水分子影响蛋白质分子构象转变运动的分子动力学模拟研究

Proteins are responsible for the vast majority of biological functions in life. Although unique structures are important for many proteins, the functions are governed ultimately by dynamic character. Proteins undergo transitions between different conformations which depend in a large part upon motions of aqueous solvent. Yet at present, little is known about how proteins “use” solvents, especially water molecules, to perform their functions. Therefore in this study, systematic investigation on how water molecules affect protein motions will be carried out with extensive molecular dynamics simulations. Firstly, residence time of water molecules around protein surface will be analyzed, secondly the dynamic correlation between water molecules and residues as well as secondary structures in protein from picosecond to microsecond will be explored, and then the effect of water molecules on protein motions along the radical direction of the protein will be clarified. In addition, the contribution of interactions between water molecules and the protein, including electrostatic interactions, van der Waals interactions and hydrogen-bond interactions, to the roughness of energy landscape will be obtained. Based on this, protein fluctuating much faster or slower will be clarified, and with the structure variance of water and protein molecules a comprehensive understanding on how water molecules affect protein fluctuations will be received. Our research will be helpful to establish the relationship between the structure and function of proteins.

蛋白质是生命的物质基础，在正常的生命活动中具有重要功能。蛋白质分子独特的三维结构是功能实现的基础，而自然折叠状态下的构象变化运动则是功能发挥的关键。溶剂环境是影响蛋白质分子运动的重要因素，但目前对溶剂分子（尤其是水分子）如何影响蛋白质的构象变化运动仍然不是十分清楚。基于此，本项目将采用多轨迹分子动力学模拟方法，从分析水分子在蛋白质表面驻留时间的分布情况入手，研究水分子和蛋白质表面残基、二级结构运动在皮秒到微秒时间尺度上的关联性，以及水分子对蛋白质运动的影响沿蛋白质分子径向方向的变化。我们还将观察蛋白质运动过程中的大量构象变化，分析水分子和蛋白质分子之间的相互作用对体系能量面粗糙程度的贡献；一方面定性分析水分子对蛋白质运动难易程度的影响，另一方面结合蛋白质构象变化中水分子和蛋白质分子结构性质的变化，系统阐述水分子影响蛋白质的运动的规律。本项目将为更好地理解蛋白质结构和功能之间的关系提供帮助。

生命体系离不开水环境，水对组成生命的各类大分子的构象和运动变化都具有重要影响。蛋白质是生命的物质基础，其独特的三维结构是蛋白质功能实现的基础，而自然折叠状态下的构象变化运动则是功能发挥的关键。溶剂环境是影响蛋白质分子运动的重要因素。本项目围绕溶剂分子，尤其是水分子，如何影响蛋白质的构象变化运动展开。本项目采用了多轨迹分子动力学模拟方法，以磺基转移酶体系为例，分析了水分子在蛋白质表面的协同运动程度，揭示了水分子和蛋白质分子的相互作用模式。研究结果显示水分子的动力学行为与邻近残基类型显著相关；同时水分子对邻近残基所处的二级结构区分度不大，而是更多的与周围水分子一起协同运动。在此基础上，我们分析了水分子对以淀粉和纤维素为代表的糖类分子构象的影响，研究结果显示淀粉与纤维素分子中糖环桥氧原子与水分子形成氢键难易程度不同，这很可能是它们微观结构类似而宏观性质差异明显的主要原因。此外，开展了磺基转移酶等蛋白质结构和功能相关性的研究，研究结果显示磺基转移酶分子由柔性较小的酶的主体部分和一条柔性较大的loop盖区域构成，磺酸基供体的结合使loop盖区域由张开变为闭合，同时使底物通道变窄。这为今后继续开展水分子对蛋白质等结构和功能影响的研究工作奠定了基础。