IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
晶状体蛋白结构特性的分子动力学模拟及其热力学稳定性的定标粒子理论研究
Alternative TitleMolecular dynamics simulation of structural characteristics and the scaled particle theory of thermodynamic stability of lens crystallins
韦佳辰
Thesis Advisor宋凡
2015
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline固体力学
Abstract通过粗粒化分子动力学模拟及半解析定标粒子理论计算,研究了单元及双 元系晶状体蛋白体系的液-液相分离线、逾渗线、化学活性系数以及渗透压,并 与实验测量值进行了对比。结果表明,在大分子拥塞环境中,由分子变异所导 致的晶状体蛋白胶粒间相互作用力变化会破坏系统的热力学稳定性及蛋白分子 的短程有序分布,使大量蛋白出现凝聚及交联,并最终导致晶状体浑浊,形成 白内障。本文主要工作内容和结论包括: 首先,运用分子动力学模拟研究了γ单元系及γ − α双元系晶状体蛋白的结 构特性,并计算出不同分子间作用力程下晶状体蛋白的液-液相分离临界温度。 对单元系γ晶状体蛋白进行了快速退火分子模拟研究,得到系统单位内能及单 位定容比热随退火温度的变化曲线。在模拟中,不同分子间作用力程下系统的 液-液相分离临界温度差异较大,且当吸引作用力程较大时,系统径向分布函 数第二峰将形成劈裂,出现玻璃态。在针对双元系晶状体蛋白的模拟中,发现 当γ − α分子间相互作用强度及力程发生变化时,系统径向分布函数中出现明 显的峰位移动,这说明蛋白微观分布对不同种类蛋白胶粒间作用力强度及力程 是十分敏感的。因此,由蛋白变异所导致的晶状体蛋白分子间相互作用变化会 破坏正常系统中蛋白分子的短程有序排布,并改变系统的液-液相分离曲线位 置。 其次,根据包覆判定准则,分子模拟研究了单元系γ晶状体蛋白的逾渗相 变规律及系统相应结构变化。在几何相变的标度律与普适性原理的基础上, 通过拟合不同尺寸下的逾渗概率函数,测得了单元系晶状体蛋白系统的接触 型及键合型逾渗线。计算结果表明,不同分子间作用力程下蛋白系统的接触 型逾渗线位置在远离液-液临界点时差异较大,但沿接触型逾渗线上各点处 的蛋白分子配位数分布与集群尺寸分布趋同。在引入表征势阱强度的键合几 率P后,我们发现键合型逾渗相变线及键合型平均配位数等值线在相图中均 退化为Baxter黏性极限时的结果,与Noro-Frenkel对应态扩展定律的描述相符。 此外,无论是在接触型还是键合型逾渗相变发生时,在不同模拟温度下我们均 观测到晶状体蛋白系统的数均及权均聚集数在同一范围内波动,且其值与分子 间吸引作用力程无关。 最后,利用定标粒子理论计算出单元系晶状体蛋白的热力学稳定性。通过 等效硬球粒子模型将分子间存在的短程相互作用转化为蛋白分子尺寸的变化, 并以此推导出单元系γ及β蛋白化学活性系数与渗透压,并与实验结果进行比 较。另一方面,将粒子互作用势拆分成硬球势及短程吸引势两个部分,通过二 阶热力学微绕法计算得出单元系γ晶状体蛋白的自由能及渗透压。研究结果表 明,在拥塞环境中的蛋白胶粒系统的热力学稳定性及非平衡态浓度区间位置受 分子间作用势作用力程及强度变化影响较大。通过对比等效粒子法及热力学微 扰法的计算结果,我们发现计算过程更为简化的等效粒子模型在高浓度环境下 低估了人体细胞中普遍存在的排空效应,而热力学微扰法更适用于分析大分子 拥塞环境中分子间相互作用力程较长系统的热力学稳定性。
Call Number31253
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55082
Collection非线性力学国家重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
韦佳辰. 晶状体蛋白结构特性的分子动力学模拟及其热力学稳定性的定标粒子理论研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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