本文關鍵詞：基于彈性網(wǎng)絡模型的蛋白質變構運動及關鍵殘基的識別研究

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【摘要】：隨著人類基因組測序的完成,生命科學的研究進入了以蛋白質組學和功能基因組學為主要研究內容的后基因組時代。生物體內分子的新陳代謝、信號傳遞、基因轉錄、酶催化等生物學功能,都需要借助蛋白質的變構運動來完成。蛋白質的長程變構運動往往需要一些關鍵殘基的介導。目前,對蛋白質變構機制問題的理論和實驗研究均有報道,但實驗方法很難在微觀層次上揭示蛋白質的整個變構過程,理論計算可以從原子水平模擬蛋白質的變構過程。蛋白質的變構過程往往需要跨越很高的勢壘,這一過程異常耗時,通常需要結合一些加快采樣技術,比如放大集合采樣技術、拉伸分子動力學技術等。為了簡化計算,人們提出了各種不同層次的粗粒化模型來研究蛋白質的變構過程。本論文主要采用彈性網(wǎng)絡模型方法來研究蛋白質的變構運動及關鍵殘基的識別。來自結核分枝桿菌的丙氨酸脫氫酶已經成為研究抗結核類藥物的靶點,對其功能性運動及關鍵殘基的識別研究將有助于理解其變構機制;而配體門控離子通道的研究,有助于對阿爾茨海默癥、帕金森綜合癥等離子通道病的治療。研究這兩個體系的蛋白質的結構-功能關系具有重要的生物學意義。本論文的主要研究內容如下:首先,對分子動力學方法以及分子動力學模擬的軟件進行了介紹,由于分子動力學模擬方法需要耗費大量的計算資源,迫切需要簡單而有效的新方法。正則模分析方法正是這種簡化的方法,正則模分析(NMA)是采用模態(tài)分析的方法對蛋白質的簡諧振動進行分析,大大的簡化了計算。另一種簡化模型,彈性網(wǎng)絡模型(ENM)是一種粗�；Ｐ�,它能夠避免NMA耗時的不足,能夠很好的計算蛋白質的慢運動模式,且精度和NMA相當。同時介紹了基于ENM的高斯網(wǎng)絡模型(GNM)和各向異性網(wǎng)絡模型(ANM)在蛋白質功能性運動和關鍵殘基識別上的應用。其次,進行了基于彈性網(wǎng)絡模型的L-丙氨酸脫氫酶的域運動和功能性關鍵殘基的研究。來自結核分枝桿菌的L-丙氨酸脫氫酶(L-Mt AlaDH)在催化丙氨酸到丙酮酸和氨的過程中發(fā)揮重要作用,也被認為是治療肺結核的潛在的靶點。在這個工作中,利用高斯網(wǎng)絡模型和各向異性網(wǎng)絡模型研究L-丙氨酸脫氫酶在轉錄過程中的功能性運動模式。L-丙氨酸脫氫酶的開和關結構的最慢運動模式表明該蛋白結構域的功能性運動有一個共同的鉸鏈位于殘基Met133和Met301處。伴隨著構象的變化,配體結合區(qū)和底物結合區(qū)運動具有較高的耦合性。各向異性網(wǎng)絡模型前三個慢運動模式分別描述了L-結核分枝桿菌的扭轉、開合和旋轉運動�？爝\動模式的計算結果識別出一些對于蛋白質結構穩(wěn)定性起重要作用的關鍵殘基,其中的一些殘基直接參與了和配體的結合。同時,采用微擾分析方法識別出對于配體結合起重要作用的功能性殘基。我們的計算結果和實驗能夠很好的吻合,這將幫助我們更好的理解結核分枝桿菌L-丙氨酸脫氫酶發(fā)揮生物功能的物理機制。最后,進行了基于彈性網(wǎng)絡模型的來自無類囊體藍藻的五聚體門控離子通道(GLIC)功能性關鍵殘基與其麻醉調節(jié)變構路徑關系的研究。盡管五聚體門控離子通道已經成為全身麻醉的目標,但其作用機制仍未可知。來自無類囊體藍藻的五聚體門控離子通道的開合能夠被氯胺酮麻醉分子所調控。X-ray射線晶體結構顯示氯胺酮的結合位點并不在通道門的位置,現(xiàn)在仍不清楚氯胺酮分子是如何通過長程變構作用調控離子通道的開合。在我們的工作中,通過基于彈性網(wǎng)絡模型的熱力學循環(huán)的方法來識別該蛋白質的功能性關鍵殘基和變構路徑。計算的結果和實驗結論具有較高的一致性。我們的研究有助于更好的理解氯胺酮分子長程變構調節(jié)麻醉作用機制。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：Q51

【參考文獻】

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1 孫衛(wèi)濤;;蛋白質結構動力學研究進展[J];力學進展;2009年02期

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本文編號：1261247