海藻糖抑制淀粉质多肽42构象转变的分子动力学模拟

应用分子动力学模拟方法研究了海藻糖抑制淀粉质多肽42(Aβ42)构象转变的分子机理.结果表明,海藻糖溶液浓度对Aβ42构象转变具有非常重要的影响.在水和低浓度海藻糖溶液(0.18mol·L-1)中,Aβ42可由初始的α-螺旋结构转变成β-折叠的二级结构;但海藻糖浓度为0.37mol·L-1时即可有效抑制Aβ42的构象转变.这是因为海藻糖利用其优先排阻作用使水分子在多肽周围0.2nm内富集,而其自身却在距离多肽0.4nm的位置附近团聚.另外,海藻糖还可通过降低多肽间的疏水相互作用,减少多肽分子内远距离的接触,有效抑制多肽的疏水塌缩和构象转变.上述分子模拟的结果对于进一步合理设计阿尔茨海默病的高效抑制剂具有非常重要的理论指导意义.

渗透剂的分子体积和极性表面积分率对胰凝乳蛋白酶抑制剂2热稳定性的影响

渗透剂对蛋白质的稳定能力不仅与其极性表面积分率(fpSA)有关,而且也与其分子体积(V)密切相关.因此对于渗透剂稳定蛋白质能力的分析,需要同时考虑渗透剂的fpSA和V.为了考察渗透剂的fpSA和V对稳定蛋白质能力的影响,本文以胰凝乳蛋白酶抑制剂2(CI2)为模型蛋白,首先利用分子动力学模拟,考察了数种典型渗透剂对CI2热稳定性的影响;并根据模拟数据计算得到了渗透剂影响蛋白质热稳定性的一维结构参数;然后利用统计学双参数拟合,同时引入渗透剂的fpSA和V,建立了用于分析渗透剂稳定蛋白质能力的模型;最后利用模型分析了渗透剂的fpSA和V与其稳定蛋白质能力的关系.研究发现:利用分子动力学模拟结果定义并计算得到的一维结构参数能够较好地描述在热变性条件下渗透剂对CI2的稳定能力;所建立的模型能够很好地分析渗透剂对蛋白质的稳定能力;并且由于V和fpSA二次项的引入,可大大提高仅以fpSA为参数的模型的精度;另外,渗透剂对蛋白质的热稳定能力与其V成正比;由于拟合公式中引入了fpSA二次项,在fpSA小于0.7时,fpSA与渗透剂的稳定能力呈现负相关,但当fpSA大于0.7时,其与渗透剂的稳定能力反而呈现正相关.

Z_(Aβ3)和Aβ_(16–40)亲和作用的分子机理解析

淀粉样多肽(amyloid-βpeptide,Aβ)聚集是引起阿尔兹海默症(Alzheimer's disease,AD)的主要原因。开发Aβ聚集抑制剂是治疗AD的最有效手段之一。利用噬菌体展示技术筛选出来的Z_(Aβ3)蛋白质能够有效抑制Aβ聚集,但Z_(Aβ3)和Aβ之间的作用区域和关键氨基酸残基尚不清楚。针对此问题,本研究利用分子动力学模拟、MM-PBSA自由能计算和分解方法研究了Z_(Aβ3)-Aβ_(16–40)复合物之间的相互作用机制。结果表明,Z_(Aβ3)的β-股和Aβ_(16–40)之间的亲和作用占主导,而Z_(Aβ3)的α-螺旋贡献很小。利用分子力学-帕松波尔茨曼溶剂可及化表面积方法(MM-PBSA)自由能分解发现Z_(Aβ3)的热点残基为E15、I16、V17、Y18、L19、P20、N21和L22,而Aβ_(16–40)的热点残基为F19、F20、A21、E22、D23、K28、I31、I32、G33、L34、M35、V36、G38和V40。Z_(Aβ3)通过将发夹型Aβ单体包埋在α-螺旋围成的疏水性腔体内来阻碍Aβ聚集。这种结合模式为设计高效的Aβ蛋白质类抑制剂提供了三个基本要素:高亲和性的结合片段(β-股)、附属结构(α-螺旋)和通过二硫键形成的稳定构象。高亲和性结合片段能竞争性地与Aβ单体结合,附属结构α-螺旋可以阻碍其它Aβ单体靠近,而稳定的构象是上述两种要素发挥作用的基础,三者协同作用可以有效地抑制Aβ聚集。

配基理性设计技术及其应用进展

理性设计是获得高亲和性配基的重要方法之一。本文简要介绍配基理性设计的基本原理，重点阐述配基理性设计方法的分类及其在新药开发和亲和色谱配基方面的应用，最后展望配基理性设计技术的前景。

蔗糖异构酶在异麦芽酮糖生产中的研究进展

异麦芽酮糖是一种多功能的新型甜味剂,同时也是国际上公认安全的蔗糖替代品,在医药、食品等行业中具有广阔的应用前景。蔗糖异构酶(sucrose isomerase,SIase)是生物转化生产异麦芽酮糖最有效的生物酶制剂。作者简要论述了异麦芽酮糖的生理特性及其在生产中现存的问题,详细阐述了SIase的来源、三维结构、催化机制、高效酶分子理性改造及其异源高效表达等。随后介绍了细胞及酶固定化在异麦芽酮糖生产中的广泛应用,并展望了蔗糖异构酶在生产异麦芽酮糖中的应用。

海藻糖和氨基酸之间相互作用的分子动力学模拟

虽然海藻糖已经广泛用于蛋白质稳定性研究,但海藻糖稳定蛋白质的作用机理尚不清晰.本文利用全原子分子动力学模拟研究了20种常见氨基酸和海藻糖之间的分子机理.结果表明,所有氨基酸,尤其是极性和带电氨基酸,均优先与水分子结合.相反,仅有疏水性氨基酸与海藻糖发生相互作用,尤其是芳香族和疏水性氨基酸的侧链更易于和海藻糖接触.所有氨基酸的主链与水分子接触的趋势一致.虽然氨基酸和海藻糖与水之间均形成氢键,但氨基酸和海藻糖之间的氢键相互作用要弱于氨基酸和水之间的氢键相互作用.上述分子模拟的结果对于海藻糖稳定蛋白质作用机理的解析及高效蛋白质稳定剂的理性设计具有非常重要的理论指导意义.

微生物碱性蛋白酶的研究与开发

微生物碱性蛋白酶被广泛应用于洗涤、食品、皮革及纺织等制造工业中.本文围绕碱性蛋白酶的研究与开发,对微生物碱性蛋白酶的来源、表达调控、分子改造、构效关系及应用进行了阐述,指出了今后的研究方向.

多肽抑制剂抑制淀粉质多肽42构象转换的分子动力学模拟和结合自由能计算

应用分子动力学模拟和结合自由能计算方法研究了多肽抑制剂KLVFF、VVIA和LPFFD抑制淀粉质多肽42(Aβ42)构象转换的分子机理.结果表明,三种多肽抑制剂均能够有效抑制Aβ42的二级结构由α-螺旋向β-折叠的构象转换.另外,多肽抑制剂降低了Aβ42分子内的疏水相互作用,减少了多肽分子内远距离的接触,有效抑制了Aβ42的疏水塌缩,从而起到稳定其初始构象的作用.这些抑制剂与Aβ42之间的疏水和静电相互作用(包括氢键)均有利于它们抑制Aβ42的构象转换.此外,抑制剂中的带电氨基酸残基可以增强其和Aβ42之间的静电相互作用(包括氢键),并降低抑制剂之间的聚集,从而大大增强对Aβ42构象转换的抑制能力.但脯氨酸的引入会破坏多肽的线性结构,从而大大降低其与Aβ42之间的作用力.上述分子模拟的结果揭示了多肽抑制剂KLVFF、VVIA和LPFFD抑制Aβ42构象转换的分子机理,对于进一步合理设计Aβ的高效短肽抑制剂具有非常重要的理论指导意义.

胰蛋白酶定向固定化亲和配基的理性设计

在胰蛋白酶三维(3D)结构的基础上,首先利用分子对接从ZINC数据库中筛选获得了与胰蛋白酶具有较高亲和性的小分子配基2-硝基苯基-β-D-葡糖苷,并分析了该配基与蛋白质之间的相互作用力主要为范德华和氢键相互作用.并利用分子动力学模拟进一步验证了2-硝基苯基-β-D-葡糖苷与胰蛋白酶之间具有较强的亲和作用.分子动力学(MD)模拟结果表明,配基-目标蛋白质之间形成稳定的复合物且它们之间的距离基本没有变化.此外,一个水分子通过氢键在配基和目标蛋白质的结合腔之间架桥.最后制备了偶联有该配基的亲和载体,进行了胰蛋白酶的定向固定化,并考察了该固定化酶的活性.研究结果表明,利用修饰2-硝基苯基-β-D-葡糖苷配基的亲和载体固定化胰蛋白酶的酶活达到340.8 U·g^(-1),比活达到300.3 U·mg^(-1),分别是未修饰亲和配基载体的10倍和5倍,具有明显的优势.上述结论证明了结合分子对接和分子动力学模拟理性设计定向固定化亲和配基的方法是可行的,具有一定的理论和实用价值.

裙带菜吸附水溶液中镍离子的特性及吸附平衡模型

本文实验研究了裙带菜对废水中重金属镍离子的吸附特性和吸附平衡模型。实验表明裙带菜对镍离子的吸附能力最高达0.76m m ol/g(干裙带菜)。在恒定pH条件下,Langm uir方程可用来描述吸附容量与平衡浓度的关系。但吸附容量受溶液pH值影响很大,在pH2.0～6.0范围内p,H值越低吸附量越小,pH在5.5～6.0时有较大吸附容量。竞争吸附模型可以很好地描述溶液中pH值和离子浓度对吸附的影响,可以预测再生条件。

裙带菜吸附水溶液中镉离子的吸附特性和吸附平衡模型

研究了裙带菜从水溶液中对重金属镉离子的吸附特性和吸附平衡模型.实验表明,在pH值为6.0时裙带菜(干)对镉离子的最大吸附量达1.0 mmol/g;在恒定pH条件下,Langmu ir方程可用来描述吸附量与平衡浓度的关系,但吸附量受溶液pH值影响很大:在pH 2.0~6.0范围内,pH值越低吸附量越小,pH在5.5~6.0时吸附量最大.竞争吸附模型可以很好地描述溶液中pH值和离子平衡浓度对吸附的影响,可以预测再生条件.

硫黄素T对淀粉样β-蛋白质40聚集成核动力学的双重影响(英文)

荧光染料硫黄素T常用于淀粉样纤维聚集过程的定性定量检测。虽然有研究表明,某些抑制淀粉样蛋白质聚集的小分子抑制剂会与硫黄素T相互作用,影响其测试结果。但硫黄素T如何影响淀粉样蛋白质的聚集成核动力学尚不清晰。本文以淀粉样β-蛋白质40(Aβ40)为模型,系统研究了硫黄素T对Aβ40聚集成核的影响。研究发现:硫黄素T能够显著改变Aβ40的聚集成核动力学,且影响程度与硫黄素T的浓度密切相关。即在低浓度硫黄素T存在下,Aβ40成核速率的延迟时间先随着硫黄素T浓度的升高而缩短,后随着硫黄素T浓度的升高延迟时间反而延长。但延伸的速率却随硫黄素T浓度的升高而缓慢增大。另外,硫黄素T基本不会影响Aβ40的二级结构和纤维形态。同时,等温滴定微量热实验结果表明,硫黄素T结合Aβ40之间的主要作用力为疏水相互作用。据此,本研究提出硫黄素T对Aβ40聚集成核动力学的双重影响机理。这些结果有助于进一步了解硫黄素T与淀粉样蛋白质的作用特点,为今后硫黄素T在Aβ40聚集成核动力学实验中的使用提供参考。

Y220C突变体影响p53C蛋白质构象转换的分子动力学模拟

p53是迄今发现突变频率最高的一种肿瘤抑制蛋白质,突变会导致p53抑癌功能丧失并诱导癌症的发生。绝大多数的突变发生在p53的核心DNA结合区域(p53C),其中Y220C是研究较多的一种突变体。虽然已有研究表明该突变能够降低p53C的结构稳定性,但其影响p53C构象转换的分子机制尚不清晰。本文利用分子动力学(MD)模拟方法研究了p53C突变体Y220C(p53C-Y220C)的结构变化,发现Y220C突变主要影响Y220C cluster区域(包括残基138-164和215-238),且Y220C突变减少了Y220C cluster的β-折叠含量。进一步分析发现,Y220C突变不仅直接破坏突变氨基酸与周围氨基酸Leu145和Thr155之间的氢键,而且降低了Y220C cluster区域的折叠片S3和S8之间的氢键数量,使Y220C突变所形成的亲水性空腔变大,加速了水分子进入该蛋白质内部,并最终导致了p53C-Y220C变性。MD模拟结果揭示了Y220C突变影响p53C结构转换的分子机制,该研究对p53C-Y220C突变体高效稳定剂的筛选和设计具有重要意义。

p53突变体Y220C小分子稳定剂的虚拟筛选

为了获得p53突变体的稳定剂,依次利用利宾斯基五原则,通过2次分子对接和全原子分子动力学(MD)模拟从Drug Bank 4.0数据库中筛选获得了潜在的稳定剂他克林.利用MD模拟进一步验证他克林和目标蛋白质之间的亲和作用.结果表明,他克林能够紧密结合到Y220C突变所形成的疏水空腔之中;他克林和目标蛋白质之间的主要作用力为疏水和静电相互作用,其中疏水相互作用占主导地位.此外,他克林分别与目标蛋白质的残基Leu145,Val147和Asp228形成3个氢键.基于MD模拟轨迹分析了他克林与p53CY220C的结合过程.由硫黄素T荧光光谱进一步证明他克林能够提高p53C-Y220C突变体的稳定性.

计算机模拟在食品工业用酶改造中的应用

酶制剂在食品工业中应用广泛,其具有绿色环保和可持续发展的特性,然而,苛刻的工业生产条件严重制约着酶在食品工业中的广泛应用。针对天然酶在工业化应用中存在的稳定性差和催化活性低等问题,借助计算机模拟技术改造获得性能优良的酶,是解决该问题的常用策略之一。本文介绍食品工业酶制剂和食品工业用酶改造领域中的一些常用的计算机模拟方法,详细论述计算机模拟技术在提升食品工业用酶的热稳定性、酸碱稳定性和催化活性中的应用。

阿尔茨海默病药物研发进展

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种神经退行性疾病,目前仍无法完全治愈,对个人及社会造成了重大危害.由于其发病机制尚未明确,因此目前市场上的药物对于AD的治疗仅起到缓解作用,而新药的研发也因发病机制不明确而陷入难关,迄今尚未找到治愈AD的有效治疗手段和药物.因此,研发有效治疗AD的药物迫在眉睫.本文主要对目前市场上抗AD药物进行综述及展望.

磷脂酶D交联聚集体的制备及其酶学性能研究

磷脂酶D(phospholipase D,PLD)可以催化磷脂的磷酸二酯键水解和转磷脂酰基反应,目前已广泛应用于化工和医药等行业。该研究利用交联酶聚集体(cross-linked enzyme aggregates, CLEAs)技术开发了一种新型的PLD交联聚集体固定化酶(PLD-CLEAs)。以酶活性回收率为指标,确定了PLD-CLEAs的最佳制备条件:饱和度60%的硫酸铵为沉淀剂,质量分数0.125%的戊二醛为交联剂,交联反应时间为1.5 h,此时PLD-CLEAs的酶活力回收率为118.8%。与游离酶相比,PLD-CLEAs最适pH值向中性偏移,由8.0变为7.0;且PLD-CLEAs在较宽的温度和pH范围内均保持较高的酶活性,在高温(50℃)下的热稳定性明显提高。另外,在重复使用10次后,PLD-CLEAs仍能保持50.4%的酶活性。研究结果表明,PLD-CLEAs具有比游离酶更优异的热稳定性、pH耐受性和重复使用稳定性,有良好的工业应用前景。

硅纳米粒子吸附交联固定化蔗糖异构酶的制备及其酶学性能研究

利用蔗糖异构酶(sucrose isomerase,SIase)异构催化蔗糖是目前生产异麦芽酮糖最常用的方法。以硅纳米粒子(silica nanoparticle,SNP)为载体、戊二醛(glutaraldehyde,GA)为交联剂,采用吸附法和吸附-交联法对蔗糖异构酶进行固定化,分别得到S-CLEAs和S-CLEAs-GA两种固定化酶。实验结果表明,固定化的最优条件是:硅纳米粒子6.25 mg/mL,酶加量8.6 U/mL,吸附时间为5 h,戊二醛的质量分数为0.08%,交联时间为2 h,此时S-CLEAs和S-CLEAs-GA的酶活力回收率分别为51.2%和44.9%。与游离酶相比,2种固定化酶在较宽的pH和温度范围内始终保持较高的生物催化活性。另外,S-CLEAs和S-CLEAs-GA重复使用15次后,酶活力回收率分别为55.1%和77.9%。表明SIase经此方法固定化后,固定化酶具有优异的热稳定性、pH耐受性和操作稳定性,其中S-CLEAs-GA的表现更好,有良好的工业应用前景。

深化生物工程专业实验教学改革与创新

生物工程专业主要培养在生物工程领域从事设计生产管理和新技术研究、新产品开发的工程技术人才。专业实验教学是生物工程专业的重要组成部分,也是培养学生观察能力、动手能力和思维能力的重要途径,更是培养学生创新能力的重要手段。天津大学生物工程专业针对专业实验教学现状,进行了系统性教学体系设计,建立多层次的实验教学体系和多层次的考核模式,深入开展实验课教学内容和方法的改革。

淀粉样β蛋白的微生物表达及其在抑制剂筛选中的应用

淀粉样β蛋白质(Amyloid-βprotein, Aβ)的错误折叠和聚集形成多种形式的毒性各异的聚集体是阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)发生和发展的主要原因之一。研究Aβ的错误折叠和聚集机制及开发高效的抑制剂对AD的治疗至关重要。上述研究均需要大量的高纯度Aβ,而基于基因工程技术的重组蛋白质生产是获得Aβ及其突变体的常用工具。基于近年来Aβ微生物表达相关领域取得的进展,结合作者的相关研究,介绍了Aβ的微生物表达和纯化以及体内聚集抑制剂筛选系统的构建及使用,并讨论其优点和局限性,为淀粉样蛋白沉积疾病的分子机理和抑制剂开发的相关研究提供理论依据和技术支撑。