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分子模拟辅助研究脂肪酶的对映体选择性及构象变化

作　者: 袁鹏
导　师: 吴坚平
学　校: 浙江大学
专　业: 生物化工
关键词: 脂肪酶分子对接对映体选择性同源模建分子动力学
分类号: Q55
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文使用Sybyl软件包中的对接模块,将脂肪酶的四面体中间态底物对接到酶的活性位点,以形成3个必需氢键的反应型构象为筛选条件,模拟预测了4种脂肪酶对66对底物的对映体选择性。对接依次使用Surflex, Surflex-GemoX, FlexX共价对接三种模式进行,对接准度及其预测成功率依次提高,并在使用FlexX共价对接时预测效果达到最好。FlexX共价对接结果表明：当催化反应的对映体选择性(E值)较小时(<100),酶与R/S两种底物的结合自由能差不足以准确预测酶的优先反应构型；而当底物分子的E值较大(≧100),并且主链碳原子数目较少时,该方法对酶的优先反应构型预测成功率较高,达到81.5%,可以作为一种虚拟筛选的手段。同时,在三种不同的对接模式下,南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)均获得了最好的预测效果,并在FlexX共价对接时,其预测自由能差和实验自由能差的相关系数r值达到0.52,这与通过分子力学／泊松-波尔兹曼表面积法(MM/PBSA)计算结合自由能的r值相当,表明该方法预测结果比较可靠。其次,同源模建法成功构建了三种未报导晶体结构脂肪酶米根霉脂肪酶(ROL), Lipase-AK, Lipase-YS的晶体模型,经模型评价后认定模建结果比较可靠。然后经过FlexX共价对接,对已模建脂肪酶的对映体选择性进行了预测。但由于从文献中采集的实验E值较小(<100),以及对接法本身的局限性,导致预测效果并不理想,成功率为52.8%,进一步验证了FlexX共价对接只有在E值较大时才会比较准确地预测出酶的优先反应构型。最后,为了考察溶剂因素对含盖脂肪酶结构的影响,利用Amber11软件模拟了柔毛腐质霉脂肪酶(HLL)在水,甲醇,氯仿三种溶剂中的结构变化,模拟结果显示：两种构型HLL核心结构的均方根偏差(rmsd值)在三种溶剂中变动很小,而酶盖子结构的rmsd值随溶剂的变动比较大。同时,脂肪酶HLL的α-helix面积在水中会增加,而在有机溶剂中会减少；β-sheet的面积则受溶剂的影响不大。另外,溶剂条件会对酶分子的溶剂可及表面积产生影响,影响情况与溶剂本身和极性有关。盖子结构受溶剂的影响而发生部分打开或关闭,或者保持稳定,由于盖子控制着底物进出酶活性位点的通道并影响活性位点的微环境,因此溶剂条件大大影响了含盖脂肪酶的催化性能,这在一定程度上解释了CALB与其它含盖脂肪酶相比有良好的底物广谱性的原因。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
abstract  8-13
第一章绪论  13-37
  1.1 分子模拟的研究进展  13-18
    1.1.1 分子模拟方法概述  13-15
      1.1.1.1 量子力学法  13
      1.1.1.2 分子力学方法  13-14
      1.1.1.3 分子动力学方法  14
      1.1.1.4 蒙特卡罗法  14-15
    1.1.2 分子模拟常用软件  15
    1.1.3 分子模拟的应用  15-18
      1.1.3.1 分子模拟在石油化工领域的应用  15-17
      1.1.3.2 分子模拟在高分子材料中的的应用  17
      1.1.3.3 分子模拟在生物学中的应用  17-18
  1.2 脂肪酶的研究现状  18-22
    1.2.1 脂肪酶的介绍及其应用  18-19
    1.2.2 脂肪酶的分子和结构特征  19-21
    1.2.3 脂肪酶的催化特征  21
    1.2.4 脂肪酶的手性拆分和对映体选择性  21-22
  1.3 分子模拟在脂肪酶研究中的应用  22-35
    1.3.1 分子对接在脂肪酶中的应用  22-29
      1.3.1.1 分子对接的介绍  22-23
      1.3.1.2 分子对接的基本原理  23-24
      1.3.1.3 分子对接在脂肪酶研究中的应用实例  24-29
    1.3.2 分子动力学在脂肪酶中的应用  29-35
      1.3.2.1 分子动力学的基本原理  29-30
      1.3.2.2 分子动力学在脂肪酶研究中的应用  30-35
  1.4 本文研究思路  35-37
第二章已知PDB结构脂肪酶与底物的对接模拟  37-59
  2.1 引言  37-38
  2.2 模拟软件介绍  38-41
    2.2.1 分子模拟平台Sybyl  38
    2.2.2 对接软件介绍  38-41
      2.2.2.1 Surflex介绍  38-40
      2.2.2.2 FlexX介绍  40-41
  2.3 对接模拟部分  41-56
    2.3.1 Surflex普通对接  41-47
      2.3.1.1 对接底物分子库的选取  41
      2.3.1.2 底物分子的制备  41-42
      2.3.1.3 受体脂肪酶结构的制备  42
      2.3.1.4 Surflex进行的底物结构和酶蛋白的对接  42-45
      2.3.1.5 Surflex对接打分及结果分析  45-47
      2.3.1.6 实验自由能差和Surflex预测自由能差相关性分析  47
    2.3.2 Surflex高精度对接  47-51
      2.3.2.1 对接底物分子库的选取  47-48
      2.3.2.2 底物分子的制备  48
      2.3.2.3 受体脂肪酶结构的制备  48
      2.3.2.4 Surflex-GeomX进行的底物和酶蛋白的对接  48-49
      2.3.2.5 Surflex-GeomX对接结果分析  49
      2.3.2.6 实验自由能差和Surflex-GeomX预测自由能差相关性分析  49
      2.3.2.7 Surflex-GeomX对接预测结果评价  49-51
    2.3.3 FlexX共价对接  51-56
      2.3.3.1 底物分子的制备  51
      2.3.3.2 受体脂肪酶分子的制备  51
      2.3.3.3 中间态底物和酶的共价对接  51-52
      2.3.3.4 FlexX共价对接打分及结果分析  52-54
      2.3.3.5 FlexX预测自由能差和对接自由能差相关性分析  54-56
  2.4 本章小结  56-59
第三章三种模建脂肪酶的底物对映体选择性预测  59-67
  3.1 引言  59
  3.2 材料和方法  59-66
    3.2.1 模拟软件和材料  59-60
    3.2.2 三种脂肪酶的同源模建  60
    3.2.3 模建结果的评价  60-62
    3.2.4 模建脂肪酶催化残基的确定  62
    3.2.5 受体酶结构和中间态底物的制备  62
    3.2.6 酶和中间态底物的对接  62
    3.2.7 FlexX共价对接打分及结果分析  62-64
    3.2.8 实验自由能差和FlexX预测自由能差相关性分析  64-66
  3.3 本章小结  66-67
第四章脂肪酶HLL结构的分子动力学研究  67-77
  4.1 引言  67
  4.2 材料和软件  67-68
  4.3 模拟方法  68-75
    4.3.1 整体思路  68
    4.3.2 酶结构的预处理  68
    4.3.3 分子动力学模拟  68-69
    4.3.4 结果分析和讨论  69-75
      4.3.4.1 酶分子核心结构的变化  69-70
      4.3.4.2 酶分子二级结构及溶剂可及表面积(SASA)的变化  70-72
      4.3.4.3 酶分子残基的柔性  72-75
      4.3.4.4 酶盖子结构的变化  75
  4.4 本章小结  75-77
第五章结论与展望  77-79
  5.1 结论  77
  5.2 展望  77-79
参考文献  79-85
附录  85-93
  附录Ⅰ 模建蛋白一级序列  85-86
  附录Ⅱ 同源模建蛋白催化三残基位置示意图  86-88
  附录Ⅲ Amber动力学模拟输入参数文件  88-90
  附录Ⅳ HLL晶体结构与MD结构比对图  90-93

分子模拟辅助研究脂肪酶的对映体选择性及构象变化

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