蛋白質(zhì)折疊的全原子非連續(xù)分子動力學模擬.pdf

1、蛋白質(zhì)折疊是當前科學研究的一個熱點,隨著各類基因工程的開展和人類基因組計劃的完成,對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能以及它的病變機制的理解就變得更加迫切。目前,計算機模擬成了一種重要的理論或“計算機實驗”方法。蛋白質(zhì)是一種生物高分子,它是由20種氨基酸排列組合而成的線性鏈,不同的排列組合就形成了不同的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)折疊的問題也就是一類特殊的高分子如何從一個舒展的無規(guī)線團變?yōu)橄鄬o致并有序的具有特定三維高級結(jié)構(gòu)的鏈球的過程。
　　 基于經(jīng)驗勢能

2、函數(shù)的全原子分子動力學模擬(MD)方法雖然精細,但計算速度比較緩慢。高度粗粒化的簡單模型通常只用一個粒子代表整個氨基酸,完全忽略了不同氨基酸側(cè)鏈的體積差別,只能對一些折疊基本規(guī)律進行研究。事實上已有證據(jù)表明:利用復(fù)雜的相互作用勢,簡易模型仍不能給出與全原子模型相同的折疊路徑。此外,許多實驗證據(jù)發(fā)現(xiàn),側(cè)鏈的堆積有時是蛋白質(zhì)能夠穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。因此,我們采用一種介于簡易模型和全原子經(jīng)驗作用勢復(fù)雜模型之間的模型。模型把所有重原子和極性H原子包

3、括進去,但是原子間的相互作用勢卻用簡單的方勢阱來代表。模型有完整的氨基酸側(cè)鏈,所以能準確地描述蛋白質(zhì)折疊過程中側(cè)鏈的排除體積效應(yīng);而方勢阱能極大地減少計算機運行的時間。方勢阱作用勢比較準確地描述了VanderWaals和氫鍵相互作用力。我們也稱該模型為全原子模型。模型將用不連續(xù)分子動力學(DiscontinuousMolecularDynamics,DMD)的方法來模擬。相比蒙特卡羅模擬(MC)方法,使用DMD方法將使我們能夠得到相對精

4、細的蛋白質(zhì)天然結(jié)構(gòu)和相對準確的從無序線性鏈自動折疊成蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的動態(tài)過程。我們的DMD方法采用Gō模型的強制性相互作用對。
　　 蛋白質(zhì)折疊的動力學機制歷來是蛋白質(zhì)折疊的核心問題之一。在折疊態(tài)和解折疊態(tài)之間存在著轉(zhuǎn)變態(tài)系綜?？焖僬郫B的兩態(tài)蛋白質(zhì)為研究轉(zhuǎn)變態(tài)提供了良好的模型。與α螺旋折疊相關(guān)的機理研究得比較透徹,一般認為先是單個螺旋的成核-增長過程,而后螺旋間的相互作用使蛋白折疊成天然結(jié)構(gòu)。而β發(fā)夾的折疊機理仍然很有爭議,因為

5、β發(fā)夾的折疊和穩(wěn)定性更取決于長程的疏水相互作用和氫鍵。蛋白質(zhì)折疊在水環(huán)境中進行,顯含處理溶質(zhì)分子周圍的溶劑水分子,在模擬中需要耗費大量的計算資源;因此各種隱含溶劑的方法得到發(fā)展。盡管針對普通MD模擬的溶劑化模型已經(jīng)比較完善,但那些基于連續(xù)勢能的溶劑模型并不能直接用于DMD模擬。
　　 本論文以具有三股反平行的β-sheet組成的小蛋白Pin1WWdomain為主要研究對象,較為詳細地研究了它的折疊熱力學和動力學,以及運動過程中遵

6、循的折疊機理。論文的另一個方面嘗試建立適合DMD模擬的隱式溶劑模型。
　　 本博士論文的主要創(chuàng)新性貢獻可以分為以下4個部分:
　　 1.采用全原子DMD模擬以及Gō相互作用能,我們詳細研究了Pin1WWdomain—由三股反平行的β-sheet組成的蛋白在不同溫度下的折疊熱力學和動力學。在轉(zhuǎn)變溫度附近,熱容峰、能量分布和自由能的考察表明,蛋白質(zhì)從無規(guī)線團到天然態(tài)的轉(zhuǎn)變是兩態(tài)過程,我們的模擬與實驗測定的結(jié)果一致。我們還首次

7、發(fā)現(xiàn),此蛋白在低溫和高溫的折疊過程遵從不同的擇優(yōu)路徑。在低溫時我們預(yù)測到中間體的存在,這個低溫動力學中間體具有已經(jīng)形成的β2-β3發(fā)夾結(jié)構(gòu);在轉(zhuǎn)變溫度時,折疊與解折疊是一個可逆過程,且β1-β2發(fā)夾先形成;在更高溫的解折疊研究中,先解開β2-β3發(fā)夾是擇優(yōu)路徑。模擬的結(jié)果與實驗和其他報道進行了比較。我們的模擬表明考慮支鏈堆積效應(yīng)的全原子Gō模型能合理地預(yù)測特定蛋白的折疊路徑。
　　 2.本博士論文不僅解釋了對于含有多于一個β-發(fā)

8、夾的蛋白質(zhì)在不同溫度具有不同的折疊路徑,還探討了其中每個β-發(fā)夾的折疊機理。我們證實,文獻中提出的解釋單個β-發(fā)夾折疊機理的turnzipper模型和hydrophobiccollapse模型同樣能很好地解釋具有兩個發(fā)夾的Pin1WWdomain中單個發(fā)夾的折疊機理。模擬結(jié)果表明,Pin1WWdomain中單個發(fā)夾的折疊機理與誰先形成誰后形成無關(guān),先形成的發(fā)夾也不會影響后一個發(fā)夾折疊的機理,但折疊強烈地受到溫度的限制。Β1-β2發(fā)夾在低

9、溫時遵循turnzipper機理,即turn區(qū)域的殘基先折疊,從turn區(qū)域順序形成的氫鍵拉動整條β-sheet折疊;在高溫時遵循h(huán)ydrophobiccollapse機理,末端的疏水殘基先形成并穩(wěn)定而使整條β-sheet形成。Β2-β3無論在高溫還是低溫,折疊都符合turnzipper機理。連接β1-β2的loop1比連接β2-β3的loop2要長得多(前者6個殘基,后者4個殘基)。本論文進一步采用熵(loop長度)和焓(相互作用的穩(wěn)

10、定性)的相互競爭解釋了上述折疊機理的溫度依賴性。
　　 3.近十年來,折疊概率Pfold≈0.5已經(jīng)成為計算機模擬中捕捉蛋白質(zhì)折疊轉(zhuǎn)變態(tài)系綜的標準而現(xiàn)代的方法。我們根據(jù)實踐中采用P方法所遇到的種種困難以及所造成的工作延誤,開始懷疑這個黃金標準可能不僅具有十分耗費計算機機時的缺點,也未必象部分國際權(quán)威教授所述具備理論上的嚴格性。不久發(fā)現(xiàn),也有個別學者重新強調(diào)以天然接觸分數(shù)Q為反應(yīng)坐標在判斷具有光滑能量地貌的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變態(tài)時未必不如P

11、方法有效,卻明顯節(jié)約機時。為仔細評價Pfold,我們以兩態(tài)蛋白Pin1WWdomain的DMD模擬為例,將P判據(jù)與其它數(shù)種可能的判據(jù)進行了比較。用“P”,“Q”和“R”等各種方法得到的轉(zhuǎn)變態(tài)系綜的結(jié)果彼此基本一致且與已有實驗結(jié)果相符。通過對于模擬結(jié)果的分析,并結(jié)合非對稱自由能面的“理想實驗”,我們首次指出Pfold≈0.5不是嚴格的判據(jù),此時對應(yīng)轉(zhuǎn)變態(tài)的Pfold的精確值很難預(yù)計。因此,本博士論文首次鮮明地對于P判據(jù)這個所謂的黃金標準給

12、出了不具備嚴格性的質(zhì)疑,并提出了基于聯(lián)合Q和軌道最佳平面投影(坐標R1和R2)的三維坐標顯示的Q-R-plot方法的判據(jù)。最后我們將目前所有判斷轉(zhuǎn)變態(tài)的依據(jù)進行了新的分類。
　　 4.DMD方法雖然具有模擬效率高(耗費機時少)的顯著優(yōu)點,但卻不能使用已有的隱式溶劑模型;而使用隱式溶劑模型在許多模擬中是很有用處的,對于MC等方法也是比較容易做到的。本博士論文還嘗試構(gòu)建了一個適用于非連續(xù)勢能的隱式溶劑模型,并以64-mer均聚物為例

13、在給定溶質(zhì)粒子-粒子相互作用但改變?nèi)苜|(zhì)-溶劑作用下進行檢驗。為符合DMD運動的特點,我們將溶劑看成虛擬的粒子。某個特定溶質(zhì)粒子的溶劑可及概率用溶質(zhì)粒子周圍可容納虛擬溶劑粒子的概率來表示。改良的溶質(zhì)粒子-粒子方勢阱相互作用將考慮溶劑-溶質(zhì)作用能和溶質(zhì)粒子可及概率兩個因素。隨著溶質(zhì)-溶劑相互作用的改變,單個大分子存在coil-globule轉(zhuǎn)變和液-固轉(zhuǎn)變。我們發(fā)現(xiàn)柔性均聚物鏈在極良溶劑條件且在低溫下的coil-globule轉(zhuǎn)變出現(xiàn)一級相