分子動(dòng)力學(xué)模擬研究脂肪酶的催化機(jī)理

分子動(dòng)力學(xué)模擬研究脂肪酶的催化機(jī)理何佳2015-04目錄脂肪酶的概述分子動(dòng)力學(xué)模擬的簡介脂肪酶催化機(jī)理的研究結(jié)果和討論定義：脂肪酶（Lipase）又稱甘油酯水解酶，是指分解或合成高級(jí)脂肪酸和丙三醇形成的甘油三酯酯鍵的酶。一、脂肪酶的概述脂肪酶基本組成單位僅為氨基酸，通常只有一條多肽鏈。它的催化活性僅僅決定于它的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。不同類型的脂肪酶具有非常相似的立體結(jié)構(gòu)脂肪酶的氨基酸順序可能有較大的差別,但卻具有相似的折疊方式和活性中心。脂肪酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：同源區(qū)段：His-x-y-Gly-Z-Ser-W-Gly或Y-Gly-His-Ser-W-Gly(X,Y,W,Z是可變的氨基酸殘疾）活性中心是絲氨酸殘基，正常情況下受1個(gè)a-螺旋蓋保護(hù)在底物(如醇、酸或酷等)存在的情況下,酶的構(gòu)象發(fā)生變化,脂肪酶與油/水界面的締合作用使得“蓋子”打開,含有活性部位的疏水部分就暴露出來脂肪酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：脂肪酶催化的反應(yīng)：脂肪酶廣泛存在于動(dòng)物植物和微生物中。植物中含脂肪酸較多的是油料作物的種子，當(dāng)油料種子發(fā)芽時(shí)，脂肪酶能與其他的酶協(xié)同發(fā)揮作用催化分解油脂類物質(zhì)生成糖類，提供種子生根發(fā)芽所必須的養(yǎng)料和能量；細(xì)菌，真菌和酵母中的脂肪酶含量更為豐富。微生物脂肪酶：細(xì)菌28個(gè)屬放線菌4個(gè)屬酵母菌10個(gè)屬其他真菌23個(gè)屬脂肪酶的來源及用途：食品工業(yè)制藥制備化工產(chǎn)品和試劑造紙工業(yè)工具酶生物柴油生物傳感器粒子的運(yùn)動(dòng)取決于經(jīng)典力學(xué)(牛頓定律（F=ma）二、分子動(dòng)力學(xué)模擬分子動(dòng)力學(xué)方法基礎(chǔ)：原理：計(jì)算一組分子的相空間軌道，其中每個(gè)分子各自服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律：初始條件：在分子體系的不同狀態(tài)構(gòu)成的系綜中抽取樣本,從而計(jì)算體系的構(gòu)型積分,并以構(gòu)型積分的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)一步計(jì)算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀性質(zhì)；通過求解所有粒子的運(yùn)動(dòng)方程，分子動(dòng)力學(xué)方法可以用于模擬與原子運(yùn)動(dòng)路徑相關(guān)的基本過程；能得到原子的運(yùn)動(dòng)軌跡,還能象做實(shí)驗(yàn)一樣作各種觀察；分子動(dòng)力學(xué)方法是確定性方法，一旦初始構(gòu)型和速度確定了，分子隨時(shí)間所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡也就確定了。分子動(dòng)力學(xué)方法特征：動(dòng)力學(xué)程序：做生物大分子模擬認(rèn)可度比較高的動(dòng)力學(xué)程序GROMACS,AMBER,CHARMM。GROMCS是由GroningenUniversity開發(fā)的用于研究生物分子體系的分子動(dòng)力學(xué)程序包特點(diǎn)：可以用分子動(dòng)力學(xué)、隨機(jī)動(dòng)力學(xué)或者路徑積分方法模擬溶液或晶體中的任意分子,進(jìn)行分子能量的最小化,分析構(gòu)象等Amber的簡介：Amber是著名的分子動(dòng)力學(xué)軟件，用于蛋白質(zhì)、核酸、糖等生物大分子的計(jì)算模擬。Amber也指一種經(jīng)驗(yàn)力場(empiricalforcefields)。力場和代碼是分開的，一些軟件中包含amber力場,而其他的力場也包含在此amber的軟件中。AMBER提供兩部分內(nèi)容：用于模擬生物分子的一組分子力學(xué)力場（無版權(quán)限制，也用于其它一些模擬程序中）；分子模擬程序軟件包，包含源代碼和演示（有版權(quán)限制，需要購買）實(shí)驗(yàn)部分：南極甲絲酵母脂肪酶B（CALB）晶體中的兩個(gè)糖分子(NAG)由于遠(yuǎn)離CALB活性中心區(qū)域在進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬前去除,CALB晶體中的92個(gè)水分子具有維護(hù)脂肪酶構(gòu)象穩(wěn)定的作用予以保留CALB中的Arg,Lys,AsP,HisandGlu兩性殘基的電離狀態(tài)取PH=7時(shí)的電離狀態(tài)1、酶的預(yù)處理2、溶劑模型的參數(shù)化分子動(dòng)力學(xué)模擬所用到的甲醇(MET),丙酮(ACE),四氫吠喃(THF),氯仿(CHCL3),環(huán)戊烷(CPT),正己烷(HEX)溶劑模型按以下方法進(jìn)行參數(shù)化：溶劑分子的空間參數(shù)通過GauSSian98軟件在HF/6一31G*水平上在真空狀態(tài)下優(yōu)化計(jì)算得到溶劑分子的電荷通過使用AMBER10軟件包中的RESP程序?qū)θ軇┓肿拥碾妱菽苓M(jìn)行擬合得到3、分子動(dòng)力學(xué)模擬首先對酶溶劑體系進(jìn)行能量優(yōu)化(500

steepest

descent算法優(yōu)化然后500步conjugate

gradient算法優(yōu)化)將酶溶劑體系在20ps內(nèi)緩慢的從0K升溫至300K,在整個(gè)升溫過程中CALB中的所有以原子通過使用諧振勢能進(jìn)行位置限定將升溫后的酶溶劑體系在300K,1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行完全分子動(dòng)力學(xué)模擬,模擬中所用的時(shí)間間隔為lfs,模擬總時(shí)長為5ns4、QM/MM模擬構(gòu)建了CALB的四面體結(jié)構(gòu)來近似的代替CALB的過度態(tài)在300K1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行20Ps的QM/MM模擬在QM/MM模擬過程中SER105,ASP187,HIS224,底物采用QM方法進(jìn)行處理;其余部分采用MM的方法進(jìn)行處理四、結(jié)果與討論1、CALB總體構(gòu)象變化在所有溶液中,模擬體系均很快的到達(dá)平衡狀態(tài)CALB骨架原子與初始結(jié)構(gòu)骨架原子的RMSD在所有有機(jī)溶劑中變化都不大,在趨勢CALB骨架原子與初始結(jié)構(gòu)骨架原子的RMSD的值隨著溶劑極性的增加而減小RMSD:CALB骨架原子位置與初始結(jié)構(gòu)骨架原子的位置最小算數(shù)平方根與初始結(jié)構(gòu)相比,CALB中大約90%的β-Sheet結(jié)構(gòu)保存完好,而且β-Sheet結(jié)構(gòu)在有機(jī)極性溶劑和非有機(jī)極性溶劑中的變化沒有明顯的區(qū)別;而α-helix結(jié)構(gòu)隨著溶劑極性的降低而減少CALB二級(jí)結(jié)構(gòu)的保留率2、CALB中二級(jí)結(jié)構(gòu)的改變3、親、疏水表面面積的改變與初始結(jié)構(gòu)相比,在極性有機(jī)溶劑中CALB的親水面積降低了大約200一600平方埃,疏水面積增加了大約400平方埃;在非極性有機(jī)溶劑中CALB的親水面積降低了大約900一1200平方埃,疏水面積增加了大約500一700平方埃；從趨勢上講,親水面積隨著溶劑極性的增加而增加;疏水面積隨著溶劑極性的降低而增加在所有溶劑中,CALB的螺旋半徑(Gyrate)與初始結(jié)構(gòu)相比變化不是很明顯,只是在非極性有機(jī)溶劑中CALB的Gyrate比極性有機(jī)溶劑中稍大一些CALB的總體構(gòu)象在所有有機(jī)溶劑中保持較完好CALB的總體結(jié)構(gòu)在極性有機(jī)溶劑和非極性有機(jī)溶劑中表現(xiàn)出略微差別在極性有機(jī)溶劑中CALB的總體構(gòu)象跟接近于初始構(gòu)象在非有機(jī)