分子模拟酶在载体材料表面的吸附与构象变化

固定化酶与载体材料表面的相互作用会影响酶分子在其表面的吸附行为及构象改变，从而影响酶的催化活性，了解载体材料表面化学结构对酶吸附及构象变化的影响对固定化酶载体材料表面结构设计极为重要。由于这一体系的复杂性，目前仅凭实验还无法深入探讨酶的吸附机制及构象变化机理，导致载体材料的设计很大程度上依赖于经验。而传统的分子动力学方法对这一复杂体系在当前的时间尺度内进行研究非常困难。本项目采用能够有效加速生物过程的操控式分子动力学模拟，研究三种活性部位不同的酶分子在具有不同表面基团聚苯乙烯载体材料表面的吸附位点，吸附残基，揭示其吸附机制及其构象变化机理，探讨酶分子本身（尺寸、取向）、表面基团（种类、密度）、表面电荷等因素对吸附机制及构象变化的影响。本项目从酶与载体材料之间的相互作用出发，揭示载体材料表面化学结构、酶分子吸附、构象改变三者之间的本质联系，为酶固定化载体材料设计的奠定科学基础。

本项目将分子动力学模拟和操控式分子动力学模拟相结合研究了溶菌酶分子，骨形态发生蛋白等分子在不同载体材料表面吸附及脱附行为。从蛋白质-载体的相互作用机制和吸附-脱附机制的角度，探究了材料表面化学组成对溶菌酶吸附-脱附行为的影响，阐述了表面结构对界面水分子结构的影响，揭示了界面水分子层在蛋白质吸附-脱附过程的影响。研究结果表明吸附时残基-载体的作用能越大、构象调整程度越小，残基越早稳定的吸附在载体表面。表面化学基团（端基）与酶（蛋白质）之间的静电引力促进(不利于)蛋白质分子在载体材料表面吸附或远离载体材料表面。材料表面化学组成影响了水化层的结构，残基开始吸附时，水化层起到阻力的作用，水化层越厚越不利于蛋白质吸附，吸附平衡时，水化层有利于维持吸附残基在载体材料表面固定，脱附时，水化层阻碍残基的离开，与载体-残基作用能共同决定残基的分阶段脱附过程，残基周围水分子与载体之间相互作用越强，越难脱附。