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层析技术是生物大分子分离纯化最有效的手段之一,可以实现很高的分离度。基于静电相互作用的离子交换层析是应用最广泛的蛋白质分离技术,规模化应用的成果层出不穷,也建立了不少层析分离模型,可以对特定蛋白质的层析分离过程进行描述和分析。然而,微观分离本质认识的缺乏造成模型分析普遍缺乏预见性,无法预估蛋白质分子在层析床层中的分离行为。本文尝试在离子交换层析的静电相互作用研究中引入计算机分子模拟技术,构筑合适的蛋白质-介质配基模拟表面,通过分子模拟计算表征相互作用的能量参数,从层析保留时间实验获得描述宏观分离行为的停留因子,实现微观模拟计算和宏观分离现象的定量关联。 选用了蛋清溶菌酶、牛胰凝乳蛋白酶为模型蛋白质,阳离子交换吸附剂SP Sepharose FF、CM Sepharose FF和TOSOH公司的Toyopearl SP 650M、Toyopearl CM 650M为模型层析介质。蛋白质三维空间结构从Protein Data Bank(PDB)数据库中获得,通过比较分析选择合适的结构数据。采用程序包MCCE、Delphi和Pymol等进行分子模拟计算。MCCE程序用于研究pH变化对于蛋白质分子中氨基酸残基质子化的影响,获得不同pH条件下的蛋白质三维结构数据。Delphi程序用于研究溶液离子浓度对蛋白质周围静电势的影响。 首先采用点电荷模拟,形成离子交换剂内孔配基模拟表面,构筑蛋白质-介质配基模拟表面体系。运用基于Poission-Boltzmann方程的Delphi程序计算蛋白质和模拟配基表面间的静电相互作用,考察配基作用距离、作用方向、盐浓度、pH等影响,获得静电相互作用能量参数。关联宏观层析实验和微观分子模拟计算,发现层析平衡常数与相互作用能量参数间存在良好的线性相关关系。为描述不同配基问的差异,进一步考虑配基本身的结构与配基原子的电荷分布,运用线性Poission-Boltzmann方程与非线性Poission-Boltzmann方程计算了蛋白质-介质配基模拟表面之间不同间距和不同盐浓度的静电相互作用。计算得到最小结合能量的变化趋势与层析分离规律基本一致,但是部分计算存在异常现象。 测定了离子交换介质在不同盐浓度下的滴定曲线,通过引入平衡常数pk和