蛋白质折叠的格子链Monte Carlo模拟

摘要

蛋白质折叠的理论与模拟研究是分子生物学、高分子科学与统计物理相交叉的领域。从高分子科学的角度来看，蛋白质的折叠过程可以理解为一类特殊的高分子从其无规线团状态演变为相对紧致有序的熔球状态的过程。链状分子的折叠过程复杂，而且伴随了较大的熵变，对理论处理提出了很高的要求；另一方面，这一过程发生于纳米空间尺度和纳秒至微秒时间尺度，也限制了大多数实验测试工具的应用。由此，“计算机模拟”成为此领域中一种不可替代的重要研究手段。 相比连续空间下的全原子模型，粗粒化格子模型虽然忽略了部分结构细节，但是从计算机模拟速度看更为高效，能够以不太长的计算机机时获得链状大分子整体的构象信息。格子模型特别适合于进行MonteCarlo模拟。 α-螺旋是蛋白质结构最基本的二级结构之一，而且含量最高。本博士论文中，我们以此为重点研究对象，发展了相应的格子链模型，并通过动态MonteCarlo方法对helix-coil转变过程进行了模拟；本论文还拓展了螺旋空间结构的统计参数，并重新考察了经典的螺旋形成理论。 本博士论文的主要创新性贡献可以分为以下几个部分： (一)、提出了一个适于在简单立方格子空间中对α-螺旋进行动态MonteCarlo模拟的的粗粒化模型。简单立方格子空间中的格子链模型虽然在高分子领域以及蛋白质globule-coil转变的研究中广为应用，但由于空间堆积和扭曲方面的要求，α-螺旋并不容易在格子空间中产生。本文将高分子研究中提出的键长涨落模型与反映多肽链和螺旋特征的作用力相结合，每个氨基酸残基为基本运动单元，提出了一个单单元格子链模型，并再现了helix-coil转变，得到了周期为4个氨基酸残基的规整α-螺旋。相比传统的立方格子空间，键长涨落的格子空间中允许更多的键长和键角取向，而且允许支化链的形成，是一个准连续空间，同时又保持了格子模型计算高效的特点。而简化的手性和氢键作用使得相应的模型有效而且简单。 (二)、对基于简单立方格子的单单元模型进行了适当改进，再现了非整数周期螺旋；并在此基础上提出了四单元格子链模型。在单单元模型的基础上，进一步引入虚拟的亚胺基和羰基，构建了改进的单单元模型；由此得到了周期基本为3.6的α-螺旋；把残基粗粒化为α-碳、亚胺基、羰基和侧基四个基本运动单元，则构成了解析度比较高的四单元模型，是目前简单格子空间中分辨率最高的多肽链模型。四单元模型在计算时间和模型分辨率之间做了比较恰当的折衷，在残基内部引入了构象熵和亚单元的堆积效应。形成的α-螺旋结构逼真，亚胺基和羰基处于最内侧，侧基缠绕于螺旋外侧。螺旋形成转变点处，亚胺基、羰基之间距离的热涨落最大，证明了氢键对螺旋形成的主导作用；而螺旋稳定形成后，侧基之间距离的热涨落最大说明了侧基行使生物功能的有效性；整个过程中α-碳之间距离的热涨落最小则证明了其作为骨架的合理性。 (三)、提出了描述蛋白质二级结构(螺旋)的空间取向相关函数及螺旋持久长度的概念。此函数的特点为：可以定量地描述螺旋结构的周期性和相关长度；所得相关长度与螺旋本身长短无关，如同高分子中的持续长度，从物理本质层次描述了螺旋结构的规整性；同样适用于描述不规整的螺旋结构以及多肽链中多个螺旋并存的情形。 (四)、借助于计算机模拟和理论推导，重新审视了在helix-coil转变领域中最经典、也是最重要的Zimm-Bragg(ZB)理论，提出了修正意见，并给出了部分修正公式。三维格子空间中的模拟表明，尽管ZB理论的基础是一维Ising模型，且只考虑了最近邻的天然相互作用，该理论基本抓住了helix-coil转变的物理本质。另一方面，发现定量的理论处理中所采用的传统的large-N近似并不适用于较短和中等长度的多肽链；考虑到天然蛋白质中的螺旋片段以中等长度居多，进而提出了large-λ近似，并导出了简单公式。提出了多残基成核假设，模拟表明，相比于ZB理论的单残基成核假设，前者能更准确地描述螺旋成核过程。基于对成核常数和增长常数的各种方法的比较，发现综合考虑螺旋比率和螺旋平均长度获得的结果优于只考虑前者。 (五)、考察了非天然氢键相互作用在α-螺旋形成过程中的作用。发现序列间隔大于四的非天然氢键相互作用虽然不存在于α-螺旋天然结构中，但是在螺旋形成过程中占有较高比例。非天然氢键的存在使得helix-coil转变过程中多肽链形成了类似中间体的构象，从而改变了螺旋增长常数随温度指数变化的特点，而且多肽链需要再次进行构象调整以形成最终的α-螺旋。这为螺旋相关实验中多指数动力学特性的最新发现提供了一个可能的解释。