本文關(guān)鍵詞：底物耦合的腺苷酸激酶功能運動與解折疊動力學(xué)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：蛋白質(zhì)分子是生命體在分子層次上執(zhí)行生物學(xué)功能的主要生物大分子,因此,理解蛋白質(zhì)分子體系功能運動的微觀物理機(jī)制是人們認(rèn)識生命過程的關(guān)鍵,是近年來物理學(xué)與生命科學(xué)交叉領(lǐng)域人們普遍關(guān)注的核心問題之一。蛋白質(zhì)分子行使其生物學(xué)功能的過程主要表現(xiàn)為多尺度的構(gòu)象漲落運動與相互作用。例如,各種酶在行使催化功能的過程中,底物與蛋白質(zhì)的局域相互作用往往導(dǎo)致蛋白質(zhì)的全局大尺度構(gòu)象運動,進(jìn)而產(chǎn)生能滿足催化反應(yīng)的最優(yōu)構(gòu)象。這種局域相互作用與大尺度構(gòu)象運動的耦合行為通常被稱為“別構(gòu)”運動,是酶和其他蛋白質(zhì)分子機(jī)器實現(xiàn)生物學(xué)功能時普遍采用的機(jī)制。腺苷酸激酶(ADK)是最典型的酶分子機(jī)器,含有三個結(jié)構(gòu)域(LID結(jié)構(gòu)域、NMP結(jié)構(gòu)域、以及CORE結(jié)構(gòu)域),被人們廣泛作為模型體系用來研究多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)的折疊以及蛋白質(zhì)分子機(jī)器功能性別構(gòu)運動的分子機(jī)制。ADK的主要功能是催化可逆反應(yīng)AMP+ATP+Mg2+(?)2ADP+Mg2+，從而將細(xì)胞內(nèi)ATP的濃度保持在適當(dāng)水平。在沒有與底物結(jié)合時,ADK的構(gòu)象處于開態(tài)；結(jié)合了底物后,ADK的構(gòu)象由開態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚]態(tài)；完成催化反應(yīng)后,底物(兩個ADP分子)由蛋白質(zhì)的催化位點脫離,同時伴隨著ADK由閉態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_態(tài)。大量實驗數(shù)據(jù)表明,ADK的催化過程的限速步驟是底物的脫離以及所伴隨的閉態(tài)到開態(tài)的蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變過程。然而,完成催化后的底物如何脫離催化位點,以及底物脫離與蛋白質(zhì)構(gòu)象運動如何耦合是人們很不清楚的問題。顯然,對上述問題的回答是理解ADK催化反應(yīng)高效性的關(guān)鍵。本論文中,我們基于分子動力學(xué)模擬的方法,針對上述問題,開展了如下三個方面的研究工作：(一)使用Metadynamics分子模擬方法,對催化后底物脫離過程以及與此耦合的蛋白質(zhì)構(gòu)象運動過程做了分子模擬,并構(gòu)建了相應(yīng)的別構(gòu)自由能面。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),底物脫離過程存在一個較高的自由能壘,這和實驗上觀察到的底物脫離為催化過程的限速步驟相符合。通過比較不同質(zhì)子化狀態(tài)下的底物脫離所克服的自由能壘高度,我們發(fā)現(xiàn)與NMP結(jié)構(gòu)域相結(jié)合的ADP分子的質(zhì)子化可以顯著降低底物脫離所需克服的自由能壘高度,從而加速底物的脫離過程。通過比較ADK在底物結(jié)合態(tài)和底物脫離轉(zhuǎn)變態(tài)的平均結(jié)構(gòu)差別,我們鑒別出了對底物脫離過程最為關(guān)鍵的氨基酸位點。另外,模擬結(jié)果給出了底物脫離次序,發(fā)現(xiàn)LID結(jié)構(gòu)域的ADP分子較NMP結(jié)構(gòu)域的ADP分子較早脫離底物結(jié)合位點。特別是,我們發(fā)現(xiàn)底物脫離與蛋白質(zhì)構(gòu)象運動過程存在緊密耦合,其中底物的脫離需要LID結(jié)構(gòu)域的完全打開和NMP結(jié)構(gòu)域的部分打開。這些結(jié)果對理解底物脫離過程以及對ADK催化功能關(guān)鍵的動力學(xué)與相互作用因素至關(guān)重要。(二)在ADK的催化過程中,Mg2+不僅參與化學(xué)反應(yīng)步驟,而且與ADK的構(gòu)象運動和底物脫離過程相關(guān)。在催化過程中，Mg2+同時與兩個底物ADP分子配位。在完成催化反應(yīng)并準(zhǔn)備脫離底物時,Mg2+需要轉(zhuǎn)移到其中一個ADP分子。然而,人們不清楚在底物脫離過程中Mg2+與哪個ADP分子結(jié)合。這一信息對理解底物脫離過程以及酶催化效率具有重要意義。本論文中,我們基于Meta-dynamics分子模擬方法,研究了Mg2+在底物脫離過程中結(jié)合狀態(tài)的選擇傾向性。計算結(jié)果顯示Mg2+傾向于與LID結(jié)構(gòu)域的ADP結(jié)合。只有當(dāng)LID結(jié)構(gòu)域的ADP分子被質(zhì)子化,同時NMP結(jié)構(gòu)域的ADP分子未被質(zhì)子化時,Mg2+才傾向于與NMP結(jié)構(gòu)域的ADP分子相結(jié)合。另外,我們的計算結(jié)果揭示出Mg2+與ADP結(jié)合過程中存在配體交換行為。特別是Mg2+與ADP分子的結(jié)合同時伴隨著部分水分子的脫離以及Mg2+附近水分子結(jié)構(gòu)的變化。這種由Mg2+與ADP的選擇性結(jié)合導(dǎo)致的活性位點水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的變化會最終影響到底物的脫離過程和酶催化效率。(三)蛋白質(zhì)分子機(jī)器在行使功能之前,需要折疊到特定的三維結(jié)構(gòu)。作為多結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的代表,ADK也被作為模型體系研究蛋白質(zhì)的折疊問題。在以往關(guān)于ADK折疊的研究中,人們主要關(guān)注未結(jié)合底物的蛋白質(zhì)的自發(fā)折疊機(jī)制。然而,底物的結(jié)合可能對蛋白質(zhì)的折疊和穩(wěn)定性具有調(diào)制作用。本論文中,我們基于Steered-MD分子模擬方法以及隱式溶劑模型,對機(jī)械力作用下ADK的解折疊過程做了初步研究。通過比較底物結(jié)合狀態(tài)以及自由狀態(tài)的ADK解折疊過程,我們發(fā)現(xiàn)ADP可以調(diào)整解折疊過程中連接數(shù)的斷裂進(jìn)程。這些結(jié)果表明,底物的結(jié)合能夠增加激酶的穩(wěn)定性。本工作結(jié)果有助于理解底物對蛋白質(zhì)折疊以及穩(wěn)定性的作用。通過本論文工作,我們期望對影響腺苷酸激酶催化相關(guān)的功能運動的關(guān)鍵相互作用和動力學(xué)因素以及底物對腺苷酸激酶功能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響和微觀物理機(jī)制有更深入的認(rèn)識。本論文內(nèi)容安排如下：第一章中,對蛋白質(zhì)、酶與底物、以及分子動力學(xué)模擬等相關(guān)知識做了簡單介紹；第二章中,對底物ADP脫離過程以及與此耦合的腺苷酸激酶構(gòu)象運動過程做了研究和討論；第三章中,對催化反應(yīng)后底物脫離過程鎂離子的轉(zhuǎn)移過程以及與此耦合的活性位點水分子的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為做了研究和討論；第四章中,對腺苷酸激酶的解折疊過程做了研究與分析；第五章對全文做了簡要總結(jié),并對未來工作做出展望。
【關(guān)鍵詞】：腺苷激酶 二磷酸腺苷 質(zhì)子化 底物釋放
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：Q55
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第一章 前言15-35
• 1.1 蛋白質(zhì)與結(jié)構(gòu)15-24
• 1.1.1 腺苷酸激酶與ADP22-24
• 1.2 分子動力學(xué)模擬簡介24-35
• 1.2.1 常用的加速方法26-29
• 1.2.2 Metadynamics Simulation介紹29-31
• 1.2.3 模擬的時間尺度問題31-35
• 第二章 分子模擬之底物脫離與腺苷酸激酶構(gòu)象動態(tài)耦合35-45
• 2.1 引言35-37
• 2.2 模型與方法37-39
• 2.3 結(jié)果與討論39-44
• 2.4 結(jié)論44-45
• 第三章 MD模擬研究腺苷酸激酶催化反應(yīng)后期鎂離子的轉(zhuǎn)移傾向性45-55
• 3.1 引言45-46
• 3.2 模型與方法46-47
• 3.3 結(jié)果與討論47-52
• 3.4 結(jié)論52-55
• 第四章 SMD之腺苷酸激酶解折疊過程的初步探討55-69
• 4.1 引言55-56
• 4.2 模型與方法56-58
• 4.3 結(jié)果與討論58-69
• 第五章 總結(jié)與展望69-71
• 參考文獻(xiàn)71-81
• 簡歷與科研成果81-83
• 致謝83-84

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本文編號：326857