【摘要】：蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)主要的功能性高分子化合物。由于生物體始終處于動態(tài)非平衡狀態(tài),許多環(huán)境因素如溫度、pH、局部離子濃度、大分子擁擠環(huán)境以及各種配體蛋白等都會對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其運動變化產(chǎn)生影響。精確描述蛋白質(zhì)在不同環(huán)境因素作用下的構(gòu)象變化是理解各種生理過程機理的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)分子生物學(xué)實驗手段由于較低的時空分辨率,難以直接精確研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的動態(tài)變化。理論計算特別是分子動力學(xué)模擬(Molecular dynamics simulation, MD)成為在原子尺度上研究蛋白質(zhì)分子微觀結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化特性的重要工具。本論文在擴展與優(yōu)化課題組先前開發(fā)的MD軟件包基礎(chǔ)上,選取三個外界環(huán)境因素引發(fā)的蛋白質(zhì)構(gòu)象變化問題進行研究。重點分析了控制機制在競爭中的協(xié)調(diào)對蛋白質(zhì)動態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。主要結(jié)果和結(jié)論如下：第二章對課題組先前開發(fā)的MD軟件包GPU_MD-1.0.5進行了擴展與優(yōu)化,引入更加常用和精確的CHARMM27力場。通過把長程力PME算法中需要全局通訊的步驟放到CPU端計算,實現(xiàn)了一種GPU+CPU異構(gòu)PME算法,進一步提高了程序的計算效率。新的模擬軟件包命名為GPU_MD-2.0。通過對多種不同體系的模擬,對程序準(zhǔn)確性和性能進行了驗證。與運行在CPU上的GROMACS-4.5.5相比,對于不同規(guī)模的模擬體系GPU MD-2.0在單GPU卡上相比單線程GROMACS可達到約6～15倍加速比,相比8線程GROMACS可達到約l-2倍加速比。與GPU加速版本的GROMACS-4.6.2相比,在相同的硬件計算條件下,GPU_MD-2.0計算速度稍快,達到了較高的計算效率,為進行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的模擬打下了基礎(chǔ)。第三章以剪切流場引發(fā)的血小板糖蛋白β-switch區(qū)域由無規(guī)則卷曲到p-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變過程為例,研究外界流場引發(fā)的蛋白質(zhì)構(gòu)象變化機理。分別通過直接分子動力學(xué)、流動分子動力學(xué)以及Metadynamics等多種模擬手段對此構(gòu)象轉(zhuǎn)變過程進行了模擬和深入分析。尤其是通過基于路徑聯(lián)合變量(Path collective variable)的Metadynamics方法計算得到β-switch區(qū)域構(gòu)象轉(zhuǎn)變的完整自由能曲面。研究表明,在無流場作用下,體系自由能趨于最小是唯一控制機制,在其主導(dǎo)下β-switch區(qū)域呈現(xiàn)無規(guī)則卷曲狀態(tài)。當(dāng)引入外界流場后,流場作用引發(fā)了另一控制機制,即水分子以最小阻力通過蛋白質(zhì)分子,在其主導(dǎo)下β-switch區(qū)域呈現(xiàn)β-折疊狀態(tài)。兩種控制機制在競爭中的協(xié)調(diào)導(dǎo)致了不同特征構(gòu)象的交替出現(xiàn),共同主導(dǎo)了β-switch區(qū)域構(gòu)象的動態(tài)變化。第四章以固有無序蛋白α-MoRE與配體蛋白XD結(jié)合與折疊的耦合過程為例,研究結(jié)合引發(fā)的固有無序蛋白折疊機理。首先,采用并行回火(Parallel tempering)方法對孤立α-MoRE體系進行模擬；其次,采用Metadynamics與并行回火相結(jié)合的增強取樣方法對α-MoRE與XD結(jié)合與折疊的耦合過程在顯式溶劑中進行了全原子模擬并得到其自由能曲面。研究表明,對于孤立α-MoRE,體系自由能趨于最小是唯一控制機制,在其主導(dǎo)下α-MoRE呈無規(guī)則卷曲和部分折疊共存的狀態(tài)。當(dāng)配體蛋白XD存在時,α-MoRE與XD的結(jié)合作用引發(fā)了另一控制機制,即結(jié)合能趨于最小,在其主導(dǎo)下α-MoRE呈現(xiàn)完整α-螺旋構(gòu)象。兩種控制機制在競爭中的協(xié)調(diào)共同主導(dǎo)了α-MoRE與XD結(jié)合與折疊的耦合過程。第五章對一個更加復(fù)雜的固有無序蛋白,腫瘤抑制蛋白p53碳端結(jié)構(gòu)域片段(p53CTD)進行模擬研究。首先,采用并行回火方法對孤立p53 CTD體系構(gòu)象系綜進行充分取樣；其次,采用直接分子動力學(xué)分別對三個p53 CTD與不同配體蛋白相結(jié)合的復(fù)合物體系進行模擬研究,以考察配體蛋白存在時體系自由能與結(jié)合作用的相互關(guān)系。研究表明,對于孤立p53 CTD,體系自由能趨于最小是唯一控制機制,在其主導(dǎo)下p53 CTD呈無規(guī)則卷曲狀態(tài),但有一定形成二級結(jié)構(gòu)的傾向。當(dāng)配體蛋白存在時,來自于不同配體蛋白的結(jié)合作用引發(fā)了另一控制機制,即結(jié)合能趨于最小,在其主導(dǎo)下p53 CTD呈現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)合態(tài)構(gòu)象。兩種控制機制在競爭中的協(xié)調(diào)導(dǎo)致了不同特征構(gòu)象的交替出現(xiàn),而兩者的相對強弱則決定了各種特征構(gòu)象的取樣頻率隨著計算機模擬軟硬件的持續(xù)發(fā)展以及各種先進增強取樣方法的進一步完善,更多環(huán)境因素作用下蛋白質(zhì)構(gòu)象變化問題可以得到建模與研究,MD體系設(shè)置應(yīng)更多考慮生物體內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境。在這些工作的基礎(chǔ)上,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的控制機制與穩(wěn)定性條件也將得到進一步研究與闡述。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q51
，

本文編號：2472657