氧化还原折叠酶模拟物的分子设计和作用机理研究

模拟氧化还原折叠酶的分子结构及其高效催化蛋白质分子内二硫键的形成、重排和肽链折叠的作用机理，设计高效的小分子模拟物：利用分子动力学模拟研究氧化还原折叠酶与底物的分子相互作用，同时基于氧化还原折叠酶的分子结构，设计模拟物分子，研究其促进蛋白质氧化折叠效果；建立多尺度分子动力学模拟方法，研究模拟物分子促进蛋白质折叠动力学和分子相互作用；综合实验研究和分子动力学模拟解析，建立模拟物的理性设计方法；系统研究理性设计的模拟物促进蛋白质氧化折叠过程，揭示分子机理；将折叠酶模拟物的作用与其它抑制蛋白质聚集的复性方法相结合，建立高效蛋白质氧化复性方法。本项目将实验研究、量子化学计算和多尺度分子动力学模拟有机结合，应用于复杂体系的分子相互作用分析和酶模拟物的分子设计，并在分子水平揭示氧化还原折叠酶及其模拟物与底物的作用机理。研究成果对模拟酶分子设计理论的发展和蛋白质复性技术水平的提高具有重要意义。

蛋白质折叠是重要的生命现象，也是使无活性的基因重组蛋白质产物（包含体）复性的关键。因此，蛋白质折叠/复性是目前生命科学和生物技术领域的热点研究课题。本课题首先研究了二硫键形成对蛋白质折叠动力学的影响，发现溶菌酶的第一相折叠速率和GSSG的浓度线性相关，表明混合二硫键的形成是速率决定步骤。在此基础上，模仿氧化还原酶活性位点周围具有疏水性区域的特点，开发出折叠酶模拟小分子—酰基胱胺。通过对溶菌酶和核糖核酸酶A复性研究发现，酰基胱胺具有与DsbA类似的氧化特异性，体现出比胱胺更强的氧化能力，如己酰胱胺氧化剂的需求量仅为胱胺的一半。以此为基础设计出更为有效的寡肽—RKCGC，由于所设计的RKCGC比胱胺具有更低的pKa和更高的还原势，因此RKCGC与DTT耦合辅助蛋白质复性的效果更好。为了更加全面模拟氧化还原酶（PDI）整体结构，在RKCGC基础上，进一步增加疏水区域，又设计了小分子折叠酶模拟物RKCGCFF，由于疏水残基的引入，提高了小分子折叠酶模拟物的氧化特异性，从而增强了其氧化能力。能使0.07 mg/mL 溶菌酶，20min就可以达到70%的复性收率；而对照组在90 min只有50%的复性收率。此外RKCGCFF可通过疏水区域与底物结合，改变了变性蛋白的疏水性和表面电荷特性，使较高浓度的溶菌酶（0.7 mg/mL）得到了较好的复性效果（80%）。为了提高蛋白质氧化复性速率和收率，本研究建立了新型的氧化还原系统（4-巯基苯乙酸（ArSH）和己酰胱胺(HCA)），在优化后的条件下，可使0.3 mg/mLRNase A复性2 h收率可达92%，复性速率是传统氧化还原体系的两倍。最后，针对蛋白质在复性过程中易于聚集的问题，研究了同电荷介质对蛋白质复性的影响。结果表明，同电荷聚电解质可以作为复性添加剂来促进蛋白质复性。另外，微球表面的电荷密度是影响同电荷介质辅助蛋白复性效果的关键因素，高电荷密度的微球更有利于促进蛋白质复性。此外，微球粒径越小，其辅助复性效果越好；微球的配基结构对其辅助复性的效果无影响；同电荷介质与尿素在抑制蛋白质聚集方面机制不同，二者具有协同作用。上述研究成果为进一步研制高效实用的蛋白质复性方法奠定了理论和实验基础。