葡萄糖氧化酶和β-D-葡萄糖作用机制的分子动力学研究

发布时间：2019-11-02 08:31

【摘要】：葡萄糖氧化酶(GOx)是一种重要的生物催化剂,广泛应用于食品加工、临床检测和分析化学等领域。许多微生物和昆虫体内都存在葡萄糖氧化酶,生物工业所用的GOx主要产自黑曲霉和青霉。葡萄糖氧化酶由两个相同的亚基构成,每个亚基序列长度在580左右,每个亚基中含有一个辅因子,该辅因子为黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。葡萄糖氧化酶催化β-D-glucose氧化生成δ-葡萄糖内酯,随后O2被还原成H2O2。该反应过程可按反应机理分为半还原反应和半氧化反应。半还原反应过程指GOx从β-D-glucose分子中转移走2个氢原子,使之形成δ-葡萄糖酸内酯。同时,GOx发生还原,FAD辅因子转变成为还原型FADH2。最后,半还原反应生成的δ-葡萄糖酸内酯进行非酶水解生成葡萄糖酸。半氧化反应过程指还原型FADH2被分子氧重新氧化回原有状态,并生成过氧化氢。由于葡萄糖C1羟基处在β位时酶的活力比处于α位时高约160倍,因此,β-D-glucose在GOx中的作用机制引起人们的关注。本文从PDB数据中获取来自青霉的GOx和β-D-glucose的晶体结构,使用Amber软件分别对GOx和含有底物β-D-glucose的GOx进行分子动力学模拟。研究发现GOx活性口袋中只有Glu416、His520和His563三个氨基酸残基靠近反应位点。Glu416和His563之间通过氢键形成复合物,即His563Nε2和Glu416Oε之间形成氢键。因此,这三个氨基酸残基被认为是GOx肽链反应中心残基,本文着重对这三个残基进行分析研究。研究发现,添加底物β-D-glucose后,GOx活性口袋中β-D-glucose的C1羟基氢原子即H(O1)有向His520Nε2转移的趋势。β-D-glucose的C1氢原子即H(C1)有向FAD辅因子N5转移的趋势。研究发现His563Nε2上的氢原子(His563Hε2)可与Glu416Oε1、Glu416Oε2形成氢键,且其形成氢键的比率分别为0.55和0.44。GOx添加底物β-D-glucose后,His563Hε2与Glu416Oε1、Glu416Oε2形成氢键的比率分别为0.235和0.745。该结果表明在含有底物的GOx中,Glu416Oε2更易与His563Hε2形成氢键。本文采用分子动力学模拟方法对GOx和β-D-glucose的作用机制进行了研究。通过分析GOx活性口袋、肽链反应中心、FAD辅因子及底物β-D-glucose的变化,加深了对GOx与β-D-glucose反应机制的认识。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：Q55

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本文编号：2554393