分子动力学模拟研究脂肪酶的催化机理

1、分子动力学模拟研究脂肪酶的催化机理何佳2015-04目录n脂肪酶的概述n分子动力学模拟的简介n脂肪酶催化机理的研究n结果和讨论 定义：定义：n脂肪酶（Lipase）又称甘油酯水解酶，是指分解或合成高级脂肪酸和丙三醇形成的甘油三酯酯键的酶。一、脂肪酶的概述一、脂肪酶的概述n脂肪酶基本组成单位仅为氨基酸，通常只有一条多肽链。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。n不同类型的脂肪酶具有非常相似的立体结构n脂肪酶的氨基酸顺序可能有较大的差别,但却具有相似的折叠方式和活性中心。脂肪酶的结构特点：脂肪酶的结构特点：n同源区段：His-x-y-Gly-Z-Ser-W-Gly或Y-Gly-His-Ser-W-

2、Gly(X,Y,W,Z是可变的氨基酸残疾）n活性中心是丝氨酸残基，正常情况下受1个a-螺旋盖保护n在底物(如醇、酸或酷等)存在的情况下,酶的构象发生变化,脂肪酶与油/水界面的缔合作用使得“盖子”打开,含有活性部位的疏水部分就暴露出来脂肪酶的结构特点：脂肪酶的结构特点：脂肪酶催化的反应：脂肪酶催化的反应：n脂肪酶广泛存在于动物植物和微生物中。n植物中含脂肪酸较多的是油料作物的种子，当油料种子发芽时，脂肪酶能与其他的酶协同发挥作用催化分解油脂类物质生成糖类，提供种子生根发芽所必须的养料和能量；n细菌，真菌和酵母中的脂肪酶含量更为丰富。n微生物脂肪酶：细菌28个属 放线菌4个属 酵母菌10个属 其他

3、真菌23个属脂肪酶的来源及用途：脂肪酶的来源及用途：n食品工业n制药n制备化工产品和试剂n造纸工业n工具酶n生物柴油n生物传感器粒子的运动取决于经典力学粒子的运动取决于经典力学(牛顿定律（牛顿定律（F=ma）二、分子动力学模拟二、分子动力学模拟分子动力学方法基础分子动力学方法基础：原理：原理：计算一组分子的相空间轨道，其中每个分子各自服从计算一组分子的相空间轨道，其中每个分子各自服从牛顿运动定律：牛顿运动定律： 11112)(21NiNijijNiiirUmpHiiiiimdtdmvrp 111111)()(NiNijijNiNijijirUrdtdijrFp)0(0itirr)0(0itid

4、tvdr初始条件：初始条件：n 在分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质； n 通过求解所有粒子的运动方程，分子动力学方法可以用于模拟与原子运动路径相关的基本过程；n 能得到原子的运动轨迹,还能象做实验一样作各种观察；n 分子动力学方法是确定性方法，一旦初始构型和速度确定了，分子随时间所产生的运动轨迹也就确定了。分子动力学方法特征：分子动力学方法特征：动力学程序：动力学程序：n做生物大分子模拟认可度比较高的动力学程序GROMACS,AMBER,CHARMM。nGROMCS是由GroningenUnivers

5、ity开发的用于研究生物分子体系的分子动力学程序包 特点：可以用分子动力学、随机动力学或者路径积分方法模拟溶液或晶体中的任意分子,进行分子能量的最小化,分析构象等Amber的简介：的简介：nAmber是著名的分子动力学软件，用于蛋白质、核酸、糖等生物大分子的计算模拟。Amber也指一种经验力场(empirical force fields)。 力场和代码是分开的， 一些软件中包含amber力场, 而其他的力场也包含在此amber的软件中。 nAMBER提供两部分内容：用于模拟生物分子的一组分子力学力场（无版权限制，也用于其它一些模拟程序中）；分子模拟程序软件包，包含源代码和演示（有版权限制，需

6、要购买）实验部分：实验部分：n南极甲丝酵母脂肪酶B（CALB）晶体中的两个糖分子(NAG)由于远离CALB活性中心区域在进行分子动力学模拟前去除,CALB晶体中的92个水分子具有维护脂肪酶构象稳定的作用予以保留nCALB中的Arg,Lys,AsP,HisandGlu两性残基的电离状态取PH=7时的电离状态1、酶的预处理、酶的预处理2、溶剂模型的参数化、溶剂模型的参数化n分子动力学模拟所用到的甲醇(MET),丙酮(ACE),四氢吠喃(THF),氯仿(CHCL3),环戊烷(CPT),正己烷(HEX)溶剂模型按以下方法进行参数化：n溶剂分子的空间参数通过GauSSian98软件在HF/6一31G*水

7、平上在真空状态下优化计算得到n溶剂分子的电荷通过使用AMBER10软件包中的RESP程序对溶剂分子的电势能进行拟合得到3、分子动力学模拟、分子动力学模拟n首先对酶溶剂体系进行能量优化(500 steepest descent算法优化然后500步conjugate gradient算法优化)n将酶溶剂体系在20ps内缓慢的从0K升温至300K,在整个升温过程中CALB中的所有以原子通过使用谐振势能进行位置限定n将升温后的酶溶剂体系在300K,1个标准大气压下进行完全分子动力学模拟,模拟中所用的时间间隔为lfs,模拟总时长为5ns4、QM/MM模拟模拟n构建了CALB的四面体结构来近似的代替CAL

8、B的过度态n在300K 1 个标准大气压下进行20Ps的QM/MM模拟n在QM/MM模拟过程中SER105,ASP187,HIS224,底物采用QM方法进行处理;其余部分采用MM的方法进行处理四、结果与讨论四、结果与讨论1、CALB总体构象变化总体构象变化n在所有溶液中,模拟体系均很快的到达平衡状态nCALB骨架原子与初始结构骨架原子的RMSD在所有有机溶剂中变化都不大,在趋势CALB骨架原子与初始结构骨架原子的RMSD的值随着溶剂极性的增加而减小RMSD:CALB骨架原子位置与初始结构骨架原子的位置最小算数平方根n与初始结构相比与初始结构相比,CALB,CALB中大约中大约90%90%的的-

9、Sheet-Sheet结构保存结构保存完好完好, ,而且而且-Sheet-Sheet结构在有机极性溶剂和非有机极性结构在有机极性溶剂和非有机极性溶剂中的变化没有明显的区别溶剂中的变化没有明显的区别; ;n而而-helix-helix结构随着溶剂极性的降低而减少结构随着溶剂极性的降低而减少CALB二级结构的保留率二级结构的保留率2、CALB中二级结构的改变中二级结构的改变3、亲、疏水表面面积的改变、亲、疏水表面面积的改变n与初始结构相比,在极性有机溶剂中CALB的亲水面积降低了大约200一600平方埃,疏水面积增加了大约400平方埃;n在非极性有机溶剂中CALB的亲水面积降低了大约900一1200平方埃,疏水面积增加了大约500一700平方埃；n从趋势上讲,亲水面积随着溶剂极性的增加而增加;疏水面积随着溶剂极性的降低而增加A0n在所有溶剂中,CALB的螺旋半径(Gyrate)与初始结构相比变化不是很明显,只是在非极性有机溶剂中CALB的Gyrate比极性有机溶剂中稍大一些nCALB的总体构象在所有有机溶剂中保持较完好nCALB的总体结构在极性有机溶剂和非极性有机溶剂中表现出略微差别n在极性有机溶剂中CALB的总体构象跟接近于初始构象n在非有机溶剂中,部分位于CALB表面的极性侧链由于受到非有机溶剂分子的影响而向C