分子動力學模擬研究脂肪酶的催化機理何佳2015-04目錄脂肪酶的概述分子動力學模擬的簡介脂肪酶催化機理的研究結果和討論定義：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結構。不同類型的脂肪酶具有非常相似的立體結構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。脂肪酶的結構特點：同源區段：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a-螺旋蓋保護在底物(如醇、酸或酷等)存在的情況下,酶的構象發生變化,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構特點：脂肪酶催化的反應：脂肪酶廣泛存在于動物植物和微生物中。植物中含脂肪酸較多的是油料作物的種子，當油料種子發芽時，脂肪酶能與其他的酶協同發揮作用催化分解油脂類物質生成糖類，提供種子生根發芽所必須的養料和能量；細菌，真菌和酵母中的脂肪酶含量更為豐富。微生物脂肪酶：細菌28個屬放線菌4個屬酵母菌10個屬其他真菌23個屬脂肪酶的來源及用途：食品工業制藥制備化工產品和試劑造紙工業工具酶生物柴油生物傳感器粒子的運動取決于經典力學(牛頓定律（F=ma）二、分子動力學模擬分子動力學方法基礎：原理：計算一組分子的相空間軌道，其中每個分子各自服從牛頓運動定律：初始條件：在分子體系的不同狀態構成的系綜中抽取樣本,從而計算體系的構型積分,并以構型積分的結果為基礎進一步計算體系的熱力學量和其他宏觀性質；通過求解所有粒子的運動方程，分子動力學方法可以用于模擬與原子運動路徑相關的基本過程；能得到原子的運動軌跡,還能象做實驗一樣作各種觀察；分子動力學方法是確定性方法，一旦初始構型和速度確定了，分子隨時間所產生的運動軌跡也就確定了。分子動力學方法特征：動力學程序：做生物大分子模擬認可度比較高的動力學程序GROMACS,AMBER,CHARMM。GROMCS是由GroningenUniversity開發的用于研究生物分子體系的分子動力學程序包特點：可以用分子動力學、隨機動力學或者路徑積分方法模擬溶液或晶體中的任意分子,進行分子能量的最小化,分析構象等Amber的簡介：Amber是著名的分子動力學軟件，用于蛋白質、核酸、糖等生物大分子的計算模擬。Amber也指一種經驗力場(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提供兩部分內容：用于模擬生物分子的一組分子力學力場（無版權限制，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（有版權限制，需要購買）實驗部分：南極甲絲酵母脂肪酶B（CALB）晶體中的兩個糖分子(NAG)由于遠離CALB活性中心區域在進行分子動力學模擬前去除,CALB晶體中的92個水分子具有維護脂肪酶構象穩定的作用予以保留CALB中的Arg,Lys,AsP,HisandGlu兩性殘基的電離狀態取PH=7時的電離狀態1、酶的預處理2、溶劑模型的參數化分子動力學模擬所用到的甲醇(MET),丙酮(ACE),四氫吠喃(THF),氯仿(CHCL3),環戊烷(CPT),正己烷(HEX)溶劑模型按以下方法進行參數化：溶劑分子的空間參數通過GauSSian98軟件在HF/6一31G*水平上在真空狀態下優化計算得到溶劑分子的電荷通過使用AMBER10軟件包中的RESP程序對溶劑分子的電勢能進行擬合得到3、分子動力學模擬首先對酶溶劑體系進行能量優化(500

steepest

descent算法優化然后500步conjugate

gradient算法優化)將酶溶劑體系在20ps內緩慢的從0K升溫至300K,在整個升溫過程中CALB中的所有以原子通過使用諧振勢能進行位置限定將升溫后的酶溶劑體系在300K,1個標準大氣壓下進行完全分子動力學模擬,模擬中所用的時間間隔為lfs,模擬總時長為5ns4、QM/MM模擬構建了CALB的四面體結構來近似的代替CALB的過度態在300K1個標準大氣壓下進行20Ps的QM/MM模擬在QM/MM模擬過程中SER105,ASP187,HIS224,底物采用QM方法進行處理;其余部分采用MM的方法進行處理四、結果與討論1、CALB總體構象變化在所有溶液中,模擬體系均很快的到達平衡狀態CALB骨架原子與初始結構骨架原子的RMSD在所有有機溶劑中變化都不大,在趨勢CALB骨架原子與初始結構骨架原子的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構骨架原子的位置最小算數平方根與初始結構相比,CALB中大約90%的β-Sheet結構保存完好,而且β-Sheet結構在有機極性溶劑和非有機極性溶劑中的變化沒有明顯的區別;而α-helix結構隨著溶劑極性的降低而減少CALB二級結構的保留率2、CALB中二級結構的改變3、親、疏水表面面積的改變與初始結構相比,在極性有機溶劑中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)與初始結構相比變化不是很明顯,只是在非極性有機溶劑中CALB的Gyrate比極性有機溶劑中稍大一些CALB的總體構象在所有有機溶劑中保持較完好CALB的總體結構在極性有機溶劑和非極性有機溶劑中表現出略微差別在極性有機溶劑中CALB的總體構象跟接近于初始構象在非有機