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洪亮,邢向军和李敬来课题组在PRL发表关于蛋白质表面水分子的次扩散行为最新研究成果 Dynamic neutron scattering on protein and its surface water

Neutron scattering directly measures the fluctuation of nucleus positions and has been widely used to probe atomic motions in various soft-matter materials. Here, we combined the neutron scattering, deuteration technique and molecular dynamics simulation to reveal the dynamics of protein and its surface water, and explore the physical mechanism underneath several important biophysical phenomena: protein dynamical transition, sub-diffusion of bio hydration water, and the competition between entropy and enthalpy during protein unfolding.

2018年6月,上海交通大学物理与天文学院和自然科学研究院洪亮课题组,邢向军课题组和李敬来课题组在Physical Review Letters(物理评论快报)上发表了解释蛋白质表面水分子次扩散行为的合作文章。该论文被编辑遴选为Editors’ Suggestion在APS官网作为亮点进行报道https://physics.aps.org/articles/v11/59?utm_campaign=weekly&utm_medium=email&utm_source=emailalert

蛋白质被誉为“生命活动的承载者”。生物体内绝大多数的生物功能都是由形形色色的蛋白质来完成的。大多数蛋白质都是水溶性,而且必须在水溶液中才能表现出生物功能(干燥的蛋白没有生物活性)。一方面作为溶剂,水分子的扩散运动帮助输运底物进入蛋白质催化中心进行化学反应,然后将反应产物运送出来。另一方面,水分子的快速运动会润滑所覆盖的蛋白质分子,使其变得松软,有利于其发生必要的构象变化来履行生物功能。因此,蛋白质表面水分子的运动对其功能至关重要。

过去的计算模拟研究和少量的实验结果表明蛋白质表面的水分子在常温下呈现次扩散行为(均方位移跟时间成分数阶幂函数关系,<x2(t)> ~ tn, 0<n<1)。但是,造成这种次扩散行为的机理并不清楚。为了研究这个机理,上海交通大学的老师和同学们,运用中子散射实验和分子动力学模拟相结合的方法,定量表征了蛋白质表面的水分子的扩散行为。发现其幂指数并不是一个常数,它会随着观察时间的增长从0.8逐渐增长到1(从次扩散逐渐转变为正常扩散)。通过进一步分析计算模拟的轨迹,他们发现蛋白质表面有很多能量势阱,它们会束缚住水分子,束缚时间遵从宽分布,从而造成了水分子的次扩散。同时由于水分子之间空间位阻的多体作用使得浅势阱中的水分子可以与外界高频交换,而陷入深势阱中的水分子很难移动。从而逐渐改变总体水分子扩散行为从短时间的次扩散到长时间的正常扩散。基于这些实验和计算模拟结果,论文最后提出了一个多体作用下蛋白质表面水分子扩散行为的解析理论,它可以定量地解释实验和模拟结果。

上海交通大学自然科学研究院是一个集合物理,数学,生物,化学等多学科的交叉研究平台。本工作是基于该交叉平台开展的一个交叉科学研究的典型案例(运用物理,生物,应用数学多学科知识,结合实验,计算,解析理论多层次方法)。其中散射实验由洪亮课题组完成,解析理论由邢向军课题组提出,而动力学模拟则来自李敬来课题组的帮助。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.248101