《尿素轉運蛋白通透機制的理論研究》是依託浙江大學，由修鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：尿素轉運蛋白通透機制的理論研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：修鵬
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
尿素是生命過程中重要的有機小分子。尿素的跨細胞膜轉運需要特定的膜蛋白協助；這些膜蛋白中，有一類家族分布最廣，稱為尿素轉運蛋白。近年來，尿素轉運蛋白的通透性質受到了國際上越來越多的關注。但現有的文獻均為實驗方面的工作，尚無理論（模擬）文章探究尿素轉運蛋白通透性的物理機制。本項目擬運用分子動力學模擬方法，從原子水平上深入研究dvUT（一種典型的、現在唯一已知三維結構的尿素轉運蛋白）通透性的物理機制。主要研究內容為：在dvUT的核心區域- - 選擇性過濾區域（狹長的一維通道，長約16埃）內，尿素分子的特性（結構、結合位點、輸運性質和動力學行為），尿素分子穿越該區域的自由能剖面，以及該區域選擇性通透（過濾）的物理機制。本項目的研究可以使我們比較透徹地理解為什麼尿素轉運蛋白dvUT對尿素分子具有高滲透性和高度的選擇性，並為理解其它種類的尿素轉運蛋白的通透機制提供借鑑。
結題摘要
尿素是生命過程中重要的有機小分子，其穿越細胞膜要靠特定的通道蛋白來輔助。dvUT是一種典型的、用於尿素的跨膜轉運的膜蛋白，來源於細菌的細胞膜。dvUT的核心區域是一條狹長的一維通道，長約16埃，只容許分子以一維鏈的方式通過，被稱為“選擇性過濾區域”。此前尚無理論文章對dvUT這一重要的生物尿素通道的通透機制進行深入研究。本項目藉助於全原子分子動力學方法，運用真實生物模型（尿素通道dvUT）和“選擇性過濾區域”的簡化模型兩種模型系統，系統研究了尿素通道蛋白dvUT通透性的物理機制。通過對dvUT系統的模擬，我們研究了dvUT的結構動力學，dvUT與尿素分子結合的位點和作用方式。特別地，我們發現，“選擇性過濾區域”內的若干苯丙氨酸殘基，是dvUT結合尿素的重要活性位點；我們還發現了尿素分子與dvUT內極性胺基酸的一種獨特的氫鍵結合方式。這些發現揭示了尿素通道蛋白對尿素分子高選擇性的物理機制。進一步地，我們建立了dvUT的“選擇性過濾區域”的簡化模型，並據此研究了在疏水納米通道內、以及在置於管壁上的點電荷周圍，尿素分子和水分子的競爭性吸附，提出了尿素通道的“電致開關”機制，並發現了“尿素分子介導的電信號的轉換、傳導和放大”的新奇現象，以及發現了氫原子在“尿素等有機小分子在納米通道中吸附”的重要作用。此外，根據國際上最新的研究進展，我們增加了“石墨烯、碳納米管等碳基納米材料與dvUT相互作用”這一研究內容，發現由於碳基納米材料與磷脂分子以及與dvUT較強的色散相互作用，石墨烯可以對細菌細胞膜上的磷脂分子、碳納米管可以對dvUT，進行直接的抽取，從而提供了碳基納米材料抗菌效應的兩種可能的分子機制（直接破壞細胞膜上的磷脂雙分子層，或者是通過抽取細菌細胞膜上的重要膜蛋白，如dvUT，來擾亂細菌細胞膜的功能）。本項目的研究成果可以使人們更好的理解尿素穿越尿道通道蛋白dvUT的物理機制，並為理解其它種類的尿素通道蛋白的通透機制、理解碳基納米材料抗菌效應的分子機制，提供理論借鑑。
