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胶原是哺乳动物体内含量最丰富的蛋白质,也是细胞外基质重要组成部分。胶原是线性结构蛋白,三条左手螺旋α链互相缠绕形成右手超螺旋三聚体结构。根据三条链组成是否相同,胶原可以分为同源三聚体和异源三聚体。除了作为体内的结构蛋白,胶原与多种疾病如成骨不全症、关节炎以及免疫性疾病息息相关。因此,模仿天然胶原序列间弱相互作用力,设计新的胶原序列,建立研究平台,对研究胶原类疾病以及设计胶原类材料都具有十分重要的意义。本课题,以课题组之前设计的异源三聚体abc为母体,研究胶原主链以及侧链特异性设计与折叠机制,拟建立不同作用力对胶原三股螺旋稳定性关系公式,为设计新的胶原异三聚体提供理论依据。具体内容分为以下五个部分:(1)在异源三聚体abc基础上设计新类胶原多肽。设计34组新序列研究不同天然氨基酸在Y位和X位的稳定性,16组含有盐桥对的新序列研究盐桥作用对热稳定性的影响,15组类胶原多肽研究cation-π作用对热稳定性的影响以及6组新序列研究氢键作用对热稳定性的影响。(2)圆二色谱法测定结果显示Ile、Val和Ala在Y位和X位稳定性都极高(T_m值大于30℃),芳香族氨基酸Phe、Tyr和Trp对三聚体的稳定性均有明显的破坏作用(平均T_m值降低6℃)。母体abc序列中存在大量带电残基,Y位突变为Arg、X位突变为Lys或Asp后,稳定性平均降低5.8℃。天然胶原中出现频率和稳定性高的氨基酸分别为Y位的Ala、Gln和Thr,X位的Ala、Leu和Glu,这些氨基酸可以用来设计具有高稳定性的类胶原多肽。(3)热稳定性结果显示16对盐桥作用力中,四类轴向盐桥对热稳定性影响较大,作用力大小为KD>KE=EK>ER,其中轴向KD和KE盐桥在天然胶原中出现频率较高。根据盐桥作用对稳定性贡献值计算天然细菌胶原理论T_m值分别为25℃和23.6℃,利用大肠杆菌表达胶原,测定热稳定性分别为25.8℃和24.7℃。根据盐桥作用的热稳定性贡献值(?T_m)预测天然人源I型胶原T_m值,其中异源三聚体α2α1α1和同源三聚体α1α1α1结构最稳定。(4)研究Phe、Tyr、Trp和Arg、Lys在异源三聚体abc中不同组合下cation-π作用。对异源三聚体有稳定性作用分别是5对轴向作用力FK/YK/WK/RF/RW,和侧向作用力RF,其中轴向RW对热稳定性作用最大为5.5℃。6对作用力在天然胶原中出现频率最高的是轴向RF(1.71)。(5)在同源三聚体和异源三聚体中研究Lys和Asn侧链氢键作用力,测得氢键作用力对同源三聚体和异源三聚体稳定性贡献值分别为2.8℃和6.5℃。分子动力学模拟结果显示在两种体系中均存在侧链氢键作用,概率分别为0.688和0.357。