小肽阻滞剂和纳米碳管对淀粉样肽结构和热力学性质影响的分子动力学研究

摘要

蛋白质折叠和聚集问题是当前生物物理学和分子生物学所面临的一项长期的具有挑战性的课题。几乎所有的生命活动都是由蛋白质完成的，研究发现许多神经性疾病与蛋白质的错误折叠和聚集相关。蛋白质的病理性聚集不仅使其丧失了原有的正常功能，而且还对细胞具有特定毒性，最终导致细胞死亡。目前为止，蛋白质聚集的原因和纤维的全原子结构都没有明确的定论。对蛋白质折叠和解折叠问题的研究，将有助于了解蛋白质或多肽在溶液中和膜表面上聚集的生物物理机制，并将为认识淀粉样沉积相关疾病的发病机理和治疗药物的设计和开发提供理论基础，以便最终有效地控制和治疗这些疾病。本文致力于通过计算机模拟的方法研究阻滞剂和纳米碳管对蛋白质的动力学和热力学性质的影响，提出了阻滞剂对人类血型糖蛋白的结构的影响，并且首次提出了纳米碳管既可以阻止Aβ16-22蛋白的聚集，也可以引起已经聚集的Aβ16-22蛋白聚集体的解折叠。
　　 本文分为三部分：第一章和第二章为第一部属于绪论，介绍了蛋白质的性质、研究意义和现状，以及计算机模拟的方法；第三章和第四章为第二部分是本文的核心，采用分子动力学方法模拟了阻滞剂和人类血型糖蛋白的相互作用的动力学过程，用温度副本交换分子动力学方法模拟了单壁纳米碳管对Aβ16-22八聚体结构和热力学性质的影响；第五章为第三部分是本文的总结与展望。
　　 第一章简单介绍了蛋白质的性质、研究意义和现状，并介绍了纳米颗粒以及阻滞剂对蛋白质构型的影响。第二章介绍了本文所用的一些研究方法，包括：分子动力学方法，副本交换分子动力学方法。并且简单介绍了几种常见的力场。
　　 第三章中，研究了阻滞剂和人类血型糖蛋白的相互作用的动力过程。实验上已经证明人类跨膜血型糖蛋白片段70-86(简称GpA70-86)能够形成淀粉样纤维而阻滞剂RGTFEGKF能够阻止人类血型糖蛋白的聚集。然而人类血型糖蛋白70-86片段和阻滞剂缩氨酸都含有GxxxG片段，在其它导致人类疾病的蛋白中也发现了含有GXXXG片段，例如，阿尔兹海默式淀粉样β蛋白(Alzheimer's amyloidβ-peptide)和朊蛋白。为了探索GxxxG片段与阻滞剂的相互作用的最初阶段的机制，研究了水溶液中有阻滞剂和没有阻滞剂两种情况下的GpA70-86的结构。模拟表明阻滞剂中的GxxxG片段和GpA70-86中的GXXXG片段的在原子水平上相互作用很强，这一点是和实验上相一致的。并且模拟表明阻滞剂对GpA70-86的局部结构影响很大，但是对GXXXG片段结构的影响确是很有限的。此外，还对含有GXXXG片段的蛋白的淀粉样纤维的生长进行了讨论。
　　 第四章中，用温度副本交换分子动力学方法研究了单壁纳米碳管对Aβ16-22八聚体结构和热力学性质的影响。在Alzheimer's amyloid-β蛋白中，Aβ16-22是能够形成β结构的最短的蛋白，其序列为KLVFFAE。研究已经发现可溶性的Aβ蛋白的低聚体是毒害神经的病源，和老年痴呆症的发病机理有关。由于这些低聚体的构象的多样性以及彼此之间的快速转化，在实验上很难来表征其三维结构。最近实验研究表明纳米颗粒可以阻止Aβ蛋白纤维的形成。但是目前水溶液中低聚体结构以及纳米颗粒对这些低聚体的影响仍然是未知的。为了研究Aβ16-22低聚体的低能量构型图和纳米颗粒作为阻滞剂的内在阻止机制，用全原子副本交换分子动力学模拟方法(简称REMD)，研究了在有和没有单臂纳米碳管(简称SWNT)存在情况下水溶液中Aβ16-22低聚体的构型。模拟总时间为15μs。从模拟数据得到以下结论：(1)从任意的random构型出发的8条链的Aβ16-22蛋白可以聚集成各种构型的聚集体，包括无定形聚集体(amorphous aggregates)，双层β-sheets结构和β桶装结构(β-barrels)；(2)random构型Aβ16-22蛋白中引入SWNT，大大降低了β聚物的几率，而增加了无定形结构的几率；(3)在纤维状的含β低聚体中引入SWNT，发现SWNT诱导了蛋白的结构由β-strand构型到任意卷曲状的构型的转变。更细致的分析发现Aβ16-22和SWNT之间的疏水作用和π-π堆积相互作用，在Aβ16-22在SWNT表面上的聚合行为起到很重要的作用。
　　 在第五章中对本文的工作进行了总结，并对后续研究进行了展望。