提高细菌视紫红质热稳定性的理性设计

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1、提高细菌视紫红质热稳定性的理性设计上海交通大学硕士学位论文提高细菌视紫红质热稳定性的理性设计姓名:郝素申请学位级别:硕士专业:生物医学工程指导教师:骆建华2002.2.22提高细菌视紫红质热稳定性的理性设计提高细菌视紫红质热稳定性的理性设计摘要细菌视紫红质是一种具有优良的光学性能的生物膜蛋白,它还具有极快的反应速度和高的空间分辨率、高灵敏度以及高的重复循环茨预‘■茬光电探测、光开关、非线性光学、光学信息存储和处理以及光全息等方面有广阔的应用前景。然而,一种蛋白质,无论其应用前景如何广泛,如果不能被稳定地分离纯化,或稳定地保存,也必将毫无价值。这就是的耐热性研究非常重要和有意义的首要原因。另

2、一方面,在分子电子器件、光存储材料等方面的应用迫切需要高热稳定性的分子。/??~本文的研究思路是用氨基酸替换提高细菌视紫红质的热稳定性,具体采用统计分析和能量计算相结合的方法。一个分子由个氨基酸组成,在目前还未弄清决定热稳定性的关键区域的情况下,若以每个氨基酸为对象进行定点突变,实验量过于庞大而难以实现。?芍本文在深入了解细菌视紫红质的序列、空间结构和功能位点的基础之上,结合对影响蛋白质热稳定性因素的分析,提出了氨基酸替换的四种原则。同时,基于对细菌视紫红质的序列、结构和功能位点的了解,提出了两个可能决定热稳定性的区域,作为突变区。然后,对每一个突变区域分别进行建立突变模型、筛选突变模型和

3、组合突变的处理,最后将组合突变的结果进行排序和分析。具体的实现过程分三步走:第一步:建立突变模型,包括确定突变位置和突变方向,确定突变方向就是确定突变后的氨基酸范围。第二步:筛选突变模型,主要采用有两个评价标准,形成跨膜螺旋的残基串倾向性和分子能量。选择形成跨膜螺旋的残基串倾向性是为了保证突变后的蛋白质能形成稳定的构象。选择分子能量作为评价标准的理论基础是,蛋白质的活性构象对应于体系自由能最小的状态,在某种条件下也可认为是能量最小的状态。第三步:组合突变,将每个突变区域中候选的突变位置和突变方向进行组合,计算组合突变后的构象能量,并将结果进行排序。最后,本文筛选出个左右的氨基酸替换,为后续

4、的实验指明方向。本文提出的统计跨膜螺旋的残基串倾向性和现有方法的不同之处在于,现有的方法一般只给出单个残基的倾向性因子,而且统计样本来自球蛋白。由于平均来讲,球蛋白有一个疏水核心,而整个膜蛋白都是疏水的,因此其统计结果不能应用于细菌视紫红质这样的膜蛋白。本文的统计样本来自个已经『确解析出空间结构的跨膜蛋白,不仅统计了单个残基的倾向性因子,还统计了残基串为的倾向性因子,考虑到了氨基酸之间的相互作用,结果更具参考价值。卜?歹一关键词:细菌视紫红质,热稳定性,残基串倾向性,构象能量,组合突变提高细菌视紫红质热稳定性的理性设计,.,.,?,,、.,,’..,..,,,.?.,.,,’,、.,...

5、:.,.:....?..:,..提高细菌视紫红赝热稳定性的理性设汁...,,’..,..,:,第一章引言生命体经过上亿万年的生存竞争和适应进化,炼就了一整套适应自然的物理化学机制,同时也极具信息处理能力。因此生物分子是优良的信息处理材料。细菌视紫红质,简称就是一种有广泛应用前景的生物材料。细胞膜上的光细菌视紫红质是微生物嗜盐菌捕获蛋白质,由个跨膜螺旋和一个发色团一视黄醛组成如图卜所示,因为与视觉中的视紫红质类似,故而得名。自年代末被发现以来,引起了科学家们极大的兴趣,受到了全方位的研究,是迄今为止研究得最清楚的膜蛋白之一。细菌视紫红质结构和功能的研究不仅对个螺旋跨膜蛋白家族的其他蛋白有借鉴

6、和指导作用,更重要的是,细菌视紫红质分子具有独特的光学异常特性,即受到光照时,可发生结构变化,驱使质子跨膜转移,形成电化学梯度,细胞利用存储于梯度中的能量合成和完成其他需要能量的生命功能,同时可以引导出光响应信号。这种生物材料令人惊奇的热、光和物理化学特性可用于制造各种不同的信息存储与处理系统。为了特定的应用目的,可用许多方法选择性地增强细菌视紫红质某些方面的特性。图:的图观察角度:细胞膜外垂直于细胞膜方向图中红色所示的个跨膜螺旋环绕形成离子通道,供泵出质子,蓝色所示为发色团一视黄醛,黄色所示为两个片段,灰色所示为片段.的应用前景和提高热稳定性的意义细菌视紫红质的结构和功能的特点,决定了它

7、作为优良的纳米生物材料的应用前景“。“。?。它已成为多种学科的研究对象,引起许多科学家的兴趣。在细菌视紫红质有应用前景的性能中,最为突出的是光致变色性能、瞬态光电响应性能和非线性光学性能。在光致变色性能方面有望用于:光学信息处理和光储存;生物芯片和生物计算机;全息照相和存储;边缘增强器;光模式识别;三维光记忆:傅立叶变换和处理;神经网络;光相关转换和相关器;光逻辑门和二进制光记忆;光寻址直接显示器。在瞬态光电响应方面有望