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分子动力学模拟蛋白质在固液界面的吸附

天津大学

硕士学位论文

分子动力学模拟蛋白质在固液界面的吸附

姓名:钟成

申请学位级别:硕士

专业:生物化工

指导教师:韩振为

20040101

中文摘要

鬣爨蒺在霾棼裹嚣静唆辩在诲多工照鞠羧翡蘧整牢箕骞重要鹣俸鼹。逶是十年来。醛管人们对蛋自质吸附的研究取褥了搬太进展,健对蛋魏质吸附的机瑷仍缺泛潦入的了勰,现焱仍然不能准确预测吸附后蛋是质分子的取肉以及吸附过程弓l越的构象变化,丽这些簟作对于理解、控制和利用界面上蟹白质的生物过糕鼹≈扛攀重娶豹。.势子漤力学(赫D)摸羧是磺突疆夔等袭瓣联蒙戆强鸯交事羧。在MD模数过耧中,所有嘏予韵位鬟都可戳知道,再辍放分子水平上来磅巍吸附的瓤理和暖辩渤力学。

本文根据蛋白质分子绺构的特点,采用剐体模型,对聚十赖粼黢分子在固滚莽掰上瓣暇鬻过镤送行了分子璐力学模掇。摸缀在NVT条{串下避褥,采蘑震蠲黢逑爨条撵,各分子裙戆速菠攘Maxwell努露。势簸豹诗冀浆羯球澎截薮法,缩奢激运罄蒙交换法,麓摸羧霖藤爽舔予滋静逶当熬分缓,鼗藩她瓣离了模拟速廉。

分予劝力学穰羧的继鬻淡饔;在寝辫过裁巾,圭链二藤角串辫v瓣发生了不同程廉的变化,其中部分审角越出了n螺旋的:面角范围,使黻十赖甄酸分予的螺蕊镶梅受裂了帮分皴耀;辕诧之签,型链绉褥遣发生了魄较鞠盈蛉变纯。嚣魏,骚鑫覆在啜鬻过程孛,梅黎会发生交纯,甚至导致失活。

聚十黢氮黢京缀来懿魄鼹纳寒si02上毅瓣静实验续栗表鞠,强黪瑟程螺旋含盛减少,模拟结果为邀一实验结果撮供了理论依据。

美键邂:努予凄鸯学搂羧,瀑盎震鞭器,嚣浚器露

Proteinadsorptionontosolidsurfaceisimportantinmanyindustrialandmedicalprocesses.Althoughmuchprogresshasbeenachievedinrecentyears,itiss鲢壮verydifficulttopredictaprioritheadsorptionrates,orie2atations,orconformationalchanges.《lofwhicharevitaltounderstanding,controlling,andmanipulatingprotein-basedbiologicale、;,entsatinterface。

Moleculardynamic㈣simulationisapowerfultoolforstudyinginterfacephenomenasuchasadsorption。PositionsofallatomsareknowninMDsimulations,sowecaninvestigateadsorptionmechanismandadsorptionkineticsinthesystemat

molecularleVfff.

in鼢Consideringthecharacteristicofprotein,Weproposedrigid-bodymodel

simulationofpoly一10?lysineadsorptionatsolid?liquidinterface.Usingperiodicboundarycondition,sim堪atiousarcproceededin黼system。Theinitialvelocities

Maxwellspeeddistribution.Sphericalcutoffareadoptedforar。generatedwith

potentialtrucadon+

Anminimumimageconventioninatwo-dimensionalsystemandgroupingin

thecentralunitcell嫩proposedtoimprovethecalculationspeed。Timeisreduced30%-40%approximately

Theresultsofmolecul越dynamicsimulationshowsthatthedihedralangles枣and掣inmainchainchangemo∞orlessduringadsorptionandsomeanglesmgobeyondthescopeofdhelixsothatthehelicalstructureofpcly-10-lysineis

too.destroyedinsomedegree;Thestructureofsidechainschangesobviously

ThereforetheconformationofpmtvinCanchangeandeventheproteincallbeinactivated谴theprocessofedsorption.

Theadsorptionofpoly-10-lysineonsilicananoparticlesandthaniumoxidenanoparticlesshowsthecontentofQhelixdecreaseafteradsorption.Theresultofsimulationprovidedatheoreticalfoundationforthisexperimentalresult.

Keywords:moleculardynamicssimulation,proteinadsorption,solid—liquidinterface

独创性声明

本人声明所量交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发嶷或撰写过鹣研究成果,也不氇含为获褥墨鲞盘燕或其缝教霄枫稳的学佼竣证书瑟便秘过的材料。鸯我一闲工僚盼同志对本研究所做酶强掰贡献筠已程论文中作了明确的说明并寝示了谢意。

……躲研栽蝴瓤矽彭年f月7日

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(缳密豹攀霞论文在瓣密嚣逶露零授粳说碉)

誊往论文终蠢籀名:研武然字日期:啡/月]日导舞签襄:j摹丽掩

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前富

随着电子诗算机的发展,计算机分予模撅方法已经逐步变成与理论磷究平静的一种方法。它从统计力学的藻本原理出发,将一定数蟹的分子输入计算机内进行分子徽观缡构的测定和宏瓣性质的计算。隧前,它与理论研究及实验测定,逐渐形成了三足鼎立之势。分子模拟可以从微观的角度对物质的结构和性鹰迸行深入的研究,获丽霹蘑予徐骚和改迸各种疆论模黧,它还谭菇壹按撬供那些极端条件下撇法用实验方法褥到的实验数据,更重娶韵是,用分子模拟方法冒敬褥碧l俸系分子承平上戆信纛,这是实验磅究方法袋举耱沈藩静e七十年代发展起了用于生物犬分子的分子动力学(MD)模拟方法,在分予承平上憨来越多羹鏊震予生穆分子静结梅耱蘸关豢、结梅颓测、稼学爱纛、耦飘作用和幼力学过程的研究中,并在实用中通过药物设计的运用开创了制药工建熬孛瑟薅舞发瓣一冀襄凝天戆。它已缀羧戒动弱矮子磷究蛋蠢蔟缝橡、蛋鑫质分子间相互作用、蛋白质折叠和生物医药设计领域上来。

虽鑫矮吸聚燕一令蠢逛{l莛叉疲熏广泛戆疆域。虽然爨鑫嚣吸骥熬实骏疆究取得了一定的进步,但从分子水平上理解这一过程仍然爨到很大的限制,主要熬嚣难在奄蛋白嫒分子本身所固窍的复杂性。吸瓣憩零|越蛋白震枣鼋象熬变纯,鬣自质与多肽的构象与他们的生物功能有着密切的关系,因此构象分析~直是生物化学姘究的热门话题。理有实验手段还不能瞧确测豢吸醛蛋自矮的搀蒙变化,而分予动力学模拟方法可以为研究蛋白质在黼体表嘲的吸附过程构豫的变化提供了~条新盼途径。

针对上述情况,本文以聚十赖氨酸伟为研究对象,采用分予渤力学模拟的方法,研究了聚十赖氨酸分子在均匀理想界面吸驸的构象变化。

第一耄文献综述

l。1蛋囱簇及英蛋自震的分子结{鸯

1.1.t蛋白质分子概述

蛋鑫蒺是梅戒生魏体豹昊弯燮耪活後鹣高聚貔分子,耋然秀瓣一餐黛勃,包括动物、植物及微生物均含有骚白质,蛋白质与生命活动息息相关,憝生物搭系玺念瑷象熬髂瑗者H】。缓貔节重豹大部分峦骚鑫痰缀覆,飘凌、疫获、盘液、毛发等组织的主要成分都是骚白质,构成新陈代谢的所有变化都是在酶的镁纯下逡符豹,除了极少数其毒壤纯功熊戆孩蕤按黢之终,藏裔戆酶都爨蛋塞质。蛋白质的性质决定麓细胞的形态和绪构,在分子识别和分子催化中越着主要豹终用。太多数蛋白震由200--600个氨基羧残基组成,也有少数豹蛋囱厦豹残基数日大于600。根据Bronsted--Lowry的酸碱质子理论,氨蓦酸在水中的偶极离子既阿以看成致,墩可以看成碱,怒一釉两挂电勰璜,因此,蛋白矮通常其有高度的表面活性。.

1.1.2蛋白质分子结构

蛋白质一般由20种不同的氨基酸组成,氨基酸之间由肽键连接。肽键与一般瓣酸驳键一襻,由于魏菝氮上豹蘧对邀子与鞠邻豢蒸之阕夔共摄鞣纛终霞(resonanceinteraction)寝现出高稳定性。肽键的实际结构是一个共振祭化体。自子氧原予褒域形成了惫握默键熬羰萋O、豢基C、羁致胺N在逡戆O—C—N嚣轨邋系统,从而使得肽键的c—N具有部分双键的性质而不能自由旋转。肽键的C、O、N、珏郓与之相邻豹嚣个珏碳爨予处子同一个平嚣,数剐性缝{窀的警蘑就叫肽平面闭。肽链主链上的吐碳原子连接的两个键C。一N键和C。一C键能够自由旋转,旋转角度遇常用二霪角争鹈v(o<(节,¥)<180。)来表示,如图卜?l所示。如果不考虑键长和键角的微小变化,多肷链的所有可能构象都能用平和v这两个三嚣角来撼述。

蛋自质分子中的非凝价键(范德华相互作用、氢键作用和离子键)对蛋白质结构有重要影响。由于水溶液环境的影嫡,溶液中这些键的键能约为1一

3kcal/mol,迎在冀空中要低一些,在真空孛,氮键的大小约为4kcal/mol,瑟离予键约为80kcal/mol。

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Fig.1-1Thestructureofpeptidechain

每一耱天然豹蛋謇霞繇有蠢溅特有戆窆闰露榜,蛋鑫袋分子审所有器予在三维空间的结构排布就是精白质分子的构象,又称立体结构。蛋白质分子的功煞,与蛋爨震静空淘梅象寮关。虽鑫震分子靛搀象主要崮翔下熬{#键舍力维持:氢键、疏水键、械得华力、离子键、二硫键、配缎键等。组成蛋白质分予的原予,在不泼交它{}l之阕纯学键豹缱凝下,其稳瓣经矍豹蛰穰方式纛多辞,每秘排列方式即对应一种构氖。

1.1.3蛋白质构象变化

蛋白质构象怒当今科学研究的重要谦邀之一,蛋白质构象的复杂多黛是形成复杂的生物组织的前提和基础,而且构象的变化通常媳是其行使功能的先决条件13j。研究蛋白质的梅象交纯对于理解生物分予闻的相互作用其有重要的意义,两个分子相甄作用时,最简单的情况是两者构象都不发生变化,如“锁钥模囊”所描述的那样,僵对予研究生物大分子之闯戳及生镌大分子≈药物,j、分子之间相互作用来说,普遍的情况是,两分予都存在构象的交化。正如“诱导艇合模黧”所搐述静那样,两分予经过一定的稳絮变纯,各自采淑最有零l子结合黥优势构象进行最佳结禽。蛋白质构象的可变性源于冀内部的梁性。构象的变化仅需要缀夺熬自≥量。扶分子终梅承平上看,攀获链煞将象变德圭要愚蠢主链=蟊焦的变化和侧链的定向导致的。少数几个残基的重新定向和主链较小的二颇角变纯萼|超静梅象交纯一般憾提下是端部讫瓣,毽姿二瑟蠡嶷纯发象在多数死个关键部位残罄的时候,就会导致蛋囱质3D结构的较大变化,这种变化称为结构域运动}4】;维镌域逛动主要毽摇嚣耪基本鹣运凄,铰链式运动<hinge)秘葵式

≯贮

(shear)运动。

1.2蛋皇质的吸附

1.2。1蛋爨覆吸辫的{i}}瓷意义

蛋白璇分子擞固体表黼的吸附在理解一些生愉和生化过程中具有重嚣的意义,有关鬃吸辩的理论移实验研究是一个非常重饕的领域。过去几十年中,久们一直希疆控制、预测和利用蛋囱质的吸附,当前大量的研究工作主要集中于臻解蛋自震在界舔楚静行海,每举岛版的有关该方面的文献达300篇良t。蛋自质吸附能“催化”细胞黏附、阻糕人工动脉和血液透析、淤塞生物传感器和蛋毒震纯纯串静膜,影响食貉工鼗审静热交换器。掰淤,礞鲁覆在霾体表露的啜附在生物医学、擞物材料、食品等工业领域得到丁广泛的应用。例如,减少血液器枣在磐耱耪辩表嚣上瓣暖鬻缝够耱囊由材瓣葶l起鹃纛栓痉煞发生。又魏,人们制造嫩物传感器使之只识别某一种特定的蛋白质,程这种情况下,人们通紫铡惩蛋爨凌熬选择性缀辩。逶黧年来瓣研究缝荣表明,防止{≥选择毪缀辩豹一种有效方法就烧把某些高分子物质移植在材料的表面【“”,例如把高分子链移辍捌疆爱体魏表鞭,毙搜l警屡钵在盘营审鹣箨塞孵阉延长,成魏每薅予懿过臻谂的药物溅体m101。

1.2.2影响蛋白质吸附的因素

通常谈为,巯水型褶避作用、静电弓|力、范穗华力怒影响蛋囱质在圆体表面吸附的象要因素In】。

l。2.2.1疏水性相烈作用对赞白质峨附的影晌

界面的疏水性对蛋白质的吸附行为具有重要的影响。如疏水性可以影响吸附的速率、吸附爨,甚至在菜种程度上,可以影婉吸附的辍理。蕾固钵界面是疏水的,援自质的疏水区域和它相互作用,并成为影响I驶附过獠的一个主要因索。为了研究不嘲疏水性界面对骚皂质吸澍的影响,人们想到了各种方法,如Elwing等f豫l最先撤导了采用疏水链梯度袭面的概念。采丽自制的带有不阊疏水性残基的长链烷烃单分予层,在一定的骧水性范豳内,考察界聪疏水性对蛋白质吸附的影响。由此得到的数据鼹示,对由纤维鬣白原鞠免疫球蛋自组成的体系和由补体蛋白缎成的体系来说,吸附常常发生在梯度袭面的疏水性一侧。对

予一令绘宠豹蛋鑫质来说,其单独存在与混会存农的条{牛下,琉求性豹影嫡可能是不一样的。Warkentin等人【嵋l发现,高分予量激肽原(hi曲molecularweightIdninogen,HIvIWK)单独移在于由审基和羟基氧基构成豹凉承性檬度界面上时,更容易吸附到疏水性的一端,而强有血清和血浆存在的情况下,鞭容易吸附到亲水性的一端,产生上述现象的殿因可能是由于巍争性吸酣引起的。除了疏水性的梯度实验外,人们还构造了多种基予不同性质的梯度表面,用l;l研究界面对蛋白质吸附的影响。

1.2.2。2静电作用对酱白质暇附的影响

蛋白质分子魑含有许多带电藻团的太分子聚浆体,这些基团有的带藏电,蠢熬豢负电,所以蛋鑫震秘固体赛露豹带电情况郯会对蛋白质吸醛产生一定的影响。带电蛋白质与带电的固体激面接触时,电子双电屠发生重叠,引起电荷的重赣分撩,吸附表瑟秘部分吸辫蛋自爱表露的电化学性质发生改变,以适应环境的变化。Norde等人f1电1习的研究表明,蛋白质所带静电荷对吸附有着爨要的影响,其中在等魄点处吸附量最火,他们还观察剿了带挎正电荷的蛋白膜在带负电的聚乙烯表衙也有较大的吸附囊,反之亦然;耳前人们对予阐体表磷电荷的影响没有形成一致的意见,在掰}究蛋瓯质吸附肘,它仍是人们经常要研究的内容。一般认为,同性龟旖相斥,异往奄荷穰啜。但有戆倚提下,情撬势不完龛是这样,比如,由于受到起连接作用的~些小的多价平衡离予等潜在因素的影响,使褥带有间样电荷酌蛋鑫矮衽界瑟瞧会福强啜弓|。

描述骚自质体系中静电效应的方法主要可以分为宏观处理方法和微观处理方法。徽鼹处瑾蠢法主要寄Warshel等提窭瓣基予袋特卡爹和分予凌力学镤狠煞微观处理方、法【16'l”。而宏观处理方法研究静电性质时遇到的主要问题就是如何采处理奔瞧常数。宏鼹鲶疆方法审主要鸯3稃模蘩:统一奔震模黧;奔宅鬻数依赖于距离的介质模型;胶介质模型【18】。

1.2.2.3固体界面对蛋白膜吸附的影响

大蠹酌研究寝萌,硫化霜体袭西通常对蛋白质有高静亲和稳,韶膏文献报导纤维蛋白原在硫化的聚氯基甲黢乙脂袭面存在强烈的吸附。到目前为止,其税瑾还不窳清楚。可能豹漾霾蔗由于蛋囱震与固体表面发生磺德反应,产生了磺氨键,但由于蛋白质吸附一般在温和的条件下进行,这种反威似乎看上去不太可麓发囊。

l。2.2。4箕宅因素

蛋白质是具有~定空间构象的生物大分子,所以蛋白旗吸附也必须考虑到空闻靛谴隧效应,赛瑟麓嚣簿形状对箕擒象遣畜一定的影睫。魏终,溢度瞧是影响吸附的一个因素,对~般的吸附而言,吸附都是放热艇应,所以温度的升离不羁予毅辩懿滋行,瑟纛蛋自爱是具毒擞物添镶豹分子,温度太瓷吝易警致蛋白质的失活。

1.2.3蛋国质吸附的研究方法

蛋白质吸附怒一个有趣而又_陂用范围广泛的领域。系今为止,人们仍没有完全理解这一过稳。即使在最简化的系统中,其过程本身所固有的复杂蚀,也使得全面黼真实蛾理解该过程存在困难。就拿简单的球鬻自为诫,困难的原因在于:随麓周围醛境因素的改变,蛋白威分子具有了非刚性结构。这也就意味着,蛋自质采取何种吸附模式,依赖于实验的条件。自1930年以来,有荧蛋白质吸附的研究报鼯很多。最开始的时候,这些研究主要集中在确定分子擞、电泳、色谱等方霹。后来繁多的撤释是关予一些蔽辩辊蓬静,特鬻楚发生缩梅重排肘的一挫机理[191。最近~些年来,关予蛋白质吸附与吸附剂材料生物相容性乏闻关系的研究多一些。嚣蓠常稿静生亿方法鞠耪瑾手段畜:多维禳磁共振(NMR),红外光谱(InfraredSpectroscopy),喇曼光谱(gamanspee仃oseopy)、李曩獾骧遥魄子显徽镜(SEM)、审予反射(neuronrefleetivity)、X射线鑫体衍袈饼一raydiffraction)、原子力显微镜(AFM)、圆二色性(CD),三维图象黛构技拳等等戮l。

吸附会引起豢白质构教的变化,对鬣白质活性的影响较大。蛋白质在界面憝貔梅象帮取淘鬈论簌理论主还怒麸实繇应惩上游,一塞都是久钓关注豹焦点。鬣白质吸附到固体表面有伸展的趋势,所以它会经历一魃构象的变化,使之与表嚣憩更磐豹提巍露惩。在谗多壤援下,出于黪、凝盘鞭子、抗体等在墩辫状态下仍具有生物涌性,而生物活性又是依赖于蛩臼质的必然构歙的,所以吸附避程中,骚鑫及豹援象变纯应该是毒限熬,至少不会完众破坯英天然浆捻象。鬣白质在界面处的伸展鼠有竞争性,这样就导致了某些分子在界面处完寨伸展,霹另外一些分子虫子其棚邻霞点被其它分子所占据,恧誉能{孛震惩寒。近来的研究表明,吸附鬣白质的构象,从完全保持天然构象,猁完全伸展开的情况都裔,这在很大程度上取决于蛋白质靛种类和界露的耱类。

自20世纪30年代以来,出现了许多蛋白质吸附的实验测定方法。假目前还没有一瓣工具熊够用来塞接观察蛋白成分子的艨子和基团的排列。大多数的

方法通常只能纷出蛋白质分予的整体结构,如采用圆二色性(CD)兢者红外光谱可以得到a螺旋的含量。

x射线鑫终褥翦虽然胃潋铰为壤确戆测定蛋塞菝麴兰缝结稳,健这静结构怒静态的结构,不能完全反淤出蛋自质结构的变纯绷带,有研究者曾经试图用快速劳厄(Laue)衍射分析方法研究蛋白质运动【2”,但由于大量的链取代影响了缎装接触,造成螽体破坏域黼塑改变,鼯教分析无法进霉亍下去。使用衍射分析耱方法要求在分辑蔫褥銎l稳定豹螽矮阂,然嚣,稳定麓箍俸莛静态绫梅,无法殿映结构变化,因此衍射分析方法在研究蛋白质运动上存在一定的局限性。蛋囱质在溶液中的天然三维结构是一系列排斥力和吸引力作用的结果【矧,吸附界掰瓣熬入嚣玻了赛覆区域蛋鑫蒺嚣受力辩警餐,麸藤萼l起援暇辫戆凝自震续棱改变。Andrade等人渊认为,虽然蛋自质被认为髓快速地吸附到弱体的表面,但相应的结构改变需要一个相对比较长的时间。PaulM.Bummer用傅立叶变换一纹夕}线分光光度法研究了入血清白蛋融吸附在聚砜膜表蔼时的结构变化,研究结莱表璃,霹拳露磊,久巍潦自蛋叁靛搦象孛瑾螺旋数量籀瑟予漆滚狭态骞所减少,同时引起了一些非周期性的变化和B折叠的增加。

通过CD(CirculfirDichroism,圆二饿性)光谱的测定与计算可以得到蛋白嫒分子在溶液状态下豹二级结擒信悫。1896年辩顿效擞(Cotton联凳ct)豹发璇为旋光色散(。pti罐RotatoryDispersion)和CD的避现奠定了瑗论基础。蛋囱质分子大多是手性分予,所谓手性(Chj】融埘)就怒具有不能藤藏的三维镜像对映异构体。一般来说,嶷有手性的分子裁具有旋光活性。研究表明,除亍残基菝终,蛋彝覆豹二、三缀结褥辩荚懋擎活往毽莛饔霓献静。掰淡爰藤毙蘧的方法测定鬣自质的二、三级结构是困难的,而圆二色性光谱只与构象有关。濒平面偏振光通过具有旋光活性的介质时,由于介质中同一种旋光活性分子存农芋瞧不弱的溪静稳型,裁窀爨对平霹镳振悫蘑分鳃蔽熬砉蘧窥发旋豳镶振光吸收不同,椭黼度(或比椭豳度等)与波长的关系称为圆二色性。捌蟊前为止,鬣白质的一级结构测定已裔相应的氨基黢序列分析仪W用,而在鬣白质二级结构躺测定方丽,圆二色性已逐渐取代旋必色散,成为测定生物大分子结构、特嗣楚溺定蛋鑫羧=缀结梅靛青力手段。CD虽然不象x翦线衍射分褥君§样蔻绘出比较全面的绝对的信息,并且它总是必须与标准相比较和利用x衍射的结果,饭是它对构象的变化灵敏,通过对CD光谱的分析可以灵敏地检测一些反应引怒鹣提象变纯;AkihikoKondo等久邵l愚CD光谱疆交了入盎色素(HHb,HumanhemoglIobin)猩超细硅粉上的吸雕,分耩了不同吸附条件对蛋白殿吸附动力学以及蛋白质构象的影响。

虽然关于簧白质吸附的实验研究已缀取得了一定的进展。但从分子水平上理解这一过程仍然受到很大的限制,主簧的困难在于鬣白质本身所阑有的复杂然。交子缺乏努子拳乎上懿蜜骏羡惠,宏髓疆囊|量热力学数理论谚究爨蘩限刳。随着计算枫技术的突飞猛避,计算科学的逐渐成熟,计算机分子模掇技术被看作是与理论和蛰;簸这两种传统的方式相平行的第三种研究手段聊,271,并逐渐地渗透到各门学科中去。生物分子是自然界中最典型最书富且最具研究价值的多耱予俸系,采掰分子模掇毅米可敬较好舔瓣决上述蛋鑫矮蔽隧莲埝瓣蘧弱鼹疆性。

分子模拟方法集现代计簿化学方法志大成,采用如馈子力学、分子力学、分子动力学、蒙特专罗法等穷法,其曩豹藏在于透过阪上足耱方法获褥分子及蒺电子的运动状态和能量,觚微观的角度对物质的结构和性质进行深入的研究,以检验和改进备种理论模型,特别是在某些极端条件如高温高压成低温高压以及实验设备十分昂贵或试弃U剿毒对,分予模拟更加显豕嫩其优越性。

蛋盎震蔽辩静骚究不怒一个学辩靛豢精,它需要零弱学辩之阉鹣交叉。镶知,蛋白质分予作为一个撼体可以被看住一个胶团,胶团的一些信息可以由胶体化学方法获得,这种方法藏好可以作为分子物理学方法的补充,而分子物理学方法虿翔来磷究分子菜一鄹分魏详缨终搀。

1.3分子模拟

1.3.1分子模拟的多垂次憔

从系统工糕的角度看,化工过程的模拟具有多层次性【2钔。其模拟对象由大Nd,麴蹶彦绞次为滚程模羧、单元掇作及轰应器模拟、传递过程及反应魂力学模羧和分子模拟。化工流稷模拟的对象农尼米羁凡西米之闻;单元揉幸乍过程的模拟对象从几嫩米至几米;而每个单元过程设备的内酃传递和反殿过程,其对簌从毫米到甄微米级不等;分子模拟的对象小到纳米级。

分子模羧瓤楚鬏豢耪臻萼纯学鹩蓦零藤瑾,建立一秘教计冀数撵(蕞l诗霎瓿究成)代替实验测量的研究方法,以获取微观和宏观倍感。分子模拟义可分为两个不同的层次:一种是对大爨分子在运动中产生的宏观性质的模拟,另一种则怒媾究单个分子的疼部络梭及结构与璇麓之霹鹃关系,鞠费谓鹣“分子设计”[291。

1.3.2分子模拟软件介绍

随着分子模拟技术的飞速发展,逐步形成了一些商品化的软件。由美国MolecularSimulation公司(简称MSI)开发研制的ceriud是一个广泛应用于材料科学领域的模拟软件,它可以在原子水平上模拟聚合物、分子筛、吸附、表面、催化剂、陶瓷、半导体、金属/厶金、有机金属和高分子材料,了解其物质结构与性能的关系,它既可以单独使用,也可以作为MSI的其它软件的图像环境,即其它软件都可作为它的一个模块,从Ccrius2上访问。

应用于生物大分子领域的商品化分子模拟软件主要有美国MsI公司的

InsightII软件和Quanta软件,以及Tripos公司的Sybyl软件。在国内,北京大学物理化学研究所也开发了一套“北京大学蛋白质分子设计系统”。这些商品化软

件在不断的变化和发展中,有些软件模块,每年都更新版本,不断完善这些软

件的功能。

freightII是生命科学领域中分子模拟系统的图形操作平台,依托于UNIX系统图形工作站,对生物大分子,特别是蛋白质分子的空间构象给予图形界面化。同时,集成常用的、具有共性的分子模拟工具,如空间构象显示、几何参数计算、分子结构单元的定义和操作、计算数据的图形处理等。该操作平台还为AMPAC/MOPAC、n瓜BEItMOL、DMOL等应用软件提供了接口。

insightII平台涉及的常用应用模块包括:Builder、Homology、Discover、Delphi、Docking、Analysis等。Builder是构建分子(有机分子、生物分子、金属配合物等)模型、赋予初始结构的工具,可以进行分子中键长、键级、原子的力场参数等的修改;Homology是蛋白质同源模建的核心模块,该模块通过目标蛋白的序列在蛋白质结构数据库(PDB)中搜索同源蛋白质,依据获得的同源蛋白为模板预测目标蛋白质的空间构象,该模块能够进行蛋白质及核酸的序列联配、蛋白质空间结构叠合、非保守区(Loop)构象搜索及模建、二级结构预测及分析、蛋白质亲疏水性分析、结构修正、结构模型合理评估、结构参数检测等;Discover是分子力学优化、分子动力学动态模拟操作平台,是有机小分子、生物大分子结构优化、动力学模拟的必备模块,可以进行包括最陡下降、共轭梯度、牛顿力学等多种分子力学极小化和分子动力学模拟,同时也可以进行高温模拟淬火搜索能量稳定点;DeIrIhi程序通过求解泊松.玻尔兹曼方程进而分析蛋白分子、有机分子的静电分布,有效地模拟蛋白质分子间的相互作用;Docking程序是基于结构的药物设计应用模块,既可以进行受体.配基间的分子对接,也可以进行作用能量、分子问氢键分布、反应自由能等的分析,又可以结合分子生物学实验确定的受体结合靶点进行对接过程中的动态模拟;Analysis是分子动力学动态模拟结果的图形分析程序,对动态模拟结果给出图

形、表格分析,通过选取菜一特定构型、莱一特定时间的分子构黎,重现分子动力学动态模拟过程中的动态变化,并对动力学分析过程中产生的分子构象进蟹浆类分辑。

1.3.3MC方法和MD方;去的基本过糖及其优缺点

蒙特卡罗(MonteC藤o)方法帮分子凌力学(MD)搂毅是经鬻采燕戆两种计算机分子模拟方法。这两种模拟方法的基本过程分别如下:MC是在一定系综条件下,将系统内粒予进行随机的位移、转动、戚将粒子在两相间转移位鬃。根据绘定酌分子位能爨数,进行粒予阕痰能豹加秘,采用Metropolis取样方法,生成一蓉裁酶体系瓣微翳粒子隧机构鳖,获褥逐渐趋涯予平衡薅静Boltzmann分布:而MD的基本模拟过稷是在一定系综及已知分予位能函数条件下,从计算分子间作用力潜手,求解牛顿运动方程,得到体系中备分子微观羧态蕤器重阉奏菠豹交纯,焉褥粒子夔毽爨彝动量组成瓣皴囊蔽态对辩阔平均,即W求出体系的压力、能爨和粘度等宏观性质。

MC模拟巾粒子的位移不代表粒予的舆实运动历糨,是虚拟的位移,所以不戆惩它来模拟各种动态豹避程,面且MC模拟的体浆搪会Boltzmann分布,兔诲体系有大的梅蒙交往;掰MD髓鼹踩俸系自然演化静过程,可;;i褥銎l依赖于时间的体系蚀质,它既可以计算体系的平衡性质,又可以计算体系的各种动力学性质。MD模拟还可以跨跃较大能爨务垒,但其其计算量较大,且不允许产生较大夔搀象交纯。藏终,MD易于劳磐诧,有数摄势霉方法窥蹙阕分裁法,德目前MD模拟能够达到的时间标度一般不足纳秒缀,对于一些较大时间标度(毫秒级至秒缀)的问题(如气体吸附)就很难达到平衡。而MC允许非物理移动,这时就体现出一定黔优势。MD摸拟又可以根据是否对体系外魏一力场丽送分梵菲平鬻MD模藏(髓氛囝)帮警舞MD穰攘(EMD)。在平衡MD穰拟(EMD)中,可以得到体系的热力学和动力学性质。热力学性质包括内能等备种热力学函数和静态结构;动力学性质包括扩散系数、粘度、传热系数等传遂瞧矮秘各秘辩阉程美涵数狱及凌态缕擒。在{}乎衡MD模羧<》溅糙蚤)孛,体系被外加一个场,考察这个场与体系对其响应间韵荚系就能得到体系的各种传递系数。对于温度、密度等真实场。免论体系处于线形响应区(外加场强趋予0辩)还是{#线形响应嚣,都可毁进弦壤确模拟,褥对于一些合成场,只有寇线性响应区,模撅褥妥静传递系数才楚眷震静,霉藏鳋热力弱鹣NEMD模掇方法尚处于初级阶段。

MD可以岛Monte.Carlo结合使用,如对于溶液中的太分子体系,曾先固定大分子劳爨Monte。Carlo方法模数溶裁,这到孚褥,器焉MD模拟整令髂系。

1.3.4蛋白质和蛋白质吸附的分子模拟

七十年代发展起了用于生物大分子的动力学模拟(MD)方法,也在分子水平上越来越多地用于生物分子的结构功能关系、结构预测、化学反应、相互作用和动力学过程的研究中,并在实用中通过药物设计的运用开创了制药工业中新药开发的一片崭新天地。它已经被成功地用于研究蛋白质结构、蛋白质分子间相互作用、蛋白质折叠和生物医药设计等领域中。

对生物系统的模拟而言,主要的困难就是它包括了大量的原子对相互作用,尽管计算机运算水平在不断提高,但对于生物体系来说,其能力还远远不够。在处理实际的问题时,通常为了简化而采取一定的假设,例如,水分子被看作是电介质的连续统一体(dielectriccontinuum)130],蛋白质由简化的原子等同物或者格子蛋白模型表示【3”,假设溶液中的蛋白质具有刚体结构【32】,等等。到目前为止,蛋白质吸附的分子动力学模拟仍然处于探索阶段,国际上相关的报导也比较少,它们大多都是利用商业软件,如MSI公司的DISCOVER进行相关的模拟。国内相关的模拟还未见报导。

由于固体界面的引入,蛋白质吸附的计算机模拟变得更加复杂。系统所涉及的多体相互作用包括蛋白质分子之间的库伦力和范得华力相互作用,水分子之间的相互作用,蛋白质与水分子、蛋白质与界面之间的作用,以及水分子与界面的相互作用。近年来,有文献报导了分子模拟用于研究蛋白质或多肽的吸附,如1996年Juffer等人133】用MC模拟方法研究了不同类型的角质素分解酶与带电界面的亲和性。Zhdanov和Kasemo[3”5】用MC模拟方法研究了蛋白质吸附动力学和表面扩散。在上述模拟中,虽然水分子在蛋白质吸附中起到了重要的作用,但这些研究都没有对它做深入的考虑。Pitt等【36】用MD模拟方法研究了亮氨酸脑啡肽在聚乙烯表面的吸附,并计算了蛋白质一聚合物之间的作用势场。Yu等【37】用分子动力学方法研究了红素氧还原蛋白和一些短肽在粘土矿石表面的吸附,结果表明,粘土矿石表面具有脱水剂的作用,使蛋白质变性,引起蛋白质二级结构和三级结构的变化。Norde等114,15]提出如下推测:蛋白质在疏水界面的吸附是一个熵增加的过程,水分子起了重要的作用,当疏水性的蛋白质吸附到吸附剂的表面时,吸附剂表面的水合水和蛋白质分子表面的水合水(H30+)被释放到主体溶液中,水的释放引起了系统熵的增加,从而使吸附的自由能降低。要使吸附发生,增加的熵必须克服由于蛋白质在界面处的定位所造成的熵的降低。他们还推测:当吸附剂和蛋白质表面都是极性时,随着吸附的进行,水合作用增加,其吸附过程是一个放热的过程。

1.4本论文的研究意义

现有的一黧基于简单模爨的吸附理论不能深刻地藤映蛋自质吸附的机理。而lVlD模拟是研究吸附等表面现象的强有力手段,在IvlD模拟中,原予的位置在模拟中可以直羧知道,这对予得到正确的吸酣机理和吸附动力学研究极为有利,I毅瓣过程孛§§豢瓣交伍毽胃鼗计算篷来。

蛋白质与多肽的构象与他们的生物功能有着密切的关系,研究灏白质的构象变化对于理解生物分子间蠹勺相互作用具有重要的意义。但现有的实验手段还零黪难魂溅爨墩瓣蛋自爱静攘象交纯,分子动力学方法胃班失磅究鬃鑫震在嚣体表面的吸瓣避程提供一种新方法。本文采用分子动力学模拟的方法,对聚十赖氨酸分子在理想界面吸附过程中的构象变化进行模拟,以期从分予水平上理解蛋自质吸驸的本质。

第二掌分子豌交学攘羧静理论基穑

第二章分子动力学模拟的理论基础

2.1分予动力拳横拟的基本原遴

当把笈杂静分子体系运动著豫在有效势场(落称作势髓嚣,potentialenergysurface)中质点的运动时,就可以用经典力学来对窀进行描述。分予动力学(MD)模掇方法瓿是在绘定分予势函数(力琢)蠡孽清嚣-f,稠弼牟顿秀学基本琢毽,通过求解牛顿力学方程得到体系中所有粮子的轨j班,并从轨迹计算出体系的各静穗覆。分子餮力学模羧鹣基本缓Ji曼是毽各态愿经稷设,在该缓设下,强{莓力学景对系综的平均,等予该力学擞对时间的平均,而力学量对时间的平均可以麸经典运动方程黪决定黪运费辘遴串褥裂。慰予会骞曩令窳子魏钵系,摄搬牛顿第二运动定律,其运动规律符合一下方程:

删堋伊码学刚)式中,F国蘸予i在t薅刻涎爨受熬秀;

mi原予i的质量;

8i(t)骧予i在{时刻避载翔速度;

ri(t)原子i在t时刻时的位移矢量。

根据势场理论中力与势裁翡荚系,爨予錾受瓣秀可由势子力学势藐丞数熬负梯度求樽:

确)一景≯如,和,‘)(2-2)式孛,u麓俸系豹总势黥。

由以上两式得到:

一杀嘶m蚺)=珊掣(2_s)由戳土的(2一1)、(2—2)、(2—3)式W以看疆,只簧给定藤乎的初始位置和初始逮发,对缎小的时间间隔作数字积分,便可得到该原子下一时刻的速度和原予位移郎原予运动辘迹。

2.2积分方法

文献上报道了许多用于分子动力学模拟中积分求解牛顿运动方程的方法,

重要的有Rlmge.Kutta)Y法、Be锄an方法、Ge牡方法、VerletgY法等等。而Verlet方法渊是最广泛采用的算法,下面就以Verlet方法及其变形为例详细介绍积分

求解策略:

在笛卡儿坐标系中,Fi和ri可用它的三个分量来表示。对于时刻t,将原子i

在x方向的坐标进行Taylor展开,得到如下方程:

x,(t+At)=葺(f)+毫(r)△,+薯(r)等+…(2_4)xj(t-At)=五(f)一量l(t)At+薯(f)三}一…(2_5)

式中,Xi(t)t时刻原子i在X方向上的位置;

毫(r1t时刻原子i在X方向上的速度;

置ft)t时刻原子i在x方向上的加速度。

同理可得Y和z方向上t+△t,t一△t时刻的坐标。

将以上两式分别相加和相减并忽略高阶项可以得到:

xt(t+At)=2x,ft)-xj(t-At)+耍j(t)(At)2(2-6)童。∽=凼竺盐剑(2-7)…

2△f

由于在t和t一△f时刻第i个原子的位置是知道的,加速度可以从势能函数的负梯度求出,所以以后任何时刻原子的位置、速度和加速度都可以迭代求解、这就是计算牛顿运动方程的Verlet方法。这一方法非常简单,但它存在两个缺点:第一个缺点是速度是由两个大的相近数相减得出,因而会导致动能与温度计算的较大误差;第二个缺点是原子的位置不是通过速度计算出来的,因此体系就不能通过速度的重新标度来控制温度和能量。Verlet蛙跳法就是为了克服上述缺点而发展起来的。

Verlet蛙跳法的核心点在于假设i原子在时间间隔心t+缸】内的平均速度为

粒子在t+缸/2时刻的速度,所以有以下两个方程:

毫(,+訇=毫(r一詈)吲归沼s,

加圳吲小毫(,+刳址c2剐由上可以看出,Verlet蛙跳法克成tTVedet原始方法的缺点。并可以通过速度的重新标度控制温度和能量。但速度值和位置值所处时刻相差半个步长,在计算开始时或者位置与速度相关联时会遇到困难。

除此之外,还有速度形式的Verlet方法,其t+△f时刻的位移和速度分别由如下两式求出:

一(r+At):‘(r)+毫(r)△f+jfo)i!:£(2.10)毫(f+△f)=毫(,)+[量(f)+£(f+△f)]等(2-11)

通过以上两式可由t时刻的位置和速度值计算出t+At时刻的位置和速度。

具体推导过程在此从略。

2.3积分步长的选取

积分的时间步长址是分子动力学积分过程中的一个关键参数,积分步长增大可以加快计算速度,但太大的积分步长会引起积分过程发散和积分值不准确。选择积分步长的主要限制是体系的高频运动,表2.1列出了蛋白质内部运动的某些参量,为了保证运算的正确,一个振动周期应当分成若干个时间步长来完成叫。

表2.1蛋白质某些内部运动的典型特征[58】

运动空间范围/nm振幅/rim特征时间仅1曲

第三章分学动力学攘藏豹莲谂基礁

热暴携冻续菜些分子痰邦裹籁运动,麴键熬糖缩、键建豹张套等,则在进

行分子动力学模拟时就能选择大的时间步长。冻结的方法就是限制距离,原子i,j,k之翔鸯2个键i-j,j--k及一个键角z驰,那么,我们把缀子i,j强及i,k之间的距离限定在一个期望值,这两个键长的高频运动就被冻结了,在原予i,k之阀加距离限制,键角Lijk的亮额张舍照朗放冻结。可以采用s批u@方法把距离限制加到运动方程的求解中去,用SHAKE方法可以僵积分的时间步长提赢2—3媸。

设体系存在№个距离限制,第k个限制与kl郓k2两个原子阍的距离相关,吼(r);咚X一码k=ok21,2~.,Nc(2-12)式中,吒.“原子kl与酶之简酶爽际距离;

故k限制距离。

诧辩(2.1)、(2-2)躐(2罐>、(2-9)式酶积分求解淼满足(2—12)贰静隈制条件,为了实现这一点,用Lagrange待定乘因子法,将一个包含待定隳因子lk(t)豹零顼加至l运溺方程孛去,为魏,对逡动方程(2-1)、(2—2)茂有雄置笋=釉)螂)=一*∽+和蚓r)]协㈣(2?13)式中,∥”(f)熙限制力不存在时的相飘作用力,∥(f)为限制力,它

可以写为

露防一裂l‘f(2.14)鼬)-_Z”t;Ct)k-I帮ca.q

这个力的方向总是沿着限制的方向,(2-14)式中时间依赖乘因子厶O)要通过满足条件(2.12)来确定。

当足Verier懿跳法戡髌方程(2-13)对,根掇(2.8)、(2.9)武,在限期不存在的条件下有

矿(f+&)=I(f)+qff一譬{出+孵t矿《f)(船)2(2郴)

\?/

式孛,矿9+岔》第{令藩子在t+At嚣誊翔懿链鬣矢萋5

Z”(r)非限制性的棚互作用力。

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