环糊精葡葡萄糖基转移酶热稳定性的研究

环糊精葡萄糖基转移酶(CGTase;EC 2.4.1.19)是一种重要的环糊精生产工业用酶,该转移酶能进行环化、偶合、歧化、水解4种反应.环糊精广泛的用于食品、医药、化妆品、农业和化学工业等生产领域,为了提高环糊精的产量,需要CGTase具有更高的热稳定性.合理的设计耐热蛋白已经成为研究热点.在本文中,首次使用分子动力学模拟研究CGTase热稳定性,以补充实验上不易获得的原子能级和时间相关的信息.使用同源建模方法构建环糊精葡糖基转移酶及其突变体的三维结构,研究氨基酸的突变对CGTase酶耐热性的影响,用CHARMM能量计算CGTase及其突变体的能量与酶蛋白热稳定性之间的关系.证明:氨基酸残基经过突变,突变型比野生型含带电残基更多.相应的,在蛋白天然结构中突变型CGTase中,盐桥数量增加了10%.这些电荷之间、非极性残基之间的非共价键作用力的增强,提高了突变体的刚性,降低了突变体蛋白质分子的总能量,最后增加突变体蛋白质的耐热性.     

系统发育与古细菌Val-tRNA合成酶耐热性的关系

嗜热古细菌和常温古细菌的氨基酰-tRNA合成酶在生物合成蛋白质中都起着至关重要的作用,它们的功能相似而耐热性相差很大。为了阐明氨基酰-tRNA合成酶的耐热机制,本文从进化角度研究了具有全基因组的8种超高温古细菌、3种高温古细菌和2种常温古细菌的Val-tRNA合成酶耐热性的差异。从构建的进化树可知,不同的微生物依据其耐热性而严格的分开;进化关系较近的4种微生物,都是产甲烷的古细菌;序列比对结果表明,耐热Val-tRNA合成酶中的带电荷氨基酸随着进化,突变为疏水性氨基酸,表明常温Val-tRNA合成酶中缺乏像耐热Val-tRNA合成酶中形成盐桥的氨基酸。这表明盐桥是氨基酰-tRNA合成酶耐热的主要因素。     

以分子动力学模拟探究苹果酸脱氢酶的嗜极机制

为了研究嗜热酶、嗜冷酶在极端温度下维持稳定性和活性的机制,本文通过分子动力学模拟的方法,从原子尺度上分析了嗜热苹果酸脱氢酶及其同源嗜冷酶的分子动力学特性。数据显示嗜热酶所形成的盐桥和氢键明显多于嗜冷酶。通过比较均方根偏差、回旋半径、氨基酸残基的柔性等值,发现嗜热酶的结构较非嗜热酶更具刚性。盐桥、氢键数目的不同和整体结构的刚柔性,很可能会是嗜热、嗜冷酶在极端温度下能维持结构稳定的主要原因。     

环糊精葡萄糖基转移酶N-端热稳定性研究

环糊精葡萄糖基转移酶(CGTase;EC2.4.1.19)是生产环糊精的重要工业用酶,由于工业生产条件的高温加热,使得CGTase的使用受到很大限制。除了筛选合适菌种外,人们更希望利用蛋白质工程手段改造CGTase的热稳定性。文中采用分子动力学模拟取样研究了CGTase的N-端环状区域中氢键与盐桥对其耐热性的影响作用。结果表明:随着模拟温度的升高,非电荷-非电荷氢键占有率显著降低,带电荷-带电荷氢键占有率并没有太大变化,高温下能够保持稳定的氢键几乎都是和带电氨基酸有关;由盐桥的断裂次序的分析,发现在高温下多数盐桥的占有率并没有显著降低,即盐桥的稳定存在对于抵抗高温是有效的。无论是氢键还是盐桥,它们的相同点都是带电荷-带电荷之间的反应受温度影响不大。这一结果说明在蛋白质CGTase中合适的位置增加带电氨基酸数量,增强电荷间静电相互作用,对于提高CGTase的热稳定性是有效的。     

Thermotoga martima嗜热木聚糖酶化学修饰结果与其结构特性关系研究

应用化学修饰的实验方法,结合蛋白质结构信息的计算来研究酶蛋白中氨基酸残基化学修饰与结构信息之间的关系。以Thermotoga maritima嗜热木聚糖酶为对象,采用PDB数据库中的1VBR为模板计算其序列中色氨酸、谷氨酸、天冬氨酸的溶剂可及性、氢键、盐桥数等结构特性,并与该酶化学修饰的实验结果相对比。结果表明酶活性中心3个色氨酸中,可及性大的Trp802与Trp602两个残基对酶的活性影响较大;序列中谷氨酸与天冬氨酸的氢键、盐桥数较多,修饰其对酶的热稳定性有很大影响。此结果有助于深入了解蛋白质中与化学修饰有关的结构特性,并为基于蛋白质结构的酶蛋白改性奠定了基础。     

VEGF-B与去甲斑蝥素相互作用的分子动力学研究

利用分子对接(Molecular docking)结合分子动力学(Molecular dynamics,MD)模拟方法,建立去甲斑蝥素(Norcantharidin,NCTD)与血管内皮生长因子B(Vascular endothelial growth factor B,VEGF-B)的相互作用模型,分析二者的结合方式,结合能力,探究NCTD与VEGF-B的相互作用机制。结果表明,分子对接生成稳定的NCTD/VEGF-B复合物,NCTD与VEGF-B蛋白主链的Tyr117,Cys156,Gln46形成了氢键。经4ns的MD模拟后,NCTD/VEGF-B复合物体系达到了平衡,分析动力学轨迹并计算结合自由能证明了NCTD与VEGF-B的结合稳定合理。氢键、静电作用和疏水性为NCTD与VEGF-B稳定结合的主要贡献。本工作模建结果对开展NCTD抑制VEGF-B活性来控制肿瘤发生具有一定的理论意义。     

活性肽搜寻与蛋白模拟水解数据库的建立

利用Microsoft Office XP中的Access XP数据库软件建立3个数据库系统,蛋白质数据库包含小麦面筋、大米、玉米等常见食物蛋白质序列23739条,活性肽数据库包含ACE抑制肽、免疫肽、阿片肽等生物活性肽序列1396条,以及常见的蛋白质水解酶信息。数据库与编制的“生物活性肽搜寻与酶解模拟系统”程序配合,实现单条、多条活性肽序列在蛋白质中批量搜寻,并找出活性肽含量的链长百分比,活性肽在蛋白质中的位置和前后氨基酸的种类,实现肽的活性不完全归纳预测活性,实现蛋白质用单酶或者复酶的模拟水解并标出水解产物中活性肽及其功能。     

蛋白质虚拟定点突变和饱和突变软件的开发

定点突变和饱和突变是研究蛋白质结构与功能关系、获取新酶的重要手段.如何在计算机上快速、准确地获取突变序列是实施高通量虚拟筛选的首要问题.本文提出一种可满足虚拟突变需求的软件架构,开发出一个蛋白质虚拟突变软件"PMu",拥有序列检查、定点突变和饱和突变3个模块.序列检查模块可代替人工校对,剔除输入序列中潜在的非法字符,为后续分析提供正确的、符合规范的数据.定点突变模块根据用户指定的位点和目标残基,启动对输入序列的自动突变功能,此突变包括替换、删除、插入3种形式.饱和突变模块通过分化参数设置,灵活实现标准饱和突变、自定义饱和突变和亚饱和突变等处理.该软件为相关研究快捷地提供准确的突变序列,可进一步用于同源建模、能量分析、分子动力学模拟以及实际的突变实验等.本文还探讨突变处理中计算机的运算特性,并指出该类型软件今后的2个发展方向.     

真空条件下扑热息痛的α-环糊精包合物的分子动力学模拟

真空状态下,扑热息痛药物分子(客体)和α-环糊精(主体)形成的包合物,在一定时间内动态微观结构分子动力学模拟的研究结果表明:扑热息痛分子可以通过两端亲水,中间疏水的三重作用,与α-环糊精形成稳定包合形式,由于空穴狭小,致扑热息痛分子的运动大受限制;计算结果表明:扑热息痛和α-环糊精包合后势能明显下降,原因为两者之间的范德华相互作用和氢键作用。本文还给出了主客体包合物的时间平均构象。最后,分子动力学模拟结果,通过UV光谱和理论UV光谱实验的对比得到了验证。     

基于2009甲型H1N1流感病毒神经氨酸酶的分子对接研究

神经氨酸酶(NA)是流感病毒复制过程中的关键酶,基于NA结构设计的抑制剂(NAI)已成为临床上最主要的抗流感病毒药物。由于2009甲型H1N1流感病毒NA(09N1)与以往NA亚型的三维结构不同,对09N1的深入研究可为新型NAI的设计打开思路。本文利用分子对接软件GOLD和Surflex-Dock对09N1-NAI复合物(09N1体系)进行对接研究,采用配体对接构象的RMSD值和KISS score值(复合物晶体结构中氢键作用的重现率)等两项指标评价分子对接效果,并进一步分析NAI与09N1之间的相互作用。结果:所有配体得分最高构象的RMSD值均小于2.0 A,且KISS score值均较高,在GOLD对接中,基于打分函数GoldScore的对接结果优于ChemScore.氢键作用、静电作用、疏水作用和范德华力在配体对接构象得分中均占一定比例。结论;GOLD和Surflex-Dock对09N1体系的分子对接均具有一定可靠性,在GOLD对接中宜选GoldScore作为打分函数;通过对接验证了氢键作用、静电作用和疏水作用在NAI与NA结合中的重要性,提出范德华力对分子间的相互作用也有重要贡献。     

神经氨酸酶抑制剂与靶标NA分子结合模式研究

神经氨酸酶(NA)抑制剂作为现阶段治疗流感的主要药物,发挥着重要作用。本文运用Autodock软件,研究了3种上市的NA抑制剂一扎那米韦ZMR.、奥司他韦G39、帕拉米韦BCX与流感病毒H1N1中NA的分子间结合模式。结果指出,3种药剂与靶标NA间相互作用主要包括氢键作用、静电作用和疏水作用。其中氢键结合作用是首要识别靶标的关键因素,主要集中在NA的Site1和Site2;静电作用也主要集中在NA的Site1和Site2;而新颖的疏水作用主要表现在NA的Site4区域,由于G39、BCX中疏水烷基链取代了ZMR中甘油基,导致原有氢键作用消失,使得G39、BCX中烷基链能够自由转动与周围的关键残基形成强烈的疏水结合作用,这成为未来新型NA抑制剂设计的研究热点。期望本研究对基于流感病毒靶标结构进行新型NA抑制剂设计提供理论参考。     

Bacillus fordii MH602海因酶序列及同源建模分析

海因酶是5-取代海因生物转化制备手性氨基酸的关键酶.通过同源建模法建立MH602海因酶的三维结构,经分析,91.3%的氨基酸残基在可信区间,无氨基酸残基在不可信区间,而且能量处于较低水平,此模型可进一步研究.将MH602海因酶序列和PDB数据库中现有的6个海因酶序列比较(PDB编号为:1KID,1YNY,1NFG,1GKP,1GKQ,1GKR),结果显示了保守的活性位点残基(4个HIS,1个ASP),3个立体化学环(SGLs)和底物环外侧链结合的残基(MET63,PHE65,LEU94,PHE152,TYR155,VAL158,LEU159).通过比较发现MH602海因酶在159位是LEU,比其他海因酶的PHE159提供更大的底物结合空间,可能降低了对映体选择性但增加了对羟基苯海因的活力.为利用定点突变改造酶分子,提高MH602菌株生产L氨基酸的能力提供理论指导.     

醋酸水溶液局域结构中氢键环的感知与统计-CPMD模拟结果分析

提出了用于分子动力学模拟后处理氢键网络图的感知算法。对从头算分子动力学(CPMD)模拟的轨迹文件进行统计分析,得到了水溶液中醋酸单分子水合体系的局域结构特征信息。由径向分布函数得到定义氢键的上限,运用图论方法分析了溶液结构中水合团簇大小和简单氢键环结构及头环分布,其中六元环的突出含量与从头算稳定性分析一致。     

蛋白质二级结构的协同训练预测方法*

针对蛋白质二级结构机器学习预测方法,忽略氨基酸疏水性特征以及氨基酸之间的长程作用和准确率不高的现状,进行了比较实验分析。采用氨基酸对应的疏水能值替换蛋白质中相应的氨基酸,得到疏水能值的序列实验结果表明,用长的疏水能值序列,训练BP网络,对长程作用起主导的E结构的预测效果好。由于Profile编码特征和疏水能值特征是独立的冗余视图,基于协同训练思想,提出Cotraining算法。该算法的主要步骤是在Profile特征空间训练SVM分类器,在疏水性特征空间训练BP神经网络分类器,协同对氨基酸二级结构进行预测     

分子对接法预测丹皮酚及其2个异构体与β-环糊精复合物结构（英文）

β-环糊精对丹皮酚和其异构体具有明显的分子识别能力,其复合物的构象也可以极大提高其溶解能力。为了调查3个异构体和β-环糊精之间的结合模式以及相互作用,进行了分子对接和分子动力学模拟计算。采用拉马克遗传算法进行复合物可能的构象搜索,采用分子动力学评估了对接结果。对接结果分析表明3个异构体的羟基和甲氧基等的相对位置对其结合模式起到关键作用。丹皮酚(Pae)和香草乙酮(Ace)只有1个稳定的结合方式,计算结果和1H-NMR预测的一致。而2-羟基-5-甲氧基苯乙酮(Hma)和β-环糊精的可能的作用方式都不稳定。主客体之间主要的作用力为分子间氢键和疏水相互作用。分子对接法和分子动力学结合是预测β-环糊精和其配体复合物结构的1种简单方便的方法。     

三角网格模型的快速树搜索算法及可设计性分析

在蛋白质折叠格子模型的可设计性特征研究中,为了克服以往方格模型具有奇偶问题这一缺点,本文利用三角网格模型来进行穷举搜索。在简化的网格模型中,序列折叠为某一结构的能量值为在结构心部疏水氨基酸的个数取负值。在蛋白质折叠模型的二维4 5 6 5 4三角网格中穷举了所有的序列和致密结构。其中序列由两类氨基酸(疏水氨基酸和亲水氨基酸)组成,排除正反对称序列共2~(12) 2~(23)=8392704种不同序列。在由24个格点组成的三角网格模型中共得到219093种简化结构串。在穷尽搜索算法中,为实现快速搜索,通过树结构将相似的结构串尽量聚类,通过计算各树结点的目标能量值以减少搜索算法中所需的计算量。经并行实验验证,利用该树结构可使快速搜索算法达到指数级加速比。最后对计算所得结果进行了统计分析。     

嗜冷嗜盐菌Halorubrum lacusprofundi中蛋白质稳定性机制的探讨

研究嗜冷嗜盐菌H.lacusprofundi中蛋白质在不同结构区域的特点,对了解其稳定的结构基础及设计新型嗜冷嗜盐蛋白具有重要意义。通过对991对同源嗜冷嗜盐菌和嗜温嗜盐菌的序列及高级结构信息进行统计学对比分析,结果表明:嗜冷嗜盐菌和嗜温嗜盐菌氨基酸组成中亮氨酸、天冬酰胺、含硫氨基酸、带电氨基酸差异显著;苏氨酸差异很显著;丙氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、小分子氨基酸差异极显著。其中苯丙氨酸、甘氨酸、天冬酰胺、中性氨基酸在嗜冷嗜盐菌蛋白的含量较高,亮氨酸、苏氨酸、谷氨酰胺、含硫氨基酸、小分子氨基酸在嗜温嗜盐菌中的含量较高。嗜冷嗜盐蛋白含有更多的中性氨基酸、小分子氨基酸和非极性氨基酸,从而降低蛋白质中氢键等非共价键的相互作用,提高蛋白质结构的柔韧性和可变性。     

1种蛋白质Loop片段结构的概率生成模型

在计算生物学中,根据蛋白质的氨基酸序列预测蛋白质的结构是尚未解决的重要问题之一,而其中的1个难点是预测蛋白质中Loop片段的结构.本文用1阶马尔可夫模型为基础,通过对其训练,可根据氨基酸串和2级结构信息为蛋白质Loop片段概率建模和采样.其中用Ramachandmn图示法的二面角对描述蛋白质结构,模型的训练和推理通过工具包Mocapy来完成.并使用KL交叉熵和角度差异值作为实验检验标准来完成Loop分布情况的测试实验,同时在从头预测Loop结构实验中预测CASP8中8个自由建模的蛋白质结构.与最流行的方法相比,本文提出的模型因为改进了Loop段的预测精度,从而可使得到的二面角对更加接近真实Loop结构中分布,同时在从头预测中提高整个蛋白质结构的预测精度.并且由于本文的模型具有概率推理特性,故在理论上也更具有无偏见性.     

二氢叶酸还原酶在盐溶液中的分子动力学模拟

为了研究嗜盐酶如何在高盐环境下维持稳定性与活性,本文以沃尔卡尼极嗜盐菌及大肠杆菌的二氢叶酸还原酶(DHFR)为模型,将二者分别置于5种不同盐浓度的水溶液中进行分子动力学模拟。经9ns动力学模拟,得到了二者在不同浓度盐溶液中的运动轨迹,通过对运动轨迹的分析,获取了二者在不同盐浓度下的动力学特性。结果发现嗜盐古生菌的二氢叶酸还原酶自身所形成盐桥及与溶剂所形成的氢键均比大肠杆菌的二氢叶酸还原酶多,而溶剂可及性表面则要小,二者差异均达极显著水平。同时还分析了这两种分子及其氨基酸残基的柔性等。     

人类p53肿瘤蛋白的偏好性分析及其应用*

为了深入研究人类p53肿瘤蛋白,对七条最新的人类p53肿瘤蛋白的mRNA序列的偏好性及其同源性进行了分析。利用MEGA4.0（molecular evolutionary genetics analysis）软件的Distance功能得到七条基因的mRNA序列及其相应的蛋白质序列的同源性,并通过比较它们的RSCU和QRSCU值,对p53基因发生突变时偏好使用同义密码子的情况进行了分析。研究结果表明,基于拟氨基酸编码方法能更明显地展示出它们对同义密码子的一致偏好性,并且p53基因发生突变时偏好使用以c/g结