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蛋白质分子动力学模拟开始于1977年,这开启了生物物理领域中“从结构到功能”研究的新纪元。分子动力学模拟提供了蛋白质运动的详细信息,并且可以帮助揭示蛋白运动在众多生理过程中所扮演的重要角色。例如酶催化过程,蛋白与配体的结合过程,离子跨膜等多种重要的分子生物学过程。并且分子动力学模拟可以为计算蛋白质的很多热力学性质(例如氨基酸电离的电离常数,酶催化反应的能垒,蛋白质折叠的自由能面)提供大量的结构采样。然而,我们从动力学模拟中所获取的动力学信息和热力学信息都很大程度地直接依赖于所使用的分子力场的准确性。在势能面上少许的错误可能导致最终平衡结构很大的变化。蛋白的甲衡结构很大程度上取决于蛋白内的非键相互作用以及蛋白与水相互作用的平衡。而静电相互作用是非键相互作用中最重要的一部分。
为了精确描述蛋白质内的静电相互作用,本文着力发展了“蛋白质专一的极化电荷”(PPC)。我们结合了MFCC方法和解Poisson-Boltzmann方程的方法,从而可以计算蛋白质在溶液中的电子结构,然后利用此电子结构拟合出PPC。MFCC方法是一种分子剪裁的方法,通过这种方法我们可以很方便地对蛋白质分子进行全量子的计算。由MFCC-PB方法计算出来的蛋白质在溶液中的电子密度分布本身包含了极化效应,利用此电子密度分布拟合出的PPC也就自动包含了极化效应。
在第三章中,我们详细地研究了Thioredoxin蛋白中电子极化效应对其结构及动力学行为的影响。我们的研究表明在包含了极化效应后,Thioredoxin在动力学上显得更加稳定。分子动力学基础上的自由能计算表明,PPC电荷可以精确地预测埋藏在thioredoxin蛋白内部的ASP26的pKa,而传统的Amber电荷和Charmm电荷预测的结果都比实验值高出两倍之多.
氧化物酶体增殖因子活化受体γ(PPARγ)是一种依靠配体激活的核受体超家族中的转录因子。它是治疗糖尿病的重要靶标。在第四章中,我们分别用极化(PPC)和非极化的力场详细研究了PPARγ在水溶液中的动力学行为。研究结果表明极化效应在稳定蛋白-配体结后的结构以及稳定蛋白重要的二级结构方面都起着尤为重要的作用。当我们使用传统的非极化力场时,分子动力学模拟过程中PPARγ中配体与蛋白间最重要的氢键没有能够维持住,从而引起整个配合结构的重组,而且蛋白体部分规则二级结构(Helix-2)发生坍塌。这样的结果与NMR实验的观测相违背。当我们使用PPC电荷做模拟时,所有重要的二级和三级结构都可以得到很好的维持。为了使我们的模拟结构忠实于蛋白真实的状态,我们必须选用足够精确的力场。
当前我们所使用的力场基本都不能够从能量上区分出蛋白的自然折叠态和非自然态。在计算机上实施能量优化或者分子动力学模拟时,这些不准确的力场会驱使蛋白质离开它的自然态。NMR自旋弛豫实验可以从实验上直接观测蛋白在水溶液中的动力学行为。通过与实验的直接比较,我们可以验证力场的正确性。在第五章中,我们使用PPC电荷进行分子动力学模拟获得的NMR自旋驰豫序参量与实验值获得了很好的吻合。而利用Amber力场进行模拟获得的序参量普遍比实验值低。这表明Amber力场描述的分子间相互作用力存在着系统的偏差,这样的偏差来源于其缺少极化作用。通过与NMR实验的直接比较,我们发现使用PPC电荷可以正确地模拟出蛋白在溶液中的稳定性以及蛋白结构在溶液中的分布。而使用传统的非极化力场时,模拟中的蛋白稳定性比真实态低,其结构分布也比真实态有所偏移。
我们还利用了分子动力学和高级的自由能方法研究了流感病毒中神经氨酸苷酶的抗药性原理。