分子动力学模拟研究蛋白质序列--功能关系

摘要

蛋白质是生物体内主要的功能执行者，几乎参与所有的生命活动。虽然DNA-mRNA-蛋白质的信息传递方向早已为大家所知，但是还有很多细节都不清楚。尤其是少数残基的差异对蛋白质在溶液中稳定性的影响，对构象自由能的影响，对寡聚状态的影响，对底物-蛋白和蛋白-蛋白相互作用的影响，以及最终到底会对蛋白质的功能造成多大的影响，目前还没有一个通用的解决办法，而只能通过生化实验或模拟计算的手段一个个案例具体地进行。这些对具体案例的分析，不仅有利于更加具体地了解特定的蛋白质的结构和生物功能，而且可以为理解蛋白质序列-结构-功能之间更加细微精确的对应关系提供参考，因而也可以为进一步提高蛋白质设计的成功率提供帮助。 分子动力学模拟是研究蛋白质序列-结构-功能关系非常重要的方法之一。在本文中，我利用分子动力学模拟技术具体探讨了细胞脱落酸受体家族的不同亚家族之间序列差异与其结构和功能差异的关系（第二章）。通过对比分析，我证实了不同细胞脱落酸受体亚家族的单体，同二聚体和受体-磷酸酶异二聚体的稳定性对细胞脱落酸具有不同程度的依赖性。这两个亚家族之间的某些序列上的差异可能是造成上述结构稳定性差异的原因，并进一步造成了功能上的差异。自由能计算（第三章）的结果同样支持两个细胞脱落酸受体亚家族具有不同的组成型抑制下游磷酸酶的活性。 蛋白质设计一方面可以检测我们对蛋白质序列-结构的理解，另一方面设计具有特定结构和功能的蛋白具有极高的潜在应用价值。分子模拟技术可以应用于蛋白质设计的优化，筛选和检测反馈。在第四章中，我们利用分子动力学模拟探讨了设计蛋白经过定向进化得到改良的可能的分子机制，讨论了定向进化得到的突变体中各突变位点参与的氢键的变化对设计蛋白稳定性的影响。在第五章中，我们探讨了如何以分子动力学模拟为辅助提高设计蛋白的抗聚沉性能。利用分子动力学模拟技术结合蛋白质空间聚沉性能打分函数，我们判断出影响目的蛋白溶解性的可能的位点，并进行了相应的突变。改进后的蛋白的溶解性获得了一定程度的提高。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1蛋白质的序列-结构-功能关系

1．1．1蛋白质的序列与结构稳定性

1．1．2蛋白质结构稳定性的功能意义

1．2分子动力学模拟的基本原理及其在序列-结构-功能研究中的应用

1．2．1分子动力学模拟简史

1．2．2分子动力学模拟的基本原理

1．2．3 MD模拟软件中基于GPU的运算加速

1．2．4分子动力学模拟在序列-结构-功能研究中的应用

1．3 PYLs两个亚家族之间的序列和功能差异

1．4 ABACUS设计蛋白的稳定性以及MD在蛋白质设计中的应用

第2章分子动力学模拟在不同ABA受体亚家族蛋白稳定性对比研究中的应用

2．1引言

2．2方法和步骤

2．2．1常规分子动力学模拟

2．2．2 MD结果分析

2．3结果和讨论

2．3．1 RMSD和RMSF结果分析

2．3．3 Cross-correlation分析

2．3．4 Community分析

2．3．2 ABA结合口袋构象变化分析

2．3．5二聚体相互作用界面残基分析

2．4总结

第3章自由能计算

3．1引言

3．2自由能计算的基本原理

3．2．1伞形采样的基本原理

3．2．2 MMPBSA的基本原理

3．2．3 Steered MD的基本原理

3．3伞形采样计算PYLs体系的自由能

3．3．1方法步骤

3．3．2伞形采样的参数优化

3．3．3伞形采样的PMF计算结果

3．4用MMPBSA计算apo-PYR1同二聚体体系的结合自由能

3．4．1计算工具和步骤

3．4．2计算结果分析

第4章分子动力学模拟在计算机设计蛋白的稳定性研究中的应用

4．1引言

4．2方法步骤

4．2．1常规分子动力学模拟

4．2．2构建的体系

4．2．3分析方法

4．3结果与讨论

4．3．1 MD可以区分出稳定性不好的ABACUS设计的蛋白

4．3．2 MD的结果可以反映出设计蛋白稳定性的一些影响因素

第5章分子动力学模拟结合空间聚集倾向性函数优化计算机设计蛋白的表达

5．1引言

5．2方法步骤

5．2．1 SAP的计算

5．2．2计算结果的实验检验

5．2．3常规分子动力学模拟

5．3计算结果和实验验证

参考文献

附录

致谢

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