持续性纤维素酶产物释放过程的分子动力学模拟

摘要

生物质作为可再生能源物质，其高效利用的关键在于阐明纤维素酶催化水解纤维素的降解机理。来自瑞氏木霉（Trichodermareesei或Hypocreajecorina）的纤维二糖水解酶CBHI持续性催化结晶纤维素，是研究纤维素酶催化机理的典型代表。CBHI持续性催化循环包括催化水解、产物释放和线穿运动三个过程，产物抑制的发生能够导致持续性催化循环的中断和酶解效率的急剧降低，纤维二糖产物释放成为连接酶催化水解和纤维素链线穿运动的关键步骤。为在原子水平上研究CBHI的产物释放过程和产物抑制现象，本课题首先构建了CBHI催化水解后产物纤维二糖结合在催化孔道产物位点的全原子模型，然后在国家超级计算济南中心的千万亿次和百万亿次集群上，利用副本交换分子动力学模拟(REMD)方法，对CBHI产物释放体系应用128个温度副本，每个副本进行了长达250ns的模拟计算，最后在山东省高性能计算中心的集群上进行了数据分析。
　　本研究在原子水平上阐明了CBHI产物释放过程中纤维二糖的运动路径，纤维二糖主要沿着三条路径W376(→)H228、Q175(→)H228和R251(→)H228从产物结合位点移动到催化孔道外。在纤维二糖向酶催化孔道外移动的过程中，催化孔道出口端柔性的LoopⅢ和LoopⅣ会张开，显示出蛋白质结构动态变化对产物释放的重要作用。催化孔道出口端的5个氨基酸175GLN、228HIS、251ARG、259ASP和376TRP，可能是影响产物纤维二糖释放与结合的关键残基。根据MM/GBSA方法计算得到产物纤维二糖结合CBHI活性位点的结合自由能是-62.134kJ/mol(300K)，表明在能量上产物抑制的发生是有利的。根据产物结合自由能和Arrhenius方程估算出产物释放速率是16s-1，这与AFM实验观察CBHI持续性运动的结果一致，暗示了产物释放可能是CBHI持续性催化的限速步骤。
　　本课题对CBHI产物释放过程的动态变化、热力学与动力学性质的研究，以及对关键结构和关键氨基酸的预测，促进了对CBHI持续性催化和纤维素酶降解机理的认识，为旨在提高生物质转化效率的纤维素酶工程改造指出了方向。