肽配基的理性设计和海藻糖影响多肽构象转变的分子机制

论文摘要

本文以分子模拟在蛋白质分离和稳定性研究中的应用为核心,研究了蛋白质配基设计和蛋白质结构转换。在蛋白质配基理性设计方面,研究了利用分子对接和分子动力学模拟方法设计蛋白质的短肽配基的方法,利用α-淀粉酶和组织型纤溶酶原活化因子（t-PA）为模型蛋白质分析了设计方法的可靠性。首先根据α-淀粉酶受体腔的晶体结构,利用分子对接方法理性设计得到了具有高亲和性的六肽配基（FHENWS）,分析了肽配基与蛋白质的相互作用。利用固定化此配基的亲和层析柱实验分析了肽配基与蛋白质的作用机理,与分子模拟分析结果一致。在此基础上,成功地从枯草杆菌发酵液中分离纯化了α-淀粉酶,证明了配基的高亲和性。以此为基础,发展了基于蛋白质结构的氨基酸定位、分子对接、分子表面分析和分子动力学模拟相结合的理性设计方法,提高了配基设计效率。将该方法用于t-PA肽配基的设计,得到高亲和性四肽配基（QDES）。利用配基的亲和层析从猪心提取液中分离纯化了t-PA,证明了肽配基的高亲和性。在蛋白质结构转换研究中,利用分子动力学模拟方法考察了海藻糖作用的分子机理,以加深对蛋白质折叠以及错误折叠引发的蛋白质聚集过程的认识。首先利用分子动力学模拟研究了海藻糖对十三肽β-hairpin折叠的影响。结果表明,海藻糖溶液浓度对多肽折叠具有重要影响,在0.065 mol/L的海藻糖浓度中,海藻糖可降低多肽折叠的势能垒,使多肽快速完成折叠;但在高浓度的海藻糖溶液中（≥0.098 mol/L）,海藻糖与多肽形成较多的氢键,使得多肽主链之间的氢键不能克服多肽和海藻糖之间的氢键而发生有效的折叠。采用分子动力学模拟研究了海藻糖对淀粉质多肽核心片段Aβ16-22聚集的抑制作用。与上述结果类似,在高浓度的海藻糖溶液中,海藻糖分子可抑制Aβ16-22单体的构象转变,使Aβ16-22单体维持转角,弯曲和无规卷曲的二级结构,海藻糖和多肽之间的直接与间接氢键数之和远大于多肽分子之间的氢键数,从而抑制多肽的聚集。在此基础上,进一步研究了海藻糖对Aβ40和Aβ42构象转变的影响。结果表明,高浓度海藻糖可有效抑制Aβ40和Aβ42的构象转变。即多肽对海藻糖的优先排阻作用阻碍了多肽之间的疏水相互作用发生,从而抑制了多肽分子的疏水性塌缩和构象转变。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 亲和肽配基的理性设计
• 1.1.1 亲和色谱和配基
• 1.1.2 肽配基筛选技术
• 1.1.3 理性设计
• 1.2 分子模拟在蛋白质折叠和聚集研究中的应用
• 1.2.1 蛋白质折叠
• 1.2.2 蛋白质错误折叠和聚集所导致的疾病
• 1.2.3 分子动力学模拟对蛋白质折叠和聚集的研究
• 1.2.4 海藻糖在蛋白质折叠和聚集过程中的作用
• 1.3 本课题的研究内容和研究思路
• 1.3.1 多肽配基的理性设计
• 1.3.2 海藻糖对蛋白质折叠和聚集的影响
• 第二章 α-淀粉酶亲和肽配基的理性设计和亲和色谱
• 2.1 前言
• 2.2 实验材料与方法
• 2.2.1 分子模拟部分
• 2.2.2 实验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 α-淀粉酶肽配基的理性设计
• 2.3.2 α-淀粉酶与高亲和性六肽配基（FHENWS）亲和力的分析
• 2.3.3 吸附平衡实验
• 2.3.4 亲和色谱实验
• 2.4 小结
• 第三章 结合分子动力学模拟的t-PA 亲和肽配基的理性设计及对猪心t-PA 的亲和纯化
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 分子模拟部分
• 3.2.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 氨基酸定位
• 3.3.2 分子对接
• 3.3.3 配基与t-PA 之间的亲和作用力分析
• 3.3.4 分子动力学模拟对四肽QDES 与t-PA 受体腔亲和力的分析
• 3.3.5 从猪心粗提液中分离纯化t-PA
• 3.4 小结
• 第四章 海藻糖促进或抑制β-hairpin 折叠的分子动力学研究
• 4.1 前言
• 4.2 模型系统与方法
• 4.2.1 MD 模拟体系构建及模拟过程
• 4.2.2 模拟参数设置
• 4.2.3 数据分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 多肽在不同浓度海藻糖溶液中折叠的性质
• 4.3.2 海藻糖分子对多肽折叠的影响
• 4.3.3 多肽折叠的自由能势能面分析
• 4.3.4 氢键分析
• 4.4 小结
• 第五章 海藻糖抑制Aβ16-22聚集沉淀的分子动力学研究
• 5.1 引言
• 5.2 模型和方法
• 5.2.1 模拟体系
• 5.2.2 模拟参数设置
• 5.2.3 分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 海藻糖抑制三个Aβ16-22 单体的聚集沉淀
• 5.3.2 海藻糖抑制Aβ16-22 单体向三聚体的聚集沉淀
• 5.3.3 海藻糖对Aβ16-22 三聚体聚集沉淀的抑制
• 5.4 小结
• 第六章 海藻糖抑制Aβ40和Aβ42构象转变的分子动力学研究
• 6.1 引言
• 6.2 模型系统和方法
• 6.2.1 MD 模拟体系
• 6.2.2 分子动力学模拟参数设置
• 6.2.3 数据分析方法
• 6.3 结果和讨论
• 6.3.1 Aβ40 和Aβ42 在不同浓度海藻糖溶液中的二级结构分析
• 6.3.2 溶液接触面积
• 6.3.3 多肽侧链接触图
• 6.3.4 优先水合作用分析
• 6.3.5 二面角主成分自由能势能面分析
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 创新点
• 7.3 未来工作的建议与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢