基于GROMACS的绒毛蛋白(Villin)片段折叠动力学模拟

摘要

蛋白质折叠问题从狭义上说就是蛋白质自然态三维空间结构形成的规律，是生命科学中基础和重要的研究方向。蛋白质从初始结构折叠到特定三维空间结构的过程中，温度、压强、变性剂等因素都会对它产生影响。蛋白质分子折叠进程中经历的各种变性态构象均称为去折叠态。蛋白质折叠动力学的研究一般从生理条件下的去折叠态入手，因为去折叠态定义了折叠过程中的最可能构象，能够让我们了解整个折叠进程。
　　基于热力学的观点，如果两个环境的物理条件(pH，温度、溶度等)相同，那么我们能观测到相似的热力学，因此可以在体外实验中研究蛋白质的折叠问题。实验中常利用“扰动”因子（改变物理条件如:温度、压强、变性剂）的添加和移除来控制蛋白质的折叠进程。先进的实验手段如快速微流混合装置和T-jump温变实验装置，结合一系列探测技术包括X-射线晶体衍射、核磁共振光谱、圆二色性、紫外荧光等，可以研究蛋白质折叠在纳秒到毫秒级的折叠事件。受仪器的响应时间限制，蛋白质折叠研究的一系列实验手段不能研究蛋白质折叠更早期的事件，而利用分子动力学模拟软件模拟分子系统中粒子的运动则可以再现研究蛋白质折叠最早期的过程。本文选用GROMACS软件研究蛋白质的折叠动力学。GROMACS是分子动力学模拟领域常用的软件之一。它根据生物大分子的结构原理，建立理论模型，通过模拟系统中粒子的运动得到蛋白质的动力学信息及结构信息。
　　本文基本构思是:先得到蛋白质的去折叠态，再将去折叠态置于折叠环境中，研究HP-36的折叠动力学性质。本文共分为五章:第一章为绪论，主要讲述了蛋白质的组成和结构;蛋白质折叠研究的实验手段、折叠研究实验的局限性以及计算机模拟研究的意义;第二章为分子动力学模拟及GROMACS软件，介绍了分子动力学模拟的基本原理思想，列举了几种常用的求解运动方程的有限差分法，讲述了分子动力学模拟中的系综问题，详细的介绍了本文中使用的分子动力学模拟软件GROMACS以及GROMACS软件的原理，包括GROMACS的分子力场、经验势函数及其附加项、SHAKE算法和LINCS算法。第三章为villin蛋白子域（HP-36）的去折叠动力学，首先介绍了研究对象villin蛋白及其子域HP-36的结构和相关特性;然后在不同温度下对HP-36做去折叠动力学模拟和结果分析。第四章为HP-36的折叠动力学模拟，先介绍了T-jump实验的基本原理;然后对HP-36做折叠动力学模拟和结果分析。研究结果如下:
　　HP-36的去折叠动力学模拟，利用GROMACS-4.5.5软件包，OPLS-AA力场，常压下，使HP-36在300K，350K，375K，400K，500K下，进行分子动力学模拟。我们对不同条件下模拟输出的轨迹文件的回旋半径(Rg)、原子坐标的均方根偏差(RMSD)、疏水残基的溶剂可及表面积(SASA)、链内氢键数目以及二级结构进行分析对比。研究表明，高温条件下，在HP-36的去折叠进程中，处于HP-36内部的疏水残基首先开始暴露;紧接着是位于残基55-59区域的helix-2开始展开;然后是位于残基63-72区域的helix-3和位于残基44-49区域的helix-1先后开始展开。
　　HP-36的折叠动力学模拟，在常压下，使HP-36的去折叠态温度从273K分别跃变到278 K，298K，318K，进行分子动力学模拟，并且与恒温298K中的构象进行对比。同样对对不同条件下的模拟输出的轨迹文件的回旋半径、原子坐标的均方根偏差、疏水残基的溶剂可及表面积、链内氢键数目以及二级结构进行分析对比。研究表明，折叠初期，HP-36在恒温条件下的折叠速度比温变模拟中的折叠速度要快，并且认为其原因是温变模拟中HP-36折叠的“搜寻”路径要比恒温中的多。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 蛋白质的结构

1．1．1 蛋白质的基本组成单位

1．1．2 蛋白质分子的结构层次

1．1．3 维持和稳定蛋白质高级结构的因素

1．2 蛋白质的折叠和去折叠

1．3 蛋白质折叠的计算机模拟

1．4 本文的主要工作

第二章 分子动力学模拟和GROMACS软件

2．1 分子动力学模拟的基本思想

2．2 有限差分法

2．2．1 Verlet算法

2．2．2 Leap-frog算法

2．2．3 gear算法

2．3 GROMACS中的约束算法

2．3．1 SHAKE方法

2．3．2 LINCS方法

2．4 力的计算方法

2．5 分子力场和经验势函数

2．6 边界条件与初值

2．6．1 边界条件

2．6．2 初始条件

2．7 系综原理

2．7．1 正则系综

2．7．2 等温等压系综

2．8 GROMACS简介

2．9 GROMACS经验势函数附加项

第三章 Villin Headpiece Subdomain(HP-36)的去折叠动力学

3．1 HP-36介绍

3．1．1 Villin蛋白

3．1．2 HP-36的特性

3．2 HP-36的去折叠动力学

3．2．1 分子动力学模拟的过程

3．3 HP-36的自由动力学模拟结果及分析

3．3．1 模拟结果

3．3．2 模拟结果分析

3．4 本章小结

第四章 HP-36的折叠动力学研究

4．1 HP-36的温变动力学模拟

4．1．1 HP-36去折叠态结构

4．1．2 分子动力学模拟过程

4．2 模拟结果及分析

4．2．1 HP-36折叠初期的二级结构变化及温度对它的影响

4．2．2 HP-36的折叠初期动力学分析

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

作者简介