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本论文应用分子模拟方法，以具有细菌周质结合蛋白(Periplasmic BindingProtein，PBP)代表性结构的谷氨酰胺结合蛋白(Glutamine Binding Protein，GlnBP)为对象，来研究PBP的功能性运动以及捕获、释放底物的机制。由于该体系的膜结合组分(Membrane Binding Component，MBC)的晶体结构难以获得，本论文以维生素B12转运体系中的BtuCD的晶体结构为基础，研究了跨膜蛋白的功能性运动，以帮助理解MBC在从PBP获得底物后进行跨膜转运的机制。论文内容主要包括以下几个方面：
(1)GlnBP的结构与功能关系及其与底物结合的分子模拟研究。
以未结合底物的开放构象的GlnBP以及结合有底物谷氨酰胺(Glutamine，Gin)的闭合构象的GlnBP的晶体结构为基础，用MD模拟方法和分子对接方法研究了GlnBP的功能性运动、GlnBP-Gln复合物的结构特点以及GlnBP与Gln的相互作用，并探讨了Gin与GlnBP开放构象的结合模式。
MD模拟结果发现，GlnBP存在显著的结构域之间的功能性运动，即开合运动和扭转运动。其中开合运动主要来自残基Lys115-Gly147组成的区域作为一个整体的运动。与该区域连接的由残基Ala96-Asp110组成的loop区显示出柔性，连接GlnBP的两个结构域的铰链区则表现出刚性。在结合有Gin的GlnBP闭合构象中，结构域之间的功能性运动受到约束，结构相当稳定。GlnBP主要通过Gin参与的氢键网来保持闭合构象的稳定性。
通过分子对接方法揭示了开放构象的GlnBP与Gin的结合模式，表明开放构象的GlnBP可能首先以活性口袋内靠近小结构域的位点与Gin结合，然后开始向闭合构象转变。GlnBP的功能性运动和氢键对的形成可能是捕获底物过程的推动力。本工作将有助于理解PBP行使捕获底物的机制。
(2)集合运动引导的分子动力学模拟。
为了进一步了解GlnBP在结合底物后由开放构象向闭合构象转变从而捕获底物Gln的机制，需要在较短的模拟时间内实现GlnBP结构域之间的功能性运动。为此，将各向异性网络模型(Anisotropy Network Model，ANM)分析方法与经典MD方法结合，在ANM指示的集合运动方向施加外力，从而加速蛋白质的功能性运动。
将这种改进的MD模拟方法应用在五肽和开放构象的GlnBP上，初步的结果表明，确实加快了体系的结构变化而且能准确地反映GlnBP的功能性运动。这部分工作还需要进一步完善，以用于理解GlnBP捕获底物的机制。
(3)用拉伸分子动力学模拟研究GinBP的底物释放途径。
用拉伸分子动力学(Steered Molecular Dynamics，SMD)模拟方法将底物Gln从GlnBP的结合口袋拉出，以研究GlnBP的底物释放途径以及GlnBP与其MBC的相互作用部位。
SMD模拟结果表明，GlnBP存在一条底物从“后门”释放的途径，底物从该途径释放比从所谓的“前门”途径释放更容易。从多条SMD轨迹重构的平均力势(Potential of Mean Force，PMF)进一步证明底物从“后门”途径释放势垒更小。而且，GlnBP的结构特点和表面静电性质支持这一结果。在该“后门”途径的出口周围有存在着4个带负电荷的残基，这些残基可能参与底物释放途径的出口和富含正电荷的相应MBC中的跨膜通道之间的“对接”。通过NMA分析发现，GlnBP-Gln复合物存在的固有功能性运动趋势能帮助扩大后门释放途径，从而使底物Gln从这条途径释放更加容易。本工作将有助于理解周质转运体系的底物释放机制以及PBP与其MBC相互作用的模式。
(4)BtuC在POPC双层膜中的分子动力学模拟。
将BtuCD的跨膜结构域BtuC插入棕榈酰油酰磷脂胆碱(Palmitoyl OleoylPhosphatidylcholine，POPC)脂双层膜中，用MD模拟方法来研究BtuC的功能性运动。
通过超过57 ns的MD模拟，得到了稳定的蛋白质-脂双层膜体系。模拟结果发现，POPC脂双层膜能够调整其厚度以适应其中的BtuC，反映脂双层膜性质的两个参数(即每个脂分子的面积和脂双层膜厚度)均与实验测得数据相吻合。通过对MD模拟轨迹进行主成分分析(Principle Component Analysis，PCA)，从原子水平上了解BtuC的几种主要运动模式。所得的分析结果表明，尽管BtuC的几个主要运动模式各不相同，但它们都实现了跨膜通道大小的改变，控制了通道开口的打开和闭合。这些BtuC运动模式和与其相互作用的BtuF和BtuD的功能性运动能很好的耦合。BtuC的运动主要体现在脂双层膜外区域，以控制跨膜通道在周质一侧开口的大小。在胞质一侧，并未观察到通道开口的明显变化。尽管BtuC的两个结构域具有相同的序列和类似的高级结构，但它们在运动上却有明显差异。BtuC内在功能性运动的发现将有助于理解周质转运体系中跨膜转运的机制。