《ATP驅動蛋白質分子構象動力學理論研究和模擬》是依託中國科學技術大學，由廖結樓擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：ATP驅動蛋白質分子構象動力學理論研究和模擬
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：廖結樓
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
ATP驅動蛋白質構象變化對調節生物體內物質、能量和信號的轉遞以及細胞周期起著至關重要的作用。分子動力學模擬對在原子水平上理解ＡＴＰ與蛋白質相互作用的分子機制提供了一個非常有價值的研究工具。然而，ＡＴＰ驅動蛋白質體系往往含有數萬乃至數十萬的原子，其構象變化的特徵時間多是微秒到秒的量級，遠遠超出當今計算機的能力。至今，這種在分子動力學模擬中存在的長時間尺度問題仍然沒有得到解決。.本項目將抓住ＡＴＰ驅動蛋白質分子構象變化動力學的根本特徵，對蛋白質分子進行新的多尺度建模，從而既可以在微觀原子尺度上研究ATP與蛋白質相互作用，又能把微觀信息傳遞到在介觀上描述蛋白質構象態之間躍遷的動力學，進而使理論計算可以解釋單分子實驗結果並有預測能力。本項目也將為長期存在於分子動力學模擬研究中的長時間尺度問題提供一個可能的解決途徑。
結題摘要
本項目對ATP驅動蛋白質體系實現了在量子力學（QM）、分子力學（MM）和粗粒化（CG）不同層次上建立了多尺度建模，並實現了粗粒化-分子動力學（CG-MD）計算機模擬和QM/MM的計算，具體地報告如下 1. 改善了目前粗粒化分子力場，實現對ABC輸出蛋白質（ABC exporters）粗粒化建模，並成功實現了對ABC輸出蛋白質進行了CG-MD計算機模擬。通過GC-MD 動力學模擬和傘狀採樣(umbrella sampling) 計算了自由能沿構象變化反應坐標的變化，通過對軌線的詳細分析，得出了ABC輸出蛋白大尺度“開”“合”門控（gating）動力學機理，並清晰地描述了化學能到機械能的傳遞途徑。 2. 我們實現了對ABC蛋白質ATP結合區域（NBD）QM/MM 建模，利用QM/MM nudged elastic band （NEB）方法計算沿ATP水解反應途徑的自由能（PMF）變化 ，首次研究了麥芽糖ABC輸運酶催化ATP水解反應機理。 3. 我們發展套用了QM/MM NEB方法首先研究了ATP在水環境中的水解反應機理，與先前的研究相比，我們不僅得到更為接近實驗結果的活化能，而且得到產物自由能比反應物低6.9kcal/mol (實驗結果：7.3kcal/mol)。而以前的理論計算研究都得出產物比反應物自由能高（即ATP是吸熱）的結論。由於我們採用了更為合理的方法，我們得到了更為全面的對ATP水解機理的理解。 4. 通過粗粒化建模，我們模擬的有效時間可達50μs，基本上能描述ABC 催化ATP水解產物釋放後，ABC輸運蛋白構象態之間變化的基本特徵。
