模型多肽Trp-Cage折叠形成机制的研究进展

蛋白质折叠是目前结构生物学领域的核心问题之一, 理解蛋白质结构折叠机制及其与生物功能之间的相互关系一直是生命科学家非常重要的研究内容, 并且该研究受到越来越多不同学科领域研究工作者的高度重视. 蛋白质大多数在数十毫秒、微秒或几秒内完成自我折叠过程, 但其折叠过程中所发生的分子结构精细转变却在纳秒甚至更短时间尺度内完成. 由于其折叠时间分辨率的限制, 目前无论是从常规实验还是理论计算角度对其研究都存在一定的难度. 本文首先概述了蛋白质折叠研究在实验和理论模拟方面存在的一些问题,然后以结构典型且可快速折叠的人工设计多肽Trp-cage为例,主要对其折叠过渡温度、折叠形成模型及其肽链上关键氨基酸残基在折叠过程中的作用三个方面进行了详细讨论, 综述了模型多肽Trp-cage的折叠动力学行为分别在实验和理论模拟方面的研究进展. 最后就如何有效化解蛋白质残基间相互作用网络进而降低其折叠机制的复杂性提出了一些新的建议, 不仅有助于阐明该迷你蛋白Trp-cage快速折叠、稳定形成的驱动力成因, 而且也能为蛋白质折叠机制研究和多肽设计提供有益参考.     

非酰胺类共轭分子的折叠

本文综述了几类人工合成的非酰胺类共轭分子为单元的寡聚体和聚合物的构象调控策略,运用超分子化学手段构建有序二级结构.主要介绍刚性的苯乙炔及其并入杂环或金属Pt等的共轭体系的折叠,三氮唑以及与三氮唑杂交的结构的折叠,富电子供体分子与缺电子受体分子相互作用形成折叠结构,自由基二聚形成折叠,以及芳香堆积产生的折叠.这些折叠过程可形成螺旋、发夹、片层、双螺旋等多种二级结构形式.     

DNA纳米技术研究进展

DNA不只是遗传物质,还能通过折叠形成特定的二维、三维结构,作为一种天然纳米材料可参与各种功能结构和纳米器件的构造。DNA纳米技术从被提出到现在的三十多年间,得到了飞速发展,被应用于众多领域,对纳米科学产生了重大影响。本文将主要从三种典型的DNA纳米结构和DNA纳米技术的应用两个方面进行综述,并对DNA纳米技术的前景进行展望。     

DNA体外缩合的研究进展

DNA缩合不仅是自然界常见的生理现象,也是非病毒载体介导基因转染的关键步骤。了解DNA体外缩合的性质与特征,将有助于设计出高效的非病毒转基因载体。本文综述了近十几年来以多价阳离子为缩合剂诱发的DNA体外缩合的研究进展,着重介绍了缩合的机理、过程、影响缩合的因素以及应用于转基因的最新成果。     

蛋白折叠中的暂态结构与表面水分子慢尺度动力学

蛋白表面水的慢尺度动力学行为往往被认为与蛋白的结构稳定性、功能以及折叠过程有关, 但在分子水平上, 还不清楚水分子的慢尺度动力学如何参与蛋白折叠过程. 以Trp-cage蛋白作为个案, 本文利用40条100 ns(总长4 μs)的全原子分子动力学轨迹,分析了蛋白折叠过程中蛋白表面水分子的停留行为,并探究影响蛋白表面水分子慢尺度行为的微观因素. 结果发现, 即使在蛋白折叠过程中蛋白拓扑结构变化很大, 残基之间也会形成稳定的局部暂态结构. 这些结构为水分子提供饱和、稳定的氢键, 通过与水分子之间的极性相互作用, 以及凹形的几何结构, 约束水分子长时停留, 我们称之为“停留中心”. 停留中心的形成是引起水分子慢尺度行为的重要因素. 另外, 停留中心的分布与蛋白折叠的进程有密切关系, 特别地, 在折叠轨迹中, 疏水核周围的残基组成了一个主要的停留中心. 研究结果不但有助于解释水分子慢尺度特征行为的来源, 还可以为实验中通过研究水分子在蛋白附近的慢尺度行为, 揭示蛋白折叠过程中的关键步骤提供一些启发.     

pH对DNA折纸纳米结构折叠与溶液稳定性的影响

研究了不同pH环境对2种使用M13链作为骨架链的常见DNA折纸折叠与稳定性的影响,获得了其在pH=4~11这一广泛范围内的耐受性数据.首先观察了在不同pH缓冲液中的三角形DNA折纸自组装折叠行为,发现其合适pH范围为6~9,过高或过低的pH都不能退火形成折纸结构.另一方面,又研究了在标准pH缓冲液中预先制备的DNA折纸,对不同pH环境的耐受性.研究发现,在pH值为5~10的溶液环境中,DNA折纸均保持一定稳定.比较以上2种研究方法获得的结果,可以发现,相比在不同pH缓冲液中从头退火制备,已形成的DNA折纸对酸碱有较好耐受性.另外,研究也发现,长方形折纸和三角形折纸稳定性相似,都能在pH=5~10的环境中保持至少12 h的稳定性.据此,还提出了pH对折纸稳定性的可能影响机理,认为其对氢键的破坏及对DNA链造成的断裂共同导致了DNA折纸结构的破碎.     

肽β聚集的分子动力学模拟

选择一个可以形成淀粉样纤维的九肽作为研究对象,分别在酸性和碱性的环境下,运用分子动力学模拟的方法研究了这个九肽的β聚集结构,并且研究了它们的热稳定性.结果表明,在碱性环境下,九肽倾向于形成平行折叠结构,而在酸性环境下,九肽倾向于形成反平行折叠结构,与实验结果一致.此外,无论是构成哪种折叠,肽链都沿折叠的生长方向成左手螺旋状排布,但是相邻的肽链间的扭转角度不同,平行的扭转角小于反平行的扭转角,由此可以推断,平行的β折叠更容易形成β折叠片之间的堆积,因此可以在一定程度上解释在碱性环境下的九肽淀粉样纤维的直径大于在酸性环境下淀粉样纤维的直径这一实验结果.     

人类朊蛋白的动力学稳定性研究（英文）

朊蛋白病是一种能在人类或者动物之间传播的致命的神经退行性疾病.尤其是人类朊蛋白疾病在近几年蔓延迅速,已经威胁到人类的健康.在本文中,我们使用分子动力学(MD)和流体分子动力学(FMD)模拟相结合的方法研究了人类朊蛋白(hPrPc)的动力学稳定性.我们通过FMD模拟产生了两个典型的hPrPc的变性结构,并进一步研究了在自然状态下这两个变性结构重折叠的过程,从关键残基、二级结构、残基-残基相互作用图等方面详细讨论了hPrPc的解折叠和重折叠路径.研究发现hPrPc的三个α-螺旋结构组成了一个疏水核心,在蛋白质的解折叠和重折叠过程中发挥了重要的作用.刚性的疏水核心就像是脚手架一般为hPrPc的重折叠提供便利.在重折叠过程中,π-螺旋和310螺旋出现几率较高,并且β-折叠的延长也更多地出现在完全解折叠的hPrPc体系中.     

基于DNA分子的纳米功能材料的设计、组装及应用

DNA除了作为一种遗传信息的载体分子之外,还可以通过折叠或组装从而形成特定的二维和三维结构。通过设计DNA分子的结构并探索其与纳米材料之间的相互作用的研究已经引起了国内外学术界的持续关注。DNA功能化的无机纳米材料促进了分析科学、生命科学以及环境科学的快速发展。本文将从疾病分子机制研究、疾病诊断和疾病治疗三个角度出发,探究面向生物医学分析应用的DNA分子功能化的无机纳米材料的设计与组装。除此之外,还对DNA功能化纳米材料技术的发展前景进行了展望。     

高分子的折叠与聚集

总结了作者有关高分子折叠和聚集方面的工作。最初,作者研究了聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）均聚物的折叠或叫做“线团-塌缩球的转变”,然后研究了含有疏水和亲水基团的PNIPAM共聚物的折叠。作者研究了疏水作用和亲水作用对折叠的影响,发现了融化球,有序线团等折叠过程中的中间态。另一方面,作者研究了两亲性高分子在水中的聚集与稳定。作者的结果表明,如果高分子链所形成的稳定聚集体为核-壳结构,则每个亲水基团所占有的面积为一个常数。如聚集体不是核-壳结构,即部分亲水基团分布在聚集体内部,则上述关系不再成立。随亲水基团含量的增加,聚集体将由球状变为超枝化结构。     

微流控超快混合器及生物大分子折叠动力学应用研究进展

生物大分子如蛋白质或核酸的功能与其三维结构密切相关,折叠动力学研究可揭示生物大分子从自由的一级结构形成具有活性高级结构的动态过程,近年来倍受科学界重视。生物大分子的折叠过程一般发生在毫秒、微秒甚至是亚微秒时间水平,而启动折叠反应则需在更短的时间内完成。基于微流控芯片的超快混合器能使溶液在短时间内达到完全混合从而触发反应,已被广泛应用于生物大分子折叠动力学研究。该文系统评述了超快微混合器的国内外研究进展,并介绍了其在大分子折叠动力学研究中的应用。     

用毛细管电泳研究酿酒酵母细胞凋亡过程

用乙酸和葡萄糖作为诱导试剂，研究酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）凋亡细胞的毛细管电泳特征及凋亡细胞DNA的荧光光谱特征。发现不同的诱导条件，凋亡细胞的形态、DNA片段化特征不同。荧光光谱证实：乙酸能与脱氧核糖核酸链上的特异位点相结合，形成一种新的加合物，从而断裂DNA；而葡萄糖诱导产生的凋亡过程是一种新陈代谢失调促凋过程，发现两者启动细胞凋亡程序的因素不同。     

常见无机含氧酸及其盐缩合性规律

从若干酸分子中失去水分子形成多酸的过程称为缩合过程。多酸即缩合酸,其结构特点是简单含氧酸根通过氧原子以角、棱或面相连而成,有链状、环状及架状的结构。     

蛋白质全新设计：八残基序列形成发夹结构的圆二色谱

β-发夹是天然蛋白质中丰富的二级结构单元之一，在蛋白折叠和功能方面扮演着重要角色.文章报导了二条多肽序列（LTVd-PGLTV，n7和 LTVGDDTV， n5）的设计、合成和园二色谱研究结果.结果显示，n5在198 nm附近呈现负峰，表现为非规整结构特征；相反，n7表现为典型的发夹结构特征，在218 nm附近呈负峰,196 nm附近呈正峰，为β-转角与β-折叠的共同贡献.初步研究表明，β-转角、序列关系和氨基酸形成β-折叠结构倾向性是β-发夹结构形成和稳定的决定性因素.     

温控分子动力学研究微管蛋白活性肽链的折叠机制

运用温控和常温分子动力学方法, 研究了微管蛋白活性部位Pep1-28肽链的折叠机制, 总模拟时间为380.0 ns. 对于温控分子动力学, 逐渐降温可以清晰显示Pep1-28肽链的折叠途径, 发生明显折叠的温度约为550 K, 其折叠和去折叠可逆机制为U(>1200 K)←→I1(1200-1000 K)←→I2(800 K)←→I3(600 K)←→I4(450 K)←→F1(400 K)←→F2(300 K), 其中U为去折叠态构象, I1、I2、I3和I4是折叠过程中的四个重要的中间态构象, F1和F2是两个结构相近的折叠态构象. 对于常温(300 K)分子动力学, 其构象转变和折叠过程相当迅速, 很难观察到有效、稳定的中间态构象. 尤其引人注意的是, 其折叠态结构陷入了能量局域极小点, 与温控(300 K)的有较大差异, 两者能量差高达297.53 kJ·mol-1. 可见, 温控分子动力学方法不仅清晰地显示多肽和蛋白质折叠过程的重要中间态构象, 为折叠和去折叠机制提供直接、可靠的依据, 而且还有助于跨越较高的构象能垒, 促使多肽和蛋白质折叠以形成全局能量最低的稳定结构.     

DNA与非离子糖基表面活性剂相互作用的研究

用动态表面张力法、键合等温线、紫外光谱及荧光光谱等方法研究了不同链长烷基葡萄糖苷(APG)与DNA的相互作用．研究发现APG对DNA键合可分为两阶段,第一阶段：多苷依靠多羟基结构与DNA形成动力学稳定的复合物;第二阶段：随时间延长,单苷由于其较小的空间位阻而与DNA形成能量更低的热力学稳定复合物．由平衡渗析法得到的单苷与DNA相互作用键合等温线显示,APG与DNA键合为一非协同过程．证实了其非离子氢键吸附的本质,同时也支持了DNA对胶束及预胶束的缠绕模型．紫外光谱结果证明了在APG与DNA作用过程中疏水作用的重要性．以溴化乙锭为探针,荧光光谱法研究证明,随APG链长增加,DNA构象缩拢程度加大,但即使是C2APG也仅能使DNA构象部分缩拢,推测DNA仅是部分链段对APG胶束进行包裹,其它链段仍处于伸展状态．与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)可使DNA构象强烈缩拢的事实相比,证明了静电作用在大分子与表面活性剂相互作用中的主导性．     

古细菌RNase HII与金属离子结合的热力学研究

RNase H是一种专一性水解RNA:DNA杂合链中RNA链的核糖核酸酶,它广泛存在于从原核生物到人的生物体中.本文通过等温滴定量热技术研究了Mg2＋,Mn2＋和Ca2＋与一种古细菌Methanococcus jannaschii中的II型RNase H结合的热力学.首次用这种方法获得了这一结合过程的热力学参数.并证实了这些金属离子与RNase HII按1∶1结合.为RNase HII酶反应机理和折叠研究提供了重要信息.     

古细菌RNase HⅡ与金属离子结合的热力学研究

RNase H是一种专一性水解RNA:DNA杂合链中RNA链的核糖核酸酶,它广泛存在于从原核生物到人的生物体中.本文通过等温滴定量热技术研究了Mg2+,Mn2+和Ca2+与一种古细菌Methanococcusjannaschii中的Ⅱ型RNase H结合的热力学.首次用这种方法获得了这一结合过程的热力学参数.并证实了这些金属离子与RNaseHⅡ按1:1结合.为RNase HⅡ酶反应机理和折叠研究提供了重要信息.     

非天然相互作用对均聚多肽链螺旋形成动力学过程的影响的计算机模拟研究

以螺旋结构的形成过程为研究对象,基于粗粒化的格子模型和动态蒙特卡罗模拟方法,初步探讨了非天然氢键相互作用对均聚多肽链螺旋折叠动力学过程的影响.研究发现,非天然氢键的引入虽然延缓了其热力学转变的发生,但也从整体上降低了折叠动力学过程的能垒,在某一特定温度之下,反而可以提高折叠速率.对其折叠路径分布的分析表明,非天然氢键可以减少慢速折叠路径的发生,而后者是导致折叠时间增加的主要因素.另一方面,比较特定温度下多肽链链构象及螺旋片断随时间的演化进程,发现非天然氢键在一定程度上影响了天然氢键的形成以及天然态构象的稳定存在,同时也加快了其部分解折叠过程.这说明,非天然相互作用的存在有利于蛋白质构象的快速动态调整,从而行使其相应的生物功能.     

在微机上实现分子力学模拟B-DNA

DNA是典型的螺旋结构，关于它的模拟方法有很多种，本文将探讨一种能在微机上用分子力学模拟B型DNA的方法，该方法以Cs Chem3D软件包中MM2为支持力场，搭建和几何优化B－DNA，并对模拟B－DNA的构象特征进行详细分析以证实此方法的可行性。