1、Chignolin蛋白的高壓變性研究王貞營(德州學院物理系，山東德州253023)摘 要：隨著計算機模擬技術的發展，本文利用GROMACS軟件，對Chignolin在2000bar和10000bar兩個壓強下進行的獨立的分子動力學模擬，以揭示壓強對蛋白質去折疊（變性）的影響并探討其機理。通過分析模擬結果發現：Chignolin蛋白在高溫下RMSD最大時去折疊程度明顯不同;小蛋白隨著壓強的增加其折疊與去折疊過程有一個反復階段;高壓下的蛋白質去折疊不是完全折疊;高壓對Chignolin的構象影響較大，變性明顯，甚至出現了完全去折疊的情況。關鍵詞:Chignolin； 分子動力學模擬； 去折疊； 高

2、壓Study of High Pressure Induced Denaturationof Miniprotein ChinolinWang Zhenying(Department of Physics ,Dezhou University,Dezhou,253023)Abstract：Along with the computer simulation technology development, in this paper the computer simulation of Chignolin protein unfolding is made by GROMACS in 2000b

3、ar and 10000 bar two intensities of pressure, promulgates the intensity of pressure folds (denaturation) to the protein the influence and discusses its mechanism. Discovered through the analysis analogue result that ,Chignolin protein when high temperature RMSD biggest obviously folds the degree to

4、be different; The small protein folds along with intensity of pressure increase it with folds the process to have are lapse stage; Under the high-pressured protein folds is not completely folds. High pressure to Chignolin conformation influence bigger, the denaturation is obvious, even had the situa

5、tion which completely folds.Keywords：Chignolin ; Molecular dynamics simulation; Unfolding ; High pressure1 緒論蛋白質是一切生命活動的主要物質基礎，結構決定其功能。蛋白質折疊和去折疊問題是當前生物信息學、生物物理學等生命科學領域面臨的一項長期而具有極其重要地位的課題。其重要任務之一便是通過施加外界驅動力（如溫度，壓強，機械力等）來致使蛋白質變性，通過研究其去折疊過程探索蛋白質的折疊和去折疊機制。近年來隨著實驗手段和計算機水平的不斷提高，許多實驗儀器和理論方法被用來研究蛋白質的折疊和去折疊過

6、程。從實驗上研究蛋白質高壓去折疊存在著各種問題,如時間周期長，設備復雜、昂貴；且技術難度大等，無法在原子層次和飛秒分辨率下進行研究。用計算機模擬的理論方法研究蛋白質的高壓去折疊是實驗研究的有利補充，可以在原子層次和很高的時間分辨率上研究實驗無法實現的新現象，對實驗研究有重要的指導作用。分子動力學模擬可以從原子水平和飛秒分辨率上研究蛋白質的高壓去折疊，這一點目前實驗上無法實現。目前對蛋白質折疊的研究采取的策略之一就是用加速去折疊過程來研究蛋白質的折疊問題。蛋白質去折疊可以通過誘導變性條件加速其進程，這樣可以對蛋白質構象膨脹的早期階段進行觀察，而這種過程在一定程度上反映了蛋白質的折疊過程1 。蛋白

7、質高壓去折疊（變性）的研究是當今蛋白質工程中還未完全解決的一項重要內容。對溫度導致去折疊過程已經進行了廣泛的研究,而對壓強導致蛋白質去折疊（變性）的研究相對較少，僅做了少量的模擬研究。2蛋白質和分子動力學模擬原理21 蛋白質蛋白質是一類重要的生物大分子，在體內占有特殊的地位，是生命活動的主要承擔者，是生命現象的主要物質基礎。它是由一系列?-氨基酸通過縮水過程而聚合成一種線性的高分子物質。作為構成蛋白質的基本單元，自然界共有20種?-氨基酸。它們具有相似的結構特征，差別在于連接在殘基?原子上的側鏈R的不同。不同的側鏈形成各種氨基酸各種不同的理化特性。根據它們在水溶液中的表現，可分為疏水性氨基酸和

8、親水性氨基酸。 為了表達蛋白質的不同組織層次，經常使用一級結構和空間結構（二、三、四級結構）等術語對其分子結構進行闡述。從能量的角度看，蛋白質系統有很多自由度，其能量曲面可看作是高維的曲面。蛋白質折疊的過程可看作是順著折疊漏斗發生的過程。折疊被看成一個鏈狀分子系統的平行流的過程，就像很多溪水從具有復雜地形結構的山坡上流下，而不僅僅是一條溪水從單一山谷中流下。圖2-1 具有高低起伏的能量面研究蛋白質的折疊過程，對于了解蛋白質的折疊機制，理解蛋白質的快速折疊的來源，都是必不可少的一個方面。我們通過一個簡化的統計模型中勾畫出折疊過程的簡單圖像，通過引入短程相關的協作性特征，在一定程度上刻畫了蛋白質動

9、力學對折疊結構的依賴性；并根據統計物理的方法討論了復溫度場中體系的配分函數的零點，并由此分析了體系。這不僅重新檢驗了原有理論，為其提供了理論上的可靠性，而且提供了一條途徑，對蛋白質的折疊轉變的熱力學性質進行更為細致的刻畫，為不同模型之間的比較提供了有益的參考22 分子動力學（MD）生物大分子的分子動力學模擬方法，無論是在模擬算法和力場參數，還是在模擬體系的大小，模擬時間的長短上，都取得了巨大的進步。這些進步使得計算機模擬技術成為了除X射線晶體學方法和核磁共振波譜學方法外又一個研究蛋白質結構和功能關系的重要工具。通過對生物大分子的模擬，一方面我們可以從原子水平上解釋實驗現象和結果，另一方面我們可

10、以得到一般實驗無法獲得的微觀信息。在分子動力學模擬中，我們把每個原子看作一個粒子，對于一個含有N個粒子的體系，我們把第i個粒子的質量記為Mi，它的空間位置計作矢量ri，而空間坐標的一級和二級導?和?來表示。根據牛頓第二定律： 數我們用rr在笛卡爾座標中，可以用它的3個分量來表示。若Xi(t)是時刻t粒子i在x方向的座標。使用泰勒（Taylor）展開，我們可以得到：確的，但是含有無限項。在實際中我們通常用Verlet方法進行近似求解。方法如下：將2.4和2.5兩式分別相加和相減得到：由于在t和t-t時刻，第i個粒子位置是知道的，加速度可以從位能函數的負梯度求出。所以以后任何時刻粒子的位置，速度和

11、加速度都可迭代求解。這就是計算牛頓運動方程的Verlet方法。分子力學模型是從量子力學模型簡化得到的。在分子力學模型中，每個粒子通常代表一個原子，有時也可以代表一個非極性基團，例如甲基基團。從理論上來說，分子力學中體系的能量應該等于對同樣的體系在量子力學分子力學模型是從量子力學模型簡化得到的。通常體系的能量被經驗性的劃分為若干個能量項，每個能量項用一個簡單的函數形式來表示。其一般的形式為等號右側的六項分別描述了化學鍵的伸縮，鍵角的彎曲，二面角的旋轉，二面角的彎曲，范德華相互作用和靜電相互作用。前四項合稱為成鍵相互作用，除了二面角的旋轉采用了三角函數疊加的形式來描述，其他三項都使用了諧振勢的形式

12、。后兩項合稱為非鍵相互作用，范德華相互作用用Lennard-Jones勢來表示，而靜電相互作用用庫侖相互作用的形式來描述。這些函數形式，連同它們相關的參數，統稱為分子力場。現在常用于研究生物大分子的分子力場主要有AMBER2-4,，CHARMM5，GROMOS6,7和OPLS-AA8,9，它們都采用了公式1的形式來描述分子能量，只是在實現上有些細微的差別。分子動力學（MD）模擬預測蛋白質結構方法，主要是作為其他預測方法的補充手段和應用于結構優化。分子動力學的優點是利用有限的實驗數據構造分之的結構模擬并研究它的能量與結構的動態變化。而這些數據對于用實驗方法來確定結構是遠遠不夠的。MD方法可以得到

13、體系的各種構象，進而根據統計力學可求得體系的各種熱力學性質。如焓、熵，并從自由能數據判斷體系不同狀態的穩定性。如何在眾多的局域極小中尋找相應于整體能量極小的構象是重要的多體制問題，而模擬退火是非常有用的工具3。23 經驗力場和位能函數德州學院 物理系 2010屆 物理學專業 畢業論文（畢業設計）二選一 分子動力學模擬方法是把分子體系看作在勢能面中質點的運動4。為了便于描述往往選用某些與原子座標相關的函數對勢能面進行擬合，得到勢能面的近似解析表示。這種勢均力敵能面的表示方法稱為力場（force field）,而這和與坐標相關的函數稱為位能函數。 近10多年來已發展了多種力場，它們基本形式是相似的

14、，只是在能量函數各項的選取和參量化上有差別。其中常用的有AMBER CHARMM GROMOS 和CVFF等力場。 一個典型的原子位能函數包括：鍵長畸變能，鍵角畸變能，二面角畸變能，靜電能，范德華能和氫鍵能，式右邊的第一項是鍵長畸變能，它用簡單的彈簧來模擬，這里Kb是彈性強度常數，b0是成鍵原子間的平衡距離。這一項的求合遍歷所有共價鍵。（214）式的第二項是鍵角畸變能，它采用了第一項類似的形式。k?是鍵角畸變的強度常數，是平衡角。在整個位能函數中反映非鍵相互作用的范德華項和靜電項對維持蛋白質的構象是很重要的。為了節省計算時間，在實際的運行程序中往往總是指定一個距離，只計算距離小于這一指定值的非

15、鍵相互作用。前面所述的位能函數也被稱為分子類型的位能函數。隨著計算機技術的發展和計算能力的提高，將量子力學力場與分子力學力場（QM/MM）相結合也是一種趨勢，即對某些關鍵部位使用精確的量子力學能量函數，而其它部位使用分子力學的位能函數4。2.3.1 能量優化分子動力學模擬與能量優化是緊密相關的，但又是存在明顯差別的兩種方法。兩者緊密的聯系是都使用相同的力場和位能函數，因而在程序化時，他們有大量相同的子程序。兩者最大的差別是與時間的關聯上。分子動力學模擬考慮體系結構與能量的時間演化，而能量優化則只是搜尋構象空間的某個靜態點，在這一點上作用在每個原子上的力都達到平衡，因而體系是穩定的。能量優化得到

16、的構象僅是體系的局域極小構象。盡管能量優化不能給出構象演化的信息和體系的總體能量極小構象，但它可以用于優化X射線晶體學，多維NMR波譜學方法所測定的實際驗結構；它還可以用于研究生物大分子的局域構象（如loop區等）；可以分析配體與受體的對接（docking）過程；可以為分子動力學模擬準備初始構象，等等。在GROMOS中經常使用的能量優化方法有：(1)最速下降法、(2)共軛梯度法。2.3.2 SHAKE方法積分的時間步長t是分子動力學積分過程的一個關鍵參數。為了加快計算速度，往往用大的時間步長，但太長的時間步長會引起積分過程失穩和積分值不準確。選擇積分步長的主要限制是體系的高頻運動。如果能夠凍結

17、不太感興趣的分子內部高頻運動，像鍵的伸縮、鍵角的張合等，那么在進行分子動力學模擬時，就能夠選擇較大的時間步長。凍結的辦法就是限制距離，比如原子 i、j、k、形成了兩個鍵i-j和j-k及一個鍵角ijk，那么，當把原子i,j及原子k之間的距離限制在一個期望的值時，這兩個鍵長的高頻運動就被凍結了。在GROMOS 中通過SHAKE方法來實面限制。2. 4 GROMACS的介紹GROMACS是用于研究生物分子體系的分子動力學程序包.它可以用分子動力學，隨機動力學或者路徑積分方法模擬溶液或晶體中的任意分子，進行分子能量的最小化，分析構象等。它的模擬程序包包含GROMACS力場(蛋白質，核苷酸，糖等)，研究

18、的范圍包括從玻璃和液晶，到聚合物，晶體和生物分子溶液。GROMACS是一個功能強大的分子動力學的模擬軟件，其在模擬大量分子的大系統的牛頓運動方面具有極大的優勢。GROMACS的運行過程，主要由一系列的文件和命令組成。GROMACS一般的模擬過程可以分成以下三個階段：（1） 前處理過程：生成模擬對象的坐標文件、拓撲結構文件以及平衡參數及其外力作用（2） 模擬過程：首先要對系統進行能量最小化，避免結構的不合理而在模擬中出現錯誤； 然后是對系統升溫過程，先給系統的各個原子以Boltzmen分布初速度，再模擬較短的時間 以達到初步的平衡；最后進行真正的分子動力學模擬，即平衡過程。此過程一般時間步長 為

19、1 fs，運行時間在ns量級，以保證模擬系統盡可能找到勢能的最低點。當然，對于其他 的操作，如施加外力（模擬AFM加力）需要在平衡之后進行。在MD模擬的過程中，用 戶可以運用配套的可視化軟件，如VMD等隨時觀測模擬的過程及系統的狀態。（3） 后處理過程：MD模擬結束后，GROMACS會產生一系列文件，如.pdo文件(受力 分析文件)、.trr文件(模擬過程結果文件)、.edr文件(能量文件)等。同時，GROMACS本身還提供了多種分析程序，可以對這些文件進行分析，可以得到分子體系的各種信息7。 3 Chignolin小蛋白的去折疊研究3 分子動力學操作3. 1 分子動力學模擬的準備工作本實驗就

20、是利用GROMACS這一軟件對Chignolin小蛋白進行高壓去折疊研究。本實驗的工作平臺是Linux。Linux系統作為GROMACS程序軟件包的工作平臺，分子動力學模擬的前期準備工作是做好本次模擬實驗至關重要的一個環節，其步驟如下：1、對pdb文件的轉換先將pdb文件轉化為GROMACS文件（*,gro）。Pdb文件中的原始數據經常不完全，與碳原子相連的氫原子常常會漏掉。轉換工具pdb2gmx檢查結構文件中每一個殘基并補充上所有缺失的氫原子。在轉換過程中它同時會生成一個拓撲文件以記錄原子間的相互作用。在此過程中我們使用的是gromos9643a1力場（標準力場）。2、盒子的生成在模擬過程中

21、我們要將蛋白質置于含水的環境中。首先我們確定盒子的大小要適中，然后在盒子中加滿水。這兩個步驟分別是由Editconf和Genbox兩個子程序來完成。3、能量極小化能量極小化是由分子動力學程序mdrun來進行的。它的目的是用來除去蛋白質中的氫原子產生的內力，以及結構過于緊密而導致的不正確的范德華力。Mdrun只輸入一個grompp結合拓撲文件（.top）、結構文件（.gro）和參量文件（minim.mdp）而生成的軌跡文件（.tpr）4。（頁碼居右下角） 9德州學院 物理系 2010屆 物理學專業 畢業論文（畢業設計）二選一4、分子動力學模擬分子動力學分為平面動力學模擬和自由動力學兩部分。（1）

22、、為了使蛋白質和水組成的體系保持平衡，在能量極小化的基礎上首先進行適當時間的平衡動力學模擬，如在此我們進行了100ps的平衡動力學模擬。（2）在平衡動力學基礎上，把蛋白質、水組成體系的分子約束放開，進行自由動力學模擬，模擬時間的長短視研究問題而定。本文進行了兩次獨立的分子動力學模擬，每次模擬時間都是50ns，共100個ns。5、數據分析經過自由動力學模擬后，生成多個文件其中最主要的是記錄每一時刻蛋白質結構的軌跡文件fullmd.trr和能量軌跡文件fullmd.ene。基于這兩條軌跡文件，可以對蛋白質的結構功能關系進行分析研究。也可以通過程序trjconv截取每一時刻的構象以便直觀地觀察它的變

23、化。本文對蛋白質的二級結構（do_dssp）、方均根偏差（RMSD）等參數進行了分析。 do_dssp：do_dssp讀取一個軌跡文件并調用程序dssp計算每一個時刻的二級結構。每一個殘基和每一個時刻的情況都被寫入一個擴展名為.xpm矩陣文件中。3. 2 Chignolin蛋白的系統參數設置3.2.1 Chignolin小蛋白以人工設計的最小蛋白質Chignolin（PDB代碼為1uao）為研究對象 。Chignolin是最近人工合成的迄今為止最小的蛋白，僅有十個殘基（GYDCPETGTWG），它的晶體結構是由兩個片組成的發卡（圖1），是蛋白質折疊/去折疊研究很好的模板，目前國內外還尚未見有關

24、chignolin高壓去折疊的有關報道。本文用充分含水模型對該蛋白在300K下，高壓影響去折疊過程進行研究，揭示壓強對蛋白質去折疊（變性）的影響并探討其機理。3.2.2 系統參數的設置1、系統大小系統大小由程序editconf決定并將信息通過一個.out文件輸出。本次模擬將蛋白質與盒子邊沿距離設定為1.0nm，最終系統大小為3.95nm,3.72nm和3.11nm，系統體積為45.91nm。2、系統的組成由editconf生成的盒子限制了系統的大小后，經過genbox填充了系統中未被蛋白質分子占據的空間，可以從拓撲文件(.top)看出在這個過程中加入了1764個水分子。由輸出的結果可以看出，系

25、統中共有20個氨基酸殘基和1764個其它原子團，非氨基酸殘基原子團的數目恰好與拓撲文件中的水分子數目相等。在此之后，要對系統的典型進行中和，本次模擬是在系統中加入2個鈉離子，同時去掉一個水分子，最終系統有10個氨基酸、718個水分子和2個鈉離子組成。由于水的壓縮性系數隨著壓強的升高而改變，在模擬中我們充分考慮了各高壓下壓縮性系數的改變情況（見表3-1）。表3-1 不同壓強下的壓縮性系數值（表頭：五號宋體，居中，其標注同圖標，以章節為基礎編號）3、模擬環境設置 模擬環境設置是通過自由動力學(fullmd)過程中需要調用的文件進行控制。在grompp運行時需要調用gromppfullmd.mdp作

26、為控制參數文件。與模擬環境有關的參數都可以在此文件中進行攝制。對此次模擬而言，時間步長設置為0.005ps，步數設置為10000000步，即模擬時間為50ns；在壓強分別為2000bar、10000bar兩個壓強下對小蛋白去折疊進行模擬，每次模擬50ns，共100ns。3. 3 實驗結果分析基于上述2000bar和10000bar兩個壓強下進行的獨立的分子動力學模擬，通過分析模擬結果發現，高壓對chignolin的構象影響較大，變性明顯，甚至出現了完全去折疊的情況。進一步研究蛋白質與周圍水分子的作用情況發現，水分子對chignolin的去折疊有著重要作用。圖2給出了Chignolin在高壓20

27、00bar和10000bar時的RMSD（root mean square deviations）和Rg(radius of gyration)隨時間變化圖。由圖2a可見，在2000bar時，Chignolin的RMSD在前5ns急劇增加，一致到13ns相對平穩，在13ns達到第一個極大值一直到20ns平穩上升，20ns左右急劇增加，達到極大值，此后出現劇烈震動，在30ns附近達到最大值，此時RMSD最大值為0.8A（angstrom），圖3a給出了此時的構象快照，可見此時Chignolin已經完全去折疊。在10000bar時，從圖2a可以看出，RMSD在前3ns一直上升，3ns后經過一段時間

28、的回落以后又持續上升在35ns附近到達最大值，由圖3b給出的在10000bar時Chignolin的構象快照可見，在35.3ns小蛋白已經完全去折疊。 o4 結論圖2是高壓影響下小蛋白去折疊的RMSD和Rg隨時間變化圖，由圖中可以發現，chignonlin在高壓影響下產生了比較明顯的變性，同時由圖2-a和圖2-b也可以看出，兩個壓強時RMSD和Rg變化趨勢較一致。圖3的結構圖表明，小蛋白chignonlin在高壓下達到了完全去折疊。由于技術條件和其它因素的限制，對高壓誘導變性的研究相對較少，本論文研究的高壓誘導chignolin變性首次發現了小蛋白出現完全去折疊，這是原來沒有發現的，但蛋白質折疊機制是一個長期而復雜的課題，要解釋其機理還需要理論學家和實驗學家共同努力。希望我們的工作能為相關研究提供有用的理論依據。參考文獻1 閻隆飛，孫之榮主編.蛋白質分子結構.北京: 清華大學出版社,1999:250-2562 趙南明，周海夢主編. 生物物理學.北京:高等教育