摘 要

胶原蛋白，一种天然的纤维蛋白，其结构独特，呈棒状螺旋型。它存在于皮、骨、软骨、牙齿、肌腱、韧带、血管以及其他结缔组织中，是具有支撑器官、保护机体功能的重要结构蛋白^[1]。除此之外，它是哺乳动物体内占比最大的蛋白质,占总蛋白量^[1,2]。它通常被分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类。Ⅰ、Ⅱ广泛存在于动物的骨骼和软骨间。

分子模拟，也可以称作计算机模拟，是一种通过计算机软件描述分子及其体系性质、运动状态的手段，主要的操作流程都在计算机上面完成。

本论文用分子动力学模拟作手段，通过搭建胶原蛋白纤维分子结构，使用软件进行全原子模拟，结果显示：在不同的胶原蛋白分子内，正负电荷分布并不相同，这使得在骨磷灰石形成时，胶原蛋白分子对钙离子的吸引能力有所差别，由此我们发现胶原蛋白对生物矿化起着重要的调节作用。

关键词： 胶原蛋白 分子模拟 Gromacs

Molecular Structure Construction and Atomic and Molecular Simulation of Collagen Fiber

Abstract

Collagen is a natural fibrin,has a unique rod-like spiral structure, widely present in the animal's bones, skin, cartilage tissue, teeth, blood vessels, ligaments and tendons, plays a supporting organ, to protect the body's important role, Is also the most abundant protein in mammals, accounting for 25% to 33% of the total protein content of animals.Collagen can be divided intoⅠ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,four forms, of which Ⅰ, Ⅱ two forms mainly in animal bones and cartilage.

Molecular simulation can also be called computer simulation, is a description and simulation of molecular and molecular system motion state and nature of the method, the main operational processes are completed in the computer above.

In my paper, the molecular dynamics of collagen fibers were constructed by molecular dynamics simulation. Full-atom simulation was carried out using Gromacs software. The results showed that the distribution of positive and negative charge was different in different collagen molecules, At the time of formation, the ability of collagen molecules to attract calcium ions is different, so we found that collagen plays an important role in the regulation of bio-mineralization.

Key words：Collagen; Molecular simulation; Gromacs

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 蛋白质简介 1

1.1.1 蛋白质结构及影响因素 1

1.1.2 蛋白质纤维 1

1.2 胶原蛋白 2

1.2.1 胶原蛋白的形态结构 2

1.2.2 胶原蛋白的性质 2

1.2.3 胶原蛋白的应用 3

第二章 分子模拟介绍 5

2.1 分子模拟的模型 5

2.2 计算机模拟方法 5

2.2.1 分子力学法 6

2.2.2 分子蒙特卡洛方法 6

2.2.3 量子力学法 6

2.2.4 分子动力学法 7

2.3 Gromacs软件简介 8

2.4 力场 8

第三章 胶原蛋白的全原子分子模拟 9

3.1 模拟体系建立 9

3.2 力场参数的选择 9

3.3 能量最小化及模拟过程 10

3.4 模拟结果分析 10

3.4.1 胶原蛋白二维分布 11

3.4.2 胶原蛋白分子的空间的排列 11

3.4.3 开孔区不同孔径对比 12

3.4.4 胶原蛋白分子水密度分析 13

3.4.5 胶原蛋白分子电荷分析 14

第四章 结论与展望 15

4.1 结论 15

4.2 展望 15

参考文献 17

致谢 20

第一章 绪论

1.1 蛋白质简介

1.1.1 蛋白质结构及影响因素

蛋白质是一种具有生物活性的高聚物分子，是构成生物体的重要组成部分，是一切生命的物质组成基础，在其生命活动中占据最主要地位^[3.4]。例如，所有生物的肌肉和结缔组织，动物的毛发、内脏、骨骼，各种酶，起着运输作用、负责运输体内各种离子的载体等。它们实则为蛋白质,亦为与之相结合的物质。除此之外，蛋白质还具备快速止血、加快伤口愈合，调节内分泌系统等一系列改善生命体机能的功能。它们所具备的功效不一，也正因为这样，才有了各种复杂多样的生物^[5]。

蛋白质的生物功能决定于它的结构，只有当蛋白质折叠为正确的三维空间结构时，它才具有正常的生物功能^[6]。

蛋白质结构受多种因素影响，最主要的是疏水作用，除此之外，蛋白质结构是否稳定还取决于分子间作用力及二硫键等。

1.1.2 蛋白质纤维

蛋白质纤维有酪素纤维、牛奶纤维、蚕蛹蛋白纤维等动物纤维，也有玉米、花生、大豆等植物蛋白纤维^[7]。

蛋白质纤维的研究从很早就开始了。最早出现在二十世纪初。随后的一次较大的发展是在1935年，欧洲科学家把酪素纤维制成商品销售，这就是最早的蛋白质纤维行业，随后在接下来的几十年里，各国科学家又相继对花生、玉米、大豆等进行研究，制备出了各种植物蛋白纤维。到了二十世纪中，石油工业得到了大力发展，此时，科学家们将研究方向从天然纤维转向了再生纤维以及合成纤维^[8]。随后研制出了涤纶，腈纶等化学纤维，接下来的五十年里，化学合成纤维技术取得了飞速进展，许多的服饰，以及工业用布逐渐从天然纤维转向了人造纤维，但是随着人们生活水平的提高，对于物质要求越来越高，人们对于生活用布逐渐开始追求舒适化，自然化，所以二十世纪九十年代以来世界各国对于蛋白质纤维的研究都很重视^[9]。

1.2 胶原蛋白

胶原蛋白是一种有三螺旋结构的蛋白质，是一种天然纤维蛋白。同时，对于构成人体的结缔组织有着重要作用。它广泛存在于动物的骨头、皮、牙齿、血管、软骨组织、韧带和肌腱中，对器官、机体起支撑和保护作用。它作为哺乳动物体内占比最大的蛋白质,占动物体蛋白质总含量可达百分之二十五至百分之三十三^[1.3]，四种主要的胶原蛋白大致与人体体重的百分之六相当。本文将通过分子动力学模拟方法对胶原蛋白分子进行研究。

1.2.1 胶原蛋白的形态结构

胶原蛋白是由包括甘氨酸、羟脯氨酸、脯氨酸、丙氨酸、在内的二十多种α-氨基酸组成，上述四种氨基酸占胶原蛋白组成的绝大部分，可以达到组成的75% ^[9]。通常，蛋白质为两条肽链构成，它们彼此构成“双螺旋结构”，但是，胶原蛋白并非如此，它为三条肽链组合而成，构成“三螺旋结构”^[10]。三条链分别包含1条α2和2条α1链，构成这两种链的氨基酸完全一致，只是他们相互之间进行了多种排列组合。胶原蛋白分子中存在大量周期性排列的甘、脯氨酸，其中甘氨酸含量可达百分之三十,轻脯氨酸和脯氨酸含量大致可达百分之二十五^[10.11]。

和普通蛋白质一样，胶原蛋白的胶原肽链间也存在分子间作用力，同时，胶原分子的分子内还包含着三种特别的分子交联，它们使得胶原的肽链彼的联结极为稳固，抗张强度极高^[12.13]。除此之外，胶原蛋白的三股螺旋特殊结构使其不仅又细又长，而且具有刚性，这使胶原具有较高的机械强度。同时胶原蛋白分子结构稳定主要是因为它是右手螺旋结构。

1.2.2 胶原蛋白的性质

正因为在结构中的区别，就使得胶原蛋白与普通蛋白质相比具有很多特殊的性质。以下是胶原蛋白常见的重要性质。