本文關鍵詞：神經(jīng)元鈣傳感蛋白構象動力學及調控機制研究　出處：《上海體育學院》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：研究目的:體育活動和大腦之間存在動態(tài)的、雙向的相互關系。運動促進腦健康的機制可能在于神經(jīng)生長因子、免疫因子和應激激素以及很多信號蛋白,例如神經(jīng)元鈣傳感蛋白(NCS-1)。大量研究表明,體育運動能夠促進大腦認知功能。神經(jīng)元鈣傳感蛋白通過運動干預調節(jié)特定的認知過程,是體育運動對認知功能產(chǎn)生積極影響的途徑之一。NCS-1蛋白也是調控動物對溫度變化做出相應反應的重要因素之一。溫度升高NCS-1蛋白能夠抑制線蟲運動,其中的詳細細節(jié)和微觀機制并不清楚。本文以溫度升高時神經(jīng)元鈣傳感蛋白抑制運動為著眼點,對人類NCS-1蛋白在溶液環(huán)境微小改變(包括溫度改變和NaCl濃度改變)以及自身局部結構改變(截去C端尾部L3和單一氨基酸R102Q突變)引起蛋白結構及其構象動力學的變化進行了研究,從原子-分子水平探索神經(jīng)元鈣傳感蛋白在溫度升高時抑制運動的分子機制,揭示不同情況下NCS-1蛋白的動力學過程及引起蛋白結構變化的關鍵因素,為今后的系統(tǒng)研究奠定理論基礎。研究方法:本文采用全原子分子動力學模擬的方法,采用GROMACS 4.5.3程序包和CHARMM27力場,盒子采用截面十二面體,蛋白居于盒子中央,離盒子邊緣的距離是1.0 nm;水分子采用CHARMM27力場推薦的顯式水溶劑模型(TIP3P),在溶液中加入0.1 M/0.3 M的NaCl,使溶液呈電中性。能量優(yōu)化采用最速下降法,最小力取經(jīng)驗值1000(kJ/mol/nm),能量優(yōu)化結束時均達到這一設定值。溫度耦合采用速度調節(jié)法,壓強耦合采用Parrinello-Rahman,耦合常數(shù)分別是0.1 ps和1.0 ps,溫度保持在310 K/316 K,壓強保持在1 bar,整個體系保持等溫等壓。NCS-1蛋白和水分子內(nèi)的鍵長分別用LINCS和SETTLE算法加以約束,約束步數(shù)為25000,時間為50 ps,取相對較大的MD積分步長(2 fs)。庫倫類型采用Particle mesh Ewald(PME),計算靜電相互作用的截斷半徑cut-off=1.0nm,計算范德瓦爾斯作用的截斷半徑cut-off=1.4 nm。研究結果:(1)人類NCS-1蛋白對溶液溫度敏感。溫度升高,雖然神經(jīng)元鈣傳感蛋白的二級結構保持完整,但整個蛋白結構膨脹,蛋白表面的自由能改變。L3從蜷縮狀態(tài)轉為伸展狀態(tài),更多的占據(jù)疏水口袋,可能會遮擋住疏水口袋內(nèi)的結合位點,阻礙其與配體結合,影響蛋白功能的正常發(fā)揮。溫度升高,蛋白C端尾部L3的起始氨基酸D176和末端氨基酸V190之間的次聯(lián)系路徑削減嚴重;動態(tài)網(wǎng)絡中,N段和C段之間氨基酸的聯(lián)系減弱,但兩段內(nèi)部氨基酸的聯(lián)系加強;溫度升高減少了鹽橋的數(shù)量,尤其減少了C段鹽橋的數(shù)量和百分比,可能會引起蛋白構象動力學的改變。(2)神經(jīng)元鈣傳感蛋白對NaCl濃度的微小改變也極其敏感。溶液NaCl濃度升高,神經(jīng)元鈣傳感蛋白的二級結構保持完整,但導致蛋白整體結構和疏水口袋同時膨脹;L3蜷縮在疏水口袋中,暴露出疏水口袋內(nèi)部更多的結合位點,L3首尾氨基酸D176和V190之間的聯(lián)系路徑削減嚴重;N段和C段之間氨基酸的聯(lián)系明顯減弱,但兩者內(nèi)部氨基酸的聯(lián)系加強;鹽橋數(shù)量和百分比明顯減少,尤其是C段鹽橋數(shù)量和百分比減少明顯。結果表明,溶液中NaCl濃度的微小改變導致氨基酸與氨基酸之間的聯(lián)系及其路徑和鹽橋的改變,可能是NCS-1蛋白構象變化的主要原因。(3)人類NCS-1蛋白野生型和截去C端尾部L3突變體進行500 ns的動力學模擬結果顯示,NCS-1Δ176-190突變體與野生型蛋白的二級結構非常相似,但導致蛋白C段和遠端N段的柔性提高;截去C端尾部L3明顯削弱N段和C段之間氨基酸的聯(lián)系,加強兩段內(nèi)部氨基酸的聯(lián)系;明顯改變了C段的鹽橋網(wǎng)絡;導致蛋白整體結構和疏水口袋同時膨脹,疏水口袋完全暴露于水溶液,可能影響蛋白與配體的結合。本文從原子水平上提供了L3對NCS-1蛋白結構完整和構象動力學起重要作用的細節(jié)。(4)R102Q突變降低了L2和L3的柔性;使L3處于伸展狀態(tài),更多的占據(jù)疏水口袋;明顯影響了N段和C段之間的鹽橋;改變了蛋白表面的自由能。R102Q突變導致的鹽橋改變可能對L2和L3柔性的降低起到重要作用。這些結果表明,鹽橋對NCS-1蛋白的結構特性具有重要的作用,R102Q突變導致C端尾部動力學降低,L3占據(jù)更多的疏水口袋,可能會阻礙蛋白與配體的結合,為與R102Q突變有關的自閉癥疾病提供原子水平的解釋。研究結論:(1)人類神經(jīng)元鈣傳感蛋白對溶液中溫度升高和NaCl濃度的微小改變都極其敏感,溶液中溫度升高和NaCl濃度的微小變化導致的氨基酸與氨基酸之間的聯(lián)系和鹽橋的改變可能是引起蛋白構象變化的關鍵因素,L3和疏水口袋的位置關系是影響蛋白功能發(fā)揮的主要原因。(2)溫度升高,L3擋住疏水口袋內(nèi)的結合位點,影響蛋白功能的正常發(fā)揮,從而導致運動減慢,可能對機體起到保護作用,使機體不受高溫傷害。(3)截去L3的蛋白能夠保持較好的二級結構、不同程度增加的柔性以及更加暴露的疏水口袋,可能更有利于配體的結合,表明突變體蛋白的功能活性。(4)為恢復R102Q突變體的功能提供一種可能的建議,即增加C端尾部的柔性,從而允許蛋白與其配體相互作用,發(fā)揮功能。
[Abstract]:In this paper , we studied the molecular mechanism of protein structure and conformation kinetics of human NCS - 1 protein by means of motion intervention . The temperature increase NCS - 1 protein was used to regulate specific cognitive process . The temperature was kept at 310 K / 316 K , the pressure was kept at 1 bar , the temperature was kept constant at 310 K / 316 K , the pressure was kept constant at 1 bar . The length of NCS - 1 protein was 50 ps , and the relative large integral step size ( 2 fs ) was obtained . The results showed that : ( 1 ) The interaction between amino acids and amino acids decreased significantly . The number and percentage of amino acids between N and C decreased significantly . ( 4 ) The R102Q mutation reduces the flexibility of the L2 and L3 , makes L3 in the extended state and occupies the hydrophobic pocket more . The change of salt bridge caused by the mutation of R102Q can play an important role in the decrease of the flexibility of L2 and L3 .

【學位授予單位】：上海體育學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R338

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本文編號：1437851