基于GROMACS的絨毛蛋白(Villin)片段折疊動力學模擬.pdf

1、蛋白質(zhì)折疊問題從狹義上說就是蛋白質(zhì)自然態(tài)三維空間結(jié)構(gòu)形成的規(guī)律，是生命科學中基礎(chǔ)和重要的研究方向。蛋白質(zhì)從初始結(jié)構(gòu)折疊到特定三維空間結(jié)構(gòu)的過程中，溫度、壓強、變性劑等因素都會對它產(chǎn)生影響。蛋白質(zhì)分子折疊進程中經(jīng)歷的各種變性態(tài)構(gòu)象均稱為去折疊態(tài)。蛋白質(zhì)折疊動力學的研究一般從生理條件下的去折疊態(tài)入手，因為去折疊態(tài)定義了折疊過程中的最可能構(gòu)象，能夠讓我們了解整個折疊進程。
　　基于熱力學的觀點，如果兩個環(huán)境的物理條件(pH，溫度、溶度等

2、)相同，那么我們能觀測到相似的熱力學，因此可以在體外實驗中研究蛋白質(zhì)的折疊問題。實驗中常利用“擾動”因子（改變物理條件如:溫度、壓強、變性劑）的添加和移除來控制蛋白質(zhì)的折疊進程。先進的實驗手段如快速微流混合裝置和T-jump溫變實驗裝置，結(jié)合一系列探測技術(shù)包括X-射線晶體衍射、核磁共振光譜、圓二色性、紫外熒光等，可以研究蛋白質(zhì)折疊在納秒到毫秒級的折疊事件。受儀器的響應(yīng)時間限制，蛋白質(zhì)折疊研究的一系列實驗手段不能研究蛋白質(zhì)折疊更早期的事件

3、，而利用分子動力學模擬軟件模擬分子系統(tǒng)中粒子的運動則可以再現(xiàn)研究蛋白質(zhì)折疊最早期的過程。本文選用GROMACS軟件研究蛋白質(zhì)的折疊動力學。GROMACS是分子動力學模擬領(lǐng)域常用的軟件之一。它根據(jù)生物大分子的結(jié)構(gòu)原理，建立理論模型，通過模擬系統(tǒng)中粒子的運動得到蛋白質(zhì)的動力學信息及結(jié)構(gòu)信息。
　　本文基本構(gòu)思是:先得到蛋白質(zhì)的去折疊態(tài)，再將去折疊態(tài)置于折疊環(huán)境中，研究HP-36的折疊動力學性質(zhì)。本文共分為五章:第一章為緒論，主要講述了

4、蛋白質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu);蛋白質(zhì)折疊研究的實驗手段、折疊研究實驗的局限性以及計算機模擬研究的意義;第二章為分子動力學模擬及GROMACS軟件，介紹了分子動力學模擬的基本原理思想，列舉了幾種常用的求解運動方程的有限差分法，講述了分子動力學模擬中的系綜問題，詳細的介紹了本文中使用的分子動力學模擬軟件GROMACS以及GROMACS軟件的原理，包括GROMACS的分子力場、經(jīng)驗勢函數(shù)及其附加項、SHAKE算法和LINCS算法。第三章為villin蛋

5、白子域（HP-36）的去折疊動力學，首先介紹了研究對象villin蛋白及其子域HP-36的結(jié)構(gòu)和相關(guān)特性;然后在不同溫度下對HP-36做去折疊動力學模擬和結(jié)果分析。第四章為HP-36的折疊動力學模擬，先介紹了T-jump實驗的基本原理;然后對HP-36做折疊動力學模擬和結(jié)果分析。研究結(jié)果如下:
　　HP-36的去折疊動力學模擬，利用GROMACS-4.5.5軟件包，OPLS-AA力場，常壓下，使HP-36在300K，350K，37

6、5K，400K，500K下，進行分子動力學模擬。我們對不同條件下模擬輸出的軌跡文件的回旋半徑(Rg)、原子坐標的均方根偏差(RMSD)、疏水殘基的溶劑可及表面積(SASA)、鏈內(nèi)氫鍵數(shù)目以及二級結(jié)構(gòu)進行分析對比。研究表明，高溫條件下，在HP-36的去折疊進程中，處于HP-36內(nèi)部的疏水殘基首先開始暴露;緊接著是位于殘基55-59區(qū)域的helix-2開始展開;然后是位于殘基63-72區(qū)域的helix-3和位于殘基44-49區(qū)域的helix

7、-1先后開始展開。
　　HP-36的折疊動力學模擬，在常壓下，使HP-36的去折疊態(tài)溫度從273K分別躍變到278 K，298K，318K，進行分子動力學模擬，并且與恒溫298K中的構(gòu)象進行對比。同樣對對不同條件下的模擬輸出的軌跡文件的回旋半徑、原子坐標的均方根偏差、疏水殘基的溶劑可及表面積、鏈內(nèi)氫鍵數(shù)目以及二級結(jié)構(gòu)進行分析對比。研究表明，折疊初期，HP-36在恒溫條件下的折疊速度比溫變模擬中的折疊速度要快，并且認為其原因是溫變模