QIBEBT-IR  > 蛋白质设计研究组
分子动力学模拟在蛋白质热稳定性研究中的应用
洪景波
导师姚礼山 ; 兰峥岗
2013-07
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业化学工程
关键词分子动力学模拟 自由能变计算 解折叠参考态 化学位移 温度系数 二硫键设计 蛋白热稳定性
摘要利用当前计算机模拟技术研究有关蛋白质分子热稳定性质并应用于蛋白质分子设计改造是一前沿热点,不仅有助于人们深入把握蛋白质结构与功能关系,还有利于拓展实际蛋白应用的适宜温度范围,改善大规模应用推广条件。通过计算突变自由能来衡量蛋白体系热稳定性的改变是其中的一种研究方法,然而,这种模拟计算涉及蛋白解折叠参考状态,而体系真实解折叠状态难以由模拟得到,采用的参考态替代模型常导致与实际状况有明显出入。针对于此,本论文第一部分工作以GB3蛋白C-b折叠片小肽片段为体系,通过并行退火算法模拟小肽的解折叠并获取代表性解折叠构象,然后分别用小肽解折叠真实构象和模型替代状态计算各残基突变至丙氨酸的自由能。从小肽解折叠构象内部残基与残基间的作用能量和作用接触具体分析表明小肽解折叠构象内部残存相互作用,这些残余作用解释了各残基突变的自由能变计算结果差异。此外还得出总能量情况与残基接触两者之间具有相关性,这表明可通过残基接触定性描述内部能量作用。论文第二部分则结合实验测定数据,通过模拟计算研究了GB3蛋白升温膨胀的NMR信号1HN化学位移和3hJNC¢耦合常数的温度系数之间关系,发现这两者的相关性显著,说明1HN化学位移温度系数与表氢键强度的3hJNC¢耦合常数温度系数之间有着某种相通之处。随后基于并行退火动力学模拟蛋白体系膨胀的结果,确定是氢键距离变动对1HN化学位移温度系数起主要作用,并给出了一项估算酰胺原子氢键距离膨胀系数的经验方程,这部分阐明1HN化学位移温度响应的一种可能作用机制。论文第三部分通过高温模拟Cel7B蛋白热膨胀并从残基接触角度考察内部原初作用接触存在与消失的整体与局部情况,在予以图形显示后据此把握蛋白内部作用能量强弱以及各片段的耐热程度,进而定位出对温度变化敏感的片段对(区),如:第一个片段F1与其空间相邻片段F5F6F15;片段F8与其上部片段F6F7F30;片段F12与其周围片段F27F28F29F30;活性区附近的F16片段与其周边的F4F14F19F20片段;F20与片段F19F24F25;片段F27与片段F29F30等。针对这些接触不稳区域进行的稳固性二硫键设计结果得出了几个有可能会提高Cel7B蛋白热稳定性的新型突变体。
其他摘要Taking advantage of computer molecular simulation techniques to conduct related researches of protein thermostability and to facilitate the design and modification of protein molecules has been a hot field. This is not only helpful to grasp the relationship between protein structure and function in depth, but also favourable to broaden the optimum temperature range of protein applicability and improve the conditions for large-scale applications. One of the study methods frequently utilized is through calculation of the free energy change for site mutagenesis to estimate the relative thermostability of protein system. However, this type of modeling and calculation process involves the protein unfolding reference state, which is always unattainable computationally in practice. Thus, a model of the real reference state has to be taken into the calculation, but this sort of procedure often leads to an obvious deviation from real conditions. To investigate this kind of discrepancy, we conducted a study in the first part of the thesis research. The C-terminal b-hairpin peptide of the third IgG-binding domain of protein G (GB3) was chosen as the system, which was then subject to a parallel tempering MD simulation to acquire its representative unfolded conformations. Alanine scan free energy calculations were performed to evaluate the free energy changes for the unfolded conformations and the model peptide GXG. We carried out an unfolded conformational analysis to evaluate contacts and residue-residue interaction energies. The analysis indicated that some remained native residue contacts contribute to the weak residue-residue interaction in the unfolded conformations. The residual interaction also gave an explanation of the free energy differences among residues of the unfolded conformations. In addition, a relationship between the distribution of residue contacts and the total residue-residue interaction energy was found, which inspired us to grasp the energy interaction effect directly through residue contacts. In the second part of the thesis research, we carried out both experiments and simulations to measure and compute the two temperature coefficients of amide 1HN chemical shift and 3hJNC’ coupling in GB3 protein, and found a strong correlation between the two coefficients. This kind of relationship implied that the two coefficients may possess the same origin. Through the parallel tempering MD simulation of the protein expansion, we found that the hydrogen bond distance variation contributed the most to the 1HN chemical shift temperature coefficient and proposed an empirical equation to calculate the hydrogen bond distance temperature coefficient, thereby partly elucidating the mechanism responsible for the temperature response of the amide 1HN chemical shift. The third part of the thesis research consists of high temperature MD simulations of Cel7B protein expansion, as well as the analysis of time development of native residue contacts. After converting the data to graphic representation, we obtained the information on the unstable interactions inside the protein and identified those temperature sensitive unstable fragments, such as: the first loop fragment F1 and its spatially neighboring fragments F5, F6 and F15 (The details of the fragment definition are provided in the thesis); the lower loop area fragment F8 beside the cellulose binding cleft and fragments F6, F7 and F30 at the top of the cleft; loop fragment F12 and its neighboring fragments F27, F28, F29 and F30; fragment F16 near catalytic region and fragments F4, F14, F19 and F20 in the vicinity; loop fragment F20 and fragments F19, F24 and F25; fragment F27 and fragments F29 and F30. The subsequent design of novel disulfide bond linkages based on these temperature sensitive fragment pairs produced several protein variants with a likely high thermostability
作者部门仿真与模拟
学科领域仿真与模拟
公开日期2013-07-13
学位类型硕士
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.qibebt.ac.cn/handle/337004/1522
专题蛋白质设计研究组
推荐引用方式
GB/T 7714
洪景波. 分子动力学模拟在蛋白质热稳定性研究中的应用[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2013.
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