分子动力学模拟研究CGTase酶活性区域的热稳定性.pdfVIP

第30 卷 第9 期 计算机与应用化学 Vol.30, No.9 2013 年9 月28 日 Computers and Applied Chemistry September 28, 2013 分子动力学模拟研究 CGTase 酶活性区域的热稳定性 陈志国，傅毅，须文波 (江南大学物联网工程学院，轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏，无锡，214122) 摘要：环糊精葡萄糖基转移酶(cyclodextrin glycosyltransferase, CGTase, E.C.9)是食品、医药和化妆品等领域中的重要酶。 文中通过分子动力学模拟研究了 CGTase 活性位点区域中分子内非共价键相互作用对蛋白质热稳定性的影响，以及在热压力下 这些分子内非共价键相互作用又会如何发生变化。研究发现：在 CGTase 酶活性区域中分布着较多的盐桥和氢键网络体系，分 析盐桥间的距离变化发现这些盐桥对高温具有很好的抗性，同时，高温下盐桥网络又比单个盐桥更加稳定；对该区域中氢键分 析，发现随着模拟温度的升高，带电荷氨基酸之间形成的氢键在高温下具有很好的稳定性，同样，高温下氢键网络也比单个氢 键更加稳定；通过对非共价键相互作用的分析中发现活性位点两侧的氨基酸残基与酶的热稳定性也有很大的关系。该蛋白酶的 热稳定性与非共价键连接的数量、存在形式及形成非共价键相互作用的氨基酸空间位置都息息相关。该结果为用酶工程设计改 造环糊精葡萄糖基转移酶热稳定性提供了突变方向，同时，为理解酶蛋白的热稳定机制，结构与功能关系的研究提供有益参考。 关键词：环糊精葡萄糖基转移酶；热稳定；非共价键相互作用；蛋白质设计；分子动力学模拟 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1001-4160(2013)09-967-972 DOI: 10.11719/com.app.che 原料，合成非还原性的的麦芽低聚糖即环糊精 1 引言 (cyclodextrins, CDs)，环糊精在食品、医药、农业、纺织、 许多生物可以生存在极端的环境中，如高温或低温 环保、化妆品、生物技术和分析化学等领域具有广泛的 环境、高或低 PH 值、高盐度等等。适应极端环境的生 应用[14] 。在工业生产中，耐高温的 CGTase 酶可以直接 物必然有其相应的适应机制，以维持其正常的生殖代谢 用于淀粉液化，免去了α-淀粉酶的预处理过程，并且可 活动。伴随着生物技术过程中的实用性和学术研究的兴 以降低微生物污染。因此，对于国内外的工业界或学术 趣，对于极端嗜热酶的耐热机制研究一直是研究热 界说，CGTase 酶的热稳定性研究一直是非常重要的课 点[1-5] 。由于嗜热酶本身在高温下的稳定性和活性，嗜热 题。目前，国外在运用定向进化技术获得既耐热、又在 酶和极度嗜热酶在工业生产中比常温酶和嗜冷酶更有优 较宽温度范围内具有高活性的酶的方面已经取得了一定 点。比如：对化学变性剂具有较高的抵抗力；可以在较 进展。我国对该酶的研究起步较晚，与国外相比，国内 高温度下与较高底物浓度进行酶催化反应；更小的细菌 研制的 CGTase 酶的最适反应温度普遍偏低。因此提高 污染风险和更高的反应速率等。 CGTase 酶的热稳定性尤其具有重要的意义。 随着对嗜热酶研究的深入，人们发现同源蛋白质之 酶的活性部位是指酶分子中结合底物并催化底物转 间序列和三维结构具有高度相似性，催化机制也相同， 变为产物的区域。温度可对生物大分子的结构造成扰动 但是它们却有不同的最适反应温度和热稳定性；而且研