基于分子动力学模拟提高嗜热磷酸三酯酶样内酯酶非特异性底物活力的理论研究

发布时间：2020-05-22 00:56

【摘要】：细菌磷酸三酯酶(PTEs)是降解残留有机磷农药的主要酶类,鉴于有机磷农药残留严重威胁到人类的健康,发展一种绿色、经济、高效的方法将其从果蔬上移除,避免不必要农业损失是科研人员关注的热点问题.目前发现的常温PTEs,稳定性差,易变,使用成本高,而嗜热类磷酸三酯酶样内酯酶(Phosphotriesterase-like lactonases,PLLs)具有高温反应活性、对有机溶剂有强抗性、成本低等优点.同时,PLLs具有较复杂的活性,包括能够水解各种内酯的内酯酶活性和较弱的磷酸三酯酶活性.因而,PLLs既可成为降解残留有机磷农药的重要靶标蛋白,同时能够通过水解内酯等信号分子来调控群体反应所引发的毒性基因表达.大部分PLLs都来源于极端嗜热的超嗜热菌,由于其内在的高热稳定性,在实际生产应用中有很大优势.为深入了解酶的底物特异性,我们将基于PLLs的催化水解机理,对PLLs的三个家族成员:DrPLL(PLLs-B家族),SsoPox(PLLs-A家族)和Vmo Lac(PLLs-A家族)分别进行分子对接和常规分子动力学模拟,探究PLLs的非特异性底物的活力,并寻找能够提高PLLs内酯酶活性和磷酸三酯酶活性的方法.具体研究结果如下:(1)通过分子动力学模拟方法,比较DrPLL-δ-nonanoiclactone(内酯)和DrPLL-paraoxon(对氧磷)两种复合物的构象变化.结果表明:(Ⅰ)在DrPLL-δ-nonanoic lactone中,靠近Loop8的残基运动明显,构象改变使内酯的长疏水链能很好的结合在蛋白质的疏水通道上,使其能较容易地进入活性口袋,因此说明Dr PLL水解内酯类底物的能力更强.(Ⅱ)DrPLL中活性通道入口的Loop1构象变化会影响对氧磷进入活性口袋,对Loop1中残基进行突变(F26G/C72I)后,Loop1的构象变化明显减少,打破因Loop1构象变化对通道入口的阻碍,从而能够提高DrPLL催化对氧磷的效率.(2)通过分子动力学模拟方法,比较undecanoic-γ-lactone(内酯)和paraoxon(对氧磷)分别和野生型SsoPox与突变体(W263F/W263T)结合的构象变化,阐述Loop8中重要残基W263的突变能够提高SsoPox非特异性底物活力的原因,(Ⅰ)能够影响门控残基Phe229的构象变化,导致活性口袋入口变宽(Phe229与Tyr99之间的距离变大),使对氧磷和内酯更容易结合到蛋白质的活性位点上;(Ⅱ)Asp256和Arg223形成氢键的几率高于野生型(WT)SsoPox,使质子在Asp256(位于Loop8)与Arg223(位于Loop7)之间的传递更加高效,因而能够提高SsoPox水解底物的效率.(3)通过分子动力学模拟方法,比较VmoLac-3-oxo-C10 AHL(长链内酯),Vmo Lac-3-oxo-C6 AHL(短链内酯),Vmo Lac-paraoxon(对氧磷)三种复合物结构的动力学特征.结果表明,Vmo Lac对于长链内酯底物(3-oxo-C10 AHL)有明显的偏好,即VmoLac催化长链内酯的能力更强.结构多样性决定酶的复杂活性,我们的工作为提高嗜热类磷酸三酯酶样内酯酶非特性底物活性提供了重要的理论依据,并且对于高效降解有机磷农药和抑制细胞交流过程中的毒性基因表达具有深远意义.
【图文】：

合物农药的过量和长期连续使用，使许多地方的生态环境被有机磷化合物污染，严重威胁到人类的身体健康[5].有机磷化合物对于动物包括哺乳动物、脊椎动物以及无脊椎动物有着很高的毒性，在世界各地每年都有数百万人因有机磷化合物而中毒，其毒性原理如图 1.1 所示[2, 4].

图 1.2 脂肪酰基高丝氨酸内酯(1-6), 的一般化学结构.1.3 嗜热磷酸三酯酶样内酯酶从进化本质来说，每一种酶的进化过程都是逐步稳定发生的，沿着这一进化过程已经有人提出一种观点：一个先祖酶可以随意地进行一个低水平的催化反应，通过提供一个直接的选择优势，促进下一个新功能分支的产生.在 20 世纪时，为降解农药中的有机磷杀虫剂而进化出了磷酸三酯酶（PTE）[17]，此后许多科学家都在试图追溯细菌磷酸三酯酶的起源.在 2006 年以色列教授 Tawfik取得突破性进展，，首次发现一种新的酶类：嗜热磷酸三酯酶样内酯酶（Phosphotriesterase-Like Lactonases , PLLs）[18, 19].PLLs 是一种具有弱磷酸三酯酶活性的天然内酯酶，此类酶具有复杂的活性，包括内酯酶活性（PLLs, EC3.1.1.25）和能够降解有机磷化合物的磷酸三酯酶活性（PTEs, EC 3.1.8.1）[18,0].PLLs 能够高效催化各种内酯，包括脂肪酰基高丝氨酸内酯（acyl homoserine
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q55;X592

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 张志森;王琦;陈尔余;;自由能计算方法及其在生物大分子体系中的适用性问题[J];中国科学:化学;2014年06期

2 戴昕;周佳恒;朱亮;徐向阳;;生物聚集体中群体感应作用的研究进展[J];应用生态学报;2014年04期

3 吴清平;吴葵;叶应旺;董晓晖;张菊梅;;群体感应及其在动物病原菌致病中的作用[J];微生物学报;2009年07期

4 陈艳;李红梅;李淑英;;微生物细胞交流的方式——群体感应[J];畜牧与饲料科学;2009年05期

5 杨萍;孙益民;;分子动力学模拟方法及其应用[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2009年01期

6 温诗铸;;纳米摩擦学研究进展[J];机械工程学报;2007年10期

7 樊康旗,贾建援;经典分子动力学模拟的主要技术[J];微纳电子技术;2005年03期

8 张岱宇,刘福生,李西军,经福谦;多孔铁冲击温度的分子动力学模拟[J];高压物理学报;2003年01期

9 王慧,胡元中,邹鲲,冷永胜;纳米摩擦学的分子动力学模拟研究[J];中国科学(A辑);2001年03期

10 郏正明,杨根庆,程兆年,柳襄怀,邹世昌;Si(001)表面层及近表面层原子行为的分子动力学模拟研究[J];物理学报;1994年04期

本文编号：2675187