,可能有一种或几种吸附基团同时起作用。至于其作用原理,库仑力是-COO-与HAP相互作用的主要作用力,但是对于不带净电荷的吸附基团（例如-OH和-NH2）而言,水桥氢键更为重要。量子化学的计算结果证实这种水桥氢键是存在的。第四章,研究了不同取向的BMP-2在HAP表面的吸附-脱附行为。结果表明,蛋白质的取向对其与HAP表面的相互作用有着显著的影响。不同取向的BMP-2在HAP表面的吸附基团的种类、数量、相互作用强度以及吸附时间都各不相同。并且,不同取向的吸附蛋白质构象变化显著,这很有可能导致蛋白质在生物材料表面活性的变化。值得注意的是,在吸附最强的体系Ⅰ中,BMP-2的构象变化并不是最大的。第五章,研究了HAP不同的表面构造对蛋白质BMP-7吸附-脱附行为的影响。结果表明,相互作用能曲线可以为研究BMP-7动力学行为提供丰富的信息。能量曲线不仅可以半定量的体现各个体系中相互作用强度的不同,而且可以定性地说明不同体系中吸附基团的种类、数量以及吸附时间的差异。BMP-7与HAP之间强烈的相互作用可以引起蛋白质结构的变化。在本章所研究的六个体系中,蛋白质在100+a体系中的构型变化最大。在所有的这六个体系中,只有两类基团可以与HAP表面形成有效的吸附,它们是-COO-和-NH3+或者-C（NH2）2+。进一步的量子化学计算表明,在蛋白质BMP-7吸附到HAP表面的过程中,发生了电子转移现象。第六章,对不同蛋白质在HAP表面的吸附-脱附行为进行了系统的比较。主要选取了四种在生物体内参与调控HAP矿化与生长的蛋白质(BMP-2、BMP-7、LRAP和FN-Ⅲ10)。结果表明,尽管不同的蛋白质各有其与生物材料表面相互作用的位点与基团,但是Asp、Glu、Lys和Arg这四种氨基酸残基在各种蛋白质中普遍被吸附到HAP表面,所以今后在讨论蛋白质与HAP之间相互作用的时候,这四种残基应该着重加以关注。当蛋白质以不同的取向与HAP表面接触时,其具体的动力学行为各不相同,但是每一种蛋白质都会有其特定的优势作用取向。由于蛋白质与HAP表面的相互作用,蛋白质的构象往往会发生变化。相互作用越强,蛋白质构象的变化往往也越明显,从而有可能导致蛋白质生物活性的变化,应该予以特别注意。
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标签：蛋白质论文; 骨形态发生蛋白论文; 羟基磷灰石论文; 吸附脱附动力学论文; 相互作用机理论文; 分子动力学模拟论文; 量子化学计算论文;