蛋白与磷脂双层膜相互作用的实验与计算机模拟研究

【作者】 罗俊杰； 秦姗姗； 尉志武；

【机构】 清华大学化学系；

【摘要】 生物体内,蛋白质与细胞膜的相互作用广泛存在。两者的相互作用不仅会影响蛋白质的结构,还会对细胞膜的形态、结构和相行为产生影响。更重要的是,蛋白质自身具有高度有序的折叠结构,且具有解折叠、聚集等复杂的结构变化。因此,研究蛋白质在解折叠过程中的结构变化对细胞膜结构和相行为的影响机理,有助于我们从物理化学的深度认识生命过程中蛋白质与细胞膜相互作用的规律。我们从实验和计算机模拟两个方面开展了一些工作。在实验方面,我们构建了带正电的蛋白质(溶菌酶)与带负电的磷脂膜(DPPC-DOPG)体系,通过采用量热与热分析(差示扫描量热和等温滴定量热)、多种光谱(红外光谱、圆二色性光谱和荧光光谱)、透射电镜、同步辐射X射线散射等手段研究了蛋白质与磷脂模型膜相互作用的规律。我们以蛋白质解折叠机理的研究为基础,发现了蛋白质在与磷脂膜静电吸附过程中的结构变化,也探讨了蛋白质的解折叠对磷脂膜的分相情况、层间距的影响及其机理。这些研究使我们对蛋白质与磷脂膜相互作用的认识从蛋白质的静态结构拓展到动态结构变化,为我们提供了研究蛋白质诱导磷脂膜发生各种转变的新思路。对于蛋白质与磷脂膜的静电吸附,通过对蛋白质变性热信号和二级结构的巧妙处理和深入分析,我们揭示了结合蛋白结构受膜表面二维吸附密度影响的机制。我们对蛋白质吸附在磷脂膜表面引起磷脂相行为变化的现象进行深入研究,发现了蛋白质在解折叠过程中与负电磷脂相互作用,通过解折叠过程中对自身结构的调节诱导磷脂发生侧向位移并最终富集分相。我们进一步研究了蛋白质诱导磷脂多层膜发生层间距变化的规律,发现了磷脂头部基团的调整引起蛋白质结构重新折叠,最终导致层间距增加的作用机制。而经过变性的蛋白质,由于诱导负电磷脂发生了富集,使磷脂多层膜的层间距固定不变。这一现象体现了蛋白质可以通过改变影响磷脂相行为实现对磷脂膜结构的调节。在计算机模拟方面,我们研究了人体内磷脂水解酶A2(hs-PLA2)与多个模型脂膜的作用,通过比较磷脂双层膜中磷原子、甘油骨架、磷脂酶中插入脂双层部分和位于亲水头基部分氨基酸残基的数量密度分布,获得了蛋白在膜中的相对位置,得到了磷脂酶使双层膜变薄、半数以上的氨基酸残基与磷脂头部基团作用、主要的氢键是与磷酸基团形成、构成磷脂酶结合口袋的氨基酸残基易与流动性强以及带负电的磷脂作用等结论。我们还研究了蛋白激酶等多种蛋白中保守的C1结构域与第二信使DAG的作用,特别关注了C1在磷脂膜中捕获DAG的分子机理。此外,我们还提出了一个比较不同磷脂双层膜与蛋白作用情况的彩色模块法。更多还原