菊粉酶水解机理的分子动力学模拟研究

摘要

菊粉是一种自然界广泛存在的糖类，近年来因其在食品及生理上的功能特性而引起广泛关注。在我国，菊粉主要来自于菊芋的块茎，由于该类植物抗性强，适合作为盐碱地作物，因此有很高的利用价值。菊粉的主要贡献是将其水解为低聚果糖，用于食品行业、化工业等，因此如何高效的水解菊粉一直是课题研究的重点。本文从此前研究较少的菊粉酶水解菊粉的机理出发，试图通过分子动力学模拟的方法，探究菊粉水解的过程，以对更好的提高菊粉水解效率提供思路。本文主要内容如下：
　　1.寻找蛋白质的活性位点一直是分子对接研究的重要方向，本文以一种内切菊粉酶为研究对象，在其活性口袋内寻找到两个活性中心A、B。分别以两个活性中心为对接中心，将不同小分子与之对接后进行分子动力学模拟。在确定体系稳定后，比较两组体系的残基贡献，发现以活性位点A为中心时更符合实验结论，以此确定水解的中心为活性位点A。
　　2.在确定分子对接中心后，本文试图对菊粉酶水解机理进行研究。结合菊粉的分子结构，将配体分子分为含葡萄糖组和不含葡萄糖组（共14个），对接优化后进行100 ns分子动力学模拟。分析结合自由能发现含葡萄糖组随着糖分子量的减少能量呈递减的趋势，到三糖时开始转折，与实验中产物多为三糖、四糖、五糖的结论相一致;而不含葡萄糖组的总能则随着糖分子量的少能量升高，与分子量越大相互作用越多的观点相吻合，然而这组在残基分解能更占优势，与配体结合时保守序列的残基都做出了较大贡献。
　　3.本文尝试对蛋白质进行虚拟定点突变。在寻找到蛋白质活性口袋起主要作用的氨基酸Trp17、Ser301、Asn19、Va143、Asn297后，为了研究氨基酸侧链对于活性口袋的影响，将这五个氨基酸全部突变为不带侧链的甘氨酸。分析结合自由能发现，大多数突变体的结合自由能都比原始的蛋白质低。分析残基分解能发现，突变的残基本身能量贡献并没有较大变化，但是活性位点的残基贡献都有降低的趋势，而活性位点周围的Loop环能量贡献有提高。
　　本文工作在理论上探究了菊粉酶水解的活性位点，并试图通过分析多个分子结合模式研究菊粉酶水解机理，对结合起关键作用的氨基酸进行突变分析，这对于实验上改进菊粉酶水解方法有较大帮助。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 计算化学概述

1．1．1 量子力学方法

1．1．2 分子力学方法

1．2 分子对接

1．2．1 分子对接原理

1．2．2 分子对接常用方法

1．2．3 分子对接软件介绍

1．3 分子动力学模拟

1．3．1 分子间作用力

1．3．2 分子力场

1．3．3 溶剂介电质模型

1．3．4 数值算法及能量优化

1．3．5 分子动力学模拟的其他细节

1．4 结合自由能预测方法

1．5 菊粉与菊粉酶

1．5．1 菊粉

1．5．2 菊粉酶

1．5．3 菊粉的应用前景

1．6 研究目的与研究内容

2 菊粉酶活性位点分析

2．1 前言

2．2 研究方法

2．2．1 模型建立

2．2．2 分子动力学模拟

2．2．3 MM-GBSA能量计算和能量分解

2．3 结果与讨论

2．3．1 蛋白质活性口袋分子动力学模拟的稳定性评估

2．3．2 复合物表面分子间相互作用情况

2．3．3 结合自由能的计算

2．3．4 结合过程中的关键残基贡献

2．4 小结

3 菊粉酶水解机理分析

3．1 前言

3．2 研究方法

3．2．1 模型建立

3．2．2 分子动力学模拟

3．2．3 MM-GBSA计算

3．3 结果与讨论

3．3．1 小分子对接后蛋白质活性口袋稳定性评估

3．3．2 复合物表面分子间相互作用情况

3．3．3 复合物结合自由能的计算

3．3．4 结合过程中的关键残基贡献

3．4 小结

4 菊粉酶的虚拟定点突变

4．1 前言

4．2 研究方法

4．2．1 模型建立

4．2．2 分子动力学模拟

4．2．3 MM-GBSA计算

4．3 结果与讨论

4．3．1 突变后蛋白质活性口袋稳定性评估

4．3．2 突变体分子表面分子间相互作用情况

4．3．3 突变后复合物结合自由能的计算

4．3．4 蛋白质突变后关键残基贡献比较

4．4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢