Mpro-C蛋白三维结构域交换的机理:来自分子模拟的线索

SARS coronavirus main protease (Mpro) is a key enzyme involved in the extensive proteolytic processing of the virus? polyproteins. The crystal structure of Mpro reveals that the enzyme exists in two different homo-dimeric forms: a three-dimensional (3D) domain-swapped form; and a non-3D domain-swapped form. The isolated C-terminal domain (Mpro-C) also forms a 3D domain-swapped structure similar to the ful-length protein. Unlike conventional 3D domain-swapped structures, in which the swapped regions are located on the surface, Mpro-C swaps a helix at the core of a folded domain. In this work, we used molecular dynamics simulations and 3D domain-swapping predictions to investigate how a highly buried core helix in the helix bundle structure of Mpro-C can be swapped. We found that both structure-and sequence-based methods failed to predict the location of the hinge loop in Mpro-C and Mpro. Extensive molecular dynamics simulations were performed to investigate the structural properties of the unfolded monomer and the 3D domain-swapped dimer of Mpro-C. We found that, although the swapped region was buried in the native state, it was exposed in the unfolded monomer. Our results suggest that the opening of the swapped region in the ful y or partial y unfolded state may promote interactions between monomers and the formation of domain-swapped dimers.     

SARS病毒E蛋白的计算机模拟的初步研究

以粗粒化的多肽链模型进行了SARS病毒包膜中E蛋白的计算机模拟,描述了该蛋白质空间构象的概貌.首先扩展了多肽链的HP模型,使之能够用于研究在水或脂环境下蛋白质折叠的行为,并且考虑了全部氨基酸残基疏水相互作用能的差异.相关格子链的MonteCarlo模拟显示了很高的计算效率.模拟再现了蛋白质的coil-globule转变,验证了蛋白质序列分布的重要性.结果表明,在水环境中,E蛋白质空间结构由紧致的疏水内核和部分向外延伸的亲水片段组成;在脂环境中,中部疏水片段会成为向外延伸的环,而当两侧紧致的亲水片段分开时,则形成桥.     

分子模拟中的增强抽样方法

分子模拟在化学、物理、生物、材料等多学科的发展中起着越来越重要的作用。然而,受到当前计算机处理速度的限制,分子模拟计算所能够达到的时间尺度同实验或实际应用中要求的时间尺度相比还存在着巨大的差距。增强抽样方法的发展和应用可以有效地拓宽分子模拟所能研究体系的时间尺度,极大地提高分子模拟的热力学和动力学计算能力。本文中先简单介绍增强抽样方法的发展以及几类增强抽样方法的优缺点,然后重点介绍了我们研究组所发展的温度积分抽样方法(Integrated Tempering Sampling, ITS)的基本思路及其在蛋白质折叠研究中的应用。文章最后总结了增强抽样方法发展的新需求,同时也对此研究方向的广阔发展前景进行了展望。     

谱学与分子模拟研究甲磺酸酚妥拉明与肌红蛋白作用的分子机理

利用紫外吸收光谱、荧光光谱结合分子模拟技术研究了在模拟生理条件下甲磺酸酚妥拉明(phentolamine mesylate,PM)与肌红蛋白(myoglobin,Mb)的作用机制.实验结果表明:药物小分子甲磺酸酚妥拉明与蛋白相互作用时结合位点数为1,表观结合常数KA为5.27×104L·mol-1.分子模拟结果表明:PM在Mb上的结合位点是site1活性口袋,两者通过疏水作用、亲水作用、氢键作用以及静电作用结合.PM与Mb中的氨基酸残基Trp,Tyr和Phe发生疏水相互作用,进而导致Mb的紫外吸收峰强度降低以及荧光的猝灭.它们之间负的ΔG值表明结合反应是热力学允许的。     

二元表面活性剂溶液表面吸附层分子交换能的研究

由于分子间存在的相互作用,表面活性剂混合体系通常比单一表面活性剂更能降低溶液的表面能,该现象称为协同效应或复配增效^[1,2]。由于多元体系组成复杂,迄今仅能用正规溶液理论导出的非理想性参数（又称分子相互作用参数βs）来表征^[3-5],βs愈负,复配增效效果愈好。但如何从分子水平去理解βs至今尚不清楚。本文用二维晶格模型得出协同效应可用溶液表面层的分子交换能来描述,并推导出由βs计算该交换能的相应公式。     

分子模拟在生物传感器研究中的应用

分子模拟通常包括以量子力学和经典力学为基础的两部分,依赖于计算机的大量运算能力。其飞速发展渗透和推动了包括工程类学科以及化学、生物学等许多学科的发展。生物传感器是一个多学科交叉的研究热点.本文以计算机模拟研究中与生物传感器有关的内容作为切入点,简要介绍了计算机模拟技术的原理及生物敏感分子吸附和设计筛选、特异性生物反应过程的原理和优化等方面的研究成果,为应用计算机技术推动生物传感器的开发和应用提供了一些新的思路。     

分子模拟研究过渡金属锰(Ⅱ)取代的磷酸铝MnAPO-14

The structure of manganese(Ⅱ)-substituted aluminophosphate MnAPO-14 with AFN zeotype has been investigated by computational simulation in Cerius² package. Starting from reported structure of MnAPO-14, total 28 theoretical models of Mn-substituted AFN have been built and optimized to obtain their stable conformation. In terms of the host-guest non-bonding interaction and the framework energies, the Mn(Ⅱ)-substituted sites and the bonded sites of two H₂O molecules can be well predicted for MnAPO-14. The simulated structure is in good agreement with that of experimental MnAPO-14. Calculation results suggest that the replacement site of Al by Mn(Ⅱ) atom in AFN is dramatically effected by the guest molecules of organic templating resided in the channels, which is corresponding to the host-guest charge-density matching principle. This work will be helpful for the better understanding the structures of metal-substituted microporous materials.     

坦索罗辛与β-环糊精相互作用的光度法和分子模拟研究

在模拟生理条件下,采用光度法和分子模拟技术研究了坦索罗辛与β-环糊精(β-CD)的相互作用。由实验所得的热力学参数ΔH<0,ΔG<0,说明坦索罗辛与β-CD发生了一个放热、自发的结合过程;由ΔH<0且ΔS<0推断二者主要靠氢键和范德华力发生作用。采用分子模拟技术对其相互作用从分子水平上进行预测,其结果与实验结果基本一致。     

天然无序蛋白质:序列-结构-功能的新关系

天然无序蛋白质是一类新发现的蛋白质,它们在天然条件下没有确定的三维结构,却具有正常的生物学功能,广泛参与信号传递、DNA转录、细胞分裂和蛋白质聚集等重要的生理与病理过程.无序蛋白质的发现是对传统的蛋白质"序列-结构-功能"范式的挑战.在这篇综述里,我们首先回顾了蛋白质的传统范式以及无序蛋白质的发现过程,然后介绍无序蛋白质在结构、序列、功能等方面的特征与相互作用,并以分子识别过程为例,进一步阐述目前国际上对无序蛋白质所具有优势的一些认识与观点.我们还分析了无序蛋白质研究在生命科学和医学等领域的应用前景,并介绍了国内在无序蛋白质领域的研究现状.     

苏丹红Ⅱ与肌红蛋白相互作用的分子模拟与实验

用荧光光谱法研究了苏丹红Ⅱ与肌红蛋白(Mb)之间的相互作用, 实验结果表明,二者结合位点数近似为1, 结合常数K=3.84×107L/mol, 有很强的相互作用. 用分子柔性对接技术模拟确定了它们之间的作用位点、作用力类型及相互作用能. 理论计算的结果表明,苏丹红Ⅱ和Mb相互作用的势能为-9419.9 kJ/mol, 静电能为-7468.8 kJ/mol, 范德华能为-1951.0 kJ/mol. 苏丹红Ⅱ与Mb中His64残基形成氢键, 苏丹红Ⅱ也能与疏水氨基酸残基, 如能产生内源荧光的Phe33、Phe43、Phe106 和 Phe138等发生作用, 这与苏丹红Ⅱ能使Mb荧光猝灭的实验结果是一致的.     

光谱法结合分子模拟分析乳铁蛋白与药物恩诺沙星的互作分子机理

利用光谱实验结合计算机模拟技术研究了药物恩诺沙星(Enrofloxacin,EFLX)与牛乳铁蛋白(Bovine lactoferrin,BLF)的相互作用机理。测定反应体系的结合参数、能量转移参数及热力学函数,考察EFLX对BLF分子构象的影响,并模拟EFLX-BLF结合反应的分子模型。结果表明,药物分子与牛乳铁蛋白的相互作用表现为动态结合过程,结合强度适中,EFLX与BLF分子的结合距离r值较小,说明发生了能量转移现象。EFLX影响BLF的结构域微区构象,降低结合位域的疏水性。荧光相图技术解析出EFLX与BLF反应构象型态的变迁为"二态模型"。EFLX-BLF的热力学参数表明两者间是以氢键和范德华力为主的分子间作用。分子建模结果显示,EFLX与BLF的相互作用主要为氢键和范德华力,兼有疏水作用力。计算机分子模拟与实验测试获得了一致性结果。     

5-硝基-1H-吲哚-2-羧酸与牛血红蛋白相互作用的分子模拟与光谱研究

运用密度泛函理论B3LYP/6-31G*方法对5-硝基-1H-吲哚-2-羧酸(NIA)的几何构型进行了全优化.在这基础上,用分子对接技术确定了NIA与牛血红蛋白(BHb)之间的作用位点、作用力类型及相互作用能.理论计算的结果表明NIA和BHb相互作用的静电能是-208.9 kcal*mol-1,范德华能为-180.5 kcal*mol-1,势能为-389.4 kcal*mol-1.NIA与BHb中A链上的Leu129、Ser133残基形成氢键,而NIA分子中的骨架苯环部分易与疏水氨基酸,包括产生荧光的Tyr残基等发生作用,这与 NIA能使BHb荧光淬灭的实验结果是一致的.     

中药补气与活血分子作用机理的计算机模拟

采用分子相似性分析、分子对接和生物网络技术等计算机模拟方法对治疗冠心病的中药活血与补气的分子作用机理进行研究. 结果表明, 计算机模拟方法可以体现化合物的结构差异, 并提示中药中化学成分与相关靶标相互作用的分子机理, 而生物网络的构建和分析可以将化学成分的聚类、差异, 以及有效成分与相关靶标的复杂分子作用机理可视化.     

光谱法与分子模拟技术研究杨梅素与牛血清白蛋白的相互作用

利用紫外光谱、荧光光谱、红边激发荧光位移(REES)法、圆二色谱(CD)结合分子模拟技术共同研究了模拟生理条件下杨梅素与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用,阐述了相互作用机制.分子模拟结果表明,杨梅素与蛋白在亚结构域II A的疏水腔内结合,主要作用力为疏水作用力和氢键.依据荧光猝灭法判断猝灭机制为静态猝灭,并得到不同温度下药物与蛋白相互作用的结合常数(Ka)及结合位点数(n),根据热力学参数判断出作用力类型,并且计算出杨梅素与蛋白的结合距离,与分子模拟得到的判定结果基本一致.通过紫外光谱、同步荧光光谱以及REES法获得的信息讨论了相互作用时BSA中色氨酸(Trp)微环境的变化;并利用CD谱的测定结果定量计算了BSA二级结构中α-螺旋含量的变化.     

细菌化学趋向性受体聚集体的相互作用

细菌化学趋向性受体的最小结构单元为二聚体,在细胞膜上这些二聚体会聚集成大团簇. X射线晶体结构和低分辨电镜结构测定表明,这些团簇有两类不同的形式,一种是在晶体结构中观察到的倒金字塔式二聚体的三聚体重复形成的聚集,另一种为由二聚体尾部相互盘绕形成的拉链状聚集. 有关拉链状聚集的详细分子模型目前尚不清楚. 本文使用蛋白质-蛋白质对接的方法研究了大肠杆菌丝氨酸化学趋向性受体Tsr 二聚体之间的相互作用. 分子对接计算表明,倒金字塔式聚集和拉链状聚集的基本复合物都是可以出现的,相应复合物的分子动力学模拟表明这些结构都具有一定的稳定性. 对于所获得的拉链状聚集体的基本复合物结构模型进行了详细的二聚体作用界面分析,发现二聚体间主要通过静电和疏水作用形成复合物,其中Arg388、Phe373 和Ile377是形成拉链状聚集的关键作用残基. 所建立的Tsr 拉链状聚集的结构模型有助于揭示细菌化学趋向性受体在细胞膜上聚集的分子机制,为进一步的聚集理论及模拟研究提供了基础.     

光谱法与分子模拟对左旋紫草素和人血白蛋白键合作用的研究

采用荧光光谱法、紫外吸收光谱法和圆二色性光谱(CD)研究了模拟生理条件下左旋紫草素和人血清白蛋白(HSA)的相互作用,计算了反应的结合常数、结合位点数和热力学参数,并探讨了左旋紫草素对人血清白蛋白二级结构的影响.在温度为292、303、310和318 K时,根据Scatchard方程测得左旋紫草素和HSA的结合常数分别为3.118×10~6、0.249×10~6、0.112×10~6 和0.102×10~6 L·mol~(-1),结合位点数分别为1.308、1.094、1.026和1.018;焓变(ΔH)和熵变(ΔS)分别为-104.82 kJ·mol~(-1)、-238.18 J·mol~(-1)·K~(-1),左旋紫草素在人血清白蛋白上的结合位置与色氨酸残基间的距离为2.66 nm.分子模型研究表明,左旋紫草素与HSA在亚结构域ⅡA结合,二者间的作用力主要为疏水和氢键作用力.CD结果表明,左旋紫草素与HSA的键合使HSA中α-螺旋结构含量从55.80%降到52.31%.     

光谱法及分子模拟研究芹菜素与人血清白蛋白的相互作用

利用紫外光谱、荧光光谱、红外光谱、圆二色光谱及分子模型等技术,在生理pH条件下,研究了芹菜素与人血清白蛋白的相互作用,计算了结合常数和热力学参数。分子模型研究表明,芹菜素与人血清白蛋白在亚结构域ⅡA结合,二者间的主要作用为疏水作用和静电作用,这与荧光光谱所得结果基本一致。红外光谱、圆二色光谱及同步荧光光谱均显示芹菜素与人血清白蛋白结合后没有改变人血清白蛋白的二级结构。     

细菌化学趋向性受体聚集体的相互作用

细菌化学趋向性受体的最小结构单元为二聚体,在细胞膜上这些二聚体会聚集成大团簇.X射线晶体结构和低分辨电镜结构测定表明,这些团簇有两类不同的形式,一种是在晶体结构中观察到的倒金字塔式二聚体的三聚体重复形成的聚集,另一种为由二聚体尾部相互盘绕形成的拉链状聚集.有关拉链状聚集的详细分子模型目前尚不清楚.本文使用蛋白质-蛋白质对接的方法研究了大肠杆菌丝氨酸化学趋向性受体Tsr二聚体之间的相互作用.分子对接计算表明,倒金字塔式聚集和拉链状聚集的基本复合物都是可以出现的,相应复合物的分子动力学模拟表明这些结构都具有一定的稳定性.对于所获得的拉链状聚集体的基本复合物结构模型进行了详细的二聚体作用界面分析,发现二聚体间主要通过静电和疏水作用形成复合物,其中Arg388、Phe373和Ile377是形成拉链状聚集的关键作用残基.所建立的Tsr拉链状聚集的结构模型有助于揭示细菌化学趋向性受体在细胞膜上聚集的分子机制,为进一步的聚集理论及模拟研究提供了基础.     

N-(1-萘基)琥珀酰亚胺分子间相互作用的计算机模拟

对分子间相互作用比较复杂的N-(1-萘基)琥珀酰亚胺进行理论计算时, 提出了将溶液构建和随机构象搜索相结合的多分子相互作用体系构建方法, 可以简单而准确地得到二聚体和三聚体结构, 其中二聚体结构和采用分子对接方法得到的结果完全一致. 经密度泛函理论计算, 得到了在真空条件下二聚体结构的最低能量构象. 对较大体系的三聚体结构采用高精度分子力学进行了理论计算. 通过分子间相互作用对分子构象的影响讨论了溶液结晶过程中N-(1-萘基)琥珀酰亚胺分子构象变化, 为该化合物结晶机理的深入研究提供重要依据.