蛋白質與羥基磷灰石表面的相互作用機理研究.pdf

1、隨著生物、醫(yī)學、材料科學的發(fā)展,蛋白質與無機材料表面的相互作用成為很多領域的研究熱點。羥基磷灰石(HAP)是哺乳動物骨骼和牙齒的主要無機成分,它具有很好的生物兼容性和特殊的表面性能,因此被認為是一種極具發(fā)展前景的生物醫(yī)用材料。本論文主要采用分子動力學模擬與量子化學計算相結合的方法,從原子尺度系統(tǒng)地研究了蛋白質(主要是骨形態(tài)發(fā)生蛋白BMP-2和BMP-7)在HAP表面的吸附一脫附行為,探討了蛋白質在HAP表面的吸附機理,并對不同蛋白質的動

2、力學行為進行了比較分析。研究結果表明,通過表面修飾等微觀尺度的調節(jié),有可能達到有目的地調控蛋白質在生物醫(yī)學材料表面的行為。本文由以下六個部分組成： 第一章,論述了本論文的研究背景與意義,并對本論文研究工作的國內外研究現(xiàn)狀作了綜述。 第二章,介紹了本論文所采用的研究方法,包括分子動力學模擬和量子化學計算方法。 第三章,從原子尺度上揭示了蛋白質BMP-2在HAP表面上的吸附.脫附機理。研究發(fā)現(xiàn),BMP-2與HAP(0

3、01)晶面的相互作用存在三種吸附基團,分別為-OH,-NH2和-COO-。作為活性基團,它們往往與強吸電子基團(例如-C=O)毗鄰。根據蛋白質與HAP晶體相互作用面的不同,可能有一種或幾種吸附基團同時起作用。至于其作用原理,庫侖力是-COO-與HAP相互作用的主要作用力,但是對于不帶凈電荷的吸附基團(例如-OH和-NH2)而言,水橋氫鍵更為重要。量子化學的計算結果證實這種水橋氫鍵是存在的。 第四章,研究了不同取向的BMP-2在H

4、AP表面的吸附一脫附行為。結果表明,蛋白質的取向對其與HAP表面的相互作用有著顯著的影響。不同取向的BMP-2在HAP表面的吸附基團的種類、數(shù)量、相互作用強度以及吸附時間都各不相同。并且,不同取向的吸附蛋白質構象變化顯著,這很有可能導致蛋白質在生物材料表面活性的變化。值得注意的是,在吸附最強的體系I中,BMP-2的構象變化并不是最大的。 第五章,研究了HAP不同的表面構造對蛋白質BMP-7吸附-脫附行為的影響。結果表明,相互作用

5、能曲線可以為研究BMP-7動力學行為提供豐富的信息。能量曲線不僅可以半定量的體現(xiàn)各個體系中相互作用強度的不同,而且可以定性地說明不同體系中吸附基團的種類、數(shù)量以及吸附時間的差異。BMP-7與HAP之間強烈的相互作用可以引起蛋白質結構的變化。在本章所研究的六個體系中,蛋白質在100+a體系中的構型變化最大。在所有的這六個體系中,只有兩類基團可以與HAP表面形成有效的吸附,它們是-COO-和-NH3+或者-C(NH2)2+。進一步的量子化學

6、計算表明,在蛋白質BMP-7吸附到HAP表面的過程中,發(fā)生了電子轉移現(xiàn)象。 第六章,對不同蛋白質在HAP表面的吸附-脫附行為進行了系統(tǒng)的比較。主要選取了四種在生物體內參與調控HAP礦化與生長的蛋白質(BMP-2、BMP-7、LRAP和FN-Ⅲ10)。結果表明,盡管不同的蛋白質各有其與生物材料表面相互作用的位點與基團,但是Asp、Glu、Lys和Arg這四種氨基酸殘基在各種蛋白質中普遍被吸附到HAP表面,所以今后在討論蛋白質與HA