三个生物相关体系相互作用的分子模拟研究

摘要

结构决定功能，功能的发挥取决于物质的动态结构。分子之间以及以上层次的超分子及有序高级结构的聚集体，主要是依靠氢键、盐键、一些弱的共价键和相互作用以及范德华等将分子结合在一起。这些弱的相互作用力之间构成相互作用网络是稳定生物体自身以及与之相关体系空间结构和发挥生物功能的基础。例如:蛋白质是细胞的主要组成成分，体内重要的生理活动都是由蛋白质来完成的。从遗传物质的复制、基因的表达调控到细胞的新陈代谢、信号传导及细胞与细胞之间的短程、远程通讯，生物体的形态形成、细胞粘附等，蛋白质自身和蛋白质与蛋白质之间的相互作用都在其中扮演着重要的角色。晶体的生长及形貌变化对晶体自身的性质起着至关重要的作用。研究表明，即使含有少量的杂质和添加剂，晶体的形貌都会发生较大的影响。为了得到不同形貌的晶体以发挥其所需的功能，在某些情况下，有意的去添加添加剂，以调控晶体的生长与形貌变化，尤其是具有生物相容性的材料的研究对体内植入材料的开发和应用具有重要意义，因此了解添加剂与晶体之间的相互作用机理有助于我们从分子尺度理解二者之间的作用，并以此进行改进和分子设计。为了在原子尺度上研究这类过程的相互作用情况，计算机分子模拟已经显示出了强大的优势，成为了除实验手段以外强有力的研究工具。
　　本论文首先利用分子动力学(molecular dynamics，MD)和流体分子动力学(Flowmolecular dynamics，FMD)模拟研究了水环境下盐桥作用网络对哺乳类动物朊蛋白结构稳定性影响，在此基础上，我们利用MD模拟研究了糖尿病相关的胰岛素样生长因子(Insulin-like growth factor, IGF)与其结合蛋白(IGF binding proteins，IGFBPs)之间的相互作用情况。最后，我们基于量子化学等软件构建了聚乙烯吡咯烷酮(Ployvinylpyrrolidone，PVP)的力场文件，研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)添加剂和羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HAP)的相互作用情况。通过以上的研究获得了蛋白质自身、蛋白质与界面、添加剂和生物材料发生作用的关键位点信息以及作用网络，为药物分子设计、生物医用材料的开发提供了理论基础和建议。本论文的主要研究成果如下:
　　1.使用MD和FMD方法研究了盐桥网络对哺乳类动物朊蛋白结构稳定性影响。统计并描绘出了两个哺乳类朊蛋白的盐桥相互作用网络，并对平衡状态和流体扰动状态下的蛋白质的结构稳定性与分子内的相互作用的关系进行了分析。研究发现占有率高的盐桥与二级结构之间的关系。一端位于刚性较强的螺旋结构上，另一端位于柔性较强的loop结构上。螺旋和loop结构分别对盐桥起到固定和调节的作用。同时，我们还发现分子内盐桥和分子间盐桥同时作用于α-螺旋，螺旋内盐桥和氢键联合作用于α-螺旋，这两种作用形式使得在外力扰动下，螺旋仍能够保持一定的稳定性。
　　2.研究了胰岛素样生长因子(IGFs)与胰岛素样生长因子结合蛋白-2(IGFBP2)之间的相互作用网络。运用MD的方法，以IGFs分子作为探针分子，分别对72个复合结构中的IGF1、IGF2与C-BP-2之间的结合位点进行了扫描式搜索，绘制出了IGFs与C-BP-2相互识别的表面残基分布图，对关键残基进行了分类和统计，并从作用类型、作用距离、作用能等方面研究了二者之间的相互作用机理。
　　3.利用MD模拟研究了不同聚集状态下的PVP在HAP(002)晶面的吸附行为，并比较了同一聚集状态下的PVP分别与在HAP(001)、(010)和(002)晶面的吸附差异。当PVP的三种不同聚集态与HAP相互作用时，由于PVP的柔性较强，在其吸附到晶面过程中，同时存在较大的构型调整和其与HAP晶面之间的相互作用。两种竞争行为导致PVP三种不同聚集状态与HAP相互作用能的大小为:聚集状态(c)＞聚集状态(b)＞聚集状态(a)。当PVP的聚集状态(b)分别和HAP的(001)、(010)、(002)作用的相互作用能大小为:HAP(001)＞HAP(010)＞HAP(002)。通过此部分研究我们探讨了PVP分子的聚集状态和分子取向、HAP晶面的结构特征、表面电荷分布等因素对PVP与HAP之间相互作用的影响。进一步通过相互作用能、接触面积、RMSF(Root mean structural fluation)、吸附驱动力、作用对距离等分析揭示了二者之间的相互作用机理，并和实验结果进行了比较。我们的研究结果从分子水平阐释了添加剂与晶体相互作用机理，为晶体的形貌控制和相关的分子设计提供了理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 分子内和分子间相互作用

1．2．1 蛋白质体系

1．2．2 生物材料分子体系

1．3 相互作用力

1．3．1 范德华力(vander Waals force)

1．3．2 静电相互作用

1．3．3 疏水作用(hydrophobic interaction)

1．4 蛋白质简介

1．4．1 蛋白质的结构

1．4．2 论文中使用的蛋白质简介

1．5 生物材料简介

1．5．1 论文中使用的生物材料简介

1．6 本论文的主要工作

参考文献

第二章 分子模拟计算方法

2．1 引言

2．2 分子模拟相关

2．2．1 分子力场

2．2．2 周期性边界条件

2．2．3 统计系综

2．3 MD模拟方法

2．3．1 基本原理

2．3．2 MD中的周期边界条件与势能截断

2．3．3 分子动力学的模拟流程

2．4 流体分子动力学模拟

参考文献

第三章 分子动力学方法研究盐桥网络对哺乳类动物朊蛋白结构稳定性影响

3．1 引言

3．2 方法和模型

3．2．1 体系的建立

3．2．1 模拟准备

3．3 结果与讨论

3．3．1 平衡态

3．3．2 平衡过程中的结构变化

3．3．3 关键盐桥的筛选

3．3．4 MD过程中关键盐桥的距离变化

3．3．5 流体扰动下蛋白质的结构变化

3．3．6 二级结构的演变

3．3．7 FMD过程中关键盐桥距离变化

3．4 结论

参考文献

第四章 胰岛素样生长因子与胰岛素样生长因子结合蛋白-2相互作用网络研究

4．1 引言

4．2 模型与模拟

4．2．1 模型的构建

4．2．2 MD模拟

4．3 结果与讨论

4．3．1 C-BP-2-IGF-1结合体系分析

4．3．2 C-BP-2-IGF-2结合体系

4．3．3 所有体系中的关键氨基酸

4．3．4 所有体系中关键氨基酸出现次数

4．4 结论

参考文献

第五章 聚乙烯吡咯烷酮影响羟基磷灰石生长习性的分子动力学研究

5．1 引言

5．2 方法和材料

5．2．1 体系的建立

5．3 结果与讨论

5．3．1 PVP不同聚集状态的获取

5．3．2 三种不同聚集状态的PVP在HAP(002)晶面的吸附

5．3．3 同一聚集状态的PVP分子在HAP不同晶面的吸附比较

5．4 结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢