蛋白质动态组学方法研究纤维素酶催化的分子动态行为

摘要

纤维素是地球上储量最丰富的可再生资源，通过纤维素酶的催化降解，纤维素能够水解成为可溶性糖，经过生物炼制可以转化为生物燃料和多种化工制品，这为解决当前世界所面临的环境污染和能源短缺提供了一个有效途径。显然，纤维素酶催化性能的提升是加快纤维素生物转化过程的关键步骤，认识纤维素酶催化过程的分子动态机理变成了一项十分必要的工作。虽然纤维素酶的实验设计工作已经有很多成功的先例，但受限于传统实验方法的表征能力，目前对纤维素酶结构，分子动态和功能关系的理解尚不深入。因此，本文主要利用分子动力学模拟方法，结合其它生物信息学分析手段探究了决定不同糖苷水解酶家族中纤维素酶催化性能的分子动态行为，这为认识纤维素酶催化过程的分子动态提供了全新的内容，同时为蛋白质工程设计提供了策略上的指导。
　　本论文开展的相关研究工作及主要成果如下:
　　1.通过对GH12家族中具有相似折叠结构却有完全不同热稳定性的多个纤维素酶分子动态分析，阐明了酶活性中心的分子动态稳定性和三维结构的稳定性是GH12家族纤维素酶热稳定性的关键因素，两者协同决定了酶的最适催化温度，这为全面认识酶分子的热失活过程和蛋白质热稳定性的理性设计奠定了基础。
　　通过构建温度梯度的分子动力学模拟体系，分析了在温度逐渐升高的过程中酶分子整体结构和活性中心动态的变化情况。结果显示:1）在常温条件下，所有的酶分子都能保持整体结构的稳定性;温度升高后，主成分分析结果表明活性中心的动态和协同运动模式被高温扰动，且扰动程度与GH12家族纤维素酶的热稳定性呈显著负相关。2）随着温度的逐步升高，中温纤维素酶的N末端区域首先发生去折叠，随后中等嗜热和超嗜热酶的N末端区域高级结构发生去折叠。更重要的是，N末端内部的相互作用与GH12家族纤维素酶的热稳定性呈显著正相关，这说明了N末端区域可能是GH12家族纤维素酶结构稳定性决定因子。3）酶分子的热失活过程分为可逆性阶段和不可逆阶段，GH12家族纤维素酶活性中心的动态稳定性以及N末端的结构稳定性是影响这两个阶段的重要机制，两者相互独立又相互协同决定了酶分子的最适催化温度。通过生物信息学分析揭示了嗜热酶内部具有更复杂的相互作用网络，它不仅帮助稳定活性中心的动态平衡，还增强了蛋白质整体结构的稳定性。
　　2.建立了酶分子活性中心构象动态行为的表征方法，探究了活性中心构象动态的主要影响因素，多角度证明了活性中心天然构象动态在纤维素酶催化过程中的多个阶段发挥着至关重要的作用。
　　基于分子动力学模拟，我们建立了一套酶活性中心在整体结构水平、二级结构水平和氨基酸残基水平的构象动态分析和表征方法。利用这种方法，研究了活性中心构象动态的主要影响因素。对活性中心构象动态及其协同运动模式进行了分析，结果显示，高温可破坏活性中心天然构象的动态平衡，从而导致酶分子的可逆性热失活过程。通过对活性中心周围loop运动状态以及氨基酸残基构象动态的分析，证明了活性中心的开关运动和功能残基的构象选择是酶对底物结合的必要条件。研究还揭示了底物结合对活性中心构象动态平衡的恢复具有抑制效应，而这可能是连续催化体系中纤维素酶活性逐渐丧失的关键因素之一。这些结果阐述了催化过程中酶活性中心的构象选择具有明确的路径，对活性中心构象动态平衡的破坏或是对构象选择路径的干扰都会对酶分子的催化性能产生不利的影响。
　　3.通过对GH5、GH7和GH12三个家族的20种纤维素酶活性中心氨基酸残基的构象动态分析，揭示了氨基酸构象动态在活性中心不同位点上的选择偏好性，从分子进化的角度证明了活性中心构象动态的优化是蛋白质功能进化的另一种途径。
　　研究中选择了GH5、GH7和GH12三个家族中20种纤维素酶作为研究对象，依次表征了它们活性中心数百个氨基酸残基的构象动态，通过分析同一家族内不同成员活性中心对应位点上氨基酸残基的构象分布情况，确定了活性中心各个位点的上氨基酸构象动态的偏好性。结果显示活性中心某些位点上的氨基酸残基只具有一种优势构象，而另外一些残基则具有多种不同的优势构象，而且这种规律在GH家族内是普遍存在的，这暗示着在催化过程中这两类残基可能发挥着完全不同的作用。更重要的是，对家族内不同成员活性中心整体动态特征的比较分析揭示了活性中心的构象动态具有明显的演化趋势，这从进化的角度证明了活性中心构象动态的组合优化可能是蛋白质功能进化的另一种途径。
　　4.根据不同糖苷水解酶家族中功能机制的研究结果，提出了蛋白质动态组学的概念，并构建了以蛋白质家族为模型的比较分子动力学模拟体系。
　　针对多个糖苷水解酶家族中纤维素酶的热稳定机制、蛋白质动态影响因素和蛋白质动态演化的研究过程中，采用了高性能计算集群，构建了一个包含蛋白质结构动态信息的大数据集合，对这些酶分子的分子动力学模拟系统分析挖掘了更多原子水平的信息来理解蛋白质功能发挥的分子机制。由于高性能计算资源的限制，只选择家族内有限数目的酶分子，通过对不同家族内酶分子动态特征的变化趋势与功能性质之间的相关性进行定量分析，可以判断某种结构动态特征是否具有真正的功能意义，这就是蛋白质分子动态组学的概念。蛋白质动态组学是一个包含蛋白质结构动态信息的大数据集合，其基本含义指的是在具有相同拓扑结构的蛋白质家族中，对不同蛋白质结构动态特征的表征和比较分析以及动态与功能之间的偶联关系。这一概念的提出，丰富了蛋白质与酶学研究的理论，相信其不仅可用于纤维素酶类的分析，也将适用于其它蛋白质家族中的功能机制研究。

目录

声明

摘要

缩略词

第一章 绪论

1．1 酶催化的温度依赖性

1．1．1 蛋白质稳定性的热动力学基础

1．1．2 蛋白质稳定性的关键影响因素

1．1．3 温度与酶活性

1．2 酶与底物的相互作用

1．2．1 “锁钥”学说

1．2．2 诱导契合理论

1．2．3 构象选择理论

1．2．4 蛋白质配体结合机制

1．3 蛋白质动态与功能

1．3．1 Loop结构的动态与功能

1．3．2 蛋白质结构域交界面的动态与动能

1．3．3 酶活性中心氨基酸残基的动态与功能

1．4 分子动力学模拟

1．4．1 分子动力学模拟的特点与应用范围

1．4．2 分子动力学模拟的不同应用场景

1．5 立题依据

第二章 GH12家族纤维素酶热稳定机制的分子动力学模拟

2．1 研究背景

2．2 系统与方法

2．2．1 模拟体系的准备

2．2．2 分子动力学模拟参数设置

2．2．3 数据分析

2．2．4 生物信息分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 GH12家族纤维素酶的去折叠与结构稳定性

2．3．2 GH12家族纤维素酶热敏感区域的鉴定

2．3．3 GH12家族纤维素酶N末端内部相互作用

2．3．4 末端氨基酸序列分析

2．4 本章小结

第三章 分子动力学模拟研究GH12家族纤维素酶热失活机制

3．1 研究背景

3．2 系统与方法

3．2．1 模拟体系的准备

3．2．2 分子动力学模拟参数设置

3．2．3 主成分分析

3．2．4 相互作用网络分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 酶分子的结构完整性

3．3．2 热敏感区的定位

3．3．3 高温下酶活性中心的动态扰动

3．3．5 氨基酸残基相互作用网络分析

3．3．6 酶分子设计的新规则

3．4 本章小结

第四章 底物结合过程中酶活性中心构象动态的分子动力学研究

4．1 研究背景

4．2 系统与方法

4．2．1 模拟体系的准备

4．2．2 分子动力学模拟参数设置

4．2．3 主成分分析

4．2．4 活性中心氨基酸残基侧链二面角分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 TfCel5A活性中心的协同运动

4．3．2 活性中心氨基酸残基侧链二面角动态

4．3．3 TfCel5A活性中心外的结构柔性分析

4．3．4 构象选择与构象恢复

4．4 本章小结

第五章 纤维素酶催化反应过渡态构象的稳定机制探究

5．1 研究背景

5．2 材料与方法

5．2．1 模拟体系的准备

5．2．2 分子动力学模拟参数设置

5．2．3 氢键、相互作用能与二面角分析

5．2．4 TrCel7B及其突变体的克隆、表达和纯化

5．2．5 酶催化动力学参数的测定

5．2．6 纤维素酶催化产物谱分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 TrCel7B活性中心不均匀分布

5．3．2 酶与底物的相互作用能

5．3．3 虚拟突变与糖环构象

5．3．4 定点突变对酶催化产物谱的影响

5．3．5 GH7家族纤维素酶的多结构比对

5．4 本章小结

第六章 重要糖苷水解酶家族酶活性中心构象动态的演化分析

6．1 研究背景

6．2 系统与方法

6．2．1 模拟体系的准备

6．2．2 分子动力学模拟参数设置

6．2．3 氨基酸残基侧链二面角分析

6．3 结果与讨论

6．3．1 活性中心构象水平上的动态异质性

6．3．2 活性中心不同位点上的构象动态偏好性

6．3．3 活性中心不同动态集合功能与演化分析

6．3．4 其它糖苷水解酶家族酶活性中心的构象动态分析

6．4 本章小结

全文总结与展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文