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基于 PDB 卷曲库研究迷你蛋白侧链特性对其结构折叠的影响
基于 PDB 卷曲库研究迷你蛋白侧链特性对其
结构折叠的影响
摘要:蛋白质天然态结构的稳定形成是其发挥生物学功能的生物物理基础,研究蛋白质
残基间相互作用与其结构折叠形成的关系一直是结构生物学研究重点之一。分子动力学
(Molecular dynamics, MD )模拟可从原子细节描述蛋白质结构折叠变化,其计算精度取
决于分子力场的准确度。本论文首先利用常见的 OPLSAA/L 力场和基于 PDB 卷曲库优
化得到的 OPLSAA/C 力场对迷你蛋白 Trp-cage 折叠机制进行 MD 研究。结果表明:在
OPLSAA/L 力场下,该蛋白在 0.5 μs 和 1.0 μs 内都折叠为错误折叠态构象(M ,RMSD=6.8
Å ,Q=0.1 ),其错误折叠路径为:D ↔ Ts ↔ I ↔ M ;而在OPLSAA/C 力场下,蛋白结构
在 1.0 μs 内可快速地折叠为近天然态构象(N ,RMSD=1.2 Å ,Q=0.95 ),其折叠路径为:
D ↔ I1 ↔ I2 ↔ N ,符合扩散-碰撞机制模型。这表明基于 PDB 卷曲库引入一些特殊非
键相互作用后获得的 OPLSAA/C 力场能够有效提高结构折叠准确率和构象采样效率。
然后利用 OPLSAA/C 力场进一步研究残基侧链特性对其结构折叠的影响机制。实
验发现突变体 N1G 、S13G、R16G 、P18G 和 S20G 能够折叠至近天然态结构,突变体的
二级和三级结构形成良好,仅突变残基位点的局部结构出现一定破坏;突变体 I4G、W6G 、
L7G 、K8G 和 P19G 的优势构象中二级结构完全消失,残基间的疏水相互作用形成错误,
三级结构发生解折叠或错误折叠;其他的 7 个突变体 L2G 、Y3G 、Q5G、D9G 、P12G 、
S14G 和 P17G 虽然未出现显著的解折叠和错误折叠,但是相应残基的二级结构发生损
失,同时还导致疏水残基间疏水相互作用无法正确形成。研究发现残基间协同相互作用
对其结构折叠至关重要,另外具有相同侧链的氨基酸残基(Ser13 和 Ser14 )由于其侧
链所处位置的不同导致其对结构的折叠贡献程度也不同。
最后,通过理论计算和生物实验相结合的方法对 A. lepigone 的信息素结合蛋白
AlepPBP1 与两种性信息素(Z7-12 :Ac 和 Z9-14 :Ac )结合模式研究发现非极性残基所
涉及的疏水相互作用是 AlepPBP1 蛋白与 Z7-12 :Ac (Phe36 、Trp37、Phe118 )和 Z9-14 :
Ac (Phe36 、Trp37、Val52 、Phe118 )性信息素结合的主要驱动力。这与迷你蛋白结构折
叠驱动力一致,该研究结果为蛋白结构改造、优化设计以及靶点结合改造提供理论指导。
关键词:迷你蛋白 Trp-cage ,分子动力学模拟,分子力场,残基突变,信息素结合蛋白
I
淮北师范大学 2020 届硕士研究生学位(毕业)论文
Computational Studies on the Influence of Side-chain
Interactions of Trp-cage Mini-protein on its Structural
Folding Dynamics Based on Statistical Analysis of PDB
Coil Library
Abstract: Protein structure corresponding to natively-folded state is the biophysical basis for
its biological function. Protein inter-residue interactions, its folding mechanism and the
relationship between them have always been focused in structural biology. Molec
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