协同转运蛋白介导(以一个中间步骤来传递或起媒介的作用)各类离子和分子的跨膜运输,其中关键的一类协同转运蛋白—NSC2家族蛋白,在各类生物体的生理活动中起着重要作用。如:人的维生素C转运蛋白SVCT1和SVCT2,以及哺乳动物的尿嘧啶转运蛋白rSNBT1均属于NSC2蛋白家族,同一家族的转运蛋白在序列以及结构上都是同源的。对NCS2家族中代表性蛋白大肠杆菌尿嘧啶UraA(the Escherichia coli uracil/H~+symporter)的研究。为生物体中相关NAT/NCS2家族蛋白的研究奠定理论基础。随着计算机技术和计算方法的不断完善和发展,分子动力学模拟这一研究方法开始被运用于生物体系大分子结构的探索,从分子和原子的微观水平上解释蛋白结构的活动规律与功能机理。根据一些已发现的协同运输转运蛋白的研究成果和已解析出的UraA的蛋白结构,研究人员提出一种能解释质子耦合和尿嘧啶运输过程的工作模型,但结构变化的细节尚不清楚。因此,为了弄清楚在向内开口(inward-open)和向外开口(outward-open)这些构象转变过程中起关键作用的因素。我们实验采用五组不同的分子动力学模拟来研究不同质子化状态下的UraA复合体的构象。已有的结果分析中,我们确认初始UraA蛋白结构处于向外开口(outward-open)的构象,这便于有效地结合细胞外的底物尿嘧啶与质子。接下来转运过程中蛋白结构会发生改变,出现向内开口构象(inward-open),随着质子在关键氨基酸之间的转移以及底物的释放,蛋白结构回归最初的向外开口的构象。本文详细探讨整个过程中质子转移如何诱导蛋白结构由inward-open至outward-open的转变。初步确定了保守氨基酸的质子化过程将导致整个构象从向内开口转变成向外开口,这个过程导致保守氨基酸附近的氢键重新组合排列,氢键网络发生很大改变,这些氢键对于蛋白构象结构起支持和稳定作用。实验结果接下来逐一分析这些关键氨基酸周围氢键网络的关系。最终认定氨基酸Glu290在构象改变中的重要性,此转运过程还涉及核心域的一些基本氨基酸,主要包括Glu241,His245,Tyr288,Tyr342和Ser338等。同时这些氢键关系在维持构象稳定性中起着关键作用。Glu290的质子化影响周围相关氢键的稳定性,并导致附近跨膜片段TM3,TM10,TM12发生迁移,最终引起整个构象结构的转变。因此,Glu290可能扮演一个“质子触发”的重要角色,它影响着靠近底物结合面的氨基和底物结合位点的空间结构,从而导致了一个向外开放的构象转变。