单螺旋跨膜多肽在生物膜中取向的分子动力学模拟研究

摘要

膜蛋白在呼吸作用、神经信号传导、免疫反应等各种生命活动中具有极其重要的作用。正确的取向是跨膜蛋白具有生物活性的前提条件，但目前对于影响膜蛋白取向的因素还没有确切的答案，因此需要人们对跨膜蛋白的插膜机理及其取向进行系统的研究。本论文采用分子动力学模拟的方法，通过构建不同的模拟体系，系统地研究单螺旋跨膜多肽与生物膜的相互作用，且对影响其生物膜取向的因素进行了探讨，建立了一套通过研究肽链模型同磷脂双分子层膜模型相互作用过程确定肽链进膜选择性取向的方法。 首先，我们将单螺旋跨膜多肽放置在生物膜的表面，通过长时间的自由分子动力学模拟，研究其自发插膜过程。研究发现跨膜肽链两端在长时间（1 μs）的自发模拟过程中没有明显的进膜现象。我们推测在膜-水界面间存在一定的能垒，阻碍肽链自发进入膜内。通过改变同一初始构型的随机种子数，对肽链锚定膜的概率进行统计分析。统计结果显示，对于GPCRs家族CXCR4的第一条跨膜螺旋而言，其C端首先锚定在膜上的概率(75%)远大于N端锚定概率(8.3%)，初步说明其C端相对于N端可能更容易首先进入膜内。 由于自由分子动力学模拟无法获得完整的多肽插膜过程，我们在多肽的两端分别施加一定的外界拉力，使得多肽能够快速进入膜内。通过记录并比较拉动过程中拉力的大小，发现第一条肽链模型的C端拉力明显较N端要小，说明C端更容易克服水相-膜界面间能垒进入膜内。 然而，在拉动肽链模拟过程中，肽链及磷脂双分子层膜的结构破坏严重。为保证在肽链及磷脂分子的构型完整的前提下，实现肽链自发进入膜内。我们将肽链两端分别不同深度地插入到膜内，并比较肽链两端后期自发进膜的临界进膜深度。发现第一条肽链模型的C 端临界进膜深度相对于N端较大，即前者进入膜内较浅的一段距离后，即可实现自发插膜过程。 最后，为了从热力学角度解释跨膜多肽的插膜机理和生物膜取向，我们测定了跨膜肽链在进入膜过程中的平均力势变化。通过分析自由能势能线的变化趋势，从能量角度说明C 端相较于N端更容易进入膜内；并根据各个模拟体系模拟结果提出一种跨膜肽链进入过程的模型，从分子角度对模型中个各个部分进行了分析。

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