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只有正确折叠的蛋白质分子才能具有生物活性;因此在蛋白质工程和临床医学中,必须保证目标蛋白质处于合适的构象。渗透剂对蛋白质结构有着独特的稳定作用,因此被广泛应用于人工稳定和复性蛋白质技术中,其稳定机理也成为了生物技术领域中研究的热点。之前有研究发现渗透剂对蛋白质的稳定能力与它的分子表面的极性基团表面积比例呈反比关系,但忽略了分子体积所代表的空间位阻效应的影响,因此存在一定误差。我们推测分子体积也是影响渗透剂稳定作用的因素,对之前的理论进行了修正和发展,对于优化实验和生产条件、理性设计新型添加剂和配基,具有重要的指导意义。
本研究利用了计算机模拟的优势,以CI2为模型蛋白,通过分子动力学模拟考察8种典型渗透剂对CI2的热稳定性的影响;研究核心是根据模拟数据,利用统计学双参数拟合模型同时分析分子体积和极性基团表面积比例与渗透剂稳定能力的关系,加深了渗透剂稳定能力的影响因素的理性认识。之后将模型结果与具体的模拟数据分析手段结合,进一步的分析了多元醇类渗透剂与蛋白质作用的分子机理,阐述了造成多元醇类渗透剂独特性质的原因。
研究首先发现渗透剂对CI2有着不同程度的稳定能力;之后定义并计算了能够综合描述CI2结构特性的一维参数,从量化的角度定义了相应渗透剂对CI2的稳定能力。通过与实验结果的关联,认为模拟结果是比较可信的。
经过数学模型分析,发现分子体积的引入大大提高了模型精度,证明渗透剂的体积大小对其稳定能力有着重要的影响;由于分子体积与空间位阻效应直接相关,因此当极性基团表面积比例一定时,渗透剂的稳定能力随着分子体积的增大而增强;当分子体积一定时,渗透剂的稳定能力首先随着极性基团表面积比例的增加而下降,当这个比例超过某个阀值时,其稳定能力反而开始上升。
分析过程中发现多元醇类渗透剂与其他渗透剂的差异较大,因此单独对几种多元醇类渗透剂进行分析,发现其稳定能力与分子体积直接相关;而由于它们的极性基团表面积比例普遍较高,并且彼此差异不大,因此这个比例的影响很小,并且与相应的稳定能力存在正相关的现象。在分子机理层面,发现醇类渗透剂较大的分子体积造成的空间位阻效应,以及表面多个羟基导致的分子间彼此聚集现象,是造成它们独特性质的主要因素。