电场及电解质溶液作用下蛋白质分子动力学行为研究

• 作 者: 窦文辉
• 出 处: 中国计量大学
• 发表日期: 2018年01期
• 关键词: 蛋白质分子 分子动力学模拟 外部电场 电解质溶液

蛋白质是机体生命活动的主要物质承担者,在生物体中具有营养存储、收缩运动、防御、识别、催化、运输和调节等功能。近年来对蛋白质的研究日益成熟并获得了一些很有意义的成果,但由于常规的实验方法对蛋白质样品本身的性质有严格的要求,尤其无法真实反映蛋白质在活体内的演变过程。随着计算机技术和大规模超大规模并行运算的发展,越来越多的科学家开始利用计算机模拟的手段来研究蛋白质体系。计算机模拟成为继实验和理论后科学研究的第三种方法并获得了广泛应用。本文首先概述了本课题的背景以及研究现状,然后对动力学模拟的理论基础、模拟方法、模拟软件、模拟步骤以及常见的模拟结果表征方法作一介绍。最后,采用分子动力学模拟的方法,对蛋白质体系进行研究。主要研究内容包括:（1）通过施加不同强度和不同方向的静电场,模拟研究蛋白质在电场影响下的动力学行为。结果表明蛋白质的均方根偏差和回转半径值都在电场强度足够大时发生跃变,然后稳定在某一数值,且结构转变需要的时间即特征时间随电场强度的增加而减少;蛋白质沿电场方向的电偶极矩随电场强度的增加而增加,垂直电场强度方向的电偶极矩减小,表明内部蛋白质带电氨基酸的分布存在明显的取向;蛋白质分子内的氢键数目随电场强度的增加而减少,与回转半径相比,蛋白质内的氢键数目与回转半径成反比,表明氢键对稳定蛋白质结构起到积极作用;通过对蛋白质二级结构的分析,受到电场的影响β折叠结构首先解折叠,随着电场强度的进一步增加,α螺旋结构开始解螺旋,直至蛋白质被完全解构。（2）通过构建不同浓度的NaCl和MgCl₂电解质溶液环境,研究了蛋白质体系在电解质溶液中的动力学行为。结果表明电解质溶液对蛋白质体系的键能几乎没有影响,对范德华势能影响较小,对蛋白质体系的静电势能影响最为明显,随着离子浓度越高、离子价数越大,对蛋白质体系的影响越明显;在特定的电解质溶液浓度中（0.3 mol/L）时,蛋白质的回转半径和均方根偏差都达到最大值,说明蛋白质的结构最松散,且稳定性较差,同时我们也看到紧密结构下的蛋白质稳定性最强;电解质溶液的浓度和离子价数的增加,会引起α螺旋结构的解旋,但中等浓度的电解质溶液对形成β折叠结构却有一定的促进作用。