介电常数及酸性氨基酸对蛋白质中精氨酸-精氨酸二聚体稳定性影响的研究

摘要

本论文通过对蛋白质数据库（PDB）的统计，发现精氨酸-精氨酸二聚体碳作用距离蛋白质占数据库的1/3。这种看似违背常理却普遍存在的，带同种正电荷的精氨酸-精氨酸二聚体引起了我们的注意。本文对它们在蛋白质数据库中的出现进行了系统的调查和分析，并且对它们稳定存在的原因进行了相关计算和研究。
　　1.蛋白质数据库（PDB）的统计
　　在PDB数据库中，我们选择分辨率为2.0以及更好的蛋白结构作为研究对象。我们把两个精氨酸作用距离称作精氨酸-精氨酸二聚体。考虑到PDB数据库的冗余性，我们使用Dunbrack实验室的6344条蛋白质链的非冗余数据库进行了进一步分析，发现25.2％（1599/6344）的非冗余蛋白质结构中含有一对或者一对以上精氨酸-精氨酸二聚体。说明精氨酸-精氨酸二聚体在蛋白质中普遍存在。在对PDB数据库精氨酸-精氨酸二聚体的统计中，我们发现所有的精氨酸-精氨酸二聚体都位于由不同基团构成的极性环境中。构成极性环境的基团有酸性氨基酸、水分子，以及结合位点附近的强极性的、可极化的基团，合位点附近的带负电的基团，还有与小分子结合的强极性的、可极化的基团，与小分子结合的带负电的基团。PDB数据库统计结果表明，在这些极性环境中，大部分的精氨酸-精氨酸二聚体是暴露在水溶剂中，与水分子作用的。对PDB数据库统计结果进一步分析，发现68.3%的精氨酸-精氨酸二聚体是通过与酸性氨基酸形成精氨酸-精氨酸-天冬氨酸/谷氨酸三聚体而稳定存在的。
　　2.蛋白质介电常数以及酸性氨基酸对精氨酸-精氨酸二聚体的稳定作用
　　我们采用包含色散作用的密度泛函方法（DFT-D）研究蛋白质介电常数对精氨酸-精氨酸二聚体稳定性的影响。研究发现，当介电常数增加到46.8（二甲亚砜）时，精氨酸-精氨酸二聚体达到热力学上稳定（约-1kcal/mol）。结构优化与能量计算表明，在介电常数比较小（小于4.8，三氯甲烷）时，精氨酸-精氨酸二聚体倾向于以垂直结构存在（平行构型的两个精氨酸相互排斥，不能形成精氨酸-精氨酸二聚体）；而当介电常数增大（大于5.6，二氯乙烷）时，他们倾向于以平行的结构存在（平行构型比垂直构型更稳定）。酸性氨基酸对精氨酸-精氨酸二聚体有着强烈的稳定作用，在介电常数从2.0到78.4的范围内，它使精氨酸-精氨酸二聚体的相互作用能降低到-154到-22 kcal/mol。
　　3.精氨酸-精氨酸二聚体和精氨酸-精氨酸-天冬氨酸/谷氨酸三聚体的能量分解分析
　　在ADF程序中，用PBE方法和DZP基组，分别对精氨酸-精氨酸二聚体和精氨酸-精氨酸-天冬氨酸/谷氨酸三聚体的相互作用能进行分解，发现对他们起主要稳定作用的作用项是不同的。对于精氨酸-精氨酸二聚体来说，主要的稳定作用项是溶剂化能，它对精氨酸-精氨酸二聚体吸引作用的贡献高达90%；对于精氨酸-精氨酸-天冬氨酸/谷氨酸三聚体来说，主要的稳定作用项是静电作用能，它对精氨酸-精氨酸-天冬氨酸/谷氨酸三聚体吸引作用的贡献有75%。本论文的研究结果有助于理解蛋白质结构中精氨酸-精氨酸二聚体的存在，对精氨酸-精氨酸二聚体在药物设计中的运用有一定的指导作用。

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第一章 序言

1.1精氨酸在蛋白质中的作用

1.2精氨酸-精氨酸二聚体的相互作用在蛋白质中的相关研究

1.3本论文设计

第二章 研究方法

2.1 包含色散作用的密度泛函方法（DFT-D）

2.2 ADF能量分解计算

第三章 介电常数对精氨酸-精氨酸二聚体稳定性的影响

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 酸性氨基酸对精氨酸-精氨酸二聚体的稳定作用

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 精氨酸-精氨酸二聚体和精氨酸-精氨酸-天冬氨酸/谷氨酸三聚体相互作用能的分解

5.1 引言

原则上，对于同一研究体系最好使用同一程序包中相同的计算方法和基组，

但是在 Gaussian09 程序包中，无法进行能量分解的计算。因此，本文中的能量

分解计算采用 ADF 2010.02 试用版中的 Morokuma[91]能量分解和斯莱特轨道

（Slater Type Orbitals）分析来对研究体系进行计算。而且，在ADF程序中，无

法使用新发展起来的 B97-D 方法，因此我们采用了与 B97-D 方法类似的 PBE

（Perdew-Burke-Ernzerhof）方法。在ADF程序中，采用的是Slater基组，这与

Gaussian09 中的高斯基组也不同，因此，基组我们采用的是 Slater 基组的 DZP

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 全文总结

6.1 介电常数对精氨酸-精氨酸二聚体稳定性影响研究小结

6.2 酸性氨基酸对精氨酸-精氨酸二聚体稳定性影响研究小结

6.3 精氨酸-精氨酸二聚体和精氨酸-精氨酸-天冬氨酸/谷氨酸三聚体相互作用能的能量分解研究小结

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

附录一 精氨酸-精氨酸二聚体在不同溶剂中的优化结构图以及相互作用能的能量表

附录二 精氨酸-精氨酸-天冬氨酸/谷氨酸三聚体在不同溶剂中的优化结构以相互作用能的能量表

附录三 精氨酸-精氨酸二聚体和精氨酸-精氨酸-天冬氨酸/谷氨酸三聚体相互作用能分解的能量表

致谢