纳米颗粒与环境水结构对蛋白质构象影响的分子动力学模拟研究

摘要

蛋白质是生命活动的基本单元。活体细胞的每一项功能的实现都离不开蛋白质。而蛋白质的这些丰富功能基本上由其结构决定。对于蛋白质结构的研究，能极大的促进我们对于生物细胞功能的实现过程的了解，对于人类的医疗健康、生产生活都具有重大的意义。另一方面，作为一个重要的研究手段，计算模拟技术已广泛的应用到蛋白质结构与结构转变的研究领域中去。相对于实验，它常常对环境要求低、操作简单、消耗小、研究周期也短。而且在很多的时候，它能得到实验所不能得到的结果，达到与实验互补，从而使我们能更加深入的洞察蛋白质动力学的奥秘。
　　在本论文中，我们使用分子动力学模拟的方法来研究与蛋白质构象转变相关的问题，重点是纳米颗粒对蛋白质构象的影响进而导致功能的改变与水分子在蛋白质构象中的作用等。对于不同的问题，我们选择了包括经典的类Go模型、基于类Go模型的去溶剂化改进模型、以及全原子模型在内的不同模型进行研究。具体来说本论文共分为七章：
　　第一章，我们对于蛋白质的组分与结构进行了简单的综述，提出了在我们论文中将要涉及的蛋白质构象转变相关的问题，并简要的描述了当前研究这些问题的一些常用的实验与计算机模拟方法。
　　第二章，我们使用经典类Go模型研究有序水对蛋白质折叠的影响。所谓有序水是指，局限在某些底物的表面，具有类似于冰的结构的水分子。实验与模拟的研究中，发现很多底物的表面，包括生物分子与生物膜的表面，都会存在这种水分子。另一方面，当前蛋白质折叠研究认为蛋白质在体内折叠的行为与体外可能存在不同，而不同的原因很大程度是因为细胞内很拥挤，蛋白质是在一个局限的空间中折叠的。而有序水的发现表明，除了所谓的局限空间的影响，蛋白质在体内的折叠还可能要受到有序水的影响。在这章中，我们采用一个广泛使用的蛋白质折叠类Go模型，并引入有序水的效应来研究蛋白质折叠问题。通过模拟研究，我们发现，相对于仅仅蛋白质局限于空间效应，有序水对于蛋白质的稳定性与折叠速度的促进作用更加的明显。而进一步的研究表明，有序水的这些影响与局限空间的大小存在一个较明显的负指数关系。
　　第三章，我们对经典的类Go模型进行了改进，加入了去溶剂化效应的影响，并用它研究低温下蛋白质的玻璃化转变问题。所谓去溶剂化效应，在这里是指两个疏水粒子之间相互靠近时，其相互作用能并不是一直下降的过程。在其中间存在一个水分子的时候，有一个势阱，而后则是一个势垒。只有翻越这个势垒才能达到全局的极小，即两个粒子直接接触。所以在我们的研究中，使用这种相互作用形式来描述经典类Go模型中天然接触(Native Contact)间的相互作用。而且，这种模型能够唯象的给出蛋白质折叠过程中，所包含的水分子的数目。这对于我们研究蛋白质折叠的机制与在这之中水分子的作用是相当有帮助的。通过我们研究发现，在折叠温度，溶剂分子是在蛋白质折叠的最后阶段排出的，也就是说，在大部分的蛋白质结构都已形成时，蛋白质分子中仍然存在水分子。在低温时，溶剂分子凝结在蛋白质分子中不能排出，而且溶剂分子开始凝结的温度正好是蛋白质折叠的玻璃相转变的温度，结合其他相关的实验的资料，我们认为水分子在蛋白质分子中的凝结对于蛋白质折叠的玻璃相与玻璃相转变具有重要的作用。
　　第四章，我们采用全原子模型研究蛋白质部分折叠问题。在这个研究中，我们使用显式的水分子模型，在全原子的层次上模拟了一个双螺旋的发夹结构(Helix-Turn-Helix)蛋白质从一个部分折叠的状态，即一个螺旋去折叠的结构，折叠到其天然结构的过程。虽然，从理论上讲，模拟一个蛋白质从无规的随机链折叠到天然态的过程更加有助于提高我们对于蛋白质折叠机制的理解，然而要进行这样一次模拟，所需要的计算资源是巨大的，对于当前的计算机能力来说是一个很大的挑战。于是我们对这个问题进行了一个折中的处理。从我们模拟的结果来看，其对于了解蛋白质后半段的折叠行为的研究也是相当有意义的。在模拟中，我们发现蛋白质先形成那个被去折叠的螺旋结构，然后合并两个螺旋而达到它的折叠态。与此同时，在我们的模拟中，一些比较稳定的错误折叠构象也被发现。通过对所有模拟中所得构象的相似度与蛋白质折叠系统中各种成分间的相互作用能的分析后，我们发现，对于蛋白质折叠来说，整个蛋白质与水组成一个整体，除了蛋白质自身相互作用力外，水分子内部的相互作用也极大的促进蛋白质折叠态的能量降低。这个发现使我们更加认识到水分子对于蛋白质折叠的重要作用。
　　第五章，我们采用全原子模型研究疏水纳米颗粒与蛋白质相互作用。当前，纳米科技相当热门，而纳米材料被用诸如诊断、成像、药物输运、生物感应器等很多方面中去。为了保证纳米材料的这种良好的应用前景，研究其可能导致的毒性机理是非常重要的。在这个研究中，我们使用全原子分子动力学的方法模拟研究一个碳纳米管与一个具有功能的蛋白质结构域之间的相互作用。我们发现这疏水的碳纳米管能够插入蛋白质的疏水核心中心去，屏蔽蛋白质的活性位点，破坏蛋白质的天然结构，从而可能导致蛋白质功能丧失。我们相信，这对于我们从分子的层次了解纳米毒性机制是非常有帮助的。而另一方面，碳纳米管也会与蛋白质的活性位点结合，使我们在生物分子与纳米材料之间建立的某种联系，从而也可能对于我们研究生物传感器有一定的帮助。
　　第六章，我们采用全原子模型研究纳米颗粒与配体竞争靶蛋白的结合位点。与前一个问题相同，这个研究同样是一个与纳米毒性相关的研究，但其产生毒性的机制并不相同。有研究表明，蛋白质与其配体结合时，疏水相互作用具有重要的作用。很显然，疏水的纳米颗粒能与蛋白质的疏水的结合位点相互作用，从而阻止靶蛋白质结合其配体。通过全原子模型的模拟，我们发现由于碳纳米管的疏水性非常强，相对于蛋白质原本的配体，其结合非常的迅速，所以碳纳米管在很多情况下能够先行的结合到靶蛋白的疏水位点上去，从而阻止其配体的结合，即破坏了蛋白质正常功能的执行。总之，纳米科技是一把双刃剑，我们这一章与前一章的研究表明，一个非特异的疏水纳米颗粒也可能导致蛋白质功能的丧失，所以其在与人类健康相关的领域的应用中应当相当谨慎。
　　第七章，我们总结了我们所有的研究内容，并对于使用计算机模拟，特别是分子动力学模拟来研究蛋白质结构相关的问题进行了讨论与展望。结合我们在蛋白质结构模拟方面的研究，我们分析各种不同的模型的优缺点，而在附录中我们还简要的描述了我们研究中所使用的方法，希望能给将来的研究带来帮助。