显式溶剂模型下加速分子动力学对蛋白质折叠的研究

论文摘要

几乎所有的生命活动都是由蛋白质完成的,而蛋白质只有折叠成天然结构才具有活性。蛋白质折叠错误就会引起一系列疾病,例如帕金森病、阿尔茨海默病、疯牛病和古尔氏病。蛋白质折叠是21世纪生物物理学的重要课题,理解蛋白质折叠路径和折叠机理是非常重要的。分子动力学模拟方法已经有几十年的发展史,被人们广泛的用来研究生物物理,化学,材料等学科。分子动力学模拟方法可以得到随着时间变化的蛋白质或者其它生物大分子的结构。利用分子动力学模拟方法可以对蛋白体系进行原子水平上的研究与定量描述。因此,分子动力学模拟方法已经成为研究蛋白质结构和功能基础的有力工具。然而遍历相空间抽样的效率至今依然是分子动力学模拟方法需要解决的问题之一。近期,J.A.McCammon发展了加速分子动力学的方法。加速分子动力学就是在原有的势能上添加一个新的势能,降低势垒高度,体系陷入局部极小值的概率降低,这样低能量之间的跃迁几率提高,从而遍历取样的效率增加了。显式溶剂中用AMBER14SB力场在室温条件下分别使用加速分子动力学和传统动力学方法对8种蛋白(2I9M,TC5B,1WN8,1V4Z,1HO2,1HLL,2KFE和1YYB)进行折叠研究。我们分别在如下几方面进行了分析和比较:均方根偏差(RMSD)、天然接触、聚类分析、折叠路径、自由能地貌和回旋半径,这些分析证明8个蛋白在加速分子动力学(AMD)模拟中全部成功折叠为相应的天然结构。相比之下,传统的分子动力学(MD)模拟没有发现这些稳定的折叠结构。同时,高温度(350 K,400 K和450 K)对8个体系折叠的影响也被探究。研究发现这些高温下,加速分子动力学模拟依然比普通分子动力学模拟的效率高。在这些温度中,300 K是对于所有蛋白折叠最适宜的温度。为了进一步探究加速分子动力学的高效性,在300 K温度下对8种体系进行两次加速分子动力学模拟。所有的加速分子动力学模拟都折叠为天然结构。我们的结果很清晰明朗的展现了加速分子动力学模拟是一种研究蛋白折叠的高效方法。论文共分为四章。第一章阐述了研究背景。第二章为理论和方法部分,包括分子动力学模拟的基本原理,分子动力学模拟积分算法,分子力场以及加速分子动力学。第三章主要介绍了研究内容。将第三章分为四部分:加速分子动力学模拟,分子动力学模拟系统准备,结果和讨论,结论。重点是详细描述第三部分结果和讨论,包括八部分:均方根偏差(RMSD),天然接触,聚类分析,折叠路径,蛋白质折叠过程,自由能地貌,回旋半径演变,不同高温模拟分析以及多轨迹结果。所有的结果分析能够明确的证明了加速分析动力学相对于普通分子动力学能够更加准确快速的使蛋白从线性结构折叠为天然态或近似天然态结构。第四章为总结与展望,主要是对工作进行了简要的总结并对未来加速分子动力学模拟研究的应用表达了自己的一点看法。我们使用加速分子动力学在显式溶剂模型下对蛋白折叠的研究存在局限性,因为我们考虑到折叠时间问题只是研究了残基数目比较小的蛋白,随着加速分子动力学的发展以及计算机水平的提高,相信未来加速分子动力学可以用来研究更大的蛋白体系,也可以研究β折叠。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 综述
•   1.1 研究背景
• 第二章 理论与方法
•   2.1 分子动力学模拟
•     2.1.1 分子动力学模拟基本原理
•     2.1.2 分子动力学模拟积分算法
•   2.2 分子力场
•   2.3 加速分子动力学
• 第三章 显式溶剂中使用加速分子动力学模拟研究蛋白质折叠
•   3.1 加速分子动力学模拟
•   3.2 分子动力学模拟
•   3.3 结果和讨论
•     3.3.1 均方根偏差（RMSD）
•     3.3.2 天然接触
•     3.3.3 聚类分析
•     3.3.4 蛋白折叠过程
•     3.3.5 自由能地貌分析
•     3.3.6 回旋半径（Rg）
•     3.3.7 不同高温度的影响
•       3.3.7.1 聚类分析
•       3.3.7.2 螺旋比例和均方根偏差（RMSD）的分析
•     3.3.8 多轨迹结果
•   3.4 结论
• 第四章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭晓娜

导师: 段莉莉

关键词: 分子动力学模拟,加速分子动力学模拟,螺旋蛋白,显式溶剂,蛋白折叠

来源: 山东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 山东师范大学

分类号: Q51

总页数: 64

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