ELPs相變及其與木聚糖酶相互作用的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、近年來,類彈性蛋白多肽(Elastin-like polypeptides,ELPs)的可逆相變特性逐漸開始受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注,基于此,可逆相轉(zhuǎn)換循環(huán)( Inverse transition cycling,ITC)的技術(shù)已經(jīng)成為了一種高效低成本的分離ELPs的方法。實驗室設(shè)計并表達(dá)了一種全新的ELPs作為純化標(biāo)簽,并通過可逆相轉(zhuǎn)換循環(huán)完成了對包括木聚糖酶等目標(biāo)蛋白在內(nèi)的分離純化。這種ELPs就是ELPs[KV8F-20]。但實驗中存在如

2、下幾個問題:1、所有的 ELPs對不同鹽(特別是陰離子)的響應(yīng)存在明顯差異,但其機(jī)制不明;2、相同條件下,分子量較大的 ELPs比同類型較小分子量的 ELPs對鹽濃度的響應(yīng)更為敏感,導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因不明;3、在利用 ELPs[KV8F-20]分離純化木聚糖酶的過程中,ELPs與木聚糖酶相互作用形成了不溶性的活性聚集體,他們之間相互作用的過程及作用機(jī)理不明。本論文針對以上三個問題,通過分子動力學(xué)模擬的手段,在分子層面解釋其內(nèi)在原因,對于

3、揭示其機(jī)理具有積極意義。
　　針對ELPs研究過程中遇到的問題,本論文對ELPs進(jìn)行了詳盡的分子動力學(xué)模擬,在不同離子濃度及溫度的體系下研究了 ELPs的相變過程。發(fā)現(xiàn) ELPs在晶體狀態(tài)下呈現(xiàn)的β-螺旋在水相中并不穩(wěn)定,模擬過程中ELPs表現(xiàn)出了與常規(guī)蛋白質(zhì)不同的特性,β-螺旋結(jié)構(gòu)能在較低的溫度下迅速發(fā)生劇烈的改變,其整體構(gòu)象被破壞的速度和程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它蛋白質(zhì)。這表明ELPs結(jié)晶狀態(tài)的構(gòu)象與其溶解在水相中的構(gòu)象存在很大區(qū)別,水

4、相中的ELPs傾向于形成無規(guī)則卷曲的構(gòu)象,只有當(dāng) ELPs從水相析出時,ELPs才傾向于形成β-螺旋的狀態(tài)。本論文通過模擬ELPs在水相中的溶解過程,研究其溶解過程中ELPs的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及氫鍵的變化,上述三個問題作出解釋:
　　首先,模擬結(jié)果表明,氫鍵的數(shù)量對類彈性蛋白的可逆相變起到了至關(guān)重要的作用。其中,溫度每升高25 K,氫鍵數(shù)量下降6％~10%。而同濃度下,碳酸鈉溶液體系的氫鍵比氯化鈉溶液體系的氫鍵高1.2%~5.2%。且溫度

5、越高,碳酸鈉溶液體系與氯化鈉體系形成氫鍵的能力差距就越小,400 K下,碳酸鈉體系形成的氫鍵總數(shù)僅比氯化鈉體系多1.28%,300 K下這一差距卻高達(dá)5.17%。在碳酸鈉體系中,氫鍵數(shù)量與濃度呈正相關(guān),其中碳酸鈉溶液的濃度每升高0.1 mol/L,形成的氫鍵會增加1%~2%。
　　其次,ELPs長度越長,ELPs能夠形成的氫鍵總數(shù)和氫鍵密度越高,對體系的溫度和鹽濃度響應(yīng)也越敏感。ELPs40形成氫鍵的能力比ELPs20高75%~8

6、5%,因而ELPs40對鹽濃度的響應(yīng)比ELPs20更為敏感。模擬結(jié)果表明,ELPs40在模擬體系中比ELPs20更容易保持初始構(gòu)象。而初始構(gòu)象正是ELPs從水中析出形成結(jié)晶時的構(gòu)象。
　　最后,ELPs20與木聚糖酶的分子動力學(xué)模擬顯示,ELPs20與木聚糖酶能夠形成1~5個氫鍵,而ELPs20在存在木聚糖酶的情況下與水形成氫鍵的能力下降了11~14%,因而ELPs20-木聚糖酶融合蛋白對鹽濃度的響應(yīng)較差。而模擬結(jié)果表明,融合蛋白