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第二节全新蛋白质设计 熵 1864年法国物理学家克牢修斯提出了一个物理量和新函数 熵 熵是热力学系统的态函数 在绝热系统中熵变永远不会为负 各生命体的生命活动过程是具有耗散结构特征的 开放的非平衡系统 生命现象也与熵有着密切关系 生命体和一切无机物的一个根本区别是它具有高度有序性 一个无序的世界是不可能产生生命的 有生命的世界必然是有序的 生物进化是由单细胞向多细胞 从简单到复杂 从低级向高级进化 也就是说向着更为有序 更为精确的方向进化 这是一个熵减的方向 与孤立系统向熵增大的方向恰好相反 可以说生物进化是熵变为负的过程 即负熵是在生命过程中产生的 生命体是 耗散结构 耗散结构认为一个远离平衡态的开放体系 通过与外界交换物质和能量 在一定条件下 可能从原来的无序状态转变为一种在时间 空间或功能上有序的状态 这个新的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的 生命体通过不断与外界交换物质 能量 信息和负熵 可使生命系统的总熵值减小 从而有序度不断提高 生命体系才得以动态地发展 生物进化是个熵变为负的过程 即负熵是在生命过程中产生的 一个系统由无序变为有序的自然现象称为自组织现象 自组织现象可以通过下面过程说明 蛋白质大分子链由几十种类型的成千上万个氨基酸分子按一定的规律排列起来组成 这种有组织的排列决不是随机形成的 而是生命的自组织过程 生命的成长过程是生命系统的熵变由负逐渐变化趋于0的过程 衰老是生命系统的熵的一种长期的缓慢的增加 也就是说随着生命的衰老 生命系统的混乱度增大 自由能 氨基酸序列与蛋白质空间结构的关系研究源于美国生物化学家安芬森 C Anfinsen 1961年 他研究了核糖核酸酶的去折叠和重折叠过程 发现在相同的环境中去折叠的蛋白质都会恢复到原来的空间结构 认为蛋白质链会以自由能最低的方式形成三维结构 由此推测蛋白质的折叠密码隐藏在氨基酸排序中 即所谓的安芬森原则 蛋白质一级排序决定三维结构 因为 对控制蛋白质链折叠原理的研究 安芬森获得1972年诺贝尔化学奖 自由能的计算方法 主要可以分为三类 第一类方法包括自由能微扰和热力学积分方法 第二类方法包括一系列基于经验方程的计算方法 这类方法把结合自由能分解为不同的相互作用能量项 通过一组训练集并利用统计方法来得到自由能计算的经验公式 第三类方法就是近几年发展起来的基于分子动力学采样的自由能预测方法 主要包括LIE方法和MM PBSA方法 自由能微扰 FEP 方法 从一个己知体系出发 通过一系列微小的变化变到另一个体系 在每一个变化步骤做分子动力学模拟 把每一步的体系势能代入相应的公式中 就可以得到两步之间的自由能变化 把所有的自由能变化加起来 就得到两个体系之间的自由能变化 如果有两个配体分子A和B 它们和受体S形成了复合物AS和BS 为了求算这两个配体分子和受体之间结合自由能的差值 则需要通过热力学循环 先求算配体分子A和B之间的自由能变AG 然后再求算出复合物AS和BS之间的自由能变 G 二者之差就是我们需要得到的自由能变化 AG 优点 理论严格 逻辑清晰 具有普适性 缺陷 计算量大 耗时 只能计算差别较小的两态之间的相对结合自由能 当两态差别较大时 我们很难指定变化的路径 由于这些缺陷 这两种方法在药物设计中的应用受到了很大的局限 热力学积分 TI 方法 计算的步骤和FEP方法相似 也是通过两次计算先算出两底物之间的自由能变 再算出复合物之间的自由能变 二者之差就是我们关心的相对自由能 只是自由能差的定义上与FEP方法有所不同 TI也分普通的热力学积分和动态热力学积分 dynamicmodifiedthermodynamicintegration 两种 水化 溶剂化 描述生物大分子周围的溶剂 水 分子分布 V Makarov等人从实验 理论和模拟等方面综述了这一领域近5年的研究进展 结论大多数情况下 生物大分子在溶剂中不仅仅是一般的溶解 在与周围水分子的作用方式上 局域水化模式下水分子的分布更加切合实际 而不同于游离的水分子 在溶液中 局域化的水分子往往是与大分子缔合在一起的 描述了接近DNA和蛋白质分子表面的界面溶剂分子的结构 分布 抹香鲸肌红蛋白的水化水化位置 蓝 实验 水化数密度最大值 黄 MD模拟 肌红蛋白周围溶剂数的3D密度分布 由MD轨迹切片计算得到 溶剂密度由肌红蛋白的平均结构覆盖 等密度线 0 005 蓝 0 01 绿 0 02 黄 0 035 红 a 由模拟结果得到 b 由模型预测 由MD模拟得到的DNA周围的溶剂化密度 最大值 实线 和最小值 虚线 黄点为X射线分析结果 二者符合良好 引言 蛋白设计分成三类 一是小范围改造 就是对已知结构的蛋白质进行少数几个残基的替换 来研究和改善蛋白质的性质和功能二是较大程度的改造 是对来源于不同蛋白质的结构域进行拼接组装 期望转移相应的功能 三是蛋白质从头设计 蛋白质从头设计 蛋白质从头设计就是给定一个目标三维结构或功能 要求找出与已知顺序无明显同源 能折叠成目标结构的氨基酸顺序来 蛋白质从头设计与蛋白质结构预测恰恰相反 后者是从顺序出发 预测其所折叠成的三维结构 蛋白质从头设计是检验蛋白质化学理论的有力方法 成功地从头设计一个蛋白质或活性位点需要正确理解所有有关的相互作用 理论的正确与否与设计成功与否直接相关 同时由于设计的蛋白质是由一个算法 algorithm 采用一组描述相互作用的参数而产生 因此在设计参数和蛋白质特性之间可以建立直接的实验联系 对设计结果的分析不仅检验了理论的正确性 又向我们提出了更多问题 引导我们向更深层次前进 如此反复 在设计一实验的不断循环中 通过一步步的成功和失败 人们对蛋白质的结构 折叠等生物学中的重大理论问题的理解就会越来越深刻 丰富 除了理论价值外 蛋白质从头设计又为蛋白质工程提供了有的放矢的设计方案 血红蛋白氧化还原活性蛋白DNA结合蛋白 取得的进展 设计策略 设计的一般策略是 设计循环 designcycle 就是理论设计和实验验证交互进行 逐步发展 首先由一个算法 基于某些理论和研究结果 设计出初始分子模型 然后实际构建这个分子 用各种手段分析它 寻找成功或失败或不理想的原因 接着修改算法 参数 理论基础 改进模型 进行重新设计 如此反复 在这个过程中 复杂程度渐进提高 对蛋白质结构和功能的理解也逐渐深刻丰富起来 典型的如Mayo等提出的PDA proteindesignautomation 方法 PDA循环包括四个部分 设计 模拟 实验和分析 考虑因素 具体设计中要考虑的因素较多例如 要正确选择二级结构倾向性的残基 正确布置适应目标结构的 二元模式 正确选择转角 帽结构以连接 终止螺旋正确选择适应于堆积核心的疏水侧链 另外还可以导人内部的极性作用 主要的有 二元模式 二级结构倾向性 互补堆积等 二元模式指的是氨基酸的亲疏水性在编码结构中的作用 对残基的亲疏水性的考虑几乎是设计中的唯一标准 是最重要的因素 天然蛋白质折叠时总是尽可能将疏水残基埋进内部 而将亲水残基暴露在表面 二元模式的作用可能主要在二级结构上发挥出来 二级结构是具有周期性的 沿主链残基的亲疏水性也是有周期性的 并与二级结构相适应 举例 螺旋 PHPPH HPPHH是常见模体 双亲性 片层 HPHPH或PHPHP交替 用P代表极性残基polar 用H代表疏水残基hydrophobic NAN编码极性残基 Lys His Glu Gln Asp Asn NTN编码疏水残基 Met Leu Ile Val Phe 按照四螺旋捆的亲疏水模式安排残基 但具体是哪一个残基则随机决定 然后建库 表达 结果表明符合这种模式的蛋白质许多都是紧密折叠的 而完全随机的蛋白质大多是松散的 甚至根本不折叠 另一方面 符合这种模式的蛋白质也不全具有类似天然的结构 也有根本不折叠的 显然 二元模式不是问题的全部 二级结构倾向性 对已知结构数据库的统计分析表明 各种氨基酸在不同的二级结构中出现的频率是不同的 就是说各种氨基酸形成不同二级结构的倾向性是不同的 设计时应将合适的氨基酸安排在其倾向的二级结构中 特定的序列还可以成为某种二级结构的起始或终止信号 例如 一个四残基的N帽出现在许多螺旋的N端 与两个特异的侧链一主链氢键有关 C帽则常和甘氨酸的疏水作用有关 转角则将二级结构元件连接起来 有些转角模体在某些蛋白质家族中是高度保守的 如酪氨酸转角 但在Rop蛋白中把天然转角换成多聚甘氨酸 总体结构却保持不变 相邻的二级结构单元组合在一起 彼此相互作用 排列形成规则的 在空间结构上能够辨认的二级结构组合体 并充当三级结构的构件 blockbuilding 成为超二级结构 介于二级结构与结构域之间的结构层次 超二级结构motif 常见的几种超二级结构形式a loop b c loop d Rossmann折叠 E f g 回形拓扑结构 细胞色素C loop 细胞核抗原的 结构 纤溶酶原的 loop 结构 三级结构和四级结构可以分成有数的几个二级结构单元 例如螺旋 串 转角 他们通过loop连接为三级结构 蛋白质分子的二级结构 螺旋 折叠片 转角 自由回转 互补堆积 设计中还要考虑到 互补堆积 天然蛋白质的核心中的侧链相互镶嵌地堆积在一起 几乎不留出什么空间 这种作用既使疏水作用尽量的大 又不致于引起拥挤 这就是互补堆积 所以 对侧链的大小外形都是有一定要求的 盐桥 氢键 尽管大多数极性侧链都是暴露在表面 而内部还有一些极性侧链构成盐桥或氢键网络 这些内部的盐桥或氢键网络并不是使蛋白质稳定而是建立了一种构象特异性 对已知结构数据库的统计分析发现 内部的极性残基比在表面的极性残基要保守得多 不少成功的设计工作都是内部引人了有限的几个极性残基 蛋白质结构的从头设计 二级结构模块单元的自组装配体诱导组装通过共价交叉连接实现肽的自组装在合成模板上肽的组装线性多肽折叠为球状结构基于组合库的全新蛋白设计 设计一个新奇的蛋白质结构的中心问题是设计一个具有稳定及独特的三维结构的序列 要达到这个目标需要克服的基本障碍是线性聚合链的构象熵 例如 如果在具有100个残基的蛋白质中每个残基采取10个可能构象中的一个构象 则这条链折叠成为确定的三维构象所消耗的熵568 48kJ mol 这个数字代表不合适的自由能的真实的量 因此要实现正确的折叠必须借助于许多合适的相互作用 要使一个序列能折叠为确定的三维结构 设计的相互作用能必须超过构象熵 可以采用不同的策略达到这个目标 最主要是使相互作用的强度与数目达到最大 另一个策略是通过共价交叉连接减小折叠的构象熵 根据第一原理设计一个蛋白质 我们必须依赖于分析已知结构的天然蛋白质中的二级结构单元 例如螺旋 折叠片 环 以及转折 得到一些结构知识 这些知识涉及氨基酸形成二级结构的倾向性等 十多年来 科学家对螺旋已有很好的认识 近几年的重点在于二级结构在三维空间形成的独特的构象通过长程相互作用可控形成超二级结构 我们可以有把握地设计并合成螺旋束 折叠片以及 模块 它们的形成规律比较清楚 成功的概率也比较高 蛋白质中不同层次的结构组织见图2 6 分析己知结构的蛋白质 可以认为复杂的三级折叠和四级结合可以分解为有数的二级结构单元 例如螺旋 串 转角 它们通过LOOP连接为三级结构 特殊折叠的稳定性是由一定距离残基间键相互作用决定的 全新蛋白质设计要求很好地认识蛋白质结构及稳定性的规律 在了解残基形成二级结构单元的倾向性后 要安排残基的最大的疏水相互作用形成一个紧密的疏水内核 离子相互作用及氢键可以进一步用于稳定蛋白质的结构 另外一种途径是根据主链的构象限制设计二级结构 二级结构模块单元的自组装 单一的二级结构单元作为多肽链的模块设计简单合成容易缺点是稳定性差 螺旋相对容易达到结构稳定通过氢键稳定使用大的形成螺旋倾向性的残基 亮氨酸 谷氨酸 赖氨酸 去除基端电荷使用极化或荷电aa引入稳定氢键或在螺旋中相隔一圈残基间的离子相互作用使用在螺旋中相隔一圈残基间疏水的范德华力相互作用使用芳香 荷电 芳香 硫相互作用 蛋白质结构的从头设计 长期以来 设计目标都是一些结构简单 规律明显的分子 最著名的是四螺旋捆结构 这个结构可以作为一个独立的折叠单位 易于独立研究 早期的从头设计成功的例子是Degrado等完成的四螺旋捆结构 研究过程中采取的就是一个 设计循环 策略 这项工作被誉为蛋白质分子设计的里程碑 Richardson等也设计了四螺旋捆 称为Felix 意为fourhelix 79个残基 由非重复序列组成 并在1 4螺旋间加了一个二硫键 首先 1986年完成了一个四聚体螺旋捆 每个单体为16残基 这个序列仅使用Leu作为疏水残基 放在螺旋的内侧 用Lys或Glu作为极性残基 置于螺旋的外侧 每个螺旋用Gly 螺旋终结者 结束 而Gly又为将来加环区埋下了伏笔 第二步 1987年在两个反平行的螺旋问加了环区 并根据第一步的结果对螺旋进行了一些修改 环区开始是用单个Pro 与两个螺旋的终结者Gly构成Gly Pro Arg Gly的连接区 结果发现产物成了三聚体 含6个螺旋 而不是期望的二聚体 4个螺旋 后来将连接的环区改成GlyPro Arg Arg Gly才得到二聚体 第三步 在二聚体之间加了第三个连接体 用的仍是ProArgArg 这个肤共74个残基 是台成了基因 由E coli表达出来的 片层设计 片层比 螺旋要困难 螺旋主要靠局域性的氢键就可以设计出来 片层却涉及了序列上靠近或不靠近的不同股之间的氢键 著名的是Betabellin Betabarrelbellshapedprotein 是由前后两个口片层组成 每个片层由四股组成 片层 螺旋混合 随着理论和技术的发展 人们又把目标瞄向 混合蛋白质 以及进一步优化已经成功的结果和将设计工作自动化 最近成功的例子是Dahiyat和Mayo等完成的自动化蛋白质从头设计这是一个融锌指结构域蛋白质 共28个残基 结构中同时包含 螺旋 片层以及转角 全部使用天然氨基酸 更重要的这是第一个全自动设计的蛋白质 基本特征 两亲性 组装主要涉及疏水相互作用 二级结构序列有一个极性和非极性残基的周期性 周期性严格控制 保证自组装模块的结构能够容忍序列在一定范围内变化 一个好的 螺旋形成者 序列中出现极性 非极性残基周期为2时 折叠成 折叠股 反之 一个好的 折叠形成者 序列中出现极性 非极性残基周期为3或4时 折叠成 螺旋 配体诱导组装 一个配体结合位点设计在结构中几个相互作用片段的界面处 如果位点对配体有很高的亲和力 则结合配体的合适的自由能将充分克服熵消耗并驱动肽自组装 例如 Lieberman Sasaki利用Fe II 诱导组装形成一个三螺旋束 在3个a螺旋端点间设计金属结合位点 使金属络合诱导三螺旋束的形成 蛋白质结构的从头设计 蛋白质 配体识别 蛋白质 配体识别与生物分子的自由能模拟得益于一些重要方法的改进 和计算机能力的提高 分子识别的研究能够帮助人们理解超出相互作用本身所涉及的更多信息 是对实验研究的重要补充 Poisson Boltzmann静电模型提供了一个较快又较简单的自由能模拟方法 这种情况下静电相互作用是主要的 研究了天冬氨酸tRNA合成酶对氨基酸的识别 这些特征对于保持遗传密码的完整性是非常重要的 Asp和Asn对天冬氨酸tRNA合成酶 AspRS 成键的热力学循环成键自由能变化的计算有两种方法 G G1 G2 Alchemical G G4 G3 Chemical 蛋白质 配体间相互作用 以力场能为基础来确定配体与蛋白质之间的相互作用和热力学构象所进行的简单自由能计算在配体结构设计方面是非常有用的工具 线性相互作用能方法计算配体键自由能的MD模拟 优势 在配合物中仅仅考虑配体之间的相互作用就可确定键合能 应用在leadoptimization方面有前景蛋白质之间的相互作用离子通道 在配体 包括药物 和受体的相互作用过程中 牵涉到两类相互作用 即非键相互作用和共价相互作用 非键相互作用包括静电相互作用 范德华相互作用以及氢键相互作用等等 这些相互作用都可以通过力场计算进行比较简单的表达 而共价相互作用则牵涉到化学键的断裂和生成 需要用量子力学的方法进行考察 通过共价交叉连接实现肽的自组装 自然界中通过增加二硫键实现 蛋白质结构的从头设计 设计全新蛋白的主要障碍是肽链的构象熵 当几个没有连接的肽链进行自组装时 熵势垒是比较难以克服的 通过共价交叉连接可以减少构象熵 因此共价连接他们的预组织肽是直接形成所希望结构的有力途径 如图2 13所示 DAB连接 Richardson Erickson等设计Betabillin形成 折叠而来的 圆柱体添加二硫键具备天然蛋白质性质 肽键连接 氨基酸中赖氨酸侧链同谷氨酸 天冬氨酸的侧链彼此间能形成肽键 在合成模板上肽的组装 不使用天然蛋白中的turn和loops连接二级结构单元 而是使用人工模板 蛋白质结构的从头设计 TASP能够模拟单链肽不能模拟的天然蛋白的性质 同天然线性蛋白质不同 螺旋和折叠股在一个特殊折叠过程有一个正确的相对取向 TASP分子的螺旋和股通过模板结构导向形成所希望的构象 例如 短的 孤立的肽一般不能作为抗原 因为他们的结构在溶液中不稳定 把他们连接到大的蛋白载体上 模拟大的天然蛋白质抗原性质 HLA A2蛋白的a螺旋的4个复制序列连接到肽环上 提高了识别能力 使用卟啉作为模板 连接4条a两亲螺旋 稳定且具备活性 线性多肽折叠为球状结构 不用模板或者交叉连接 而通过线性多肽折叠形成球形的确定的三维结构是全新蛋白质设计追求的目标之一 把一个线性肽折叠形成独特的三维结构的主要障碍是构象熵 DeGrado利用Pro Arg Arg作为转折连接 结果 蛋白结构稳定性高于天然蛋白 最小途径 把全新设计的复杂性简化为几个涉及天然蛋白稳定性的特征 然后优化这些特征 缺点 设计的结构比天然蛋白简单且有更多的重复部分 重复序列使结构更易变 难于精确测定 蛋白质结构的从头设计 基于组合库的全新蛋白设计 通过蛋白质组学 构成大的全新的蛋白质库 比较库中的全新蛋白质与自然进化旋转的蛋白质 可以得到组合库 组合库设计的核心问题是埋藏疏水部分 一个常用的方法是基于极性 P 和非极性 N 氨基酸的 二元模式 二元模式 一方面要有利于形成二级结构 另一方面又要埋藏疏水残基 二元模式可用于二级结构两亲片段 一面完全是极性残基 另一面完全是非极性残基 蛋白质结构的从头设计 组合库的设计中要考虑优化疏水核 通过筛选发现最优的堆积相互作用 主要使用两种筛选方法 第一种是使用一维1H NMR谱 第二种方法是使用电喷雾质谱 ES MS 观察H D交换动力学 除了考虑疏水核堆积外还要考虑优化二级结构单元间的界面 近年来发展了一些计算机辅助设计方法 在开始实验之前先进行计算机筛选 一般分为两步 第一步建立侧链的旋转构象库 rotemer 第二次把Rotomer库作为输入 计算低能序列组合的可能性 计算机辅助 通过结合Rosetta的快速预测过程 原子级的能量修正和序列设计方法才完成的 此程序用于设计一个有93残基的蛋白质 它被称为TOP7 有全新的序列和拓扑 TOP7被发现是单节显性且折叠的 而且它的X光晶体结构和设计模型非常相似 RMSD为1 2埃 见图1的右侧 新球型蛋白质折叠设计同设计模型晶体结构的紧密联系扩大了蛋白质设计和蛋白质结构预测之间的关联 打开了探索蛋白质宇宙中未知领域的大门 蛋白质功能的全新设计 蛋白质设计的目标是产生既能折叠为预想的结构又具有有趣和有用的功能 功能设计主要涉及键合及催化 为达到这些目的可以采用两条不同的途径 反向实现蛋白质与工程底物的契合 改变功能 从头设计功能蛋白质 蛋白质的功能设计 通过反向拟合天然蛋白质设计新的功能键合及催化的从头设计在全新蛋白质中引入结合位点催化活性蛋白质设计膜蛋白及离子通道设计新材料设计 反向拟合天然蛋白质设计新功能 天然蛋白质进化结果为我们提供了大量骨架 通过修饰天然结构得到专一性及活性改变的天然蛋白质是可能的 把新奇的性质附加到原蛋白质骨架的结构上 例如引入金属结合位点位点专一DNA裂解催化抗体 通过抗体嫁接 Elisa 蛋白质的功能设计 键合及催化的从头设计 蛋白质的功能设计 能结合特殊配件的新蛋白质设计的早期工作是Gutte及其合作者开展的 1979年他们报道了能与核酸相互作用的34个残基肽的设计 合成与表征 固相合成 在肽合成的技术方面取得了突破性进展的是R BruceMerrifield 他设计了一种肽的合成途径并定名为固相合成途径 由R BruceMerrifield在肽合成方面的贡献 1984年获得了诺贝尔奖 例如 合成一个二肽的过程优点 反应物和产物都是连接在固相载体上 可以在反应容器中进行 便于自动化操作 可以获得高产率的产物 同时产物很容易分离 在全新蛋白质中引入结合位点 能结合特殊配件DeGrado的研究小组在四螺旋组蛋白中创建了一种金属酶位点 杜克大学医学中心的HommeHellinga和他的同事利用一种大肠杆菌周质空间结合蛋白朝家族的成员作为涉及TNT 葡萄糖与其他分子的生物传感器的骨架Hellinga和他的合作者成功的联合了他们新工程构建的生物传感器和细胞信号通路 培育了一种能在暴露于TNT时变成蓝色 这项工作为地雷的探测带来新方法 蛋白质的功能设计 催化活性蛋白质设计 模拟胰凝乳蛋白酶在Helichrome中的卟啉环类似于血红素蛋白的活性位点 后来人们企图根据第一原理设计活性位点而不是模拟已知酶 Benner等设计的新酶采取不依赖于金属的机制 Hellinga小组成功的将一种无催化活性的核糖结合蛋白转换成一种异常活跃的丙糖磷酸盐异构酶反应中的催化剂 蛋白质的功能设计 膜蛋白及离子通道设计 膜蛋白在许多生物过程中起重要作用 设计与构筑具有预期结构与性能的膜蛋白有非常重要的意义 膜蛋白结构形成的驱动力与在水中可溶的蛋白是不同的 设计及合成中所遇到的因难也是不同的 例如疏水效应要求在溶液环境中非极性残基在内部 极性残基在外部 但对于在非极性环境中的膜蛋白就完全不同 膜蛋白在体内表达或在体外合成形成典型的包含物 一个全新膜蛋白从一个不溶水的聚集体转换为类似于膜的环境要求构象变化 尽管存在很大困难 但科学家们仍设计表征了一些全新膜蛋白 蛋白质的功能设计 MD模拟5 5ns后DMPC 中性脂质体 DMTAP 阳离子脂质体 与DNA的联合体构型 a 垂直于DNA轴 b 平行于DNA轴 DNA和脂质体的 头 P N用球表示 尾 疏水链 用棍表示 各原子的颜色 N 蓝色 O 红色 P 黄色 C DNA 灰色 C 脂质体 绿色 H 暗灰色 形成微孔的跨膜肽对脂质体环境的影响 5 M2 DMPC的构型 MD模拟2ns后 脂质体分子用球和棍表示 头端的N和P原子用蓝色和黄色的球表示 各原子的颜色 M2螺旋的N 蓝色 O 红色 C 灰色 S 黄色 两种麻醉剂分子进入双磷脂层的分配情况 MD模拟2ns后的构型 水分子和SDPC用球棍模型表示 脂质体中的N和P原子表示为蓝色和绿色的球 F 黄色 Cl 亮绿色 Br 暗绿色 H 灰色 离子通道 离子通道允许无机金属离子选择性地穿过膜脂质层 通过基于原子模型和外部溶剂与膜脂质体之间的微观相互作用的MD模拟 使我们得以窥探到这类复杂体系的内部过程 允许人们在微观水平上观察离子的渗入 透过 在过去的近十年中 随着计算方法的改进 短杆菌肽A离子通道的模拟研究从较简单的仅含有蛋白质和少数水分子的模型过渡到复杂的含有大的生物分子和脂质体的体系 现在 用真实的原子模型来模拟一些重要的生物通道几乎是比较常规的工作 如 Escherichiacoliporin的OmpFporin 机械敏感通道MscL Streptomyceslividans的KcsAK 通道 MD模拟中的被2个Na 离子占据的短杆菌肽A通道 短杆菌肽A通道在50皮秒时间间隔内沿MD轨迹的5个构形的叠合图 新材料设计 自组装是构筑新材料的重要方法 是材料科学和蛋白质折叠的共同的课题 总结 设计方法 目前所有的算法都基于一种思路 首先选择某种主链骨架