蛋白質(zhì)在不同界面的識(shí)別、吸附及穩(wěn)定性研究.pdf

1、蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)最重要的組成成分之一，參與幾乎所有的生命過(guò)程和細(xì)胞活動(dòng)。從遺傳物質(zhì)的復(fù)制、基因的表達(dá)調(diào)控到細(xì)胞的代謝過(guò)程、細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，以及細(xì)胞與細(xì)胞之間的短程、遠(yuǎn)程通訊，生物體的形態(tài)形成、細(xì)胞粘附、晶體生長(zhǎng)調(diào)控等，蛋白質(zhì)與界面之間的相互作用都在其中扮演著重要的角色。其中，蛋白質(zhì)的運(yùn)輸和存儲(chǔ)、細(xì)胞粘附以及相關(guān)晶體的生長(zhǎng)控制需要通過(guò)蛋白質(zhì)和生物材料之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。而酶的催化、免疫反應(yīng)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過(guò)程必須依靠蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)之間的相互

2、作用才能完成其功能的行使。由于蛋白質(zhì)通常具有很強(qiáng)的表面活性，蛋白質(zhì)溶液在固體的表面會(huì)發(fā)生吸附。在一些醫(yī)藥和工程技術(shù)領(lǐng)域均涉及蛋白質(zhì)與固體表面的吸附作用。從生物流體中聚集生物活性成分的早期，蛋白質(zhì)在界面的吸附起到一個(gè)橋梁的作用，首先是蛋白質(zhì)吸附，然后，生物細(xì)胞吸附在被吸附的蛋白質(zhì)前體上。當(dāng)血液與人工植入材料接觸時(shí)，會(huì)引起血液的凝結(jié)和免疫反應(yīng)。在工程反應(yīng)器中，蛋白質(zhì)吸附可以造成“生物污染”從而降低生產(chǎn)率。通常認(rèn)為，蛋白質(zhì)在固體表面吸附時(shí)，蛋

3、白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間，蛋白質(zhì)與水分子之間，蛋白質(zhì)與界面之間都存在著相互作用，這些作用包括疏水作用、靜電作用、范德華作用、氫鍵等。蛋白質(zhì)分子作為生物大分子具有特殊的生物活性，這些相互作用的存在必然改變其分子的空間構(gòu)象，從而影響蛋白質(zhì)的生物功能。
　　 本論文采用了分子動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)相結(jié)合的方法對(duì)蛋白質(zhì)分子與不同性質(zhì)的納米界面之間的相互作用情況進(jìn)行了探討。我們依次選取了水分子界面、規(guī)則的無(wú)機(jī)晶體界面以及不規(guī)則的蛋白質(zhì)界面作為蛋白質(zhì)分子

4、作用的對(duì)象，以此來(lái)研究蛋白質(zhì)在不同性質(zhì)表面上的識(shí)別能力、吸附行為以及穩(wěn)定性情況。首先，我們使用了分子動(dòng)力學(xué)（molecular dynamics, MD）模擬方法對(duì)蛋白質(zhì)與界面組成的體系進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化和平衡模擬，以獲得它們的平衡結(jié)合狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，使用操控式分子動(dòng)力學(xué)（steered molecular dynamics, SMD）模擬對(duì)蛋白質(zhì)與界面之間的吸附-脫附行為進(jìn)行了比較分析，獲得了蛋白質(zhì)在界面上的穩(wěn)定性信息。然后，使用量子力學(xué)

5、的方法對(duì)關(guān)鍵的作用位點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，確認(rèn)作用機(jī)理。通過(guò)以上的研究方法可以獲得蛋白質(zhì)與界面發(fā)生作用的關(guān)鍵位點(diǎn)信息以及作用方式，為蛋白質(zhì)的純化分離、藥物分子設(shè)計(jì)、生物材料的開(kāi)發(fā)提供有效的建議。本論文的主要研究成果如下：
　　 1.研究了HIVp蛋白在水環(huán)境中的穩(wěn)定性情況。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)HIVp的兩條組成相同、結(jié)構(gòu)對(duì)稱的肽鏈在外力擾動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)模式也近似完全相同。但是，HIVp的受力情況是各向異性的，在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)得到的HIVp的活性位點(diǎn)所

6、在的取向上，HIVp的受力程度最差，換言之，在這個(gè)方向上施加外力，蛋白質(zhì)的整體構(gòu)型最容易被破壞。而且HIVp具有一定的抗擾動(dòng)能力，它的結(jié)構(gòu)具有一定的保守性。在外力作用下，蛋白質(zhì)的構(gòu)型在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，隨著擾動(dòng)時(shí)間的增加，會(huì)發(fā)生由外而內(nèi)的變化。在外力施加的過(guò)程中，蛋白質(zhì)會(huì)進(jìn)行選擇性的結(jié)構(gòu)變化來(lái)調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)的柔性區(qū)域分布，從而保持其構(gòu)型的穩(wěn)定。
　　 2.從原子尺度上揭示了牙釉蛋白的功能肽段LRAP在羥基磷灰石HAP(001)自

7、然晶面上的吸附-脫附行為。通過(guò)比較LRAP蛋白的六個(gè)取向在HAP(001)晶面的吸附強(qiáng)度/脫附難度，發(fā)現(xiàn)了LRAP蛋白與HAP(001)晶面相互作用的主要作用力是靜電相互作用，關(guān)鍵吸附基團(tuán)是羧基基團(tuán)，特殊的作用模式是通過(guò)-COO-的兩個(gè)氧原子像蟹螯一樣牢牢鉗住HAP表面的Ca2+。
　　 3.探討了硅摻雜對(duì)LRAP在HAP(100)晶面吸附行為的影響。對(duì)HAP(100)自然晶面（該晶面最外層分布為磷酸根離子）進(jìn)行不同程度的表面硅

8、摻雜，研究了LRAP在這些界面上的吸附情況。比較分析發(fā)現(xiàn)，取代了磷酸根離子的硅酸根離子對(duì)LRAP在HAP(100)晶面的吸附產(chǎn)生了屏蔽作用。硅摻雜導(dǎo)致的負(fù)電荷增加效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)使得LRAP與HAP之間的相互作用程度減弱。當(dāng)表面硅摻雜的比例超過(guò)一定數(shù)值，屏蔽效應(yīng)會(huì)變得非常明顯，因此硅摻雜比例需要控制在一定范圍內(nèi)才可以在發(fā)揮生物活性的同時(shí)而不破壞蛋白對(duì)HAP生長(zhǎng)的調(diào)控作用。
　　 4.研究了胰島素樣生長(zhǎng)因子-I蛋白(IGF-I)

9、與胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白-4(IGFBP4)之間的相互作用情況。使用了定點(diǎn)突變的方法對(duì)IGF-I上關(guān)鍵吸附基團(tuán)的吸附功能進(jìn)行了比較分析。在具有較大包埋面積的兩個(gè)相互作用的蛋白質(zhì)之間發(fā)現(xiàn)了它們的關(guān)鍵吸附區(qū)域是IGF-I蛋白中的一段由7個(gè)氨基酸組成的環(huán)狀肽段，其中Asp38殘基是最主要的吸附基團(tuán)。氫鍵是維持IGF-I與IGFBP4形成穩(wěn)定結(jié)合的主要作用力，IGFBP4的碗狀結(jié)構(gòu)使得其與IGF-I之間具有較大的包埋面積，相互作用程度加強(qiáng)，這