弹性蛋白力学构造的单分子力谱研究

弹性蛋白质特别的力学性能使其既是生物体内重要的功能蛋白更是优良的生物材料。研究其力学构造不仅可以从分子层次上揭示弹性蛋白质的生理功能，而且可为人工改良弹性蛋白质提供物理基础。然而，人们对弹性蛋白质的力学构造理解还十分有限。本项目将以凝溶胶蛋白为模型，以单分子力谱为主要研究手段，结合蛋白质工程和分子动力学模拟等生物和物理的研究方法，从分子层面上深入研究弹性蛋白质力学构造特性。我们首先研究凝溶胶蛋白单个蛋白域的力学解折叠，揭示其拓扑结构和力学性能之间的关系，并研究钙离子在活化凝溶胶蛋白的过程中对其力学性能的调控。在此基础上，还研究一些引起疾病的突变对凝溶胶蛋白的热力学和力学性能的影响，揭示这些突变所导致的疾病的发病机理。在掌握了凝溶胶蛋白单个蛋白域的力学构造的基础上，我们进一步在整个凝溶胶蛋白的层面上，研究其四级结构对其力学性能的影响。把对弹性蛋白质的力学构造的认识提高到新的程度。

凝溶胶蛋白是一种肌动蛋白微丝的调控蛋白，执行着对肌动蛋白微丝的切割和末端封盖，阻止其进一步生长的功能。本课题通过基于原子力显微镜的单分子力谱来研究凝溶胶蛋白的力学特性，揭示其外力对其结构与功能的调控。本课题所取得的主要研究成果如下：.首先，我们揭示了凝溶胶蛋白的不同蛋白域的力学特性，研究表明，由于凝溶胶蛋白的六个蛋白域的结构相似，每个蛋白域的的解折叠的力均在20-50 pN之间。结合钙离子后，G6的解折叠力增加明显，但其它蛋白域不明显。这主要由于G6蛋白域的结构比较动态，与钙离子结合构象变化较大，变得更加刚性。.其次，我们发现钙离子与G6的结合受到外力的调控。比较新奇的是，外力可以提高钙离子与G6的结合强度5倍以上。.再次，我们研究发现凝溶胶蛋白的G1蛋白域的解折叠机制受钙离子结合的调控。通过对凝溶胶蛋白解折叠的能量面的精细刻画，我们发现在未结合钙离子前，其解折叠的转变态随着外力的增加向天然态靠近。而且结合钙离子后，其转变态保持不变。这主要是由其特殊的解折叠能量面形貌决定的。.最后，我们研究了凝溶胶蛋白一族的绒毛蛋白的HP35结构域的力学解折叠。该结构域是自然界中已知的折叠最快的蛋白。我们研究发现其解折叠的力非常小，解折叠的协同性较差，在三级结构失去后，其二级结构能够稳定存在。该蛋白的特殊力学性能可以作为一个弹性体来提高蛋白材料的延展性。.总之，通过本课题的研究，我们丰富了对凝溶胶蛋白的力学特性的认识，揭示了其结构与力学特性之间的关系，并且探索了钙离子的结合对其力学特性的调控。我们的研究在单个蛋白的层面上为人工设计、调控蛋白质力学特性创造了条件。