蛋白质折叠及蛋白质功能性运动的研究

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1、摘要摘要随着人类基因组计划的顺利完成，以功能基因组学和蛋白质组学为主要研究内容的后基因组时代已经到来。从蛋白质一维序列预测其三维结构，进而从三维结构预测其生物学功能是蛋白质组学研究的重要组成部分。储存在DNA分子中的遗传信息转录到RNA，然后翻译为蛋白质的氨基酸序列，三联密码的破译使人们认识了这种从DNA到氨基酸序列的信息传递过程，即分子生物学的中心法则。但是，翻译生成的氨基酸序列如何折叠成特定的三维结构，目前还不清楚。这是蛋白质研究领域的一个热点问题，即蛋白质折叠问题。此外，蛋白质折叠形成的特定的三维结构如何决定其生物学功能，也是一个没有解决的问题。要想理解蛋白质发挥生物学功能的内部机

2、制，仅仅知道其结构信息是不够的，还必须知道其动力学信息。如何从蛋白质结构中获取与功能相关的动力学信息是蛋白质研究领域又一个非常重要的热点问题。在这两个前沿研究领域，本论文作了一些初步工作，主要研究内容包括以下露个方面：1．基于HNP氨基酸三态模型和相对熵方法的蛋白质折叠研究蛋白质折叠研究的理论基础是蛐cn原理。根据这一原理，蛋白质折叠态对应着自由能全局极小，但是，目前蛋白质从头折叠研究中常用的能量函数并没有完全考虑熵的效应，因此，预测结构并不对应于自由能极小态。为此，我们小组提出了基于相对熵的蛋白质从头折叠方法，采用相对熵作为优化函数，来代替传统的体系能量。把该方法用于真实蛋白质结构预测

3、，取得了好的结果。进而，把相对熵作为优化对象进行了蛋白质设计的研究，也取得了比较满意的结果。该方法的物理本质是：对于蛋白质折叠，寻找一个使给定序列具有最大占有率的结构：对于蛋白质设计，寻找一条使给定结构具有最大占有率的序列。基于相对熵的方法更接近于从自由能的角度考虑体系的优化，它还具有势函数简单和计算快的优点。本工作是在已有研究工作的基础上，采用氨基酸三态简化模型，设计了一个新的适用于该模型的势函数，并采用新的接触强度函数，由此统一了蛋白质折叠北京工业大学工学硕士学位论文和蛋白质设计所采用的模型和接触强度函数，为更精确的计算打下了基础。此工作还考察了三态简化模型的可行性，为蛋白质设计从两

4、态(HP)模型发展到三态模型(斟P)提供了依据。2．基于高斯网络模型(GNM)和各向异性网络模型(ANM)的谷氨酰胺结合蛋白(GlllBP)运动模式的研究分子动力学(MD)模拟是研究蛋白质动力学性质进而揭示其生物学功能的重要工具。由于MD模拟需要耗费大量的计算资源，并且容易陷入局部极小，无法进行大范围构象空间采样，因此。MD模拟在研究蛋白质功能性运动方面受到一定的局限。正则模分析及其简化方法在研究蛋白质功能性运动方面显示出强大的优势，得到了广泛的应用。其中，近几年刚刚提出的Gml和ANM方法是正则模分析简化方法中的两种，由于其具有简单、精确的优点，已得到广泛应用。本文通过GNM和ANM方

5、法研究了GlnBP的功能性运动模式。GhlBP是大肠杆菌透性酶系统中一个极其重要的细胞外液底物专一性结合蛋白，对于细胞外液中谷氨酰胺(Glll)的运输和传递是至关重要的。G1nBP单体的张开构象以及复合物构象的晶体坐标已经解析出来。GlnBP由大小两个结构域以及连接两个结构域的铰链构成，实验表明两结构域间的开合运动具有重要的生物学功能。本工作用GNM和ANM方法研究了G1nBP“张开”构象、GlnBP“闭合”构象以及GlnBP-G1n复合物的运动模式，以及Gln对GlIlBP运动模式的影响。结果表明：G1nBP的张合运动主要由小结构域的运动来实现，尤其是小结构域顶端两个口螺旋和两个∥片的

6、运动幅度很大；运动的轴心位于Lys87和Glnl83处；在张台运动过程中，两个结构域本身具有很高的鲁棒性。其局部结构基本未发生变化。通过其最快的六个运动模式的研究，发现三个构象具有相同的运动模式，说明它们的局部结构是相似的，同时发现快运动模式波动的峰值对应着紧密包埋残基，从复杂网络角度来看，这些残基是大“度”残基，对于结构的稳定非常重要。所有上述结果与通过“张开”构象和“闭合”构象的晶体结构对比所得结果以及通过MD模拟所得结果一致。此外，在对传统的GNM方法作了适当修改的基础上，研究了Gh对GlnBP运动模式的影响。传统方法在构建网络时，当两个残基c。原子之问距离小于某一值，c(本工作采

7、用7．3A)时，它们之间用一弹簧相连。修改后，当残基的eII原子与Gh之间距离小于某一值‘或者它们之间有氢键和离子相互作用时，用一弹簧把它们连接起来。结果表明，Gln对G瑚弹的运动趋势几乎没有影响。当把所有与Gln相连的弹簧的弹性系数加大为原来2倍，且其它弹簧的弹性系数维持不变时，重新计算发现Gln依然不会影响GlnBP的开合运动模式，该特性可能有助于Gln的有效释放和转运。关键词：蛋白质折叠；相对熵；m帅模型；高斯网络模型：各向异