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蛋白质巯基亚硝基化反应机理的理论研究

2020-12-14阅读(901)

蛋白质巯基亚硝基化反应机理的理论研究

论文摘要

蛋白质巯基亚硝基化（S-nitrosylation）是指一氧化氮（NO·）共价结合到蛋白质半胱氨酸残基的过程,它是一种典型的氧化还原依赖的蛋白质翻译后修饰,在介导一氧化氮细胞信号转导中发挥重要作用,且被越来越多的研究证明与疾病和健康密切相关。一般认为,S-nitrosylation的产物是S-亚硝基硫醇化合物（RSNO）;而最近的研究则发现在血红蛋白中形成S-硫硝酰自由基（RS-NH-O·）。本课题的研究旨在利用量子力学和分子力学等方法探索S-nitrosylation的反应机理。首先使用第一性原理分子动力学模拟CPMD方法中最低能量反应路径搜索算法Metadynamics来探索模型化合物硫醇（RSH）和S-nitrosylation产物RSNO、RS-NH-O·在水相和甲醇中S-H、S-N和N-H键形成和断裂的化学行为。基于计算结果,我们提出了一种纯粹依赖于一氧化氮的巯基亚硝基化反应机理。计算发现:⑴硫醇巯基去质子化是该蛋白质化学修饰的关键步骤;⑵硫醇阴离子RS-和自由基RS·均可结合NO·自由基;⑶反应不需要额外的电子受体。另外,计算还发现S-硫硝酰自由基RS-NH-O·可作为S-nitrosylation的中间产物, S-硫硝酰自由基的分解反应受周边化学环境的影响,其S-N键可发生均裂产生次硝酸HNO和RS·自由基,产物RS·可以与另外一个NO·自由基结合得到S-nitrosylation的常见产物RSNO。总反应式可表示为:RSH + 2 NO·RSNO + HNO,其中HNO是该化学修饰的副产物,可降解为一氧化二氮和水2HNO N2O + H2O。为了验证巯基去质子化在蛋白质巯基亚硝基化中的重要性,我们还对血红蛋白R/T两种不同蛋白质构象进行了分子力学动力学模拟。实验发现,R构型比T构型更容易发生S-nitrosylation。分子力学动力学模拟结果显示,与T构型相比,R构型中被修饰位点Cysβ93的巯基与相邻肽键（Hisβ92）羧基和Tyrβ145酚羟基的距离明显比较近,处于一个可形成氢键的状态,Hisβ92和Tyrβ145很可能对Cysβ93巯基去质子化有促进作用。该研究结果可以为下一步利用QM/MM方法研究Cysβ93巯基的去质子化提供结构基础。另外,我们还对巯基亚硝基化蛋白质的半胱氨酸位点及其周边三维结构特征进行了统计分析,发现被修饰位点处于一个亲水环境中,进一步从生物信息学的角度说明蛋白质巯基亚硝基化与局部化学环境特别是可稳定巯基去质子化过程的环境有重要的相关性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 蛋白质翻译后化学修饰S-Nitrosylation 综述
  • 1.1 S-Nitrosylation 历史
  • 1.2 S-Nitrosylation 是一种重要的蛋白翻译后修饰
  • 1.3 S-Nitrosylation 的生物学意义
  • 1.3.1 S-Nitrosylation 是介导细胞信号转导的重要机制
  • 1.3.2 S-Nitrosylation 与人类健康和疾病密切相关
  • 1.4 S-Nitrosylation 的理论研究
  • 1.4.1 S-Nitrosylation 的位点特征研究
  • 1.4.2 S-Nitrosylation 的反应机理研究
  • 1.5 本章小结
  • 第二章 量子化学和分子动力学简介
  • 2.1 量子化学简介
  • 2.1.1 量子化学发展史
  • 2.1.2 量子化学理论方法
  • 2.1.3 量子化学研究内容
  • 2.2 分子动力学简介
  • 2.2.1 分子动力学模拟概述
  • 2.2.2 分子力场（Force Field）
  • 2.2.3 模拟系综
  • 第三章 S-Nitrosylation 的量子力学分子动力学研究
  • 3.1 CPMD 方法和软件简介
  • 3.1.1 CPMD 方法简介
  • 3.1.2 CPMD 软件包
  • 3.1.3 CPMD 输入文件
  • 3.2 Metadynamics 简介
  • 3.3 S-Nitrosylation 反应机理模拟的具体步骤和参数设置
  • 3.3.1 计算模型的构建
  • 3.3.2 几何结构优化
  • 3.3.3 Metadynamics 预测试过程
  • 3.3.4 CPMD-Metadynamics 过程
  • 3.4 CPMD-Metadynamics 计算结果分析
  • 3.4.1 模拟过程体系温度、能量和集合变量的检查
  • 3.4.2 CPMD-Metadynamics 自由能面的构建
  • 3.4.3 自由能面关键点电子结构的计算
  • 3.5 Gaussian09 计算结果
  • 3.6 基于CPMD-Metadynamics 计算的S-Nitrosylation 反应机理
  • 3.6.1 S-Nitrosylation 反应步骤
  • 3.6.2 硫醇去质子化是S-Nitrosylation 的决速步骤
  • 3.6.3 S-Nitrosylation 中电子结构变化
  • 3.6.4 环境转变协助S-Nitrosylation 进行
  • 3.6.5 水相可稳定RSNO 产物
  • 3.7 本章小结
  • 第四章 血红蛋白R/T 构型的分子动力学模拟
  • 4.1 Amber 简介
  • 4.1.1 Amber 力场
  • 4.1.2 Amber 软件包
  • 4.2 分子动力学模拟的具体步骤和参数设置
  • 4.2.1 PDB 文件的准备
  • 4.2.2 生成拓扑文件和坐标文件
  • 4.2.3 体系能量最小化
  • 4.2.4 体系升温过程
  • 4.2.5 体系平衡过程
  • 4.2.6 体系分子动力学模拟过程
  • 4.3 计算结果分析与讨论
  • 4.3.1 检查模拟过程中的体系参数
  • 4.3.2 RMSD 结果比对
  • 4.3.3 RMSF 结果比对
  • 4 3 4 Cysβ93 巯基周围环境的分析
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 全文总结与展望
  • 5.1 主要结论
  • 5.2 研究展望
  • 参考文献
  • 附录1 收集的S-Nitrosylation 蛋白序列
  • 附录2 收集的S-Nitrosylation 蛋白晶体结构
  • 附录3 含S-Nitrosocysteine 的蛋白质晶体结构
  • MeSNOgas 几何结构优化输入文件'>附录4 cisMeSNOgas 几何结构优化输入文件
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文

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