葡萄糖氧化酶與6-脫氧-D-葡萄糖作用機(jī)制的模擬分析

趙小水，李成偉

（1.河南省項(xiàng)城市第一高級(jí)中學(xué)，河南 項(xiàng)城 466200；2.廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361005）

0 引言

葡萄糖氧化酶（簡(jiǎn)稱GOx）屬于脫氫酶[1]類，具有專一性，高效性等特點(diǎn)，在有氧環(huán)境中，能夠?qū)Ｒ恍源呋?D-葡萄糖，使其生成葡萄糖酸以及過氧化氫。GOx主要分布在在微生物體內(nèi)[2]，作用繁多，在食品、醫(yī)療、生物燃料等方面均有著良好的發(fā)展前景。

GOx主要是由青霉[3]和黑曲霉產(chǎn)生，許多學(xué)者已具體研究了其結(jié)構(gòu)。GOx由兩個(gè)亞基構(gòu)成，兩個(gè)亞基的結(jié)構(gòu)性質(zhì)完全相同，每個(gè)亞基的序列長(zhǎng)度約為580，每個(gè)亞基中都有一種輔因子，名為黃素腺嘌呤二核苷酸，簡(jiǎn)稱為FAD。在青霉中組成葡萄糖氧化酶的每個(gè)亞基中都有587個(gè)氨基酸殘基，1個(gè)FAD,3個(gè)甘露糖以及6個(gè)N-乙酰葡萄糖糖胺。而在黑曲霉中提取的葡萄糖氧化酶除了個(gè)別殘基[4]之外，肽鏈結(jié)構(gòu)與青霉中的GOx大致相同。

GOx是一種氧化還原酶，它能夠與過氧化氫酶形成一個(gè)氧化還原系統(tǒng)，在有氧環(huán)境中，消耗氧氣得到葡萄糖酸。酶的催化效率和反應(yīng)速率一般而言受到酸堿性、溫度、氧氣、動(dòng)力學(xué)參數(shù)等各種因素影響。對(duì)于GOx催化過程來說，不同的底物分子與GOx反應(yīng)酶活力是不同的，其中，當(dāng)β-D-葡萄糖作為底物分子時(shí)，GOx對(duì)其具有高度專一性，相對(duì)活力強(qiáng)，而底物分子6-脫氧-D-葡萄糖（簡(jiǎn)稱 6-deoxy-D-glucose）的相對(duì)活力就弱的多，催化效率較低。

目前，盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)GOx的研究已取得許多進(jìn)展[5-7]。但尚無法通過實(shí)驗(yàn)的方法得到GOx與底物分子反應(yīng)的中間產(chǎn)物，只能通過分子模擬的方法進(jìn)行分析。本文基于生物分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，對(duì)GOx與底物分子6-脫氧-D-葡萄糖的復(fù)合體系進(jìn)行了模擬分析，建立了完整的復(fù)合物體系模型，計(jì)算了體系能量指標(biāo)等相關(guān)數(shù)據(jù)，探討了GOx與底物分子6-脫氧-D-葡萄糖的作用機(jī)制，可為后續(xù)有關(guān)GOx的實(shí)驗(yàn)提供一定的理論依據(jù)。

2 模擬過程

基于Amber軟件進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，具體過程包括：①晶體結(jié)構(gòu)的獲?。虎诰w結(jié)構(gòu)文件的預(yù)處理；③小分子模板和缺失參數(shù)的生成；④tleap計(jì)算坐標(biāo)文件以及拓?fù)湮募纳桑虎蒹w系能量最小化處理；⑥體系升溫過程；⑦體系平衡過程；⑧模擬體系平衡的判斷；⑨體系分子動(dòng)力學(xué)模擬：分析能量、氫鍵、殘基質(zhì)心距離分析、原子距離分析等數(shù)據(jù)指標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 相互作用能分析

圖1為GOx與其底物6-deoxy-D-glucose之間的靜電作用勢(shì)能和范德華作用勢(shì)能隨時(shí)間的變化。從圖中可看出靜電作用勢(shì)能與范德華作用勢(shì)能存在差距。在0-50 ns的時(shí)間范圍內(nèi)，靜電作用勢(shì)能波動(dòng)明顯，在50-80ns的時(shí)間范圍內(nèi)，靜電作用勢(shì)能發(fā)生大幅度減小，而在80ns-200ns的時(shí)間范圍內(nèi)波動(dòng)較小。范德華作用勢(shì)能在0-200ns的時(shí)間范圍內(nèi)基本穩(wěn)定。該結(jié)果表明靜電作用和范德華作用共同促進(jìn)GOx與底物6-deoxy-D-glucose的結(jié)合與穩(wěn)定。

圖1 GOx與6-deoxy-D-glucose間相互作用的能量隨時(shí)間的變化

3.2 RMSD分析

圖2 GOx的 RMSD值隨時(shí)間的變化圖

圖3 GOx的回轉(zhuǎn)半徑隨時(shí)間的變化

圖4 GOx活性口袋的回轉(zhuǎn)半徑隨時(shí)間的變化

圖2為GOx及含有底物分子6-deoxy-D-glucose的GOx的RMSD值。可看出GOx的RMSD值在0-80ns的時(shí)間范圍內(nèi)波動(dòng)明顯，在80-130 ns的時(shí)間范圍內(nèi)，GOx的RMSD值較為平穩(wěn)，130-200ns之間，GOx的RMSD值先增大至3 ?，隨后保持穩(wěn)定狀態(tài)。而添加底物后GOx的RMSD值在0-200 ns的時(shí)間范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)，逐步達(dá)到平衡。

3.3 回轉(zhuǎn)半徑分析

圖3為添加底物6-deoxy-D-glucose前，GOx回轉(zhuǎn)半徑隨時(shí)間的變化有較明顯的波動(dòng)。GOx在0-65 ns時(shí)間范圍內(nèi)，回轉(zhuǎn)半徑波動(dòng)幅度較小，在23.9 ?上下。70-200 ns的時(shí)間范圍內(nèi)波動(dòng)較大，回轉(zhuǎn)半徑先增大后減小。該結(jié)果說明GOx前期體積先發(fā)生膨脹，最終基本維持穩(wěn)定。圖4表示為GOx添加底物前酶活性口袋的回轉(zhuǎn)半徑隨時(shí)間的變化情況。可看出GOx活性口袋的回轉(zhuǎn)半徑在前期有明顯波動(dòng)，40 ns之后時(shí)間范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，維持在11.3 ?左右。這表明添加底物前酶活性口袋部位體積先發(fā)生膨脹隨后緊縮并維持穩(wěn)定。

4 結(jié)論

基于分子動(dòng)力學(xué)軟件Amber對(duì)含有底物6-deoxy-D-glucose的GOx進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果顯示，靜電作用和范德華作用共同促進(jìn)了GOx與6-deoxy-D-glucose的結(jié)合與穩(wěn)定；通過分析RMSD和回轉(zhuǎn)半徑，發(fā)現(xiàn)含有底物分子的GOx活性口袋的RMSD值較低，6-deoxy-D-glucose底物在GOx活性口袋中柔性大，該底物的添加造成GOx活性口袋不夠穩(wěn)定。

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