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【6h】

蛋白质构象激活和分子识别机制的分子动力学研究

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第一章 研究背景与文献综述

1.1 热休克蛋白90的结构与功能

1.2 酪氨酸激酶c-Src及其突变体v-Src

1.3 牛血清白蛋白(BSA)纳米颗粒

1.4 选题意义和本论文工作

参考文献

第二章 分子模拟方法

2.1 分子模拟简介

2.2 分子动力学模拟

2.3 操纵式分子动力学模拟(SMD)

2.4 自由能计算方法

2.5 量子化学计算方法

2.6 泊松-波尔兹曼连续静电计算

参考文献

第三章 热休克蛋白90中ATP水解机理及构象转换

3.1 引言

3.2 模拟方法及建模

3.3 热休克蛋白90中的ATP水解机理

3.4 翻译后修饰或突变对热休克蛋白90的构象及其ATP水解反应的影响

3.5 本章小结

参考文献

第四章 酪氨酸激酶Src的激活机制及其对热休克蛋白90的依赖性

4.1 引言

4.2 模拟方法与建模

4.3 ATP结合和Tyr416磷酸化对野生型激酶c-Src的影响

4.4 野生型激酶c-Src及其突变体的激活机制

4.5 野生型激酶c-Src及其突变体对热休克蛋白90的依赖性

4.6 不活泼状态下野生型激酶c-Src与突变体的比较研究

4.7 本章小结

参考文献

5.1 引言

5.2 模拟方法及建模

5.3 干扰素α-1b在牛血清白蛋白上的作用位点

5.4 干扰素α-1b与牛血清白蛋白的相互作用机制

5.5 干扰素α-1b及小分子药物对牛血清白蛋白的亲和力

5.6 牛血清白蛋白在钛酸锶晶面上的吸附

5.7本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 工作小结

6.2 展望

致谢

博士期间学术研究成果

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摘要

蛋白质是生命的物质基础,与各种形式的生命活动紧密相关。尽管组成蛋白质的氨基酸的基本种类相同,但是各种蛋白质的结构和性质却千差万别。一个氨基酸突变就可能引起蛋白质构象的巨大变化,使蛋白质表现出完全不同的动力学特征,进而影响与其它分子的识别。蛋白质不仅是生命活动的承载体,还可以作为药物和运输药物的载体。因此蛋白质在化学、生物学、药学以及医学等领域得到了广泛的研究。目前从分子水平上对蛋白质的结构和功能的认识还远远不够;突变和修饰引起蛋白质构象变化、活性失控的具体机制还不清楚;蛋白质与蛋白质、蛋白质与其它分子的结合与识别的过程仍有待进一步探索;蛋白质作为靶点或药物甚至运输药物的载体的可行性亟待测试并验证。从微观水平上回答这些问题对于理解蛋白质分子机器的运作机制、设计载药系统运输蛋白质药物等都有重要意义。
  本文运用分子动力学模拟研究伴侣蛋白热休克蛋白90(Hsp90)的构象和动力学性质,并选取其中的ATP及周围的重要氨基酸进行量化计算,使用密度泛函理论对 ATP水解的反应路径和能垒进行初步探索。接着我们基于实验和文献,在计算机中构建了多种 Hsp90突变体的模型并进行分子动力学模拟和泊松-波尔兹曼连续静电场计算,探索了各种翻译后修饰或氨基酸突变对 Hsp90构象与动力学、ATP结合能力及水解速率的影响,为全面理解Hsp90分子机器的运作机制打下基础。为了进一步理解Hsp90作为伴侣蛋白的性质和功能,我们选取了酪氨酸激酶c-Src、高活性突变体c-Src3MΔC以及高活性致癌突变体v-Src,使用分子动力学模拟、metadynamics以及多种分析方法重点考察了三个蛋白质在构象和激活机制中的差异,并推测了Hsp90识别客户蛋白的机制。最后为了研究蛋白质作为载体在蛋白质药物运输中的可行性,我们以牛血清白蛋白(BSA)作为载体运输干扰素α-1b(IFN),通过分子对接、分子动力学模拟以及伞状抽样,阐明了IFN与BSA的结合位点、结合机制以及结合自由能。鉴于BSA是丰富的血浆蛋白,不仅可以作为蛋白质纳米颗粒在药学中获得应用,还可以与进入生物体内的其它纳米颗粒进行相互作用。因此我们使用分子动力学模拟考察了 BSA在钛酸锶纳米颗粒的不同晶面上的吸附情况,并解释了导致差异性吸附的原因。
  本研究主要内容包括:⑴Hsp90中的 Glu33是催化 ATP水解的重要残基,Arg380可以稳定过渡态结构。Arg32远离Glu33时,有利于Glu33的质子化,从而降低ATP水解的反应能垒。⑵四个重要的磷酸化位点Ser379、Ser485、Ser602和Ser604的磷酸化会明显干扰Hsp90的二聚化。N端二聚化的减弱可能导致N端结构域与各自的ATP分子的结合增强。Trp300的突变(Trp300Ala/Glu/Lys)使蛋白质的整体构象更紧凑,增长了Hsp90中的信息传播路径。Phe104和Phe124被突变为Trp后, ATP与Phe或者Trp的π-π相互作用增强,ATP结合区域的构象显著改变。Lys594的单甲基化对Hsp90的C端结构域的二聚化界面产生显著干扰。⑶ATP结合或Tyr416磷酸化可以使野生型酪氨酸激酶c-Src从不活泼状态转化到活泼状态。c-Src的突变体c-Src3MΔC在没有激活刺激物(如ATP或磷酸化的Tyr416)的情况下可自动激活。突变体c-Src3MΔC与v-Src的动力学行为类似,表明3MΔC很可能是高活性致癌的v-Src有别与低活性野生型c-Src的最关键的突变。⑷激酶中的松散结构,特别是β1-β5片层和P-loop,可能是Hsp90识别的区域。Hsp90可以稳定处于亚稳态的活泼的客户蛋白,这可能是c-Src3MΔC以及v-Src能够被Hsp90识别而稳定的c-Src不能被识别的原因。⑸蛋白质药物干扰素α-1b(IFN)与载体牛血清白蛋白(BSA)的结合位点可能位于BSA的III结构域。氢键和盐桥在IFN与BSA的结合过程中扮演了重要角色。IFN对BSA的亲和力比小分子药物更强。⑹SrTiO3不同晶面的原子结构决定了不同的水化层结构,导致 BSA在(100)晶面上吸附,但在(110)晶面上不能吸附。(110)晶面上的水分子排列有序,形成稳定的屏障,阻碍了蛋白质吸附。而(100)晶面上的水分子排列杂乱,水化层松散,蛋白质可穿过水层与晶面相互作用。

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