理论探索表面接枝对蛋白质折叠热力学和动力学的影响

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蛋白质和表面之间的相互作用普遍存在于生命科学和生物技术等领域,如细胞粘附,蛋白质共翻译折叠,信号传导和酶固化。蛋白质和表面相互作用也与一些神经退行性疾病有关,如老年痴呆症和帕金森疾病。近年来,荧光共振能量转移(FRET)等单分子光谱已经发展成为检测单个蛋白质分子折叠行为的有效方法。然而,这些方法通常需要将蛋白质束缚在惰性表面上,以便在空间局部区域和更长时间尺度上检测蛋白质折叠,其研究结果主要基于表面接枝不影响蛋白质折叠机制的假设。为了阐明表面接枝对蛋白质分子折叠行为的影响程度,我们采用朗之万动力学方法分别研究了惰性表面(表面排斥体积效应)和带电表面对折叠受挫的蛋白Im7和折叠协同的蛋白Fyn SH3结构域折叠行为的影响。研究内容主要包括:(1)表面排斥体积效应对接枝蛋白质分子折叠热力学和动力学的影响。表面接枝可以增大或减小蛋白质的稳定性和折叠速率,其与具体的接枝点有关。稳定性增大通常由熵效应引起,而稳定性减小通常由能量或熵效应导致。对于具有两态折叠方式的Fyn SH3结构域蛋白,非天然态相互作用对热力学稳定性的影响并不显着,但是可以减弱表面接枝对折叠速率的影响。相反,对于折叠受挫的蛋白质Im7,取决于蛋白质被表面接枝的位置,表面接枝可以通过调节特定的非天然态接触对来促进或抑制错误折叠,从而改变折叠速率和折叠机制。由于表面接枝可以改变解折叠过程中的链内扩散率,因此某些接枝点的热力学稳定性无法很好地捕获动力学稳定性。(2)表面电荷效应对接枝蛋白折叠行为的影响。随着带电表面电荷密度的增大,蛋白质的稳定性可以增大或减小,或先增大后减小。对于给定的电荷密度,蛋白质稳定性的变化与具体的接枝点有关。总的来说,蛋白质稳定性的减小来源于折叠态和解折叠态蛋白质与表面之间静电相互作用能量的差异,而稳定性的增大来源于解折叠态熵效应。带电表面可以调控蛋白质折叠过程中的非天然态疏水相互作用,从而改变蛋白质折叠自由能面。此外,带电表面能够调控蛋白质分子在表面的排列方向,其与具体的接枝位点有关。论文中的研究工作有助于理解表面接枝如何影响蛋白质折叠的热力学、动力学、折叠机制、自由能图景以及结构。
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