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。     

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。     

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。     

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。     

基于嗜盐菌合成生物学的下一代工业生物技术

嗜盐微生物是在高盐、高pH环境中具备正常生长能力的极端微生物,是珍贵的科研素材和生产资源.相关研究通过对嗜盐菌合成生物学的改造和"下一代工业生物技术"的探索,实现了嗜盐工程菌在生物反应器中利用海水进行不灭菌连续发酵并产生类型多样、性能各异的聚羟基脂肪酸酯,且与其他高附加值化学品实现了联产.基于嗜盐菌的下一代工业生物技术...     

氨基酸嗜盐不对称指数与其理化性质的相关性

了解嗜盐蛋白氨基酸使用的偏好及该偏好与其理化性质之间的联系对探索嗜盐蛋白构效关系具有重要意义。本文选取极端嗜盐细菌Salinibacter ruber和非嗜盐菌Pelodictyon luteolum中362对同源蛋白,统计了52102个氨基酸突变位点,以此计算氨基酸的嗜盐不对称指数(HAI),并与243个理化性质进行相关性分析。结果表明:天冬氨酸的嗜盐性能最强,而异亮氨酸和赖氨酸最弱;243个理化性质中有16个同HAI存在显著相关性,其中5个呈正相关;氨基酸的亲疏水性及β折叠的倾向性是影响HAI值的两种最重要的理化性质。本文提出的氨基酸嗜盐不对称指数为了解嗜盐蛋白稳定性机制提供了新视角。     

不同温度下水的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法对不同温度下水的氢键结构及扩散性质进行了研究。模拟发现随温度的升高,水分子平均氢键配位数减小,氢键键角分布变宽,键角分布峰值减小,即水分子间氢键作用不断减弱。扩散系数随温度的增加而上升,液体水的扩散系数与温度之间的关系符合Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ行为。     

从常温到超临界条件下水的分子动力学模拟

采用MD模拟方法研究了从常温到超临界条件下不同状态水的微观结构、氢键结构及氢键松弛的动态性质。模拟结果表明,随着温度的升高,成键分子中O…O间的平均距离基本保持不变,O…H间距离增加,水分子的氢键作用逐渐减弱,形成氢键的两水分子O…O一H取向角的分布呈线型分布的概率降低;同一温度下密度的变化对O-O、O-H径向分布函数和氢键的键角分布的影响不大。由于温度升高使氢原子热运动增强,水的四面体结构缺陷增加,氢键的平均寿命显著缩短,温度是影响氢键平均寿命的主要因素。     

极端嗜盐古菌代谢网络研究

极端嗜盐古菌(extreInely thermophilic archaea)属于广域古菌界盐杆菌科,是古菌域中的典型生理类群,也是重要的极端微生物资源。文章主要对一种极端嗜盐古菌——盐沼盐杆菌(Halobacterium salinarum R1)——代谢网络的结构与功能进行了分析。对高质量盐沼盐杆菌代谢网络数据进行整理,构建了其中所有的代谢反应列表,并用代谢物图来表示。分析了该网络的功能模块和关键节点,并讨论了它们的生物学功能意义。     

醋酸在饱和气相中缔合的分子动力学模拟

本研究采用分子动力学的方法对醋酸在饱和气相中的缔合进行模拟,模拟的温度范围为303.15 K～443.15 K。通过对饱和醋酸气相的径向分布函数进行结构分析可以知道,低温下醋酸在气相中的缔合较为明显;随着温度的升高,氢键遭到破坏,醋酸的缔合逐渐减弱。在气相中醋酸多以二聚体的形式存在,通过对模拟结果的分析,得到不同状态点下醋酸在饱和气相中不同二聚体构型的比例及其分布。结果发现在模拟的温度区间范围内,醋酸二聚体主要以4种构型存在于气相,其中以羰基氧和羟基氢所形成的2个氢键的环状醋酸二聚体在气相中的比例最大,约40%～60%。     

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。     

三轴一体IMU组件中光纤环热分析

对某型号三轴一体光纤陀螺捷联惯导系统建立有限元模型,从结构角度分析了惯性测量单元（ IMU）中光源和加速度计等发热模块对光纤环温度场分布的影响。分析研究IMU组件在22℃常温稳态下的传热规律,表明光源与加速度计等热源所产生热量将不以传导方式在箱体与 IMU台体之间传递,对流与辐射传热对IMU温度分布影响较大;光源为主要热源,是造成Y,Z轴光纤环温度分布不均匀的主要原因;加速度计发热将影响X轴光纤环温度分布。通过＋60℃高温瞬态热分析,研究光纤环在极端环境下温度变化规律,表明系统在极端环境下随着温度上升而温度梯度递减,光纤环瞬态温差增大。稳态和瞬态热分析可指导惯导系统IMU部分结构热设计的改进。     

ACOT1蛋白突变的分子动力学研究

酰基辅酶硫酯酶(Acyl-CoA thioesterases,ACOTs),也被称作酰基辅酶A水解酶,是一类能够水解酰基辅酶A酯类水解的酶,在脂肪酸的代谢中起着重要的作用。文中通过将序列分析得到的ACOT1的有害突变序列(ACOT1_MULT)和野生型序列利用同源建模的方法得到了相应的蛋白结构,并利用分子动力学模拟的方法研究了突变氨基酸对蛋白结构造成的影响。研究结果发现:突变蛋白在分子动力学过程中活性中心上面的"盖子"(LEU374-SER380)区域打开,而野生型一直处于关闭状态。通过对氢键和疏水作用的分析发现,突变位置的氨基酸(ALA189THR)与蛋白序列中的GLY169形成了新的氢键,突变残基附近的氢键也发生了很大的变化,导致了邮水解酶区域的第3个β折叠的末端Loop区(160Loop)朝着外侧的亲水性区域拉伸。160Loop区域的变化使得它与"盖子"区域之间的疏水相互作用消失,"盖子"区域的稳定性下降,并最终导致了"盖子"的打开。该结果对ACOT1蛋白相关的人类免疫病毒缺陷疾病和附睾炎等疾病的发病机理的研究具有很好的借鉴作用,同时也为基于该活性区域的抑制剂筛选工作提供了新的靶点。     

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。     

分子动力学模拟预测乳糖水溶液的玻璃化转变温度

在恒温恒压(NPT)系综条件下,对10%乳糖溶液的玻璃化转变温度进行了分子动力学模拟。在(200~300)K温度范围内,经分子动力学模拟获得乳糖溶液模拟体系在不同温度下的比体积、热焓和能量等参数,并通过对模拟得到的各参数-温度作图获得了乳糖溶液的玻璃化转变温度。研究结果表明,乳糖溶液的比体积、热焓、内能、总势能随温度有规律的变化并在Tg处出现拐点。模拟计算得到的乳糖溶液的Tg为(244.56~247.13)K,与实验检测值吻合较好,表明分子模拟方法可以应用于乳糖溶液体系结构与性质的研究中。其中,乳糖溶液的比体积随着温度的升高先减小后增大,在玻璃化转变温度附近出现最小值,与理论相符,可用于预测糖溶液的玻璃化转变温度。     

产甲烷菌高度紧密子网络分析

为了从系统水平上阐明嗜热菌的耐热机制,并指导嗜热菌在工业生产上的进一步应用,以产甲烷菌的代谢网络作为研究对象,从研究代谢网络的拓扑结构以及高度紧密子网络出发,探索常温产甲烷菌Methanosarcina acetivorans(M.acetivorans)和嗜热产甲烷菌Methanopyrus kandleri(M.kandleri)之间的代谢网络的耐热性的差异。实验结果发现常温产甲烷菌M.acetivorans最紧密的9-核和嗜热产甲烷菌M.kandleri最紧密的7-核分别包含27和19个酶。其中嗜热产甲烷菌M.kandleri网络中最紧密的7-核被分成2个子网,一个子网中的酶节点刚好是2个产甲烷菌所共同的酶,而另一个子网络中的酶是嗜热产甲烷菌M.kandleri 7-核所特有的酶,这些特有的酶全部与酪氨酸的合成有关。     

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。     

系列烷基芳基磺酸盐的自由能微扰计算

采用分子动力学的方法模拟了9种系列烷基芳基磺酸盐在真空和水溶液环境下的结构与相互作用。利用自由能微扰方法计算了9种结构的水合自由能,结果表明:随着芳环向长烷基链的中间位置移动,胶束化能力下降,随着芳环上长烷基链碳数的增加、随着芳环上短烷基链个数的增加和短烷基链碳数的增加,胶束化能力提升;通过对自由能的力的分解和原子对的径向分布函数分析,揭示了胶束的驱动力是疏水效应综合作用的结果;根据氢键的图形定义,分析了系列表面活性剂极性头与周围水分子的氢键相互作用,发现氢键的数目能增强或者减弱分子脱离胶束体的趋势,进而影响胶束的稳定性;同时计算了水分子中氢键的生存周期。     

环糊精常温液态水化过程的受控分子动力学(SMD)模拟研究

受控分子动力学（Steered Molecular Dynamics,SMD）是一种新型的分子动力学方法。本文用SMD模拟方法研究了α-,β-和γ-环糊精在常温下从真空穿过气液界面进入水溶液的动态水化过程。模拟发现,在垂直于水溶液气液界面方向的微小外力作用下,三种环糊精在水溶液气液界面上沿着垂直于分界面方向都呈现出窄口端取向。结合环糊精的结构特点,对动态水化过程中各种氢键作用变化的分析表明：这种一致的取向是天然环糊精的结构特性的集中体现。     

真空条件下肌酐的葫芦脲包合物的稳定性研究

葫芦脲因其特殊的结构特征,在主客体化学以及药物缓释等方面都具有潜在的价值。本文利用分子动力学模拟和Gaussian量子化学计算研究了肌酐的葫芦脲[n](n=5,6,7)的包合物在常温下的动态结构稳定性和热力学稳定性。在真空条件下,通过分子动力学模拟包合物在常温时的动态结构和运动轨迹,揭示了包合物的相对稳定性,并根据包合物的氢键及质心运动分析结果可知,肌酐-葫芦脲[7]包合物是稳定包合物。肌酐-葫芦脲[7]经热力学分析的吉布斯自由能变为负值,说明肌酐-葫芦脲[7]包合物的热力学也较稳定,这与分子动力学分析的结果一致。该结果表明,葫芦脲[7]对肌酐具有特异性亲和作用,理论上,可以利用葫芦脲[7]的这种特异性亲和作用清除尿毒症病人血液中过量的肌酐。