生物大分子构象的理论与模拟

论文题目: 生物大分子构象的理论与模拟

论文类型: 博士论文

论文专业: 凝聚态物理

作者: 姜舟婷

导师: 章林溪,叶高翔

关键词: 蛋白质,多糖凝胶,构象,疏水性,模拟,弹性竿模型,摩擦行为

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 生物大分子是通过复杂结构来体现其特殊生物功能的高分子链,是生命活动的主要物质基础。生物大分子包括蛋白质、核酸、多糖、脂类等。这些生物分子只有在特定的三维结构中才能发挥其生物活性。本文的工作主要是针对蛋白质、脱氧核糖核酸以及多糖类凝胶的构象进行理论分析和模拟计算。研究这些生物分子的自然结构以及形成这些结构的机理具有十分重要的意义,它是了解生物体的基础。在本文第二章中,我们基于蛋白质粗粒化和原子历经这两种不同的模型,对蛋白质三维结构中的紧密接触对性质进行统计规律的研究。在蛋白质粗粒化模型中,统计结果告诉我们：疏水性氨基酸(Leu, Val, Ile, Met, Phe, Tyr, Cys和Trp)容易形成长程紧密接触对,亲水性氨基酸(Glu, Gln, Asp, Asn, Lys, Ser, Arg和Pro)则不容易形成长程紧密接触对。氨基酸之间形成的长程紧密接触对起到稳定蛋白质结构的作用,而氨基酸形成短程紧密接触对的能力主要依赖于蛋白质的一维序列。对球状蛋白质来说,全α类型最不容易形成连续的长程紧密接触对,全β类型最容易形成连续的长程紧密接触对,这和它们的二级结构密切相关。考虑到组成氨基酸不同原子间的相互作用力,我们又提出了原子历经模型。该模型证实了氨基酸形成长程紧密对的能力可以严格按照氨基酸的疏水性量度来区分,因此,原子历经模型对蛋白质三维结构的描述更为精细和有效。在蛋白质折叠速率的研究中,同样涉及到蛋白质的三维结构。研究发现：折叠速率Kf和蛋白质的接触序参数CO、TCD和LRO之间都存在着一定的联系。蛋白质折叠速率和TCD之间的线性关系最佳,为lnΚf=-13.2×TCD+19.73。此外,我们提出用BP神经网络模型对蛋白质的折叠速率进行预测。在该模型中,三种接触序参数作为训练BP神经网络的输入节点对蛋白质的折叠速率进行预测比TCD更具有优势。这说明在蛋白质的折叠过程中,不同作用程的接触序参数需同时考虑。这些研究,使我们进一步了解蛋白质的结构性质和形成机理,为蛋白质的结构预测作准备。在本文第三章中,首先我们运用弹性竿模型研究DNA分子的结构和能量之间的关系。通过Monte Carlo方法对DNA分子的构象进行研究发现,DNA分子的弯曲势能量EB比扭转势能量ET大一至两个数量级,均方回转半径与链长成二次函数。其次,考虑到核苷酸之间的近程相关性,我们提出新的DNA二维行走模型,在这个模型下得到许多物理参量如均方末端距<R2(ι)>、均方位移偏差F(ι)的长程相关性和自相关性。同时,通过对能谱分析发现,编码DNA在3.33×10-1 bp-1处有一个明显的峰值,而非编码DNA没有这个峰值,这为区分DNA提供一条新途径。最后,通过对DNA这类刚性高分子链动力学行为的研究,得到弛豫时间和持久长度之间的关系,在柔性链极限下,弛豫时间满足Rouse模型τn∝L2n-2；在刚性链极限下,弛豫时间τn∝[L/(2n-1)]4。这些研究结果涉及DNA的一级结构(序列)、三维结构(空间构象)和动力学行为,系统的研究为进一步了解DNA的结构和生物功能提供了理论依据。在本文第四章中,我们采用实验方法对不同离子源的结冷胶在玻璃基底表面的摩擦行为进行研究。结冷胶是多糖凝胶的一种,在工业上具有广泛的用途。在我们的工作中发现,不管是Na+-结冷胶还是Ca2+-结冷胶都具有非常低的摩擦系数,特别是在运动速度较小的情况下,这使它具有动物关节替代品的独特优势。由不同离子源形成的结冷凝胶的摩擦特性并不相同,原因在于其不同的交联方式。此外还发现结冷胶在水溶液中并不稳定,一定的时间范围内,摩擦系数会随着浸润时间的增加而增加,这是由于形成结冷凝胶的网络结构不稳定造成的。这些研究揭示了凝胶的摩擦机理,同时为开拓结冷胶新的应用领域提供了理论支持。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 引言

1.1.1 物理学与生物学之间的联系

1.1.2 物理学在生物领域中的研究热点

1.2 生物大分子的结构特性

1.2.1 生物大分子的结构与功能特点

1.2.2 维持生物大分子稳定结构的相互作用力

1.3 本文的研究背景、主要内容和未来展望

1.3.1 生物大分子的结构层次

1.3.2 生物大分子的折叠(Folding)

1.3.3 生物大分子结构的研究现状和未来展望

1.3.4 本文研究的内容和意义

参考文献

第二章蛋白质的空间结构和折叠过程

2.1 概述

2.1.1 蛋白质是重要的功能分子

2.1.2 蛋白质的结构层次

2.1.3 蛋白质的分类

2.2 蛋白质三维结构的模建

2.2.1 蛋白质二级结构的预测

2.2.2 蛋白质三级结构的预测

2.3 氨基酸形成紧密接触对的能力研究

2.3.1 紧密接触对的概念

2.3.2 粗粒化蛋白质模型——单原子C~α代表氨基酸

2.3.3 原子历经模型——考虑组成氨基酸的所有原子

2.3.4 小结

2.4 球状蛋白质结构的统计性质

2.4.1 不同结构类型的球状蛋白质

2.4.2 氨基酸在球状蛋白质的紧密接触能力与其疏水性量度之间的关系

2.4.3 小结

2.5 蛋白质折叠速率的研究

2.5.1 用原子历经模型对折叠速率的预测

2.5.2 用神经网络模型对折叠速率的预测

2.5.3 小结

参考文献

第三章 DNA的结构和序列分析

3.1 概述

3.1.1 核酸的化学组成

3.1.2 DNA的结构层次

3.1.3 DNA分子的复制

3.1.4 DNA测序和基因工程

3.2 弹性竿模型下超螺旋DNA分子的构象研究

3.2.1 DNA超螺旋结构的Monte Carlo模拟

3.2.2 结果和讨论

3.2.3 小结

3.3 基于二维行走模型下DNA序列的长程相关性研究

3.3.1 DNA序列的二维行走模型

3.3.2 结果和讨论

3.3.3 小结

3.4 DNA刚性分子链的动力学研究

3.4.1 理论模型

3.4.2 结果和讨论

3.4.3 小结

参考文献

第四章结冷胶摩擦行为的研究

4.1 概述

4.1.1 糖的分类和生物学作用

4.1.2 多糖类的凝胶化及工业运用

4.1.3 凝胶摩擦行为的研究意义和展望

4.2 凝胶摩擦行为的理论模型

4.2.1 排斥情形

4.2.2 吸附情形

4.3 实验材料和方法

4.3.1 实验材料

4.3.2 实验方法

4.4 实验结果和讨论

4.4.1 水环境中结冷胶的摩擦行为

4.4.2 盐环境中结冷胶的摩擦行为

4.4.3 小结

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

发布时间: 2010-09-16

参考文献

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生物大分子构象的理论与模拟

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